2019 년 01 월 18ZB1400-01-3330P
베타붕괴 현상을 이용한 진성난수
생성기술 연구
True Random Number Generator using Beta Decay
10
제 출 문
본
연구보고서는
주요사업인
"베타붕괴
현상을
이용한
진성난수생성기술연구에 관한 연구"의 결과로서, 본 과제에 참여한
아래의 연구팀이 작성한 것입니다.
2019 년 01 월
연구책임자 : 책임연구원 박경환 (SoC설계연구그룹)
연구참여자 : 책임연구원 박성모 (SoC설계연구그룹)
연구참여자 : 책임연구원 최병건 (SoC설계연구그룹)
요 약 문
Ⅰ. 제 목
베타붕괴 현상을 이용한 진성난수생성기술연구에 관한 연구
Ⅱ. 연구목적 및 중요성
� 본 연구에서는 베타 방사성 동위원소의 자연 붕괴현상으로부터 진성난수를 생성하는 기술 연구를 목표로 한다. 동위원소의 자연붕괴로 방출되는 베타 입자를 검출하여 랜덤 특성인 검출신호를 난수로 변환함으로써 진성난수를 생성하려는 연구임 � 진성난수는 통계적 분포가 편향되지 않고, 다음 생성될 난수를 예측할 수 없으며, 개별적인 난수 상호간의 연관성이 없는 난수를 의미한다. 난수는 암호통신, 정보보안 시스템 뿐만 아니라 게임, 복권, 표본, 모의실험 등 다양한 분야에 사용되고 있기 때문에 난수생성기술이 매우 중요함� 컴퓨터 알고리즘으로 생성되는 의사난수 (Pseudo Random Number)는 가장 많이 사용되고 있지만 난수에 패턴이 존재하기 때문에 양자컴퓨터와 인공 지능까지 동원한 최신 해킹기술로 패턴추출이 가능하여 보안에 취약하며, 반면 난수의 패턴 예측이 불가능한 진성난수 (True Random Number)는 보안 통신, 보안시스템, 온라인뱅킹 등의 분야에서 수요가 급증하고 있음 � 현재의 진성난수 생성장치는 가격이 높고 속도가 느리고 부피가 큰 단점이 있으나,따라서 컴팩트한 사이즈로 대량생산이 가능하여 가격이 높지 않으 며 속도, 동작수명 및 성능 안정성 측면에서 우수한, 베타방사성 동위원소 의 자연붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술을 연구하고자 함
Ⅲ. 연구내용 및 범위
1. 1차년도(2018) 연구목표
� 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 고감도 검출기술 연구� 단위 베타붕괴 감지를 위한 베타소스 요구사양 도출 � 베타타소스 핵종 선정 및 난수생성속도별 베타선량 도출 � 방출입자의 에너지레벨 및 선량에 따른 분해능 시험 � 베타소스 형상 (도금호일, 면적, 규제면제용 패키지) � 저에너지 베타입자 검출소자 단위셀 제작 및 최적화 � 반도체 기반의 베타입자 흡수체 소재 및 구조 연구 � 단위셀 제작 및 감도증폭을 위한 바이어스 최적화 � 베타소스 제작 및 검출소자와 접합 � 베타핵종 양성 및 도금호일, 패키지 제작 � 베타소스/검출소자 접합 및 쉴딩 작업 � 베타붕괴 측정환경 구축 및 데이터 분석 GUI � 계측장비 셋업 및 상황별 동작범위 설정 � Raw Data 수집 및 통계적 분석 GUI 작성
Ⅳ. 연구결과
� 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 베타소스 사양 도출 � 베타 동위원소의 방출에너지, 반감기, 규제면제치를 고려하여 핵종 선정 � 베타붕괴 현상으로부터의 난수 생성속도에 따라 요구되는 베타선량 도출 � 베타입자의 에너지와 방사선량에 따른 오실로스코프상에서의 분해능 시험 � 검출소자와 접합이 가능한 베타소스 형상 (도금호일, 면적, 패키지) � 반도체 기반의 베타입자 흡수체 소재 및 구조 설계 � 흡수체 제작을 위한 공정 레시피 개발 및 공정 � 단위셀 제작 및 감도증폭을 위한 바이어스 최적화 � 베타소스 제작 및 검출소자와 접합 � 원자력연구원의 연구용 원자로(하나로)를 이용한 베타입자 방출물질 양성 � 요구된 사양에 따라 베타 방사성 물질이 균일도금된 박막호일 제작 � 규제면제치 이하의 선량이 특정방향/영역으로만 방출되는 패키지 제작 � 베타소스와 검출소자를 접합하고 잡음쉴딩, 방사선쉴딩 작업� 베타붕괴 측정환경 구축 및 데이터 분석 GUI
� 검출신호의 파형관찰과 데이터 전달이 가능하도록 계측장치 셋업 � 소스의 종류, 선량, 에너지에 따른 상황별 계측장비 동작범위 설정 � 프론트엔드 Raw Data 수집 및 통계분석을 위한 Lab View GUI
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
� 기존 진성난수생성기의 핵심적 문제는 큰 부피, 높은 가격, 낮은 속도임 � 따라서 사용자 디바이스나 개인용 컴퓨터에서 직접 진성난수를 생성할 수 있는 경량 진성난수생성기에 관한 연구가 미래에 유망할 것으로 전망됨 � 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술은 이 연구분야를 선점할 수 있 는 가장 경쟁력이 있는 기술로 새로운 분야의 반도체 IT 융합 연구에 활용 � 저에너지 베타입자 검출 반도체 소자 기술, 진성난수용 고품질 엔트로피 추출기술, 난수비트 변환 아날로그/디지털 신호처리 기술 및 진성난수 품 질검증을 위한 국제표준인증 기술은 반도체 소자레벨의 기술과 전자회로 시스템 기술, 수학통계적 분석기술이 결합된 반도체 IT 융합 연구분야임 � 보안기능이 필요한 모든 하드웨어 모듈에 활용 가능 � 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술은, 두가지 측면에서 의미가 있 는데 하나는 저에너지를 검출하여 의미있는 엔트로피를 추출이며, 다른 하 나는 반도체 검출소자를 사용하기 때문에 매우 작게 만들 수 있다는 점 � 따라서 베타붕괴를 이용하여 난수를 생성하는 세계 최초의 성공사례가 될 것이며, 아울러 소형 진성난수생성기 구현이 가능하여 보안기능이 필요한 모든 하드웨어 모듈에 본 난수생성기를 탑재할 수 있음 � 진성난수를 통해 난수를 사용하는 시스템의 신뢰성 보장을 위한 복권, 게 임, 표본검사, 모의실험, 충돌방지 알고리즘 등 난수의 랜덤성을 보장함으 로써 복권결과에 대한 승복, 예측불가의 게임시나리오, 표본검사의 중립 성, 모의실험의 효율성, 통신채널의 확장 등 기대 가능Ⅵ. 기대성과 및 건의
� 반도체형 소자를 사용하므로 초소형, 저전력이 가능하여 소형 보안통신 모 듈 (무선센서, IoT 등)용 경량 진성난수 생성 기술 확보 � 베타전지 전력을 사용함으로써 외부전원이나 충전없이 무인환경, 극한환경 에서 반영구적으로 자립 구동되는 진성난수 생성기 가능 � 아날로그 신호로부터 랜덤요소를 분류하고 디지털 난수를 추출하는 과정에 서의 난수 경향분석, 원인해소, 인증시험 등 노하우 축적 � 보안통신, 양자통신 시스템 구축에 적극적인 국내외 통신회사에 서버형, 모듈형 진성난수 생성기 솔루션 제공 가능 � 게임, 복권, 모의실험, 표본조사 등 보안이슈보다 랜덤성이 중요한 산업에 서 유사난수 대신 효율성, 신뢰성이 높은 진성난수 사용가능 � 갈수록 빨라지고 있는 컴퓨터 처리속도에 대응할 수 있는 고속의 진성난수 생성기 내장 및 암호화 시스템에서의 처리지연 해소를 통해 칩에 집적시킬 수 있는 기회 제공 � 현재까지 진성난수생성기가 상용화가 안 된 가장 큰 이유는 대량생산이 불 가능한 정교한 조정 기술을 필요로 하고 부피가 크고 가격이 높기 때문이 었음 � 국내는 전무하고 전세계에 몇 안되는 진성난수생성기를 저가 소형으로 개 발함으로써, 진성난수생성기 시장에서의 경쟁력 확보가 가능 � IoT 시대의 혜택을 사회 구성원 모두가 평등하게 누릴 수 있도록 IoT 디바 이스의 대중화를 통한 편리하고 안전한 사회 구현 � IoT 디바이스 진입 장벽을 낮춰 다양한 중소기업 및 벤처 회사들의 탄생ABSTRACT
Ⅰ. TITLE
True Random Number Generator using Beta Decay
Ⅱ. THE OBJECTIVES
� In this study, we aim to develop a technique to generate intrinsic random numbers from the phenomenon of natural decay of beta radioactive isotopes. It is a research to generate intrinsic random number by detecting beta particle which is released by natural decay of isotope and converting detection signal of random characteristic into random number.
� A true random number is a random number whose statistical distribution is not biased, the next random number to be generated can not be predicted, and there is no correlation between individual random numbers. Random number generation technology is very important because it is used in various fields such as game, lottery, sample, simulation, as well as cryptographic communication and information security system.
Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
� High Sensitivity Detection Technology for Detecting Unit Beta Particle Emission
� Deriving Beta source requirement specification for unit beta decay detection
� Selection of beta-source nuclide and derivation of beta dose by random number generation rate
particles
� Beta source shape (plating foil, area, package for regulation exemption)
� Production and optimization of low-energy particle detection unit cell
� Semiconductor based beta particle absorber material and structure study
� Biasing optimization for unit cell fabrication and sensitivity amplification
� Beta source fabrication and junction with detection device � Beta nuclide positive and plating foil, package production � Beta source / detection device junction and shielding work
� Beta collapse measurement environment construction and data analysis GUI
� Setting up the measurement equipment and setting the operation range according to the situation
� Raw data collection and statistical analysis GUI creation
Ⅳ. RESULTS
� Deriving beta source specification to detect unit beta particle emissions
� Selection of nuclear considering release energy, half-life, and regulatory exemption value of beta isotope
� Derive the required beta dose according to the random number generation rate from the beta decay phenomenon
� Resolution test on the oscilloscope according to the energy and radiation dose of beta particles
� Beta source shape (plating foil, area, package)
design
� Development and process of process recipe for making absorber
� Biasing optimization for unit cell fabrication and sensitivity amplification
� Beta source fabrication and junction with detection device
� Development of beta-particle emitter using research reactor (HANARO) of Atomic Energy Research Institute
� Produce thin film foil with homogeneously plated beta radioactive material according to required specifications
� Package production in which doses below the regulated exemption level are emitted only in a specific direction / area
� Bonding of beta source and detection element, noise shielding, radiation shielding work
� Beta collapse measurement environment construction and data analysis GUI
� Set up the measuring instrument so that the waveform of the detection signal can be observed and the data can be transmitted.
� Set the operating range of measuring equipment according to the type of source, dose, and energy.
� Lab View GUI for front-end raw data collection and statistical analysis
Ⅴ. EXPECTED RESULT & PROPOSITION
� The core problems of existing genuine random number generators are large volume, high price, low speed.
� Therefore, it is expected that research on a lightweight genuine random number generator capable of generating intrinsic random numbers directly from a user device or a personal computer will be promising in the future.
� True random number generation technology using beta decay phenomenon is the most competitive technology that can prevail in this research
field.
� International standard certification technology for low-energy particle detection semiconductor device technology, high-quality entropy extraction technology for intangible reception, analog / digital signal processing technology for random number bit conversion, and verification of true random water quality, Semiconductor IT convergence research combined with statistical analysis technology
� Available for all hardware modules that require security features � The technique of generating the random number using beta-decay
phenomenon is meaningful in two respects: one is to extract the meaningful entropy by detecting the low energy, and the other is to make it very small because it uses the semiconductor detection element
� Therefore, it will be the world's first successful case to generate random numbers by using beta collapse, and it is possible to implement small-scale random number generator, so that this random number generator can be loaded in all hardware modules requiring security function
� In order to guarantee the reliability of the system using random numbers through the genuine random number, it is necessary to ensure randomness of random numbers such as lottery, game, sample test, simulation, collision prevention algorithm, Neutrality, efficiency of simulation, extension of communication channel, etc.
CONTENTS
<제목 차례> ···1 제1장 서론 ···18 제1절 연구목표 ···18 제2절 연구의 중요성 및 필요성 ···18 1. 연구의 중요성 ···18 2. 연구의 필요성 ···19 제3절 기술현황 및 접근방법 ···19 1. 난수의 분류 ···19 2. 국내·외 기술개발 현황 ···20 3. 핵심요소 및 접근방법 ···23 라. 진성난수생성의 안정성 ···25 제4절 기대효과 ···25 1. 기술적 기대효과 ···25 2. 산업적 기대효과 ···25 3. 경제적 기대효과 ···25 4. 사회적 기대효과 ···26 제2장 본론 ···27 제1절 최종목표 및 평가방법 ···27 1. 최종목표 및 확보기술 ···27 2. 세부목표 및 평가방법 ···28 제2절 연차별 연구목표 및 내용 ···29 1. 1차년도(2018) 연구목표 ···29 2. 2차년도(2019) 연구목표 ···30 3. 추진일정 ···32 제3절 연구결과 (당해년도) ···33 1. 1차년도 연구목표 및 일정 ···33 2. 1차년도 연구결과 ···35 3. 구체적인 연구 성과 ···103 제3장 연구개발결과의 활용 계획 ···106 제1절 파급효과 <기초·미래 선도형> ···106 1. 미래유망 연구분야 선점 가능성 ···1062. 활용분야 파급성 ···106 3. 성과확산 계획 ···107 제2절 연구결과 활용 세부내용 ···108 1. 기술평가 ···108 2. 활용(상용화) 분야 및 방법 ···108 3. 이전 가능한 기술목록 ···109 제4장 결론 ···110 제1절 요약 ···110 제2절 결론 ···111 <표 차례> <표 1> 난수생성용 베타선원 요약 ···35 <표 2> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.1Ci/g) ···40 <표 3> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.2Ci/g) ···40 <표 4> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.3Ci/g) ···41 <표 5> 검출기 예상 계수율 (비방사능 12Ci/g) ···41 <표 6> 베타선원 63Ni의 방사선량 및 에너지 ···42 <표 7> 베타핵종 및 규제면제치 방사선량 ···42 <표 8> 원자력연구원 하나로 연구로의 63Ni 생산 능력 ···46 <표 9> (99% 농축 62Ni, 1g) 투입시 63Ni 로 변환된 양 ···47 <표 10> 조사된 (99% 농축 62Ni)을 0.555mg 흡착시켰을 때 선량 ···47 <표 11> 규제면제치 선량을 위한 조사된 (99% 농축 62Ni) 도금면적 ···47 <표 12> 63Ni 농축원액의 농도별 희석률 (=농축원액/희석용액) ···49 <표 13> 난수생성용 베타소스 요구사양 ···50 <표 14> 전기도금용액 구성 및 조건 ···52 <표 15> 방사선 디텍터용 반도체 물질의 물성 비교 ···73 <표 16> SP 800- 90B 개정된 문서의 비교 ···77 <그림 차례> <그림1> 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수생성 기술 개념도 ···18 <그림 2> 난수생성 방법 및 진성난수 분류 ···20 <그림 3> SK텔레콤의 양자발생기 ···21 <그림 4> Power-up 난수생성기술 ···21 <그림 5> 이전의 펄스간 간격이 현재의 펄스간 간격보다 짧으면 0, 길면 1 ···21 <그림 6> 일정한 시구간동안 펄스개수가 짝수이면 0, 홀수이면 1 ···22
<그림 7> 펄스가 시스템 클록의 Low에서 시작하면 0, High에서 시작하면 1 ···22
<그림 8> 정규화된 junction 누설 노이지 특성 ···23
<그림 9> 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술 연구 ···27
<그림 10> 63Ni Evaluated Nuclear Data File ···37
<그림 11> MCNP simulation of Pulse height spectrum at PIN diode ···38
<그림 12> Detector threshold vs. detection probability ···38
<그림 13> Detection probability vs. coating thickness ···39
<그림 14> 108 Bq 선량, 반감기 100.1 년인 물질의 선량 변화 ···44 <그림 15> 소형 전기도금 장치 (a) 실제 도금장치 (b) 랜더링 이미지 ···51 <그림 16> 도금기판 세척 및 무게 측정 ···52 <그림 17> Ni-63 원료물질 및 도금용액 ···52 <그림 18> 핫셀에 설치된 소형 방사성동위원소 전기도금장치 ···53 <그림 19> 제작된 63Ni 베타선원 ···54 <그림 20> 원자력연구원 내 방사성 동위원소 취급시설 및 평가환경 ···55 <그림 21> 베타선원 방사선량 측정 및 평가 ···55 <그림 22> 방사선 검출을 이용한 난수변환 예비실험 구성도 ···56 <그림 23> 방사선 계측회로 구성도 및 파형 ···56 <그림 24> Pre-amplifier 출력 ···57
<그림 25> Pulse Shaping amplifier 출력 ···57
<그림 26> Discriminator 출력 ···57
<그림 27> Lab View를 사용한 분포 분석 ···58
<그림 28> 방사선 검출회로의 Front-End 회로 구성도 ···63
<그림 29> Charge Senstivie Amplifier에서의 디텍터 연결방법 ···63
<그림 30> CR-110 Charge Sensitive Preamplifier를 이용한 전치증폭기 보드 ···70
<그림 31> CR-110 모듈 및 전치증폭기 보드 스키메틱 ···71
<그림 32> CR-110 모듈과 디텍터와의 연결 방법 ···71
<그림 33> PiN 다이오드를 이용한 방사선 디텍터의 원리 및 구조 모식도 ···73
<그림 34> 가드링이 포함된 PiN 다이오드의 회로 모식도 예 ···74
<그림 35> n-epi 층의 비저항과 두께에 따른 PiN 디텍터의 rise time ···76
<그림 36> 엔트로피 소스의 구성 요소 ···78 <그림 37> 엔트로피 테스팅 절차도 ···79 <그림 38> Python 기반 시뮬레이션 ···81 <그림 39> IID 테스트 결과 ···81 <그림 40> Non-IID 테스트 결과 ···82 <그림 41> Restart 테스트 결과 ···83
목 차
<제목 차례> ···1 제1장 서론 ···18 제1절 연구목표 ···18 제2절 연구의 중요성 및 필요성 ···18 1. 연구의 중요성 ···18 2. 연구의 필요성 ···19 제3절 기술현황 및 접근방법 ···19 1. 난수의 분류 ···19 2. 국내·외 기술개발 현황 ···20 가. 국내 기술동향 및 수준 ···20 나. 해외 기술동향 및 수준 ···21 3. 핵심요소 및 접근방법 ···23 가. 저에너지 베타입자 검출 ···24 나. 진성난수의 랜덤성 검증 ···24 다. 진성난수 생성속도 증대 ···24 라. 진성난수생성의 안정성 ···25 제4절 기대효과 ···25 1. 기술적 기대효과 ···25 2. 산업적 기대효과 ···25 3. 경제적 기대효과 ···25 4. 사회적 기대효과 ···26 제2장 본론 ···27 제1절 최종목표 및 평가방법 ···27 1. 최종목표 및 확보기술 ···27 2. 세부목표 및 평가방법 ···28 가. 정성적 세부목표 ···28 나. 정량적 세부목표 및 평가방법 (최종년도) ···28 다. 정량적 성과목표 ···29 제2절 연차별 연구목표 및 내용 ···29 1. 1차년도(2018) 연구목표 ···29 2. 2차년도(2019) 연구목표 ···30 3. 추진일정 ···32 제3절 연구결과 (당해년도) ···331. 1차년도 연구목표 및 일정 ···33 가. 1차년도 연구목표 및 연구내용 ···33 나. 1차년도 추진일정 및 마일스톤 ···34 2. 1차년도 연구결과 ···35 가. 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 베타소스 사양 도출 ···35 나. 베타선원 제작 ···50 다. 측정 및 평가환경 구축 ···54 라. 방사선 검출 및 난수변환 예비실험 ···55 마. 아날로그 신호처리부 연구 ···58 바. 저에너지 베타입자 검출소자 단위셀 제작 ···73 사. SP 800-90B 평가 기술 ···76 아. 확률통계 분석 기술 ···83 3. 구체적인 연구 성과 ···103 가. 주요 연구 실적 ···103 나. 기술개발 성과 ···104 다. 연구산출물 성과 ···104 제3장 연구개발결과의 활용 계획 ···106 제1절 파급효과 <기초·미래 선도형> ···106 1. 미래유망 연구분야 선점 가능성 ···106 2. 활용분야 파급성 ···106 3. 성과확산 계획 ···107 제2절 연구결과 활용 세부내용 ···108 1. 기술평가 ···108 2. 활용(상용화) 분야 및 방법 ···108 3. 이전 가능한 기술목록 ···109 제4장 결론 ···110 제1절 요약 ···110 제2절 결론 ···111 <표 차례> <표 1> 난수생성용 베타선원 요약 ···35 <표 2> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.1Ci/g) ···40 <표 3> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.2Ci/g) ···40 <표 4> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.3Ci/g) ···41 <표 5> 검출기 예상 계수율 (비방사능 12Ci/g) ···41
<표 6> 베타선원 63Ni의 방사선량 및 에너지 ···42 <표 7> 베타핵종 및 규제면제치 방사선량 ···42 <표 8> 원자력연구원 하나로 연구로의 63Ni 생산 능력 ···46 <표 9> (99% 농축 62Ni, 1g) 투입시 63Ni 로 변환된 양 ···47 <표 10> 조사된 (99% 농축 62Ni)을 0.555mg 흡착시켰을 때 선량 ···47 <표 11> 규제면제치 선량을 위한 조사된 (99% 농축 62Ni) 도금면적 ···47 <표 12> 63Ni 농축원액의 농도별 희석률 (=농축원액/희석용액) ···49 <표 13> 난수생성용 베타소스 요구사양 ···50 <표 14> 전기도금용액 구성 및 조건 ···52 <표 15> 방사선 디텍터용 반도체 물질의 물성 비교 ···73 <표 16> SP 800- 90B 개정된 문서의 비교 ···77 <그림 차례> <그림1> 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수생성 기술 개념도 ···18 <그림 2> 난수생성 방법 및 진성난수 분류 ···20 <그림 3> SK텔레콤의 양자발생기 ···21 <그림 4> Power-up 난수생성기술 ···21 <그림 5> 이전의 펄스간 간격이 현재의 펄스간 간격보다 짧으면 0, 길면 1 ···21 <그림 6> 일정한 시구간동안 펄스개수가 짝수이면 0, 홀수이면 1 ···22 <그림 7> 펄스가 시스템 클록의 Low에서 시작하면 0, High에서 시작하면 1 ···22 <그림 8> 정규화된 junction 누설 노이지 특성 ···23 <그림 9> 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술 연구 ···27
<그림 10> 63Ni Evaluated Nuclear Data File ···37
<그림 11> MCNP simulation of Pulse height spectrum at PIN diode ···38
<그림 12> Detector threshold vs. detection probability ···38
<그림 13> Detection probability vs. coating thickness ···39
<그림 14> 108 Bq 선량, 반감기 100.1 년인 물질의 선량 변화 ···44 <그림 15> 소형 전기도금 장치 (a) 실제 도금장치 (b) 랜더링 이미지 ···51 <그림 16> 도금기판 세척 및 무게 측정 ···52 <그림 17> Ni-63 원료물질 및 도금용액 ···52 <그림 18> 핫셀에 설치된 소형 방사성동위원소 전기도금장치 ···53 <그림 19> 제작된 63Ni 베타선원 ···54 <그림 20> 원자력연구원 내 방사성 동위원소 취급시설 및 평가환경 ···55 <그림 21> 베타선원 방사선량 측정 및 평가 ···55 <그림 22> 방사선 검출을 이용한 난수변환 예비실험 구성도 ···56
<그림 23> 방사선 계측회로 구성도 및 파형 ···56
<그림 24> Pre-amplifier 출력 ···57
<그림 25> Pulse Shaping amplifier 출력 ···57
<그림 26> Discriminator 출력 ···57
<그림 27> Lab View를 사용한 분포 분석 ···58
<그림 28> 방사선 검출회로의 Front-End 회로 구성도 ···63
<그림 29> Charge Senstivie Amplifier에서의 디텍터 연결방법 ···63
<그림 30> CR-110 Charge Sensitive Preamplifier를 이용한 전치증폭기 보드 ···70
<그림 31> CR-110 모듈 및 전치증폭기 보드 스키메틱 ···71
<그림 32> CR-110 모듈과 디텍터와의 연결 방법 ···71
<그림 33> PiN 다이오드를 이용한 방사선 디텍터의 원리 및 구조 모식도 ···73
<그림 34> 가드링이 포함된 PiN 다이오드의 회로 모식도 예 ···74
<그림 35> n-epi 층의 비저항과 두께에 따른 PiN 디텍터의 rise time ···76
<그림 36> 엔트로피 소스의 구성 요소 ···78 <그림 37> 엔트로피 테스팅 절차도 ···79 <그림 38> Python 기반 시뮬레이션 ···81 <그림 39> IID 테스트 결과 ···81 <그림 40> Non-IID 테스트 결과 ···82 <그림 41> Restart 테스트 결과 ···83
제1장 서론
제1절 연구목표
본 연구에서는 베타 방사성 동위원소의 자연 붕괴현상으로부터 진성난수를 생 성하는 기술 연구를 목표로 한다. 동위원소의 자연붕괴로 방출되는 베타입자를 검출하여 랜덤 특성인 검출신호 를 난수로 변환함으로써 진성난수를 생성하려는 연구이다. 진성난수는 통계적 분포가 편향되지 않고, 다음 생성될 난수를 예측할 수 없으며, 개별적인 난수 상호간의 연관성이 없는 난수를 의미한다. <그림1> 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수생성 기술 개념도제2절 연구의 중요성 및 필요성
1. 연구의 중요성
난수는 암호통신, 정보보안 시스템 뿐만 아니라 게임, 복권, 표본, 모의실험 등 다양한 분야에 사용되고 있기 때문에 난수생성기술이 매우 중요하다.l 컴퓨터 알고리즘으로 생성되는 의사난수 (Pseudo Random Number)는 가장 많 이 사용되고 있지만 난수에 패턴이 존재하기 때문에 양자컴퓨터와 인공지능 까지 동원한 최신 해킹기술로 패턴추출이 가능하여 보안에 취약함
l 반면 난수의 패턴 예측이 불가능한 진성난수 (True Random Number)는 보안통 신, 보안시스템, 온라인뱅킹 등의 분야에서 수요가 급증하고 있지만, 현재의 진성난수 생성장치는 가격이 높고 속도가 느리고 부피가 큰 단점이 있음 l 따라서 컴팩트한 사이즈로 대량생산이 가능하여 가격이 높지 않으며 속도, 동작수명 및 성능 안정성 측면에서 우수한, 베타방사성 동위원소의 자연붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술을 연구하고자 함
2. 연구의 필요성
본 과제에서는 정부에서 중점적으로 추진하고 있는 사이버보안정책 중 연구개 발이 필요한 기술은 차세대 보안기술이며 차세대 보안기술은 진성난수 사용을 전제로 하기 때문에, 보안모듈에 탑재할 수 있는 경량 진성난수생성기가 필요하 며 또한 국내에는 진성난수 생성기술이 전무하기 때문에, 진성난수 수요를 충족 시키기 위한 진성난수 생성기술이 필요하다.제3절 기술현황 및 접근방법
본 절에서는 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수생성 기술 연구에 관한 국내외 기술 동향 및 수준을 검토하고, 본 연구 과제가 이를 위해 제안하는 차별적 핵 심 요소 및 접근방법에 관하여 서술한다.1. 난수의 분류
일반적으로 난수발생장치는 알고리즘과 시드(seed)값을 조합하여 난수를 생성 하는 구조로 되어 있는데, 난수의 랜덤성은 이 시드값에 의해 결정된다. 난수 표나 S/W로 만든 디지털 값을 시드로 사용하는 장치는 S/W기반 난수생성기이며 물리적인 잡음현상이나 랜덤한 생체정보를 H/W로 캡쳐한 값을 시드값으로 사용 또는 직접 난수로 변환하는 장치를 H/W기반 난수생성기라 한다. l S/W기반 난수생성기는 랜덤성이 완전하지 않으며 장시간 노출되면 난수패턴 예측이 가능하기 때문에 보안상 취약점을 가지고 있어 주로 보안수준이 높지 않은 곳에서 사용되고 있음 l H/W기반 난수생성기는 높은 보안수준을 요구하는 곳에서 사용되고 있는데,자연방생 잡음을 이용하는 방식과 완전한 랜덤성을 가진 양자역학 현상을 이 용하는 방식으로 나눌 수 있음 <그림 2> 난수생성 방법 및 진성난수 분류
2. 국내·외 기술개발 현황
가. 국내 기술동향 및 수준
� 2017년 국민대에서 발표한 논문을 보면, 난수생성기의 입력시드로서 5종류 의 센서 데이터를 사용하여 난수를 생성시키는 기술을 발표 - 사용된 센서는 가속센서, 온도센서, 광센서, 거기센서, 조도센서 - 실제 수집되는 센서들의 데이터는 10비트이지만, 잡음원의 엔트로피 측 정에 적합하도록 SP 800-90B 기준에 맞추어 변화가 큰 상위 8비트만 추 출하여 잡음원으로 사용� 2017년 SK텔레콤 Quantum Tech Lab에서는 디지털 카메라의 CMOS Image Sensor의 각셀에 맺힌 광자의 수가 랜덤한 현상을 이용하여 난수를 생성하 는 기술을 발표. LED가 밝으면 CIS 출력의 변화가 심해지므로, 양자 랜덤 성이 보장되도록 LED의 밝기를 조절하도록 되어 있음
<그림 3> SK텔레콤의 양자발생기
나. 해외 기술동향 및 수준
� 2015년 중국 Huazhong 대에서 SRAM 모듈의 power-up state를 엔트로피로 사용한 난수생성기술을 발표
- SRAM에 전원이 인가되면 SRAM 내 threshold mismatch, thermal noise, shot noise에 의한 불안정한 상태가 0이나 1 상태로 천이
<그림 4> Power-up 난수생성기술
� 스위스 제네바 대학 (University of Geneva)에서는 노키아 N9 스마트폰의 8M 픽셀 CMOS Image Sensor에서 빛을 전자신호로 바꾸는 과정에서 발생되 는 Shot 잡음으로부터 난수를 생성 - 고감도 카메라는 각 픽셀에 도달하는 광자의 수를 셀 수 있는 데, 아주 짧은 노출시간동안 400개의 광자를 감지 가능 - 광자수는 Extractor 알고리즘에 합쳐져 일련의 1.25 Gbps 난수 생성 � 2003년 독일의 Saarland 대학에서 최초로 알파붕괴 현상을 이용한 난수생 성기에 관한 연구결과를 발표하였음 - 사용된 동위원소는 Americium 241 로서 선량은 0.1uCi 사용 - 붕괴감지 펄스열로부터 난수로 변환하는 몇가지 방법을 제시 <그림 5> 이전의 펄스간 간격이 현재의 펄스간 간격보다 짧으면 0, 길면 1
<그림 6> 일정한 시구간동안 펄스개수가 짝수이면 0, 홀수이면 1
<그림 7> 펄스가 시스템 클록의 Low에서 시작하면 0, High에서 시작하면 1
� 2017년 독일의 Aachen 대학에서는 Thorium dioxide동위원소와
Geiger-Muller tube 를 이용하여 난수생성기에 관한 연구결과를 발표 - Thorium dioxide는
입자와
입자 를 동시에 방출 - GM튜브는
입자와
입자를 구분하 지 못하고 단지 방출 이벤트만 검출 - 37 일 동안 35×106 이벤트들을 기록하 여 난수로 변환 - 측정 결과 ‘0’은 50.0046%, ‘1’은 49.9954% 인 분포를 얻음 - GM 튜브의 데드타임 때문에 방사속도가 빠를때는 측정할 수 없기 때문에 매 90ms 마다 하나의 랜덤 비트 생성 (11.1 bps)� 2012년 호주 국립대의 Quintessence Labs에서는 Quantum vacuum fluctuations 상태의 레이저를 빔 스플리터에 통과시켜 랜덤 비트 스트림
을 생성하는 장치를 선보임
� 2013년 미국의 Quantum World Corporation에서는 MOS 트랜지스터와 CMOS 집적회로에서의 sub-threshold leakage, gate tunneling leakage, junction tunneling leakage에 의한 Shot Noise를 엔트로피로 사용하는 양 자난수생성시스템을 소개하였음
<그림 8> 정규화된 junction 누설 노이지 특성
본 연구과제는 베타붕괴 현상을 이용하여 저에너지 베타입자 검출, 진성난수 생성속도 증대 및 안정성을 가진 진성난수 생성기술을 개발하고, 표준 SP 800 90B의 평가를 통하여 진성난수를 검증한다.
가. 저에너지 베타입자 검출
� 방출되는 베타입자 에너지가 매우 미약하므로, 단위 방출이벤트를 검출하 기 위한 고감도 감지기술을 적용해야 함 � 단위시간당 붕괴이벤트 횟수를 조정하기 위해 베타소스의 선량, 면적, 두 께 등 사양을 도출하여 원자력연구원에 제작 의뢰함 � 베타입자 검출소자의 면적, 구조, 전압인가 등 감지효율과 잡음도래간의 최적화 작업을 반복하여 감도를 증대시켜야 함 � 측정된 검출신호로부터 각 랜덤요소들의 분포, 경향, 시간적인 특징을 분 석하여 진성난수의 엔트로피로 사용할 수 있는 랜덤요소 추출나. 진성난수의 랜덤성 검증
� 진성난수는 난수패턴이 편향되지 않아야 하고, 다음 발생될 난수를 예측할 수 없어야 하며, 이전에 발생된 난수와 전혀 관련성이 없는 난수가 생성되 어야 함 � 베타입자 검출신호로부터 추출된 랜덤요소를 수집하여 표준화된 난수 알고 리즘에 시드로 활용하거나 자체적인 난수 스트림을 발생시켜 표준에 따라 진성난수임을 인증하는 통계적 검증 � 검출신호 측정, 방출입자 밀도조정, 감도조정, 동적영역 제어, 디지털화, 난수생성, 통계분석, 인증시험 등 일련의 작업들이 반복적인 피드백과 최 적화를 거쳐 이뤄져야 함다. 진성난수 생성속도 증대
� 진성난수생성기는 엔트로피 수집에 시간이 걸리기 때문에 진성난수 생성속 도가 낮고 이를 증대시키는 방법에는 한계가 있음 � 베타붕괴 역시 단위시간당 평균붕괴 회수가 정해져 있기 때문에, 선량을 늘려 단위시간당 보다 많은 이벤트 검출을 하도록 함으로써 속도를 증대시 킬 수 있음 � 난수생성속도를 증대하기 위해선 반도체 소자의 데드타임을 짧게 해야 하는데 이를 위해 소자특성, 소자구조, 인가전압 최적화 필요
라. 진성난수생성의 안정성
� 유사기술인 알파붕괴 난수생성기는 붕괴시 방출되는 알파입자의 에너지가 커서 검출기의 반도체 소자에 심각한 격자손상을 야기하여 난수생성기 수 명이 짧아지거나 난수의 랜덤성이 훼손됨 � 알파붕괴 동위원소 대신 베타붕괴 동위원소를 사용하면 베타입자의 에너지 가 작기 때문에 검출기의 반도체 격자손상이 전혀 없고 안정적이고 지속적 인 진성난수 생성이 가능함제4절 기대효과
1. 기술적 기대효과
� 반도체형 소자를 사용하므로 초소형, 저전력이 가능하여 소형 보안통신 모 듈 (무선센서, IoT 등)용 경량 진성난수 생성 기술 확보 � 베타전지 전력을 사용함으로써 외부전원이나 충전없이 무인환경, 극한환경 에서 반영구적으로 자립 구동되는 진성난수 생성기 가능 � 아날로그 신호로부터 랜덤요소를 분류하고 디지털 난수를 추출하는 과정에 서의 난수 경향분석, 원인해소, 인증시험 등 노하우 축적2. 산업적 기대효과
� 보안통신, 양자통신 시스템 구축에 적극적인 국내외 통신회사에 서버형, 모듈형 진성난수 생성기 솔루션 제공 가능 � 게임, 복권, 모의실험, 표본조사 등 보안이슈보다 랜덤성이 중요한 산업에 서 유사난수 대신 효율성, 신뢰성이 높은 진성난수 사용가능 � 갈수록 빨라지고 있는 컴퓨터 처리속도에 대응할 수 있는 고속의 진성난수 생성기 내장 및 암호화 시스템에서의 처리지연 해소를 통해 칩에 집적시킬 수 있는 기회 제공3. 경제적 기대효과
� 현재까지 진성난수생성기가 상용화가 안 된 가장 큰 이유는 대량생산이 불 가능한 정교한 조정 기술을 필요로 하고 부피가 크고 가격이 높기 때문이 었음 � 국내는 전무하고 전세계에 몇 안되는 진성난수생성기를 저가 소형으로 개 발함으로써, 진성난수생성기 시장에서의 경쟁력 확보가 가능
4. 사회적 기대효과
� IoT 시대의 혜택을 사회 구성원 모두가 평등하게 누릴 수 있도록 IoT 디바 이스의 대중화를 통한 편리하고 안전한 사회 구현 � IoT 디바이스 진입 장벽을 낮춰 다양한 중소기업 및 벤처 회사들의 탄생 도모함으로써 대기업과 중소기업 간 양극화 문제 해결 � IoT 시장 확산으로 사전 예방적 건강관리활동을 촉진하여 고령 인구의 삶 의 질 향상제2장 본론
제1절 최종목표 및 평가방법
1. 최종목표 및 확보기술
베타입자 방사성 동위원소의 붕괴현상으로부터 무편향/무예측/무연관 특성을 갖는 진성난수 생성기술 연구 l 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 고감도 검출기술 연구 l 검출신호를 난수로 변환하는 신호처리 및 진성난수 인증시험 <그림 9> 베타붕괴 현상을 이용한 진성난수 생성기술 연구 구 분 주 요 확 보 기 술 베타붕괴 동위원소의 자연붕괴 현상을 이용한 하드웨어 Ÿ 고감도 검출기술을 이용한 단위 베타입자 감지 Ÿ 다각적 신호분석을 통한 진성난수용 엔트로피 추출 Ÿ 아날로그/디지털 신호처리를 통한 난수비트열 생성 베타붕괴 동위원소의 자연붕괴현상을 이용한 평가 기술 Ÿ 난수랜덤성 인증 : 국제표준 NIST SP 800-90B 인증 Ÿ 난수생성 비트속도 : 10 Mbps 이상 Ÿ 난수생성 동작수명 : 10 년 이상2. 세부목표 및 평가방법
가. 정성적 세부목표
� 고감도 검출기술을 이용한 단위 베타입자 방출 감지 � 다각적 신호분석을 통한 진성난수용 엔트로피 추출 � 아날로그/디지털 신호처리를 통한 난수 비트열 생성나. 정량적 세부목표 및 평가방법 (최종년도)
성과지표 (주요성능 Spec) 단위 세계최고 수준 기술개발 목표치 목표치 산출근거 검증방법 비고 (달성년도) ① 난수생성 비트속도 Mbps 1.6 kbps* ≧ 10 세계최고 수준 실험실내 시험검증 방사성붕괴 방식 난수생성기술 중 (2019) ② 난수생성 동작수명 년 - ≧ 10 세계최고 수준 베타선원의 반감기 입자충돌에 따른 입자검출소자수명 (2019) ③ 검출 셀 파티셔닝 개 - ≧ 4 랜덤비트 증가 베타흡수체 레이아웃 공간적 랜덤성을 비트화하여 추가 (2019) ④ IID Test Pass/Fail Pass Pass
세계최고 수준 NIST SP 800-90B NIST SP 800-90B 테스트항목 (2019) ⑤ IID Test Min-Entropy - 1.98 ≧ 1.98 세계최고 수준 NIST SP 800-90B NIST SP 800-90B 2 bits 단위테스트 ( 2019 ) ⑥ Non-IID Test Min-Entropy - 1.81 ≧ 1.81 세계최고 수준 NIST SP 800-90B NIST SP 800-90B 2 bits 단위테스트 ( 2019 ) ⑦ Restart Test Pass
/Fail Pass Pass
세계최고 수준 NIST SP 800-90B NIST SP 800-90B 테스트항목 (2019) ⑧ Restart Test Min-Entropy - 1.98 ≧ 1.98 세계최고 수준 NIST SP 800-90B NIST SP 800-90B 2 bits 단위테스트 ( 2019 )
다. 정량적 성과목표
공통지표(필수제시) 자율지표(자율제시) 지표명 총사업연도 ‘18년도 지표명 총사업연도 ‘18년도 과학적 성과 표준화된 IF 상위 20% SCI 논문(건) 2 0 SCI 논문 (건) 2 0 기술적 성과 특허활용률 (기술이전건수/ 특허등록보유건수) 국내외 특허 (건) 국내 : 4 국외 : 2 국내 : 2 국외 : 1 국제표준특허(건) 국제표준승인 표준기고서(건) 3극 특허(건) 경제적 성과 연구비 대비 기술료 수입(%)제2절 연차별 연구목표 및 내용
1. 1차년도(2018) 연구목표
단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 고감도 검출기술 연구 1) 단위 베타붕괴 감지를 위한 베타소스 요구사양 도출 � 베타타소스 핵종 선정 및 난수생성속도별 베타선량 도출 � 방출입자의 에너지레벨 및 선량에 따른 분해능 시험 � 베타소스 형상 (도금호일, 면적, 규제면제용 패키지) 2) 저에너지 베타입자 검출소자 단위셀 제작 및 최적화 � 반도체 기반의 베타입자 흡수체 소재 및 구조 연구 � 단위셀 제작 및 감도증폭을 위한 바이어스 최적화 3) 베타소스 제작 및 검출소자와 접합� 베타핵종 양성 및 도금호일, 패키지 제작 � 베타소스/검출소자 접합 및 쉴딩 작업 4) 베타붕괴 측정환경 구축 및 데이터 분석 GUI
� 계측장비 셋업 및 상황별 동작범위 설정 � Raw Data 수집 및 통계적 분석 GUI 작성
2. 2차년도(2019) 연구목표
검출신호를 난수비트로 변환하는 신호처리 및 진성난수 인증시험 1) 검출신호내 랜덤요소 분석 및 엔트로피 추출 � 파형분석 및 샘플링 종류/위치/구간 조정 � 펄스 위치/빈도/레벨/간격, 붕괴스팟 분석 � Poisson 분포 체크 및 적정 엔트로피 추출 2) 난수변환을 위한 아날로그/디지털 신호처리 � 아날로그/디지털 신호처리 보드 구현 � 잡음억제 조율 및 난수비트 출력확인 3) 난수분석 및 진성난수 인증시험 � 난수의 랜덤성, 경향성 검증 통계적 분석 � NIST SP 800-90B 표준에 따른 인증시험 4) 고속 난수생성을 위한 기술 연구 � 검출소자의 데드타임 측정 및 영향인자 도출 � 배열형 또는 파티션 타입 검출소자셀 제작 � 배열형 또는 확장형 베타소스 제작구 분 목 표 내 용 1차년도 (2018) 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 고감도 검출기술 연구 - 단위 베타붕괴 감지를 위한 베타소스 요구사양 도출 (~5/25) ・ 베타소스 핵종 선정, 난수생성속도별 베타선량 도출 ・ 방출입자의 에너지레벨 및 선량에 따른 분해능 시험 ・ 베타소스 형상 (도금호일, 면적, 규제면제용 패키지) - 저에너지 베타입자 검출소자 단위셀 제작/최적화 (~11/30) ・ 반도체 기반의 베타입자 흡수체 소재 및 구조 연구 ・ 단위셀 제작 및 감도증폭을 위한 바이어스 최적화 - 베타소스 제작 및 검출소자와 접합 (~12/14) ・ 베타핵종 양성 및 도금호일, 패키지 제작 ・ 베타소스/검출소자 접합 및 쉴딩 작업 - 베타붕괴 측정환경 구축 및 데이터 분석 GUI (~12/21) ・ 계측장비 셋업 및 상황별 동작범위 설정
・ Raw Data 수집 및 통계적 분석 GUI 작성
2차년도 (2019) 검출신호를 난수비트로 변환하는 신호처리 및 진성난수 인증시험 - 검출신호내 랜덤요소 분석 및 엔트로피 추출 (~4/26) ・ 파형분석 및 샘플링 종류/위치/구간 조정 ・ 펄스 위치/빈도/레벨/간격, 붕괴스팟 분석 ・ Poisson 분포 체크 및 적정 엔트로피 추출 - 난수변환을 위한 아날로그/디지털 신호처리 (~6/28) ・ 아날로그/디지털 신호처리 보드 구현 ・ 잡음억제 조율 및 난수비트 출력확인 - 난수분석 및 진성난수 인증시험 (~11/29) ・ 난수의 랜덤성, 경향성 검증 통계적 분석 ・ NIST SP 800-90B 표준에 따른 인증시험 - 고속 난수생성을 위한 기술 연구 (~12/31) ・ 검출소자의 데드타임 측정 및 영향인자 도출 ・ 배열형 또는 파티션 타입 검출소자셀 제작 ・ 배열형 또는 확장형 베타소스 제작
3. 추진일정
연도 연구내용 1차년도(2018) 2차년도(2019) 비고 상반기 하반기 상반기 하반기 단위 베타붕괴 감지를 위한 베타소스 최적화 연구 핵종 분석 및 최적선량 추출 ⇓ 베타소스 사양 도출 핵종 양성 및 선량조절, 도금 ⇓ 베타소스 제작 패키징 배열형/확장형 베타소스 적용 ⇓ 고속 난수생성용 베타소스 사양 평면/공간적 균등 선량, 도금 ⇓ 고속 난수생성용 베타소스 제작 저에너지 입자 검출을 위한 고감도 검출소자 연구 베타볼테익 셀 바이어싱 시험 ⇓ 베타볼테익 셀 감도특성 분석 난수생성용 베타 흡수체 시험제작 ⇓ 감도증폭을 위한 바이어스 최적화 데드타임 측정 및 최소화작업 ⇓ 검출소자 파티션 설계 파티션, 배선 구현 및 검증 ⇓ 고속 난수생성용 검출소자 제작 랜덤요소 분석 및 진성난수용 고품질 엔트로피 추출 계측, 분석장비 환경셋업 ⇓ 프로트엔드 파형 다각 샘플링 비 결정론적 랜덤요소 분석 ⇓ 엔트로피 소스 모델 작성 샘플링 구간조정 및 피드백 수행 ⇓ 최적 엔트로피 추출 파티션별 파형 샘플링 및 분석 ⇓ 고속난수생성용 엔트로피 추출 난수비트 변환 아날로그/디지털 신호처리 회로부 구현 프론트엔드 회로 구성 및 측정 ⇓ 붕괴검출 파형 생성조건 탐색 신호 대 잡음 특성 분석 ⇓ 신호처리부 구조설계 아날로그/디지털 신호처리부 구현 ⇓ 난수비트열 생성 및 보드성능조율 국제표준에 따른 인터페이스 구현 ⇓ 포스트 프로세싱 및 성능 최적화 진성난수 품질 검증을 위한 국제표준에 따른 인증 난수관련 국제표준 리뷰 ⇓ 국제표준 비교분석서 난수품질 인증항목 분석 ⇓ 시험통과 연관 튜닝인자 추출 NIST SP 800-90B Suite 설치 ⇓ 시뮬레이션 및 부분 검증 인증 대상 비트 시퀀스 축적 ⇓ NIST SP 800-90B 표준 인증 주요 Milestone 완성점에서의 수행결과물 - 베타소스 요구사양 정의서 ( 5/25) - 베타입자 검출소자 단위셀 (11/30) - 난수변환 신호처리 모듈 ( 6/28) - 국제표준 인증시험 성적 (11/29)제3절 연구결과 (당해년도)
1. 1차년도 연구목표 및 일정
가. 1차년도 연구목표 및 연구내용
단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 고감도 검출기술 연구 1) 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 베타소스 사양 도출 � 베타 동위원소의 방출에너지, 반감기, 규제면제치를 고려하여 핵종 선정 � 베타붕괴 현상으로부터의 난수 생성속도에 따라 요구되는 베타선량 도출 � 베타입자의 에너지와 방사선량에 따른 오실로스코프상에서의 분해능 시험 � 검출소자와 접합이 가능한 베타소스 형상 (도금호일, 면적, 패키지) 2) 저에너지 베타입자 검출소자 단위셀 제작 및 최적화 � 반도체 기반의 베타입자 흡수체 소재 및 구조 설계 � 흡수체 제작을 위한 공정 레시피 개발 및 공정 � 단위셀 제작 및 감도증폭을 위한 바이어스 최적화 3) 베타소스 제작 및 검출소자와 접합 � 원자력연구원의 연구용 원자로(하나로)를 이용한 베타입자 방출물질 양성 � 요구된 사양에 따라 베타 방사성 물질이 균일도금된 박막호일 제작 � 규제면제치 이하의 선량이 특정방향/영역으로만 방출되는 패키지 제작 � 베타소스와 검출소자를 접합하고 잡음쉴딩, 방사선쉴딩 작업 � 베타붕괴 측정환경 구축 및 데이터 분석 GUI � 검출신호의 파형관찰과 데이터 전달이 가능하도록 계측장치 셋업 � 소스의 종류, 선량, 에너지에 따른 상황별 계측장비 동작범위 설정 � 프론트엔드 Raw Data 수집 및 통계분석을 위한 Lab View GUI나. 1차년도 추진일정 및 마일스톤
과제내용 추 진 일 정 활동 책임자 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 베타소스 최적화 베타소스 사양도출 박경환 베타소스 제작공급 최병건 고감도 검출소자 베타흡수체 설계제작 최병건 바이어스 최적화 최병건 고품질 엔트로피 계측기셋업 범위설정 박경환 통계적분석 GUI제작 박경환 난수변환 신호처리 프론트엔드 구성측정 박성모 신호처리부 구조설계 박경환 국제표준 인증준비 국제표준 비교분석 박성모 인증항목 인자추출 박성모 주요 Milestone 완성점에서의 수행결과 - 베타소스 요구사양 정의서 ( 5/25) - 베타입자 검출소자 단위셀 (11/30) - 베타소스 도금호일, 패키지 (12/14)마일스톤 번호 Milestone 명 수행기간 책임자 시작일 종료일 1 난수 생성용 베타소스 사양 정의 2018.01.01 2018.05.25 박경환 1.1 1.2 2 고감도 베타입자 검출소자 제작 2018.03.05 2018.11.30 최병건 2.1 2.2
2. 1차년도 연구결과
가. 단위 베타입자 방출을 감지하기 위한 베타소스 사양 도출
� 베타붕괴 난수생성시스템은 예측 불가능한 물리적 소스인 베타소스의 랜덤 방출에 의존하는 비결정론적 난수발생기 (ND-RNG)임 � 베타소스의 입자 방출 이벤트의 빈도는 베타소스의 선량에 따라 결정 - 베타소스의 선량은 단위시간당 방출되는 입자수를 의미하며 이는 난수 생성속도와 밀접하게 관련이 있기 때문에, 과제목표에서 설정된 난수생 성속도에 적합한 선량과 방출입자의 에너지, 반감기, 그리고 양산성을 고려하여 베타소스 사양을 작성 1) 핵종선정 � 난수생성용 베타선원은 난수 생성기술에 적용할 수 있는 저에너지 순 베타 선원에는 3H, 63Ni, 147Pm 등이 있음 핵종 최대에너지 (keV) 반감기 (년) 규제면제 선량 측정 난이도 Bq mCi 3H 18.591 (100%) 12.33 109 27 어려움 63Ni 66.945 (100%) 100.1 108 2.7 보통수준 147Pm 224.1 (99.99%) 2.6234 107 0.27 쉬움 <표 1> 난수생성용 베타선원 요약 - 3H의 경우 약 12.33년의 반감기를 가지며, 방출되는 베타입자의 최대 에 너지는 18.59 keV, 평균 에너지가 5.67 keV로서 비교적 낮음※ 현재 상용 측정기술은 냉각장치 없이 PIN diode detector로 검출 시 노이즈로 인해 약 5 keV이상의 베타 입자만 검출 가능함 Ÿ 3H의 베타선의 평균 에너지가 5.67 keV이지만 분포상 상당 부분은 5 keV 이하이기 때문에 검출이 안되어 계수효율이 좋지 않으며, 아울러 계측기 threshold가 변동에 민감하여 노이즈에 취약하게 됨 Ÿ 규제면제 수량은 109 Bq으로 높은 편이어서 고속 난수생성에 적합하며 반감기도 10년 이상이므로 난수발생기에 사용하기 적당한 수준이지만 계수효율이 좋지 않기 때문에 난수의 랜덤성이 왜곡될 수 있음 - 63Ni의 경우 반감기는 100.1년 이며, 방출되는 베타입자의 최대에너지 66.9 keV, 평균에너지 17.1 keV 로서 베타입자로선 높은 에너지를 보유 Ÿ 상온에서 PIN diode detector를 이용하여 threshold 5 keV로 측정하는
경우 detector에 반응한 베타 입자의 약 85%를 감지 할 수 있음 Ÿ 계측이 3H에 비해 크게 어렵지 않고, 노이즈에 대한 영향도 낮은 편이 어서 사용에 적합함 Ÿ 규제면제 수량은 108 Bq으로 높은 편이어서 고속 난수생성에 적합하며 반감기는 100.1년으로 난수생성속도가 매우 안정적이고 장수명용 난수 발생기에 적합함 - 147Pm은 최대 에너지 224.1 keV, 평균에너지 62.1 keV의 베타선을 방출 Ÿ 에너지가 높기 때문에 출력신호의 노이즈 대비 신호 비가 좋음 Ÿ 약간의 감마선과 X-선도 방출하지만 방출빈도가 베타선에 비해 무시할 수 있는 수준임 Ÿ 규제면제 수량은 107 Bq 수준으로 3H나 63Ni에 비해서는 다소 낮지만 난수발생기에 사용이 가능한 수준임 Ÿ 반감기는 2.6년으로 짧은 편이고 베타에너지가 높기 때문에 제동방사 선의 에너지도 높아 차폐에 어려움이 생길 수 있음 � 난수생성용 베타선원은 규제면제 수량으로도 고속난수 발생이 가능해야 하 며, 상온에서 소형 검출기, 특히 칩 형태의 diode detector로 검출이 가능 해야하고 가능한 오래 동작이 가능한 것이 유리함 � 요구조건에 대해 고려해본 결과 난수 발생기에 적합한 핵종은 63Ni인 것으 로 판단되며, 3H의 경우 반감기, 규제면제 수량 등에서 장점이 있으므로,
후보군에서 완전히 배제시키는 대신, PIN diode 검출이 아닌 방식으로 랜 덤요소 추출 가능성 있는지를 검토해볼 필요가 있음
� MCNP6을 이용한 63Ni 선원 기본사양은 63Ni의 ENDF(Evaluated Nuclear Data
File)로 본 스펙트럼은 <그림 10>과 같다.
- 63Ni 원자에서 발생하는 베타입자의 에너지에 대한 방출 확률이며 최대
66.9 keV, 평균 17.1 keV의 순 베타입자를 방출함
<그림 10> 63Ni Evaluated Nuclear Data File
� 단일 핵에서 발생되는 확률적 에너지 스펙트럼 형상은 에너지가 높을수록 방출 확률이 낮아지는 형태를 보임 - 체적선원의 경우는 일정 볼륨과 밀도를 가지기 때문에 인접 원자와 상호 작용을 하여 일부는 선원 내부에서 흡수되며, PIN diode에 입사할 때 후 방 산란도 발생함 - 이러한 현상으로 인해 PIN diode에 측정되는 베타선 스펙트럼은 단일 핵 의 ENDF 스펙트럼 값과 다르게 됨 � 특히 낮은 에너지 부분에 자가 흡수될 확률이 높기 때문에 <그림 11>과 같 이 저에너지 영역이 낮아지고 중간에서 최고점이 생기는 형태로 바뀌게 됨 � PIN diode 검출기는 검출기 및 신호처리 회로에서 전기 노이즈가 발생되 며, 이를 제거하기 위해 측정신호는 일정 threshold 전압 이상으로 측정한
하는데 이보다 낮은 에너지의 베타선은 측정이 불가능함
<그림 11> MCNP simulation of Pulse height spectrum at PIN diode
� 따라서 threshold 전압이 높아지면 측정되는 펄스의 수도 감소하는데 이에 대한 관계는 <그림 12>와 같다.
<그림 12> Detector threshold vs. detection probability
� 감지 면적 10 ㎟ 수준의 상용 PIN diode를 이용한 검출기인 경우 상온에서 5 keV 이상의 베타 입자를 검출 가능
- 이를 적용하였을 때 전체 펄스 중 검출가능 펄스는 약 86% 정도가 됨 - 또한 coating 두께에 따라 선원에서 발생한 베타입자가 PIN diode
detector에 검출될 확률이 다르게 됨
� <그림 13>은 bulk 밀도 8.0g/㎤의 선원의 코팅두께를 변화시켜가며 PIN diode 검출기에서 5 keV threshold의 조건으로 측정한 경우 예상되는 MCNP 전산모사 결과임
<그림 13> Detection probability vs. coating thickness
� 지금까지 계산 결과를 종합하였을 때 PIN diode 검출기에서 계측되는 단위 시간당 펄스 수는 다음식과 같음 tr × × ×sp× th [cps] 여기서 tr : PIN diode에서 검출되는 단위시간당 펄스 수 : 선원의 면적 [cm2] : 코팅 두께 [cm] : 선원의 밀도 [g/cm3] sp : 선원의 비방사능 [Bq/g] th : 단위붕괴 당 검출확률 th : detector threshold
� MCNP계산 결과와 전술한 수식을 이용한 비방사능별 예상 계수율 (counts/sec) 및 코팅선원의 방사능은 다음 표와 같음
면적 두께 0.2μm 0.4μm 0.6μm 0.8μm 1.0μm 1.2μm 1.4μm 1.6μm 1.8μm 2.0μm 1㎟ 계수율 1.95E+03 3.14E+03 3.95E+03 4.54E+03 4.97E+03 5.30E+03 5.56E+03 5.75E+03 5.91E+03 6.02E+03
방사능 5.92E+03 1.18E+04 1.78E+04 2.37E+04 2.96E+04 3.55E+04 4.14E+04 4.74E+04 5.33E+04 5.92E+04
2㎟ 계수율 3.91E+03 6.27E+03 7.90E+03 9.08E+03 9.95E+03 1.06E+04 1.11E+04 1.15E+04 1.18E+04 1.20E+04
방사능 1.18E+04 2.37E+04 3.55E+04 4.74E+04 5.92E+04 7.10E+04 8.29E+04 9.47E+04 1.07E+05 1.18E+05
3㎟ 계수율 5.86E+03 9.41E+03 1.19E+04 1.36E+04 1.49E+04 1.59E+04 1.67E+04 1.72E+04 1.77E+04 1.81E+04
방사능 1.78E+04 3.55E+04 5.33E+04 7.10E+04 8.88E+04 1.07E+05 1.24E+05 1.42E+05 1.60E+05 1.78E+05
4㎟ 계수율 7.82E+03 1.25E+04 1.58E+04 1.82E+04 1.99E+04 2.12E+04 2.22E+04 2.30E+04 2.36E+04 2.41E+04
방사능 2.37E+04 4.74E+04 7.10E+04 9.47E+04 1.18E+05 1.42E+05 1.66E+05 1.89E+05 2.13E+05 2.37E+05
5㎟ 계수율 9.77E+03 1.57E+04 1.98E+04 2.27E+04 2.49E+04 2.65E+04 2.78E+04 2.87E+04 2.95E+04 3.01E+04
방사능 2.96E+04 5.92E+04 8.88E+04 1.18E+05 1.48E+05 1.78E+05 2.07E+05 2.37E+05 2.66E+05 2.96E+05
6㎟ 계수율 1.17E+04 1.88E+04 2.37E+04 2.72E+04 2.98E+04 3.18E+04 3.33E+04 3.45E+04 3.54E+04 3.61E+04
방사능 3.55E+04 7.10E+04 1.07E+05 1.42E+05 1.78E+05 2.13E+05 2.49E+05 2.84E+05 3.20E+05 3.55E+05
7㎟ 계수율 1.37E+04 2.20E+04 2.77E+04 3.18E+04 3.48E+04 3.71E+04 3.89E+04 4.02E+04 4.13E+04 4.22E+04
방사능 4.14E+04 8.29E+04 1.24E+05 1.66E+05 2.07E+05 2.49E+05 2.90E+05 3.32E+05 3.73E+05 4.14E+05
8㎟ 계수율 1.56E+04 2.51E+04 3.16E+04 3.63E+04 3.98E+04 4.24E+04 4.45E+04 4.60E+04 4.73E+04 4.82E+04
방사능 4.74E+04 9.47E+04 1.42E+05 1.89E+05 2.37E+05 2.84E+05 3.32E+05 3.79E+05 4.26E+05 4.74E+05
9㎟ 계수율 1.76E+04 2.82E+04 3.56E+04 4.09E+04 4.48E+04 4.77E+04 5.00E+04 5.17E+04 5.32E+04 5.42E+04
방사능 5.33E+04 1.07E+05 1.60E+05 2.13E+05 2.66E+05 3.20E+05 3.73E+05 4.26E+05 4.80E+05 5.33E+05
10㎟ 계수율 1.95E+04 3.14E+04 3.95E+04 4.54E+04 4.97E+04 5.30E+04 5.56E+04 5.75E+04 5.91E+04 6.02E+04
방사능 5.92E+04 1.18E+05 1.78E+05 2.37E+05 2.96E+05 3.55E+05 4.14E+05 4.74E+05 5.33E+05 5.92E+05
<표 2> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.1Ci/g)
면적 두께 0.2μm 0.4μm 0.6μm 0.8μm 1.0μm 1.2μm 1.4μm 1.6μm 1.8μm 2.0μm 1㎟ 계수율 3.91E+03 6.27E+03 7.90E+03 9.08E+03 9.95E+03 1.06E+04 1.11E+04 1.15E+04 1.18E+04 1.20E+04
방사능 1.18E+04 2.37E+04 3.55E+04 4.74E+04 5.92E+04 7.10E+04 8.29E+04 9.47E+04 1.07E+05 1.18E+05
2㎟ 계수율 7.82E+03 1.25E+04 1.58E+04 1.82E+04 1.99E+04 2.12E+04 2.22E+04 2.30E+04 2.36E+04 2.41E+04
방사능 2.37E+04 4.74E+04 7.10E+04 9.47E+04 1.18E+05 1.42E+05 1.66E+05 1.89E+05 2.13E+05 2.37E+05
3㎟ 계수율 1.17E+04 1.88E+04 2.37E+04 2.72E+04 2.98E+04 3.18E+04 3.33E+04 3.45E+04 3.54E+04 3.61E+04
방사능 3.55E+04 7.10E+04 1.07E+05 1.42E+05 1.78E+05 2.13E+05 2.49E+05 2.84E+05 3.20E+05 3.55E+05
4㎟ 계수율 1.56E+04 2.51E+04 3.16E+04 3.63E+04 3.98E+04 4.24E+04 4.45E+04 4.60E+04 4.73E+04 4.82E+04
방사능 4.74E+04 9.47E+04 1.42E+05 1.89E+05 2.37E+05 2.84E+05 3.32E+05 3.79E+05 4.26E+05 4.74E+05
5㎟ 계수율 1.95E+04 3.14E+04 3.95E+04 4.54E+04 4.97E+04 5.30E+04 5.56E+04 5.75E+04 5.91E+04 6.02E+04
방사능 5.92E+04 1.18E+05 1.78E+05 2.37E+05 2.96E+05 3.55E+05 4.14E+05 4.74E+05 5.33E+05 5.92E+05
6㎟ 계수율 2.34E+04 3.76E+04 4.74E+04 5.45E+04 5.97E+04 6.36E+04 6.67E+04 6.90E+04 7.09E+04 7.23E+04
방사능 7.10E+04 1.42E+05 2.13E+05 2.84E+05 3.55E+05 4.26E+05 4.97E+05 5.68E+05 6.39E+05 7.10E+05
7㎟ 계수율 2.74E+04 4.39E+04 5.53E+04 6.35E+04 6.96E+04 7.43E+04 7.78E+04 8.05E+04 8.27E+04 8.43E+04
방사능 8.29E+04 1.66E+05 2.49E+05 3.32E+05 4.14E+05 4.97E+05 5.80E+05 6.63E+05 7.46E+05 8.29E+05
8㎟ 계수율 3.13E+04 5.02E+04 6.32E+04 7.26E+04 7.96E+04 8.49E+04 8.89E+04 9.20E+04 9.45E+04 9.64E+04
방사능 9.47E+04 1.89E+05 2.84E+05 3.79E+05 4.74E+05 5.68E+05 6.63E+05 7.58E+05 8.52E+05 9.47E+05
9㎟ 계수율 3.52E+04 5.65E+04 7.11E+04 8.17E+04 8.95E+04 9.55E+04 1.00E+05 1.03E+05 1.06E+05 1.08E+05
방사능 1.07E+05 2.13E+05 3.20E+05 4.26E+05 5.33E+05 6.39E+05 7.46E+05 8.52E+05 9.59E+05 1.07E+06
10㎟ 계수율 3.91E+04 6.27E+04 7.90E+04 9.08E+04 9.95E+04 1.06E+05 1.11E+05 1.15E+05 1.18E+05 1.20E+05
방사능 1.18E+05 2.37E+05 3.55E+05 4.74E+05 5.92E+05 7.10E+05 8.29E+05 9.47E+05 1.07E+06 1.18E+06
면적 두께 0.2μm 0.4μm 0.6μm 0.8μm 1.0μm 1.2μm 1.4μm 1.6μm 1.8μm 2.0μm 1㎟ 계수율 5.86E+03 9.41E+03 1.19E+04 1.36E+04 1.49E+04 1.59E+04 1.67E+04 1.72E+04 1.77E+04 1.81E+04
방사능 1.78E+04 3.55E+04 5.33E+04 7.10E+04 8.88E+04 1.07E+05 1.24E+05 1.42E+05 1.60E+05 1.78E+05
2㎟ 계수율 1.17E+04 1.88E+04 2.37E+04 2.72E+04 2.98E+04 3.18E+04 3.33E+04 3.45E+04 3.54E+04 3.61E+04
방사능 3.55E+04 7.10E+04 1.07E+05 1.42E+05 1.78E+05 2.13E+05 2.49E+05 2.84E+05 3.20E+05 3.55E+05
3㎟ 계수율 1.76E+04 2.82E+04 3.56E+04 4.09E+04 4.48E+04 4.77E+04 5.00E+04 5.17E+04 5.32E+04 5.42E+04
방사능 5.33E+04 1.07E+05 1.60E+05 2.13E+05 2.66E+05 3.20E+05 3.73E+05 4.26E+05 4.80E+05 5.33E+05
4㎟ 계수율 2.34E+04 3.76E+04 4.74E+04 5.45E+04 5.97E+04 6.36E+04 6.67E+04 6.90E+04 7.09E+04 7.23E+04
방사능 7.10E+04 1.42E+05 2.13E+05 2.84E+05 3.55E+05 4.26E+05 4.97E+05 5.68E+05 6.39E+05 7.10E+05
5㎟ 계수율 2.93E+04 4.71E+04 5.93E+04 6.81E+04 7.46E+04 7.96E+04 8.34E+04 8.62E+04 8.86E+04 9.04E+04
방사능 8.88E+04 1.78E+05 2.66E+05 3.55E+05 4.44E+05 5.33E+05 6.22E+05 7.10E+05 7.99E+05 8.88E+05
6㎟ 계수율 3.52E+04 5.65E+04 7.11E+04 8.17E+04 8.95E+04 9.55E+04 1.00E+05 1.03E+05 1.06E+05 1.08E+05
방사능 1.07E+05 2.13E+05 3.20E+05 4.26E+05 5.33E+05 6.39E+05 7.46E+05 8.52E+05 9.59E+05 1.07E+06
7㎟ 계수율 4.10E+04 6.59E+04 8.30E+04 9.53E+04 1.04E+05 1.11E+05 1.17E+05 1.21E+05 1.24E+05 1.27E+05
방사능 1.24E+05 2.49E+05 3.73E+05 4.97E+05 6.22E+05 7.46E+05 8.70E+05 9.95E+05 1.12E+06 1.24E+06
8㎟ 계수율 4.69E+04 7.53E+04 9.48E+04 1.09E+05 1.19E+05 1.27E+05 1.33E+05 1.38E+05 1.42E+05 1.45E+05
방사능 1.42E+05 2.84E+05 4.26E+05 5.68E+05 7.10E+05 8.52E+05 9.95E+05 1.14E+06 1.28E+06 1.42E+06
9㎟ 계수율 5.28E+04 8.47E+04 1.07E+05 1.23E+05 1.34E+05 1.43E+05 1.50E+05 1.55E+05 1.59E+05 1.63E+05
방사능 1.60E+05 3.20E+05 4.80E+05 6.39E+05 7.99E+05 9.59E+05 1.12E+06 1.28E+06 1.44E+06 1.60E+06
10㎟ 계수율 5.86E+04 9.41E+04 1.19E+05 1.36E+05 1.49E+05 1.59E+05 1.67E+05 1.72E+05 1.77E+05 1.81E+05
방사능 1.78E+05 3.55E+05 5.33E+05 7.10E+05 8.88E+05 1.07E+06 1.24E+06 1.42E+06 1.60E+06 1.78E+06
<표 4> 검출기 예상 계수율 (비방사능 0.3Ci/g)
면적 두께 0.2μm 0.4μm 0.6μm 0.8μm 1.0μm 1.2μm 1.4μm 1.6μm 1.8μm 2.0μm 1㎟ 계수율 2.34E+05 3.76E+05 4.74E+05 5.45E+05 5.97E+05 6.36E+05 6.67E+05 6.90E+05 7.09E+05 7.23E+05
방사능 7.10E+05 1.42E+06 2.13E+06 2.84E+06 3.55E+06 4.26E+06 4.97E+06 5.68E+06 6.39E+06 7.10E+06
2㎟ 계수율 4.69E+05 7.53E+05 9.48E+05 1.09E+06 1.19E+06 1.27E+06 1.33E+06 1.38E+06 1.42E+06 1.45E+06
방사능 1.42E+06 2.84E+06 4.26E+06 5.68E+06 7.10E+06 8.52E+06 9.95E+06 1.14E+07 1.28E+07 1.42E+07
3㎟ 계수율 7.03E+05 1.13E+06 1.42E+06 1.63E+06 1.79E+06 1.91E+06 2.00E+06 2.07E+06 2.13E+06 2.17E+06
방사능 2.13E+06 4.26E+06 6.39E+06 8.52E+06 1.07E+07 1.28E+07 1.49E+07 1.70E+07 1.92E+07 2.13E+07
4㎟ 계수율 9.38E+05 1.51E+06 1.90E+06 2.18E+06 2.39E+06 2.55E+06 2.67E+06 2.76E+06 2.84E+06 2.89E+06
방사능 2.84E+06 5.68E+06 8.52E+06 1.14E+07 1.42E+07 1.70E+07 1.99E+07 2.27E+07 2.56E+07 2.84E+07
5㎟ 계수율 1.17E+06 1.88E+06 2.37E+06 2.72E+06 2.98E+06 3.18E+06 3.33E+06 3.45E+06 3.54E+06 3.61E+06
방사능 3.55E+06 7.10E+06 1.07E+07 1.42E+07 1.78E+07 2.13E+07 2.49E+07 2.84E+07 3.20E+07 3.55E+07
6㎟ 계수율 1.41E+06 2.26E+06 2.85E+06 3.27E+06 3.58E+06 3.82E+06 4.00E+06 4.14E+06 4.25E+06 4.34E+06
방사능 4.26E+06 8.52E+06 1.28E+07 1.70E+07 2.13E+07 2.56E+07 2.98E+07 3.41E+07 3.84E+07 4.26E+07
7㎟ 계수율 1.64E+06 2.63E+06 3.32E+06 3.81E+06 4.18E+06 4.46E+06 4.67E+06 4.83E+06 4.96E+06 5.06E+06
방사능 4.97E+06 9.95E+06 1.49E+07 1.99E+07 2.49E+07 2.98E+07 3.48E+07 3.98E+07 4.48E+07 4.97E+07
8㎟ 계수율 1.88E+06 3.01E+06 3.79E+06 4.36E+06 4.77E+06 5.09E+06 5.34E+06 5.52E+06 5.67E+06 5.78E+06
방사능 5.68E+06 1.14E+07 1.70E+07 2.27E+07 2.84E+07 3.41E+07 3.98E+07 4.55E+07 5.11E+07 5.68E+07
9㎟ 계수율 2.11E+06 3.39E+06 4.27E+06 4.90E+06 5.37E+06 5.73E+06 6.00E+06 6.21E+06 6.38E+06 6.51E+06
방사능 6.39E+06 1.28E+07 1.92E+07 2.56E+07 3.20E+07 3.84E+07 4.48E+07 5.11E+07 5.75E+07 6.39E+07
10㎟ 계수율 2.34E+06 3.76E+06 4.74E+06 5.45E+06 5.97E+06 6.36E+06 6.67E+06 6.90E+06 7.09E+06 7.23E+06
방사능 7.10E+06 1.42E+07 2.13E+07 2.84E+07 3.55E+07 4.26E+07 4.97E+07 5.68E+07 6.39E+07 7.10E+07
<표 5> 검출기 예상 계수율 (비방사능 12Ci/g)
� 결국, 여러 방사성 물질 가운데, 검출소자의 장수명 측면 그리고 고속 난 수생성 측면에서 베타 방사성 물질이 적합하며, 생산성 측면까지 고려하면
63Ni이 최적의 베타선원임 - 63Ni의 방사선 = β -- 63Ni의 반감기 = 100.1년 � 검출소자의 장수명 측면 : 63Ni은 순수 베타선원 (베타선 이외의 방사선이 없음)으로서 투과성 방사선 피폭 위험이 낮으며 최대 65keV, 평균 17keV의 에너지를 갖고 있어서 입자 검출소자로 사용되는 반도체 격자에 손상을 주 지 않기 때문에, 베타소스와 반도체형 검출기를 결합하여 사용시 장수명으 로 사용할 수 있음 평균 방출에너지 Average Energy 최대 방출에너지 Maximum Energy 에너지 밀도 Energy Density 비방사능 Specific Activity 비출력 Specific Power 출력밀도 Power Density 17.6 keV 62 keV 100μW/Ci 57 Ci/g 0.0067 W/g 0.056 W/cc
<표 6> 베타선원 63Ni의 방사선량 및 에너지
- Specific Activity (비방사능)= 단위질량당 방사선량 [Ci/g]
- Specific Power (비출력) = 단위질량당 출력 [W/g] - Power Density (출력밀도) = 단위체적당 출력 [W/cc] � 고속 난수생성 측면 : 63Ni은 순수 베타선원으로서 규제면제치가 108 Bq (= 초당 방출하는 입자 개수가 108 개라는 의미) 로서, 순수 알파선원/감마선 원 (규제면제치는 104 Bq, 초당 방출하는 알파입자/감마입자 개수가 104 개)에 비해 훨씬 많기 때문에, 이러한 방출 입자를 검출하여 난수를 생성 하는 속도를 빠르게 할 수 있음 - 규제면제치 방사선량을 갖는 베타소스를 사용하였을 경우, 평균적인 검 출효율을 감안하면 수십 Mbps의 난수비트열을 생성할 수 있음 원자 번호 핵종 최소선량 최소농도 1 3H 1 GBq 1 MBq/g 27 57Co 1 MBq 100 Bq/g 27 60Co 100 kBq 10 Bq/g 28 63Ni 100 MBq 100 kBq/g 55 137Cs 10 kBq 10 Bq/g 95 241Am 10 kBq 1 Bq/g <표 7> 베타핵종 및 규제면제치 방사선량
