[논문]가정용 식품 방사능 모니터링 센서 개발 및 유용성 평가

박혜민; 김정호; 이운장; 김도형; 민수정; 주관식

doi:10.5369/jsst.2017.26.6.427

가정용 식품 방사능 모니터링 센서 개발 및 유용성 평가
Development of a Foods Radioactivity Monitoring Sensor for Household and Evaluation of its Effectiveness 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.26 no.6, 2017년, pp.427 - 431

박혜민 (명지대학교 물리학과) , 김정호 (명지대학교 물리학과) , 이운장 ((주) 오리온이엔씨) , 김도형 ((주) 오리온이엔씨) , 민수정 ((주) 오리온이엔씨) , 주관식 (명지대학교 물리학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a foods radioactivity monitoring sensor was developed as a part of basic research for household radioactivity monitoring, and its performance was evaluated using a calibration source. The prototype of the sensor was based on a CsI:Tl scintillator using a crystal light guide and Si photomultiplier. The light guide was introduced to improve gamma-ray detection efficiency. For quantitative evaluation, tests were conducted using $^{134}Cs$ liquid source. In the performance evaluation, It was confirmed that analysis of $^{134}Cs$: 100 Bq/L(kg) was possible. Thus, result of this study is expected to contribute to research in the development of the household foods radioactivity monitoring system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 식품 중 방사능 농도 분석장비인 고순도 게르마늄 반도체 검출기(HPGe)의 경우 감마선방출 핵종 및 방사능 농도를 정량적이고 정확하게 분석이 가능하지만 분석하는데 2~3일 정도의 장시간이 요구되며, 고가의 가격과 유지비용으로 가정에서 사용하기에는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 가정용 식품 방사능 모니터링 센서 개발 연구의 일환으로 가정에서 보다 직접적이고 가용성이 높은 식품 방사능 모니터링 센서를 개발하고 유용성을 평가 하였다.
본 연구는 가정에서 보다 직접적이고 가용성이 높은 식품 방사능 모니터링 센서를 개발 위한 연구의 일환으로서 실리콘 광증배소자와 광 가이드, 무기섬광체를 이용하여 식품 방사능 측정이 가능한 모니터링 센서를 설계 및 제작하고 센서의 성능을 평가하였다. 센서의 성능평가 결과 감마핵종에 대한 응답 선형성 및 분광특성, 농도에 따른 검출효율 평가를 통해 식품 방사능 모니터링 센서로서의 가능성을 확인하였다.

제안 방법

CsI:Tl 결정과 광가이드 반사체로는 CsI:Tl 의 방출파장에 대하여 최대 90% 이상의 반사율을 가지는 Teflon reflector을 이용하여 반사면을 형성하였으며 , SiPM 의 광 입사창과 광가이드의 접촉면 사이에는 공기 중 광 산란 및 광 손실률을 최소한으로 감소 시켜주기 위해 SiPM과 섬광체 접촉면 사이에 n=1.465 의 굴절률과 280~700 nm 파장에서 약 95% 의 광 투과율을 갖는 Saint-Gobain 사의 BC-630을 사용하여 optical grease 층을 도포시켜주었다.
CsI:Tl 결정의 크기는 상용 식품방사능 검출 모듈인 2” × 2” NaI:Tl + PMT 모듈을 기준으로 하여 2” × 2” 로 제작하였으며 , 광 가이드 설계를 통해 검출부가 대면적화된 감마선 검출부를 제작하였다.
9는 ¹³⁴Cs 용액선원의 농도에 따른 감마선 에너지 분광특성이며, 10,000~100 Bq/L의 방사능 농도에 따른 검출효율 실험을 수행하였다. 각 농도에 따라 300초 동안 측정 하였으며, 납차 폐체 내에서 수행하였다. ¹³⁴Cs의 주요 발생 감마선 피크인 0.
감마선 신호분석에는 디지털 신호 계수기반의 카운터 모드와 아날로그 신호 분석기반의 핵종분석 모드로 2가지 출력부를 설계하였다 .
감마선 신호분석을 위한 신호처리 부 설계에는 SiPM의 높은 전자증폭 이득과 출력 신호가 전압신호로 출력되는 특성을 이용하여, 기존에 사용되는 전하 민감형 전치증폭기(charge sensitive preamplifier, CSP) 와 성형 증폭기(shaping amplifier) 대신 구동 회로(driver circuit)를 설계 및 제작하여 감마선 신호를 분석하였다 [8].
광 가이드는 BK-7 optical glass, 구조는 tapered 형태로 CsI:Tl 결정과 접합하게 되는 입사부 면적은 2”, SiPM 의 윈도우와 접합하게 되는 출사부 면적은 0.2”, 두께는 20mm로 제작하였다[6].
4는 카운터 모드에서 디지털 신호의 계수를 위해 설계된 A/D 변환기(analog to digital converter) 회로를 나타내고 있으며, A/D 변환기 설계에는 비교기용 소자인 MAX987(Maxim Integrated Inc, US)를 사용하였다. 노이즈 신호 영역은 50mV, 히스테리시스 영역은 10 mV 로 설정하고, 이 영역 이하의 신호는 제거되도록 설계하였다.
두께 결정에는 tapered형 구조에서 광 가이드 두께가 얇아질수록 대부분의 광자가 광 가이드 빗면에서 입사면으로 반사되는 광 반사(light reflection)효과와 두께가 두꺼워 질수록 전송되는 광자량이 점차 감소되는 광 감쇄(light attenuation)효과를 유 발하기 때문에, 이와 같은 광학적 특성을 고려하여 빛의 추적과 설계가 가능한 LightTools Software Tool을 이용하여 광 가이드의 두께를 20 mm로 결정하였다[7].
Cs) 등의 방사성 핵종 분석을 위해 8k Ch 의 MCA-8000D(Amptek Inc, UK) 파고분석기를 사용하여 감마선 분광 특성 분석을 수행하였다. 시스템의 전체적인 전원은 USB의 5V 전원을 사용하여 상시 구동이 가능하도록 설계하였다.
핵종분석 모드에서는 신호처리 부의 아날로그 신호를 이용하여 세슘(¹³⁷Cs) 등의 방사성 핵종 분석을 위해 8k Ch 의 MCA-8000D(Amptek Inc, UK) 파고분석기를 사용하여 감마선 분광 특성 분석을 수행하였다. 시스템의 전체적인 전원은 USB의 5V 전원을 사용하여 상시 구동이 가능하도록 설계하였다.

대상 데이터

7. Energy spectra of gamma-ray emitted from ¹³³Ba, ²²Na, and ¹³⁷Cs.
8. Energy spectra of mixed gamma-ray emitted from ¹³³Ba, ²²Na, and ¹³⁷Cs.
감마선 검출 소자로는 Hamamatsu의 실리콘 광증배소자 (silicon photomultiplier): S13360-6075CS 를 사용하였다[5]. 기존의 장비와 비교하여 가정용으로서 전체적인 시스템의 소형화를 위해 6 × 6 mm² 크기의 소자를 사용하였으며, 검출소자에 대한 특성은 Table 2와 같다.
기존의 장비와 비교하여 가정용으로서 전체적인 시스템의 소형화를 위해 6 × 6 mm2 크기의 소자를 사용하였으며, 검출소자에 대한 특성은 Table 2와 같다.
주요 관리 핵종인 방사성 세슘(¹³⁷Cs)의 모니터링을 위해 검출부의 섬광물질로는 무기섬광체 결정 (crystal) CsI:Tl (thallium- doped cesium iodide) 을 사용하였다 . CsI:Tl 는 550 nm의 최대 방출파장을 가지며, 밀도는 4.

성능/효과

133Ba의 주요 발생 감마선 피크인 0.356 MeV 영역의 에너지 분해능 측정 시 18.3%의 에너지 분해능을 확인하였으며, 0.081 MeV의 저 에너지 피크를 확인할 수 있다. ²²Na의 경우 0.
137Cs의 0.662 MeV의 에너지에 대해서는 9.8 %의 에너지 분해능을 보였으며, 0.032 MeV의 X-ray(Ba-Kα1) 피크를 확인할 수 있다.
CsI:Tl 는 550 nm의 최대 방출파장을 가지며, 밀도는 4.51 g·cm-3의 높은 구성 밀도로 효율적인 저지능을 보여 감마선에 의해 생성된 2차 전자에 대한 반응성이 높으며, 1 MeV 의 에너지를 갖는 감마선에 대하여 약 80,000개의 높은 광자 방출 확률을 보인다 .
본 연구는 가정에서 보다 직접적이고 가용성이 높은 식품 방사능 모니터링 센서를 개발 위한 연구의 일환으로서 실리콘 광증배소자와 광 가이드, 무기섬광체를 이용하여 식품 방사능 측정이 가능한 모니터링 센서를 설계 및 제작하고 센서의 성능을 평가하였다. 센서의 성능평가 결과 감마핵종에 대한 응답 선형성 및 분광특성, 농도에 따른 검출효율 평가를 통해 식품 방사능 모니터링 센서로서의 가능성을 확인하였다. 본 연구를 기반으로 상용화 연구를 통해 가정용 식품 방사능 모니터링 센서가 개발된다면 가정에서도 쉽게 식품 중 방사능 농도를 검사할 수 있으므로, 국내 식품에 대한 방사능 오염의 불안감을 해소하는데 기여할 것으로 사료된다.

후속연구

센서의 성능평가 결과 감마핵종에 대한 응답 선형성 및 분광특성, 농도에 따른 검출효율 평가를 통해 식품 방사능 모니터링 센서로서의 가능성을 확인하였다. 본 연구를 기반으로 상용화 연구를 통해 가정용 식품 방사능 모니터링 센서가 개발된다면 가정에서도 쉽게 식품 중 방사능 농도를 검사할 수 있으므로, 국내 식품에 대한 방사능 오염의 불안감을 해소하는데 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사성 세슘의 모니터링을 위해 검출부 섬광 물질로 무엇을 사용하였는가?	주요 관리 핵종인 방사성 세슘(137Cs)의 모니터링을 위해 검출부의 섬광물질로는 무기섬광체 결정 (crystal) CsI:Tl (thallium- doped cesium iodide) 을 사용하였다 . CsI:Tl 는 550 nm의 최대 방출파장을 가지며, 밀도는 4.
	후쿠시마 사고 이후 국내 식품중의 방사능 농도 잠정 허용기준은 어떠한가?	현재 국내 방사능 안전관리 기준·규격으로는 식품 의약품 안전처가 제정한 식품 의약품 안전청 고시 제 89—19 호에 의거한 식품중의 방사능 농도 잠정 허용기준이 있으며 ,후쿠시마 사고 이후 방사성 요오드(131I)에 대해서 영· 유아용 식품은300 Bq/kg 에서 100 Bq/kg, 유 및 유가공품은 150 Bq/kg에서 100 Bq/kg, 기타식품은 300 Bq/kg로 강화되었으며, 방사성 세슘(134Cs, 137Cs)에 대해서는 임시강화기준을 설정하여, 일본산 수입식품에는 별도로 370 Bq/kg에서 100 Bq/kg의 임시강화기준을 적용하고 있다 [3].
	일본 후쿠시마 원전 사고로 국내에서 일본 수산물에 대해 어떻게 대처하고 있는가?	특히 국내에서는 현재 후쿠시마 등 8개현의 일본 수산물에 대한 수입을 금지하고 있으며, 일본산 수산물을 포함한 일본산 식품 중 방사성 세슘(137Cs)에 대해 좀 더 보수적인 방사능 농도기준을 설정해서 관리하고 있다 [2].

참고문헌 (11)

H. M. Park and K. S. Joo, "Feasibility Study on Development of an Underwater Beta-ray Monitoring Sensor", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 25, No. 5, pp. 333-336, 2016.

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J. K. Kim, C. S. Lim, W. N. Lee, M. Jang, Y. Y. Ji, K. H. Chung and M. J. Kang, "Survey Study on Radioactivity of Domestic Fishery Product", Korean J. Food Sci. Technol., Vol. 47, No. 6 pp. 789-792, 2015.
Korea ministry of food and drug safety. http://www.mfds.go.kr/index.do?mid1252(retrieved on Sep. 27, 2017).
http://www.epic-crystal.com/wp-content/uploads/2016/12/CsITl-scintillator-EPIC.pdf(retrieved on Sep. 27, 2017).
http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s13360_series_kapd1052e.pdf (retrieved on Sep. 27, 2017).
C. K. Kim, H. T. Kim, J. Y. Kim, C. H. Lee, H. J. Yoo, D. U. Kang, M. S. Cho, M. S. Kim, D. H. Lee, Y. W. Kim, K. T. Lim, S. Y. Yang and G. S. Cho, "Replacement of a photomultiplier tube in a 2-inch thallium-doped sodium iodide gamma spectrometer with silicon photomultipliers and a light guide", Nucl. Eng. Technol., Vol. 47, pp. 479-487, 2015.

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H. M. Park, J. H. Kim, K. H. Park, C. J. Park, W. J. Han and K. S. Joo, "Evaluation of Photon Transmission Efficiency of Light Guides used in Scintillation Detectors using the LightTools Code", J. Radiation Protection., Vol. 41, No. 3, pp. 81-85, 2016.

원문보기 상세보기
H. M. Park and K. S. Joo, "Development and performance characteristics of personal gamma spectrometer for radiation monitoring applications", Sensors., Vol. 16, No. 6, pp. 1-6, 2016.

상세보기
S. H. Hang, S. H. Shin, H. I. Sim, S. K. Kim, H. S. Jeon, J. S. Jang, J. S. Kim, G. W. Kwon, K. W. Jang, W. J. Yoo and B. S. Lee, "Feasibility Study on Development of a Fiber-Optic Dual Detector to Measure Beta- and Gammarays Simultaneously", Trans. KIEE., Vol. 63, No. 2, pp. 284-290, 2014.
H. S. Kim, J. H. Ha, S. H. Park, S. Y. Cho and Y. K. Kim, "Fabrication and performance characteristics of a CsI(Tl)/PIN diode radiation sensor for industrial applications", Appl. Radiat. Isot., Vol. 67, pp. 1463-1465, 2009.

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https://www.cpp.edu/-pbsiegel/bio431/genergies.html(retrieved on Sep. 27, 2017).

저자의 다른 논문 :

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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