[논문]Geant4를 활용한 국제우주정거장 내의 조직등가비례계수기 모의 실험

표정현; 이재진; 남욱원; 김성환; 김현옥; 임창휘; 박귀종; 이대희; 박영식; 문명국

doi:10.5303/pkas.2012.27.3.081

Geant4를 활용한 국제우주정거장 내의 조직등가비례계수기 모의 실험
SIMULATION OF THE TISSUE EQUIVALENT PROPORTIONAL COUNTER IN THE INTERNATIONAL SPACE STATION WITH GEANT4 원문보기

천문학논총 = Publications of the Korean Astronomical Society, v.27 no.3, 2012년, pp.81 - 86

표정현 (한국천문연구원) , 이재진 (한국천문연구원) , 남욱원 (한국천문연구원) , 김성환 (청주대학교) , 김현옥 (한국원자력연구원) , 임창휘 (한국원자력연구원) , 박귀종 (한국천문연구원) , 이대희 (한국천문연구원) , 박영식 (한국천문연구원) , 문명국 (한국원자력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The International Space Station (ISS) orbits the Earth within the inner radiation belt, where high-energy protons are produced by collisions of cosmic rays to the upper atmosphere. About 6 astronauts stay in the ISS for a long period, and it should be important to monitor and assess the radiation environment in the ISS. The tissue equivalent proportional counter (TEPC) is an instrument to measure the impact of radiation on the human tissue. KASI is developing a TEPC as a candidate payload of the ISS. Before the detailed design of the TEPC, we performed simulations to test whether our conceptual design of the TEPC will work propertly in the ISS and to predict its performance. The simulations estimated that the TEPC will measure the dose equivalent of about 1:1 mSv during a day in the ISS, which is consistent with previous measurements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 기술된 연구는 우주핵심기술개발사업으로 추진되고 있는 ‘우주 방사선 측정 장비 개발’ 과제의 일환으로 수행되었다. 본 과제에서는 ISS에서의 방사선을 측정할 수 있는 조직등가비례계수기(Tissue Equivalent Proportional Counter, TEPC)를 개발하여 ISS에서 방사선 측정실험을 수행하는 것을 목표로 하고 있다. 본 논문에서는 우주방사선 측정장비를 개발하기 위한 연구로 ISS 내부의 방사선량이 얼마나 되는지 몬테카를로 모사 기법을 이용하여 계산하였다.
본 논문에서 기술된 연구는 우주핵심기술개발사업으로 추진되고 있는 ‘우주 방사선 측정 장비 개발’ 과제의 일환으로 수행되었다.
본 과제에서는 ISS에서의 방사선을 측정할 수 있는 조직등가비례계수기(Tissue Equivalent Proportional Counter, TEPC)를 개발하여 ISS에서 방사선 측정실험을 수행하는 것을 목표로 하고 있다. 본 논문에서는 우주방사선 측정장비를 개발하기 위한 연구로 ISS 내부의 방사선량이 얼마나 되는지 몬테카를로 모사 기법을 이용하여 계산하였다. 또한 현재 개발 중인 방사선 측정장비가 ISS에 장착되었을 때, 선에너지전달(Linear Energy Transfer, LET) 스펙트럼을 계산하고, 이를 활용하여 예상되는 일일 방사선량을 계산하였다.

가설 설정

이 두 알루미늄 판 사이에 다층 절연체(Multi-layer Insulation, MLI), 3M^TM 사 넥스텔(Nextel^TM), 케블라(Kevlar) 등이 삽입되어 있다. 여기서 알루미늄 이외에는 방사선 환경에 크게 영향을 미치지 않는다고 보고 ISS의 외곽 벽체를 단순화하여 6.8 mm 두께의 알루미늄 판으로 이루어져 있다고 가정하였다. 이 알루미늄 판에 지구 주변 우주 공간에서의 입자 환경을 모사하는 입자를 입사시켰다.
우선 지구 위성 궤도 상에서의 입자 환경과 같은 조건을 가진 입자들을 ISS의 외곽 벽체를 모사하는 판에 입사시킨 후 벽체 뒤에서의 입자 환경을 측정한다. 이를 ISS 내의 입자 환경으로 가정하고 이와 같은 조건을 가진 입자를 다시 TEPC 모형에 입사시켰다. 이때 TEPC 내의 조직등가기체(Tissue Equivalent Gas)에 쌓이는 에너지의 분포를 조사하였다.

제안 방법

각각의 입자에 의하여 TEPC 내의 TE 기체에 쌓이는 에너지를 측정하였고, 이 에너지를 TE 기체에 대응되는 조직의 지름(2.8 μm)으로 나누어 LET을 계산하였다.
본 논문에서는 우주방사선 측정장비를 개발하기 위한 연구로 ISS 내부의 방사선량이 얼마나 되는지 몬테카를로 모사 기법을 이용하여 계산하였다. 또한 현재 개발 중인 방사선 측정장비가 ISS에 장착되었을 때, 선에너지전달(Linear Energy Transfer, LET) 스펙트럼을 계산하고, 이를 활용하여 예상되는 일일 방사선량을 계산하였다.
그림 5. 모의 실험에서 얻은 양성자(실선), 중성자(점선), 전자(파선), 감마선(1점 쇄선)에 의한 선에너지전달(LET)의 히스토그램. 네 입자에 의한 LET의 히스토그램을 모두 합한 결과는 굵은 회색선으로 나타내었다.
몬테카를로 다입자 모사 실험 소프트웨어인 Geant4를 이용하여 국제우주정거장 내 우주방사선을 계산하였다. 지구 방사선대에 대한 NASA의 AP/AE - 8 모델을 이용하여 태양활동 극소기일 때 지구 자기장에 포획된 고에너지 양성자와 전자의 플럭스를 구하였고, 현재 천문연에서 개발하고 있는 TEPC를 이용하여 국제우주정거장 내 방사선을 측정할 경우, 하루 약 1 mSv의 방사선에 승무원들이 노출되는 것으로 계산되었다.
실험에는 Intel® CoreTM i7 - 950 CPU 1개를 활용하였으며 MPI(Message Passing Interface)를 적용하여 실험을 8개의 쓰레드로 쪼개어 실행하도록 하였다.
8 mm인 알루미늄 판을 설치하였다. 여기에서 0.5 m 떨어져있고 알루미늄 판과 평행한 반지름 0.25 m인 원을 입자 발사 영역으로 정의하고, 이 영역의 임의의 위치에서 양성자 또는 전자를 발사영역에 수직한 방향으로 발사하였다. 양성자의 경우에는 2천개, 전자의 경우에는 2만개의 발사 위치를 정하였고 각 발사 위치별로 5,000개의 입자를 발사하였다.
ISS 내에 설치된 TEPC에 대한 모의실험은 효율적인 실험 진행을 위하여 다음과 같은 두 단계로 나누어 진행되었다. 우선 지구 위성 궤도 상에서의 입자 환경과 같은 조건을 가진 입자들을 ISS의 외곽 벽체를 모사하는 판에 입사시킨 후 벽체 뒤에서의 입자 환경을 측정한다. 이를 ISS 내의 입자 환경으로 가정하고 이와 같은 조건을 가진 입자를 다시 TEPC 모형에 입사시켰다.
그러나 모든 요소가 모듈 형식으로 제공되기 때문에 이 모듈들을 짜모으는 것으로 쉽게 코드를 완성할 수 있다. 이 실험에서는 GPS(General Particle Source) 모듈을 사용하여 입자의 에너지 스펙트럼을 제공하면 이에 맞추어 입자가 생성되도록 하였다. 입자의 물리는, 첫번째 실험에서는 Geant4와 함께 제공되는 예제를 참고하여 직접 코드를 작성하였으나 이렇게 작성한 프로그램이 지나치게 많은 시간을 소요하여 두번째 실험에서는 기준 물리 목록 중 하나인 QGSP BIC HP를 이용하였다.
이를 ISS 내의 입자 환경으로 가정하고 이와 같은 조건을 가진 입자를 다시 TEPC 모형에 입사시켰다. 이때 TEPC 내의 조직등가기체(Tissue Equivalent Gas)에 쌓이는 에너지의 분포를 조사하였다.
이 실험에서는 GPS(General Particle Source) 모듈을 사용하여 입자의 에너지 스펙트럼을 제공하면 이에 맞추어 입자가 생성되도록 하였다. 입자의 물리는, 첫번째 실험에서는 Geant4와 함께 제공되는 예제를 참고하여 직접 코드를 작성하였으나 이렇게 작성한 프로그램이 지나치게 많은 시간을 소요하여 두번째 실험에서는 기준 물리 목록 중 하나인 QGSP BIC HP를 이용하였다. 실험에는 Intel® Core^TM i7 - 950 CPU 1개를 활용하였으며 MPI(Message Passing Interface)를 적용하여 실험을 8개의 쓰레드로 쪼개어 실행하도록 하였다.

대상 데이터

25 m인 원을 입자 발사 영역으로 정의하고, 이 영역의 임의의 위치에서 양성자 또는 전자를 발사영역에 수직한 방향으로 발사하였다. 양성자의 경우에는 2천개, 전자의 경우에는 2만개의 발사 위치를 정하였고 각 발사 위치별로 5,000개의 입자를 발사하였다. 따라서 양성자는 총 1천만개, 전자는 총 1억개의 입자가 생성되었다.
Geant4에서 만든 실험 공간은 그림 2와 같다. 전체실험 공간은 한 변의 길이가 1 m인 정육면체이고 그 한가운데에 두께 6.8 mm인 알루미늄 판을 설치하였다. 여기에서 0.

성능/효과

실험 결과, 전자를 입사한 경우에는 알루미늄 판 건너편에서 감마선과 전자 만이 검출되었다. 양성자를 입사한 경우에는 양성자, 전자, 감마선, 중성자 등이주로 검출되었고 그 외에도 양전자, 중수소, 알파 입자 등 다양한 입자들이 발견되었다.
지구 방사선대에 대한 NASA의 AP/AE - 8 모델을 이용하여 태양활동 극소기일 때 지구 자기장에 포획된 고에너지 양성자와 전자의 플럭스를 구하였고, 현재 천문연에서 개발하고 있는 TEPC를 이용하여 국제우주정거장 내 방사선을 측정할 경우, 하루 약 1 mSv의 방사선에 승무원들이 노출되는 것으로 계산되었다. 이 결과는 다른 방사선 측정기를 이용하여 측정한 ISS 내방사선량과 유사한 값으로 현재 개발되고 있는 방사선 측정 장비가 국제우주정거장에서의 방사선량을 적절히 측정할 수 있음을 나타낸다. 그러나 방사선 측정장비의 구체적인 사양을 결정하기 위해서는 앞으로 태양 활동 극대기 상황을 가정하고 모사 실험을 하는 등 보다 세부적인 연구가 이어져야 한다.
몬테카를로 다입자 모사 실험 소프트웨어인 Geant4를 이용하여 국제우주정거장 내 우주방사선을 계산하였다. 지구 방사선대에 대한 NASA의 AP/AE - 8 모델을 이용하여 태양활동 극소기일 때 지구 자기장에 포획된 고에너지 양성자와 전자의 플럭스를 구하였고, 현재 천문연에서 개발하고 있는 TEPC를 이용하여 국제우주정거장 내 방사선을 측정할 경우, 하루 약 1 mSv의 방사선에 승무원들이 노출되는 것으로 계산되었다. 이 결과는 다른 방사선 측정기를 이용하여 측정한 ISS 내방사선량과 유사한 값으로 현재 개발되고 있는 방사선 측정 장비가 국제우주정거장에서의 방사선량을 적절히 측정할 수 있음을 나타낸다.

후속연구

이 결과는 다른 방사선 측정기를 이용하여 측정한 ISS 내방사선량과 유사한 값으로 현재 개발되고 있는 방사선 측정 장비가 국제우주정거장에서의 방사선량을 적절히 측정할 수 있음을 나타낸다. 그러나 방사선 측정장비의 구체적인 사양을 결정하기 위해서는 앞으로 태양 활동 극대기 상황을 가정하고 모사 실험을 하는 등 보다 세부적인 연구가 이어져야 한다. 특히 조직등가비례계수기의 크기나 TE 기체의 압력 등을 변화시키면서 모사 실험을 수행하고 이를 통해 최적화된 측정장비의 사양을 결정하게 될 것이다.
특히 조직등가비례계수기의 크기나 TE 기체의 압력 등을 변화시키면서 모사 실험을 수행하고 이를 통해 최적화된 측정장비의 사양을 결정하게 될 것이다. 또한 이러한 실험 방법은 방사선 측정장비의 검보정에도 활용될 수 있다. 특정 방사선원을 측정장비에 조사할 경우, LET 스펙트럼 측정치와 모사실험을 통해 얻은 결과를 비교하는 것으로 우주방사선 측정장비의 검보정을 수행할 수 있다.
특정 방사선원을 측정장비에 조사할 경우, LET 스펙트럼 측정치와 모사실험을 통해 얻은 결과를 비교하는 것으로 우주방사선 측정장비의 검보정을 수행할 수 있다. 이러한 일련의 과정을 통해 국제우주정거장이라는 특수한 공간에 존재하는 우주방사선의 등가선량을 측정할 수 있는 방사선 측정장비를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 방사선 측정장비의 구체적인 사양을 결정하기 위해서는 앞으로 태양 활동 극대기 상황을 가정하고 모사 실험을 하는 등 보다 세부적인 연구가 이어져야 한다. 특히 조직등가비례계수기의 크기나 TE 기체의 압력 등을 변화시키면서 모사 실험을 수행하고 이를 통해 최적화된 측정장비의 사양을 결정하게 될 것이다. 또한 이러한 실험 방법은 방사선 측정장비의 검보정에도 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구 방사선대(radiation belt)는 어떻게 처음 증명되었는가?	지구 방사선대(radiation belt)는 1958년 미국 최초의인공위성인 Explorer-1에 James Van Allen이 방사선계측기를 실어 관측함으로써 그 존재가 처음 증명되었다(Van Allen & Frank, 1959). 최초 발견자의 이름을 따 ‘반 알렌 벨트’로도 알려져 있는 지구 방사선대는 전하를 띤 고에너지 입자들이 지구 자기장에 포획된 영역으로 내방사선대(inner belt)와 외방사선대(outer belt)로 구성되어 있다.
	지구 방사선대의 최초 발견자의 이름은 무엇인가?	지구 방사선대(radiation belt)는 1958년 미국 최초의인공위성인 Explorer-1에 James Van Allen이 방사선계측기를 실어 관측함으로써 그 존재가 처음 증명되었다(Van Allen & Frank, 1959). 최초 발견자의 이름을 따 ‘반 알렌 벨트’로도 알려져 있는 지구 방사선대는 전하를 띤 고에너지 입자들이 지구 자기장에 포획된 영역으로 내방사선대(inner belt)와 외방사선대(outer belt)로 구성되어 있다.
	외방사선대에 반해 내방사선대는 어느 정도 고도에 분포하고 있는가?	외방사선대는 태양 활동이나 지구 자기장의 변화에 민감하게 변하는 것으로 알려져 있다(Green & Kivelson, 2004). 이에 반해 내방사선대는 수백 km에서 지구 반지름의 3배 정도 되는 고도에 분포하고 있으며, 은하 우주선에 기원한 고에너지 양성자에 의해 형성되어 비교적 안정적으로 유지되고 있는것으로 알려져 있다(Selesnick et al., 2007).

참고문헌 (6)

Calson, P., Daly, C., Fuglesang, I., Gudowska, B., Lund-Jenson, B., Nieminen, P., Pearce, M., & Santin, G., 2007, Geant4 Monte Carlo Simulations of the Belt Proton Radiation Environment on Board the International Space Station/Columbus, IEEE Transactions on Nuclear Science, 54, 4

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Green, J. C. & Kivelson, M. G., 2004, Relativistic Electrons in the Outer Radiation Belt: Differentiating Between Acceleration Mechanisms, J. Geophys. Res., 109, A03213

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ICRP, 1991, Recommendation of the International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 60, Ann. ICRP 21, 1
Nymmik, R. A., 1998, Radiation Environment Induced by Cosmic Ray Particle Fluxes in the International Space Station Orbit According to Recent Galactic and Solar Cosmic Ray Models, Adv. Space Res., 21, 12
Selesnick, R. S., Looper, M. D., & Mewaldt, R. A., 2007, A Theoretical Model of the Inner Proton Radiation Belt, Space Weather, 5, S04003

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Van Allen, J. A. & Frank, L. A., 1959, Radiation Around the Earth to a Radial Distance of 107,400 km, Nature, 183, 430

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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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