[논문]배관류 폐기물의 베타선 오염도 측정용 플라스틱 검출기 제작 및 특성평가

김계홍; 오원진; 이근우; 서범경

문제 정의

Miller는 phoswich 검출기의 최적 운영 인자를 결정하고 기존의 설계를 바탕으로 장래의 검출기의 최적 설계를 결정하기 위한 기준을 정하기 위하여 MCNP 코드를 이용하였고[6], Jose Rodenas 등은 Ge 검출기의 효율 보정을 위해 MCNP version 4A와 4B를 사용[7]하는 등 방사선 계측기 설계, 시제품 성능평가 및 검출기 보정에 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 베타선 검출에 유용한 플라스틱 섬광체에 대해 몬테칼로 코드 MCNP 4C를 이용하여 배관 내부의 베타선 오염도 측정을 위한 섬광체의 형상 및 크기 변화에 따른 방사선 검출 특성을 모사 하였다[8]. 또한, MCNP 계산 결과를 바탕으로 플라스틱 섬광체를 제작하여 베타선 방출핵종인 ⁹⁹Sr/⁹⁹Y 선원을 이용하여 파고 스펙트럼을 측정하여 그 성능을 평가하였고, 배관 내부에서의 적용성 시험을 거쳐 오염도 측정 가능성을 평가하였다.

가설 설정

또 일반적인 방사선장에서는 감마선도 동시에 존재하기 때문에 이것이 베타선 검출에 noise로 작용할 수 있어서 전자 에너지에 따른 플라스틱 검출기의 효율 계산과 마찬 가지로 섬광체 두께 및 감마선 에너지에 따른 전에너지 흡수율을 위와 같은 방법으로 계산하였다. 모든 계산에 대해 F8 tally(pulse height)를 이용하였고 채널폭은 1.1 X lbNeV로 정하였으며 섬광체 주변은 공기로 채워져 있다고 가정하였다. 계산 과정에서 생길 수 있는 오차는 1% 이하가 되도록 히스토리를 500, 000으로 정하였다.

제안 방법

Monte Carlo 전산 코드인 MCNP 4C를 이용하여 배관 내부의 베타선 오염도 측정을 위한 섬광체의 두께 변화에 따른 방사선 검줄 특성을 모사 하였다. 섬광체 두께가 1, 3, 5, 그리고 10mm인 경우 단일 에너지(0.
2, 그리고 12mm로 가공한 후 polishing하였다. 가공한 플라스틱 섬광체는 베타 입자가 에너지 손실 없이 통과할 수 있는 테프론으로 감싸 PMT와 연결하였으며 측정함은 외부 광을 차단할 수 있게 제작하였다. 적용된 PMT는 플라스틱섬광체의 발광파장과 감도를 맞추기 위해 응답 파장이 300~650nm 이며 피크 파장이 420nm인 HAMAMATSU사의 Head-on type의 R1924A를 사용하였다.
1과 같이 직경이 26mm인 섬광체 표면에서 10mm 떨어진 지점에서 전자가 섬광체 중심에 입사했을 때 입사 입자의 전 에너지가 섬광체에 흡수되는 비를 계산하였다. 또 일반적인 방사선장에서는 감마선도 동시에 존재하기 때문에 이것이 베타선 검출에 noise로 작용할 수 있어서 전자 에너지에 따른 플라스틱 검출기의 효율 계산과 마찬 가지로 섬광체 두께 및 감마선 에너지에 따른 전에너지 흡수율을 위와 같은 방법으로 계산하였다. 모든 계산에 대해 F8 tally(pulse height)를 이용하였고 채널폭은 1.
본 연구에서는 베타선 검출에 유용한 플라스틱 섬광체에 대해 몬테칼로 코드 MCNP 4C를 이용하여 배관 내부의 베타선 오염도 측정을 위한 섬광체의 형상 및 크기 변화에 따른 방사선 검출 특성을 모사 하였다[8]. 또한, MCNP 계산 결과를 바탕으로 플라스틱 섬광체를 제작하여 베타선 방출핵종인 ⁹⁹Sr/⁹⁹Y 선원을 이용하여 파고 스펙트럼을 측정하여 그 성능을 평가하였고, 배관 내부에서의 적용성 시험을 거쳐 오염도 측정 가능성을 평가하였다.
배관 내부의 오염도를 평가하기 위한 검출기를 제작하기 위하여, Monte Carlo 코드인 MCNP를 이용하여 섬광체 두께에 따른 에너지 흡수효율, 스펙트럼 특성 분석, 혼합 방사선장에서 감마선이 베타선 검출에 미치는 정도를 계산하여 실제 검출기 적용 가능성을 확인하였다. 적용될 방사선장에서 주로 방출되는 베타 에너지를 효율적으로 흡수하고 베타선 검출 시 noise로 작용할 수 있는 감마선이 신호에 영향을 미치지 않는 섬광체 최적 두께를 도출할 수 있었다.
베타선 검출 시 noise로 검출신호에 영향을 미칠 수 있는 감마선의 영향을 알아보기 위해 플라스틱 섬광체 두께 1.2, 3.1, 5.2, 그리고 12mm에 따른 감마선과 베타선 검출 특성을 Fig. 2(a)와 같은 시스템을 구성하여 확인하였다. 선원은 감마선의 경우에는 0.
베타선 에너지 그리고 섬광체 두께에 따른 효율을 알아보기 위해 입사된 전자의 궤적 및 섬광체를 기하학적 형태를 묘사한 Fig. 1과 같이 직경이 26mm인 섬광체 표면에서 10mm 떨어진 지점에서 전자가 섬광체 중심에 입사했을 때 입사 입자의 전 에너지가 섬광체에 흡수되는 비를 계산하였다. 또 일반적인 방사선장에서는 감마선도 동시에 존재하기 때문에 이것이 베타선 검출에 noise로 작용할 수 있어서 전자 에너지에 따른 플라스틱 검출기의 효율 계산과 마찬 가지로 섬광체 두께 및 감마선 에너지에 따른 전에너지 흡수율을 위와 같은 방법으로 계산하였다.
실제 배관 내부 표면이 베타선에 의해 오염된 경우 베타선 검출특성을 확인하기 위해 Fig. 2 (b)와 같이 파이프 형태의 반투명 필름 내부 표면에 3.8 X 103Bq/g으로 희석된 용액선원 %川 100迎를 도포하여 스펙트럼을 측정하였다.
즉, 이러한 문제점을 해결하고 배관 내부의 오염도를 평가할 수 있는 장비의 개발이 요구된다. 이러한 문제점을 해결하고, 배관 내부의 오염도를 직접 측정할 수 있는 장비 개발의 일환으로서 플라스틱 섬광체를 이용하여 배관 내부의 오염도를 측정할 수 있는 검출기의 제작 요건을 알아보고, 그 특성을 평가하였다.
플라스틱 섬광체 모델링 결과를 바탕으로 섬광체는 가공이나 배관내부 이송에 유리한 원통형으로 선 택하여 제작하였다. 제작된 검출기를 실제 방사선장과 유사한 측정함을 제작하여 베타, 감마선에 대한 파고스펙트럼을 측정하여 선원과의 거리, 섬광체 두께, 핵종에 따른 방사선 검출 특성을 확인하였다. 이 과정에서 기존의 검출기로는 접근이 곤란한 배관내 부표면의 베타선을 검출하기위해 직경 26mm의 소형의 플라스틱 섬광체를 광전자증배관에 적용해 알파선과 감마선에 비해 상대적으로 높은 계수율을 얻을 수 있었다.
제작된 검출기의 감마선 및 베타선에 대한 검출 특성을 확인하기 위해 섬광체 두께 및 선원과의 거리 변화에 따른 파고스펙트럼을 측정해 계수율을 계산하였다. ¹³⁷Cs과 ⁶⁰Co에서 방출되는 감마선과 같은 경우 플라스틱 섬광체같이 원자번호가 낮은 성분에 의해 형성된 물질과 반응에서 광전단면적(phoelectric cross-section)은 거의 일어나지 않고 컴프턴산란에 의해 에너지가 흡수된다.
플라스틱 섬광체 모델링 결과를 바탕으로 섬광체는 가공이나 배관내부 이송에 유리한 원통형으로 선 택하여 제작하였다. 제작된 검출기를 실제 방사선장과 유사한 측정함을 제작하여 베타, 감마선에 대한 파고스펙트럼을 측정하여 선원과의 거리, 섬광체 두께, 핵종에 따른 방사선 검출 특성을 확인하였다.
58이다. 플라스틱 섬광체를 지름이 26mm인 디스크 형태로 두께 1.2, 3.1, 5.2, 그리고 12mm로 가공한 후 polishing하였다. 가공한 플라스틱 섬광체는 베타 입자가 에너지 손실 없이 통과할 수 있는 테프론으로 감싸 PMT와 연결하였으며 측정함은 외부 광을 차단할 수 있게 제작하였다.

대상 데이터

적용된 PMT는 플라스틱섬광체의 발광파장과 감도를 맞추기 위해 응답 파장이 300~650nm 이며 피크 파장이 420nm인 HAMAMATSU사의 Head-on type의 R1924A를 사용하였다. 또 배관 내부 표면 베타선 및 감마선 오염도 검출 성능을 시험할 수 있도록 측정함 내부에 직경 54.5mm의 파이프를 제작·설치 하였다.
배관 내부 베타 측정에 적용된 플라스틱 섬광체는 방출파장이 360nm에서 520nm까지 이며 최대 피크 파장이 425nm인 Bicron 사의 BC-408을 사용하였다. 섬광체의 주성분은 PVT로 밀도는 1.
2(a)와 같은 시스템을 구성하여 확인하였다. 선원은 감마선의 경우에는 0.949μCi의 ¹³⁷Cs과 0.95μCi의 ⁶⁰Co 점선원를 이용하였으며 베타선원은 농도가 3.8 X 10³Bq/g으로 희석된 용액선원 ⁹⁰Sr/⁹⁰Y 100μl를 스메어 용지에 도포한 뒤 건조시켜 측정하였으며 선원과 플라스틱섬광체의 거리는 15mm를 유지하였다.
가공한 플라스틱 섬광체는 베타 입자가 에너지 손실 없이 통과할 수 있는 테프론으로 감싸 PMT와 연결하였으며 측정함은 외부 광을 차단할 수 있게 제작하였다. 적용된 PMT는 플라스틱섬광체의 발광파장과 감도를 맞추기 위해 응답 파장이 300~650nm 이며 피크 파장이 420nm인 HAMAMATSU사의 Head-on type의 R1924A를 사용하였다. 또 배관 내부 표면 베타선 및 감마선 오염도 검출 성능을 시험할 수 있도록 측정함 내부에 직경 54.

성능/효과

3에 나타냈다. 계산 결과에서 플라스틱 섬광체의 두께가 전자의 비정에 비해 충분히 클 경우에도 전 에너지 흡수율이 100%에 도달하지 못하고 거의 90% 이하의 값을 나타내고 있다. 이 이유는 전자의 원래 비적에 대해 플라스틱 섬광체 입사 표면에서 아주 큰 각으로 편향되는 후방산란 현상 때문이라고 Glenn F.
5MeV에서 약 60%의 전 에너지 흡수율을 보이는 섬광체 두께가 5mm이면 베타선 검출에 충분함을 보여준다. 베타선 검출 시 노이즈로 영향을 미칠 수 있는 감마선인 경우 섬광체 두께가 10mm인 경우에도 감마선 에너지 0.1과 0.2MeV일 때 전 에너지 흡수 효율이 각각 1.5 및 0.2% 이하였으며, 컴프턴 산란에 의해 흡수된 것을 반영하는 컴프턴 연속부 (compton continuum)까지의 총계수치 효율도 각각 9.8 및 10%였고 이 이상의 에너지에 대해서는 이 보다 다소 낮은 계수 효율을 보였는데, 5mm일 때 IMeV까지 거의 90%의 전에너지 흡수 효율을 보이는 베타선에 대한 경우보다 아주 낮았다.
적용될 방사선장에서 주로 방출되는 베타 에너지를 효율적으로 흡수하고 베타선 검출 시 noise로 작용할 수 있는 감마선이 신호에 영향을 미치지 않는 섬광체 최적 두께를 도출할 수 있었다. 베타선의 에너지는 대부분 1.5MeV 이하인데 IMeV에서 약 90%의 전 에너지 흡수율을 보이는 섬광체 두께가 5mm이면 베타선 검출에 충분함을 보여줬다.
섬광체 두께가 10mm인 경우 전자 에너지가 2MeV 까지 80 ~ 90%의 전 에너지 흡수 효율을 나타냈으며 섬광체 두께가 5mm일 때 IMeV까지 거의 90%의 흡수 효율을 얻을 수 있었으나 얇은 섬광체는 전 에너지 검출 능력이 떨어지며 그로인해 섬광신호가 감소함을 확인할 수 있었다. 제동복사 또는 후방 산란과 같이 베타선의 전 에너지가 섬광체에 흡수되지 않고 일부 에너지만 섬광체에 흡수되어 검출신호에 미치는 경우 계산된 스펙트럼의 전 에너지 흡수 피크에는 영향을 미치지 않지만 입사된 전자의 에너지보다 낮은 영역에서 피크가 형성되었다.
이런 이유에서 생기는 에너지 흩어 짐(energy broadening)-2] 발생으로 비교적 근접한 두 컴프턴단이 겹쳐져 생성된 것이다. 섬광체 두께에 따른 계수율을 계산했는데 계수율이 가장 높은 섬광체 두께 12mm인 경우에도 ⁶⁰Co와 ¹³⁷Cs의 파고스펙트럼의 총 계수치에 대한 방사선원 붕괴 당 계수율이 각각 0.4, 0.18% 정도로 효율이 아주 낮음을 확인할 수 있었다.
제작된 검출기를 실제 방사선장과 유사한 측정함을 제작하여 베타, 감마선에 대한 파고스펙트럼을 측정하여 선원과의 거리, 섬광체 두께, 핵종에 따른 방사선 검출 특성을 확인하였다. 이 과정에서 기존의 검출기로는 접근이 곤란한 배관내 부표면의 베타선을 검출하기위해 직경 26mm의 소형의 플라스틱 섬광체를 광전자증배관에 적용해 알파선과 감마선에 비해 상대적으로 높은 계수율을 얻을 수 있었다. 또 이 시스템을 자동 이송장비와 결합할 경우 작업자의 안전성 확보 및 작업 시간을 단축할 수 있는 원격장치 개발이 가능할 것으로 판단된다.
배관 내부의 오염도를 평가하기 위한 검출기를 제작하기 위하여, Monte Carlo 코드인 MCNP를 이용하여 섬광체 두께에 따른 에너지 흡수효율, 스펙트럼 특성 분석, 혼합 방사선장에서 감마선이 베타선 검출에 미치는 정도를 계산하여 실제 검출기 적용 가능성을 확인하였다. 적용될 방사선장에서 주로 방출되는 베타 에너지를 효율적으로 흡수하고 베타선 검출 시 noise로 작용할 수 있는 감마선이 신호에 영향을 미치지 않는 섬광체 최적 두께를 도출할 수 있었다. 베타선의 에너지는 대부분 1.
제동복사 또는 후방 산란과 같이 베타선의 전 에너지가 섬광체에 흡수되지 않고 일부 에너지만 섬광체에 흡수되어 검출신호에 미치는 경우 계산된 스펙트럼의 전 에너지 흡수 피크에는 영향을 미치지 않지만 입사된 전자의 에너지보다 낮은 영역에서 피크가 형성되었다. 전자의 단일에너지가 1.5MeV에서 약 60%의 전 에너지 흡수율을 보이는 섬광체 두께가 5mm이면 베타선 검출에 충분함을 보여준다. 베타선 검출 시 노이즈로 영향을 미칠 수 있는 감마선인 경우 섬광체 두께가 10mm인 경우에도 감마선 에너지 0.

후속연구

이 과정에서 기존의 검출기로는 접근이 곤란한 배관내 부표면의 베타선을 검출하기위해 직경 26mm의 소형의 플라스틱 섬광체를 광전자증배관에 적용해 알파선과 감마선에 비해 상대적으로 높은 계수율을 얻을 수 있었다. 또 이 시스템을 자동 이송장비와 결합할 경우 작업자의 안전성 확보 및 작업 시간을 단축할 수 있는 원격장치 개발이 가능할 것으로 판단된다.

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