[논문]현장방사능분석을 위한 NaI(Tl) 및 LaBr3(Ce) 검출기의 적용성 평가

이준호; 변종인; 이동명; 윤주용

문제 정의

본 연구에서는 NaI(Tl) 및 LaBr₃(Ce) 검출기를 이용하여 현장감마분광분석을 통해 토양 중 방사능 농도를 분석하였다. 본 발표에서는 각 검출기에 대해 핵종의 방사능 농도 분석을 위한 시스템 교정 결과를 제시하고 시료 채취 후 실험실 분석 결과와 비교 평가하여 환경 중 NaI(Tl) 및 LaBr₃(Ce) 검출기의 적용성에 대해 논의된다.
본 연구에서는 현장감마분광분석을 위해 NaI(Tl) 및 LaBr₃(Ce) 검출기를 이용하여 환경 중 감마선 방출핵종의 방사능농도 산출에 대한 적용성을 평가 하였다. 방사능산출 인자의 결정에서는 자체백그라운드가 보다 작은 NaI(Tl)이 용이하였으며, 자연방사성핵종에 대한 피이크 선별 및 방사능 산출은 자 체백그라운드는 높지만 비교적 분해능이 우수한 LaBr₃ 검출기가 유용함을 볼 수 있었다.

제안 방법

현장감마분광분석을 위해, 3“Φ x 3” NaI(Tl) 및 2“Φ x 2” LaBr3(Ce) 검출기가 이용되었으며 비교 스펙트럼을 얻기 위해 상대효율 30%의 이동형 HPGe 검출기를 이용하였다.
N0/Ø는 응답함수로서 각도보정인자와 마찬가지로 검출기의 크기에 의존하며, 각 검출기 표면에서 1 m 떨어진 지점에 교정선원을 위치하여 각도의존성을 평가하였다.
이러한 섬광 검출기들은 주로 환경 중 또는 비상시에 선량률 측정 목적으로 활용되어 왔으며, 더 나아가 비상시 현장에서의 방사능 농도 분석을 위한 적용성 연구가 필요할 수 있다. 본 연구에서는 NaI(Tl) 및 LaBr₃(Ce) 검출기를 이용하여 현장감마분광분석을 통해 토양 중 방사능 농도를 분석하였다. 본 발표에서는 각 검출기에 대해 핵종의 방사능 농도 분석을 위한 시스템 교정 결과를 제시하고 시료 채취 후 실험실 분석 결과와 비교 평가하여 환경 중 NaI(Tl) 및 LaBr₃(Ce) 검출기의 적용성에 대해 논의된다.
계측기 교정을 위해 370 kBq의 Co-70, Ba-133, Cs-137, Mn-85, Na-22, Co-60, Eu-152 및 Ra-226 교정 선원을 이용하였다. N_f/N₀는 각도보정인자로서 검출기와 선원의 기하구조에 의존하며, 각각의 검출기 대칭축에서 교정선원을 1 m 간격을 유지한 채 15도 각도로 검출기를 회전시켜 측정하였다. N₀/Ø는 응답함수로서 각도보정인자와 마찬가지로 검출기의 크기에 의존하며, 각 검출기 표면에서 1 m 떨어진 지점에 교정선원을 위치하여 각도의존성을 평가하였다.
현장감마분광분석은 강원도 일대에서 수행되었으며 각 검출기마다 3,600 초씩 측정하였다. 또한 참고 방사능 산출을 위해, 현장측정 지점을 중심으로 5 m 및 8 m 거리에서 각각 4개씩 100 mm 깊이로 총 9개의 시료를 채취하였다.
채취된 토양은 실험실로 이동 후 건조 및 분쇄의 전처리를 거치고, Ra-226 분석을 위해 방사평형을 고려하여 21일이 경과한 시점에서 측정 및 감마선분광분석을 수행하였다.

대상 데이터

계측기 교정을 위해 370 kBq의 Co-70, Ba-133, Cs-137, Mn-85, Na-22, Co-60, Eu-152 및 Ra-226 교정 선원을 이용하였다. N_f/N₀는 각도보정인자로서 검출기와 선원의 기하구조에 의존하며, 각각의 검출기 대칭축에서 교정선원을 1 m 간격을 유지한 채 15도 각도로 검출기를 회전시켜 측정하였다.
현장감마분광분석은 강원도 일대에서 수행되었으며 각 검출기마다 3,600 초씩 측정하였다. 또한 참고 방사능 산출을 위해, 현장측정 지점을 중심으로 5 m 및 8 m 거리에서 각각 4개씩 100 mm 깊이로 총 9개의 시료를 채취하였다. 또한 토양의 수직 분포를 평가하기 위해 측정 지점에서 0~50, 50~100, 100~200 및 200~300 mm 단위로 깊이별 토양을 채취하였다.
또한 참고 방사능 산출을 위해, 현장측정 지점을 중심으로 5 m 및 8 m 거리에서 각각 4개씩 100 mm 깊이로 총 9개의 시료를 채취하였다. 또한 토양의 수직 분포를 평가하기 위해 측정 지점에서 0~50, 50~100, 100~200 및 200~300 mm 단위로 깊이별 토양을 채취하였다. 채취된 토양은 실험실로 이동 후 건조 및 분쇄의 전처리를 거치고, Ra-226 분석을 위해 방사평형을 고려하여 21일이 경과한 시점에서 측정 및 감마선분광분석을 수행하였다.

데이터처리

또한, 시스템 교정 및 현장 방사능분석 방법의 신뢰성을 평가하기 위한 실험실 분석에서는 상대효율 30%의 HPGe 반도체 검출기가 이용되었다.

이론/모형

현장감마분광분석에서 얻어진 스펙트럼을 방사능 농도로 산출하기 위해 Beck(1972)이 제시한 교정 방법을 이용하였으며, 방사능산출 인자는 아래와 같이 산출된다[2].

성능/효과

Fig. 2는 각 섬광검출기의 에너지에 따른 N0/Ø산출결과를 보여주며, 이론적 및 반실험식을 통해 산출된 Nf/N0 및 Nf/N0를 고려하여 U, Th-series 및 K-40에 대한 현장방사능농도 평가결과 계수표준불확도가 현저히 낮은 일부 핵종을 제외하고는 10% 이내에서 시료채취·분석에 의한 실험실 분석결과와 일치함을 보였다.
(Ce) 검출기를 이용하여 환경 중 감마선 방출핵종의 방사능농도 산출에 대한 적용성을 평가 하였다. 방사능산출 인자의 결정에서는 자체백그라운드가 보다 작은 NaI(Tl)이 용이하였으며, 자연방사성핵종에 대한 피이크 선별 및 방사능 산출은 자 체백그라운드는 높지만 비교적 분해능이 우수한 LaBr₃ 검출기가 유용함을 볼 수 있었다. 두 섬광검출기는 분해능 또는 자체 백그라운드 부분에 있어 서 장단점을 보였으며, 휴대 및 측정이 용이한 장점과 함께 계측목적에 따라 허용오차 범위내에서 현장 방사능분석을 위해 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

방사능산출 인자의 결정에서는 자체백그라운드가 보다 작은 NaI(Tl)이 용이하였으며, 자연방사성핵종에 대한 피이크 선별 및 방사능 산출은 자 체백그라운드는 높지만 비교적 분해능이 우수한 LaBr₃ 검출기가 유용함을 볼 수 있었다. 두 섬광검출기는 분해능 또는 자체 백그라운드 부분에 있어 서 장단점을 보였으며, 휴대 및 측정이 용이한 장점과 함께 계측목적에 따라 허용오차 범위내에서 현장 방사능분석을 위해 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

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