[논문]고순도 반도체(HPGe) 감마분광시스템을 이용한 토양 중 우라늄 방사능 분석

이완로; 김희령; 정근호; 조영현; 강문자; 이창우; 최근식

초록
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고순도 반도체 감마분광시스템을 이용하여 토양 시료를 파괴하지 않고 화학 전처리 단계가 필요없는 우라늄 방사능 분석 기술을 개발하였다. 본 논문에서 제시한 방법을 이용한 분석결과와 기존에 일반적으로 사용하는 알파분광분석법(Alpha Spectrometry)의 결과를 비교하였다. 비교결과 불확도 범위 내에서 비슷한 측정값을 보였다. 따라서 본 논문에서 제시한 방법은 토양시료의 우라늄 분석에 이용될 수 있을 것이다.

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Using N-type HPGe gamma spectrometer, uranium analysis technique of soil sample is developed where the chemical preprocessing is not a necessity. The results of uranium activities using the method presented in this paper were compared with those results with conventional alpha spectrometer and two r...

Using N-type HPGe gamma spectrometer, uranium analysis technique of soil sample is developed where the chemical preprocessing is not a necessity. The results of uranium activities using the method presented in this paper were compared with those results with conventional alpha spectrometer and two results were similar from within uncertainty range. Therefore, this new method will be applied in uranium activity analysis of soil sample.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 N-type HPGe 감마분광시스템을 기반으로 시료의 특별한 전처리가 필요 없이 분석할 수 있는 기술을 개발하였다. 또한 이를 기존의 방법과 비교하여 그 유용성을 제시하였다.
본 논문에서는 고순도 반도체 감마분광시스템을 이용하여 토양 시료의 우라늄 방사능 분석기술을 개발하였다. 제시한 방법을 이용한 분석결과와 기존에 일반적으로 사용하는 알파분광분석(Alpha Spectrometry) 결과를 비교했을 경우 방법론이 타당함을 알 수 있었다.

제안 방법

234Th의 농도는 63 keV 근처에서 방출되는 감마선을 직접 측정하여 방사능을 결정하였다. 식(6)에서 보면 63 keV 근처에서 ²³⁴Th과 232 Th이 거의 같은 에너지를 방출하기 때문에 ²³²Th의 기여분을 제거하여 줘야 한다.
본 논문에서는 N-type HPGe 감마분광시스템을 기반으로 시료의 특별한 전처리가 필요 없이 분석할 수 있는 기술을 개발하였다. 또한 이를 기존의 방법과 비교하여 그 유용성을 제시하였다.
먼저²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi 및 경우에 따라서는 ²¹⁰Pb의 방사능을 분석하여 ²²⁶Ra 방사능 농도를 구한다. P-type의 경우에는 ²¹⁰Pb의 방사능은 구하기가 매우 어려웠다.
왜냐하면 ²¹⁰Pb의 방출에너지가 46 keV 근처인데 이 경우 앞에서 언급했듯이 효율의 변화가 급격하게 변하기 때문에 정확한 효율을 구할 수 없기 때문이다. 본 논문에서 사용한 N-type검출기를 이용하여 두 핵종의 방사능 농도를 구하고 이것을 평균하여 ²²⁶Ra 방사능을 구했다. N-type 검출기로 ²¹⁰Pb의 방사능을 구할 수 있었지만, 공기 중에 포함된 ²¹⁰Pb가 증가되어 순수 토양 속에 포함된 ²¹⁰Pb의 농도를 알 수 없었다.
위에서 구한 ²³⁵U와 ²³⁸U 방사능 값을 이용해서 농도비를 구했다. 표 4에서 보면 0.
같은 원리로 ²³⁸U과 ²³⁴Th, ²²⁶Ra, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi도 평형을 이루게 된다. 이 방사평형을 이용하여 ²³⁸U과 ²³⁵U의 방사능 및 농도비를 계산하였다. 감마분광시스템의 에너지 및 효율교정을 위해서는 Amersham사에서 제작한 8개의 혼합감마선원을 이용하였다.
HPGe 감마분광시스템을 이용한 우라늄 방사능 분석 기술은 몇몇 연구자들이 시도하였으나, 시료의 특성에 따라서 적용 방식이 상이했다[4,5]. 주로 P-type의 HPGe 감마분광분석 시스템을 이용하여 우라늄 방사능 농도를 구했다. 그러나 이 경우 저에너지에서 효율의 급격한 감소로 정확한 방사능 농도 결정에 어려움이 발생한다.
²³⁸U 방사능 186 keV 근처에서 방출되는 감마선을 이용하기 때문에 P-type 및 N-type 모두 검출기 가능하다. 주변 환경이 다른 지역에서 채취한 토양을 N-type 감마분광검출기를 이용하여 분석하고, 동일한 시료를 알파핵종분석기로 분석하여 비교 검증하였다.

대상 데이터

238U 방사능은 ²³⁴Th과의 방사평형을 이용하였다. ²³⁴Th의 농도는 63 keV 근처에서 방출되는 감마선을 직접 측정하여 방사능을 결정하였다.
이 방사평형을 이용하여 ²³⁸U과 ²³⁵U의 방사능 및 농도비를 계산하였다. 감마분광시스템의 에너지 및 효율교정을 위해서는 Amersham사에서 제작한 8개의 혼합감마선원을 이용하였다. 감마선에너지 범위는 59 keV에서 1836 keV로 총 10개의 단일감마선이 방출되고, 시료용기는 원통형으로 알루미늄 미니캔을 이용하여 완전히 밀봉하였다.
감마선에너지 범위는 59 keV에서 1836 keV로 총 10개의 단일감마선이 방출되고, 시료용기는 원통형으로 알루미늄 미니캔을 이용하여 완전히 밀봉하였다. 시료 용기의 용량은 150 cm³이고 토양시료는 100 g 이용하였다.

데이터처리

식(15) 및 식(16)을 이용하여 계산하였고 앞서 언급했듯이 겹치는 부분은 식(10)을 이용해서 제거하였다. 이렇게 구한 결과값을 63 keV에서 구한 값과 비교하여 최종적으로 방사능을 계산하였다. 표 3에서는 이렇게 구한 결과값을 보여주고 있다.

성능/효과

2%였다. 95%에서 불확도가 최대 13% 정도임을 고려하면 매우 좋은 결과임을 알 수 있었다. 다만 일반 환경시료이기 때문에 방사능이 매우 낮아서 24시간 측정해도 계수치가 적고 그래서 생기는 불확도로 판단이 되며, 아울러 다중핵종 표준선원을 이용한 효율교정에 의한 불확도가 대략 3% 정도 이상이기 때문에 그것에 의한 영향도 크다고 할 수 있다.
제시한 방법을 이용한 분석결과와 기존에 일반적으로 사용하는 알파분광분석(Alpha Spectrometry) 결과를 비교했을 경우 방법론이 타당함을 알 수 있었다. 또한 방사능 농도비등을 통해서 자연방사능 비임을 알 수 있었고, 우라늄 농도는 통상적인 변동 범위 이내임을 확인하였다. 따라서 전처리없이 경제적으로 신속 분석이 필요한 곳에서 제시된 방법이 다양하게 이용될 수 있을 것이다.
본 논문에서는 고순도 반도체 감마분광시스템을 이용하여 토양 시료의 우라늄 방사능 분석기술을 개발하였다. 제시한 방법을 이용한 분석결과와 기존에 일반적으로 사용하는 알파분광분석(Alpha Spectrometry) 결과를 비교했을 경우 방법론이 타당함을 알 수 있었다. 또한 방사능 농도비등을 통해서 자연방사능 비임을 알 수 있었고, 우라늄 농도는 통상적인 변동 범위 이내임을 확인하였다.
표 3에서는 이렇게 구한 결과값을 보여주고 있다. 표 3에서 보면 세 가지 시료에서 알파분광결과와 비교했을 때 ²³⁵U의 경우는 최대 15% 였고, ²³⁸U의 경우는 13.2%였다. 95%에서 불확도가 최대 13% 정도임을 고려하면 매우 좋은 결과임을 알 수 있었다.
U 방사능 값을 이용해서 농도비를 구했다. 표 4에서 보면 0.72 ~ 0.83% ²³⁵U 농도를 보였고, 99.17 ~ 99.28% ²³⁸U 농도를 보여 자연비임을 알 수 있었다. 토양 중의 우라늄 농도는 기존의 백그라운드 측정 결과[8]과 비교하였으며, 이는 최근 3년간의 ²³⁵U와 ²³⁸U의 농도 범위인 0.

후속연구

따라서 전처리없이 경제적으로 신속 분석이 필요한 곳에서 제시된 방법이 다양하게 이용될 수 있을 것이다. 다만 방사능이 낮은 일반토양을 분석함으로써 불확도 및 알파 분광기와의 비교에서 차이가 비교적 큰 것으로 판단되어 고농도 IAEA 시료 등을 구입하여 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다. 또한 방사평형을 이용하기 때문에 완벽한 밀봉이 이루어지지 않을 경우에는 실제값과 차이를 보일 수 있다.
다만 일반 환경시료이기 때문에 방사능이 매우 낮아서 24시간 측정해도 계수치가 적고 그래서 생기는 불확도로 판단이 되며, 아울러 다중핵종 표준선원을 이용한 효율교정에 의한 불확도가 대략 3% 정도 이상이기 때문에 그것에 의한 영향도 크다고 할 수 있다. 추후에는 IAEA에서 제공하는 비교적 높은 선원을 이용했을 경우 알파분광으로 구한 결과값과 차이도 줄어들 것으로 판단되며 또한 불확도도 많이 줄어들 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알파분광분석법과 고순도 반도체 감마분광시스템을 이용하여 토양 시료를 파괴하지 않고 화학 전처리 단계가 필요없는 우라늄 방사능 분석 기술의 결과를 비교한 결과는 어떠한가?	본 논문에서 제시한 방법을 이용한 분석결과와 기존에 일반적으로 사용하는 알파분광분석법(Alpha Spectrometry)의 결과를 비교하였다. 비교결과 불확도 범위 내에서 비슷한 측정값을 보였다. 따라서 본 논문에서 제시한 방법은 토양시료의 우라늄 분석에 이용될 수 있을 것이다.
	일반적으로 환경 중 토양 시료에 대한 우라늄 방사능 농도는 무엇으로 분석하는가?	일반적으로 환경 중 토양 시료에 대한 우라늄 방사능 농도는 전통적으로 alpha spectrometry, ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry), neutron activation analysis 등의 방법으로 분석한다. 세 가지 방법 중에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 알파분광분석 기(alpha spectrometry)[1].
	N-type HPGe 감마분광시스템을 이용하여 방사능 농도를 분석하기 위해서 무엇을 정확히 알아야 하는가?	N-type HPGe 감마분광시스템을 이용하여 우라늄 방사능 농도를 분석하기 위해서는 우라늄의 일반적인 붕괴 특성을 정확히 알아야하며, 그림 1 ~ 3에서는 232Th, 238U 및 235U 붕괴과정을 보여주고 있다. 그림에서 보면 다양한 붕괴과정을 통해서 많은 종류의 알파, 베타, 그리고 감마선이 방출된다.

참고문헌 (8)

IVolchok HL, Planque GDe. EML Procedures Manual, HASL-300. U. S. DOE, 1982.
일본 과학기술청. 우라늄 분석법. 방사능 분석 시리즈 14, 소화 57년.
한국원자력연구원. 원자력시설주변 환경방사선평가. KAERI/RR-2723/2006, 2006.
Papachristodoulou CA, Assimakopoulos PA, Patronis NE, Ioannides KG. Use of HPGe r-ray spectrometry to assess the isotopic composition of uranium in soils. JER. 2003;64:195-203.

상세보기
Jopshi SR. Nuclear spectrometric determination of uranium isotopes without use of radiochemical yield monitors. NIM Physics Research. 1987;A254: 49-354.
Firestone RB, Shirley VS. Table of Isotopes. 8th ed. New York; Wiley-Interscience. 1996.
http://ie.lbl.gov/education/isotope.htm.
한국원자력연구원. 원자력시설주변환경방사선평가. KAERI/RR-2979/2008, 2008.

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