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문제 정의
- 본 연구에서는 배관 내부의 방사성 오염도를 직접 측정할 수 있는 phoswich 검출기를 개발하였다. 대부분의 기존 phoswich 검출기는 각각의섬광체가 직접 접촉해 있는 샌드위치 형태지만 당해 연구에서는 배관 내부 표면에서 방출되는 비정이 짧은 하전입자 방사선의 검출 효율을 향상시키기 위하여 각각의 섬광체가 분리된 ZnS(Ag) /플라스틱섬광체 조합의 알파/베타선 동시측정용 검출기를 고안하였으며 검출기 크기 및 신호 측정 시스템의 최적 요건을 실험적으로 확인하고 파형 분별(PSD: pulse shape discrimination) 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 이것은 영역 Vi=700 V에서 V2=1120 V까지 이루어지므로 플래토우 길이는 420 V이며 운영전압은 840 V이다. LLD가 커질수록 운영전압이 커지기 때문에 PMT의 수명은 줄어들 수 있어서 본 연구서는 검출 시스템의 운영전압을 840 V로 적용하였다.
- 측정에 사용된 PMT는 HAMAMATSU 사의 Head-on type인 R1924A 모델을 이용하였으며 cathode와 anode 사이의 최고 인가 전압은 2000 V이 다. PMT의 특성 커브는 ZnS(Ag) 섬 광검출기로 알파 선원을 측정하고 전압을 0 V에서 1000V까지 50 V 단계로 측정하여 결정하였다.
- 그리고 이 검출시스템의 크기를 결정지을 수 있는 플라스틱섬광체와 ZnS(Ag) 섬광체 사이의 거리 그리고 원통형 ZnS (Ag) 섬광체의 직경에 따른 검출 성능을 평가하였다. ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱섬광체 입 사창 거리에 따른 알파/베타선 검출 성능 및 분리도를 평가하기 위하여 플라스틱섬광체 두께별로 ZnS (Ag) 섬광체 거리가 0 cm ~ 5 cm까지 1 cm 간격으로 측정하였다. 이때 ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱 섬광 체 거리의 기준은 플라스틱섬광체 입사 창과 높이 4cm인 원통형 ZnS(Ag) 섬광체의 중심을 기준으로 하였다.
- 그러나 ZnS(Ag) 섬광 검출기가 배관 내부 표면에 밀착할 경우 검출시스템이 배관 내부에서의 이동에 문제점이 발생한다. 그래서 원통형 ZnS(Ag) 섬광체의 직경에 따른 검출 성능을 비교하였다. 원통형 ZnS(Ag) 섬광체 직경에 따른 알파/베타(감마)선 검출 성능 평가를 위하여 ZnS(Ag) 섬광체 직경을 25 mm ~ 50 mm까지 5 mm 간격으로 변화시키면서 측정하였다.
- 그런데 PSD 방법을 이용한 검출 시스템에서 이 감마선 신호가 베타선 영역에 같이 나타나기 때문에 감마선이 베타 영역에 미치는 영향을 확인하였다. 137Cs 점선원을 플라스틱섬광체 입사창 중심에서 2 cm의 거리에서 측정한 결과 플라스틱 섬광 체에 의한 감마선의 검출효율은 베타선 검출효율의 10" 정도로서 거의 무시할 수 있었다.
- 플라스틱 섬광체 두께에 따른 베타선검출 효율을 확인하기 위하여 플라스틱 섬광 체의 두께를 변화시키면서 알파/베타(감마)선 검출 성능 및 분리도를 평가하였다. 그리고 이 검출시스템의 크기를 결정지을 수 있는 플라스틱섬광체와 ZnS(Ag) 섬광체 사이의 거리 그리고 원통형 ZnS (Ag) 섬광체의 직경에 따른 검출 성능을 평가하였다. ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱섬광체 입 사창 거리에 따른 알파/베타선 검출 성능 및 분리도를 평가하기 위하여 플라스틱섬광체 두께별로 ZnS (Ag) 섬광체 거리가 0 cm ~ 5 cm까지 1 cm 간격으로 측정하였다.
- 평가하였다. 다른 형태의 방사선을 동시에즉정하기 위한 일반적인 phoswich 검출기와는 형태가 다른 ZnS(Ag)/플라스틱섬광체의 조합의 phoswich 검출기를 설계하였고 그 성능을 실험적으로 평가하였다. PSD 방법으로 방사선을 측정한 결과 기존의 오름 시간 분별 시스템이 가진 성능 이상으로 충분히 알파와 베타선이 잘 분리되었으며 배관 내부와 같이 접근이 곤란한 국소 지역의 알파/베타선을 동시에 측정할 수 있는 검출기 개발하였다.
- 섬광체 각각은 하나의 특정 형태의 방사선(즉, 알파, 베타, 감마 그리고/또는 중성자)에만 반응하도록 선정된다. 당해연구에서는 배관 내부의 알파 및 베타선을 측정하기 위하여 그림 1과 같이 플라스틱섬광체와 ZnS(Ag) 섬광 체를 하나의 광전자증배관에 적용하여 PSD 방법으로 알파와 베타를 분별하는 검출 시스템을 구성하였다. 플라스틱 섬광체와 ZnS(Ag) 무기 섬광 체는 섬광 붕괴상수가 서로 많이 다르기 때문에 PSD 기술을 적용가능하게 한다.
- 대부분의 기존 phoswich 검출기는 각각의섬광체가 직접 접촉해 있는 샌드위치 형태지만 당해 연구에서는 배관 내부 표면에서 방출되는 비정이 짧은 하전입자 방사선의 검출 효율을 향상시키기 위하여 각각의 섬광체가 분리된 ZnS(Ag) /플라스틱섬광체 조합의 알파/베타선 동시측정용 검출기를 고안하였으며 검출기 크기 및 신호 측정 시스템의 최적 요건을 실험적으로 확인하고 파형 분별(PSD: pulse shape discrimination) 성능을 평가하였다.
- 배관 내부와 같은 국소 지역의 오염도를 측정하기 위하여 알파선과 베타선을 동시에 측정할 수 있는 phoswich 검출기를 개발하여 배관 내부에 검출 시스템을 장착하여 알파/베타선의 검출 특성을 평가하였다. 다른 형태의 방사선을 동시에즉정하기 위한 일반적인 phoswich 검출기와는 형태가 다른 ZnS(Ag)/플라스틱섬광체의 조합의 phoswich 검출기를 설계하였고 그 성능을 실험적으로 평가하였다.
- 그래서 원통형 ZnS(Ag) 섬광체의 직경에 따른 검출 성능을 비교하였다. 원통형 ZnS(Ag) 섬광체 직경에 따른 알파/베타(감마)선 검출 성능 평가를 위하여 ZnS(Ag) 섬광체 직경을 25 mm ~ 50 mm까지 5 mm 간격으로 변화시키면서 측정하였다. 이 phoswich 검출기는 직경 50 mm의 배관의 내부방사능 표면오염도 측정이 목적이었기 때문에 ZnS(Ag) 섬광체의 직경을 50 mm까지 증가시키면서 계수치를 즉정하여 비교하였다.
- 원통형 ZnS(Ag) 섬광체 직경에 따른 알파/베타(감마)선 검출 성능 평가를 위하여 ZnS(Ag) 섬광체 직경을 25 mm ~ 50 mm까지 5 mm 간격으로 변화시키면서 측정하였다. 이 phoswich 검출기는 직경 50 mm의 배관의 내부방사능 표면오염도 측정이 목적이었기 때문에 ZnS(Ag) 섬광체의 직경을 50 mm까지 증가시키면서 계수치를 즉정하여 비교하였다. 측정에 이용된 방사선원은 방사능이 각각 207.
- ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱섬광체 입 사창 거리에 따른 알파/베타선 검출 성능 및 분리도를 평가하기 위하여 플라스틱섬광체 두께별로 ZnS (Ag) 섬광체 거리가 0 cm ~ 5 cm까지 1 cm 간격으로 측정하였다. 이때 ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱 섬광 체 거리의 기준은 플라스틱섬광체 입사 창과 높이 4cm인 원통형 ZnS(Ag) 섬광체의 중심을 기준으로 하였다. 일반적으로 5 MeV의 에너지를 가진 알파선의 평균 비정이 공기 중에서 약 3 cm가 되기 때문에 검출기가 오염된 표면에 근접해야만 한다.
- 최적의 PMT 인가전압 및 LLD를 확인하기 위하여 ZnS(Ag) 섬광검출기 와 PMT를 이용하여 공급전압과 계수치의 관계를 나타내는 특성곡선을 얻었다. 최적의 계수 조건에 도달하기 위한 요건을 충족하기 위해서는 공급전압 그리고 LLD가 그 변화에 대한 감도의 변화가 최소가 되는 플래토 우(plateau)라 불리는 구역에서 선택되어야 하는데 그림 2는 ZnS(Ag) 섬광 검출기의 다른 LLD에 따른 특성 곡선을 나타낸다.
- 플라스틱 섬광체 두께에 따른 베타선검출 효율을 확인하기 위하여 플라스틱 섬광 체의 두께를 변화시키면서 알파/베타(감마)선 검출 성능 및 분리도를 평가하였다. 그리고 이 검출시스템의 크기를 결정지을 수 있는 플라스틱섬광체와 ZnS(Ag) 섬광체 사이의 거리 그리고 원통형 ZnS (Ag) 섬광체의 직경에 따른 검출 성능을 평가하였다.
- 58이며 최대 발광 파장은 425 nm이다. 플라스틱 섬광체는 PMT와 같은 직경 26 mm로 두께 1.25, 3.11, 4.17, 10.18mm로 가공/연마하였으며 플라스틱 섬광 체와 PMT 윈도우 사이의 공기층을 제거하여 광전송 손실을 줄이기 위하여 광 그리스(optical grease)를 이용하여 PMT와 연결하였다. 플라스틱 섬광체는 발생된 섬광의 누설을 최소화하기 위하여 테프론 테이프를 이용해 옆면을 감쌌다.
대상 데이터
- ZnS(Ag) 무기섬광체는 알파선에 대한 검출 효율이 매우 높기 때문에 알파선 측정용 섬광 체로 주로 이용된다. 알파선 검출용 ZnS(Ag) 무기 섬광 체는 ELJEN Technology의 EJ-440을 사용하였다.
- 운영 전압은 플래토우 길이의 1/3(또는 1/4) 또는 플래토 우의 전압의 하위 끝에서 75-100 V 높은 것 중에서 작은 값에서 선택되어야 하며 플래토우 영역의 기울기는 100 V 당 5-10%가 넘지 않아야 한다[3, 4, 5], 그리고 PMT의 수명은 낮은 전압에서 보다 길기 때문에 너무 높은 전압에서 사용하지 않는 것이 바람직하다. 측정에 사용된 PMT는 HAMAMATSU 사의 Head-on type인 R1924A 모델을 이용하였으며 cathode와 anode 사이의 최고 인가 전압은 2000 V이 다. PMT의 특성 커브는 ZnS(Ag) 섬 광검출기로 알파 선원을 측정하고 전압을 0 V에서 1000V까지 50 V 단계로 측정하여 결정하였다.
- 이 phoswich 검출기는 직경 50 mm의 배관의 내부방사능 표면오염도 측정이 목적이었기 때문에 ZnS(Ag) 섬광체의 직경을 50 mm까지 증가시키면서 계수치를 즉정하여 비교하였다. 측정에 이용된 방사선원은 방사능이 각각 207.7 Bq, 110.9 Bq 인 241Am, 90SR/90Y을 이용하였으며 600 sec 동안 측정하였다.
이론/모형
- 알파선과 베타선의 분리는 각각의 섬광 체내에서 만들어지는 섬광 오름 시간이 다르기 때문에 일어나는 효과를 이용한다. 알파선과 베타선이 공존하는 혼합방사선장에서 알파선과 베타선을 판별하기 위하여 펄스파형 분석법을 이용하였다.
- 파형판별의 정도를 나타내는 방법에는 여러 가지가 있으나, 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 M(figure of merit) 값을 사용하여 파형 판별 정도를 평가하였다[9]. 이때의 M 값의 정의 식은 다음과 같다.
성능/효과
- 그런데 PSD 방법을 이용한 검출 시스템에서 이 감마선 신호가 베타선 영역에 같이 나타나기 때문에 감마선이 베타 영역에 미치는 영향을 확인하였다. 137Cs 점선원을 플라스틱섬광체 입사창 중심에서 2 cm의 거리에서 측정한 결과 플라스틱 섬광 체에 의한 감마선의 검출효율은 베타선 검출효율의 10" 정도로서 거의 무시할 수 있었다.
- 다른 형태의 방사선을 동시에즉정하기 위한 일반적인 phoswich 검출기와는 형태가 다른 ZnS(Ag)/플라스틱섬광체의 조합의 phoswich 검출기를 설계하였고 그 성능을 실험적으로 평가하였다. PSD 방법으로 방사선을 측정한 결과 기존의 오름 시간 분별 시스템이 가진 성능 이상으로 충분히 알파와 베타선이 잘 분리되었으며 배관 내부와 같이 접근이 곤란한 국소 지역의 알파/베타선을 동시에 측정할 수 있는 검출기 개발하였다. 이 시스템을 국소지역으로 이송이 가능한 장비와 결합할 경우 작업자의 안전성 확보 및 작업 시간을 단축할 수 있는 원격장치 개발이 가능할 것이다.
- ZnS(Ag) 섬광검출기의 직경이 클수록 검출 효율이 증가함을 볼 수 있는데, 이것은 알파선의 공기 중에서의 감쇠와 알파선검출기의 기하학적인 검출효율의 감소가 주원인이다. 그러나 ZnS(Ag) 섬광 검출기가 배관 내부에 밀착되지 않은 상태에서도 알파선 검출 가능성을 확인하였다. 즉, 원통형 ZnS(Ag) 섬광체의직경이 50 mm일 때와 비교해 45 mm, 40 mm일 경우 각각 약 80, 60%의 검출효율을 보였다.
- 알파선 검출 효율에 미치는 요소로는 크게 플라스틱섬광체 입사창과 섬광이 발생한 지점과의 거리, 섬광이 발생한 위치에 따른 플라스틱 섬광 체 입사창에서 섬광의 입사각 그리고 섬광이 발생한 지점에서 입사창을 바라보는 입체각으로 생각할 수 있는데 ZnS(Ag) 섬광체와플라스틱섬광체 입사창의 거리는 각각의 섬광 체 두께의 경우 2 cm 에서 3 cm일 때 대체 적으로 큰 계수치를 나타냈는데 여기서 가장 효율이 좋음을 확인할 수 있다. 그리고 플라스틱섬광체 두께와 알파선 검출 효율에는 어떤 상호관계를 보이지 않으며 서로 독립적임을 알 수 있었다.
- 나타낸다. 알파선 검출 효율에 미치는 요소로는 크게 플라스틱섬광체 입사창과 섬광이 발생한 지점과의 거리, 섬광이 발생한 위치에 따른 플라스틱 섬광 체 입사창에서 섬광의 입사각 그리고 섬광이 발생한 지점에서 입사창을 바라보는 입체각으로 생각할 수 있는데 ZnS(Ag) 섬광체와플라스틱섬광체 입사창의 거리는 각각의 섬광 체 두께의 경우 2 cm 에서 3 cm일 때 대체 적으로 큰 계수치를 나타냈는데 여기서 가장 효율이 좋음을 확인할 수 있다. 그리고 플라스틱섬광체 두께와 알파선 검출 효율에는 어떤 상호관계를 보이지 않으며 서로 독립적임을 알 수 있었다.
- 그러나 ZnS(Ag) 섬광 검출기가 배관 내부에 밀착되지 않은 상태에서도 알파선 검출 가능성을 확인하였다. 즉, 원통형 ZnS(Ag) 섬광체의직경이 50 mm일 때와 비교해 45 mm, 40 mm일 경우 각각 약 80, 60%의 검출효율을 보였다.
후속연구
- PSD 방법으로 방사선을 측정한 결과 기존의 오름 시간 분별 시스템이 가진 성능 이상으로 충분히 알파와 베타선이 잘 분리되었으며 배관 내부와 같이 접근이 곤란한 국소 지역의 알파/베타선을 동시에 측정할 수 있는 검출기 개발하였다. 이 시스템을 국소지역으로 이송이 가능한 장비와 결합할 경우 작업자의 안전성 확보 및 작업 시간을 단축할 수 있는 원격장치 개발이 가능할 것이다.
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