[논문]저준위 토양시료를 이용한 콤프턴 연속체 억제의 측정 및 몬테카롤로 시뮬레이션 평가

장은성; 이효영

doi:10.7742/jksr.2018.12.2.123

저준위 토양시료를 이용한 콤프턴 연속체 억제의 측정 및 몬테카롤로 시뮬레이션 평가
Measurement and Monte Carlo Simulation evaluation of a Compton Continuum Suppression with low level soil Sample 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.12 no.2, 2018년, pp.123 - 131

장은성 (부산대학교 핵물리방사선연구소) , 이효영 (동의대학교 방사선학과)

초록
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본 연구는 점 선원인 $^{60}Co$, $^{137}Cs$ 및 혼합부피선원을 이용하여 피크 대 컴프턴 비율, 연속체 배경 스펙트럼을 감소시키기 위해 저 에너지 peak부터 고 에너지 peak에서 측정된 측정치와 PENELOPE와 비교하였다. 또한, 저에너지 부근에서의 변화를 통해 후방산란, 컴프턴 단(compton edge)의 효율 변화를 PENELOPE와 비교하였다. 혼합부피 선원에서 나온 결과를 토양시료에 적용하여 억제와 비 억제(unsuppressed)모드에서 토양시료의 최소검출한계치가 얼마큼 감소하였는지 확인하고자 한다. $^{60}CO$(1,173 keV)의 저에너지 영역의 컴프턴 억제가 상당히 되었으며, $^{137}Cs$(661 keV) 피크에 대한 Compton edge의 RF는 2.8이다. 특히, $^{60}Co$ 선원은 1,173.2keV와 1,332.5 keV의 coincidence 감마선을 방출하므로 컴프턴 억제는 대략 21% 감소하였다. 60Co 선원에서 방출되는 1,173keV와 1,332keV의 compton edge의 RF는 3.2, 3.4였으며 피크대 컴프턴 edge비율은 8:1로 향상되었다. 그리고, PENELOPE와 비교했을 때 불확도는 2% 이내로 잘 일치하였다. Compton unsuppressed 모드에서 661 keV, 1,173 keV 및 1,332 keV의 MDA 값은 각각 0.535, 0.173 및 0.136Bq/kg이었으나, Compton suppressed 모드에서는 0.121, 0.00826 및 0.00728B/kg로 감소하였다. 따라서, Compton suppres sed는 배후방사능과 검출기 자체에 함유된 방사능을 줄일 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study compared PENELOPE with measured values from low energy peak to high energy peak to reduce peak to compton ratio and continuum background spectrum using $^{60}Co$, $^{137}Cs$ and mixed volume source. In addition, the change in backscattering and compton edge efficiency was compared with that of PENELOPE through changes in the vicinity of low energy. The results from the mixed volume source are applied to the soil samples to determine how much the minimum detection limits of the soil samples are reduced in the suppression and unsuppressed mode. The compton suppression of the low energy region of $^{60}CO$ (1,173 keV) was considerable, and the Compton edge RF for the $^{137}Cs$ (661 keV) peak was 2.8. In particular, the $^{60}Co$ source emits coincidence gamma rays of 1,173.2 keV and 1,332.5 keV, so compton inhibition was reduced by approximately 21%. RF of compton edges of 1,173 keV and 1,332 keV emitted from a $^{60}Co$ source was 3.2 and 3.4, and the peak to compton edge ratio was improved to 8: 1. And Compared with Penelope, the uncertainty was well within 2%. In compton unsuppressed mode, MDA values of 661 keV, 1,173 keV and 1,332 keV were 0.535, 0.173 and 0.136 Bq/kg, respectively, but decreased in compton suppressed mode to 0.121, 0.00826 and 0.00728 Bq/kg. Thus, Compton suppressed could reduce the background radioactivity and the radioactivity contained in the detector itself.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

혼합부피선원에서 나온 결과를 토양시료에 적용하여 억제(suppressed)와 비 억제(unsuppressed)모드에서토양시료의 최소검출한계치(minimum detectable activity, MDA)가 얼마큼 감소하였는지 확인하고자 한다.

제안 방법

[6-8] 점선원인 60Co(1,173,1,332 keV), 137Cs(661 keV) 및 혼합부피선원 (50 ml)를 사용하였으며 피크 대 컴프턴 비율(Peak to Compton ratio), 연속체 배경 스펙트럼을감소시키고자 저에너지부터 고에너지 peak에서 측정된측정치(suppressed와 unsuppressed)를 PENELOPE와비교하였다.
혼합부피선원(50 ml)를 측정하였다, NaI(TI) 플러그와 Ge 검출기 창 사이의 거리는 6 cm이며 정상모드와 억제 모드의 스펙트럼은 각각의 측정에 대해 동시 기록하였다. 각각의 비교인자 값들을 구하여 비교하였다. 결과를 이용하여 토양을 정상모드와 억제모드로 최소검출한계치(minimum detectable activity, MDA)를 비교하였다.
각각의 비교인자 값들을 구하여 비교하였다. 결과를 이용하여 토양을 정상모드와 억제모드로 최소검출한계치(minimum detectable activity, MDA)를 비교하였다.^[16-18]
^[6-8] 점선원인 ⁶⁰Co(1,173,1,332 keV), ¹³⁷Cs(661 keV) 및 혼합부피선원 (50 ml)를 사용하였으며 피크 대 컴프턴 비율(Peak to Compton ratio), 연속체 배경 스펙트럼을감소시키고자 저에너지부터 고에너지 peak에서 측정된측정치(suppressed와 unsuppressed)를 PENELOPE와비교하였다. 또한 저에너지(100 keV) 전후에서의변화를 통해 후방산란(backscatter), 컴프턴 단(compton edge)의 효율 변화를 PENELOPE와 비교하였다.
본 연구에서 사용된 컴프턴 억제 분광기의 구조는 제조사에서 데이터를 받았고 이를 Monte calro Simulation of Penelope에 적용하였다.^[6-8] 점선원인 ⁶⁰Co(1,173,1,332 keV), ¹³⁷Cs(661 keV) 및 혼합부피선원 (50 ml)를 사용하였으며 피크 대 컴프턴 비율(Peak to Compton ratio), 연속체 배경 스펙트럼을감소시키고자 저에너지부터 고에너지 peak에서 측정된측정치(suppressed와 unsuppressed)를 PENELOPE와비교하였다.
신호 검출은 먼저, 광자 산란에 때문에 이탈하는감마선을 계측하는 NaI(TI)는 컴프턴 억제로 주 검출기 HPGe 검출기로부터 나오는 감마선의 에너지는 1 KeV에서 3 MeV에 이르며 이 영역에서는 비억제(Unsuppressed)되도록 선택 모드를 사용하였다.또한 컴프턴 억제(compton suppression)에 의한 배경을최대 15배 정도까지 줄일 수 있으며 높은 동시 계수율의 효율을 보장해 준다.
혼합부피선원(50 ml)를 측정하였다, NaI(TI) 플러그와 Ge 검출기 창 사이의 거리는 6 cm이며 정상모드와 억제 모드의 스펙트럼은 각각의 측정에 대해 동시 기록하였다. 각각의 비교인자 값들을 구하여 비교하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 main 검출기는 closed- ended coaxial type의 직경 64 mm, 길이 71 mm의 crystal이사용된 p-type HPGe 검출기로, 1,332 keV 감마선에대하여 1.73 keV의 FWHM, 60 %의 상대 효율, Peak-to-Compton Ratio 58:1을 가진다.^[4] 하나의HPGe와 4개의 NaI(TI) 검출기로 구성된다.
표준 점선원인 저에너지(241Am)부터 고에너지(⁶⁰Cs) 사용하여 에너지 및 효율 교정하였고 Table 2에 나타내었다. 채널 번호와 에너지와 간의 상관관계를 이용하여 교정 곡선을 획득하였고 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

Genie-2000 소프트웨어는 카이 제곱 최소화 기법을 사용하여 주 피크 에너지에서 피크 대 전체 비율(p / T)을 자동으로 계산하고 대수 함수에 맞추고 Eq.2 사용하였다.
3. Schematic view of the Compton Suppression System used for the simulation.

성능/효과

26 keV/ch이다. 100 keV 이하의 에너지에서는 컴프턴 효과는 아주 미약함을 확인하였다. 두 경우 모두100 keV 이상에서 에너지가 증가하면 효율은 증가하지만 특정 에너지 이상에서는 떨어지게 된다.
그러므로 연속체(continuum)영역이 형성된 것을 확인 할 수 있다.¹³⁷Cs의 피크대 Compton ratio는 50:1 이고, 억제 계수에서는 311:1로 향상되었다. 이때 컴프턴 억제요인(compton suppression factor, CSF)는 6.
3에 나타내었다. 가장 에너지가 큰쪽 661 keV에 ¹³⁷Cs 광전 피크가 있고, 약 500 keV부터 저 에너지 영역 쪽으로 넓게 퍼져 있는 컴프턴 영역이 상당히 억제되었다. ⁶⁰CO의 경우 1,173 keV 부터 저 에너지 영역 쪽으로 넓게 퍼져 있는 컴프턴 영역이 상당히 억제되었다.
또한 Penelope와 비교했을 때 전체적으로 불확도는 2% 이내에서 잘 일치하였음을 확인하였다. 그러므로 PTC비가 클수록 에너지 분해능 및 검출효율이 높았다.
그러므로 컴프턴 억제(compton suppression) 효율은 피크 대 컴프턴 비가 클수록 에너지 분해능과 검출효율이 좋음을 확인하였다. 또한 연속체 감소는 2차 광자 에너지가 감소함에 따라 점차 낮아진다.
또한, 관심영역( 358 –382 keV)을 확대해 보면 억제 연속체(suppressed continuum) 영역이 형성됨으로써 백그라운드가 감소함을 확인 할 수 있다. 또한 MDA 값은 억제(unsuppressed) 영역에서 661 keV, 1,173 keV 및 1,332 keV의 MDA 값은 각각 0.535, 0.173 및 0.136 Bq/kg에서 suppressed 모드에서는 0.121, 0.00826 및 0.00728 Bq/kg로 감소하였다.
두 경우 모두100 keV 이상에서 에너지가 증가하면 효율은 증가하지만 특정 에너지 이상에서는 떨어지게 된다. 또한 Penelope와 비교한 결과 불확도는 2%이내에서 잘 일치하였다.
피크 대 컴프턴 끝단(compton edge) 비율은 8:1로 향상 되었다. 또한 Penelope와 비교했을 때 전체적으로 불확도는 2% 이내에서 잘 일치하였음을 확인하였다. 그러므로 PTC비가 클수록 에너지 분해능 및 검출효율이 높았다.
컴프턴 연속체로 말미암아 억제되지 않은 모드에서는 분별하기 어려웠던 방출 강도가 매우 낮은 감마선보다 명확히 분별할 수 있다. 또한 백그라운드 감마선의 총계수율이 약 12.8% 수준으로 주요 백그라운드 피크가 획기적으로 줄어드는 효과를 확인하였다.
또한 측정치와 Penelope는 2% 이내에서 잘 일치함을 확인하였다.
또한, 관심영역( 358 –382 keV)을 확대해 보면 억제 연속체(suppressed continuum) 영역이 형성됨으로써 백그라운드가 감소함을 확인 할 수 있다.
^[19] 컴프턴 억제 분광기는 검출 시스템의 피크대 배후계수(Peak-to-background) 성능을 크게 향상할 수 있다. 컴프턴 억제모드에서 전 에너지 흡수 피크의 손실은 억제되지 않은 모드에 비하여 1% 미만이었으며, 전체적으로 컴프턴 연속체(compton continuum)는 23% 억제되었다. 컴프턴 연속체로 말미암아 억제되지 않은 모드에서는 분별하기 어려웠던 방출 강도가 매우 낮은 감마선보다 명확히 분별할 수 있다.
^[4,5] 이 억제인자는 그림에서 보듯이 에너지에 대한 함수이다. 컴프턴 연속체(compton continuum) 높이는 358~ 382 keV에서 억제 대 단순모드에서 3:3에서 6:7로 향상되었다. P/C가 62.
혼합부피 표준선원( 50 ml)를 사용하여 저 에너지(59.54 keV)부터 고 에너지(1332.5 keV)까지 억제(suppressed)와 비 억제(unsuppressed)의 SF 비(suppressed factor ratio)를 비교한 결과 저에너지보다는 고에너지로 갈수록 억제비(reduction factor ratio, RF)가 크게 감소함을 확인할 수 있다. 또한 측정치와 Penelope는 2% 이내에서 잘 일치함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴프턴 배경계수를 최소화 하는데 사용하는 방법은?	산란 각도가 임의의 방향을 가짐에 따라 산란 후감마선의 에너지 스펙트럼은 연속적인 분포를 나타내며 이것이 바로 일반적인 감마선 검출기에서역기능으로 나타나는 컴프턴 배경계수이다. 컴프턴배경 및 자연 방사선을 억제하기 위하여 컴프턴 억제 분광기는 검마선에 대한 검출효율이 높은 NaI와같은 섬광체를 HPGe 검출기 주위를 둘러싸게 하여 컴프턴 산란한 감마선이 NaITI) 검출기에 포착되게 하고이로부터 발생하는 시간 신호를 이용하여 컴프턴 배경계수(compton background)를 최소화한다.
	감마선 스펙트럼이 나타나는 모양은?	감마선 스펙트럼은 광전효과에 의한 감마선의full-energy peak, 컴프턴 산란 반응에 의한 연속체전자쌍에 의한 single 또는 double escape peak 등으로비교적 복잡한 모양으로 나타난다. 그뿐만 아니라, sum peak이나 background 감마선에 의한 여러 가지요인들로 인하여 측정하고 감마선 이외에도 다른에너지의 감마선에 대한 검출이 이루어짐으로써감마선 스펙트럼은 더욱 복잡하게 나타난다.
	컴프턴 억제 장치를 사용했을 때의 장점은?	컴프턴 억제 (compton suppression)은 스펙트럼에서 컴프턴 연속체(compton continuum)로 존재하는 영역을 억제하는 장치이다.[9-11] 이는 컴프턴 연속체 영역에 존재할 수 있는 감마핵종에 대한 피크 분석을 더욱 명확히 할 수 있는 장점이 있다. 그뿐만 아니라 주검출기 주위를 억제(suppression) 검출기로 감싸줌으로써 감마선 계측 시 수반되는 배후방사능에 대한 차폐효과를 기대할 수 있다.

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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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