비파괴검사 분야에서 방사선원의 위치 확인을 위한 산화납 기반 방사선 검출기 설계에 관한 연구 The Study on Design of lead monoxide based radiation detector for Checking the Position of a Radioactive Source in an NDT원문보기
최근, 감마선 조사기의 자동 원격 조사 제어기가 오동작하여 방사선작업종사자가 방사선 피폭 사고가 지속적으로 보고되고 있다. 이에 NDT 분야에서는 방사선에 대한 잠재적 사고를 미연에 방지하기 위한 방사선원 모니터링 시스템 구축에 많은 시간과 재원을 투자하고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 비파괴검사장비에 범용적으로 적용할 수 있는 방사선원 위치 모니터링 시스템의 개발을 위한 선행연구로써 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 산화납 기반 방사선 검출기에 대한 감마선 응답 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, 방사선 검출기의 최적화 두께는 방사선원에서 방사되는 감마선 에너지에 따라 상이하며 에너지가 증가함에 따라 최적화 두께가 점차 증가하는 것으로 나타났다. 결론적으로 PbO 기반 방사선 검출기의 최적화 두께는 Ir-192에 대하여 $200{\mu}m$, Se-75 $150{\mu}m$, Co-60 $300{\mu}m$로 분석되었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 범용적으로 적용하기 위하여 2차 전자 평형을 고려한 PbO 기반 방사선 검출기의 적절한 두께는 $300{\mu}m$로 평가되었다. 이러한 결과는 차후 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용하기 위한 방사선원 위치 모니터링 시스템을 개발 시 방사선 검출기에서 요구되는 적절한 두께를 결정하는데 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
최근, 감마선 조사기의 자동 원격 조사 제어기가 오동작하여 방사선작업종사자가 방사선 피폭 사고가 지속적으로 보고되고 있다. 이에 NDT 분야에서는 방사선에 대한 잠재적 사고를 미연에 방지하기 위한 방사선원 모니터링 시스템 구축에 많은 시간과 재원을 투자하고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 비파괴검사장비에 범용적으로 적용할 수 있는 방사선원 위치 모니터링 시스템의 개발을 위한 선행연구로써 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 산화납 기반 방사선 검출기에 대한 감마선 응답 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, 방사선 검출기의 최적화 두께는 방사선원에서 방사되는 감마선 에너지에 따라 상이하며 에너지가 증가함에 따라 최적화 두께가 점차 증가하는 것으로 나타났다. 결론적으로 PbO 기반 방사선 검출기의 최적화 두께는 Ir-192에 대하여 $200{\mu}m$, Se-75 $150{\mu}m$, Co-60 $300{\mu}m$로 분석되었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 범용적으로 적용하기 위하여 2차 전자 평형을 고려한 PbO 기반 방사선 검출기의 적절한 두께는 $300{\mu}m$로 평가되었다. 이러한 결과는 차후 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용하기 위한 방사선원 위치 모니터링 시스템을 개발 시 방사선 검출기에서 요구되는 적절한 두께를 결정하는데 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
In recent years, the automatic remote control controller of the gamma ray irradiator malfunctions, and radiation workers are continuously exposed to radiation exposure accidents. In the non-destructive testing field, much time and resources are invested in establishing a radioactive source monitorin...
In recent years, the automatic remote control controller of the gamma ray irradiator malfunctions, and radiation workers are continuously exposed to radiation exposure accidents. In the non-destructive testing field, much time and resources are invested in establishing a radioactive source monitoring system in order to prevent potential incidents of radiation. In this study, the gamma-ray response properties of the lead monoxide-based radiation detector were estimated through monte carlo simulation as a previous study for the development of a radioactive source location monitoring system that can be applied universally to various non-destructive testing equipment. As a result of the study, the optimized thickness of the radiation detector varies according to the gamma-ray energy emitted from the radioactive source, and the optimized thickness gradually increases with increasing energy. In conclusion, the optimized thickness of the lead monoxide-based radiation detector was $200{\mu}m$ for the Ir-192, $150{\mu}m$ for the Se-75 and $300{\mu}m$ for the Co-60. Based on these results, the appropriate thickness of lead monoxide-based radiation detector considering secondary-electron equilibrium was evaluated to be $300{\mu}m$ for general application. These results can be used as a basic data for determining the appropriate thickness required in the radiation detector when developing a radiation source location monitoring system for universal application to various non-destructive testing equipment in the future.
In recent years, the automatic remote control controller of the gamma ray irradiator malfunctions, and radiation workers are continuously exposed to radiation exposure accidents. In the non-destructive testing field, much time and resources are invested in establishing a radioactive source monitoring system in order to prevent potential incidents of radiation. In this study, the gamma-ray response properties of the lead monoxide-based radiation detector were estimated through monte carlo simulation as a previous study for the development of a radioactive source location monitoring system that can be applied universally to various non-destructive testing equipment. As a result of the study, the optimized thickness of the radiation detector varies according to the gamma-ray energy emitted from the radioactive source, and the optimized thickness gradually increases with increasing energy. In conclusion, the optimized thickness of the lead monoxide-based radiation detector was $200{\mu}m$ for the Ir-192, $150{\mu}m$ for the Se-75 and $300{\mu}m$ for the Co-60. Based on these results, the appropriate thickness of lead monoxide-based radiation detector considering secondary-electron equilibrium was evaluated to be $300{\mu}m$ for general application. These results can be used as a basic data for determining the appropriate thickness required in the radiation detector when developing a radiation source location monitoring system for universal application to various non-destructive testing equipment in the future.
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문제 정의
본 연구에서 방사선원에 따른 방사선 검출기의 최적화 두께를 평가하고자 상대적인 흡수선량을 평가하였다. 이때, 기하학적 구조는 방사선 검출기 하단을 선원 가이드 튜브 표면으로부터 10 mm에 구현하였다.
본 연구에서는 방사선원에서 노출되는 방사선 에너지에 대한 상대적인 흡수선량 (Relative Absorption Dose)의 분석을 위하여 방사선 검출기를 구현하였다. 이때, 시뮬레이션 결과를 얻기 위한 Tally specification card는 F6 Tally를 통하여 방사선 검출기에서 흡수될 확률을 5 × 107 번의 샘플링을 통해 모의 추정하였다.
이러한 방사선원 위치 모니터링 시스템에서 방사선 검출기는 방사선원의 위치를 검증하기 위한 핵심 소재로써 일반적으로 2차 전자평형이 이루어지는 두께인 최대선량지점 보다 방사선 검출기의 두께가 얇을 경우 측정 오차가 크기 때문에 2차 전자평형이 이루어지는 두께를 고려해야만 한다. 이에 본 연구에서는 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용할 수 있는 방사선원 위치 모니터링 시스템의 개발을 위한 선행연구로써 MC 시뮬레이션을 통해 PbO 기반 방사선 검출기에 대한 감마선 응답 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, 방사선 검출기의 최적화 두께는 방사선원에서 방사되는 감마선 에너지에 따라 상이하며 에너지가 증가함에 따라 최적화 두께가 점차 증가하는 것으로 나타났다.
하지만 아직까지 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용할 수 있는 방사선원 위치 모니터링 시스템은 기술적 어려움으로 개발되지 못하고 있으며 이에 대한 개발의 필요성은 점차 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 방사선원에서 방사되는 감마선을 통하여 위치를 검출할 수 있는 산화납 (Lead monoxide, 이하 PbO) 기반 방사선 검출기를 개발하기 위한 선행 연구로써 몬테카를로 (Monte Carlo, 이하 MC) 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
본 연구에서 이용된 PbO는 다른 타 반도체 소재에 비하여 높은 바이어스 영역에서 낮은 누설전류와 높은 분해능을 가지는 특성을 나타낼 뿐만 아니라 입사되는 광자에 대하여 빠른 응답특성을 가지는 것으로 보고되고 있다.[12] 이에 본 연구에서는 PbO로 구성된 방사선 검출기를 구현하였고 방사선원에 따른 감마선 응답 특성을 모의 추정하였다. 이때, MC 시뮬레이션에 사용된 PbO는 유효원자번호 76.
선원 가이드 튜브는 측정 대상물에 방사선원을 이동 시킬 때 방사되는 방사선의 강도를 감쇠시키면서도 이동 경로의 역할을 수행한다. 또한, Ir-192의 초기 강도를 50%로 감약 시킬 수 있는 두께 3.3 mm의 텅스텐 재질로 설계하였다. 방사선 검출기는 반도체 소재로 구성된 고체 검출기로써 방사선원에서 방출된 감마선과 상호작용하여 흡수선량을 측정하는 역할을 수행한다.
X) 코드를 이용하여 감마선에 대한 방사선 검출기의 특성을 모의 추정하였다. 또한, 감마선 검사법에 대한 환경을 구현하고자 방사선원, 선원 가이드 튜브, 방사선 검출기를 Fig. 1과 같이 모델링함으로써 MC 시뮬레이션을 수행하였다.[4] 또한, MC 시뮬레이션에서 설정한 기하학적 조건을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 방사선원은 선원 가이드 튜브 내부에 점선원으로써 구현하고 방사선원에서 발생하는 감마선 에너지를 정의하였다. 또한, 방사선원에서 방출된 광자들의 모의수송을 정의하기 위하여 Mode P를 이용하였고, 에너지는 Table 2에서 제시된 방사선원에 대한 단일 광자로써 정의하였으며 광자의 발생 시간은 감마상수 (Rhm)을 고려하여 제어하였다.
본 연구에서는 방사선원에 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. 4에 나타내었다.
연구 결과, 방사선 검출기의 두께가 증가함에 따라 상대적인 흡수선량의 극점을 가지는 것으로 분석되었으며 이를 기준으로 추세 변화가 나타났다. 본 연구에서는 이러한 결과를 정량적으로 분석하기 위하여 방사선 검출기 두께에 따른 상대적인 흡수선량을 3가지 영역으로 구분하였다. 3가지 영역은 빌드 업 영역, 최대선량 (Dmax) 지점, 꼬리 부로 명명하였다.
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 방사선원, 선원 가이드 튜브, 방사선 검출기를 Fig.
대상 데이터
MC 시뮬레이션에 사용된 방사선원은 비파괴산업분야에서 감마선의 이용을 위하여 주로 사용되는 방사선원 중 Ir-192, Se-75, Co-60를 선정하였다.[5] Table 2는 MC 시뮬레이션에 이용된 감마선원에 대한 기본적 특성을 나타내고 있다.
이때, 시뮬레이션 결과를 얻기 위한 Tally specification card는 F6 Tally를 통하여 방사선 검출기에서 흡수될 확률을 5 × 107 번의 샘플링을 통해 모의 추정하였다.
성능/효과
결론적으로 PbO 기반 방사선 검출기의 최적화 두께는 Ir-192에 대하여 200 μm, Se-75 150 μm, Co-60 300 μm로 분석되었다.
이러한 연구 결과를 바탕으로 범용적으로 적용할 수 있는 PbO 기반 방사선 검출기의 두께는 300 μm가 적절할 것으로 평가하였다. 또한, 감마선 응답 특성은 거리가 증가함에 따라 지수함수 적으로 감소하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 차후 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용하기 위한 방사선원 위치 모니터링 시스템을 개발 시 방사선 검출기에서 요구되는 적절한 두께를 결정하는데 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 결과는 2차 전자의 최대 비정과 입사하는 감마선 에너지의 관계가 비례관계에 있으므로 이론에 부합하는 결과가 도출되었음을 알 수 있다. 또한, 꼬리부에서는 방사선 검출기가 증가함에 따라 상대적인 흡수선량의 감소 추세가 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 감마선 에너지에 의하여 결정되는 질량 에너지 흡수 계수의 차이에 기인하는 것으로 사료된다.
분석 결과, 빌드 업 영역에서는 방사선원과는 무관하게 검출기의 두께가 증가함에 따라 상대적인 흡수선량이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 방사선 검출기의 정밀한 측정에 중요한 요소 중 하나인 2차 전자평형이 이루어지지 않았다는 것을 의미한다.
연구 결과, 방사선 검출기와 선원 가이드 튜브의 거리가 증가함에 따라 단위시간 당 생성되는 전자· 정공 쌍은 지수함수 적으로 감소하는 것으로 나타났다.
연구 결과, 방사선 검출기의 두께가 증가함에 따라 상대적인 흡수선량의 극점을 가지는 것으로 분석되었으며 이를 기준으로 추세 변화가 나타났다. 본 연구에서는 이러한 결과를 정량적으로 분석하기 위하여 방사선 검출기 두께에 따른 상대적인 흡수선량을 3가지 영역으로 구분하였다.
이에 본 연구에서는 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용할 수 있는 방사선원 위치 모니터링 시스템의 개발을 위한 선행연구로써 MC 시뮬레이션을 통해 PbO 기반 방사선 검출기에 대한 감마선 응답 특성을 모의 추정하였다. 연구 결과, 방사선 검출기의 최적화 두께는 방사선원에서 방사되는 감마선 에너지에 따라 상이하며 에너지가 증가함에 따라 최적화 두께가 점차 증가하는 것으로 나타났다. 결론적으로 PbO 기반 방사선 검출기의 최적화 두께는 Ir-192에 대하여 200 μm, Se-75 150 μm, Co-60 300 μm로 분석되었다.
이러한 Dmax가 나타나는 방사선 검출기 두께를 분석한 결과, Ir-192의 경우 200 μm, Se-75의 경우 150 μm, Co-60의 경우 300 μm로 나타났다.
연구 결과, 방사선 검출기와 선원 가이드 튜브의 거리가 증가함에 따라 단위시간 당 생성되는 전자· 정공 쌍은 지수함수 적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로써 본 연구에서 수행된 MC 시뮬레이션이 거리 역자 승의 법칙에 잘 부합한다는 것을 의미한다. 또한, 생성된 전자·정공 쌍의 수를 분석하면 10 mm 지점에서 Se-75의 경우 1.
이러한 연구 결과들을 바탕으로 최적화된 방사선 검출기를 제작하기 위해서는 방사선원에서 방사되는 감마선 에너지에 대하여 2차 전자평형이 이루어지는 최대선량 지점에 부합하는 방사선 검출기의 두께 설정이 중요함을 검증하였으며 에너지가 증가함에 따라 두께가 증가한다는 것을 정량적으로 고찰하였다.
이러한 연구 결과를 바탕으로 범용적으로 적용할 수 있는 PbO 기반 방사선 검출기의 두께는 300 μm가 적절할 것으로 평가하였다.
029 cm2/g로 나타난다. 이러한 질량 에너지 흡수 계수의 값은 방사선 에너지에 따라 PbO 기반 방사선 검출기에서 흡수되는 영향을 정량적으로 표현하므로 본 연구에서 MC 시뮬레이션을 통하여 획득된 상대적인 흡수선량의 결과가 이론에 부합하는 것을 알 수 있다.
후속연구
또한, 감마선 응답 특성은 거리가 증가함에 따라 지수함수 적으로 감소하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 차후 다양한 NDT 장비에 범용적으로 적용하기 위한 방사선원 위치 모니터링 시스템을 개발 시 방사선 검출기에서 요구되는 적절한 두께를 결정하는데 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방사선으로 인한 산업재해를 미연에 방지하는 근본적인 방안은 무엇인가?
[1] 이러한 산업재해는 하인리히의 법칙에 따르면 보고되고 있는 방사선 피폭 사고 보다 더 많은 잠재적 사고의 위험성이 있을 가능성이 있다. 이러한 방사선에 대한 잠재적 사고를 미연에 방지하는 근본적인 방안은 방사선원의 위치를 직접적으로 검증하는 것이다.[2,3] 이에 NDT 분야에서는 방사선에 대한 잠재적 사고를 미연에 방지하기 위한 방사선원 모니터링 시스템 구축에 많은 시간과 재원을 투자하고 있다.
NDT의 목적은?
NDT (Non-destructive inspection)의 목적은 제품에 대한 모양이나 기능을 변화시키지 않고 내부에 존재하는 결함을 영상화함으로써 품질을 검증하는 것이다. 최근, 감마선 조사기의 자동 원격 조사 제어기가 오동작하여 방사선작업종사자가 방사선 피폭 사고가 지속적으로 보고되고 있다.
MCNP (Los Alamos National Laboratory, USA Ver.X) 코드란 무엇인가?
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.
참고문헌 (13)
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