비파괴검사 분야에서 방사선원의 위치 확인을 위한 반도체 검출기 설계에 관한 연구 The Study on Design of Semiconductor Detector for Checking the Position of a Radioactive Source in an NDT원문보기
비파괴검사 분야에서는 작업자들의 안전을 확보하기 위해 방사선원에 대한 시스템 개발에 많은 시간과 재원을 투자하고 있으나 아직까지 사고 발생 확률은 높은 실정이다. 방사선에 대한 잠재적 사고를 미연에 방지하기 위해서는 방사선원의 위치를 직접적으로 검증하는 것이지만 아직까지 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 감마선조사기의 선원 가이드 튜브에서 방사선원의 위치를 감지할 수 있는 모니터링 시스템 개발을 위한 선행연구로써 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 방사선 검출기에 대한 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, Ir-192의 감마선 에너지에 대한 방사선 검출기는 반도체 소재에 무관하게 $150{\mu}m$에서 2차 전자평형이 이루어지는 것으로 분석되었으며, 감마선 응답 특성은 $HgI_2$가 가장 우수할 것으로 기대된다. 이러한 결과는 차후 모니터링 시스템의 검출부에 위치하는 방사선 검출기의 최적화 두께를 결정하는데 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 이를 바탕으로 모니터링 시스템을 개발 시 방사선작업종사자가 위험을 쉽게 인지하여 안전을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 잠재적인 방사선 사고에 대한 예방 및 선제적 대응이 가능함으로써 사회 안전망 구축 에 기여할 수 있을 것이다.
비파괴검사 분야에서는 작업자들의 안전을 확보하기 위해 방사선원에 대한 시스템 개발에 많은 시간과 재원을 투자하고 있으나 아직까지 사고 발생 확률은 높은 실정이다. 방사선에 대한 잠재적 사고를 미연에 방지하기 위해서는 방사선원의 위치를 직접적으로 검증하는 것이지만 아직까지 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 감마선조사기의 선원 가이드 튜브에서 방사선원의 위치를 감지할 수 있는 모니터링 시스템 개발을 위한 선행연구로써 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 방사선 검출기에 대한 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, Ir-192의 감마선 에너지에 대한 방사선 검출기는 반도체 소재에 무관하게 $150{\mu}m$에서 2차 전자평형이 이루어지는 것으로 분석되었으며, 감마선 응답 특성은 $HgI_2$가 가장 우수할 것으로 기대된다. 이러한 결과는 차후 모니터링 시스템의 검출부에 위치하는 방사선 검출기의 최적화 두께를 결정하는데 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 이를 바탕으로 모니터링 시스템을 개발 시 방사선작업종사자가 위험을 쉽게 인지하여 안전을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 잠재적인 방사선 사고에 대한 예방 및 선제적 대응이 가능함으로써 사회 안전망 구축 에 기여할 수 있을 것이다.
In the non-destructive inspection field, we invest a lot of time and resources in developing the radiation source system to ensure the safety of the workers. However, the probability of accidents is still high. In order to prevent potential radiation accidents in advance, it is necessary to directly...
In the non-destructive inspection field, we invest a lot of time and resources in developing the radiation source system to ensure the safety of the workers. However, the probability of accidents is still high. In order to prevent potential radiation accidents in advance, it is necessary to directly verify the position of the radiation source, but the research is still insufficient. In this study, we developed a monitoring system that can detect the position of the radiation source in the source guide tube in the gamma-ray irradiator. The characteristics of the radiation detector are estimated by monte carlo simulation. As a result, the radiation detector for Ir-192 gamma-ray energy was analyzed to have secondary electron equilibrium at $150{\mu}m$ regardless of the semiconductor material. Also, it is expected that the gamma ray response characteristic is the best in $HgI_2$. These results are expected to be used as a basis for determining the optimal thickness of the radiation detector located in the detection part of the future monitoring system. In addition, when developing a monitoring system based on this, radiation workers can easily recognize the danger and secure safety, as well as prevent and preemptively respond to potential radiation accidents.
In the non-destructive inspection field, we invest a lot of time and resources in developing the radiation source system to ensure the safety of the workers. However, the probability of accidents is still high. In order to prevent potential radiation accidents in advance, it is necessary to directly verify the position of the radiation source, but the research is still insufficient. In this study, we developed a monitoring system that can detect the position of the radiation source in the source guide tube in the gamma-ray irradiator. The characteristics of the radiation detector are estimated by monte carlo simulation. As a result, the radiation detector for Ir-192 gamma-ray energy was analyzed to have secondary electron equilibrium at $150{\mu}m$ regardless of the semiconductor material. Also, it is expected that the gamma ray response characteristic is the best in $HgI_2$. These results are expected to be used as a basis for determining the optimal thickness of the radiation detector located in the detection part of the future monitoring system. In addition, when developing a monitoring system based on this, radiation workers can easily recognize the danger and secure safety, as well as prevent and preemptively respond to potential radiation accidents.
[3] 하지만, 이는 갑자기 발생할 수 있는 방사선 사고를 선제적으로 대응할수 없을 뿐만 아니라 시스템 대형화로 인해 NDT 분야에 적용이 어려운 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 감마선조사기에 선원 가이드 튜브에서 방사선원의 위치를 감지할 수 있는 모니터링 시스템 개발을 위한 선행연구로써 MC 시뮬레이션을 통해 방사선 검출기에 대한 특성을 모의 추정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 반도체 소재에 따른 방사선 검출기의 감마선 응답 특성을 분석하기 위해 방사선 검출기 상단을 선원 가이드 튜브 표면으로부터 0 - 50 mm 거리에 구현하였고, 거리에 따라 추정된 단위 시간 당 생성되는 전자 · 정공 쌍을 Fig. 3에 나타내었다.
본 연구에서는 전 세계적으로 검증된 방사선 수송 모의 코드인 MCNP(Los Alamos National Laboratory, USA Ver.X) 코드를 이용하여 감마선에 대한 방사선 검출기의 특성을 모의 추정하였다. 또한, 감마선 검사법에 대한 환경을 구현하고자 상용화된 NDT 제품을 참고하여 방사선원, 선원 가이드 튜브, 방사선 검출기를 Fig.
대상 데이터
방사선원은 산업 분야에서 감마선 이용을 위해 사용하는 감마선원 중 방사선 사고가 많이 발생하는 것으로 보고되고 있는 Ir-192를 선정하였다.[4] 선원 가이드 튜브는 텅스텐으로 구성된 방사선을 차폐할 수 있는 관으로써 방사선원의 이동 경로 역할을 수행한다.
이는 낮은 원자번호로 인하여 광전효과의 발생 효율이 적어 두꺼운 두께로 제작이 요구됨에 따라 두꺼운 두께로 제작되어야 하는 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 유효원자번호가 상대적으로 높은 반도체 소재로써 HgI2 , PbI2 , PbO를 선정하였다. Table 2는 MC 시뮬레이션에 이용된 반도체 소재의 기본적 특성을 나타내고 있다.
데이터처리
본 연구에서 반도체 기반의 반도체 검출기에 대한 최적화 두께를 평가하고자 방사선 검출기의 두께에 따른 에너지 흡수효율을 평가하였다. 이 때, 기하학적 구조는 방사선 검출기 하단을 선원 가이드 튜브 표면으 로부터 10 mm에 구현하였다.
성능/효과
분석 결과, 빌드 업 영역에서는 반도체 소재에 무관 하게 두께가 증가함에 따라 유사한 흡수효율 증가 추세가 분석되었다. 이는 방사선 검출기에 입사하는 고에 너지 방사선에 의해 발생하는 전자 · 정공쌍이 방사선 검출기 내부에서 모두 흡수되는 2차 전자평형이 이루 어지기에 불충분한 두께이기 때문으로 사료된다.
이에 본 연구에서는 방사 선원의 위치를 감지할 수 있는 모니터링 시스템의 개발을 위한 선행연구로써 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 방사선 검출기에 대한 감마선 응답 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, Ir-192의 감마선 에너지에 대한 2차 전자평형이 이루어지는 방사선 검출기의 두께는 반도체 소재에 무관하게 150 μm로 유사하지만, 반도체 소재의 원자번호, 밀도와 같은 물리적 성질에 따라 꼬리부의 변화가 나타났으며, 감마선 응답 특성은 거리가 증가함에 따라 지수함수적으로 감소하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 차후 모니터링 시스템의 검출부에 위치하는 방사선 검출기의 최적화 두께와 더불어 검출부의 기하학적 위치를 결정하는데 있어 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
연구 결과, Ir-192의 감마선 에너지에 대한 2차 전자평형이 이루어지는 방사선 검출기의 두께는 반도체 소재에 무관하게 150 μm로 유사하지만, 반도체 소재의 원자번호, 밀도와 같은 물리적 성질에 따라 꼬리부의 변화가 나타났으며, 감마선 응답 특성은 거리가 증가함에 따라 지수함수적으로 감소하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 차후 모니터링 시스템의 검출부에 위치하는 방사선 검출기의 최적화 두께와 더불어 검출부의 기하학적 위치를 결정하는데 있어 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방사선 검출기의 문제점은?
이에 산업 분야에서는 별도의 방사선 검출기를 이용하고 있다.[3] 하지만, 이는 갑자기 발생할 수 있는 방사선 사고를 선제적으로 대응할수 없을 뿐만 아니라 시스템 대형화로 인해 NDT 분야에 적용이 어려운 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 감마선조사기에 선원 가이드 튜브에서 방사선원의 위치를 감지할 수 있는 모니터링 시스템 개발을 위한 선행연구로써 MC 시뮬레이션을 통해 방사선 검출기에 대한 특성을 모의 추정하였다.
방사선 검출기의 구성 및 역할은?
48 R/hr로 보고되었다. 방사선 검출기는 반도체 소재로 구성된 고체 검출기로써 방사선원에서 방출된 감마선과 상호작용하여 흡수선량을 측정하는 역할을 수행한다.[5-9] 일반적으로 고에너지 영역에서 방사선을 검출하기 위하여 이용되는 반도체 소재는 대표적으로 Si (Z = 14)이 있다.
비파괴검사에서 무엇을 이용한 검사법이 이용되고 있는가?
최근 국민 소득 수준이 점차적으로 향상됨에 따라 기초적인 삶을 유지하기 위한 생리적 욕구에서 안전에 대한 욕구로 확장됨에 따라 전 세계적으로 범국가적 안전관리체계를 구축하고 있으며 더 나아가 범세계적 안전규제강화 형태로 나타나고 있다. 이에 비파괴검사 (Non-destructive inspection, 이하 NDT) 분야에서는 감마선을 이용하여 내부 결함을 영상화하는 감사선 검사법을 광범위하게 이용하고 있다. 또한, 작업자들의 안전을 확보하기 위해 방사선원에 대한 시스템 개발에 많은 시간과 재원을 투자하고 있다.
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