[논문]몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 방사선원 위치 검출기의 각도의존성 연구

한무재; 허승욱; 신요한; 정재훈; 김교태; 허예지; 이득희; 조흥래; 박성광

doi:10.7742/jksr.2019.13.1.141

몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 방사선원 위치 검출기의 각도의존성 연구
Evaluation of Angle Dependence on Positional Radioisotope Source Detector using Monte Carlo Simulation in NDT 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.13 no.1, 2019년, pp.141 - 146

한무재 (인제대학교 의과대학 방사선종양학과) , 허승욱 (양산부산대학교병원 의생명융합연구소) , 신요한 (인제대학교 의과대학 방사선종양학과) , 정재훈 (양산부산대학교병원 의생명융합연구소) , 김교태 (한국원자력의학원) , 허예지 (인제대학교 의료영상연구소) , 이득희 (인제대학교 부산백병원 방사선종양학과) , 조흥래 (인제대학교 부산백병원 방사선종양학과) , 박성광 (인제대학교 의료영상연구소)

초록
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산업 비파괴 분야에서 사용되는 방사선원은 장비의 노후화 및 작업자의 부주의로 인해 선원이 노출되는 사고가 발생되어 왔다. 이에 선원의 위치를 실시간으로 추적할 수 있는 안전관리 시스템의 필요성이 부곽되고 있다. 이에 본 연구에서는 방사선원의 위치 추적을 위한 line-array 선량계를 구성하는 unit-cell 선량계 단위의 각도의존성을 분석하기 위해 Monte Carlo Simulation을 수행하였다. 그 결과 각 기울기에서 상위 10% 수치에 대한 오차율은 $0^{\circ}$에서 5.90%, $30^{\circ}$에서 8.08%, $60^{\circ}$에서 20.90%의 오차율을 보였다. 총 흡수선량의 비율은 $0^{\circ}$(100%)를 기준으로 $30^{\circ}$에서 83.77%, $60^{\circ}$에서 53.36%로 나타났으며 기울기가 증가함에 따라 낮아지는 경향성을 보였다. 모든 기울기에서 최대 수치는 $30^{\circ}$의 No. 9에서 나타났으며, No. 10에서는 7.24% 낮아지는 경향성을 보였다. 본 연구 결과 각도의존성은 크게 발생되는 것으로 나타났으며, 이를 낮추기 위해서는 선원과 line-array 선량계의 적정거리는 1 cm 이상의 거리에서 유지해야 하는 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Radiation sources used in the field of industrial non-destructive pose a risk of exposure due to ageing equipment and operator carelessness. Thus, the need for a safety management system to trace the location of the source is being added. In this study, Monte Carlo Simulation was performed to analyse the angle dependence of the unit-cell comprising the line-array dosimeter for tracking the location of radiation sources. As a result, the margin of error for the top 10% of each slope was 5.90% at $0^{\circ}$, 8.08% at $30^{\circ}$, and 20.90% at $60^{\circ}$. The ratio of the total absorbed dose was 83.77% at $30^{\circ}$ and 53.36% at $60^{\circ}$ based on $0^{\circ}$(100%) and showed a tendency to decrease with increasing slope. For all gradients, the maximum number was shown at $30^{\circ}$ No. 9 pixels, and for No. 10, there was a tendency to drop 7.24 percent. This study has shown a large amount of angle dependence, and it is estimated that the proper distance between the source and line-array dosimeters should be maintained at a distance of not less than 1 cm to reduce them.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Monte Carlo Simulation modeling.
표 Table 1. Source term (Ir-192)
그림 Fig. 2. Diagram of Ir-192 source.
그림 Fig. 3. Absorbed dose distribution according to each angle.
그림 Fig. 4. Absorbed dose about line 5 of y-axis.

AI 본문요약
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문제 정의

[8,9] 이에 본 연구에서는 주사기에 적용할 수 있는 HgI₂ unit-cell 선량계의 각도의존성을 분석하기 위한 기초연구로써, 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 사용된 tool은 유럽원자핵공동연구소(CERN)에서 개발한 FLUKA(FLUktuie rende KAskade)^[10]를 활용하였다.
본 연구는 RI 선원의 위치 추적을 위한 linearray 선량계의 각도의존성을 분석하기 위한 연구로써, 몬테카를로 시뮬레이션 코드 중 하나인 FLUKA코드를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 기울기가 증가함에 따라서 선원과의 거리가 근접한 영역에서 높은 수치를 보였지만, 일정 거리에서 누설되는 선량이 발생되어 수치가 낮아지는 경향을 보였다.
기하학적 설계는 가장 기본적으로 수행하여야 할 항목으로 방사선 노출 및 조사 환경을 실제와 같게 모델링 하는 것이다. 이에 본 연구에서는 RI 선원의 위치 검증을 위한 line-array 선량계에 포함되는 unit-cell 선량계에 대한 각도의존성 평가를 위한 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 이후 해당 모델을 FLUKA 코드에 동일하게 기하학적 설계를 수행하였다.

제안 방법

Scoring을 위해 unit-cell 선량계(HgI2, 1 cm × 1 cm)를 USRBIN card를 이용하였으며, unit-cell 선량계의 전체 흡수선량 분포를 얻기 위해, scoring type을 선량으로, 10 × 10 binning 하여 1 mm × 1 mm size로 100개의 흡수선량(GeV/g)을 얻도록 설계하였다.
각 기울기의 수치비교는 unit-cell 선량계 중앙에 위치하는 x축을 기준으로 모든 각도에 대한 수치를 나타내었으며, 가장 높은 흡수선량 수치를 나타내는 30°의 No.9 pixel 수치를 기준으로 정규화 하였다.
또한 모든 기울기에 대한 총 흡수선량 값을 제시하기 위해 0°의 총 흡수선량 기준으로 정규화 하였다.
분포도 분석의 경우, 각각의 기울기 결과의 최대 수치를 기준으로 정규화 하였다. 또한 선량분포가 높은 영역에서의 크기 변화를 나타내기 위해 상위 10%에 속하는 분포에 대하여 오차율을 제시하였다. 또한 모든 기울기에 대한 총 흡수선량 값을 제시하기 위해 0°의 총 흡수선량 기준으로 정규화 하였다.
본 연구에서는 각 기울기 분포에 대한 정량적 수치를 비교하기 위해 x축 No.5 pixel에 위치하는 y축의 모든 pixel 수치를 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 고정된 Ir-192 선원에 대하여 unit–cell 선량계의 중심축을 기준으로 기울기 0°, 30°, 60° 에 대한 선량 분포도를 확인함으로써 각도의존성에 대한 경향성을 분석하였다.
본 연구에서는 고정된 Ir-192 선원에 대하여 unit-cell 선량계의 중심축을 기준으로 기울기 0°, 30°, 60°에 대한 흡수선량 분포도 제시하였으며, 각 기울기에 흡수선량 수치를 비교하였다.
본 연구에서는 고정된 Ir-192 선원에 대하여 unit-cell 선량계의 중심축을 기준으로 기울기 0°, 30°, 60°에 대한 흡수선량 분포도 제시하였으며, 각 기울기에 흡수선량 수치를 비교하였다. 분포도 분석의 경우, 각각의 기울기 결과의 최대 수치를 기준으로 정규화 하였다. 또한 선량분포가 높은 영역에서의 크기 변화를 나타내기 위해 상위 10%에 속하는 분포에 대하여 오차율을 제시하였다.
설계된 unit-cell 선량계는 1 cm × 1 cm 로 구성하였으며, 구간별 선량분포의 정량적인 평가를 위해 0.1 cm × 0.1 cm의 pixel 단위로써 총 100개의 pixel로 세분화하였다.
이에 본 연구에서는 RI 선원의 위치 검증을 위한 line-array 선량계에 포함되는 unit-cell 선량계에 대한 각도의존성 평가를 위한 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 이후 해당 모델을 FLUKA 코드에 동일하게 기하학적 설계를 수행하였다. Fig.

이론/모형

^[8,9] 이에 본 연구에서는 주사기에 적용할 수 있는 HgI₂ unit-cell 선량계의 각도의존성을 분석하기 위한 기초연구로써, 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 사용된 tool은 유럽원자핵공동연구소(CERN)에서 개발한 FLUKA(FLUktuie rende KAskade)^[10]를 활용하였다. FLUKA는 현재 다양한 물리모델을 적용하고 있으며 그에 따른 정확도가 입증되었다.

성능/효과

30°는 한쪽 영역으로 흡수선량이 선형적으로 증가하며, 60°의 경우는 2차 함수적으로 급격하게 증가하는 경향성을 보였다.
본 연구는 RI 선원의 위치 추적을 위한 linearray 선량계의 각도의존성을 분석하기 위한 연구로써, 몬테카를로 시뮬레이션 코드 중 하나인 FLUKA코드를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 기울기가 증가함에 따라서 선원과의 거리가 근접한 영역에서 높은 수치를 보였지만, 일정 거리에서 누설되는 선량이 발생되어 수치가 낮아지는 경향을 보였다. 선량 분포도에서 상위 10% 영역은 기울기가 높아질수록 오차율이 크게 발생되며 이는 1cm 이내 거리에서는 각도의존성의 크게 발생되는 결과를 보였다.
그 결과 기울기가 증가함에 따라서 선원과의 거리가 근접한 영역에서 높은 수치를 보였지만, 일정 거리에서 누설되는 선량이 발생되어 수치가 낮아지는 경향을 보였다. 선량 분포도에서 상위 10% 영역은 기울기가 높아질수록 오차율이 크게 발생되며 이는 1cm 이내 거리에서는 각도의존성의 크게 발생되는 결과를 보였다. 본 결과는 선원과 거리가 근접할수록 투과선량이 크게 발생되기 때문에 오차율을 발생시키는 원인이 될 수 있으며, 선원으로부터 받아들이는 조사야 차이로 인한 결과로 사료된다.
이때 총 흡수선량의 비율은 0°(100%)를 기준으로 30°에서 83.77%, 60°에서 53.36%로 나타났으며, 고정된 선원에 대하여 unit-cell 선량계의 기울기가 증가할수록 흡수선량은 감소하는 경향성을 보였다.

후속연구

이는 고선량률 근접치료계획 시스템에서 1 cm 거리를 기준으로 계획하는 것과 같이^[12] unit-cell 선량계의 각도의존성을 줄이기 위해서는 1 cm 이상의 적정거리를 유지해야 하는 것으로 사료된다. 또한 line-array 선량계의 최적화를 위해 흡수선량을 높이기 위한 두께 효율성과 거리의존성에 대한 추가적인 연구가 이루어진다면, 방사선원을 이용하는 모든 분야에서 안전관리 시스템 구축을 위한 정확한 지표를 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
본 결과는 선원과 거리가 근접할수록 투과선량이 크게 발생되기 때문에 오차율을 발생시키는 원인이 될 수 있으며, 선원으로부터 받아들이는 조사야 차이로 인한 결과로 사료된다. 본 연구는 선원의 위치 추적을 위한 선량계의 적정거리를 확인할 수 있는 지표로 활용될 수 있다. 이는 고선량률 근접치료계획 시스템에서 1 cm 거리를 기준으로 계획하는 것과 같이^[12] unit-cell 선량계의 각도의존성을 줄이기 위해서는 1 cm 이상의 적정거리를 유지해야 하는 것으로 사료된다.

참고문헌 (12)

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Y. J. Heo, K. T. Kim, M. J. Han, C. W. Moon, J. E. Kim, J. K. Park, S. K. Park, "Development of a stable and sensitive semiconductor detector by using a mixture of lead(II) iodide and lead monoxide for NDT radiation dose detection," Journal of Instrumentation, Vol. 13, No. 3, C03023, 2018. DOI:10.1088/1748-0221/13/03/C03023

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D. Terribilini, P. Manser, D. Frei, W. Volken, R. Mini, M. K. Fix, "Implementation of a brachytherapy Ir-source in an in-house system and comparison of simulation results with EGSnrc, VMC++ and PIN," Journal of Physics: Conference Series, Vol. 74, No. 1, pp. 12-22, 2007.
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K. M. Oh, J. S. Kim, J. W. Shin, S. U. Heo, G. S. Cho, D. K. Kim, J. G. Park, S. H. Nam, "Improvement in pixel signal uniformity of polycrystalline mercuric iodide films for digital X-ray imaging," Japanese Journal of Applied Physics, Vol 53, No. 3, 031201, 2014. DOI:10.7567/JJAP.53.031201

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http://www.fluka.org/
R. Herrera, MCNP5 Monte Carlo based Dosimetry for the Nucletron Iridium-192 High Dose-rate Brachytherapy Source with Tissue Heterogeneity Corrections, Florida, pp. 1-76, 2012.
M. Sawicki, Treatment Planning in Brachytherapy HDR Based on Three-Dimensional Image, Book Citation Index, London, pp. 28-61, 2017.

저자의 다른 논문 :

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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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