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제안 방법
- 저장된 측정값인 라돈 농도, 방사평형 인자와 감마선량률은 LCD 창에 1시간 간격으로 display되도록 설계하였다. Data 통신을 위하여 근거리 통신으로 RC-232 IC chip을 통해 PC에서 직접 측정값을 수신할 수 있게 하였으며, 원거리 통신으로는 내부에 인터넷 통신 module# 장착하여 웹상에서 관리자가 실시간으로 측정값의 변화를 확인할 수 있게 하였다.
- 설계하였다. 각 검출기의 출력신호를 증폭하기 위한 알파선용과 감마선용 신호처리 회로와 핵종을 구분하기 위한 4채널 파고분석기 전자회로를 설계 제작하였으며, 측정기 의를 제어하고 측정값을 산출하는 마이크로프로세서와 프로그램을 제작하였다. 근거리 통신과 원거리 통신을 위하여 각각 RC- 232 IC chip과 인터넷 모듈을 사용하였다.
- 감마선 측정용 PIN 반도체 검출기에 의한감마선량률 측정을 위하여 한국원자력 연구소 기준 방사선조사시설에서 Cs-137 선원을 이용하여 조사선량률 8 mR/h - 25 R/h의 범 위에서 16개 선량률로 선량환산인자를 결정하기 위한 실험을 수행하였다. 조사선량률 범위내에서 결정된 측정기의 Cs-137 선원에 의한 각 선량률에 대한 반응 감도는<표 3>과<그림 9>와 같으며 제작된 측정기의 반응감도는 평균 1.
- 감마선을 측정하기 위한 PIN 반도체 방사선 검출기는 동작전압에 의해 역방향으로 임피던스가 감소하며 방사선에 의한 상호작용으로 검출기에서 생성된 전하는 결합 콘덴서를 통해서 수집되므로 검출기의 바이어스 전압을 차단하고 전치증폭기의 입력에 전하를 궤 환 시키기 위하여 결합콘덴서를 통해서 검출기에 연결되도록 AC결합을 하였다. 1단 임피던스는 검출기의 정전용량인 23 pF를 고려하여 전하가 충분히 수집 되도록 적분회로를 구성하였다.
- PIN 반도체 검출 기는 동작 전압에 의해 역방향으로 임피 던스가 감소하며 방사선에 의한 상호작용으로 검출기에서 생성된 전하(Charge)는 결합 콘덴서를 통해서 수집된다. 검출기의 정전용량인 40 pF를 고려하여 전하가 충분히 수집되도록 시간 적분을 하였으며 , 수집 된 전하는 정극성을 갖는 전류펄스로 연간증폭기의 반전입력 에 연결되도록 하였으며, 전치증폭기의 출력과 주 증폭기의 입력의 결합을 위하여 입력되는 직류성분을 차단하도록 클리핑회로인 고역 통과 회로를 구성하였다. 전자소자에 의한 잡음이나 외부 잡음에 대한 S/N비를 향상시키기 위하여 연산증폭기를 이용하여 완충 증폭기의 역할을 하도록 회로를 구성하고, 최종펄스 전류를 증폭하기 위하여 연산증폭기로서 증폭기 회로를 구성함으로써<그림 4>와같이 전하감도형의 신호처리 전자회로를 구성하였다.
- 이러한 물리적 성질을 이용하여 라돈만 분리 측정하기 위하여 전자회로 기판 위에 고정 설치된 검출기가 내장된 라돈 챔버가 필요하며, 단수명 자핵종인 감마선을 측정하기 위한 검출기는 측정기 내부에 임의 위치에 고정 설치되 어 있어야 한다. 또한 방사평 형 인자를 산출하기 위해서 자핵종을 분리 측정할 수 있는 다중파고 분석 기 술을 적용하여 전자회 로를설계하였다.
- 방사평 형 인자를 산출하기 위하여 라돈이 붕괴할 때 생성되는 감마선을 방출하는 자핵종을 구분할 수 있도록 다중파고 분석기술을 적용하였다. 또한 설계되는 측정기는 수동형으로서 라돈농도, 방사평형 인자와 감마선량률을 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정 자료를 인터넷을 통하여 원격으로 자료를 연속적으로 감시할 수 있도록 설계 제작하였다. 제작된 측정 기는 성능검증을 위하여 표준선 원을 이용하여 시 험하였다.
- 라돈과 자핵종을 측정하기 위하여 두 개의 PIN 반도체 검출기를 사용하였다. 알파선을 측정하기 위하여 유효 반응면적 이 100 mm2, 최대역전압이 100 VDC, 70 VDC에서 누설전류 2 nA, 정전용량은 40 pF인일본 Hamamatsue} 제품인 S3590-09# 사용하였으며 , 감마선을 방출하는 자핵종을 측정 하기 위해 사용된 검출기는 프랑스 Eurorad人卜 제품인 SI-007로서 측정 에너지 범위는 50 keV6 MeV, 유효 반응면적이 7 mm, 이며, 전기적 특성은 동작전압은 3.
- 라돈농도 측정기 의 단가가 저 렴하면서도 크기를 소형화하고 무게를 감소 시 킴으로써 활용성과 범용성을 크게 증대 시 켰다. 방사평 형 인자를 산출하기 위하여 라돈이 붕괴할 때 생성되는 감마선을 방출하는 자핵종을 구분할 수 있도록 다중파고 분석기술을 적용하였다. 또한 설계되는 측정기는 수동형으로서 라돈농도, 방사평형 인자와 감마선량률을 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정 자료를 인터넷을 통하여 원격으로 자료를 연속적으로 감시할 수 있도록 설계 제작하였다.
- 본 연구에서 설계 제작되는 다목적 라돈 농도 측정기는 측정부분, 마이크로프로세서 부분 및 통신부분으로 구성하였다. 측정 부분은 라돈 농도를 측정하기 위한 챔버, 알파선 측정용 PIN 반도체검출기, 감마선 측정용 PIN 반도체 검출기, 방사선에 의한 각 검출기의 반응 신호를 처 리하기 위한 신호처리 회로와 다중파고 분석 기 로 구성 된다.
- 본 연구에서 설계 제작된 라돈농도 측정기는 수동형의 알파선을 방출하는 라돈을 측정하기 위한 검줄기와 라돈 자핵종을 즉정하기위한 검출기로서 두 개의 PIN형 반도체 검출기 와 라돈의 확산을 이 용하기 위하여 라돈 챔버를 설계하였다. 각 검출기의 출력신호를 증폭하기 위한 알파선용과 감마선용 신호처리 회로와 핵종을 구분하기 위한 4채널 파고분석기 전자회로를 설계 제작하였으며, 측정기 의를 제어하고 측정값을 산출하는 마이크로프로세서와 프로그램을 제작하였다.
- 본 연구에서는 최근에 알파선과 같은 하전입 자와 감마선과 같은 광자를 측정하는데 널리 사용되고 있는 저가의 PIN 반도체 검출기를 사용하였다[7]. 라돈농도 측정기 의 단가가 저 렴하면서도 크기를 소형화하고 무게를 감소 시 킴으로써 활용성과 범용성을 크게 증대 시 켰다.
- 알파선 채널에서는 라돈을 측정하는 것이 주목적 이므로 채널 0만을 사용하였으며, 마선 채널에서는 채널 0은 총감마선량률 측정, 채널 2와 3은 라돈에 의한 감마선 자핵종인 Pb-214와 Bi-214가 측정되도록 설계하였다.
- 알파선 측정 채널과 감마선 채널의 신호처리 전자회로에서 출력되는 신호에서 핵종을 구분하기 위하여 연산증폭기를 이용하여과 같이 4단으로 구성된 다중파고분석기 전자회로를 구성하였다.
- 알파선원 Am-241(33 kBq, 5.486 MeV) 와 감마선원 CsT37(333 kBq, 662 keV)을이용하여 각 측정채널의 신호처리 전자회로에서 출력 되는 펄스를 오실로스코프로 관찰하였다.
- 알파선을 검출하기 위한 PIN 반도체 검출기가 내장된 라돈 챔버는 A1 을 도포한 ABS 프라스틱으로서 사다리형 구조로 내부 체적이 45 X 45 X 40 mm(85 cm, )이 며 전자회로 기판위에 설계 제작되었으며, 챔버 밑면의 기판은 직영이 7 mm인 기공을 28개 뚫은 후 grass fiber filter를 부착하여 라돈은 확산되어 챔버로 들어갈 수 있으나 자핵종과 빛은 통과할 수 없는 구조로과 같이 설계 제작하였다.
- 1단 임피던스는 검출기의 정전용량인 23 pF를 고려하여 전하가 충분히 수집 되도록 적분회로를 구성하였다.입력단 소자 설정 수집된 전하는 정극성을 갖는 전류펄스로 저잡음, 고이득 및 저 입력용량의 특성을 갖는 JFET에연결되도록 하여 전하감도형의 신호처리 회로인 전치증폭기 회로를 구성하였다. 전치 증폭기의 출력과 주증폭기의 입력의 결합을 위하여 입력되는 직류성분을 차단하도록 클리핑 회로인 고역통과회로를 구성하였다.
- 측정 채널은 라돈농도 측정을 위한 알파선 채널과 감마선 자핵종을 측정하기 위한 감마선 채널로 구성하였으며, 각 채널에서 측정된 값은 마이크로프로세서에 의해서 연산되어 메모리 EPROM에 저장된다. 저장된 측정값인 라돈 농도, 방사평형 인자와 감마선량률은 LCD 창에 1시간 간격으로 display되도록 설계하였다. Data 통신을 위하여 근거리 통신으로 RC-232 IC chip을 통해 PC에서 직접 측정값을 수신할 수 있게 하였으며, 원거리 통신으로는 내부에 인터넷 통신 module# 장착하여 웹상에서 관리자가 실시간으로 측정값의 변화를 확인할 수 있게 하였다.
- 전자소자에 의한 잡음이나 외부 잡음에 대한 S/N비를 향상시키기 위하여 연산증폭기를 이용하여 완충 증폭기의 역할을 하도록 회로를 구성하고, 최종펄스 전류를 증폭하기 위하여 연산증폭기로서 증폭기 회로를 구성함으로써와같이 전하감도형의 신호처리 전자회로를 구성하였다.
- 전자소자에 의한 잡음이나 외부 잡음에 대한 S/N비를 향상시키기 위하여 트랜지스터를 베이스 접지 증폭기로 구성하여 완충증폭기 의 역할을 하도록 회로를 구성하고, 펄스전류를 트랜지스터의 에미터 풀로워 (emitter follower)를 통해서 출력 되도록 하였으나 전원 전압의 1/2정도이므로 이를 보상하기 위하여 JFET를 사용하여 고이득 증폭기를 구성하여와 같은 회로를 구성하였다.
- PIN 반도체 검출 기는 동작 전압에 의해 역방향으로 임피 던스가 감소하며 방사선에 의한 상호작용으로 검출기에서 생성된 전하(Charge)는 결합 콘덴서를 통해서 수집된다. 검출기의 정전용량인 40 pF를 고려하여 전하가 충분히 수집되도록 시간 적분을 하였으며 , 수집 된 전하는 정극성을 갖는 전류펄스로 연간증폭기의 반전입력 에 연결되도록 하였으며, 전치증폭기의 출력과 주 증폭기의 입력의 결합을 위하여 입력되는 직류성분을 차단하도록 클리핑회로인 고역 통과 회로를 구성하였다. 전자소자에 의한 잡음이나 외부 잡음에 대한 S/N비를 향상시키기 위하여 연산증폭기를 이용하여 완충 증폭기의 역할을 하도록 회로를 구성하고, 최종펄스 전류를 증폭하기 위하여 연산증폭기로서 증폭기 회로를 구성함으로써<그림 4>와같이 전하감도형의 신호처리 전자회로를 구성하였다.
- 제작된 라돈농도 측정기로부터 측정된 자료를 송수신하여과 같이 PC 화면에 나타내도록 프로그램을 제작하였다.
- 증폭기는 연산증폭기를 이용하여 전하감도형 증폭기를 설계 제작하였다. PIN 반도체 검출 기는 동작 전압에 의해 역방향으로 임피 던스가 감소하며 방사선에 의한 상호작용으로 검출기에서 생성된 전하(Charge)는 결합 콘덴서를 통해서 수집된다.
- 측정 기의 전면에는 LED에 의해 측정기의 동작 상태가 나타내도록 하였으며 , 측정값은 LCD 표시창에 나타나며, 사용자가 현장에서 라돈 농도, 방사평 형 인자와 자연선량률을 선택하여 볼 수 있도록 Mode 스위치와 Select 스위치를 부착하였다.<그림 7>은 제작된 측정기의 내부의 알파 검출기가 내장된 라돈 챔버, 감마선 검출기가 내장된 신호처리 전자회로, 통신 모듈 등이고, <그림 7>은 제작된 측정기의 전자회로기판이며, <그림 7>에서는 알파선 검출기와 라돈 챔버의 하단면을 보여주고 있다.
- 같은 구성을 갖도록 설계하였다. 측정 채널은 라돈농도 측정을 위한 알파선 채널과 감마선 자핵종을 측정하기 위한 감마선 채널로 구성하였으며, 각 채널에서 측정된 값은 마이크로프로세서에 의해서 연산되어 메모리 EPROM에 저장된다. 저장된 측정값인 라돈 농도, 방사평형 인자와 감마선량률은 LCD 창에 1시간 간격으로 display되도록 설계하였다.
- 클리 핑 회로를 통과한 부극성의 전류 펄스를 PNP 트랜지스터 의 베이스에 연결하여 증폭되도록 하였다. 전자소자에 의한 잡음이나 외부 잡음에 대한 S/N비를 향상시키기 위하여 트랜지스터를 베이스 접지 증폭기로 구성하여 완충증폭기 의 역할을 하도록 회로를 구성하고, 펄스전류를 트랜지스터의 에미터 풀로워 (emitter follower)를 통해서 출력 되도록 하였으나 전원 전압의 1/2정도이므로 이를 보상하기 위하여 JFET를 사용하여 고이득 증폭기를 구성하여<그림 5>와 같은 회로를 구성하였다.
대상 데이터
- 각 검출기의 출력신호를 증폭하기 위한 알파선용과 감마선용 신호처리 회로와 핵종을 구분하기 위한 4채널 파고분석기 전자회로를 설계 제작하였으며, 측정기 의를 제어하고 측정값을 산출하는 마이크로프로세서와 프로그램을 제작하였다. 근거리 통신과 원거리 통신을 위하여 각각 RC- 232 IC chip과 인터넷 모듈을 사용하였다.
- 알파선을 측정하기 위하여 유효 반응면적 이 100 mm2, 최대역전압이 100 VDC, 70 VDC에서 누설전류 2 nA, 정전용량은 40 pF인일본 Hamamatsue} 제품인 S3590-09# 사용하였으며 , 감마선을 방출하는 자핵종을 측정 하기 위해 사용된 검출기는 프랑스 Eurorad人卜 제품인 SI-007로서 측정 에너지 범위는 50 keV6 MeV, 유효 반응면적이 7 mm, 이며, 전기적 특성은 동작전압은 3.6 VDC, 누설전류는 3 nA, 정전용량이 23 pF이며 최대역전압은 32 V①C이다.
- 측정기의 외부는 A1 재질의 Case를 사용하였으며, 과 같이 측정기 의 크기는 15.5 cm(W) X 20 cm(D) x 7.5 cm(H)로제작하였다.
데이터처리
- 37 cph/*v/h인 것으로 나타났다. 성능시험 결과에서 얻어진 반응감도는 각각 라돈 농도와 감마선량률를 계산하기 위한 선량 환산인자로서 계산프로그램에 적용되었다. 또한 측정기에서 측정된 자료는 메모리에 저장되며 , 사용자는 설치 장소에서나 인터넷 통신망을 통해 실시간으로 감시할 수 있음을 확인하였다.
이론/모형
- 라돈 농도의 측정시험은 한국표준연구원의 표준 라돈챔버를 이용하였으며, 감마선의 측정 시험은 한국 원자력연구소의 교정실에 의뢰하여 수행하였다. 라돈농도측정 시험 에서 제 작된 측정기의 반응감도는 평균 1.
- 제작된 측정기의 라돈농도 측정을 위한 라돈 농도환산인 자를 결정하기 위하여 한국표준과학연구원에서 내부 체적이 25.3 nF인기준 라돈챔버를 이용하여 수행하였다. 제작된 측정기는 기준 라돈 챔버 내부의 평균 라돈 농도가 1, 215 Bq/m, 에서 8시간동안 조사되었다.
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