[논문]몬테칼로시뮬레이션을 이용한 선형가속기 차폐벽에 대한 중성자 특성 평가

이동연; 박은태; 김정훈

doi:10.17946/jrst.2016.39.1.11

몬테칼로시뮬레이션을 이용한 선형가속기 차폐벽에 대한 중성자 특성 평가
Characterization of the Neutron for Linear Accelerator Shielding Wall using a Monte Carlo Simulation 원문보기

방사선기술과학 = Journal of radiological science and technology, v.39 no.1, 2016년, pp.89 - 97

이동연 (동남권원자력의학원 방사선종양학과) , 박은태 (인제대학교 부산백병원 방사선종양학과) , 김정훈 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
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선형가속기를 차폐하고 있는 콘크리트 차폐벽의 방사화 평가를 진행하기 위한 선행 연구로서 차폐벽이 받는 중 성자에 대한 특성을 평가하였다. 그 결과 차폐벽이 받는 중성자 평균 양은 생성된 광자 대비 10 MV 4.63E-7%, 15 MV 9.69E-6%, 20 MV 2.18E-5%의 발생비율을 보였으며, 이 중 반응단면적이 큰 열중성자의 비율은 대략 18 ~ 33%로 나타났다. 의료용 선형가속기의 경우 수년간 지속적으로 가동되기 때문에 중성자 생성 비율에 관계없이 누적으로 생성되는 중성자의 양은 무시할 수 없을 것이며, 이에 따른 방사선 치료실 차폐벽의 방사화 문제는 반드시 고려되어야 할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

As previous studies to proceed with the evaluation of the radioactive at linear accelerator's shielding concrete wall. And the shielding wall was evaluated the characteristics for the incoming neutron. As a result, the shielding wall is the average amount of incoming neutrons 10 MV 4.63E-7%, 15 MV 9.69E-6%, showed the occurrence of 20 MV 2.18E-5%. The proportion of thermal neutrons of which are found to be approximately 18-33%. The neutron generation rate can be seen as a slight numerical order. However, in consideration of the linear accelerator operating time we can not ignore the effects of neutrons. Accordingly radioactive problem of the radiation shield wall of the treatment room will be this should be considered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 선형가속기에서 높은 에너지의 광자들로 인하여 발생된 중성자에 관한 연구로서 선형가속기를 차폐하고 있는 콘크리트가 받는 중성자의 양을 측정하였다.
본 연구는 의료용 선형가속기의 유지, 보수, 해체에 대한 연구의 선행연구로서 치료실 내에서 발생하는 중성자에 대한 특성을 평가하고자 하였다. 특히 본 논문에서는 차폐벽이 받는 중성자에 대한 영향을 구역을 설정하여 분석하였다.
이에 본 연구는 치료실내의 방사화에 대한 평가를 진행하기 위하여 필요한 중성자를 측정하였으며, 특히 치료실을 차폐하고 있는 콘크리트에 대하여 중성자 스펙트럼과 선속을 측정함으로서 추후 방사화 평가를 진행함에 있어 기초가 되는 중성자 선속에 대한 자료를 제시하고자 한다.
본 연구는 의료용 선형가속기의 유지, 보수, 해체에 대한 연구의 선행연구로서 치료실 내에서 발생하는 중성자에 대한 특성을 평가하고자 하였다. 특히 본 논문에서는 차폐벽이 받는 중성자에 대한 영향을 구역을 설정하여 분석하였다. 그 결과 높은 에너지에서 콘크리트 차폐벽이 받는 중성자의 양은 제동복사로 인해 생성된 광자 대비 최대 5.

제안 방법

다음으로 콘크리트 벽이 받는 중성자를 측정하였다. 세부적으로 선형가속기 헤드를 중심으로 9개 구역으로 나누어 알파벳 소문자 a～i로 나타내었으며(Fig.
이는 중성자의 경우 에너지에 따라 핵반응 단면적이 다르기 때문이며, 특히 열중성자에서 반응단면적이 크기 때문에 열중성자에 대한 에너지 스펙트럼을 보기 위하여 세 가지로 나누어 스펙트럼을 측정하였다. 또한 열중성자의 경우 범위가 정해져 있는 것이 아닌 핵반응이 잘 일어나는 구간을 말하고 있으나, 일반적으로 기존의 이론에서는 수소의 열중성자 1 eV를 기준으로 기술하고 있기 때문에 이를 바탕으로 설정하였다¹⁴⁾.
2), Tally F4를 사용하여 9개 구역의 콘크리트 벽에 대한 중성자의 플럭스(neutron number/㎠·sec·e)를 개별적으로 측정 하였다. 또한 중성자의 측정은 열중성자 (Thermal, 0～1 eV), 열외중성자 (Epithermal, 1～10 keV), 속중성자 (Fast, 10 keV～10 MeV)로 구분하여 측정하였다¹³⁾. 이는 중성자의 경우 에너지에 따라 핵반응 단면적이 다르기 때문이며, 특히 열중성자에서 반응단면적이 크기 때문에 열중성자에 대한 에너지 스펙트럼을 보기 위하여 세 가지로 나누어 스펙트럼을 측정하였다.
먼저 선형가속기 헤드에서 제동복사로 인해 발생되는 광자를 측정하였다. 측정 위치는 타깃 바로 아래 5 ㎝ 위치에 반경 3 ㎝인 가상의 구를 설정하여 전자 (e) 1개당 생성된 광자 플럭스 (photon number/㎠·sec·e)를 측정하였으며, 모사한 선형가속기의 신뢰성을 검증하기 위해 10 keV 간격으로 광자스펙트럼을 측정하였다.
2와 같다. 세부적으로 살펴보면 선형가속기 헤드를 중심으로 좌측과 우측으로 각각 300 ㎝, 바닥 170 ㎝, 천장 100 ㎝, 머리방향 150 ㎝, 출입구 방향 650㎝, 통로 (maze) 550 ㎝의 거리를 설정함으로서 전신방사선조사 (Total Body Irradiation, TBI)와 수술 중 방사선치료(Intra-opera tive Procedures, IORT)를 시행할 수 있는 최소한의 크기를 확보하였다. 또한 차폐벽의 두께는 100 ㎝로 설정하였으며, 선형가속기의 회전으로 인하여 1차선속이 조사될 수 있는 좌측과 우측 방향은 50 ㎝ 두께를 추가하였다¹¹⁾.
세부적으로 선형가속기 헤드를 중심으로 9개 구역으로 나누어 알파벳 소문자 a～i로 나타내었으며(Fig. 2), Tally F4를 사용하여 9개 구역의 콘크리트 벽에 대한 중성자의 플럭스(neutron number/㎠·sec·e)를 개별적으로 측정 하였다.
또한 중성자의 측정은 열중성자 (Thermal, 0～1 eV), 열외중성자 (Epithermal, 1～10 keV), 속중성자 (Fast, 10 keV～10 MeV)로 구분하여 측정하였다¹³⁾. 이는 중성자의 경우 에너지에 따라 핵반응 단면적이 다르기 때문이며, 특히 열중성자에서 반응단면적이 크기 때문에 열중성자에 대한 에너지 스펙트럼을 보기 위하여 세 가지로 나누어 스펙트럼을 측정하였다. 또한 열중성자의 경우 범위가 정해져 있는 것이 아닌 핵반응이 잘 일어나는 구간을 말하고 있으나, 일반적으로 기존의 이론에서는 수소의 열중성자 1 eV를 기준으로 기술하고 있기 때문에 이를 바탕으로 설정하였다¹⁴⁾.
측정 위치는 타깃 바로 아래 5 ㎝ 위치에 반경 3 ㎝인 가상의 구를 설정하여 전자 (e) 1개당 생성된 광자 플럭스 (photon number/㎠·sec·e)를 측정하였으며, 모사한 선형가속기의 신뢰성을 검증하기 위해 10 keV 간격으로 광자스펙트럼을 측정하였다.
본 연구에서는 몬테카를로 방법을 사용하여 모의실험을 진행하였다. 현재 상용되는 모의실험 프로그램으로는 Fluka(FLUktuierende KAskade), Geant4 (GEometry ANdTracking), MCNPX (Monte Carlo N-Patricle Extended) 등이 있으며, 이 가운데 윈도우운영체제를 기반으로 함으로써 접근성이 용이하고 입자 수송측면에 있어서 장점을 가지고 있는 MCNPX (Ver.2.5.0)을 사용하여 모의실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 모의실험에서 모사한 선형가속기는 일반적으로 치료에 사용되고 있는 선형가속기 장비를 단순화시켜 모사한 것으로 가속관을 제외한 헤드부분을 중심으로 모사하였으며, 그 모습은 Fig. 1과 같다. 1차 조리개 (Primary collimator), 타깃 (Target), 선속평탄여과판 (Flattening filter), 2차 조리개 (Secondary collimator), 다엽콜리메이터 (Multileaf collimator)를 세부적으로 나타냈으며, 사용한 재질과 밀도 그리고 기하학적 구조에 대한 세부사항은 Table 1.
본 연구에 사용된 전자선의 에너지는 현재 치료에 사용하는 에너지 중 광핵반응을 일으킬 확률이 높은 10, 15, 20 MeV의 에너지를 대상으로 모의실험을 진행하였다.

데이터처리

이상의 모든 실험은 결과값의 불확도를 3%로 이내로 적용하여 실험의 신뢰도를 확보하였다.

이론/모형

본 연구에서는 몬테카를로 방법을 사용하여 모의실험을 진행하였다. 현재 상용되는 모의실험 프로그램으로는 Fluka(FLUktuierende KAskade), Geant4 (GEometry ANdTracking), MCNPX (Monte Carlo N-Patricle Extended) 등이 있으며, 이 가운데 윈도우운영체제를 기반으로 함으로써 접근성이 용이하고 입자 수송측면에 있어서 장점을 가지고 있는 MCNPX (Ver.
선형가속기를 둘러싸고 있는 방사선치료실의 차폐벽은 IAEA1¹⁾에서 권고하는 형태를 기본으로 모사하였으며, 간략한 구성도는 Fig. 2와 같다. 세부적으로 살펴보면 선형가속기 헤드를 중심으로 좌측과 우측으로 각각 300 ㎝, 바닥 170 ㎝, 천장 100 ㎝, 머리방향 150 ㎝, 출입구 방향 650㎝, 통로 (maze) 550 ㎝의 거리를 설정함으로서 전신방사선조사 (Total Body Irradiation, TBI)와 수술 중 방사선치료(Intra-opera tive Procedures, IORT)를 시행할 수 있는 최소한의 크기를 확보하였다.
또한 차폐벽의 두께는 100 ㎝로 설정하였으며, 선형가속기의 회전으로 인하여 1차선속이 조사될 수 있는 좌측과 우측 방향은 50 ㎝ 두께를 추가하였다¹¹⁾. 차폐벽을 이루고 있는 콘크리트 재질은 한국원자력연구소에서 제공하는 재질 중 상용화 되어있는 Ordinary(NBS 03)을 바탕으로 설정하였다¹²⁾.

성능/효과

특히 본 논문에서는 차폐벽이 받는 중성자에 대한 영향을 구역을 설정하여 분석하였다. 그 결과 높은 에너지에서 콘크리트 차폐벽이 받는 중성자의 양은 제동복사로 인해 생성된 광자 대비 최대 5.0E-5% 정도로 미미하게 나타났다. 그러나 본 연구에서 사용한 MCNPX 프로그램의 경우 초당 전자 1개에 대하여 측정된 양이므로 실제 치료 시 가속하는 전자의 개수를 감안한다면, 실질적인 양은 무시할 수 없을 것으로 판단된다.
또한 치료실의 가동시간과 해체 시점까지의 운영기간을 역산하여 고려한다면, 수십 년 후 방사화가 진행될 가능성은 충분이 높을 것으로 생각된다. 또한 본 실험을 통해 발생한 중성자의 특성은 특정한 방향성 없이 방사하며, 거리에 따라 중성자의 양과 열중성자의 비율이 변화됨을 알 수 있었다.
4 ～ 2%로 나타났다. 또한 측정된 광자의 특성에너지는 512 keV으로 나타났으며, 평균에너지는 각각 2.24 MeV, 3.04 MeV, 3.75 MeV로 측정되었다.
마지막으로 구역별 중성자 플럭스의 양을 보면, 실험대상의 모든 에너지 영역에서 선형가속기 헤드와 근접된 부분이 높게 나타났다.
마지막으로 차폐벽이 받은 중성자 양은 치료기 헤드를 중심으로 거리가 이격될수록 감소하는 경향을 보였다. 하지만 이에 반해 열중성자의 비율은 높게 나타났다.
47E-09 개/㎠·sec·e으로 산정되었으며, 15 MV는 10 MV에 비해 약 56배 높았으며, 20 MV에 비해 약 240배 높은 결과를 보였다. 생성된 광자에 대한 비율은 10 MV 4.63E-7%, 15 MV 9.69E-6%, 20 MV 2.18E-5%의 발생비율을 나타냈다.
생성된 광자의 입자수는 10, 15, 20 MV 각각 4.01E-03 개/㎠·sec·e, 1.08E-2 개/㎠·sec·e, 2.05E-2 개/㎠·sec·e였으며 전자 1개당 광자 발생율이 약 0.4 ～ 2%로 나타났다.
이를 세부적으로 살펴보면, 9개 구역에서 받은 중성자 플럭스에 대한 평균값은 10 MV 1.86E-11 개/㎠·sec·e, 15 MV1.05E-09 개/㎠·sec·e, 20 MV 4.47E-09 개/㎠·sec·e으로 산정되었으며, 15 MV는 10 MV에 비해 약 56배 높았으며, 20 MV에 비해 약 240배 높은 결과를 보였다.
특히 열중성자의 평균 플럭스 결과는 10 MV,3.72E-12 개/㎠·sec·e, 15 MV 2.11E-10 개/㎠·sec·e, 20 MV8.88E-10으로 나타났으며, 이것은 총 중성자 대비 10 MV 20.0%, 15 MV 20.0%, 20 MV 19.8%의 비율을 차지하였다.

후속연구

0E-5% 정도로 미미하게 나타났다. 그러나 본 연구에서 사용한 MCNPX 프로그램의 경우 초당 전자 1개에 대하여 측정된 양이므로 실제 치료 시 가속하는 전자의 개수를 감안한다면, 실질적인 양은 무시할 수 없을 것으로 판단된다. 또한 치료실의 가동시간과 해체 시점까지의 운영기간을 역산하여 고려한다면, 수십 년 후 방사화가 진행될 가능성은 충분이 높을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치료기 헤드를 중심으로 거리가 이격될수록 차폐벽이 받은 중성자 양은 감소하지만 열중성자의 비율은 높게 나타나는 이유는 무엇인가	하지만 이에 반해 열중성자의 비율은 높게 나타났다. 이것은 발생된 중성자가 특정한 방향성을 가지고 방사하는 것이 아닌 전체적으로 균등하게 방사하는 것으로 판단되며, 열외중성자와 속중성자의 경우에는 치료실 차폐벽과 산란으로 인하여 속도를 잃고 열중성자로 변하게 됨으로써, 중성자가 발생된 선형가속기 헤드에서 거리가 이격될수록 열중성자의 비율이 높아진 것으로 사료된다.
	의료용선형가속기의 특징은 무엇인가	방사선치료에 이용되는 의료용선형가속기는 전자를 가속시켜 광자선을 얻는 대표적인 치료 장비이며, 임상에서 주로 사용되는 광자에너지는 6-24 MV 영역이다1)
	높은 에너지의 광자선을 사용해 치료할 시 나타나는 부작용은 무엇인가	151을 통해 높은 에너지의 광자선을 이용하는 선형가속기에서는 중성자의 영향을 고려하여 차폐를 할 것을 권고하였다5). 위와 같이 높은 에너지의 광자선 사용 시 생성되는 중성자는 치료를 받는 환자와 방사선작업종사자에게 예상치 못한 피폭을 가져올 수 있다. 이에 방사선방호를 위하여 치료실내의 중성자 분포, 선량 및 특성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다6-9).

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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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