다중 감마 스펙트럼 검출기 간 차동 퍼즈 테스트로 변조 탐지

초록

본 논문은 기존의 단일 검출기 물리적 차동 퍼즈 테스트를 확장하여, 서로 다른 제조사의 NaI 감마 검출기 3대를 이용한 인터‑디텍터 차동 퍼즈 테스트 방식을 제안한다. 무작위 파라미터(펄스폭, 파인게인, 시스템 시간 등)를 동일하게 적용한 두 검출기의 스펙트럼을 비교함으로써, 정상적인 제조 차이에도 불구하고 시간 기반 복제 공격을 효과적으로 식별한다. 비선형 베이스라인과 χ²/ν 메트릭을 활용한 시각화가 핵심이며, 향후 이상 탐지 알고리즘 적용 가능성을 논의한다.

상세 분석

이 연구는 물리적 차동 퍼즈 테스트(Physical Differential Fuzz Testing)의 한계를 보완하기 위해 “골든 카피” 검출기와 현장 검출기를 동시에 테스트하는 인터‑디텍터 방식을 도입한다. 실험에 사용된 4 × 4 × 4 인치 NaI 검출기 3대(두 개는 Harshaw, 하나는 Bicron)는 동일한 7 µCi Cs‑137 소스를 30 cm 거리에서 측정했으며, 각 실험은 100개의 30 초 스펙트럼을 무작위 파라미터 조합으로 수집했다. 파라미터는 펄스폭(0.75–2.0 µs), 파인게인(0.5–1.2), 시스템 시간(현재 시점부터 7일 전까지) 등이며, 동일한 시드로 모든 검출기에 적용돼 동일한 입력 조건을 보장한다.

캘리브레이션 단계에서는 Eu‑154 표준을 이용해 각 검출기의 채널‑에너지 관계를 2차식으로 보정했으며, 이후 서로 다른 검출기의 스펙트럼을 1 keV 간격(0–1400 keV)으로 선형 보간해 동일한 bin 수를 확보했다. 이렇게 전처리된 데이터에 대해 수정된 reduced χ²/ν(식 1)를 사용해 스펙트럼 간 차이를 정량화한다. 기존 단일 검출기 연구와 달리, 인터‑디텍터 비교에서는 χ²/ν 값이 1에 가까운 것이 아니라 0–20 사이의 비선형 베이스라인을 형성한다. 따라서 단순 임계값(예: 2 또는 4)만으로는 변조를 탐지하기 어렵다.

시간 기반 복제 공격은 일주일에 한 번(일요일) 시스템 시간이 해당 창에 들어올 때 발생하도록 설계되었으며, 리스트모드 이벤트를 50 % 확률로 복제한다. 공격이 적용된 데이터(‘A’ 표기)와 비공격 데이터는 동일 파라미터 조건에서 수집되었으며, χ²/ν를 펄스폭(pw) 축에 대해 플롯하면 공격 샘플이 명확히 분리되는 비선형 패턴을 보인다. 반면 샘플 번호나 파인게인 축에서는 구분이 어려워, 시각화 차원에서 적절한 파라미터 축 선택이 중요함을 보여준다.

또한, 초기 샘플(샘플 0)에서 관측되는 높은 χ²/ν 값은 디바이스 스타트업 현상으로, 이는 공격과 무관하게 발생하지만 변조 탐지에 혼동을 줄 수 있다. 이러한 현상은 모든 검출기 쌍에서 관찰되었으며, 향후 자동화된 이상 탐지 알고리즘에서는 스타트업 구간을 제외하거나 별도 보정이 필요하다.

결과적으로, 서로 다른 제조사의 검출기 간에도 동일한 퍼즈 파라미터 시퀀스를 적용하면, 비선형 베이스라인을 고려한 χ²/ν 분석을 통해 시간 기반 복제 공격을 성공적으로 식별할 수 있다. 이는 현장 검출기가 이미 배치된 상황에서도 “골든 카피” 검출기를 이용해 새로운 베이스라인을 구축할 수 있음을 의미한다. 향후 연구에서는 머신러닝 기반 이상 탐지, 다중 파라미터 복합 시각화, 그리고 다른 방사선 검출기(예: HPGe, CZT)로의 확장 가능성을 제시한다.