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문제 정의
- 본 논문은 무연 방사선의 차폐효과를 실제 실험에 사용되는 환경과 유사하게 전산모사 하는 방법을 제시한 것이다. 이 방법을 사용하면 실험과 비슷한 측정결과를 얻을 수 있어 무연 방사선 차폐소재 개발에 시간적·경제적 손실을 최소화 할 수 있을 것이다.
제안 방법
- 이 배치는 방사선 방호용품류(예, 납 앞치마)의 납당량 측정방법(KS A 4025)과 동일한 구조 및 거리를 갖는다. 차폐율 및 납당량 측정을 위해 사용한 엑스선관 장치는 병원에서 사용하고 있는 일반 촬영용 엑스선장치와 동일하며, 방사선의 조사선량을 측정하기 위해 전리함을 두었다.
- 따라서 엑스선관에 입사하는 전자 1개에 대한 스펙트럼으로 표시하고 전체 스펙트럼의 광자 개수가 1×107개가 되도록 하여 차폐재료 및 납 시트의 차폐율 전산모사에 사용하였다.
- 엑스선관의 스펙트럼을 0.25 mmPb의 시트(Sheet)에 입사하도록 하여 검출되는 광자의 개수를 측정하였다. Fig.
- 납을 대신해서 텅스텐(W)과 비스무스(Bi)를 혼합한 무연 차폐재를 전산모사 하였다. Table 3은 두께 0.
- 비스무스는 무연납 시트의 공극률을 줄이기 위해 사용되기 때문에 공극률에 따른 차폐율의 변화를 몬테카를로 전산모사 하였다. 텅스텐 90%와 비스무스 10%로 혼합된 재료에 공기 기포가 포함되도록 하여 시뮬레이션 하였다.
- 비스무스는 무연납 시트의 공극률을 줄이기 위해 사용되기 때문에 공극률에 따른 차폐율의 변화를 몬테카를로 전산모사 하였다. 텅스텐 90%와 비스무스 10%로 혼합된 재료에 공기 기포가 포함되도록 하여 시뮬레이션 하였다. Table 4는 공극률에 따른 차폐율의 변화를 나타낸 것으로, 공극률이 증가할수록 차폐율은 거의 선형적으로 감소함을 알 수 있다.
- 82×1010개의 광자로 변환된다. C++의 int형 정수의 한계로 인해 이렇게 많은 광자를 전산모사하기 어렵기 때문에 상대적으로 적은 수의 광자를 이용하여 계산을 수행하였다. 그러나 결과는 Eq (1)과 같이 I/I0의 비에 의해 결정되기 때문에 두 결과는 통계적 요동을 제외하고는 거의 동일하게 된다.
- 텅스턴 양극에서 발생된 엑스선 스펙트럼을 이용하여 무연재료로 선택된 텅스텐 차폐재를 사용하여 차폐효과를 전산모사 하였다. 69.
- Genat4 몬테카를로 전산모사를 통해 무연 방사선 차폐소재의 차폐율 및 납당량을 평가하는 방법을 제시하였다. 차폐율 및 납당량 평가에 사용되는 100 kV관전압 조건에서 2.
- 이론적인 텅스텐의 특성 방사선 위치와 동일한 에너지에서 특성 방사선이 얻어졌고 및 1/에너지의 제동복사의 형태를 갖는다는 것을 확인하였다. 이 스펙트럼을 무연 소재인 텅스텐과 비스무스 혼합 비율에 대한 납당량과 차폐율을 평가하였다. 텅스텐의 함량이 높을수록, 공극률이 낮을수록 높은 차폐효과를 나타내었다.
- 납당량 측정에 있어 표준납의 두께 보정이 매우 중요하였고, 납당량의 부정확한 측정의 요인이 될 수 있음을 보였다. 무연 차폐재를 투과한 엑스선의 조사선량을 측정함으로써 차폐율을 계산하였고 이와 동등한 값을 주는 납당량을 계산하였다.
대상 데이터
- 관전압이 150 kV 미만인 방사선 방호에 사용되는 제품의 시험은 관전압 100 kV, 총여과 0.25 mm Cu 이상인 엑스선을 사용하도록 규정하고 있어 엑스선관에서 발생되는 엑스선 스펙트럼을 먼저 얻어 차폐 시료의 평가에 사용하였다.
- 엑스선관에서 발생되는 광자를 전산모사하기 위해 2.1×109개의 전자를 입사시켜 광자 스펙트럼을 획득하였다.
- 차폐율 및 납당량 평가에 사용되는 100 kV관전압 조건에서 2.1×109개의 전자를 입사시켜 엑스선관의 광자 스펙트럼을 획득하였다.
이론/모형
- Geant4에서는 입자의 진행을 추적하기 때문에 계산시간이 매우 오래 걸린다. 이를 개선하기 위해 멀티 스레딩 기법을 사용하였다. 아래의 Table 1은 사용된 컴퓨터 사양과 Geant4의 버전을 나타낸 것이다.
성능/효과
- 3과 같다. Fig. 2에서 1.0 mm 두께의 Be 윈도우 및 0.25 mm 두께의 구리 필터가 엑스선관 앞단에 설치되어 있고, 0.25 mm Cu로 여과되기 때문에 낮은 에너지(대략 30 keV이하)는 대부분 제거되는 것을 확인할 수 있고, 전체적으로 광자의 개수가 상당히 줄었다는 것을 알 수 있다. 텅스텐 스펙트럼에서 텅스텐의 특성 에너지 피크들이 정확한 위치(59.
- 25 mm Cu로 여과되기 때문에 낮은 에너지(대략 30 keV이하)는 대부분 제거되는 것을 확인할 수 있고, 전체적으로 광자의 개수가 상당히 줄었다는 것을 알 수 있다. 텅스텐 스펙트럼에서 텅스텐의 특성 에너지 피크들이 정확한 위치(59.3 keV, 67.2 keV)에 나타나고 있는 것을 알 수 있으며 제동복사의 형태도 잘 알려진 것과 같이 직선에 가까운 1/에너지의 형태를 가진다는 것도 확인된다.[21]
- 1×109개의 전자를 입사시켜 엑스선관의 광자 스펙트럼을 획득하였다. 이론적인 텅스텐의 특성 방사선 위치와 동일한 에너지에서 특성 방사선이 얻어졌고 및 1/에너지의 제동복사의 형태를 갖는다는 것을 확인하였다. 이 스펙트럼을 무연 소재인 텅스텐과 비스무스 혼합 비율에 대한 납당량과 차폐율을 평가하였다.
- 이 스펙트럼을 무연 소재인 텅스텐과 비스무스 혼합 비율에 대한 납당량과 차폐율을 평가하였다. 텅스텐의 함량이 높을수록, 공극률이 낮을수록 높은 차폐효과를 나타내었다.
후속연구
- 이 방법을 사용하면 실험과 비슷한 측정결과를 얻을 수 있어 무연 방사선 차폐소재 개발에 시간적·경제적 손실을 최소화 할 수 있을 것이다.
- 요구하는 납당량 또는 차폐율을 사전에 전산모사함으로써 실제 제작과정에서의 제작 횟수를 최소화 할 수 있을 것이다. 전산모사 과정에서 고려하지 못한 차폐재의 두께 불균일성 등의 인자들을 추가로 함으로서 전산모사의 결과를 향상시키고, 실제 측정 결과 사이의 차이를 최소화 할 수 있을 것이다.
- 요구하는 납당량 또는 차폐율을 사전에 전산모사함으로써 실제 제작과정에서의 제작 횟수를 최소화 할 수 있을 것이다. 전산모사 과정에서 고려하지 못한 차폐재의 두께 불균일성 등의 인자들을 추가로 함으로서 전산모사의 결과를 향상시키고, 실제 측정 결과 사이의 차이를 최소화 할 수 있을 것이다.
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