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문제 정의
- 본 연구에서는 방사선 측정용 플라스틱 섬광체 검출기의 검출효율을 높이기 위한 섬광체 연마에 관한 연구를 하였다. 연마하지 않은 섬광체를 이용한 검출기에 비하여 4가지 단계의 연마를 거친 후의 섬광체가 더 많은 미세 피라미드 구조를 가지며 이를 이용 하여 제작한 검출기가 연마하지 않은 섬광체를 이용 하여 제작한 검출기에 비하여 검출효율이 최소 2.
- 나노 단위에서 정확히 같은 지점에서 측정하여서 비교할 수 있는 장점을 가지고 있는 AFM(Atomic Force Microscope)은 팁과 시료의 표면에서의 상호작 용을 이용하여 표면 영상과 표면에서의 기계적, 전기적, 자기적 및 전기화학적 특성을 평가하는데 사용된 다. 본 연구에서는 연마 정도에 따른 표면 구조 변화를 측정하기 위하여 Park systems사의 XE-100 AFM을 사용하여 각 단계에서 연마 된 표면 영상을 측정 및 분석 비교하였다.
- 본 연구에서는 플라스틱 섬광체를 이용한 방사선 검출기의 검출 효율을 높이기 위하여 섬광체의 절단 면을 4가지 종류의 연마지를 이용하여 연마하였다. 또한 연마지의 종류에 따라 증가되는 검출 효율에 대하여 연구하고 각 연마단계에 따라 연마한 섬광체와 광센서를 결합 한 검출기를 통하여 검출 특성을 평가 하였다.
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1.2 플라스틱 섬광 검출기의 검출 특성 연구
연마한 섬광체와 실리콘 광 증배소자를 결합한 검출기의 검출 특성을 연구하기 위하여 본 연구에서는 방사선 세기 및 위치와 거리 변화에 따른 검출기의 방사선 계수량을 측정하였고 측정값을 몬테칼로 전산 모사의 값과 비교하였다.
제안 방법
- 효율 측정 및 특성 분석 시 섬광체에서 발생한 광자가 실리콘 광 증배소자에서 전기적 신호로 바뀌어 펄스를 형성하게 되는데 이를 계수량으로 변환하기 위하여 MCU모듈의 한 종류로 대중적으로 사용되고 있는 Arduino uno를 이용하여 MCU계수기를 제작하였다. MCU계수기로 들어가는 신호의 잡음을 줄이기 위하여 콤퍼레이터를 사용하여 아날로그 신호를 디지털신호로 바꾸어 사용하였다.[4]-[6]
- 절단면에서 발생하는 광손실을 줄이기 위하여 섬광체의 절단면을 3M사의 4가지 두께의 연마지(40um, 13um, 4um, 0,3um)를 사용하여 연마하였다. 각각 연마된 두 종류의 섬광체와 440nm의 흡수 파장을 갖는 실리콘 광 증배소자와 접합하여 그림 1과 같은 시스템을 구성하여 특성 분석하였다. 효율 측정 및 특성 분석 시 섬광체에서 발생한 광자가 실리콘 광 증배소자에서 전기적 신호로 바뀌어 펄스를 형성하게 되는데 이를 계수량으로 변환하기 위하여 MCU모듈의 한 종류로 대중적으로 사용되고 있는 Arduino uno를 이용하여 MCU계수기를 제작하였다.
- 몬테칼로 방법을 이용한 전산모사 프로그램으로 방사선을 이용한 전산모사에 가장 많이 사용되고 있는 MCNPX를 이용하여 위치 및 거리에 대한 기하학적인 변수를 그림 2와 같은 시스템으로 구성하였다. 구성된 시스템에서 BCF 내부에서 발생하는 광자의 수를 측정하기 위하여 F4 tally를 사용하였으며 전사모사의 오류를 줄이기 위하여 시행 횟수를 109 번으로 설정하여 전산모사 하였다.
- 또한 섬광체와 결합되는 센서는 BCF섬광체의 발광 파장에 맞는 흡수 파장을 가지며 PMT나 APD, Pin-diode에 비하여 높은 증배율, 낮은 인가전압, 작은 면적 등의 장점을 가지는 Hamamatsu사의 실리콘 광 증배소자 (SiPM, Silicon Photo-Multiplier)인 C10507-11-050U 를 사용하였다(표 1).
- 본 연구에서는 플라스틱 섬광체를 이용한 방사선 검출기의 검출 효율을 높이기 위하여 섬광체의 절단 면을 4가지 종류의 연마지를 이용하여 연마하였다. 또한 연마지의 종류에 따라 증가되는 검출 효율에 대하여 연구하고 각 연마단계에 따라 연마한 섬광체와 광센서를 결합 한 검출기를 통하여 검출 특성을 평가 하였다.
- 몬테칼로 방법을 이용한 전산모사 프로그램으로 방사선을 이용한 전산모사에 가장 많이 사용되고 있는 MCNPX를 이용하여 위치 및 거리에 대한 기하학적인 변수를 그림 2와 같은 시스템으로 구성하였다. 구성된 시스템에서 BCF 내부에서 발생하는 광자의 수를 측정하기 위하여 F4 tally를 사용하였으며 전사모사의 오류를 줄이기 위하여 시행 횟수를 109 번으로 설정하여 전산모사 하였다.
- 계산식 (1)에서 D는 검출 광자의 개수, N는 검출기에 입사 양자의 개수를 나타낸다. 본 연구에서는 각각의 단계에 따라 연마 되어진 두 종류의 섬광체와 실리콘 광 증배소자가 결합 된 섬광 검출기의 검출 효율을 구하기 위하여 10uCi의 방사선 세기를 갖는 Cs-137 교정선원을 사용하였으며 검출기와의 거리는 밀봉재질의 두께를 포함하여 2mm로 설정하여 검출 효율을 측정하였다.
- 본 연구에서 방사선 검출기를 제작하기 위하여 435nm와 492nm의 파장을 가지는 BCF-12와 BCF-20 섬광체를 사용하였으며 섬광체의 직경은 1mm이고 베타/감마선 투과 깊이에 따라 섬광체의 길이는 20mm로 설정하였다. 절단면에서 발생하는 광손실을 줄이기 위하여 섬광체의 절단면을 3M사의 4가지 두께의 연마지(40um, 13um, 4um, 0,3um)를 사용하여 연마하였다. 각각 연마된 두 종류의 섬광체와 440nm의 흡수 파장을 갖는 실리콘 광 증배소자와 접합하여 그림 1과 같은 시스템을 구성하여 특성 분석하였다.
- 각각 연마된 두 종류의 섬광체와 440nm의 흡수 파장을 갖는 실리콘 광 증배소자와 접합하여 그림 1과 같은 시스템을 구성하여 특성 분석하였다. 효율 측정 및 특성 분석 시 섬광체에서 발생한 광자가 실리콘 광 증배소자에서 전기적 신호로 바뀌어 펄스를 형성하게 되는데 이를 계수량으로 변환하기 위하여 MCU모듈의 한 종류로 대중적으로 사용되고 있는 Arduino uno를 이용하여 MCU계수기를 제작하였다. MCU계수기로 들어가는 신호의 잡음을 줄이기 위하여 콤퍼레이터를 사용하여 아날로그 신호를 디지털신호로 바꾸어 사용하였다.
대상 데이터
- 방사선 세기에 따른 계수량을 측정하기 위하여 Cs-137 선원을 사용하였고 검출기와의 거리는 밀봉재질을 포함하여 2mm로 설정하여 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기에서 측정하였다. 거리에 따른 검출 특성을 평가하기 위하여 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 Cs-137 선원을 이용하였으며 거리는 5mm부터 40mm까지 5mm 간격으로 측정하였다. 위치에 따른 검출 특성을 평가하기 위하여 10uCi 세기의 Cs-137 선원을 이용하였고 밀봉재질을 포함하여 10mm 거리에서 0도(전면), 45도(측면), 90도(대각선) 위치에서 측정하였다.
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그림 2. 거리 및 위치 측정 방법
방사선 세기에 따른 계수량을 측정하기 위하여 Cs-137 선원을 사용하였고 검출기와의 거리는 밀봉재질을 포함하여 2mm로 설정하여 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기에서 측정하였다
. 거리에 따른 검출 특성을 평가하기 위하여 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 Cs-137 선원을 이용하였으며 거리는 5mm부터 40mm까지 5mm 간격으로 측정하였다. - 본 연구에서 방사선 검출기를 제작하기 위하여 435nm와 492nm의 파장을 가지는 BCF-12와 BCF-20 섬광체를 사용하였으며 섬광체의 직경은 1mm이고 베타/감마선 투과 깊이에 따라 섬광체의 길이는 20mm로 설정하였다. 절단면에서 발생하는 광손실을 줄이기 위하여 섬광체의 절단면을 3M사의 4가지 두께의 연마지(40um, 13um, 4um, 0,3um)를 사용하여 연마하였다.
- 섬광검출기의 제작에는 Saint-gobain사의 플라스틱 섬광체인 BCF-12와 BCF-20을 사용하였다. 또한 섬광체와 결합되는 센서는 BCF섬광체의 발광 파장에 맞는 흡수 파장을 가지며 PMT나 APD, Pin-diode에 비하여 높은 증배율, 낮은 인가전압, 작은 면적 등의 장점을 가지는 Hamamatsu사의 실리콘 광 증배소자 (SiPM, Silicon Photo-Multiplier)인 C10507-11-050U 를 사용하였다(표 1).
- 거리에 따른 검출 특성을 평가하기 위하여 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 Cs-137 선원을 이용하였으며 거리는 5mm부터 40mm까지 5mm 간격으로 측정하였다. 위치에 따른 검출 특성을 평가하기 위하여 10uCi 세기의 Cs-137 선원을 이용하였고 밀봉재질을 포함하여 10mm 거리에서 0도(전면), 45도(측면), 90도(대각선) 위치에서 측정하였다.
성능/효과
- 그림 5는 방사선 세기에 따른 계수량 비교 그래프 이다. 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 Cs-137 선원을 이용하여 측정한 결과 세가지 세기 모두에서 연마하지 않은 섬광체와 비교하여 연마 되어진 섬광체의 계수량이 증가하는 확인 하였고 각 각 단계에서 10uCi에서 측정한 결과 값을 기준으로 하여 선형성을 측정한 결과 BCF-12와 BCF-20 모두 0.3um 두께로 연마한 섬광체가 1% 내로 가장 좋은 선형성을 보였으며 각방사선 선원의 세기에 따른 최대 오차로는 BCF-12에서 1uCi 세기 선원을 사용하였을 때 연마하지 않은 섬광체에서 2.27%의 오차를 보였고 BCF-20에서는 40um 두께의 연마지로 연마 되어진 섬광체에서 2.58%의 최대 오차를 보였다. 또한 5uCi를 사용하여 측정한 결과 BCF-12에서 연마하지 않은 섬광체에서 3.
- (a), (c), (e)는 각 각선원의 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 선원과의 거리를 5mm 씩 변화하여 측정한 계수량이다. 1uCi에서 연마하지 않은 섬광체는 5mm의 거리까지 측정 가능하였 으며 연마 단계별로 5mm, 10mm, 15mm, 20mm로 측정 가능한 거리가 증가하는 것을 확인하였다. 5uCi와 10uCi의 세기에서도 연마하지 않은 섬광체는 연마한 섬광체에 비하여 측정 가능거리가 짧은 것을 확인하 였다.
- 연마 하지 않은 섬광체는 1uCi에서 2mm 이외의 거리에서 측정이 되지 않았기 때문에 전산모사와 비교가 불가능하였다. 5uCi와 10uCi에서 전산모사와 비교한 결과각 각 4.4%와 2.85%로 연마한 섬광체가 5uCi에서 최대 0.68% 10uCi에서 최대 0.15%의 오차를 보이는 것에 비하여 높은 오차를 보였다.
- 1uCi에서 연마하지 않은 섬광체는 5mm의 거리까지 측정 가능하였 으며 연마 단계별로 5mm, 10mm, 15mm, 20mm로 측정 가능한 거리가 증가하는 것을 확인하였다. 5uCi와 10uCi의 세기에서도 연마하지 않은 섬광체는 연마한 섬광체에 비하여 측정 가능거리가 짧은 것을 확인하 였다. (b), (d), (f) 그래프는 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 선원과의 거리를 5mm씩 변화하여 측정한 계수율로 섬광체에서 최대 계수량을 100%로 설정하여 MCNPX 전산모사와 비교한 그래프이다.
- 표 2는 그림 4의 평균 계수량과 식 (1)을 이용하여 계산한 검출 효율의 값이다. BCF-12 섬광체는 연마하지 않았을 때 2.49%의 검출효율에서 단계별로 연마 하였을 때 6.01%, 9.53%, 18.35%로 최소 2.41배에서 4 단계의 과정을 연마한 섬광체에서 최대 7.36배까지증가하였고 BCF-20 섬광체는 연마하지 않은 섬광체의 효율이 1.58%에서 연마 단계별로 4.03%, 7.38%, 10.97%, 11.97%로 최소 2.23배에서 최대 7.57배까지증가하는 것을 확인할 수 있다. 두 섬광체 모두 연마 전보다 연마 후의 검출효율이 약 2배에서 7배까지 증가한 것을 확인 할 수 있었다.
- 이러한 현상은 그림 4의 그래프에서 확인 할 수 있다. BCF-12와 BCF-20 모두 연마의 정도가 높아질수록 계수량을 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 4의 (c)와(d)를 통하여 0.
- 57배까지증가하는 것을 확인할 수 있다. 두 섬광체 모두 연마 전보다 연마 후의 검출효율이 약 2배에서 7배까지 증가한 것을 확인 할 수 있었다.
- 따라서 플라스틱 섬광체를 이용한 검출기 제작에서 검출효율의 증가와 더 좋은 검출 특성을 가지기 위해서는 섬광체를 4가지 이상의 연마 단계를 거쳐야한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 연마 단계가 증가함에 따라서 BCF-12는 30%, 52% 91%로 증가하였고 BCF-20 은 33%, 61% 91%로 2가지 섬광체 모두 큰 변화폭으로 증가하는 것을 확인하였으며 3단계인 이상의 단계 에서 90%의 계수율을 보이는 것을 확인하였다. 또한 40um 두께의 연마지를 사용하였을 때 평균에서 최대 편차인 115%의 편차를 보였으며 0.3um 두께의 연마 지를 사용하여 연마한 결과에서는 최소 편차인 10% 편차를 보였다.
- 연마하지 않은 섬광체는 1uCi 세기의 선원에서 2mm 이외의 거리에서 측정이 불가하였다. 또한 5uCi, 10uCi에서 10mm 와 20mm로 연마한 섬광체와 비교하여 측정 가능거리가 최소 10mm에서 최대 20mm까지 짧은 것을 확인 하였다. (b), (d), (f) 그래프는 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 선원과의 거리를 5mm씩 변화하여 측정한 계수율과 MCNPX 전산모사 값을 비교한 그래프이다.
- 75%로 최대 오차가 모두 1% 미만으로 나왔다. 또한 5uCi, 10uCi에서도 최대 오차가 모두 1% 미만으로 거리 변화에 따른 측정에 있어서 연마한 섬광체가 연마하지 않은 섬광체와 비교하여 좋은 검출 특성을 보이는 것을 확인하였다.
- 58%의 최대 오차를 보였다. 또한 5uCi를 사용하여 측정한 결과 BCF-12에서 연마하지 않은 섬광체에서 3.34%의 오차를 보였고 BCF-20에서도 연마하지 않은 섬광체에서 1.43%의 최대 오차를 보였다.
- 9% 대각선에서 7%로 가장큰 오차를 보였고 연마 되어진 섬광체는 모든 방향에서 2%이내의 오차를 보였다. 또한 BCF-20 섬광체의경우에도 연마하지 않은 섬광체가 전면에서 2.9% 대각선에서 3.8%로 가장 큰 오차를 보였고 연마한 섬광 체는 모든 방향에서 2%이내의 오차를 보였으므로 BCF-12, BCF-20 섬광체 모두 연마 단계를 거친 섬광체에서 더 좋은 검출 특성을 보였다.
- 또한 연마 전과 후의 섬광체를 이용하여 제작한 검출기의 특성 분석을 위하여 방사선원의 세기, 위치, 거리의 변수를 두어 측정한 결과 연마를 하지 않은 섬광체에 비하여 연마한 섬광체를 이용한 검출기가 세기에서 더 좋은 선형성을 보였다. 또한 위치 측정 에서도 전산모사와의 오차가 적었으며 거리 측정에서도 더 먼 측정 가능거리를 확보할 수 있었다.
- 또한 연마 전과 후의 섬광체를 이용하여 제작한 검출기의 특성 분석을 위하여 방사선원의 세기, 위치, 거리의 변수를 두어 측정한 결과 연마를 하지 않은 섬광체에 비하여 연마한 섬광체를 이용한 검출기가 세기에서 더 좋은 선형성을 보였다. 또한 위치 측정 에서도 전산모사와의 오차가 적었으며 거리 측정에서도 더 먼 측정 가능거리를 확보할 수 있었다.
- 그림 8은 위치 변화에 따른 계수량 그래프이다. 선원을 전면, 측면, 대각선 3가지 방향에 위치하여 측정한 결과 BCF-12와 BCF-20 두섬광체 모두 연마의 단계를 높임에 따라 모든 방향에서 계수량이 증가하 였고 각 연마단계에서 가장 많이 계수되는 방향인 측면을 100%로 설정하여 MCNPX 전산모사의 값과 계수율을 비교한 결과 BCF-12 섬광체의 경우 연마하지 않은 섬광체가 전면에서 3.9% 대각선에서 7%로 가장큰 오차를 보였고 연마 되어진 섬광체는 모든 방향에서 2%이내의 오차를 보였다. 또한 BCF-20 섬광체의경우에도 연마하지 않은 섬광체가 전면에서 2.
- 연마 단계가 증가함에 따라서 BCF-12는 30%, 52% 91%로 증가하였고 BCF-20 은 33%, 61% 91%로 2가지 섬광체 모두 큰 변화폭으로 증가하는 것을 확인하였으며 3단계인 이상의 단계 에서 90%의 계수율을 보이는 것을 확인하였다.
- 연마 단계별 연마한 섬광체의 측정값과 전사모사와 비교한 결과는 1uCi에서 단계별로 0.6%, 0.34%, 0.95%, 0.75%로 최대 오차가 모두 1% 미만으로 나왔다.
- (b), (d), (f) 그래프는 1uCi, 5uCi, 10uCi 세기의 선원과의 거리를 5mm씩 변화하여 측정한 계수율로 섬광체에서 최대 계수량을 100%로 설정하여 MCNPX 전산모사와 비교한 그래프이다. 연마하지 않은 섬광 체는 전산모사와 비교하여 1uCi, 5uCi, 10uCi에서 각각 1.7%, 4.4%, 2.4%의 최대 오차를 보였다. 연마 단계별 연마한 섬광체의 측정값과 전사모사와 비교한 결과는 1uCi에서 단계별로 0.
- 본 연구에서는 방사선 측정용 플라스틱 섬광체 검출기의 검출효율을 높이기 위한 섬광체 연마에 관한 연구를 하였다. 연마하지 않은 섬광체를 이용한 검출기에 비하여 4가지 단계의 연마를 거친 후의 섬광체가 더 많은 미세 피라미드 구조를 가지며 이를 이용 하여 제작한 검출기가 연마하지 않은 섬광체를 이용 하여 제작한 검출기에 비하여 검출효율이 최소 2.23 배에서 최대 7.57배까지 증가하는 것을 확인하였다.
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