[논문]선형가속기에서 발생하는 광중성자 선량률 분석

장호원; 진성진; 제재용

doi:10.7742/jksr.2017.11.7.565

초록
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본 연구는 선형가속기를 이용하여 10 MV 광자선을 조사하는 과정에서 발생하는 광중성자의 선량률 변화를 측정하고자 하였다. 또한 방사선 조사가 종료된 후 광중성자의 수명을 분석하고자 하였다. 광중성자측정은 $BF_3$ 비례계수관을 사용하였으며, 광중성자의 선량률 측정결과를 2초 간격으로 3부분으로 나누어 분석 하였다. 측정결과 조사야 내에 금속판이 없는 경우와 납판이 존재할 때 광중성자의 발생이 가장 빠르게 나타났으며, 최종적으로 백그라운드 수준의 선량률을 나타내는 시간은 물질의 종류와 무관하게 약 1분 40초 정도의 수명시간을 나타내었다. 따라서 광중성자가 수명을 다할 때까지의 시간에 따른 선량률은 물질의 종류와 임계에너지에 따라 다르게 나타내었다. 그러나 최종 수명시간은 물질의 종류에 관계없이 비슷한 결과를 나타내었으므로 물질의 종류가 광중성자의 수명시간에는 크게 관여하지 않는다고 판단되어진다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research aims at measuring the changes in the dose rate of photoneutron occurring in the process of the investigation into the 10 MV photon beam with a linear accelerator. In addition, the life time of the photoneutron after the end of irradiation was to be analyzed. The photoneutron were measu...

This research aims at measuring the changes in the dose rate of photoneutron occurring in the process of the investigation into the 10 MV photon beam with a linear accelerator. In addition, the life time of the photoneutron after the end of irradiation was to be analyzed. The photoneutron were measured with a $BF_3$ proportional counter, and the measurement results of the dose rate of the photoneutron were analyzed in 3 parts at intervals of 2 seconds. The measurement results showed that the photoneutron were generated fastest when there was no metal plate inside the radiation field and when there was a lead plate, and that, as for the time that shows the final dose rate at the level of background, the life time was about 1 minute and 40 seconds regardless of the kinds of materials. Therefore, the dose rate according to the time until the photoneutron run out was proved to be different depending on the sorts of the materials and the threshold energy. However, final life time showed similar results regardless of the kinds of the materials, it can be concluded that the kinds of materials don't get involved in the life time of photoneutron.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 선형가속기를 이용하여 고에너지 X-선을 조사하는 조사야 내에 납판, 구리판, 알루미늄판을 추가로 설치한 금속판의 종류와 유무에 따른 광중성자의 선량변화를 측정하고 방사선 조사가 종료된 후의 광중성자의 수명을 측정함으로써 광핵반응에 의한 광중성자의 특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

광중성자 측정은 방사선 조사가 준비되고 조사되어 검출이 완료될 때 까지 동영상으로 촬영하여 시간에 따른 선량을 2초 단위로 2분간 기록하였다. 또한 조사야 내에 30×30 cm² 크기의 납판, 구리판, 알루미늄판을 추가로 설치한 금속판의 종류와 유무에 따른 선량을 비교 분석하고 광중성자의 수명시간을 측정 하였다.
광중성자 측정은 방사선 조사가 준비되고 조사되어 검출이 완료될 때 까지 동영상으로 촬영하여 시간에 따른 선량을 2초 단위로 2분간 기록하였다. 또한 조사야 내에 30×30 cm² 크기의 납판, 구리판, 알루미늄판을 추가로 설치한 금속판의 종류와 유무에 따른 선량을 비교 분석하고 광중성자의 수명시간을 측정 하였다.
방사선 조사시간과 조사야 내의 물질에 따른 광중성자의 선량률 측정결과를 2초 간격으로 나누어 측정값을 기록하고 분석하고자 하였다.[Table 1] 그림. 3은 시간에 따른 광중성자의 전체적인 선량특성을 나타내었다.

이론/모형

광핵반응에 의한 광중성자 특성을 분석하기 위하여 선형가속기 TrueBeam (Varian Medical Systems, TrueBeam STx, USA)을 이용하였고, 광중성자 측정은 BF3 (Fluke Biomedical, 190N, USA)비례계수관을 사용하였다. 중성자는 전하를 가지고 있지 않아 원자를 직접적으로 전리할 수 없어 간접적으로 중성자를 검출하여야 한다.

성능/효과

방사선 조사야 내에 높은 원자번호 물질이 존재할 경우 광핵반응에 의한 광중성자의 발생확률이 높아지며, 낮은 원자번호의 물질은 10 MV 광자선에서 임계에너지보다 낮아 광중성자의 발생 보다는 발생된 광중성자의 흡수에 관여한다고 볼 수 있다. 그리고 광중성자가 수명을 다할 때까지의 시간에 따른 선량률 분포는 다르더라도 최종 수명은 물질의 종류에 관계없이 약 1분 40초 정도로 동일하게 나타나므로 물질의 종류가 광중성자의 수명에는 크게 관여하지 않는다고 볼 수 있다. 본 실험은 물질과 상호작용하여 발생한 광중성자의 선량률에 관한 것으로 앞으로 조사선량과 금속성 물질의 임계에너지를 모두 포함할 수 있는 15~20 MV에서의 광중성자 특성을 추가적으로 분석할 필요가 있다고 판단되어진다.
본 연구는 10 MV 선형가속기에서 광핵반응에 의한 광중성자의 선량률을 분석하였고 방사선이 조사된 후 6초 정도가 지나면 광중성자는 600 mR/hr 정도의 최대선량률을 나타내었다. 방사선 조사야 내에 높은 원자번호 물질이 존재할 경우 광핵반응에 의한 광중성자의 발생확률이 높아지며, 낮은 원자번호의 물질은 10 MV 광자선에서 임계에너지보다 낮아 광중성자의 발생 보다는 발생된 광중성자의 흡수에 관여한다고 볼 수 있다.
74 MeV를 가지므로 본 실험에서 사용한 10 MV 광자선은 광핵반응에 의한 광중성자를 만들기에 충분한 에너지를 가지고 있으며 고에너지 광자선 보다 큰 방사선하중계수를 가지고 있다. 선형가속기에서 조사야 외부에서 측정한 광중성자의 선량률은 조사야 내에 아무것도 없을 때와 조사야 내에 납판이 존재할 때 비슷한 선량률 곡선을 나타내었으며, 자유중성자의 평균수명은 약14분 정도이지만 선형가속기에서 방사선 조사가 종료된 후 물질과의 상호작용으로 발생한 광중성자는 약 1분 30초 정도까지 지속 되었다. 그리고 상대적으로 원자번호가 낮은 구리와 알루미늄에서 비슷한 선량률 곡선이 나타남을 알 수 있다.

후속연구

06 MeV임을 감안하면 본 실험에서 사용한 10 MV 광자선은 임계에너지보다 낮아서 나타난 결과로 판단되어진다. 그러나 물질의 종류, 조사야 내에 유무와 관계없이 광중성자의 수명은 비슷한 결과를 나타내었으며 추후 방사선 치료실의 공간적 위치에 따른 광중성자의 측정이 추가로 요구되어진다.
그리고 광중성자가 수명을 다할 때까지의 시간에 따른 선량률 분포는 다르더라도 최종 수명은 물질의 종류에 관계없이 약 1분 40초 정도로 동일하게 나타나므로 물질의 종류가 광중성자의 수명에는 크게 관여하지 않는다고 볼 수 있다. 본 실험은 물질과 상호작용하여 발생한 광중성자의 선량률에 관한 것으로 앞으로 조사선량과 금속성 물질의 임계에너지를 모두 포함할 수 있는 15~20 MV에서의 광중성자 특성을 추가적으로 분석할 필요가 있다고 판단되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고에너지 X-선의 특징은?	선형가속기를 이용한 방사선 치료는 고에너지 X-선을 이용하여 종양에는 최대한의 선량을 조사하고 정상조직에는 최소한의 선량을 조사하여 인체에 발생한 종양을 치료하고 있다. 방사선 치료에 사용하는 고에너지 X-선은 표면선량이 낮고 일정 깊이에서 높은 선량을 나타내는 특징을 가지고 있다. 또한 이때 사용하는 고에너지 X-선의 에너지가 10 MeV 이상일 경우 광핵반응(Photonuclear Reaction)으로 인하여 광중성자(Photoneutron)가 발생할 수 있다.
	광중성자로 인하여 발생하는 광중성자선은 에너지에 따라 몇배의 가중치가 증가하는가?	74 MeV 이다.[1] 국제 방사선 방호 위원회(ICRP) Publication 103에서는 광중성자선은 에너지에 따라 광자선에 비해 2.5배에서 20배까지 방사선의 가중치가 크다고 하였다.[2] 이렇게 발생된 광중성자선으로 인하여 방사선 치료 목적 부위 이외의 주변 조직에서 2차 암이 발생할 수도 있으며,[3] 방사선 조사가 종료된 후에도 광중성자선은 치료실 내에 일정시간동안 존재하여 방사화된 물질의 유도 방사선에 의해 작업자의 피폭을 유발할 수 있다.
	선형가속기를 이용한 방사선 치료는 어떻게 이루어지는가?	선형가속기를 이용한 방사선 치료는 고에너지 X-선을 이용하여 종양에는 최대한의 선량을 조사하고 정상조직에는 최소한의 선량을 조사하여 인체에 발생한 종양을 치료하고 있다. 방사선 치료에 사용하는 고에너지 X-선은 표면선량이 낮고 일정 깊이에서 높은 선량을 나타내는 특징을 가지고 있다.

참고문헌 (8)

T. Rauscher, F. K. Thielemann, "Predicted cross sections for photon induced particle emission," Atomic Data and Nuclear Data Tables, Vol. 88 , pp. 1-81, 2004.

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International Commission on Radiological Protection, "The 2007 Recommendations of the International Commision on Radiological Protection," ICRP publication 103, 2007.
M. R. Exposito, B. Sanchez-Nieto, J. A. Terron, et al, "Neutron contamination in radiotherapy: Estimation of second cancers based on measurements in 1377 p atients," Radiotherapy and Oncology, Vol. 107, pp. 234-241, 2013.

상세보기
D. S. Kim, J. M. Kim, H. S. Lee, R. S. Lim, Y. H. Kim, "A study on the neutron in radiation treatment system and related facility," The Journal of Korean Society for Radiation Therapy, Vol. 17 No. 2, pp. 141-145, 2005.
W. L. Huang, Q. F. Li, Y. Z. Lin, "Calculation of photoneutron produced in the targets of electron linear accelerators radiography and radiotherapy applications," Nuclear Instruments and Methods in Physics Raesearch B., Vol. 229, No. 3, pp. 339-347, 2005.

상세보기
A. Zanini, E. Durisi , F. Fasolo , et al, "Monte Carlo simulation of photoneutron field in linac radiotherapy treatments with different collimation system," Phys. Med. Biol., Vol. 49, No. 4, pp. 571-582, 2004.

상세보기
J. S. Levinger, H. A. Bethe, "Neutron yield from the nuclear photo effect, Phys. Rev., Vol. 5, pp. 221-222, 1952.
E. J. Hall, C. S. Wuu, “Radiation-induced second cancers: the impact of 3D-CRT and IMRT,” Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., Vol. 56, No. 1, pp. 83-88, 2003.

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