국내에서 방사성동위원소를 사용하고자 할 때는 법적으로 규제 허용값이 $100[{\mu}Ci]$ 이하의 값에 맞추어 이용하도록 되어있다. 따라서 본 연구에서는 이 규제 허용값에 알맞은 아스팔트 함량 측정기를 개발하기위한 기본 자료를 설계하였다. 선원 및 검출기의 특성에 따라 측정기를 기하학적으로 모델링하였고, 몬테카를로 방법으로 해석하는 MCNP 코드를 이용하여 중성자 및 광자의 입자수송을 해석하였고, 선원과 검출기의 위치, 그리고 중성자 흡수체 및 감속재의 기하학적 구조를 설계하였다.
국내에서 방사성동위원소를 사용하고자 할 때는 법적으로 규제 허용값이 $100[{\mu}Ci]$ 이하의 값에 맞추어 이용하도록 되어있다. 따라서 본 연구에서는 이 규제 허용값에 알맞은 아스팔트 함량 측정기를 개발하기위한 기본 자료를 설계하였다. 선원 및 검출기의 특성에 따라 측정기를 기하학적으로 모델링하였고, 몬테카를로 방법으로 해석하는 MCNP 코드를 이용하여 중성자 및 광자의 입자수송을 해석하였고, 선원과 검출기의 위치, 그리고 중성자 흡수체 및 감속재의 기하학적 구조를 설계하였다.
In Korea, under the influence of the jurisdiction, usage of radioisotopes are limited. The limitation is $100[{\mu}Ci]$ or less. Therefore, in this study, basic data were designed, and the following data are needed in order to improve content measuring instrument which is suitable for rad...
In Korea, under the influence of the jurisdiction, usage of radioisotopes are limited. The limitation is $100[{\mu}Ci]$ or less. Therefore, in this study, basic data were designed, and the following data are needed in order to improve content measuring instrument which is suitable for radioisotopes limitation. Owing to the source and detector's properties, measuring instrument was designed geometrically, neutron and photon's particle transportation was analysed by using the MCNP code which is in Monte Carlo Method, also the location of source and detectors, geometrical structure of neutron absorber and moderator was designed.
In Korea, under the influence of the jurisdiction, usage of radioisotopes are limited. The limitation is $100[{\mu}Ci]$ or less. Therefore, in this study, basic data were designed, and the following data are needed in order to improve content measuring instrument which is suitable for radioisotopes limitation. Owing to the source and detector's properties, measuring instrument was designed geometrically, neutron and photon's particle transportation was analysed by using the MCNP code which is in Monte Carlo Method, also the location of source and detectors, geometrical structure of neutron absorber and moderator was designed.
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문제 정의
중성자의 계측수가 줄게 되면 계측수에 대한 표준편차(One Standard deviation)가 커지므로 그에 따른 상대오차가 커지게 되어 아스팔트 함량변화에 대한 측정 신뢰도가 줄게 된다[3]. 본 연구에서는 낮은 방사선 강도를 가진 선원 을 이용한 아스팔트 함량 측정장비의 개발을 목적으로 한다. 낮은 선원을 사용함으로서 계 측수에 대한 상대오차가 커지는 것을 막기 위 해 혼합물 속에서 감속된 중성자들을 열중성자 흡수체를 이용하여 차폐하고, 열중성자 흡수체 를 통과한 속중성자를 수소를 많이 함유하고 있는 중성자 감속재를 사용하여 열중성자 검출 기에서 측정하기에 적절한 에너지 영역으로 감 속하여 그 계측수를 측정하는 속중성자 검출방 식의 적용가능성에 대해 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 낮은 방사선 강도를 가진 선원 을 이용한 아스팔트 함량 측정장비의 개발을 목적으로 한다. 낮은 선원을 사용함으로서 계 측수에 대한 상대오차가 커지는 것을 막기 위 해 혼합물 속에서 감속된 중성자들을 열중성자 흡수체를 이용하여 차폐하고, 열중성자 흡수체 를 통과한 속중성자를 수소를 많이 함유하고 있는 중성자 감속재를 사용하여 열중성자 검출 기에서 측정하기에 적절한 에너지 영역으로 감 속하여 그 계측수를 측정하는 속중성자 검출방 식의 적용가능성에 대해 연구를 수행하였다. 선원으로부터 방출된 속중성자가 아스팔트 혼 합물 속에서 수소 원자핵과의 반응으로 열중성 자 영역으로 감속된 중성자를 직접 측정하는 열중성자 검출방식의 경우에는 혼합물 속에 포 함된 아스팔트 함량이 증가함에 따라 수소의 양도 증가하므로, 중성자의 계측수는 혼합물 속의 아스팔트 함량에 비례하여 선형적으로 증 가한다.
본 연구에서는 lOOh[μCi]이하의 선원을 사용 하여 6[%]의 아스팔트 함량을 갖는 아스팔트와 골재의 혼합물에 대해 5분간 측정하였을 경우, 0.1 [%]이내의 측정오차를 갖는 아스팔트 함량 측정기의 개발을 목표로 하고 있다.
본 연구에서는 100[μci]이하의 방사성동위원소 를 이용한 아스팔트 함량측정기를 개발하기위 한 기본 자료를 설계하였다.
제안 방법
- 중성자 및 광자의 입자수송을 몬테카를로 방 법으로 해석하는 MCNP 코드를 이용하여 선원과 검출기의 위치, 그리고 중성자 흡수체 및 감속 재의 기하학적 구조를 설계하였다.
방사성 동위원소를 이용한 아스팔트 함량 측 정기의 설계는 미국 CPN사에서 개발한 AC-2R 아스팔트 함량 측정기와 국내에서 개발중인 성 토시공 관리를 위한 수분/밀도 측정기의 원리 와 설계를 기초로 하였으며 , MCNP 코드를 이용 하여 선원 및 검출기의 위치 선정, 아스팔트 혼합물 및 구조재의 크기 계산, 아스팔트 함량 변화에 따른 계측수 계산 등을 수행하였다[2].
낮은 선원을 사용함으로서 줄어드는 계측수 를 증가시키기 위해서 선원으로부터 방출된 중 성자중 혼합물 속에서 감속된 열중성자는 열중 성자 흡수체를 이용하여 제거하고, 흡수체를 통과한 중성자들을 폴리에틸렌으로 감속시킨 후 열중성자 검출기를 이용하여 검출하는 속중 성자 검출방식을 이용하였다.
감속재로는 수소의 함량이 많은 폴리에틸렌 을 선정하였으며, 흡수체인 카드뮴 판을 통과 한 속중성자를 열중성자 검출기에서 검출하기 에 적당한 에너지 영역까지 감속시킬 수 있는 폴리에틸렌의 두께를 계산하였다. 그림 5는 검 출기 주변에 3[cm] 두께의 폴리에틸렌을 설치 한 경우 중성자 검출부의 단면도를 나타내었
기본 자료로는 기하학적인 최적 배치에 따라 선원 및 검출기를 위한 수량 및 위치를 결정하 였다. 중성자 흡수체는 두께의 카드뮴 판을 아스팔트가 놓여지는 sample pan 아래에 설치하였을 경우에 0.
기본 자료로는 기하학적인 최적 배치에 따라 선원 및 검출기를 위한 수량 및 위치를 결정하 였다. 중성자 흡수체는 두께의 카드뮴 판을 아스팔트가 놓여지는 sample pan 아래에 설치하였을 경우에 0.0253 [eV]의 에너지를 가 진 열중성자들이 흡수체에 의해 완전히 차폐되 었으나, 열중성자 검출기의 중성자 검출에 영 향을 미칠 수 있는 l[eV] 이하의 중성자들에 대한 영향을 고려하여 흡수체의 두께를 0.3[cm]로 하였다. 또한 감속재 설계에서는 검 출기 표면에 y축과 z축 방향으로 각각 3cm의 폴리에틸렌을 설치했을 경우로서 4.
대상 데이터
본 연구에서 사용할 중성자 선원으로는 252Cf 선원을 선정하였다. 252Cf 선원은 241Am-Be 선 원에 비해 같은 방사능을 가지고 있을 때 방출 하는 중성자의 개수가 많다.
252Cf 선원은 241Am-Be 선 원에 비해 같은 방사능을 가지고 있을 때 방출 하는 중성자의 개수가 많다. 가격은 비싸지만 비중성자 선원강도가 높은 252Cf 선원을 사용할 경우, μCi 단위의 선원 강도를 가진 방사성동 위원소를 이용한 아스팔트 함량 측정장비를 개 발할 수 있으므로, 본 연구에서는 표 1과 같은 특성을 가진 252Cf 선원을 사용하여 설계를 수 행하였다.
방사성 동위원소를 이용한 아스팔트 함량 측 정장비의 열중성자 검출기로서는 3He 검출기를 대상으로 하였다. 3He 검출기는 BF3 검출기에 비해 가격이 상당히 비싸지만, 열중성자에 대 한 반응단면적이 큰 3He 기체를 사용함으로 검 출효율이 우수하며, 3He 검출기는 일반적인 아 스팔트 혼합물의 혼합온도인 150P 의 높은 온 도에서도 사용할 수 있다는 장점이 있으며, 그 외의 특성은 다음 표 2와 같다.
아스팔트 혼합물 속에서 열중성자 영역으로 감속된 중성자를 제거하기 위하여 열중성자에 대한 흡수단면적이 큰 카드뮴을 중성자 흡수체 로 선정하였다.
성능/효과
계산 결과 폴리에틸렌의 두께 증가에 따라 계 측수가 증가하였으며, y축 방향으로의 두께 증 가가 z축 방향으로의 두께 증가에 비해 좀 더 많이 계측수를 증가시켰다. 가장 많은 계측수 는 그림 3과 같이 검출기 표면에 y축과 z축 방 향으로 각각 3[cm]의 폴리에틸렌을 설치했을 경우로서 4.17X05개의 가장 많은 계측수를 얻 을 수 있었다.
3[cm]로 하였다. 또한 감속재 설계에서는 검 출기 표면에 y축과 z축 방향으로 각각 3cm의 폴리에틸렌을 설치했을 경우로서 4.17X05개의 최적의 계측수를 얻을 수 있었다. 따라서 본 자료는 아스팔트 함량 측정 장비를 제작할 때 중성자 흡수체 및 감속재의 제작에 중요한 자 료로 활용될 수 있을 것이다.
계산 결과 폴리에틸렌의 두께 증가에 따라 계 측수가 증가하였으며, y축 방향으로의 두께 증 가가 z축 방향으로의 두께 증가에 비해 좀 더 많이 계측수를 증가시켰다. 가장 많은 계측수 는 그림 3과 같이 검출기 표면에 y축과 z축 방 향으로 각각 3[cm]의 폴리에틸렌을 설치했을 경우로서 4.
후속연구
17X05개의 최적의 계측수를 얻을 수 있었다. 따라서 본 자료는 아스팔트 함량 측정 장비를 제작할 때 중성자 흡수체 및 감속재의 제작에 중요한 자 료로 활용될 수 있을 것이다.
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