[논문]모의실험을 통한 선형가속기 부품과 차폐벽의 방사화 평가

이동연; 박은태; 김정훈

doi:10.5392/jkca.2017.17.09.069

모의실험을 통한 선형가속기 부품과 차폐벽의 방사화 평가
Evaluate the Activation of Linear Accelerator Components and Shielding Wall through Simulation 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.17 no.9, 2017년, pp.69 - 76

이동연 (동남권원자력의학원 방사선종양학과) , 박은태 (인제대학교 부산백병원 방사선종양학과) , 김정훈 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 의료용 선형가속기 사용에 따른 차폐벽과 가속기 주변 부품의 방사화에 대한 평가를 수행하였다. 평가방법은 에너지 20 MV와 가동시간 1 일부터 ~ 30 년까지 각각 모의실험을 진행 하였으며, 평가부분은 선형가속기 헤드 부분과 차폐벽을 이루고 있는 콘크리트에 대하여 실험을 진행하였다. 그 결과, 중성자 양은 광자가 생성되는 타깃을 중심으로 거리에 따라 중성자가 분포하는 것으로 분석되었다. 특히 타깃의 중성자 플럭스는 9.19E+08 개/$cm^2$/sec로 가장 높게 나타났다. 차폐벽은 상대적으로 타깃과 인접한 부분이 높게 분석되었으며, 그 값은 28967 개/$cm^2$/sec로 계산되었다. 이를 바탕으로 방사화를 분석한 결과 가동시간이 길수록 방사능이 높았으며, 대부분 10년부터 방사화가 포화되는 것으로 분석되었다. 또한 방사화로 인해 생성된 핵종은 대표적으로 Co-60, W-181, 185, 187, Na-24, Ca-45, Mn-54, 56, Fe-55, 59 등으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluated the activation of the shielding wall and the components around the accelerator by using the medical linear accelerator. We performed simulations for energy values of 20 MV with the operating time ranging from day 1 to 30 years, and linear accelerator head and shielding wall concrete were also evaluated. The results showed that neutrons in large quantities were analyzed using high energy around thetarget point where photons were formed. Based on the activation analysis with these results, radioactivity increased with an increase in operation time and activated nuclides usually start saturating in10 years. Furthermore, the general types of nuclides formed owingto the activation were Co-60, W-181, 185, 187, Na-24, Ca-45, Mn-54, 56, and Fe-55, 59.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 의료용 선형가속기의 중성자 발생량을 예측하고 이를 바탕으로 선형가속기 헤드를 구성하는 부품과 차폐벽을 이루고 있는 콘크리트에 대하여 방사화 평가를 시행하였다.
이에 본 연구는 선형가속기에서 발생되는 중성자에 대한 양을 먼저 파악한 후, 선형가속기 헤드를 구성하는 재질(텅스텐, 구리)과 치료실을 차폐하고 있는 콘크리트를 대상으로 모의실험을 통해 방사화 정도를 분석하고자 한다.

가설 설정

또한 각 부품을 대상으로 Tally F4를 사용하여 전자 한 개당 생성된 중성자 플럭스(Neutron number/㎠/e)를 측정하였다. 이후 선형가속기의 선량률은 분당 6 Gy로 가정하여 초당 측정된 중성자 플럭스(Neutron number/㎠/sec)를 환산하였다.

제안 방법

본 연구에서 모사한 선형가속기 두부에 대한 신뢰성을 먼저 검증하기 위해 발생한 광자에 대한 에너지 스펙트럼, 특성에너지, 평균에너지, 광자플럭스를 측정하여 분석하였다. 광자 측정 방법은 타깃 바로 아래에 반경 5 cm인 가상의 원형 검출기를 위치시켜 광자의 플럭스를 측정하였다. 이 때 Tally는 F5를 사용하여 전자 1개당 생성된 광자 플럭스(Photon number/㎠/e)를 측정하였으며, 10 keV 단위별로 광자 플럭스를 측정하여 에너지 스펙트럼을 획득하였다.
끝으로 방사화 평가 후 발생한 핵종들에 대하여 시간에 따른 비방사능(Bq/kg)을 산출하였으며, 실험결과 나타난 모든 핵종들 중 반감기와 방출 에너지, 규제해제농도 등을 고려하여 방사선피폭과 선형가속기 해체 시 발생하는 방사성폐기물재고량 등 향후 문제를 일으킬 것으로 판단되는 핵종을 선택하여 분석하였다.
차폐벽의 방사화 평가는 [그림 3]과 같이 ① ～ ⑨ 총 9개 구역으로 설정하여 분석하였다. 또한 각 부품을 대상으로 Tally F4를 사용하여 전자 한 개당 생성된 중성자 플럭스(Neutron number/㎠/e)를 측정하였다. 이후 선형가속기의 선량률은 분당 6 Gy로 가정하여 초당 측정된 중성자 플럭스(Neutron number/㎠/sec)를 환산하였다.
벽의 두께는 200 cm, 치료실 내의 크기는 가로 600 cm, 세로 800 cm, 높이 270 cm으로 설정하였으며, 미로형을 만드는 부분(maze)의 두께는 100 cm, 통로의 너비는 150 cm로 하였다. 또한 선형가속기가 회전하면서 1차선이 조사되는 부분은 50 cm 두께의 콘크리트를 추가하였다.
방사화 평가는 부품과 차폐벽에서 중성자 플럭스가 가장 높게 측정된 부분을 선택하여 평가하였다. 방사화가 진행되는 시간에 해당하는 선형가속기 가동시간의경우 24시간 중 하루 8시간 동안 사용한다는 가정 하에 1일, 1주일, 1달, 1년, 10년, 20년, 30년 기간을 나누어 평가를 실시하였다.
방사화 평가는 중성자가 가장 높게 계산된 타깃과 차폐벽 ⑤구역을 대상으로 평가하였으며, 타깃의 경우 구리와 텅스텐으로 이루어져 있기 때문에 각각의 경우를 산출하였다. 그 결과, 생성된 핵종들의 반감기는 구리의 경우 1.
방사화 평가는 부품과 차폐벽에서 중성자 플럭스가 가장 높게 측정된 부분을 선택하여 평가하였다. 방사화가 진행되는 시간에 해당하는 선형가속기 가동시간의경우 24시간 중 하루 8시간 동안 사용한다는 가정 하에 1일, 1주일, 1달, 1년, 10년, 20년, 30년 기간을 나누어 평가를 실시하였다. 이와 같이 평가한 이유는 방사선 방어학적인 관점에서 보수적으로 평가하기 위함이다.
본 연구에서 모사한 선형가속기 두부에 대한 신뢰성을 먼저 검증하기 위해 발생한 광자에 대한 에너지 스펙트럼, 특성에너지, 평균에너지, 광자플럭스를 측정하여 분석하였다. 광자 측정 방법은 타깃 바로 아래에 반경 5 cm인 가상의 원형 검출기를 위치시켜 광자의 플럭스를 측정하였다.
선형가속기 헤드를 구성하는 부품(1차 조리개, 타깃, 선속평탄여과판, 2차 조리개, MLC)과 차폐벽이 받은중성자의 양을 측정하였다. 차폐벽의 방사화 평가는 [그림 3]과 같이 ① ～ ⑨ 총 9개 구역으로 설정하여 분석하였다.
광자 측정 방법은 타깃 바로 아래에 반경 5 cm인 가상의 원형 검출기를 위치시켜 광자의 플럭스를 측정하였다. 이 때 Tally는 F5를 사용하여 전자 1개당 생성된 광자 플럭스(Photon number/㎠/e)를 측정하였으며, 10 keV 단위별로 광자 플럭스를 측정하여 에너지 스펙트럼을 획득하였다.
이 중 감마선 방출 핵종과 반감기가 1시간 미만인 단 반감기에 속하는 핵종들 및 일정 시간 후 포화된 양이 규제해제농도를 넘지 않는 핵종을 제외하고, 의미 있는 방사능 수치가 계산된 핵종들을 선택하여 [그림 5]로나타냈다. 생성된 핵종 중 방사화 된 핵종들은 대부분 1년부터 방사능이 포화되는 것으로 평가되었으며, 그 양은 구리의 경우 Co-60 (1.
[그림 4]는 전자선 20 MeV를 가속시켰을 때 발생한 광자의 에너지 스펙트럼이다. 이를 토대로 생성된 광자 플럭스(Photon number/㎠/e)와 특성에너지, 평균에너지를 계산하였다. 특히 20 MeV 전자 한 개에서 발생하는 광자 플럭스는 2.
선형가속기 헤드를 구성하는 부품(1차 조리개, 타깃, 선속평탄여과판, 2차 조리개, MLC)과 차폐벽이 받은중성자의 양을 측정하였다. 차폐벽의 방사화 평가는 [그림 3]과 같이 ① ～ ⑨ 총 9개 구역으로 설정하여 분석하였다. 또한 각 부품을 대상으로 Tally F4를 사용하여 전자 한 개당 생성된 중성자 플럭스(Neutron number/㎠/e)를 측정하였다.

대상 데이터

선형가속기의 경우 실제 임상에서 사용하는 장비를 단순화시켜 두부(Head) 부분을 중점적으로 모사하였다. 모사한 부품은 타깃, 플랫트닝필터, 1차콜리메이터, 2차콜리메이터, 다엽콜리메이터를 모사하였으며 각 부품별 기하학적 구조를 [그림 2]에 나타내었다. 콜리메이터는 밀도 19.
[그림 3]은 차폐벽에 대한 기하학적 구조이며, IAEA에서 제시한 방사선치료 장비에 대한 설계[11]를 참고하였다. 벽의 두께는 200 cm, 치료실 내의 크기는 가로 600 cm, 세로 800 cm, 높이 270 cm으로 설정하였으며, 미로형을 만드는 부분(maze)의 두께는 100 cm, 통로의 너비는 150 cm로 하였다. 또한 선형가속기가 회전하면서 1차선이 조사되는 부분은 50 cm 두께의 콘크리트를 추가하였다.
앞서 MCNPX를 이용하여 측정한 중성자 플러스(Neutron number/㎠/sec) 값을 입력값으로 사용하였다. 선형가속기에서 발생한 중성자의 경우, 상대적으로 낮은 에너지 영역대로서 EAF-2007 WIMS 69 군 라이브러리를 사용하여 평가하였다.
콘크리트 재질은 구성하는 성분의 차이에 따라 NBS03, NBS 04, Magnetite, Barytes, Magnetite and steel, Limonite and steel 6 등으로 분류하며[12], 이 중 본 연구에서는 Magnetite and steel을 사용하였다. 이것은 구성성분 중 철 함유량이 가장 높은 것을 사용함으로써 방사화 진행으로 인해 생성되는 코발트 핵종을 분석하기 위함이다.
모사한 부품은 타깃, 플랫트닝필터, 1차콜리메이터, 2차콜리메이터, 다엽콜리메이터를 모사하였으며 각 부품별 기하학적 구조를 [그림 2]에 나타내었다. 콜리메이터는 밀도 19.4 g/㎤의 텅스텐, 플랫트닝 필터는 8.94 g/㎤의 구리, 타깃은 구리와 텅스텐으로 설정하였다.

이론/모형

본 연구는 방사선량을 계산하기 위해 컴퓨터를 이용한 모의실험을 진행하였으며, [그림 1]은 실험에 대한 전체적인 흐름도이다. 선형가속기에서 발생되는 광자와 중성자의 양을 계산하기 위하여 MCNPX(ver.2.5.0)를 사용하였으며, 중성자로 인해 진행될 방사화 평가는 FISPACT-2010 코드를 사용하였다.

성능/효과

방사화 평가는 중성자가 가장 높게 계산된 타깃과 차폐벽 ⑤구역을 대상으로 평가하였으며, 타깃의 경우 구리와 텅스텐으로 이루어져 있기 때문에 각각의 경우를 산출하였다. 그 결과, 생성된 핵종들의 반감기는 구리의 경우 1.05 mins～1.5E+06 years, 텅스텐의 경우 0.28secs～5.9E+17 years, 차폐벽의 경우 0.71 secs～5.3E+19 years으로 나타났다.
끝으로, 타깃과 차폐벽에서 진행된 방사화를 보면, 발생한 핵종들에 대하여 감마선 방출 핵종과 반감기 그리고 규제해제농도를 고려하였을 때, 의미 있는 결과값을 보인 핵종은 구리에서 C0-60, Ni-65, Cu-64, 텅스텐에서 W-181, 185, 187 차폐벽에서 Na-24, Ca-45, Sc-46, 48, Mn-54, 56, Fe-59로 분석되었다. 위의 결과값을 감마스펙트로스코피를 이용하여 방사화 평가를 진행한 Helmut[19] 등의 연구와 비교하였을 때, Helmut 등의 연구에서 분석된 핵종은 Na-24, Al-28, Mn-54, 56, Co-60, W-187 등이 검출되어 본 연구결과와 핵종이 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 본 연구결과 얻은 중성자의 특성으로 미로형을 만드는 ⑦구역을 살펴보면, 상대적으로 타깃과 거리가 가까운 ③,④,⑧,⑨구역과 비교하였을 때, 높은 중성자플루언스를 보였다. 이는 중성자의 특성을 고려하였을 때, 차폐벽과 상호작용 후 차폐벽에 모두 흡수되는 것이 아니라 주변으로 산란 작용이 있다는 것을 의미하며, 그 중에서 ⑦구역은 3면이 노출되어 있기 때문에 중성자 플루언스가 높게 나타난 것으로 사료된다.
본 모의실험 결과, 선형가속기 부품과 차폐벽에서 가동간의 차이는 있었지만 모두 일정기간이 경과하면 방사화가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 특히 선형가속기의 두부 부품은 차폐벽과 비교하였을 때, 상대적으로 높은 방사능을 띄고 있었다.
본 연구에서 획득한 광자 스펙트럼의 경우 기존의Mesbihi[15] 등의 연구와 Baumgatner[16] 등의 연구와 비교하면, 에너지 스펙트럼의 모양은 유사하였으나 광자에 대한 평균에너지 값은 본 연구의 결과값과 약 5% 정도 낮게 나타났다. 이는 선형가속기의 기하학적 구조 및 스펙트럼을 측정한 위치 때문인 것으로 판단된다.
이 중 감마선 방출 핵종과 반감기가 1시간 미만인 단 반감기에 속하는 핵종들 및 일정 시간 후 포화된 양이 규제해제농도를 넘지 않는 핵종을 제외하고, 의미 있는 방사능 수치가 계산된 핵종들을 선택하여 [그림 5]로나타냈다. 생성된 핵종 중 방사화 된 핵종들은 대부분 1년부터 방사능이 포화되는 것으로 평가되었으며, 그 양은 구리의 경우 Co-60 (1.57E+03 Bq/kg), 텅스텐의 경우 W-181(5.69E+07 Bq/kg), 콘크리트의 경우 Mn-54 (3.89E+02 Bq/kg)으로 규제해제농도를 초과한 것으로 분석되었다.
끝으로, 타깃과 차폐벽에서 진행된 방사화를 보면, 발생한 핵종들에 대하여 감마선 방출 핵종과 반감기 그리고 규제해제농도를 고려하였을 때, 의미 있는 결과값을 보인 핵종은 구리에서 C0-60, Ni-65, Cu-64, 텅스텐에서 W-181, 185, 187 차폐벽에서 Na-24, Ca-45, Sc-46, 48, Mn-54, 56, Fe-59로 분석되었다. 위의 결과값을 감마스펙트로스코피를 이용하여 방사화 평가를 진행한 Helmut[19] 등의 연구와 비교하였을 때, Helmut 등의 연구에서 분석된 핵종은 Na-24, Al-28, Mn-54, 56, Co-60, W-187 등이 검출되어 본 연구결과와 핵종이 일치하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 분석된 결과값의 신뢰성을 확보한 것으로 판단된다.

후속연구

특히 방사화 관련한 연구는 감마스펙트로스코피를 이용하여 실측을 한 연구로서 실제 방사화가 일어난 다는 것을 확인할 수 있는 연구이다. 따라서 현재 사용하고 있는 의료용 선형가속기는 방사화가 진행되어 있을 가능성이 높고 이에 따라 유지, 보수 시 작업자에 대한 피폭문제가 발생될 것이며, 특히 설비의 노후화로 인한 선형가속기의 해체 시 방사선학적 안전성 확보가 현안으로 대두 될 것이다.
이에 따라 선형가속기 유지 보수 및 해체 시 방사화 핵종의 재고량 및 폐기물 발생량 그리고 작업종사자와 엔지니어 피폭에 대한 기초적인 자료가 필요할 것이며, 이를 토대로 종합적인 대비책이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형가속기를 이용한 방사선 치료는 무엇을 이용하고 있는가?	1970년대 초반 대한민국에 의료용 선형가속기가 처음 도입된 이 후, 2016년까지 약 160대가 운용되고 있다[1]. 선형가속기를 이용한 방사선 치료는 4～25 MV 범위의 X-선을 이용하고 있으며[2], 표면선량은 낮추고인체 내 깊은 곳까지 영향을 줄 수 있는 고에너지 X-선을 선호하고 있다[3].
	특정 에너지 이상의 고에너지 X-선을 이용할 경우 문제점은?	그러나 특정 에너지 이상의 고에너지 X-선을 이용할 경우 광핵반응(Photonuclear Reaction)에 의한 중성자가 발생 될 수 있으며[4], 이 때 방출된 중성자는 환자 및 종사자에게 예측불가능한 방사선피폭을 유발 시킬 수 있다. 특히 중성자의 경우 입자 형태이면서 하전을 띄지 않기 때문에 산란과 흡수를 동반하며, 에너지에 따라 반응하는 상호작용 확률이 다르다.
	중성자 양을 선형가속기의 부품과 차폐벽을 비교하였을 때 부품과 차폐벽에서 높게 분석되는 이유는?	또한 부품에서는 타깃이 가장 높게 나타났으며, 차폐벽은 ⑤구역에서 가장 높게 분석되었다. 이것은 중성자 발생의 원인이 되는 광핵반응은 광자 발생이 시작되는 타깃에서 먼저 일어나는 것을 의미하며, 생성된 중성자는 일정한 방향성을 갖는 것이 아니라 거리에 따라 분포한다는 것으로 사료된다. 이 결과는 선형가속기에서 발생하는 중성자 분포에 대한 연구를 진행한 W.

참고문헌 (19)

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Helmut W. Fischer, Ben E. Tabot, and Bjorn Poppe, "Activation processes in a medical linear accelerator and spatial distribution of activation products," Phys. Med. Biol. Vol.51, pp.N461- N466, 2006.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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