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Title Page 2

Abstract 5

Contents 7

Ⅰ. Introduction 13

1. Research background 13

2. Literature review 24

3. Specific objectives 30

Ⅱ. Methods and Materials 32

1. Monte Carlo simulation 32

2. Optimization of the physical parameters of the diverging collimator for the target radioisotopes 34

1) Target radioisotope: ⁹⁹ᵐTc(Half-life: approximately 6 hours, Gamma-ray energy: 140 keV) 35

2) Target radioisotope: ¹³¹I(Half-life: approximately 6 days, Gamma-ray energy: 364 keV) 37

3) Target radioisotope: ¹³⁷Cs(Half-life: approximately 30 years, Gamma-ray energy: 662 keV) 39

3. Design of detection module and processing boards for electrical signals 44

4. Performance evaluation of gamma camera and gamma imaging monitoring system 47

Ⅲ. Results 55

1. Determination of physical parameters of diverging collimator and manufacturing by DMLS metal 3D printing technology 55

2. Signal detection module and processing boards for radiation monitoring 65

3. Evaluation of the intrinsic and extrinsic performance of compact gamma camera using various radioisotopes 70

1) Energy spectrum and intrinsic uniformity 70

2) System sensitivity to distance 73

3) Sensitivity within the effective area of the field of view 74

4) Energy resolution and angular resolution 78

4. Comprehensive radiation monitoring activity 81

Ⅳ. Discussion 84

Ⅴ. Conclusion 88

References 90

[Abstract] 104

List of Tables 11

Table 1.1. Physical and chemical characteristics of various commercialized scintillators 16

Table 2.1. The structure and theoretical magnification of reduction factor formula of the diverging collimator and conventional pinhole collimator 38

Table 2.2. Detailed specifications of the GAGG inorganic scintillator used in the detection module according to the target radioisotopes 45

Table 2.3. Target radioisotopes and other specifications for measuring energy spectrum and intrinsic uniformity 47

Table 2.4. Parameters for the performance evaluation of whether the sensitivity is maintained for ⁹⁹ᵐTc sources, effective area and the distance between the sources 48

Table 2.5. Parameters for the performance evaluation of whether the sensitivity is maintained for ¹³⁷Cs sources, effective area and the distance between the sources 49

Table 3.1. Comparison of the structural parameters and full width at half maximum with gamma images obtained by each diverging collimator according to purpose 56

Table 3.2. Structural parameters and full width at half maximum values of general-purpose diverging collimator optimized for each radioisotope 63

Table 3.3. Comparison of the measurement and GATE using ⁹⁹ᵐTc radioactive source 73

Table 3.4. Comparison of the measurement and theory using ¹³⁷Cs radioactive source 73

List of Figures 8

Figure 1.1. Types, shapes, and principles of various collimators for gamma cameras that depend on the specific purpose of radiation monitoring 17

Figure 1.2. Schematic diagram of the components and signal processing procedures of a conventional gamma camera 21

Figure 2.1. Diverging collimator shape and physical structural parameters made by 3D modeling software 36

Figure 2.2. The spatial resolution(Rdivg) and geometric efficiency (g) factors of the diverging collimator and various parameters required for calculation in equations...[이미지참조] 40

Figure 2.3. Decay scheme and emission gamma-rays of three radioisotopes ⁹⁹ᵐTc, ¹³¹I, and ¹³⁷Cs, which are optimization targets 42

Figure 2.4. Overall structure simulated in GATE, procedures for determining optimization parameters, and indicators for the performance evaluation 43

Figure 2.5. Experimental structures and radioisotopes for measuring system sensitivity according to a certain distance from the surface of a compact gamma... 50

Figure 2.6. Experimental structure for measuring system sensitivity in the effective area after mounting diverging collimator with a detection angle of 45° 51

Figure 2.7. Experimental structure for measuring angular resolution according to distance from gamma camera surface using ⁹⁹ᵐTc vial source 53

Figure 2.8. (Top) Structure of radiation monitoring activities through gamma imaging system and (Bottom) Self-developed software 'Kerberos' for comprehensive... 54

Figure 3.1. Comparison of the trade-off curve of system sensitivity and full width at half maximum according to the collimator height in the optimization procedure for... 57

Figure 3.2. Comparison of the sensitivity performance of pinhole collimator and diverging collimator for radioisotope position from the central axis in GATE 59

Figure 3.3. Comparison of the tendency of normalized spatial resolution and geometric efficiency values according to the height of the diverging collimator 60

Figure 3.4. Comparison of the trade-off curves between sensitivity and full width at half maximum according to the collimator height, hole size, and septal thickness... 62

Figure 3.5. Tungsten diverging collimator made with DMLS metal 3D printing technology (A) For radioisotope ⁹⁹ᵐTc (B) For radioisotope ¹³⁷Cs 64

Figure 3.6. Specifications of the Si-PM semiconductor detector in MPPC as a detection module for radiation monitoring 67

Figure 3.7. Configuration of a detection module optimized, manufactured and combined with a compact gamma camera 68

Figure 3.8. Signal processing board configuration for electrical signals coming from the detection module through the flexible flat cable... 69

Figure 3.9. Energy spectrum and gamma images of intrinsic uniformity acquired with a compact gamma camera (A) ⁵⁷Co (B) ¹³³Ba (C) ¹³⁷Cs 71

Figure 3.10. Process for creating a segmentation map based on intrinsic uniformity image for radioactive source ¹³³Ba (A) Raw uniformity gamma image... 72

Figure 3.11. Results of sensitivity according to the effective area in the field of view and the location of the vial sources for each distance from the gamma camera... 76

Figure 3.12. Gamma images when two ⁹⁹ᵐTc vial sources located at a distance of 4m from the gamma camera are separated by an X-axis... 77

Figure 3.13. Gamma imaging and source location identification by adjusting the energy window in the energy spectrum using two radioactive sources ²⁴¹Am and... 79

Figure 3.14. The pixel points of the maximum system sensitivity in the GAGG scintillator according to each distance from the gamma camera... 80

Figure 3.15. Comprehensive monitoring images of the distance between the ⁹⁹ᵐTc vial source and gamma imaging system (A) 4 m (B) 3 m (C) 2 m (D) 1 m 82

Figure 3.16. Comprehensive monitoring activity images of randomly located radioactive sources through gamma imaging system (A) ⁹⁹ᵐTc (B) ¹³⁷Cs 83

초록보기

 본 연구의 목적은 산업 및 의료분야 내 방사선 모니터링 활동이 요구되는 광범위한 탐지 영역에 활용 가능한 다목적 소형 감마영상화 장비를 개발하는 것이며, 다양한 종류의 방사성동위원소를 이용한 내인성 및 외인성 항목에 대한 성능평가를 수행하고 종합 모니터링 영상을 획득하는 것이다. Geant4 코드 기반의 vGATE 9.0 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 대표적 모니터링 대상 방사성핵종인 ⁹⁹ᵐTc, ¹³¹I, ¹³⁷Cs 선원에 대응 가능한 확산형 조준기의 구조적 설계변수를 최적화하였다. 조준기의 검출 각도는 45°로 고정되며 물리적 변수는 확산형 조준기의 총 높이와 각 구멍 크기, 격벽 및 가장자리의 두께이고, 각 설계변수에 대한 조준기의 구조를 3D 모델링 소프트웨어를 통해 STL, ST(E)P 파일로 추출하였다. 성능 지표는 시스템 민감도, 공간분해능, 신호대잡음비, 고유 효율성이며 Trade-off 곡선을 통해 비교·분석하여 설계변수를 결정하였다. ⁹⁹ᵐTc 방사성핵종에 대한 조준기의 높이, 구멍 크기, 격벽 두께는 각각 15.0, 0.7, 0.1 mm로 산출되었으며 이때 반치폭은 3.1 mm이고, ¹³¹I 선원의 경우, 각 항목에 대한 최적화 설계변수는 50.0, 1.0, 0.4 mm이며 반치폭은 3.1 mm이다. 또한 ¹³⁷Cs 선원에 대한 설계변수는 각각 60.0, 1.5, 1.0 mm이며 반치폭은 3.5 mm로 산출되었다. 이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 ⁹⁹ᵐTc 선원과 ¹³⁷Cs 선원에 최적화된 확산형 조준기를 DMLS 금속 3D 프린팅 기술을 통해 텅스텐 재질로 제작하였다. 신호검출모듈의 경우 25.4 × 25.4 × 3.5 ㎣ 크기의 GAGG 섬광체(각 픽셀 크기 : 0.5 × 0.5 × 3.5 ㎣, 0.7 × 0.7 × 3.5 ㎣)와 1.0 mm 두께의 광도관, 24 × 24 mm² 면적의 SiPM 반도체검출기(각 채널 크기 : 3 × 3 mm²)로 구성되며 섬광체로부터 발생된 빛의 외부 누설을 방지하고 반사체의 역할로써 테프론으로 감싸 완성하였다. 검출모듈은 Flexible Flat Cable을 통해 신호처리회로와 유기적으로 연결된다. 신호처리회로는 4가지 종류가 있다. Positioning Board는 Baseline 및 Gain 수치에 따라 입력된 전기신호에 대한 증폭 및 노이즈 필터링, 파형 성형 및 정형 등을 위한 Dual Channel Amplifier, Pre-amplifier, Shaping Amplifier, ADC Driver 등으로 조합된다. SiPM 및 여러 회로 구동 및 동작을 위한 전압 분배의 Power Distribution Board, Linux 환경 구축을 위한 Base Board, 실시간 데이터 수집 및 가공을 위한 SoC-FPGA Board로 구성되며 이러한 회로는 동일한 74 × 54 mm² 크기의 인쇄회로기판에 설계되었으며 쌓는 방식으로 결합되었다. 제작된 소형 감마카메라와 ²⁴¹Am, ⁵⁷Co, ⁹⁹ᵐTc, ¹³³Ba, ¹³⁷Cs과 같은 방사선원을 이용하여 에너지 스펙트럼, 균등도, 시스템 민감도와 같은 내인성 항목과 각도 분해능, 에너지 분해능, 관심영역 내 시스템 민감도와 같은 외인성 항목으로 분류하여 실측을 수행하였다. 또한 효율적으로 선원의 위치를 식별하기 위한 종합 모니터링 영상을 획득하고자 Segmentation Map을 제작하여 적용하였으며 개발된 소형 감마카메라와 전하결합소자 카메라를 노트북을 통해 연동시켜 각각 획득된 감마영상과 광학영상을 정합시켜 종합 방사선 모니터링 영상을 획득하였다. 확산형 조준기의 관심영역 내 무작위적으로 위치한 ⁹⁹ᵐTc과 ¹³⁷Cs 바이알 선원에 대한 방사선 모니터링을 수행하였으며 우수한 민감도로 올바른 위치의 각 바이알 선원을 식별하였다.

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