핵 보안·포렌식을 위한 감마 이미지 장비 비교와 적용 가이드

초록

본 논문은 반도체 기반 CdZnTe 감마 이미지 장비(H3D H420)와 석영·CsI(Tl) 기반 컴프턴 이미지 장비(SCoTSS 3×3)를 동일 실험 환경에서 직접 비교한다. 두 장비는 에너지 해상도·시야·각도 해상도에서 차이를 보이며, 넓은 영역 탐색에는 SCoTSS, 고정밀 현장 특성화에는 H3D H420이 적합함을 제시한다. 또한 데이터 처리와 이미지 재구성 방법을 통일해 공정한 성능 평가를 수행하고, 향후 감마 이미지 기술 발전 방향을 논의한다.

상세 분석

이 연구는 핵 보안 및 포렌식 현장에서 요구되는 ‘감지‑위치‑정량‑동정’ 4단계를 보완하기 위해, 기존의 패시브 스펙트로미터가 갖는 위치 정보 부족을 해소하고자 감마 이미징 기술을 도입한다는 배경에서 시작한다. 두 감마 이미지 장비는 근본적인 검출 원리가 다르다. H3D H420은 19 mm³ 부피의 CdZnTe 반도체 검출기를 사용해 662 keV에서 ≤1.1 % FWHM의 높은 에너지 해상도와 20°30°의 각도 해상도를 제공한다. 무게 3.5 kg, 외형 24 cm 이내로 휴대성이 뛰어나며, 4π 전방위 시야를 갖는다. 반면 SCoTSS 3×3은 288개의 CsI(Tl) 크리스털을 12×12 배열로 배치한 ‘산란‑흡수’ 이중층 구조이며, 각 크리스털을 실리콘 포토멀티플라이어로 독립 읽어들인다. 에너지 해상도는 662 keV에서 약 7 % FWHM로 일반 모바일 스펙트로미터보다 우수하지만, 반도체 대비 각도 해상도는 전방(≈4 %)에서 우수하고 측면에서는 2030 % 수준으로 저하된다. 두 장비 모두 전자기적 ‘컴프턴’ 이벤트를 이용해 이미지 재구성한다는 공통점을 갖지만, 검출 물질·크기·배열 차이가 이미지 품질에 미치는 영향을 직접 비교한다.

실험은 2019년 10월 캐나다 오타와에서 동일한 10 m 거리, 동일 고도에서 두 장비를 교대로 설치해 1 · 2 개의 160 MBq Cs‑137 점원천을 다양한 방위각(−20°, −30°, −50°, −120°)에 배치하였다. 데이터는 ‘리스트 모드’ 형태로 저장돼 동일한 파이프라인(에너지 윈도우, 두 개 이벤트 선택, 컴프턴‑광흡수 순서 지정 등)으로 처리되었다. 특히, 두 검출기 모두 동일한 ARM(Angular Resolution Measure) 계산 방식을 적용해 각도 오차를 정량화하고, 4π 백프로젝션 이미지를 생성해 시각적 비교를 수행하였다.

결과적으로, 단일 소스 실험에서 H3D H420은 2 분 측정으로도 118 nSv/h 수준의 필드에서 명확한 피크와 비교적 넓은 백프로젝션 분포를 보였으며, 운영자가 직관적으로 소스 위치를 파악할 수 있었다. 반면 SCoTSS 3×3은 광학 카메라 시야가 제한적이지만, 전방에서의 각도 해상도가 뛰어나며, 다중 소스 상황에서도 개별 소스를 구분하는 능력이 우수했다. 두 장비 모두 4π 전방위 탐색이 가능하지만, SCoTSS는 대용량 크리스털 배열 덕분에 넓은 영역을 빠르게 스캔하는 데 적합하고, H3D H420은 높은 에너지·각도 해상도로 정밀한 현장 분석에 강점을 가진다.

이러한 비교는 감마 이미지 장비를 ‘계층형 대응(tiered response)’에 배치할 때 실용적인 가이드를 제공한다. 초기 넓은 지역 탐색 단계에서는 경량·대용량 SCoTSS가 효율적이며, 탐색 후 특정 지역에 대한 상세 분석·동위원소 비율 산정 단계에서는 고해상도 CdZnTe 기반 H3D H420이 최적이다. 또한 데이터 처리와 이미지 재구성 알고리즘을 표준화함으로써 장비 간 성능 비교의 객관성을 확보했으며, 향후 인공지능 기반 이미지 향상, 실시간 3D 재구성, 경량화·배터리 효율 개선 등 기술 로드맵을 제시한다.