[논문]몬테칼로 시뮬레이션을 활용한 양성자가속기 단기사용 시 구성품의 방사화 평가

배상일; 김정훈

doi:10.17946/jrst.2020.43.5.389

몬테칼로 시뮬레이션을 활용한 양성자가속기 단기사용 시 구성품의 방사화 평가
A Study on the Radioactive Products of Components in Proton Accelerator on Short Term Usage Using Computed Simulation 원문보기

방사선기술과학 = Journal of radiological science and technology, v.43 no.5, 2020년, pp.389 - 395

배상일 (동남권원자력의학원 방사선종양학과) , 김정훈 (부산가톨릭대학교 방사선학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The evaluation of radioactivated components of heavy-ion accelerator facilities affects the safety of radiation management and the exposure dose for workers. and this is an important issue when predicting the disposal cost of waste during maintenance and dismantling of accelerator facilities. In this study, the FLUKA code was used to simulate the proton treatment device nozzle and classify the radio-nuclides and total radioactivity generated by each component over a short period of time. The source term was evaluated using NIST reference beam data, and the neutron flux generated for each component was calculated using the evaluated beam data. Radioactive isotopes caused by generated neutrons were compared and evaluated using nuclide information from the International Radiation Protection Association and the Korea Radioisotope association. Most of the nuclides produced form of beta rays and electron capture, and short-lived nuclides dominated. However, In the case of 54Mn, which is a radioactive product of iron, the effect of gamma rays should be considered. In the case of tritium generated from a material with a low atomic number, it is considered that handling care should be taken due to its long half-life.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구는 전산모의모사를 통하여 중하전입자가속기를 모의모사하고 단기간 사용으로 인하여 구성품에 생성되는 방사화 물질의 종류 및 핵종별 방사능의 양을 산출하고자 한다. 이를 통해 중입자 가속기 사용자 또는 유지 보수 시 작업자에 대한 방사선학적 영향을 제공하고자 한다.
이에 본 연구는 전산모의모사를 통하여 중하전입자가속기를 모의모사하고 단기간 사용으로 인하여 구성품에 생성되는 방사화 물질의 종류 및 핵종별 방사능의 양을 산출하고자 한다. 이를 통해 중입자 가속기 사용자 또는 유지 보수 시 작업자에 대한 방사선학적 영향을 제공하고자 한다.

제안 방법

구성품별로 생성된 방사성핵종의 평가는 국제방사선방호협회(ICRP)와 한국방사성동위원소협회의 핵종 정보를 비교하여 평가하였다[17-19.]
모의모사된 선원항의 평가를 위하여 물 팬텀에서 측정된 비정자료를 미국표준연구소의 220 MeV 양성자 비정자료와 비교하였다.
본 연구에 사용된 양성자의 에너지와 가동조건은 220 MeV, 7 nA이며, 모의모사된 선원항의 평가는 국제방사선측정위원회(ICRU)에서 권고하는 기준에 따라 양성자가속기의 SSD(source surface distance) 300 cm지점에 물팬텀을 위치시키고 깊이에 따른 흡수선량의 상대적인 비를 이용하여 비정을 산출하였으며, 그 결과 값을 미국 표준연구소의(NIST)의 양성자 비정 데이터와 비교하여 모의모사의 신뢰도를 평가하였다[16].
본 연구에서는 방사선 치료용으로 활용되고 있는 220 MeV의 중입자 가속기 노즐을 모의모사하고 7 nA의 환경으로 8시간 가동 시 각 구성품별 생성되는 방사성핵종 및 총 방사능을 시간의 경과에 따라서 분류하여 평가하였다.
사용된 FLUKA의 Scoring은 단위질량당 흡수선량을 산출하는 USRBIN card를 사용하였으며 실험의 오차를 5% 이내로 줄이기 위하여 10⁷번 반복 실험을 진행하였다.
생성된 방사성 핵종분류는 국제방사선방호위원회(ICRP)와 한국방사성동위원소협회의 핵종 정보를 활용하여 방사화 핵종의 선정 및 재고량을 평가하였다[17-18].
이에 본 연구에서는 FLUKA code를 활용하여 양성자 치료기 노즐을 모의모사하고 단기간 가동 시 구성품별 생성되는 방사성핵종 및 총 방사능을 시간의 경과에 따라서 각각 분류 및 평가하였다.
중입자 가속기의 가동 종료 후 5분, 1시간, 8시간, 1일 단위로 냉각시간을 가졌으며, 각 냉각시간 별로 생성된 총 방사능 및 방사화 핵종에 대한 평가는 DCYTIMES card와 RESNUCLi card를 사용하여 산출하였으며 실험의 오차를 5% 이내로 줄이기 위하여 10⁷번 반복 실험을 진행하였다.
중입자 가속기의 가동시간은 총 8시간이며, 가동 시 발생 되는 총 양성자와 중성자의 플럭스 정보는 USRBIN card를 사용하여 산출하였으며, 실험의 오차를 5% 이내로 줄이기 위하여 10⁷번 반복 실험을 진행하였다.

대상 데이터

1에서는 FLUKA로 모의모사된 중입자 가속기의 모식도를 나타내었다. IBA사의 Passive Scattering System의 경우 양성자를 넓게 퍼뜨리는 2개의 산란체를 포함 총 9개의 구성품을 모의모사하였으며, 각 구성품의 물성, 구성원소, 밀도에 대한 정보는 Table 1과 같다[15].
중입자 가속기 노즐의 경우 국내에 도입된 IBA(Ion Beam Application)사의 노즐을 모모사하였으며, Fig. 1에서는 FLUKA로 모의모사된 중입자 가속기의 모식도를 나타내었다. IBA사의 Passive Scattering System의 경우 양성자를 넓게 퍼뜨리는 2개의 산란체를 포함 총 9개의 구성품을 모의모사하였으며, 각 구성품의 물성, 구성원소, 밀도에 대한 정보는 Table 1과 같다[15].

이론/모형

본 연구는 고에너지 입자 가속기의 모의모사에 널리 활용되는 FLUKA 코드(ver.2011.2)를 이용하여 실험을 진행하였다. FLUKA 코드는 일반적으로 하전입자의 물질과의 상호작용 및 에너지 전달을 산출하여 피폭선량을 평가하기 위하여 고안된 코드이며, 이를 활용하여 중성자 방사화 핵종의 생성 및 감쇠, 생성 핵종의 종류 및 그 방사능을 산출 및 평가할 수 있는 프로그램이다[13-14].

성능/효과

본 연구와 NIST와의 양성자 비정을 비교한 결과, 약 2.3%의 차이가 나타났다(Table 2). 물 팬텀에서 깊이별 양성자의 상대적 선량은 Fig.
선원항 평가를 위해 본 연구와 NIST와의 양성자 비정을 비교한 결과 약 5% 이내의 일치율을 나타내었다.
황동으로 이루어진 콜리메이터 부분의 경우 생성 핵종은 Cu, Zn의 방사성동위원소가 생성되었으며 이중 ⁶⁴Cu의 생성량이 가장 많았으며 노즐에 위치한 콜리메이터 중 빔의 진행경로의 마지막에 위치하는 Final Collimator에서 가장 높은 방사화 반응이 발생하였다.

후속연구

그러나 방사선의 에너지 및 실제 사용 기간에 따라서 방사화 생성물이 상이하며, 활용되는 모의시뮬레이션 프로그램에 따라서도 결과의 차이를 보이므로 다양한 코드를 활용하여 비교하는 벤치마킹이 필요할 것으로 판단된다.
향후 본 연구를 토대로, 방사선관리 측면에서 작업종사자의 일일피폭선량 산출이 필요하며, 가속기의 처리 및 처분을 위한 가속기 장기간 사용에 대한 방사화 평가도 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FLUKA 코드가 고안된 목적은?	2)를 이용하여 실험을 진행하였다. FLUKA 코드는 일반적으로 하전입자의 물질과의 상호작용 및 에너지 전달을 산출하여 피폭선량을 평가하기 위하여 고안된 코드이며, 이를 활용하여 중성자 방사화 핵종의 생성 및 감쇠, 생성 핵종의 종류 및 그 방사능을 산출 및 평가할 수 있는 프로그램이다[13-14].
	중하전입자를 이용한 방사선 치료가 기존 방법과 다른 점은 무엇인가?	그러나 기존의 광자선과는 달리 높은 에너지의 중하전입자는 가속기 구성품과의 상호작용으로 2차 즉발 또는 지발 중성자를 발생시키며, 생성된 2차 중성자는 가속기 구성품의 방사화를 일으켜 잔류핵종(Resnuclie) 및 핵이성체(Isomer)를 생성하게 된다. 이러한 잔류핵종 및 핵이성체에서 방출되는 방사선은 작업자의 선량증가에 영향을 미치게 된다[6-8].
	중하전입자를 이용한 방사선 치료의 장점은 무엇인가?	중하전입자를 이용한 방사선 치료는 현재 보편적으로 활용되고 있는 광자선에 비해서 종양조직에 대한 높은 생물학적효과 (relative biological effectiveness; RBE)와 브래그피크효과(bragg peak effect)를 이용하여 치료 선량을 전달하므로 목표로 하는 종양조직에는 고 선량을 정상조직에는 저 선량을 전달하는 방사선치료에 매우 적합한 치료 방법이다[1-5].

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저자의 다른 논문 :

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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