페이퍼요약 - HPGe 감마 스펙트럼 처리 소프트웨어의 성능 비교 by Aba

제목: HPGe 감마 스펙트럼 처리 소프트웨어의 성능 비교(A comparison of some software used for processing HPGe gamma spectra)

저자: A. Aba 외 2인, 시리아

문서유형: 컨퍼런스 페이퍼(총 8페이지), 2006년

 

시리아 원자력 위원회(the Atomic Energy Commission of Syria: AECS)의 방사능 분석 실험실에서 사용하는 7개의 감마선 분석 소프트웨어 제품의 성능을 비교한 자료

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감마선 분석 소프트웨어(Gamma ray analysis software)

• 환경 연구 애플리케이션, 중성자 방사화 분석(neutron activation analysis), 다양한 의료 애플리케이션을 위해 방사선 분석 실험실에서 사용하는 중요한 도구임
• 다양한 상용 소프트웨어 또는 실험실에서 직접 개발한 비상용 소프트웨어가 있으며, 독립형 패키지로 존재하거나 데이터 수집 및 분석 소프트웨어의 일부로 통합되기도 함
• 각 소프트웨어 마다 적용된 수학적 알고리즘이 다르므로 생성해 내는 결과가 다름(심지어 같은 소프트웨어도 버전에 따라 결과가 달라지기도 함)
• 감마선 분석 소프트웨어의 품질은 스펙트럼 환경에서 후방 산란 피크(backscatter peaks), 컴프톤 에지(Compton edges) 같은 스펙트럼 현상(spectral artifacts)으로 인한 혼동 없이 진짜 정점(peaks)을 식별해 내고 정확하게 측정하는 능력에 있다.

테스트 대상 감마선 분석 소프트웨어

테스트를 통해 성능을 비교하는 7개의 감마선 분석 소프트웨어 제품은 아래와 같다.

소프트웨어 패키지	버전 및 개발자	운영 모드
GammaTrack	버전 1.21, Oxford Instruments Ins. Nuclear measurements group, 미국	인터액티브
GANAAS	버전 3.3, IAEA physics section, 비엔나	배치
(Aptec)OSQ/Professional	버전 6.31, Aptec engineering LTD, 캐나다	배치
MicroSAMPO	버전 1.2, P. A& J.S, 미국	인터액티브
InterWinner	버전 4.16, Eurisys Mesures, 프랑스	인터액티브
ANGES	버전 1, IAEA physics section, 비엔나	인터액티브
FitzPeak	버전 3.27, JF Computing Services, 영국	인터액티브

테스트 방법

• 7개의 감마선 분석 소프트웨어를 완전 에너지 피크 위치(full energy peak position), 피크 영역 계산의 정밀도와 정확성(precision and accuracy of the peak-area calculations), 다수 피크의 디컨볼루션 성능(deconvolution performance of the multiple peaks)의 3가지 측면에서 테스트하고 비교함
• 전통적인 스펙트럼 분석 알고리즘인 피크 탐색(peak search), 베이스라인 차감(baseline subtraction), 피크 통합(peak integration), 더블릿 피크 탐색 및 피팅(doublet peak finding and fitting)을 분석
• 이 테스트를 위해 G 시리즈(1100-1400)로 불리는 국제원자력기구(IAEA)의 9개 테스트 스펙트럼을 사용

1) 테스트 스펙트라(Test Spectra)

• IAEA의 G1 테스트 스펙트라는 1976년 상호비교(intercomparison)를 위해 배포된 9개의 스펙트럼 집합으로, 2.8keV 해상도의 60 cc Ge(Li) 탐지기로 순수 방사성 핵종(pure radionuclides)을 정밀도 높게 측정하여 생성함. 채널 당 약 0.5keV 증가치로 2000 채널에 스펙트라를 기록(약 1000keV의 범위)
• G1100 참조 스펙트럼(reference spectrum)은 20개의 피크를 포함. 각 피크는 65,000에 가까운 카운트를 포함하며, 약 0.4%의 불확실성(uncertainty)을 가지고 측정될 수 있다.
• G1200 스펙트럼은 G1100와 비교하여 중심이 이동되고(shifted) 약화된(attenuated) 22개 피크를 포함. 피크들의 발견이 쉽지 않아 피크 탐색 성능(the peak search performance)을 테스트 하는데 좋은 도구가 되는 스펙트럼이다.
• G1300~G1305까지 6개 스펙트럼은 일관성 테스트를 위해 사용된다. 이 스펙트럼 각각은 22개 피크를 포함하며, 모두 G1100 참조 스펙트럼에서 도출되지만 별도의 노이즈 생성 프로세스를 거친다. 일부 피크는 중심이 이동되고(shifted) 약화(attenuated)됨. 컴프톤 에지(Compton Edge) 근처에 위치한 피크를 분석하는 능력을 체크하기 위해 한 스펙트럼에 컴프톤 에지 영역에 있는 피크를 추가함
• G1400 테스트 스펙트럼은 디콘볼루션 피크 성능(deconvoution peak performance)을 확인하기 위해 사용됨. 이 스펙트럼은 9개의 피크를 포함하는데, G1100의 피크를 시프트하고 약화시킨 더블릿 피크(doublet peaks)들이다.

2) 성능 기준(Performance criteria)

감마선 분석 소프트웨어의 피크 탐색 성능(peak search performance), 일관적인 스펙트럼 분석 성능(consistency spectrum analysis performance), 디컨볼루션 성능(deconvolution performance)을 평가하는데 효용 함수(Utility Function: UF)를 적용한다. UF는 아래와 같이 정의되며 UF값이 높으면 좋은 성능을 의미한다.

품질 지수(Quality Index: QI)는 아래와 같이 정의된다(m은 식별된 피크 수, n은 테스트 스펙트럼의 실제 피크 수).

RSE는 상대 표준 에러(the relative standard error)를 나타내며 아래같이 정의된다(R_MESURED는 측정된 피크 영역과 참조 피크 영역의 비율)

테스트 결과

1) 피크 탐색 성능 테스트(Peak search performance test)

G1200 스펙트럼을 사용하여 테스트 대상 소프트웨어의 피크 탐색 성능을 확인한 결과가 아래 그림과 같다. MicroSAMPO와 InterWinner가 가장 좋은 성능을 보이는데, 이 소프트웨어들은 사용자가 피크 탐색 패러미터를 직접 통제하고 피크를 삽입/삭제할 정확한 채널을 선택하는 것을 허용한다.

[피크 탐색 성능 테스트의 UF 결과]

2) 일관성 성능(Consistency performance)

G1300~G1305 스펙트라를 이용하여 테스트 대상 소프트웨어가 일관성 있는 결과물을 내는지 확인한 결과가 아래와 같다(G1300부터 G1305까지 6개 테스트 스펙트럼의 UF 평균과 표준 편차). MicroSAMPO가 가장 좋은 성능을 보이며, Anges와 GammaTrac도 양호한 성능을 가진다(패러미터 피팅을 허용하는 소프트웨어 제품이 좋은 성능을 보임)

[일관성 성능 테스트의 UF 결과]

아래 그림은 컴프톤 에지 근처에 위치한 피크를 분석하는 능력에 대한 성능을 나타낸다. InterWinner, MicroSAMPO, Anges가 다른 제품보다 더 나은 성능을 보인다.

[컴프톤 에지 테스트의 UF 결과]

3) 디컨볼루션 성능(Deconvolutin performance) 

디컨볼루션 성능 테스트는 G1400 스펙트럼을 사용하여 수행되었으며, 계산된 UF값이 아래와 같다. FitzPeak와 MicroSAMPO가 가장 좋은 성능을 보이는데, 이 제품들은 단일 인터벌에서 예상 피크 수를 산정하는데 있어 가장 적합한 것을 사용자가 선택하도록 허용하는 여러 수학적 피팅 함수(mathematical fitting functions)를 제공한다. 

[디컨볼루션 성능 테스트의 UF 결과]

결과 종합

인터액티브 모드로 운영되는 제품이 대체로 성능이 우수하며 또한 다양한 수학적 피팅 함수를 포함하는 제품이 좋은 분석 능력을 가진다.

[테스트 별 감마선 분석 소프트웨어의 순위]

순위	완전 에너지 피크 위치	피크 영역 테스트의 정밀도와 정확성	디컨볼루션 성능
1	MicroSampo	Interwiner	Fitzpeak
2	Interwiner	MicroSampo	MicroSampo
3	Gamma Trac	Anges	Anges
4	Anges	Fitzpeak	Interwiner
5	Fitzpeak	Gamma Trac	Aptec
6	Gannas	Gannas	Gamma Trac
7	Aptec	Aptec	Gannas