[논문]경량 연자성 소재의 군 시설물 적용 시 방사선 차폐효과 분석

이상규; 이상민; 최경준; 이병학

doi:10.7742/jksr.2021.15.2.191

[국내논문] 경량 연자성 소재의 군 시설물 적용 시 방사선 차폐효과 분석
Analysis of Radiation Shielding Effect of Soft Magnetic Material applied to Military Facility 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.15 no.2, 2021년, pp.191 - 199

이상규 (육군사관학교 물리화학과) , 이상민 (한국국방연구원 안보전략연구센터) , 최경준 (화생방방어연구소) , 이병학 (육군사관학교 물리화학과)

초록
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본 연구의 목적은 경량 연자성 소재의 방사선 차폐 효과를 분석하여 군사시설에 대한 적용 가능성을 확인하는 것이다. 연자성 물질은 EMP 차폐에 효과적인 것으로 알려져 있다. 이 물질이 방사선 차폐에도 효과적이라면 군 방호에 효과적으로 적용이 가능할 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서는 감마선 차폐 효과를 확인하기 위해 Cs-137 및 Co-60 선원을 사용하여 실험을 수행하였으며, 중성자 차폐 효과를 평가하기 위해 Monte Carlo N-Particle (MCNP) 모델링을 적용하였다. 그 결과 연자성 소재의 두께가 증가함에 따라 감마선과 중성자의 선형 감쇠 법칙에 의한 차폐성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 따라서 연자성 소재를 군사용 구조물 등에 적용할 경우에 방사선 차폐에 효과적이라는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this research is to analyze the radiation shielding effect of soft magnetic material to confirm the applicability to the military facilities. The soft magnetic material is known to be effective in shielding EMP. If this material is also effective in radiation shielding, it is expected that it has a lot of applicability in military protection. In particular, this material contains boron, so it will be effective in shielding neutrons. In this research, experiments were conducted using Cs-137 and Co-60 sources to check the gamma ray shielding effect. In addition, the Monte Carlo N-Particle(MCNP) modeling was applied to evaluate the gamma ray and neutron shielding effect of a military command tent. As a result, as the soft magnetic thickness increased, the shielding performance improved according the linear attenuation law of gamma ray and neutron. Therefore, this research verified that the application of soft magnetic material for military purposes in radiation shielding would be effective.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Cs-137 Spectra for Soft Magnetic Composite Material samples (Thickness 0.16cm).
그림 Fig. 2. Co-60 Spectra for Soft Magnetic Composite Material samples (Thickness 0.16cm).
표 Table 1. Counts on Gamma Energy Peak
그림 Fig. 3. Gamma Energy Peak and Gaussian Fitting.
그림 Fig. 4. Comparison of Experimental Spectrum and Monte Carlo Modeling Spectra.
그림 Fig. 5. Relative Counts of Experimental and Monte Carlo Modeling Results by Changing Thickness of Soft Magnetic Composite Material.
표 Table 2. Linear Attenuation Coefficient (cm^-1)
그림 Fig. 6. Relative Neutron Flux of Soft Magnetic Composite Material.
그림 Fig. 7. MCNP Modeling of Personal Protective Structure.
표 Table 3. Relative Neutron Flux of Soft Magnetic Composite Material.
그림 Fig. 8. Collision Modeling of Gamma Rays and Concrete Sample.
표 Table 4. Relative Counts of Experimental and Monte Carlo Modeling Results by Changing Thickness of Soft Magnetic Composite Material

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 경량 연자성 복합소재의 방사선 차폐효과를 분석하여 군사적 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 두께가 각기 다른 시험체들을 제작하여 방사선 차폐 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 연자성 복합소재의 방사선 차폐 성능을 확인하였다. 이를 위해 두께가 각각 다른 복합소재 시험체들을 준비하여 방사선 차폐실험을 진행하였다.
본 연구에서는 복합소재의 방사선 차폐효과에 대해 분석하였다. 그 결과 복합소재가 방사선 차폐에도 효과적임을 확인됨에 따라 군사적 적용에 대한 활용성이 클 것으로 판단된다.

가설 설정

지상군은 작전지역의 변경에 따라 신속하게 기동하여 해당지역에서 지휘를 위한 천막을 설치하여 운용하기도 한다. 그리고 연자성 복합소재가 유연하고 인성이 뛰어나기 때문에 군사용 지휘천막에 적용하는 상황을 가정하여 군사적 적용성을 평가하였다. 이를 위해 지휘소 내 통신장비 등에 대한 EMP차폐를 위하여 복합소재를 천막 겉면에 덧씌운 방식을 가정하였다.
그리고 연자성 복합소재가 유연하고 인성이 뛰어나기 때문에 군사용 지휘천막에 적용하는 상황을 가정하여 군사적 적용성을 평가하였다. 이를 위해 지휘소 내 통신장비 등에 대한 EMP차폐를 위하여 복합소재를 천막 겉면에 덧씌운 방식을 가정하였다. 그리고 해당 천막 구조물에 복합소재가 적용되었을 경우 방사선 차폐 성능을 몬테칼로 모델링을 통해서 확인하였다.
셋째, 복합소재의 유연성 및 질김 등이 좋아 군사용 지휘천막에 적용하였을 경우에 대한 방사선 차폐 모델링을 하였다. 지휘천막 특성상 복합소재를 두껍게 적용하지 않고 천막에 얇게 덧씌우는 형태를 가정하였다. 이때에도 어느 정도 방사선 차폐 효과를 얻을 수 있었으며, 두께가 증가함에 따라 방사선 차폐효과가 향상됨을 확인할 수 있었다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 경량 연자성 복합소재의 방사선 차폐효과를 분석하여 군사적 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 두께가 각기 다른 시험체들을 제작하여 방사선 차폐 실험을 진행하였다. 아울러 실험을 통해 얻어낸 방사능 차폐성능에 대한 물성치를 바탕으로 몬테칼로 모델링을 실시하여 군사용 지휘소의 방사능 차폐효과를 평가하고 군사적 효용성을 규명하였다.
이를 위해 두께가 각기 다른 시험체들을 제작하여 방사선 차폐 실험을 진행하였다. 아울러 실험을 통해 얻어낸 방사능 차폐성능에 대한 물성치를 바탕으로 몬테칼로 모델링을 실시하여 군사용 지휘소의 방사능 차폐효과를 평가하고 군사적 효용성을 규명하였다.
연자성 복합소재의 방사선 차폐 정도를 확인하기 위하여 감마선원인 Co-60, Cs-137 동위원소를 사용하여 감마선 차폐 실험을 진행하였다. 또한 이 소재에는 보론이 함유되어 있어 중성자 차폐에 효과적일 것으로 판단된다.
시험체의 방사선 차폐에 대한 실험값과 모델링 값을 정확하게 비교하기 위하여 방사선 측정기의 DRF(Detector Response Function)을 구현하였다. 시험체에 대한 모델링이 검증된 이후에는 군사용 구조물을 실제 크기에 맞게 모델링하여 군사적 적용 가능성도 평가하였다.
시험체의 방사선 차폐에 대한 실험값과 모델링 값을 정확하게 비교하기 위하여 방사선 측정기의 DRF(Detector Response Function)을 구현하였다. 시험체에 대한 모델링이 검증된 이후에는 군사용 구조물을 실제 크기에 맞게 모델링하여 군사적 적용 가능성도 평가하였다.
92cm 등 8가지 샘플로 제작하였다. 이처럼 각기 다른 두께의 시험체에 대하여 감마선 차폐 실험을 진행하였다.
이를 위해 지휘소 내 통신장비 등에 대한 EMP차폐를 위하여 복합소재를 천막 겉면에 덧씌운 방식을 가정하였다. 그리고 해당 천막 구조물에 복합소재가 적용되었을 경우 방사선 차폐 성능을 몬테칼로 모델링을 통해서 확인하였다.
본 연구에서는 연자성 복합소재의 방사선 차폐 성능을 확인하였다. 이를 위해 두께가 각각 다른 복합소재 시험체들을 준비하여 방사선 차폐실험을 진행하였다. 그리고 몬테칼로 모델링과 실험값을 비교하고 분석하였다.

대상 데이터

본 소재의 원소 구성비는 철 78%, 실리콘 9%, 보론 13% 등이 함유되어 있으며 밀도는 7.19 g/cm3이다. 시험체 한 장의 두께를 20㎛로 제작할 수 있기 때문에 현장 재단이 가능하여 시공이 용이하고 질김(인성) 특성이 우수하여 블라인드 형태의 창이나 롤러블 출입문뿐만 아니라 바닥재로도 사용이 가능하다는 특징이 있다.
3. 실험 방법

방사선 차폐 실험을 위해 시험체의 두께를 0.02cm, 0.04cm, 0.08cm, 0.16cm, 0.32cm, 0.64cm, 1.28cm, 1.92cm 등 8가지 샘플로 제작하였다. 이처럼 각기 다른 두께의 시험체에 대하여 감마선 차폐 실험을 진행하였다.
우선 시험체에 대한 모델링은 실험과 동일한 두께와 조건을 모사하였다. 감마선원은 원통형의 Cs-137, Co-60 선원 두 가지를 적용하였다. 감마선은 복합소재와 반응하여 차폐되고 반응하지 않은 감마선은 투과하여 검출기에 의해 측정된다.

데이터처리

GEB 및 백그라운드 측정값 등이 포함된 최적화 된 모델링 방법을 바탕으로 실험 및 모델링 결과를 비교하여 보았다. 감마 에너지에 따른 시험체의 두께별 차폐정도를 Fig.
이를 위해 두께가 각각 다른 복합소재 시험체들을 준비하여 방사선 차폐실험을 진행하였다. 그리고 몬테칼로 모델링과 실험값을 비교하고 분석하였다.

성능/효과

그리고 Table 1은 복합소재의 두께별 감마선 에너지의 측정치(Counts) 값을 보여준다. 실험결과에서 보듯이 복합소재의 두께가 증가할수록 선형감쇠법칙에 따라 방사선의 선량이 감소함을 확인할 수 있었다.
또한 실험 및 MCNP 수치해석 결과에서 시험체의 두께가 증가할수록 일반적으로 감마선에 차폐 효과는 증가함을 확인할 수 있었다.
이에 핵·방사능 전시 상황에 맞게 군사용 시설물의 방사선 방호를 위한 복합소재의 두께를 최적화하여 적용 가능함을 확인하였다.
이번 연구에서 확인된 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 연자성 복합소재의 두께가 증가함에 따른 감마선 차폐성능이 선형감쇠법칙과 일치하였다. 이에 핵·방사능 전시 상황에 맞게 군사용 시설물의 방사선 방호를 위한 복합소재의 두께를 최적화하여 적용 가능함을 확인하였다.
둘째, 복합소재에 보론이 약 13% 함유되어 있어 모델링을 통해 중성자 차폐에 효과적임을 확인하였다. 따라서 핵무기 폭발 초기에 발생하는 중성자에 대한 방호를 보장받을 수 있을 것으로 기대한다.
셋째, 복합소재의 유연성 및 질김 등이 좋아 군사용 지휘천막에 적용하였을 경우에 대한 방사선 차폐 모델링을 하였다. 지휘천막 특성상 복합소재를 두껍게 적용하지 않고 천막에 얇게 덧씌우는 형태를 가정하였다.
지휘천막 특성상 복합소재를 두껍게 적용하지 않고 천막에 얇게 덧씌우는 형태를 가정하였다. 이때에도 어느 정도 방사선 차폐 효과를 얻을 수 있었으며, 두께가 증가함에 따라 방사선 차폐효과가 향상됨을 확인할 수 있었다. 다만, 복합소재를 EMP 차폐만을 위해 적용할 경우에는 얇게 적용할 수 있겠으나 방사선 차폐도 염두할 경우에는 요망하는 차폐수준에 맞게 복합소재를 두껍게 하여 시설물에 적용할 필요가 있겠다.

후속연구

둘째, 복합소재에 보론이 약 13% 함유되어 있어 모델링을 통해 중성자 차폐에 효과적임을 확인하였다. 따라서 핵무기 폭발 초기에 발생하는 중성자에 대한 방호를 보장받을 수 있을 것으로 기대한다.
이때에도 어느 정도 방사선 차폐 효과를 얻을 수 있었으며, 두께가 증가함에 따라 방사선 차폐효과가 향상됨을 확인할 수 있었다. 다만, 복합소재를 EMP 차폐만을 위해 적용할 경우에는 얇게 적용할 수 있겠으나 방사선 차폐도 염두할 경우에는 요망하는 차폐수준에 맞게 복합소재를 두껍게 하여 시설물에 적용할 필요가 있겠다.
본 연구에서는 복합소재의 방사선 차폐효과에 대해 분석하였다. 그 결과 복합소재가 방사선 차폐에도 효과적임을 확인됨에 따라 군사적 적용에 대한 활용성이 클 것으로 판단된다.

참고문헌 (11)

S. Glasstone, P. J. Dolan, The effects of nuclear weapons, 3rd ed. USA: US Department of Defense, 1977.
N. H. Shin. S. K. Lee, Introduction to nuclear weapons and electromagnetic pulse, Bookshill, pp. 105-109, 2019.
R. O. K. Army, Stronghold and Protective Facility_Field Manuel, R.O.K.-Army Headquater, Gyeryong, pp. 34, 1998.
D. C. Choi, M. S. Choi, J. G. Kim, "Magnetic Properties of FeSiAl Oxide Nanoparticles and Magneto-Dielectric Properties of Their Composite Sheets", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 50, No. 11, pp. 1-4, 2014. http://dx.doi.org/10.1109/TMAG.2014.2325867

상세보기
Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 4th Ed., John Wiley & Sons, NJ, pp. 45, 2010.
Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 4th Ed., John Wiley & Sons, NJ, pp. 51-53, 2010.
Pelowitz, D. B. MCNP6 USER'S MANUAL, Los Alamos(USA), Los Alamos National Laboratory; 2013
Tsoulfanidis, N., & Landsberger, S., Measurement and Detection of Radiation, 3rd Ed., Taylor & Francis, Abingdon(USA), pp. 29-34. 2010.
Ali Taheri, Mojtaba Askari, Mohammad Taghan Sasanpour, "Simulation of Gaussian energy broadening in gamma response of a LYSO array detector using a semi-empirical method", The European Physical Journal Plus, Vol. 132, No. 9, pp. 384, 2017. https://doi.org/10.1140/epjp/i2017-11646-x

상세보기
Rolf F. Barth, John C. Grecula, "Boron neutron capture therapy at the crossroads - Where do we go from here?", Applied Radiation and Isotopes, Vol. 160, pp. 109029, 2020. http://dx.doi.org/10.1016/j.apradiso.2019.109029

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R.O.K. Army, General tent_Technical manual, R.O.K.-Army Headquater, Gyeryong, pp. 57, 1998.

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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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