방사성 제논 탐지는 공기 중 $^{131m}Xe$, $^{133}Xe$, $^{133m}Xe$ 및 $^{135}Xe$를 저준위 백그라운드 계측 시스템으로 검출하여 지하 핵실험 여부를 규명하는 핵심기술 중 하나이다. 방사성 제논 감시는 공기 포집, 제논 추출, 측정 및 분석을 통해 수행되며, $^{135}Xe$의 최소검출가능농도는 비교적 짧은 반감기로 인해 포집, 추출 및 측정시간에 따라 큰 차이를 보이게 된다. 본 연구에서는 방사성 제논 계측 시스템의 정해진 시료 포집 및 전처리 조건에서 최적의 방사성 제논 측정시간을 도출하기 위해 이론적 접근 및 SAUNA 시스템을 이용한 실험을 통해 최소의 MDC를 보이는 측정시간을 결정하고 이론적 계산과 실험결과에 대하여 비교 평가하였다.
방사성 제논 탐지는 공기 중 $^{131m}Xe$, $^{133}Xe$, $^{133m}Xe$ 및 $^{135}Xe$를 저준위 백그라운드 계측 시스템으로 검출하여 지하 핵실험 여부를 규명하는 핵심기술 중 하나이다. 방사성 제논 감시는 공기 포집, 제논 추출, 측정 및 분석을 통해 수행되며, $^{135}Xe$의 최소검출가능농도는 비교적 짧은 반감기로 인해 포집, 추출 및 측정시간에 따라 큰 차이를 보이게 된다. 본 연구에서는 방사성 제논 계측 시스템의 정해진 시료 포집 및 전처리 조건에서 최적의 방사성 제논 측정시간을 도출하기 위해 이론적 접근 및 SAUNA 시스템을 이용한 실험을 통해 최소의 MDC를 보이는 측정시간을 결정하고 이론적 계산과 실험결과에 대하여 비교 평가하였다.
Measurement of xenon radioisotopes from nuclear fission is a key element for monitoring underground nuclear weapon tests. $^{131m}Xe$, $^{133}Xe$, $^{133}mXe$ and $^{135}Xe$ in the air can be detected via low background systems such as a beta-gamma coincid...
Measurement of xenon radioisotopes from nuclear fission is a key element for monitoring underground nuclear weapon tests. $^{131m}Xe$, $^{133}Xe$, $^{133}mXe$ and $^{135}Xe$ in the air can be detected via low background systems such as a beta-gamma coincidence counting system. Radioxenon monitoring is performed through air sampling, xenon extraction, measurement and spectrum analysis. The minimum detectable concentration of $^{135}Xe$ can be significantly variable depending on the sampling time, extraction time and data acquisition time due to its short half-life. In order to optimize the acquisition time with respect to certain experimental parameters such as sampling and xenon extraction, theoretical approach and experiment using SAUNA system were performed to determine the time to minimize the minimum detectable concentration, which the results were discussed.
Measurement of xenon radioisotopes from nuclear fission is a key element for monitoring underground nuclear weapon tests. $^{131m}Xe$, $^{133}Xe$, $^{133}mXe$ and $^{135}Xe$ in the air can be detected via low background systems such as a beta-gamma coincidence counting system. Radioxenon monitoring is performed through air sampling, xenon extraction, measurement and spectrum analysis. The minimum detectable concentration of $^{135}Xe$ can be significantly variable depending on the sampling time, extraction time and data acquisition time due to its short half-life. In order to optimize the acquisition time with respect to certain experimental parameters such as sampling and xenon extraction, theoretical approach and experiment using SAUNA system were performed to determine the time to minimize the minimum detectable concentration, which the results were discussed.
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문제 정의
본 연구는 방사성 제논 탐지 시스템의 효율적인 운용과 검출 확률을 높이는 방법으로서 최적의 측정시간 결정을 위해 수행되었으며, 본 논문에서는 이론적 접근과 SAUNA 시스템을 이용한 실험을 통해 측정시간에 따른 MDC 변화와 최적의 측정시간에 대하여 논의하였다.
제안 방법
공기 포집량은 환경 중 제논의 안정동위원소가 0.087 cc·m3 존재하는 것을 이용하여 공기 포집량을 역으로 산출하였다.
SAUNA (SCIENTA, Sweden)는 공기 시료 채집, 포집된 공기 시료 중 방사성 제논 추출, 제논 정량 및 방사능 계측을 무인자동으로 수행하는 시스템이다. 본 연구에서는 SAUNA 시스템의 시료채집 부분으로 구성된 이동형 포집 장치 (SAUNA mobile sampling unit)를 이용하여 한국원자력안전기술원에서 12시간 동안 공기시료를 포집한 후 SAUNA 시스템의 시료 추출 및 계측 시스템을 이용하여 시료 중 제논을 추출하고 계측하였다. 공기 포집량은 환경 중 제논의 안정동위원소가 0.
본 연구에서는 방사성 제논 탐지를 위한 최적의 측정시간은 최소 MDC를 갖는 시간으로 결정할 수 있으며, 이를 위해 이론적인 접근과 SAUNA 시스템을 이용한 계측을 통해 시간에 따른 MDC를 평가하였다. 그 결과 131mXe, 133Xe, 133mXe 및 135Xe의 최소 MDC를 얻기 위한 측정시간은 이론적으로 각 핵종이 갖는 반감기의 약 1.
이때, 제논 포집량은 SAUNA 시스템에 내장된 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC)에 의해 결정되었다. 순수 분리된 제논은 감마선 측정을 위한 NaI(Tl) 검출기와 베타선 측정을 위한 약 6 ml 용량의 시료 체적을 갖는 원통형 플라스틱 검출기로 구성된 베타-감마 동시 측정 시스템을 이용하여 계측되었다. 베타-감마 동시 측정 스펙트럼은 매 2시간씩 누적되어 저장되었으며 총 25만 초 동안 수집되었다.
제2장의 이론적 접근을 통해 결정된 제논 동위원소의 반감기에 따른 최소 MDC를 실험적으로 확인하기 위해 SAUNA 시스템을 이용하여 베타-감마 동시 계측시스템의 측정시간에 따른 MDC를 산출하였다.
대상 데이터
순수 분리된 제논은 감마선 측정을 위한 NaI(Tl) 검출기와 베타선 측정을 위한 약 6 ml 용량의 시료 체적을 갖는 원통형 플라스틱 검출기로 구성된 베타-감마 동시 측정 시스템을 이용하여 계측되었다. 베타-감마 동시 측정 스펙트럼은 매 2시간씩 누적되어 저장되었으며 총 25만 초 동안 수집되었다. 수집된 스펙트럼은 2D beta-gamma 분석 소프트웨어인 XECON 에 의해 분석되었다[Ringbom A, “XECON: a tool for analysis of radioxenon data [http://sourceforge.
이론/모형
수집된 스펙트럼은 2D beta-gamma 분석 소프트웨어인 XECON 에 의해 분석되었다[Ringbom A, “XECON: a tool for analysis of radioxenon data [http://sourceforge.net/ projects/xecon/],” FOI (Swedish Defense Research Agency)].
성능/효과
14시간이다 [7]. 1시간 단위로 누적되는 측정시간에 대하여 131mXe, 133Xe, 133mXe 및 135Xe의 최소 MDC 는 각각 21.5일, 9.5일, 4.0일 및 17시간으로서 반감기의 약 1.8배의 측정시간에서 결정되었다. 이처럼 MDC가 최소치를 갖는 측정 시점을 기준으로 증감되는 현상은 식 (5)의 비례관계에 따라 계측시간이 지나면서 백그라운드 계수가 증가하고 Xe 동위원소의 붕괴상수에 따라 방사능이 지수함수형으로 감소하기 때문이다.
본 연구에서는 방사성 제논 탐지를 위한 최적의 측정시간은 최소 MDC를 갖는 시간으로 결정할 수 있으며, 이를 위해 이론적인 접근과 SAUNA 시스템을 이용한 계측을 통해 시간에 따른 MDC를 평가하였다. 그 결과 131mXe, 133Xe, 133mXe 및 135Xe의 최소 MDC를 얻기 위한 측정시간은 이론적으로 각 핵종이 갖는 반감기의 약 1.8배로 평가되었으며, 실험결과는 315Xe에 대하여 5%의 MDC 변화율 범위 내에서 이론적 계산 결과와 일치하였다. 본 연구에서 사용된 계측 시스템의 경우 최소 MDC를 얻기 위해서는 측정 시료마다 다를수 있는 라돈 자핵종 및 방사성 제논 간섭에 의한 백그라운드 계수율의 요동을 고려하여 10~22시간에 해당하는 측정시간이 적합하지만, 131mXe, 133Xe, 133mXe의 경우 이론적 계산에 의해 약 1.
반면, 131mXe 및 133mXe은 검출기 백그라운드 및 라돈 자핵종 뿐만 아니라 다른 제논 동위원소에 의한 백그라운드 간섭으로 인해 측정시간이 짧은 시점에서는 이론적인 MDC 변화율과 다른 양상을 보이나 측정시간이 지남에 따라 검출기 백그라운드가 충분히 반영됨으로써 MDC 변화가 이론적 계산과 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
3은 측정 시간에 따른 MDC 변화를 보여주며, 135Xe의 최소 MDC는 14시간에서 결정되었다. 이론적으로 계산된 MDC와는 3시간 차이를 보였으나, 14시간을 기준으로 5% 이내의 MDC 범위는 약 10시간~22시간으로 평가되었다. 실측값과 이론값의 차이는 이론적 접근에서는 #가 시간에 따라 일정한 것으로 가정한 반면 실측에서는 측정시간이 경과함에 따른 # 변화- 1) 잔류 라돈 자핵종에 의한 백그라운드 계수율의 시간에 따른 감소,2) 시료에 존재할 수 있는 라돈 자핵종에 의한 백 그라운드 계수율의 시간에 따른 증가 및3) 제논 동위 및 통계적 요동으로 인해 발생할 수 있다.
후속연구
8 배에 해당되는 시간이 4일 이상이므로 장비 운용의 효율성을 고려하여 관심 핵종의 검출 여부에 따라 최적화 실험을 통해 적절한 측정시간을 조절해야 할 것이다. 본 연구결과는 방사성 제논 탐지 시스템의 효율적인 운용 및 감시 결과의 신뢰성 향상을 위해 활용될 수 있을 것이다.
8배로 평가되었으며, 실험결과는 315Xe에 대하여 5%의 MDC 변화율 범위 내에서 이론적 계산 결과와 일치하였다. 본 연구에서 사용된 계측 시스템의 경우 최소 MDC를 얻기 위해서는 측정 시료마다 다를수 있는 라돈 자핵종 및 방사성 제논 간섭에 의한 백그라운드 계수율의 요동을 고려하여 10~22시간에 해당하는 측정시간이 적합하지만, 131mXe, 133Xe, 133mXe의 경우 이론적 계산에 의해 약 1.8 배에 해당되는 시간이 4일 이상이므로 장비 운용의 효율성을 고려하여 관심 핵종의 검출 여부에 따라 최적화 실험을 통해 적절한 측정시간을 조절해야 할 것이다. 본 연구결과는 방사성 제논 탐지 시스템의 효율적인 운용 및 감시 결과의 신뢰성 향상을 위해 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하 핵실험 여부를 규명하는 방사성 제논 감시는 어떤 것을 통해 수행되는가?
방사성 제논 탐지는 공기 중 $^{131m}Xe$, $^{133}Xe$, $^{133m}Xe$ 및 $^{135}Xe$를 저준위 백그라운드 계측 시스템으로 검출하여 지하 핵실험 여부를 규명하는 핵심기술 중 하나이다. 방사성 제논 감시는 공기 포집, 제논 추출, 측정 및 분석을 통해 수행되며, $^{135}Xe$의 최소검출가능농도는 비교적 짧은 반감기로 인해 포집, 추출 및 측정시간에 따라 큰 차이를 보이게 된다. 본 연구에서는 방사성 제논 계측 시스템의 정해진 시료 포집 및 전처리 조건에서 최적의 방사성 제논 측정시간을 도출하기 위해 이론적 접근 및 SAUNA 시스템을 이용한 실험을 통해 최소의 MDC를 보이는 측정시간을 결정하고 이론적 계산과 실험결과에 대하여 비교 평가하였다.
SAUNA 시스템은 무엇인가?
SAUNA (SCIENTA, Sweden)는 공기 시료 채집, 포집된 공기 시료 중 방사성 제논 추출, 제논 정량 및 방사능 계측을 무인자동으로 수행하는 시스템이다. 본 연구에서는 SAUNA 시스템의 시료채집 부분으로 구성된 이동형 포집 장치 (SAUNA mobile sampling unit)를 이용 하여 한국원자력안전기술원에서 12시간 동안 공기시료를 포집한 후 SAUNA 시스템의 시료 추출 및 계측 시스템을 이용하여 시료 중 제논을 추출하고 계측하였다.
제논의 핵실험 시 특징은 무엇인가?
제논은 불활성 기체로서 지하 핵실험 시 입자성 핵종과는 달리 환경으로 누출될 확률이 높으며, 우라늄 또는 플루토늄 핵분열 시, 20개 이상의 제논 동위원소가 방출된다. 그중 핵무기 실험 감시를 위한 관심 제논 동위원소는 131mXe, 133Xe, 133mXe, 및 135Xe로서, 비교적 긴 반감기와 탐지할 수 있을 정도의 충분한 농도가 생성되므로 원거리에서도 탐지가 가능할 수 있다.
참고문헌 (7)
Fausto M, Bernd W, Tuomas V. "Collection efficiency of particulate and xenon sampling in the international monitoring system of the comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty." Appl Radiat Iosotopes 2004;61: 219-224.
Ringbom A, Larson T, Axelsson A, Elmgren K, Johansson C. "SAUNA-a system for automatic sampling, processing, and analysis of radioactive xenon." Nucl Istrum Meth A 2003;508: 542-554.
Johansson C, "High-sensitivity radioactive xenon monitoring and high-accuracy neutron-proton scattering measurements." Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 984. 2004.
Schulze J, Auer M, Werzi R. "Low level radioactivity measurement in support of the CTBTO." Appl Radiat Iosotopes. 2000;53: 23-30.
McIntyre JI, Bowyer TW, Reeder PL. Calculation of minimum detectable concentration levels of radioxenon isotopes using PNNL ARSA system. PNNL (Pacific Northwest National Laboratory)-13102. 2006.
Firestone R. Table of isotopes. 8th ed. New York; Wiley. 1996.
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