에너지 측정(펄스)

펄스 크기 분석

검출기 신호가 흡수된 방사선의 에너지와 일정한 비례관계를 지니면 검출기가 에너지 지시능이 있다고 말한다. 예를 들어 비례계수관, 섬광검출기 또는 반도체검출기는 출력 펄스의 크기가 흡수된 방사선 에너지에 비례한다. 인가전압이나 증폭기 배율에 따라 최종 펄스의 절대치는 달라지지만 비례관계(예를 들어 1MeV 방사선이 200mV펄스를 낸다면 1.5MeV 방사선은 300mV 펄스를 내는 관계)는 유지된다. 따라서 교정에 의해 에너지를 판단할 수 있게 된다. 모든 검출기가 에너지 지시능이 있는 것은 아니다. GM관 출력 펄스는 극단적 기체 증폭으로 인해 방사선의 종류나 에너지에 대한 정보가 상실되기 때문에 에너지 분해능이 없다. 방사선검출기는 검출뿐만 아니라 에너지 분해능을 가지는 것이 좋지만 다른 장점이 뛰어나다면 그렇지 않은 검출기도 실용화된다. GM 관이 전형적인 예이다.

펄스 크기의 분산

에너지 지시능이 있는 검출기가 동일한 방사선을 검출할 때 내는 펄스 크기가 모두 같지는 않다. 제3장에서 보았듯이 방사선과 검출기 물질과 상호작용은 확률론적이기 때문에 교란이 있기 때문이다. 가령 W 치가 2.95eV인 Ge 검출기에 662keV 137-Cs 감마선이 흡수된 경우 평균적으로 생성되는 이온쌍 수는 662000/2.95=2.44X10^5개로 계산되지만 개별 감마선이 만드는 이온쌍 수는 평균값을 중심으로 분산이 일어나 정규 분포하게 된다. 나아가 후속 신호처리에서도 우발적 교란은 추가될 수 있다. 예를 들어 생성된 전하의 수집효율도 약간은 요동하며, 증폭기의 배율도 마찬가지이다. 따라서 펄스 크기를 분석하고 그 결과를 에너지로 환산한 결과의 분포도를 그리면 검출기에 입사된 감마선 에너지가 모두 동일하더라도 측정된 에너지 분포는 정규분포 모양의 피크를 형성하게 된다.

에너지 분해능

분산이 작을수록 좋은 계측시스템이고 보다 정확히 에너지를 지시한다. 따라서 계측시스템의 성능을 보이는 한 지표로서 그 분산의 정도를 나타내는 '분해능'을 사용한다. 분해능은 보일 에너지에 대한 반치폭(FWHM)의 비율로 정의한다. 반치폭이란 분포 꼭짓값의 1/2이 되는 높이에서 분포의 폭으로서 기호로는 FWHM으로 나타낸다. 에너지 분해능에 영향을 주는 인자는 주로 검출기의 정보운반자(주로 전자)의 통계적인 요동이고 그 밖에도 Fano인자, 시스템 잡음 등이 있다. 통상 '분해능이 좋다(우수하다)'고 말하는 것은 FWHM값이 작아서 피크가 예리하게 나타남을 말하므로 '분해능의 값이 크다'라는 말과는 반대 의미가 있음에 유의해야 한다. 에너지 측정치의 분산 정도 즉, FWHM은 방사선에 의하여 생성되는 정보운반자의 수의 평방근에 대략 비례한다. 이와 같은 원리는 사용하는 검출기 종류에 따른 분해능의 차이에도 적용된다. 비례계수관에서는 하나의 이온쌍을 만드는 데 약 30eV가 필요하고 HPGe 반도체검출기에서는 하나의 이온쌍 형성에 1 eV 정도가 소모된다. 

펄스높이 분석기

펄스높이 분석은 검출기 출력신호를 전치증폭기 및 주 증폭기를 통해 증폭한 다음 펄스높이 분석기(PHA)를 이용하여 선별하는 과정이다. 스펙트로메트리 초기에는 수동으로 펄스 크기를 선별하는 단일 파고분석기(SCA)가 사용되었으나 이제는 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 데이터 저장장치를 이용하여 자동으로 분석한다. 즉, 분석할 펄스 크기의 범위를 다수 구간으로 나눠 크기 구간별로 데이터 저장소를 지정하고 어떤 펄스가 출력되면 ADC로 펄스 크기를 수치화하여 그 값이 해당하는 구간 저장소의 계수에 하나를 더하는 방식으로 처리한다. 이러한 과정을 일정 시간 반복하면 펄스 크기 분포를 얻게 된다. 방사선 에너지 분석에 분석기는 다채널분석기(MCA)이다. ADC는 원리적으로 여러 가지가 고안되어 있지만, 흔한 것은 Wilkinson 방식 또는 순차적 비교방식이다. Wilkinson 방식은 펄스높이에 해당하는 전압으로 충전된 축전기의 전하를 일정한 비율로 방전시킴으로써 펄스 파고에 비례한 시간을 규정하여 그 시간만큼 게이트를 열어 고주파 발진기 펄스를 계수한다. 그러면 입력 펄스 파고와 게이트를 통과한 펄스 수가 비례하게 되어 A-D 변환이 실현된다. ADC의 발신 주파수는 50 MHz 정도가 표준이다. MCA의 분해시간은 A-D 변환시간과 메모리 처리시간과의 합으로 결정되는데, 분해시간 동안에는 다른 펄스가 들어오더라도 그것을 받을 수 없다.