방사선검출기

1) 서론

일반적으로 모든 핵의학적 체내, 체외 검사는 감마선, 베타선 등의 방사선을 검출하는 과정을 통해 이루어진다고 해도 과언은 아닐 것이다. 따라서 방사선검출기의 기본적인 원리 및 동작 특성에 대한 지식은 방사능을 올바르게 측정하고 핵의학검사기기의 구조, 동작원리, 특성 등을 이해하는 데 중요한 필수 조건일 것이다.

 

2) 일반적 원리 및 특성

(1) 방사선검출기의 원리

핵의학에 사용되는 감마선, 베타선과 같은 높은 에너지 및 주파수를 갖는 전리방사선은 주변 물질들을 통과할 떄 이들 물질과의 물리적 상호작용에 의해서 방사선이 갖는 에너지의 일부 또는 전부를 전달하여 매질을 이온화 또는 여기시키는 특성을 가지고 있다. 따라서 방사선 검출은 이러한 현상들에 따른 매질의 화학적, 전기적 특성의 변화 등을 측정하여 이루어지게 된다. 일반적으로 이러한 전리방사선에서 매질에 전달되는 에너지양은 매우 작으므로 통상 얻어진 신호를 증폭해서 사용해야 하는 경우가 많고 이러한 신호증폭 원리가 검출기의 특성을 결정짓는 요소가 되기도 한다.

 

(2) 동작방식

가. 펄스방식

방사선이 검출기와 반응하여 신호가 발생할 때 각각의 반응을 독립적으로 처리하는 경우를 펄스방식이라 하며, 이는 방사선의 검출빈도(또는 검출된 광자수)를 측정하는 것이 중요하거나 펄스의 크기로부터 검출된 방사선의 에너지 정보를 얻기 위한 경우에 사용되는 동작 방식이다. 핵의학 분야에서 사용되는 많은 방사선검출기들은 이러한 펄스방식으로 동작하는데 이러한 검출기를 사용할 때는 방사선 검출빈도가 신호 처리속도에 비해 높아질 때 생기는 불응시간(dead time)에 의한 데이터 손실에 유의하여야 한다.

 

나. 전류방식

각각의 반응에 대한 정보가 아닌 일정 기간 동안 검출된 신호의 총량 또는 평균치를 측정하는 경우를 전류방식이라 한다. 즉, 방사선량계(radiation dosimeter)와 같이 일정시간 방사선에 의해 전달된 에너지의 누적 총량을 측정하는 경우에 사용되고 있는데, 각각의 반응에 의해서 집적되는 에너지의 양이 매우 작거나 혹은 방사선의 검출빈도가 매우 높아 불응시간에 의한 데이터 손실이 발생할 우려가 있는 경우에 유용하다. 매우 넓은 범위의 방사능을 측정하여야 하는 핵의학용 검량기(dose calibrator)가 전류방식으로 작동하는 것은 이러한 이유 때문이다.

 

(3) 불응시간

가. 정의

검출기가 앞서 들어온 신호의 처리를 완료하기 전에 그 다음 신호가 들어오게 되면 나중에 들어온 신호를 처리하지 못하여 그 정보를 잃어버리게 되거나 심지어 앞서 들어온 신호에 왜곡을 가져오는 일이 발생할 수 있다. 따라서 연속된 두 신호 사이에는 검출기가 신호 처리를 완결할 수 있는 충분한 시간 차이가 있어야 하는데 이러한 왜곡을 일으키지 않는 최소한의 시간간격을 불응시간이라 부른다.

 

다. 불응시간 모델

이러한 방사선 검출시스템의 불응시간 특성은 두 가지 모델(불수적 또는 비불수적)로 기술할 수 있다. 어떠한 시스템들은 신호가 검출된 후 불응시간 내에 다른 신호가 들어오는 경우, 뒤의 신소를 단순히 무시하여 뒤이어 들어오는(불응시간 이후에) 신호 검출에 영향을 주지 않는다. 이러한 경우를 비불수적(non-paralyzable) 시스템이라 하고 파고분석기, 컴퓨터 인터페이스 등이 대표적인 예이다.

 

반면 많은 방사선 검출기들은 불수적(paralyzable) 시스템으로 분류할 수 있는데, 이러한 시스템에 들어온 입력 신호들은 그 신호들이 실제로 검출되었든 그렇지 않든 새로운 불응시간을 일으킨다. 반응빈도가 지나치게 높아지면 검출빈도가 오히려 감소할 수 있다.

 

(4) 에너지 스펙트럼 및 분해능

가. 에너지 스펙트럼

에너지 스펙트럼(spectrum)이란 검출기에 의해서 검출된 방사선의 빈도수(또는 개수)를 에너지에 따른 히스토그램 형태로 표시한 것이다. 많은 방사성동위원소들이 각기 다른 에너지를 갖는 방사선을 방출하기도 한다. 그러나 한 종류의 에너지를 갖는 방사선에 대한 에너지 스펙트럼을 측정해 보아도 광범위한 에너지 분포를 보이는 것이 보통이다. 이는 일차적으로 검출기가 갖는 에너지 분해능 한계에 따른 측정 오차에 의한 것이다. 또한 컴프턴 산란에 의해 방사선의 일부 에너지만이 검출기에 흡수되거나 방사선이 이미 에너지를 잃고 검출기에 흡수되기 때문이다. 

 

나. 에너지 분해능

에너지 분해능(resolution)은 특정 방사선이 갖는 고유에너지를 방사선검출기가 얼마나 정확하게 판별하는가 하는 능력을 의미한다. 모든 방사선검출기는 유한한 에너지 분해능을 갖는데 이는 다음과 같이 에너지 스펙트럼의 반측치(full width at half maximum, FWHM)를 고유에어지 값으로 나눈 백분율 값으로 표현한다.

ΔE/Epeak x 100(%)

 

(6) 검출기의 분류

방사선검출기의 종류는 그 분류기준에 따라서 다양하게 나눌 수 있다. 예를 들어 검출기를 통하여 얻고자하는 정보에 따라 분류한다면 방사선의 반응빈도를 측정하고자 하는 계수기(counter), 에너지 분포의 정보를 얻고자 하는 분광기(spectrometer), 일정시간 누적된 에너지량을 측정하는 선량계(dosimeter) 등으로 나눌 수 있다. 그러나  이러한 기준에 의한 분류는 서로 배타적이지 않으며 하나의 검출시스템이 이들 중 다수의 특성을 가질 수도 있다.

 

방사선검출기는 검출방식에 따라 기체검출기, 섬광검출기, 반도체검출기 등으로 분류할 수도 있다.

 

3) 기체검출기

(1) 동작원리

기본적으로 기체검출기는 두 개의 전극과 이들 전극 사이를 채우고 있는 기체로 구성되어 있다. 두 전극 사이에 외부 전원에 의한 전압차가 있으나 평상시에는 그 사이를 부도체인 기체가 채우고 있으므로 도선에는 전류가 흐르지 않는다. 그러나 방사선이 외부에서 검출기 내로 들어와 전리작용에 의해 기체를 이온화시키면 방출된 전자는 (+)전극을 향해서, 나머지 양이온은 (-)전극을 향해 이동한다. 이때 전자의 속도가 양이온의 속도보다 훨씬 빠르므로 전자는 도선을 따라 (-)전극으로 이동한 후 양이온과 다시 결합하게 되어 도선에는 일시적으로 전류가 흐르게 되는 것이다. 즉, 방사선이 기체를 이온화시키는 화학적 변화를 일으키고, 이러한 화학전 변화가 전기적 신호로 나타나는 것을 측정하는 원리이다.

 

대부분의 기체검출기는 기체가 밀봉되어 있는 기체함 외복을 (-)전극(cathode)으로 하고 기체함 내부에 삽입되어 있는 도선을(+)전극(anode)으로 하며 그 사이를 절연체로 분리해 놓은 형태를 가진다.

 

(2) 동작특성

기체검출기의 동작특성은 여러 요소들에 의해서 결정되지만 동작특성에 영향을 주는 가장 중요한 요소는 두 전극사이에 연가된 전압의 크기다.

기체검출기의 동작 곡선

기체검출기의 동작 곡선 그래프에서 알 수 있는 것은 전압과 전류의 관계가 인가전압의 크기에 따라서 몇 개의 영역으로 구분되어 다르게 나타난다는 것이다. 즉, 어떠한 영역에서는 인가전압이 변해도 전류의 크기가 변하지 않으며, 어떠한 영역에서는 전압 변화에 대해서 전류가 비례적으로 변하기도 한다. 현재 사용되고 있는 기체 검출기들은 그 종류에 따라 서로 다른 특성을 가지고 있는데, 이는 주로 이러한 기체검출기들이 어떠한 영역에서 동작하는가에 따라 결정되므로 이러한 전압-전류변화의 관계를 이해하는 것은 중요하다.

 

가. 재결합영역(Recombination Region)

우선 두 전극사이에 아무런 전압차도 걸려 있지 않다면 방사선에 의한 전리작용에 의해 생성된 전자와 양이온은 서로 끌어당겨 다시 재결합을 할 것이고 발생하는 전류도 없을 것이다. 그러나 두 전극 사이에 전하를 끌어당기기에 충분한 전압이 인가되면 일부 전자와 양이온이 두 전극을 향해 이동하게 되며 전압이 높아질수록 바로 다시 재결압하는 이온쌍보다는 전류를 생성하는 데 기여하는 이온쌍의 수가 증가하게 될 것이다. 이러한 원리에 의해서 인가전압에 비례하는 전류가 생성되는 동작 영역을 재결합영역이라 부르는데 발생한 전자-이온쌍 중 일부만 출력신호에 기여하므로 효율이 낮아 실제로는 거의 사용되지 않는다.

 

나. 전리함영역(Ionixation Chamber Region)

전압이 재결합영역을 지나 어느 수준 이상으로 높아지게 되면 방사선에 의해서 발생한 모든 전자-양이온쌍이 재결합되지 않고 전극에 모아지게 되어 전압을 증가시켜도 전류가 더 이상 증가하지 않는 영역이 생긴다. 이 영역에서 동작하는 기체검출기가 전리함검출기이며 이 영역을 전리함영역이라 부른다.

 

전리함영역의 중요한 특징은 인가전압이 어느 정도 변해도 출력신호에 변동이 거의 없으므로 안정된 출력을 얻을 수 있다는 점이다. 또한 출력신호의 크기가 방사선에 의해서 발생된 전자-이온쌍의 개수와 비례하여 방사선의 에너지에 비례하는 출력신호를 얻을 수 있다.

 

전리함검출기의 대표적인 예로는 방사능측량계(survey meter)와 검량기(dose calibrator) 등을 들 수 있다.

 

다. 비례영역(Proportional Region) 및 한계비례영역

전리함영역보다 인가전압의 크기가 커지면 측정된 전류의 크기가 다시 인가전압에 따라 증가하는 영역이 나타나는데 이 영역을 비례영역이라 부른다. 이 영역에서는 방사선에 의해서 생성된 전자가 전극 간의 높은 전위차에 의해서 추가적인 운동에너지를 얻어 가속되고 가속된 전자가 주변의 기체를 다시 이온화시키는 현상이 발생하는데, 이때 생성된 전자 역시 전기장에 의해서 가속되어 눈사태(avalanche) 현상 또는 기체증폭(gas amplification) 현상이라 부르는 연쇄적인 이온화현상을 일으키게 된다. 그런데 개개의 전자가 가속되는 정도는 인가전압이 클수록 높으며 전자의 속도가 빠를수록 추가적인 이온화가 일어날 확률이 높아지므로 인가전압에 따라 측정되는 전류의 크기가 커지는 것이다.

 

이 영역에서도 전리함영역에서와 같이 고정된 특정 동작전압에서 측정된 출력신호는 검출된 방사선의 에너지에 비례하게 된다. 그런데 인가전압이 어느 정도 이상 증가되면 출력신호의 크기와 방사선 에너지 간의 비례관계가 깨어지게 되는데, 이는 전자에 비해서 상대적으로 느리게 움직이는 양이온들이 미처 (-)전극에 도달하지 못하고 일종의 양전하 구름을 생성하여 두 전극 간의 전압차를 낮추기 때문이다. 즉, 방사성의 에너지가 클수록 생성되는 이온쌍의 수는 많아 이에 따른 전류증가가 있는 반면 양전하 구름에 의한 전압강하에 영향도 커지므로 정확한 에너지-전류 간의 비례 관계가 성립하지 않게 되는 것이다(한계비례영역).

 

라. GM 영역(Geiger-Mueller Region)

인가전압이 더욱 높아지게 되면 이러한 양전하 구름에 의한 영향이 매우 커져서 방사선의 에너지 크기에 관계없이 동일한 출력신호를 내는 영역이 생기며 이 영역을 GM 영역이라 한다. 이 영역을 넘어서는 전압을 인가하면 기체가 방사선의 유입 없이도 자발적으로 이온화하는 현상(spontaneous breakdown)이 일어나 더 이상 방사선검출기로서 의미가 없으므로, GM 영역은 최대한의 신호증폭 효과를 낼 수 있는 기체검출기의 동작영역이라 할 수 있다. 또한 동작전압의 다소간 변동에 대해서도 변화 없이 안정적 출력을 내는 장점을 가진다.

 

4) 섬광검출기

섬광검출기는 핵의학 분야에서 광범위하게 사용되고 있는데, 이는 기체검출기에 비하여 검출효율이 좋으며 반도체 검출기에 비하여 경제성 측면에서 우수하기 때문이다. 우물형계수기(well counter)를 비롯해 각종 감마카메라 및 SPECT, PET, 수술용 프로브(surgical probe) 등이 섬광검출기가 사용되는 대표적인 예이다.

 

(1) 동작원리

섬광체(scintillator)는 전리방사선과 반응하여 가시광선이나 자외선을 방출하는 물질을 총칭하는 것으로 이를 이용하여 방사선을 검출하는 장치를 섬광검출기(sciltillation detector)라 한다. 섬광체에서 발생한 빛은 각종 광센서를 이용하여 전기적인 신호로 변환되거나 필름을 감광하는 데 쓰이기도 한다.

 

(2) 섬광체

가. 기전

검출기에 입사된 방사선은 섬광체에 에너지를 전달하며 이 에너지는 섬광체를 구성하는 원자의 궤도전자를 여기시켜 그 위치를 내각 궤도에서 외곽 궤도로 옮기고 이 내각 궤도의 빈자리로 외곽 전자가 떨어지면서 가시광선 또는 자외선을 발생하여 섬광을 형성한다.

 

나. 특성

방사선을 검출함에 있어 요구되는 이상적인 섬광체의 조건을 정리하면 다음과 같다.

1. high conversion effeciency : 방사선을 빛으로 변환하는 변환효울이 좋아야 한다. 즉 방사선이 가진 에너지가 최대한 빛 에너지로 변환되어야 하며 다른 형태로의 손실이 최소여야 한다. 또한 발생한 빛의 양은 방사선의 에너지와 비례해야 한다.
2. fast rising and decay : 섬광이 동시에 빠르게 발생하여야 하고 발생한 빛은 빠르게 소멸되어야 한다. 이는 특히 빠른 신호처리가 필요한 펄스방식의 검출기에서 섬광이 빠르게 소멸되지 않으면 불응시간이 길어지므로 중요한 요소이다.
3. low self-aborption : 섬광체에서 발생한 빛에 대한 투명도가 높아서 섬광체 내에서 빛이 다시 흡수되는 비율이 낮아야 한다.
4. matched wavelength : 보통 광센서는 빛의 파장에 따라 검출효율이 다르므로 사용하고자 하는 광센서에 적합한 파장을 갖는 섬광을 내어야 한다.
5. high stopping power : 방사선에 대한 저지능이 높아야 한다. 즉, 입사된 방사선을 최대한 흡수하여 흡수되지 않고 통과하는 비율을 낮게 하여야 하는데 이를 위해서는 높은 원자번호를 갖는 물질로 구성되어야 하며 밀도가 높아야 한다.

이외에도 습기나 외부 충격에도 강해야 하고, 영상을 목적으로 사용하기 위해서 대변적의 섬광체를 만드는 것이 쉬워야 한다. 또한 자체적으로 방사선을 발생하는 물질은 배경잡음을 높이므로 이상적이지 않다. 광전자증배관과 같은 광전ㅅ센서에 결합하여 사용하는 경우에는 굴절률이 유리와 유사한 것이 빛의 손실을 줄이는 데 유리하다.

 

다. 종류

섬광체는 크게 유기 섬광체와 무기 섬광체로 나눌 수 있는데 유기 섬광체는 순수 유기체, 액체, 또는 플라스틱의 형태를 갖는다. 핵의학영상장치에는 대부분 결정 형태의 무기섬광체가 사용된다. 무기섬광결정은 유기섬광체에 비해 원자번호 및 밀도가 높아 방사선을 검출하는 능력이 우수하다. 또한 광전효과에 의한 방사선에너지 흡수가 주를 이루므로 에너지 측정에서도 유리하다.

 

실온에서 대부분의 순수한 섬광결정은 매우 적은 양의 섬광을 발생시키나 미량의 불순물(impurity)이 존재하면 발생하는 섬광의 양을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 

 

이러한 원리로 순수 결정에 불순물을 첨가하여 만든 섬광체를 외인성(extrinsic) 섬강체라 하며 Tl이 첨과된 NaI (Tl), CsI (Tl)이나 Ce이 첨가된 LSO (Ce), GSO (Ce) 등이 그 대표적인 예이다. 반면 BGO, BaF2와 같은 섬광체들은 내인성(intrinsic) 섬광체로 불순물 첨가 없이도 상당한 양의 섬광을 발생시킨다.

 

(3) 광전자증배관(Photomultiplier tube)

가. 역할

섬광체에서 방출된 빛을 전기 신호로 변환해 주는 광센서로는 광전자증배관과 광다이오드 등이 사용된다. 이 중에 가장 보편적으로 사용되는 것이 광전자증배관인데, 광전자증배관은 크게 두 가지 기능을 한다. 첫째는 섬광결정에서 발생한 광자를 전기 신호로 변환하는 것이고, 둘째는 이 전기신호를 후단의 전기회로에서 사용할 수 있을 정도의 크기로 증폭하는 것이다.

 

5) 반도체검출기

이상적인 반도체검출기의 출력은 그 통계적 변이가 적으므로 반도체검출기는 방사선의 에너지를 구분하는 에너지 분해능이 매우 우수하다. 또한 기체검출기에 비해 반응속도가 매우 빠르고 자체적으로 전기적 신호를 발생시키므로 광전자증배관 같은 광전소자가 필요 없어 시스템을 소형화하는 데 큰 장점이 있다.

 

그러나 현재 핵의학영상 분야에서 방사선을 직접 검출할 수 있는 반도체검출기는 매우 제한적으로 사용되고 있다. 그 이유는 조성 원소들의 원자번호(Ge: 32, Si: 14)가 상대적으로 낮아 섬광검출기에 비해 검출효율이 낮고, 넓은 면적을 제조하는 것이 어려워 단위면적당 생산단가가 높으며, 대부분이 열잡음(thermal noise) 정도가 심해 특수한 냉각장치가  필요하기 때문이다. CdTe나 CdZnTe (CZT) 등은 예외적으로 실온에서도 좋은 신호 특성을 보이는 반도체로 상대적으로 높은 원자번호와 우수한 에너지 분해능을 가지고 있어 감마카메라용 감마선 검출기로 적절한 특성을 보이나 생산단가가 높아 수술용 감마프로브나 유방전용 감마카메라 등 소형 장치에 활용되고 있으며 근래 들어 CZT를 이용한 SPECT 및 SPECT/CT가 임상에 도입되어 사용되고 있다.