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문제 정의
- 본 연구는 몬테칼로를 바탕으로 한 모의실험을 통해 10 MV 광자선 발생 시 필요한 차폐벽 두께를 계산하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 모의실험을 통해 콘크리트에 중성자흡수재 첨가 유무에 따른 차폐 두께 변화를 평가하고자 하며, 콘크리트 재질을 변화하였을 때, 광자선과 중성자선에 대한 적절한 차폐 두께를 계산하고자 한다.
제안 방법
- MCNPX프로그램을 이용하여 선형가속기에 대한 차폐벽 두께를 계산하기 위하여 전자를 가속하는 선형가속기와 이를 차폐하는 차폐벽을 모사하였다.
- 따라서 모사한 선형가속기에서 발생하는 광자선에 대한 특성을 분석하여 기존의 연구들과 비교함으로써 신뢰성을 확보하였다. 광자선 특성 분석 방법은 Fig. 3과 같이 광자선이 발생하는 타깃 바로 아래 반지름 5 ㎝ 구 형태의 가상의 검출기를 위치하여 전자 1개당 발생하는 광자선의 플루언스(photon #/㎠/e)를 수집하고 에너지 간격을 10 keV로 나누어 스펙트럼을 계산하였다.
- 다음으로 차폐 두께를 계산하기 위해 Fig. 2와 같이 바닥 부분을 10 ㎝ 간격으로 나누어 각 층별로 관심지점을 지정한 후 각 층에 입사하는 광자와 중성자의 플루언스(photon, neutron #/㎠/Gy)를 계산하였다. 이 때, 각 층별에 입사하는 플루언스는 선원과 표면사이의 거리(Source to Skin Distance; SSD) 100 ㎝, 조사야 10×10 ㎠에서 최대선량지점(Build-up point)에 1 Gy가 조사되는 선량으로 환산하여 표현하였다.
- 콘크리트 두께를 산정하기 전 본 연구에서 먼저 수행되어야 할 것은 모사한 선형가속기에 대한 신뢰성 검토이다. 따라서 모사한 선형가속기에서 발생하는 광자선에 대한 특성을 분석하여 기존의 연구들과 비교함으로써 신뢰성을 확보하였다. 광자선 특성 분석 방법은 Fig.
- 1과 같이 타깃, 선속평탄 여과판, 1차 조리개, 2차 조리개, 다엽조리개를 모사하여 광자선이 발생의 중심이 되는 헤드를 모사하였다. 또한 특정한 장비를 대상으로 모사한 것이 아닌 기존의 선형가속기의 구조와 특성에 관한 연구들을 바탕으로 하여 대표성을 가질 수 있는 형태로 모사하였다[9-12].
- 7 m, 미로폭은 2 m로 설정하였으며, 차폐벽의 두께는 2 m로 설정하였으나, 1차선이 직접적으로 조사되는 구간은 50 ㎝ 두께를 추가하여 모사하였다. 마지막으로 광자선, 중성자선의 두께를 산정하기 위해 광자선이 향하는 바닥의 경우 두께를 4 m로 한 후, 10 ㎝ 간격으로 층을 나누어 표현하였으며, 중성자선 차폐를 위해 Boron(5%)+Polyethylene을 두께 30 ㎝으로 하여 깊이 50 ㎝ 부분에 첨가하였다.
- 마지막으로 광자선은 고에너지의 기준이 되는 10 MV일 때,한국원자력연구소에서 제시한 6 가지 콘크리트 재질에 따라 차폐율을 계산하였으며, 콘크리트에 Boron(5%)+Polyethylene 첨가 유무에 따른 변화를 분석하였다.
- 먼저, 선형가속기의 경우 Fig. 1과 같이 타깃, 선속평탄 여과판, 1차 조리개, 2차 조리개, 다엽조리개를 모사하여 광자선이 발생의 중심이 되는 헤드를 모사하였다. 또한 특정한 장비를 대상으로 모사한 것이 아닌 기존의 선형가속기의 구조와 특성에 관한 연구들을 바탕으로 하여 대표성을 가질 수 있는 형태로 모사하였다[9-12].
- 먼저, 차폐효과에 대한 계산을 진행하기 전 모의모사 한 선형가속기에 신뢰성을 확보하기 위해 선형가속기에서 발생하는 광자선에 대한 스펙트럼을 분석하였다. 본 연구 결과를 기존의 선형가속기 광자 선에 대한 연구[12]와 비교해보면, 그래프가 0～2 MeV 영역에서 높은 분포를 보이며 연속스펙트럼의 형태가 유사한 것을 확인 할 수 있었다.
- 모의모사한 선형가속기에 대한 신뢰도를 확보하기 위하여 광자선에 대한 특성을 분석하였다. 이에 대한 결과값을 분석해보면, 전자 1개를 10 MV에너지로 가속하였을 때 발생하는 총 광자는 4.
- 본 실험에서는 콘크리트 재질과 Boron(5%)+Polyethylene 첨가 유무에 따른 차폐 두께를 계산하였다.
- 본 연구에서는 입자의 수송 확률을 계산하는데 높은 정확성을 가지며, 데이터 결과값을 사용자가 원하는 단위로 받을 수 있는 장점을 가지고 있는 MCNPX(Ver. 2.5.0)를 사용하여 계산하였다.
- 세부적으로 보면, 전체 넓이 7×7 ㎡, 높이 2.7 m, 미로폭은 2 m로 설정하였으며, 차폐벽의 두께는 2 m로 설정하였으나, 1차선이 직접적으로 조사되는 구간은 50 ㎝ 두께를 추가하여 모사하였다.
- 이 때, 각 층별에 입사하는 플루언스는 선원과 표면사이의 거리(Source to Skin Distance; SSD) 100 ㎝, 조사야 10×10 ㎠에서 최대선량지점(Build-up point)에 1 Gy가 조사되는 선량으로 환산하여 표현하였다.
성능/효과
- Boron(5%)+Polyethylene의 첨가 유무에 따른 차폐를 분석해보면, 광자선 차폐에서는 큰 영향을 보이진 않았으나, 중성자에서는 약 40 ㎝정도 효과가 좋은 것으로 나타났다. 이는 콘크리트에 의해 감속된 중성자들이 흡수재로 사용된 Boron으로 인해 흡수되어 차폐효과가 높은 것으로 분석된다.
- 결과값을 분석해보면, 차폐효과는 Boron(5%)+Polyethylene 첨가 유무에 관계없이 Limonite and steel, magnetite and steel, magnetite, nbs03, nbs04, barytes 순으로 높게 나타났다.
- 다음으로 콘크리트 재질에 따른 차폐효과를 보면, 광자 선에서는 Limonite and steel, magnetite and steel, magnetite, barytes, nbs03, nbs04 순서로 효과가 좋았으나, 중성자에서는 Limonite and steel, magnetite and steel, magnetite, nbs03, nbs04, barytes 순으로 효과가 좋은 것으로 계산되었다. 이는 광자선의 경우 원자번호가 높고, 밀도가 높을수록 효과가 좋기 때문에 상대적으로 steel 계열의 콘크리트가 차폐효과가 높은 것으로 사료된다.
- 또한, 중성자선의 완전 차폐를 위한 두께는 순수 콘크리트의 경우 재질 별로 약 100～140 ㎝ 정도 필요한 것으로 계산되었다. 반면에 Boron(5%)+Polyethylene 첨가 시 약 90～100 ㎝으로 순수 콘크리트와 비교하였을 때, 차폐 효과가 높은 것으로 계산되었다.
- 마지막으로 본 연구에서 계산된 광자선 차폐 두께를 IAEA에서 제공하는 자료[3]와 비교하면, 주 5일(8시간/1일) 기준, 1일 50명 치료한다는 것을 가정하였을 때, 10 MV에너지 사용 시 차폐 벽 두께를 198.4 cm를 권고하였다. 이를 본 연구와 비교하였을 때, IAEA에서 권고한 콘크리트 재질에서 190～200 cm에서 대부분의 선량이 차폐가 되는 것으로 계산되어 같은 경향성으로 분석되었다.
- 먼저, 차폐효과에 대한 계산을 진행하기 전 모의모사 한 선형가속기에 신뢰성을 확보하기 위해 선형가속기에서 발생하는 광자선에 대한 스펙트럼을 분석하였다. 본 연구 결과를 기존의 선형가속기 광자 선에 대한 연구[12]와 비교해보면, 그래프가 0～2 MeV 영역에서 높은 분포를 보이며 연속스펙트럼의 형태가 유사한 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 평균에너지는 타 연구[13]와 비교하였을 때, 약 5%정도 차이를 보였으나, 선형가속기의 기하학적 구조, 측정 위치 등을 고려하였을 때 같은 경향성을 보인 것으로 판단된다.
- 4 cm를 권고하였다. 이를 본 연구와 비교하였을 때, IAEA에서 권고한 콘크리트 재질에서 190～200 cm에서 대부분의 선량이 차폐가 되는 것으로 계산되어 같은 경향성으로 분석되었다. 따라서 다른 재질에서 계산된 차폐 두께에 대한 결과값 역시 신뢰할 수 있는 수치인 것으로 사료된다.
- 이를 분석해보면, Boron(5%)+Polyethylene의 첨가 유무에 관계없이 차폐효과는 Limonite and steel, magnetite and steel, magnetite, barytes, nbs03, nbs04 순으로 분석되었다.
- 또한, 평균에너지는 타 연구[13]와 비교하였을 때, 약 5%정도 차이를 보였으나, 선형가속기의 기하학적 구조, 측정 위치 등을 고려하였을 때 같은 경향성을 보인 것으로 판단된다. 이를 종합적으로 평가하면, 본 연구에서 모사한 선형가속기에 대한 신뢰도는 확보한 것으로 판단된다.
- 이에 대한 결과값을 분석해보면, 전자 1개를 10 MV에너지로 가속하였을 때 발생하는 총 광자는 4.01 × 10-3개/cm2/e로 나타났으며, 평균에너지는 2.24 MeV, 특성에너지는 520keV로 계산되었다.
- 하지만, 위 사항들을 배제하고 본 실험의 조건을 중심으로 분석한다면, 차폐에 용이한 콘크리트 재질은 steel 계열이며, 중성자 차폐를 위해 Boron(5%)+Polyethylene을 콘크리트에 첨가하여 구성하는 것이 가장 효율적인 것으로 판단된다.
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