[논문]DT 중성자 발생기에 의한 중성자 검출기 반응도 조사

김상인; 장인수; 김장렬; 이정일; 김봉환

doi:10.14407/jrp.2012.37.1.035

[국내논문] DT 중성자 발생기에 의한 중성자 검출기 반응도 조사
Investigation of Response of Several Neutron Surveymeters by a DT Neutron Generator 원문보기

방사선방어학회지 = Radiation protection : the journal of the Korean association for radiation protection, v.37 no.1, 2012년, pp.35 - 40

김상인 (한국원자력연구원) , 장인수 (한국원자력연구원) , 김장렬 (한국원자력연구원) , 이정일 (한국원자력연구원) , 김봉환 (한국원자력연구원)

초록
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국내 교정기관 또는 표준기관은 중성자 검출기의 교정을 위해 비감속 및 중수감속 $^{252}Cf$ 선원과 $^{241}AmBe$ 선원을 사용하고 있다. 이런 선원들로 교정된 중성자 검출기를 이용하여 입자가속기와 같이 속중성자가 다량 존재하는 시설을 선량평가할 때, 그 정확도가 떨어지게 된다. 그 이유는, 대부분의 중성자 검출기는 열중성자에 민감하게 반응하므로 수 MeV 이상의 에너지를 가지는 속중성자장에 대한 선량당량 반응도는 부정확하다. 또한 높은 에너지의 중성자는 열중성자보다 선량기여정도가 훨씬 크기 때문이다. 이와 같은 이유로, 기존의 교정용 기준 중성자장이 아닌 수 MeV 이상의 속중성자가 존재하는 중성자장에서도 검출기를 교정할 필요가 있다. DT 중성자 발생기, 흑연집합체 그리고 폴리에틸렌 중성자 집속체를 사용하여 속중성자의 선속분율이 서로 다른 중성자장을 제작하였고, 이 중성자장에서 중성자 검출기의 선량당량 반응도를 측정하였다. 시험결과에 의하면, 속중성자 선속분율과 중성자 검출기의 종류에 따라 중성자 검출기의 반응도는 많은 차이를 보였다. 이러한 반응도 차이는 선량당량의 과대 및 과소평가를 의미하므로, 검출기가 사용되는 시설환경과 유사한 중성자장에서 반응도 교정이 필요함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Several neutron measuring devices were tested under the neutron fields characterized with two distinct kinds of thermal and fast neutron spectrum. These neutron fields were constructed by the mixing of both thermal neutron fields and fast neutron fields. The thermal neutron field was constructed using by a graphite pile with eight AmBe neutron sources. The fast neutron field of 14 MeV was made by a DT neutron generator. In order to change the fraction of fast neutron fluence rate in each neutron fields, a neutron generator was placed in the thermal neutron field at 50 cm and 150 cm from the reference position. The polyethylene neutron collimator was used to make moderated 14 MeV neutron field. These neutron spectra were measured by using a Bonner sphere system with an LiI scintillator, and dosimetric quantities delivered to neutron surveymeters were determined from these measurement results.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

MCNPX 프로그램에 사용한 history는 1×109 개이며, 반경 15 cm 구의 cell flux tally 를 사용하였으며 에너지 분포는 1×10-9 MeV에서 50 MeV 까지 각 지수구간을 10개로 나눠 대수등간격으로 계산하였다.
본 연구에서는, DT 중성자 발생기(이하 중성자 발생기)로 생산한 14 MeV 중성자, 흑연집합체(graphite pile) 로 생산한 열중성자 그리고 중성자 집속체(neutron collimator)로 생산한 감속중성자를 혼합하여 중성자 검출기의 반응도시험용 중성자장을 제작하였다. 제작한 검출기 반응도시험용 중성자장에서 4 종의 중성자 검출기의 선량당량 반응도를 측정하여 일반 교정용 ²⁵²Cf 중성자장에서의 선량당량 반응도와 비교하였다.
중성자 발생기로 생산한 14 MeV 중성자를 이용하여 속중성자 가변선속분율 중성자장을 제작하였다. 비감속 ²⁵²Cf 중성자장에서 반응도 교정을 거친 4 종의 중성자 검출기로 가변선속분율 중성자장에 대한 선량률을 측정하였다. 조직등가비례계수관 검출기인 REM500은 각 중성자장에 대해 1에 가까운 반응도 값을 가지므로 대부분의 중성자장에서 기준선량률을 비교적 정확히 측정하였다.
열중성자와 속중성자(14 MeV)의 선속분율을 달리하여 중성자장을 제작하였다. 그림 2와 같이 중성자 발생기의 설치지점을 달리하여 속중성자 선속분율을 달리하였다.
Cf 선원뿐만 아니라 양성자(proton) 또는 중양자(deuteron)를 가속하여 삼중수소(tritium)와 핵융합반응을 일으켜 중성자를 생산하는 중성자 발생기 선원을 이용하여 중성자 검출기의 반응도를 결정할 수 있다[4]. 이번 실험에서 14 MeV 고속중성자를 생산하기 위해 중양자-삼중수소 반응(DT reaction)에 의해 중성자를 생산하는 중성자 발생기를 사용하였다. 일반적으로 중성자 발생기의 중양자는 100~200 kV로 가속되어 금속표적에 분산분포하고 있는 삼중수소와 핵반응을 통하여 14 MeV 중성자를 생성한다.
이번 실험에서 제작한 중성자장을 0.5 eV, 10 keV, 10 MeV 에너지구간으로 나누어 영역별 선속분율을 표 1에 정리하였다. 표 1의 DTG(50)+Thermal과 DTG(150)+ Thermal은 그림 2에 묘사된 것과 같이, 흑연집합체로 생산한 열중성자장과 중성자 발생기로 생산한 속중성자장을 혼합하여 생산한 중성자장의 선속분율을 나타낸다.
그림 1에 흑연집합체의 구조와 AmBe 선원들의 설치지점을 묘사하였다. 이번 연구에서는 그림 1에서의 2 position에 8 개의 AmBe 선원을 설치하여 열중성자장을 생성하였다[9].
본 연구에서는, DT 중성자 발생기(이하 중성자 발생기)로 생산한 14 MeV 중성자, 흑연집합체(graphite pile) 로 생산한 열중성자 그리고 중성자 집속체(neutron collimator)로 생산한 감속중성자를 혼합하여 중성자 검출기의 반응도시험용 중성자장을 제작하였다. 제작한 검출기 반응도시험용 중성자장에서 4 종의 중성자 검출기의 선량당량 반응도를 측정하여 일반 교정용 ²⁵²Cf 중성자장에서의 선량당량 반응도와 비교하였다.
중성자 발생기는 중성자 검출기로부터 50 cm, 150 cm 지점에 설치하였다. 제작한 중성자장은 보너구(Bonner sphere)로 정량화되었고 4 종의 상용 중성자 검출기로 중성자장의 선량당량률(이하 선량률)을 측정하여 보너구 측정자료로 결정된 기준(reference) 선량률과 비교하여 중성자 검출기의 반응도를 구하였다.
비감속 ²⁵²Cf 중성자장에서 반응도 교정을 거친 4 종의 중성자 검출기로 가변선속분율 중성자장에 대한 선량률을 측정하였다. 조직등가비례계수관 검출기인 REM500은 각 중성자장에 대해 1에 가까운 반응도 값을 가지므로 대부분의 중성자장에서 기준선량률을 비교적 정확히 측정하였다. 나머지 3 종의 검출기는 1 보다 작은 반응도 값을 보여 실제 선량률을 과소평가하는 것으로 나타났다.
중성자 발생기로 생산한 14 MeV 중성자를 이용하여 속중성자 가변선속분율 중성자장을 제작하였다. 비감속 ²⁵²Cf 중성자장에서 반응도 교정을 거친 4 종의 중성자 검출기로 가변선속분율 중성자장에 대한 선량률을 측정하였다.
중성자 발생기로 생산한 중성자장에 대한 중성자 검출기의 반응도를 측정하였다. 반응도 시험에 사용된 중성자 검출기는 LB6411 (Berthold), WENDI-2 (Thermo), DINEUTRON (Canberra) 그리고 REM500 (Far West Technology)이다.
중성자 발생기로부터 등방적(isotropic)으로 발생되는 14 MeV 중성자를 특정방향으로 집속시키기 위해 중성자 집속체를 제작하였다. 집속체의 재질은 폴리에틸렌이며 크기는 50×50×95(L) cm³이다.
중성자장을 정량화하기 위해 각각 5.08, 10.16, 15.24, 20.32, 25.40, 30.48 cm의 직경을 가지는 6종의 보너구와 LiI(Eu) 섬광검출기(scintillator)로 구성된 보너구 시스템으로 중성자 계수율을 측정하였고, UMG3.3 프로그램으로 보너구 측정자료를 언폴딩하여 중성자 스펙트럼을 정량화하였다. 언폴딩에 사용된 입력스펙트럼은 MCNPX 코드를 사용하여 얻었다[10].
그림 2와 같이 중성자 발생기의 설치지점을 달리하여 속중성자 선속분율을 달리하였다. 흑연집합체의 표면으로부터 50 cm 되는 지점에 시험대상인 중성자 검출기를 설치하였다. 중성자 발생기는 중성자 검출기로부터 50 cm, 150 cm 지점에 설치하였다.

대상 데이터

검출기의 구조적 특징을 보면 다음과 같다. LB6411는 직경이 25 cm인 구형 폴리에틸렌 감속체와 ³He detector 를 사용하며, WENDI-2는 직경 23 cm, 길이 21 cm인 원통형의 폴리에틸렌 감속체와 ³He detector를 사용한다. DINEUTRON은 큰 감속체 대신 작고 크기가 다른 두 개의 구형 감속체(직경 11 cm, 5.
중성자 발생기로 생산한 중성자장에 대한 중성자 검출기의 반응도를 측정하였다. 반응도 시험에 사용된 중성자 검출기는 LB6411 (Berthold), WENDI-2 (Thermo), DINEUTRON (Canberra) 그리고 REM500 (Far West Technology)이다. 중성자 에너지 반응도 범위는 REM500이 70 keV~20 MeV이고 나머지는 0.
본 실험에서 사용한 중성자 발생기는 프랑스 SODERN사의 이동용 중성자 발생기(GENIE 16C)로서 페닝형(Penning type) 이온원은 2 kV 정도에서 활성되며 전위차 -70 ~ -110 kV 정도에서 표적으로 가속되고 최대 빔전류는 60 μA 정도이다.
제작한 중성자장에 대한 검출기의 반응도 시험에 앞서, 비감속 ²⁵²Cf 중성자장을 이용하여 검출기들을 교정하였다. 각 중성자장에 대한 중성자 검출기의 반응도를 표 3에 정리하였다.
집속체의 재질은 폴리에틸렌이며 크기는 50×50×95(L) cm3이다.

이론/모형

3 프로그램으로 보너구 측정자료를 언폴딩하여 중성자 스펙트럼을 정량화하였다. 언폴딩에 사용된 입력스펙트럼은 MCNPX 코드를 사용하여 얻었다[10]. MCNPX 프로그램에 사용한 history는 1×10⁹ 개이며, 반경 15 cm 구의 cell flux tally 를 사용하였으며 에너지 분포는 1×10^-9 MeV에서 50 MeV 까지 각 지수구간을 10개로 나눠 대수등간격으로 계산하였다.
표 1에 제시된 중성자장에 대한 선량학적 자료를 표 2에 정리하였다. 표 2에 있는 h^* (10)/h_p(10) (fluence to ambient/personal dose equivalent conversion coefficient) 값은 Report ICRU57의 변환계수를 사용하여 계산하였다[11]. 표 2를 보면, 중성자장의 선속평균에너지(fluence averaged mean energy)는 6 MeV에서 12 MeV 까지 다양하게 분포하고 있다.

성능/효과

본 실험에서의 중성자 발생기 운전조건은 펄스모드에서 가속전압 80 kV, 빔 전류 50 μA, 펄스주파수 1 kHz였으며, 이때의 중성자 생성률은 약 8×107 s-1 이었다.
본 실험을 통해 중성자장의 특성이 달라지면 검출기의 반응도 차이가 있음을 알았다. 그리고 작업현장의 특성과 비슷한 중성자장에서 중성자 검출기가 교정되어야 비교적 정확한 선량평가가 가능한 것으로 판단된다.
DTG+Collimator (F and S)는 그림 4와 같이, 중성자 발생기를 중성자 집속체에 설치한 다음, 전면 15 cm와 측면 30 cm에서 측정한 중성자장 선속분율을 나타낸다. 이번 실험에서 전체 중성자선속에 대한 열중성자(~ 0.5 eV) 의 선속분율은 1%에서 39%까지 분포하였고 10 MeV 이상의 속중성자는 6%에서 66% 까지 아주 넓게 분포하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중성자장은 크게 어떻게 나누어지는가?	일반적으로 중성자장은 열중성자(thermal neutron), 감속중성자(moderated neutron), 속중성자(fast neutron) 등 크게 3개의 성분으로 나눌 수 있는데 중성자장이 존재하는 현장마다 그 성분의 비율은 서로 다르며 그 정도에 따라 선량학적 특성도 차이가 난다. 선량학적 특성이 제각각인 이러한 현장에서 사용되는 대부분의 중성자 검출기는 현재 국내 교정기관에서 252Cf 선원과 241AmBe 선원으로만 교정되고 있다[1].
	열중성자를 발생시키는 방법은?	ISO 8529에서는 열중성자를 발생시키는 방법으로 감속제를 이용하거나 가속기에서 생성된 경우를 소개하고 있다[3]. 영국의 NPL 시설에서는 반데그라프(Van De Graaff) 가속기의 빔을 흑연감속제에 입사하여 속중성자를 열중성자화하여 열중성자장을 생산하고 있고, 프랑스의 IRSN 시설에서는 6개의 AmBe 선원을 흑연집합체 안에 설치하여 열중성자장을 생성하고 있다[7-8].
	영국에서는 반데그라프(Van De Graaff) 가속기의 빔을 통해 열중성자를 발생시키는데 우리나라에서는 어떤방법을 사용하는가?	영국의 NPL 시설에서는 반데그라프(Van De Graaff) 가속기의 빔을 흑연감속제에 입사하여 속중성자를 열중성자화하여 열중성자장을 생산하고 있고, 프랑스의 IRSN 시설에서는 6개의 AmBe 선원을 흑연집합체 안에 설치하여 열중성자장을 생성하고 있다[7-8]. 한국원자력연구원은 프랑스 IRSN의 흑연집합체와 같은 방식의 열중성자 발생기를 제작하여 보유하고 있다. 흑연집합체의 크기는 1.

참고문헌 (11)

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상세보기
ISO. Reference neutron radiation-part 1: characteristics and methods of production. ISO 8529-1: 1st ed.. 2001.
Lisken H. and Paulsen A., Neutron production cross section and energies for the reactions $T(p,n)^3He,D(d,n)^3He$ and $T(d,n)^4He$ . Atom. Data Nucl. Data 11:569-619; 1973.

상세보기
EADS SODERN. GENIE 16C/D user manual, ver. July 2008. Eads Sodern Inc.. 2008.
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Lacoste V., Gressier V., Muller H. Lebreton L. Characterization of the IRSN graphite moderated americium-beryllium neutron field. Radiat. Prot. Dosim. 110(1-4):135-139; 2004.

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Kim BH, Jun SM, Kim JS, Lim KS, Kim JL. Construction of thermal neutron calibration fields using a graphite pile and americium-beryllium neutron sources at KAERI. Nucl. Technol. 168(2): 349-353; 2009.

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ICRU. Conversion coefficient for use in radiological protection against external radiation. ICRU Report 57. 1998.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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