[논문]PET 사이클로트론 가동에 따른 콘크리트 차폐벽의 방사화

장동근; 이동연; 김정훈

doi:10.7742/jksr.2017.11.5.335

PET 사이클로트론 가동에 따른 콘크리트 차폐벽의 방사화
Radioactivation Analysis of Concrete Shielding Wall of Cyclotron Room Using Monte Carlo Simulation 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.11 no.5, 2017년, pp.335 - 341

장동근 (동남권 원자력의학원 핵의학과) , 이동연 (동남권 원자력의학원 방사선종양학과) , 김정훈 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
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사이클로트론은 양자 또는 중양자를 가속하는 장치로써 의료장비인 양전자방출촬영장치(PET)에 이용되는 단반감기의 방사성의약품을 생산하는 시설로 이용되고 있다. 사이클로트론에서 방사성의약품을 생산하기 위해선 가속된 양성자와 타켓과의 핵반응이 필요하며 반응 후 불필요한 중성자가 발생하게 된다. 이에 본 연구에서는 사이클로트론에서 발생되는 양성자와 중성자가 콘크리트 차폐벽과 충돌하여 발생되는 방사화에 대해 알아보고자 하였다. 실험은 몬테카를로 모의 모사의 한 종류인 FLUKA를 통해 방사화된 방사성동위원소를 추적하였으며, 콘크리트 차폐벽의 물성은 ppm 단위의 미량의 불순물이 포함된 물성과 불순물이 포함되지 않은 물성을 이용하여 비교 분석하였다. 발생된 방사화 핵종은 RESRAD-Build를 통해 인체에 미치는 피폭선량율 기준으로 비교분석하였으며, 실험결과 불순물이 포함된 콘크리트 물성에서는 총 14개의 방사성동위원소가 생산되었으며, 인체에 미치는 피폭선량을 기준으로 분석 하였을 때, $^{60}Co$(72.50%), $^{134}Cs$(16.75%), $^{54}Mn$(5.60%), $^{152}Eu$(4.08%), $^{154}Eu$(1.07%)이 전체 선량의 99.9%를 차지하였으며, 피폭의 위험도는 $^{60}Co$ 핵종이 가장 높게 나타났다. 불순물이 포함되지 않은 물성에서는 총 5개의 핵종이 나타났으며, 그 중 $^{54}Mn$이 피폭선량의 99.9%를 차지하는 것으로 나타났다. 양성자의 유도 핵반응에 따라 불순물이 아닌 $^{56}Fe$에서 방사화 과정을 통해 Cobalt가 발생될 가능성이 있으나 콘크리트벽에 도달하는 양성자의 개수가 작아 방사화를 일으키지 못하였다. 불순물의 포함 여부에 따른 피폭선량의 비교결과 불순물이 포함된 경우가 그렇지 않은 경우 보다 약 98% 높게 나타나 ppm 단위의 미량의 불순물이 방사화의 주요인임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cyclotron is a device that accelerates positrons or neutrons, and is used as a facility for making radioactive drugs having short half-lives. Such radioactive drugs are used for positron emission tomography (PET), which is a medical apparatus. In order to make radioactive drugs from a cyclotron, a nuclear reaction must occur between accelerated positrons and a target. After the reaction, unncessary neutrons are produced. In the present study, radioactivation generated from the collisions between the concrete shielding wall and the positrons and neutrons produced from the cyclotron is investigated. We tracked radioactivated radioactive isotopes by conducting experiments using FLUKA, a type of Monte Carlo simulation. The properties of the concrete shielding wall were comparatively analyzed using materials containing impurities at ppm level and materials that do not contain impurities. The generated radioactivated nuclear species were comparatively analyzed based on the exposure dose affecting human body as a criterion, through RESRAD-Build. The results of experiments showed that the material containing impurities produced a total of 14 radioactive isotopes, and $^{60}Co$(72.50%), $^{134}Cs$(16.75%), $^{54}Mn$(5.60%), $^{152}Eu$(4.08%), $^{154}Eu$(1.07%) accounted for 99.9% of the total dose according to the analysis having the exposure dose affecting human body as criterion. The $^{60}Co$ nuclear species showed the greatest risk of radiation exposure. The material that did not contain impurities produced a total of five nuclear species. Among the five nuclear species, 54Mn accounted for 99.9% of the exposure dose. There is a possibility that Cobalt can be generated by inducive nuclear reaction of positrons through the radioactivation process of $^{56}Fe$ instead of impurities. However, there was no radioactivation because only few positrons reached the concrete wall. The results of comparative analysis on exposure dose with respect to the presence of impurities indicated that the presence of impurities caused approximately 98% higher exposure dose. From this result, the main cause of radioactivation was identified as the small ppm-level amount of impurities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[18] 이에 본 연구에서 콘크리트 성분에 따른 방사화를 알아보고자 불순물이 포함된 콘크리트 성분과 포함되지 않은 콘크리트 성분을 이용하여 비교 분석하고자 하였다.
^[7]종사자들에게 외부피폭을 발생시키는 원인이 된다.^[8]이에 본 연구에서는 사이클로트론으로 가동으로 인해 발생되는 사이클로트론실내부의 공간선량률과 해체 시 콘크리트 차폐벽 종류에 따른 방사화를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 사이클론트론 가동 시 발생되는양성자와 중성자로 인해 콘크리트 차폐벽의 방사화를 분석하고자 실험을 진행하였다.

제안 방법

차폐벽의 방사화 분석은 FLUKAcode에 내장된 RESNUCLEI를 통해 평가하였다. 방사화 측정은 양성자 조사시간을 기준으로 1년 단위, 20년간 설정하였다.
방사화된 콘크리트 차폐벽으로 종사자가 받게되는 피폭선량을 알아보고자 방사선에 오염된 건물이나 구조물을 평가하는데 사용되는 RESRADBUILD를 사용하였으며, FLUKA를 통해 얻은 콘크리트 차폐벽의 방사화 핵종에 대한 정보를 Fig. 4와 같이 입력하여 인체가 받게 되는 연간유효선량으로 비교 분석하였다.
사이클로트론에서 발생되는 양성자와 중성자는연속적인 에너지를 가지므로 실측이 매우 어려워,^[9]몬테카를로 모의 모사의 일종인 MCNPX^[10]를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험은 380× 430×250cm의 공기로 구성된 가상의 공간을 모사하였으며, 공기의 성분^[11]은 Table 1과 같다.
제작된 Target은 사이클로트론실 중앙에 위치시킨 후 16.5 MeV, 60 μA의 양성자[13]를 충돌시켜 양성자와 중성자의 공간선량분포를 측정하였으며, 측정부위는 Fig. 2와 같이 사이클로트론에서 노출되어 있는 Targetry의 측면부위로 설정하였다.

대상 데이터

실험은 380× 430×250cm의 공기로 구성된 가상의 공간을 모사하였으며, 공기의 성분^[11]은 Table 1과 같다. Targetry의 기하학적 구조는 PETtrace 800 series(GE Healthcare, USA)모델^[12]를 참고하여 H₂¹⁸O Target을 제작하였으며, 세부구성은 Fig. 1과 같다.
실험은 380× 430×250cm의 공기로 구성된 가상의 공간을 모사하였으며, 공기의 성분[11]은 Table 1과 같다.

이론/모형

사이클로트론 운영에 따른 콘크리트 차폐벽의 방사화를 알아보고자 몬테카를로 모사 코드의 한 종류인 FLUKA code^[14](FLUktuierende KAskade)를이용하였으며, 콘크리트 차폐벽은 Fig. 3과 같이 구성하였고, 두께는 방사선이 완전히 차폐되는 두께인 200 cm 로 모사 하였다.^[15] 차폐벽의 물성은 ppm 단위의 불순물이 포함된 Table 2의 물성^[16]과 불순물을 고려하지 않은 Table 3과 같은 물성으로^[17]구성하였다.
^[15] 차폐벽의 물성은 ppm 단위의 불순물이 포함된 Table 2의 물성^[16]과 불순물을 고려하지 않은 Table 3과 같은 물성으로^[17]구성하였다. 차폐벽의 방사화 분석은 FLUKAcode에 내장된 RESNUCLEI를 통해 평가하였다. 방사화 측정은 양성자 조사시간을 기준으로 1년 단위, 20년간 설정하였다.

성능/효과

FLIUKA를 통한 방사화 실험 결과 불순물이 포함된 콘크리트 성분에서는 Table 4와 같이 총 12개의 방사화 핵종이 나타났으며, 불순물이 포함되지 않은 콘크리트 성분에서는 총 6종의 방사화 핵종이 나타났다.
첫째, 방사화를 일으키는 방사선원인 양성자와 중성자의 공간 분포를 알기위해 ICRU Slab Phantom을 이용하여 실험을 진행한 결과 양성자는110 cm 이상에서부터 측정되지 않았으며, 중성자는 최대 거리인 160 cm 까지 도달하여 콘크리트 차폐벽과 상호작용 할 수 있는 것으로 나타났다. 둘째, FLUKA를 통해 콘크리트 차폐벽의 방사화 분석을 진행한 결과 ppm 단위의 불순물이 포함된 콘크리트 물성의 경우 총 14개의 방사화 핵종이 나타났으며, 불순물이 포함되지 않은 물성에서는 총 5개의 핵종이 나타났다. 방사화된 핵종들을 RESRAD-BUILD를 통해 선량평가를 진행한 결과 불순물이 포함된 콘크리트에서는⁶⁰Co(72.
방사화된 핵종들을 RESRAD-BUILD를 통해 선량평가를 진행한 결과 불순물이 포함된 콘크리트에서는 60Co(72.50%), 134Cs(16.75%), 54Mn(5.60%), 152Eu (4.08%), 154Eu(1.07%)다섯 개의 핵종이 전체 선량의 99.9%를 차지하는 것으로 나타났으며, 불순물이 포함되지 않은 물성에서는 54Mn(99.99%) 한 개의 핵종이 피폭선량의 99.9%를 차지하는 것으로 나타났다.
위 결과를 토대로 피폭의 주된 요인은 불순물에서 발생하는 것으로 나타났으며, 그 중 ⁶⁰Co이 가장위험한 핵종인 것으로 알 수 있었다. 이론적으로 불순물이 포함되지 않은 콘크리트에서 양성자의유도 핵반응에 따라 ⁵⁶Fe에서 Cobalt가 발생될 가능성이 있으나,^[19] 콘크리트 차폐벽에 도달하는 양성자의 작거나 없어 방사화를 일으키지 못한 것으로사료되었다.
사이클로트론 운영 시 사이클로트론을 둘러싸도있는 콘크리트 차폐벽이 장시간의 방사선 노출로인해 방사화를 진행하게 된다. 이에 본 연구에서 콘크리트 성분에 따른 방사화를 분석한 결과 가장 위험한 핵종은 ⁶⁰Co으로 나타났으며, 방사화로 인해 인체에 영향을 미치는 핵종은 ppm 단위의 불순물에서 기여하는 것으로 나타났다. 콘크리트 방사화에 대한 실험 시 반드시 ppm 단위의 불순물이 포함된 물성을 사용하여야 하며, 그렇지 않을 경우 산출된 피폭선량은 매우 과소평가 될 것이다.
첫째, 방사화를 일으키는 방사선원인 양성자와 중성자의 공간 분포를 알기위해 ICRU Slab Phantom을 이용하여 실험을 진행한 결과 양성자는110 cm 이상에서부터 측정되지 않았으며, 중성자는 최대 거리인 160 cm 까지 도달하여 콘크리트 차폐벽과 상호작용 할 수 있는 것으로 나타났다. 둘째, FLUKA를 통해 콘크리트 차폐벽의 방사화 분석을 진행한 결과 ppm 단위의 불순물이 포함된 콘크리트 물성의 경우 총 14개의 방사화 핵종이 나타났으며, 불순물이 포함되지 않은 물성에서는 총 5개의 핵종이 나타났다.
콘크리트 차폐벽에서 발생된 방사화 핵종 중 선량의 기여도가 높은 핵종을 토대로RESRAD-BUILD를 통해 종사자의 선량으로 산출한 결과 조사시간에 따라 Table 7과 같이 나타났으며, 불순물 유무에 따른 피폭선량을 비교한 결과 불순물을 포함 콘크리트 성분에서의 피폭선량이 약 95% 이상을 차지하였다.
콘크리트 차폐벽에서 방사화로 인하여 발생된 방사화 핵종을 RESRAD-BUILD를 통해 분석한 결과 불순물이 포함된 콘크리트 성분에서 Table 5와같이 154Eu[153Eu(n, γ)154Eu], 152Eu[151Eu(n, γ)152Eu], 134Cs[133Cs[n, γ]134Cs], 60Co[59Co(n, γ)60Co], 54Mn[56Fe(d, α)54Mn] 다섯 개의 핵종이 전체 선량의 99.9 %를 차지하는 것으로 나타났으며, 불순물이 포함되지 않은 콘크리트 성분에서는 Table 6과 같이 54Mn[56Fe(d, α)54Mn] 한 개의 핵종이 99.9%를 차지하는 것으로 나타났다.
콘크리트 차폐벽의 방사화에 영향을 미치는 양성자와 중성자의 공간선량분포를 실험한 결과 Fig.5와 같이 중성자는 거리가 증가함에 따라 감소하지만 최대 거리 160 cm 까지 도달하는 것으로 나타났으며, 양성자는 거리 110 cm 이상부터 방사선이Phantom에 도달하지 않는 것으로 나타났다.

후속연구

방사선 피폭에 대한 위험성은 직접적으로 인지할 수 없으며, 사이클로트론 또한 용도에 따라 수백 MeV의 매우 높은 에너지까지 사용됨으로 방사화 물질에 대한 체계적인 관리가 필요할 것으로 사료되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사이클로트론은 어떠한 원소를 방사화 시키는가?	이처럼 사이클로트론은 운영함에 따라 양성자와 중성자는 필연적으로 발생하게 되며, 주변 물질과의 상호작용으로 통해 안정된 원소를 방사성동위원소로 방사화 시키게 된다.[7] 종사자들에게 외부피폭을 발생시키는 원인이 된다.
	사이클로트론이란?	사이클로트론은 양자 또는 중양자를 가속하는 장치로써 의료장비인 양전자방출촬영장치(PET)에 이용되는 단반감기의 방사성의약품을 생산하는 시설로 이용되고 있다. 사이클로트론에서 방사성의약품을 생산하기 위해선 가속된 양성자와 타켓과의 핵반응이 필요하며 반응 후 불필요한 중성자가 발생하게 된다.
	초소형 사이클로트론이 가장 많이 생산하고있는 핵종은?	[2] 초소형 사이클로트론은 의료장비인 PET/CT 이용되는 방사성동위원소를 생산하는 시설로 이용되며,[3] 양성자를 가속하는 에너지가 낮아 낮은 원자번호의 11C, 13N, 15O, 18F를 생산할 수 있다. 이 중 현재 가장 많이생산하고 있는 핵종은 18F로써 국내 의료용 방사성동위원소 생산량의 약 98%을 차지하고 있다.[4] 18F를 생산하기 위해선 양성자와 Target과의 핵반응(p,n)을 통해 방사성핵종을 생산하며,[5] 이러한 핵반응과정에서 필연적으로 불필요한 중성자가 발생하게된다.

참고문헌 (20)

Jaeho Lee, "Development of reduction technique and evaluation of radioactive concrete waste in cyclotron.facility", Master. diss., University of Hanyang, 2016.
Korea Institute of Nuclear Safety, Development of advanced technology for evaluation and verification of radiation safety. KINS-RR-1027, 2013.
Korea Atomic Research Institute, "Development of cyclotron and PET application", pp. 9, 2000.
The Korean Society of Nuclear Medicine : Nuclear medicine scan statistics, 2013.
Syed M. Qaim, John C. Clark, Christian Crouzel, "Radiopharmaceuticals for positron emission tomography", Springer Netherlands, Vol. 24, pp.1-43, 1993.
N. E. Hertel, M. P. Shannon, Z.-L. Wang, et al. "Neutron measurements in the vicinity of a self-shielded pet cyclotron", Radiation Protection Dosimetry, Vol. 108, No. 3, pp. 255-261, 2004.

상세보기
Taylor H., Francis, Basic ideas and concepts in nuclear physics. An Introductory Approach, Third Edition K. 2004.
Martinez-Serrano J. J., De los Rios A. D. "Prediction of neutron induced radioactivity in the concrete walls of a PET cyclotron vault room with MCNPX". Medical Physics, Vol. 37, No. 11, pp. 6015-6021. 2010.

상세보기
Euntae Park, Dongyeon Lee, Seongjin Ko, et al., "A study on photon spectrum in medical linear acceleratror based on MCNPX", Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 8, No. 5, pp. 249-254, 2014.

원문보기 상세보기
John S, Hendricks et al.. MCNPX Extensions Version 2.5.0, LA-UR-05-2672. 2005.
ICRU, Tissue substitutes in radiation dosimetry and measurement, ICRU Report 44. 1989.
GE Healthcare, PETtracer 800 series Service Manual-Accelerator, Direction 2169047-100, Rev. 22, 2015.
GE Healthcare, PETtracer 800 cyclotron series Dara sheet. 2010.
A. Ferrari, P. Sala, A. Fasso, J. Ranft, "FLUKA: A multi-particle transport code", CERN-2005-10, INFN/TC_05/11, SLAC-R-773, 2005.
D.G. Jang, J.M. Kim and J.H. Kim, "Design of the shielding wall of a cyclotron room and the activation interpretation using the Monte Carlo simulation", Journal of Instrumentation Vol.12, pp.1-10 2017.
Roshanbakht N., Marashi M.K., Salehkotahi M. et al., "Activation of trace elements in concrete walls of the solid target room at cyclotron accelerator at NRCAM", Journal of Life Science and Biomedicine, Vol. 4, No. 4, pp.320-326. 2014.
HBrewer R., "Criticality Calculations with MCNP5: A Primer", LA-UR-09-00380, Los Alamos National Laboratory, Los Alamo New Mexico, 2009.
Jong Suk Lee, Jiyoung Min, Kyu Nam Jeon, et al., "Activation properties to aggregates type for low-Activation concrete", Korea concrete institute Proceedings of the Autumn Conference pp.579-580, 2014.
N. C. Schoen, G. Orlov, R. J. McDonald, "Excitation functions for radioactive isotopes produced by proton bombardment of Fe, Co, and W in the energy range from 10 to 60 MeV", Physical Review C, Vol.20, No. 1, pp.88-92, 1979.

상세보기
RJ McConn Jr, CJ Gesh, RT Pagh, et al., "Compendium of material composition data for radiation transport modeling", PIET-43741-TM-963 PNNL-15870 Rev. 1, 2011.

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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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