[논문]범용 실리콘 방사선 센서를 이용한 우주방사선 선량계 개발

천종규; 김성환

doi:10.7742/jksr.2023.17.3.367

초록
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비행시 승무원이나 승객은 우주방사선과 공기나 비행기 기체와 반응하여 발생한 2차 산란선 등에 의해 피폭을 받게 된다. 항공기 승무원의 경우 우주기상 환경 시뮬레이션을 이용하여 계산된 피폭선량으로 방사선 안전관리를 적용받고 있다. 하지만, 태양활동이나 고도, 비행경로 등에 따라 피폭선량이 가변적이어서 계산법보다는 항로별 측정하는 것이 권고되고 있다. 본 연구에서는 범용 Si 센서와 다중채널파고분석기를 이용하여 우주방사선 선량을 측정할 수 있는 선량계를 개발하였다. 선량계산은 미우주항공국의 우주방사선 측정장비인 CRaTER(Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation)의 알고리즘을 적용하였다. 표준교정시설에서 Cs-137 662 keV 감마선으로 에너지 및 선량교정을 시행하였으며, 실험 범위에서 선량률 의존성이 없음을 확인하였다. 제작된 선량계를 이용하여 2023년 5월 두바이 인천 구간의 국제선에서 직접 선량을 측정한 결과 국내 우주방사선 선량평가코드(KREAM; Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose)로 계산된 결과와 12% 이내로 비슷하게 나타났으며, 고도와 위도가 높아짐에 따라 계산 결과와 동일하게 선량이 증가하는 것을 확인하였다. 좀 더 많은 실증적 검증 실험이 요구되는 제한점은 있지만, 항공기 내 또는 개인 피폭선량 모니터링에 가성비가 우수한 선량계로 충분한 활용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aircrews and passengers are exposed to radiation from cosmic rays and secondary scattered rays generated by reactions with air or aircraft. For aircrews, radiation safety management is based on the exposure dose calculated using a space-weather environment simulation. However, the exposure dose vari...

Aircrews and passengers are exposed to radiation from cosmic rays and secondary scattered rays generated by reactions with air or aircraft. For aircrews, radiation safety management is based on the exposure dose calculated using a space-weather environment simulation. However, the exposure dose varies depending on solar activity, altitude, flight path, etc., so measuring by route is more suggestive than the calculation. In this study, we developed an instrument to measure the cosmic radiation dose using a general-purpose Si sensor and a multichannel analyzer. The dose calculation applied the algorithm of CRaTER (Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation), a space radiation measuring device of NASA. Energy and dose calibration was performed with Cs-137 662 keV gamma rays at a standard calibration facility, and good dose rate dependence was confirmed in the experimental range. Using the instrument, the dose was directly measured on the international line between Dubai and Incheon in May 2023, and it was similar to the result calculated by KREAM (Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose) within 12%. It was confirmed that the dose increased as the altitude and latitude increased, consistent with the calculation results by KREAM. Some limitations require more verification experiments. However, we confirmed it has sufficient utilization potential as a cost-effective measuring instrument for monitoring exposure dose inside or on personal aircraft.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Pictures of radiation sensor and MCA.
그림 Fig. 2. Process of determine equivalent dose.
그림 Fig. 3. Pictures of manufactured space dosimeter.
그림 Fig. 4. Cs-137 662 keV γ-ray pulse height spectrum measured by GDK-101 Si sensor.
그림 Fig. 5. Linearity between irradiation and measurement dose rate of GDK-101 sensor for Cs-137 662 keV γ-ray in Korasol Co.
그림 Fig. 6. Lineal energy spectra measured by a GDK-101 sensor and Rhelectronics MCA on the ground(black) and during flight(red) from Dubai to Incheon.
그림 Fig. 7. Measured equivalent dose during flight from Dubai to Incheon at May 13, 2023. (a) flight path from Dubai to Incheon, (b) total dose and dose rate by KREAM, and (c) comparison between calculation by KREAM and measurement by GDK-101 of equivalent dose during flight.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 범용 Si 감마 센서와 범용 다중채널파고분석기(MCA; Multichannel Analyzer)를 이용하여 개인 휴대가 가능한 우주방사선 선량계를 개발하고 국제 항공노선에서 우주방사선 선량을 직접 측정하여 KREAM에서 계산된 결과를 비교, 분석함으로써 기내 또는 개인 선량계로서의 가능성을 평가하였다.
우주방사선은 지상과 달리 양성자와 2차 산란선의 고 LET 방사선이 주로 존재하기 때문에 인체에 생물학적으로 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서 범용 Si 센서와 다중채널파고분석기(MCA)를 이용하여 우주방사선 선량계를 개발하였다. Cs-137 662 keV 감마선으로 에너지 및 선량 교정을 시행하였으며, 실제 두바이 인천 구간의 국제 항공노선에 측정한 결과 KREAM의 계산값과 비슷한 측정 결과를 확인하였다.

제안 방법

방사선의 에너지를 측정하기 위하여 Cs-137 662 keV 감마 선원을 사용하여 다중채널파고분석기(MAC)의 채널에 대한 에너지 교정을 시행하였다. GDK-101의 경우 Si 센서의 크기가 작고 원자번호가 낮아서 감마선의 광전피크가 측정되지 않기 때문에 Eq.

대상 데이터

방사선 센서로 Fig. 1-(a)의 GDK-101 감마 센서(FtLab.co.kr)를 사용하였다. 이 센서는 총 10개의 pin photo-diode로 구성되며, 계수모드에서 동작한다.
1-(b)는 에너지 스펙트럼 측정에 사용된 Rhelectronics사의 범용 다중채널파고분석기이다. 총 1024 채널의 PIC18(Programmable Interrupt Controller) MCA 모듈과 10 bit ADC (Analog to Digital Convertor)로 구성되어 있다. 동작전압은 5~12 V 이며, 128 × 64 LCD(Liquid Crystal Display)로 실시간 스펙트럼 확인이 가능하다.

데이터처리

동작전압은 5~12 V 이며, 128 × 64 LCD(Liquid Crystal Display)로 실시간 스펙트럼 확인이 가능하다. 측정된 데이터는 마이크로SD 메모리에 저장한 후 컴퓨터에서 방사선량측정 결과를 분석하였다.

성능/효과

01 ~ 200 μSv/h로 항공기 고도에서 선량평가에 적합한 것으로 판단된다. 비록 GDK-101 센서가 계수 모드로 동작하도록 설계되었지만, 입사 방사선 에너지에 비례하는 신호를 출력하고 있음을 실험적으로 확인하였다. 이는 방사선의 에너지 스펙트럼을 측정할 수 있다는 의미이다.
본 논문에서는 항공기 고도에 대한 방사선량 평가가 25°에서 37°의 저위도 영역에서 1회 측정에 그쳤지만, 측정된 선량이 시뮬레이션 결과와 10% 전후의 차이를 나타내었으며, Fig
6은 제작된 우주방사선 선량계의 항공기 고도에서 측정한 선형에너지 스펙트럼이다. 데이터 측정시간은 10분이었으며, 지상에서는 대부분 LET가 낮은 감마선이어서 낮은 채널에서 측정되었지만, 비행 고도에서는 고 LET 방사선이 측정되며, 높은 채널에서 계수값이 증가함을 확인할 수 있다.
본 연구에서 범용 Si 센서와 다중채널파고분석기(MCA)를 이용하여 우주방사선 선량계를 개발하였다. Cs-137 662 keV 감마선으로 에너지 및 선량 교정을 시행하였으며, 실제 두바이 인천 구간의 국제 항공노선에 측정한 결과 KREAM의 계산값과 비슷한 측정 결과를 확인하였다. 범용 MCA의 특성상 데이터 저장 시간이 길고, Si 센서의 크기가 작아서 상세한 선량률 측정에 어려움이 있었고, 비행 실험이 1회 측정에 제한되었다.

후속연구

범용 MCA의 특성상 데이터 저장 시간이 길고, Si 센서의 크기가 작아서 상세한 선량률 측정에 어려움이 있었고, 비행 실험이 1회 측정에 제한되었다. 하지만, 충분한 우주방사선 선량계로서의 기내 또는 개인 선량모니터링용으로 가성비 높은 활용 가능성을 보였으며, 추가 실증적 비행 실험을 통해 우주방사선 선량계로서 검증하고자 한다.

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