[논문]방사선 방어시설 구축 시 활용 가능한 관전압별 납 시트 차폐율 성능평가 및 실측 검증

이기윤; 정경환; 한동희; 김장오; 한만석; 길종원; 백철하

doi:10.7742/jksr.2023.17.4.489

초록
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방사선 방어시설은 진단용 방사선 발생장치가 설치되어 있는 장소에 구축되어 환자, 방사선 작업 종사자 등의 피폭을 방지한다. 본 연구에서는 이러한 방사선 방어시설의 주 재료인 납에 대해 최대관전압별 차폐 두께의 경향성을 몬테칼로 시뮬레이션과 실측을 통해 비교 검증하고자 한다. 몬테칼로 시뮬레이션 코드 중 Monte Carlo N-Particle 6를 활용하였으며 해당 시뮬레이션 상에 모사한 납 차폐 구조도는 선원과 납 시트 사이의 거리는 100 cm, 조사야 크기는 10 × 10 cm²이며 관전압은 80, 100, 120, 140 kVp로 설정하였다. 각 관전압별 에너지 스펙트럼을 산출하여 시뮬레이션에 적용하였다. 80, 100, 120, 140 kVp별 각각 50, 70, 90, 95% 차폐율을 보이는 납 두께를 산출하였다. 80 kVp에서 각 차폐율에 해당하는 두께는 각각 0.03, 0.08, 0.2 1, 0.33 mm이며, 100 kVp에서는 0.05, 0.12, 0.30, 0.50 mm, 120 kVp에서는 0.06, 0.14, 0.38, 0.56 mm, 140 kV p에서는 0.08, 0.16, 0.42, 0.61 mm로 나타났다. 산출된 납 두께에 대해 실측을 진행하였으며 사용된 방사선 발생장치는 GE Healthcare 사의 Discovery XR 656이며 선량계측기의 경우 IBA 사의 MagicMax이다. 실측결과 80 kVp에서 각 두께별 차폐율은 43.56, 70.33, 89.85, 93.05%였으며 100 kVp에서는 52.49, 72.26, 86.31, 92.17%, 120 kVp에서는 48.26, 71.18, 87.30, 91.56%, 140 kVp에서는 50.45, 68.75, 89.95, 91.65%.로 나타났다. 시뮬레이션과 실측을 비교한 결과 두 값의 차이가 평균 약 3% 이내로 작은 것으로 확인되었다. 본 연구의 결과는 몬테칼로 시뮬레이션의 신뢰성을 검증함과 동시에 향후 방사선 방어시설의 구축에 있어 기초 데이터로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Radiation shielding facilities are constructed in locations where diagnostic radiation generators are installed, with the aim of preventing exposure for patients and radiation workers. The purpose of this study is seek to compare and validate the trend of attenuation thickness of lead, the primary m...

Radiation shielding facilities are constructed in locations where diagnostic radiation generators are installed, with the aim of preventing exposure for patients and radiation workers. The purpose of this study is seek to compare and validate the trend of attenuation thickness of lead, the primary material in these radiation shielding facilities, at different maximum tube voltages by Monte Carlo simulations and measurement. We employed the Monte Carlo N-Particle 6 simulation code. Within this simulation, we set a lead shielding arrangement, where the distance between the source and the lead sheet was set at 100 cm and the field of view was set at 10 × 10 cm2. Additionally, we varied the tube voltages to encompass 80, 100, 120, and 140 kVp. We calculated energy spectra for each respective tube voltage and applied them in the simulations. Lead thicknesses corresponding to attenuation rates of 50, 70, 90, and 95% were determined for tube voltages of 80, 100, 120, and 140 kVp. For 80 kVp, the calculated thicknesses for these attenuation rates were 0.03, 0.08, 0.21, and 0.33 mm, respectively. For 100 kVp, the values were 0.05, 0.12, 0.30, and 0.50 mm. Similarly, for 120 kVp, they were 0.06, 0.14, 0.38, and 0.56 mm. Lastly, at 140 kVp, the corresponding thicknesses were 0.08, 0.16, 0.42, and 0.61 mm. Measurements were conducted to validate the calculated lead thicknesses. The radiation generator employed was the GE Healthcare Discovery XR 656, and the dosimeter used was the IBA MagicMax. The experimental results showed that at 80 kVp, the attenuation rates for different thicknesses were 43.56, 70.33, 89.85, and 93.05%, respectively. Similarly, at 100 kVp, the rates were 52.49, 72.26, 86.31, and 92.17%. For 120 kVp, the attenuation rates were 48.26, 71.18, 87.30, and 91.56%. Lastly, at 140 kVp, they were measured 50.45, 68.75, 89.95, and 91.65%. Upon comparing the simulation and experimental results, it was confirmed that the differences between the two values were within an average of approximately 3%. These research findings serve to validate the reliability of Monte Carlo simulations and could be employed as fundamental data for future radiation shielding facility construction.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram for performance evaluation of lead sheet attenuation rate in MCNP6.
그림 Fig. 2. Energy spectra of 80, 100, 120, and 140 kVp calculated from the SRS-78 program.
그림 Fig. 3. Lead thickness according to attenuation rate by tube voltage.
표 Table 1. Specification of general radiology equipment
표 Table 2. Specification of Multi-detector
그림 Fig 4. (a) X-ray tube (b) Lead sheets (c) Detector and field of view (d) The overall structure of experiment
표 Table 3. Measurement attenuation rate by each tube voltage according to attenuation rate in MCNP6
표 Table 4. Comparison of the results between MCNP6 and measurement

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 몬테칼로 시뮬레이션을 활용하여 의료분야 내 진단용 방사선 발생장치에서 사용하고자 하는 최대관전압에 대하여 납 물질에 대한 여러 관전압별 적정 차폐 두께를 산출하고자 한다. 또한 납 시트를 제작하여 다목적선량계를 통한 비교검증을 수행하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

납 시트에 입사된 선량 대비, 시트 후면에서 검출된 선량을 통해 방사선 차폐율을 계산하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 몬테칼로 시뮬레이션을 활용하여 의료분야 내 진단용 방사선 발생장치에서 사용하고자 하는 최대관전압에 대하여 납 물질에 대한 여러 관전압별 적정 차폐 두께를 산출하고자 한다. 또한 납 시트를 제작하여 다목적선량계를 통한 비교검증을 수행하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 방사선 방어시설 구성요소의 주재료인 납에 대해 특정 차폐율에 따른 관전압별 적정 차폐 두께를 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 산출하였다. 또한, 다목적선량계를 통한 납 시트 성능 실측 평가를 수행함으로써 방사선 차폐율을 검증하였다. 두 방법론의 비교연구 결과 오차율이 평균 3% 미만으로 작음을 확인하였다.
본 연구를 통해 몬테칼로 시뮬레이션에서의 방사선 차폐율 결과를 토대로 제작한 납 시트의 경우, 하나의 완제품으로 각 차폐율에 상응하는 특정 두께의 납 시트를 제작한 것이 아닌 얇은 여러 두께의 납 시트를 포개어 두께를 구현하였다. 이 과정에서 납 시트와 납 시트 사이의 공기층(Air-gap) 또는 일부 빈 공간 발생 등으로 인해 오차가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 방사선 방어시설 구성요소의 주재료인 납에 대해 특정 차폐율에 따른 관전압별 적정 차폐 두께를 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 산출하였다. 또한, 다목적선량계를 통한 납 시트 성능 실측 평가를 수행함으로써 방사선 차폐율을 검증하였다.
두 방법론의 비교연구 결과 오차율이 평균 3% 미만으로 작음을 확인하였다. 본 연구의 목적인 80, 100, 120, 140 kVp에서의 납 시트의 적정 차폐 두께는 몬테칼로 시뮬레이션과 실험에서 차폐율 90% 이상을 보이는 두께인 각각 0.33, 0.50, 0.56, 0.61 mm이며, 이를 통해 방사선 방어시설 구축 시 차폐 두께를 결정하는 데에 있어 몬테칼로 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하였다. 또한, 본 연구 결과는 향후 구축될 방사선 방어시설에 대해 실제 임상에서 사용하고자 하는 최대관전압과 방어시설의 경제적 이득을 고려한 효율적인 시공을 위한 기초 데이터로 활용될 수 있다.

대상 데이터

50 mm이다. 120 kVp에서는 각각의 차폐율에서 0.06, 0.14, 0.38, 0.56 mm에 해당하는 납 두께를, 140 kVp에서는 0.08, 0.16, 0.42, 0.61 mm의 납 두께를 획득했다.
MCNP6에서 산출된 납 시트 두께를 제작하였다.

데이터처리

시뮬레이션 결괏값과 실측 실험값을 비교한 결과는 Table 4와 같으며, 3회 실측에 대해 각 관전압별 평균 차폐율과 표준편차를 산출하였다. 기준 차폐율과 실측 차폐율의 차이는 평균 약 3% 이내이다.

성능/효과

05%의 차폐율을 보였다. 100 kVp에서 실측한 결과 52.49, 72.26, 86.31, 92.17%의 차폐율을 보였으며 120 kVp에서 실측을 진행한 결과 48.26, 71.18, 87.30, 91.56%, 140 kVp에서는 50.45, 68.75, 89.95, 91.65%의 방사선 차폐율을 보였다.
50 mm로 차폐율이 증가할수록 두 관전압에서 납 시트 두께 또한 증가함을 확인하였다. 120, 140 kVp에서도 앞선 경우와 마찬가지로 차폐율이 증가함에 따라 납 두께도 증가함을 확인하였다.
이는 방사선 발생장치의 관전압이 증가할수록 방사선의 강도가 증가하여 방사선의 물체에 대한 투과력이 높아지기 때문이다. 80 kVp에서 50, 70, 90, 95% 차폐율을 보이는 두께는 각각 0.08, 0.21, 0.33 mm이며 100 kVp에서는 각 차폐율을 보이는 두께가 각각 0.05, 0.12, 0.30, 0.50 mm로 차폐율이 증가할수록 두 관전압에서 납 시트 두께 또한 증가함을 확인하였다. 120, 140 kVp에서도 앞선 경우와 마찬가지로 차폐율이 증가함에 따라 납 두께도 증가함을 확인하였다.
결과는 Table 3과 같으며, 80 kVp에서 50, 70, 90, 95% 차폐율을 보이는 납 시트 두께에 대한 실측 결과, 각각 43.56, 70.33, 89.85, 93.05%의 차폐율을 보였다. 100 kVp에서 실측한 결과 52.
또한, 다목적선량계를 통한 납 시트 성능 실측 평가를 수행함으로써 방사선 차폐율을 검증하였다. 두 방법론의 비교연구 결과 오차율이 평균 3% 미만으로 작음을 확인하였다. 본 연구의 목적인 80, 100, 120, 140 kVp에서의 납 시트의 적정 차폐 두께는 몬테칼로 시뮬레이션과 실험에서 차폐율 90% 이상을 보이는 두께인 각각 0.
진단용 방사선 발생장치에서 관전압이 증가할수록 필요 차폐 두께가 두꺼워짐을 확인할 수 있었다. 이는 방사선 발생장치의 관전압이 증가할수록 방사선의 강도가 증가하여 방사선의 물체에 대한 투과력이 높아지기 때문이다.

후속연구

61 mm이며, 이를 통해 방사선 방어시설 구축 시 차폐 두께를 결정하는 데에 있어 몬테칼로 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하였다. 또한, 본 연구 결과는 향후 구축될 방사선 방어시설에 대해 실제 임상에서 사용하고자 하는 최대관전압과 방어시설의 경제적 이득을 고려한 효율적인 시공을 위한 기초 데이터로 활용될 수 있다.

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