IRIS형 방사선검출기 콜리메이터 제작 및 MCNP 코드를 이용한 성능평가

Development of the IRIS Collimator for the Portable Radiation Detector and Its Performance Evaluation Using the MCNP Code

Abstract

방사선검출기를 이용한 고방사성물질의 측정이나 방사선사고 등의 신속한 대응을 위하여 주위의 선량률 준위에 따라 크기별로 여러 종류의 콜리메이터들을 구비해야 하며, 이는 무거운 콜리메이터의 특성상 효율적인 현장 측정에 심각한 장애가 될 수 있다. 본 연구에서는 콜리메이터의 모양을 카메라의 렌즈 조리개 형식으로 제작하여 사용자가 직접 카메라 렌즈를 돌려 초점을 맞추듯이 콜리메이터의 내경을 조절하고 방사선의 감쇄율을 쉽게 알아볼 수 있도록 IRIS형 콜리메이터를 제작하였다. 먼저, 콜리메이터를 위상을 달리한 2 중의 텅스텐 셔터 구조로 제작하여 기계적 공차에 의한 방사선의 침투를 차단하고자 하였다. 그리고 셔터의 재질별로 콜리메이터 내경에 따른 방사선 감쇄율을 MCNP 코드를 이용하여 계산함으로써 이론적인 성능평가를 수행하였다. 계산된 내경의 크기별 감쇄율을 콜리메이터 외부 눈금링에 표시함으로써, 카메라 렌즈에 표시된 배율과 같은 방법으로 사용자가 해당 표시지점으로 콜리메이터 내경을 조절하였을 때, 방사선의 세기가 얼마만 큼 감소되는지 쉽게 알아볼 수 있도록 구현하였다. 끝으로 개발된 IRIS형 콜리메이터를 장착한 소형 방사선검출기를 현장 측정에 활용할 경우, 콜리메이터의 교체 없이 주위 방사선의 세기에 따라 콜리메이터 내경을 적절한 크기로 신속히 교체가 가능하며, 방사선 세기의 감쇄 정도를 쉽게 알아보게 함으로써 신속하고 정확한 대처가 가능할 것으로 판단된다.

When a radiation detector is applied to the measurement of the radioactivity of high-level of radioactive materials or the rapid response to the nuclear accident, several collimators with the different inner radii should be prepared according to the level of dose rate. This makes the in-situ measurement impractical, because of the heavy weight of the collimator. In this study, an IRIS collimator was developed so as to have a function of controlling the inner radius, with the same method used in optical camera, to vary the attenuation ratio of radiation. The shutter was made to have the double tungsten layers with different phase angles to prevent the radiation from penetrating owing to the mechanical tolerance. The performance evaluation through the MCNP code was conducted by calculating the attenuation ratio according to the inner radius of the collimator. The attenuation ratio was marked on the outer scale ring of the collimator. It is expected that when a radiation detector with the IRIS collimator is used for the in-situ measurement, it can change the attenuation ratio of the incident photon to the detector without replacing the collimator.

1. 서 론

방사성물질의 현장 측정이나 방사능 방재 및 환경탐사 등의 목적으로 휴대용 방사선검출기의 수요가 날로 증가하고 있으며, 검출기 사용자의 요구 또한 단순한 선량률 측정에 그치지 않고 대상물질에 대한 방사능 측정결과까지 확대되고 있는 추세이다. 이를 위해서는 검출기 입사창으로 들어오는 방사선의 양을 한정하고 검출기와 측정대상에 대한 배열(geometry)에서 입사하는 방사선의 양을 정확히 예측할 수 있어야 한다[1∼3]. 이는 필연적으로 방사선 콜리메이터의 장착과 몬테칼로 등의 이론적 계산이 동반된다. 또한, 고방사성물질의 측정이나 방사선사고 등으로 주위의 선량률이 높은 지역에서 방사능 측정을 수행하는 경우, 필연적으로 방사선검출기 주변을 차폐하고 검출기 입사창 앞단에 콜리메이터를 장착여야 한다.

따라서 방사선검출기를 이용한 효율적인 현장 측정을 위해서는 주변 선량률에 따라 검출기로 입사하는 방사선의 양을 적절히 조절할 필요가 있으며, 이를 위해서는 내경의 크기가 서로 다른 콜리메이터들을 측정 현장에 준비하여 상황에 따라 바꿔 장착하면서 운영해야하는 문제점에 직면한다. 특히, 방사선사고의 신속한 대응을 위하여 현장에 투입된 상황에서는 오염과 비오염 지역을 구분하고 오염 지역에서 방사능 준위에 따른 지역 분류 등을 위해 크기별로 여러 종류의 콜리메이터들을 현장요원이 가지고 다녀야 하며, 이는 무거운 콜리메이터의 특성상 현장 측정의 신속한 대응 및 운영에 심각한 장애가 될 수 있다. 따라서 측정을 위한 지역 및 대상의 선량률 준위에 따라 하나의 콜리메이터에서 내경의 크기가 적절히 조절되도록 할 필요가 있으며, 크기가 조절된 상황에서 얼마만큼의 방사선 세기가 감소되는지 정확히 계산된다면, 사고 대응 등의 현장 측정에 큰 효율성을 부여할 수 있을 것이다.

기존의 방사선검출기용 콜리메이터는 대부분 고정된 크기 및 모양을 가지며 사용자의 주관에 따라 원하는 크기의 콜리메이터로 교체하는 방식이다. 가변형 콜리메이터[4, 5]로서 그 크기 및 모양을 바꿀 수 있는 콜리메이터가 의료방사선 분야에서 활용되고 있으나, 이는 기계적인 제어로 선원으로부터 조사되는 방사선의 조사영역과 그 양을 조절하는 것으로 현장 측정에서 사용자가 직접 운영하기에는 무리가 있다. 따라서 본 연구에서는 콜리메이터의 모양을 카메라의 렌즈 조리개 형식으로 제작하여 사용자가 직접 카메라 렌즈를 돌려 초점을 맞추듯이 콜리메이터의 내경을 조절하고 방사선검출기에 쉽게 탈부착이 가능하도록 콜리메이터를 제작하여[6] 그 가능성을 평가하였다. 그리고 카메라 렌즈에 표시된 배율과 같은 방법으로 사용자가 해당 표시지점으로 콜리메이터 내경을 조절하였을 때, 방사선의 세기가 얼마만큼 감소되는지 표시함으로써 사용자가 쉽게 알아볼 수 있도록 구현하였다. 이를 위해 MCNP 코드를 이용하여 제작된 콜리에이터의 이론적인 성능평가를 수행하였으며, 그로부터 주요 콜리메이터 내경 위치에서 방사선 감쇄율을 콜리메이터 외부 눈금링에 표시함으로써 신속하고 정확한 판단 대처가 가능하도록 IRIS 콜리메이터의 효율성을 부여하였다.

 

2. 재료 및 방법

기존의 방사선 검출기용 콜리메이터는 대부분 고정된 크기 및 모양을 가지며, 이로 인해 콜리메이터 내경을 통해 검출기로 입사하는 방사선의 양은 항상 고정되어 있었다. 따라서 검출기의 계수효율 및 불감시간 등을 고려하여 입사 방사선의 양을 변경하기 위해서는 사용자의 주관에 따라 원하는 크기의 내경을 가지는 콜리메이터로 교체하는 방식을 택하고 있다. 이는 필연적으로 여러 종류의 콜리메이터를 갖추는 것이 필요하며, 무거운 콜리메이터의 특성상 현장 측정에서의 신속한 대응에 심각한 장애가 될 수 있다. 따라서 측정을 위한 지역 및 대상의 선량률 준위에 따라 하나의 콜리메이터에서 내경의 크기가 쉽게 변경되며 크기가 조절된 상황에서 얼마만 큼의 방사선 세기가 감소되는지 정확히 계산된다면, 사고 대응 등의 현장 측정에 큰 효율성을 부여할 수 있다.

2.1 콜리메이터 제작

방사선 세기를 조절할 콜리메이터를 카메라 렌즈의 조리개 형태로 만들기 위하여, 두께 1 cm인 쐐기 모양의 셔터를 제작하였다. 이때, 셔터의 재질은 밀도가 비교적 높은 텅스텐을 사용하였다. Fig. 1과 같이 쐐기 모양의 텅스텐 셔터 8 개를 배열하고, 이 8 개의 셔터의 움직임으로 8각형 모양의 공간이 만들어질 수 있도록 구현하였으며, 이 공간이 방사선이 통과하는 콜리메이터의 내경이 된다. 일반적으로 기계가 공에서 생기는 공차 등에 의해서 8 개의 셔터가 맞닿는 부분에 원하지 않는 틈이 생길 수 있으며, 이 틈으로 방사선이 통과할 수 있기 때문에 조리개 부분을 2 단 배열로 제작하였다. 그림에서 보듯이, 8개의 텅스텐 셔터를 첫 번째 배열로 하고, 그 뒤에 같은 방법으로 8 개 셔터를 2 단 배열로 위치시켰다. 이 때, 두 번째 배열은 첫 번째 배열에서 약 22.5° 정도 회전 시켜 위상을 달리함으로써 기계적인 공차에 의한 방사선의 통과를 차단시키고자 하였다.

Fig. 1.The arrangement of shutters to attenuate incident radiations.

외부의 원통형 케이스로부터 사용자가 회전에 의해 셔터의 움직임을 제어해야 하므로, 2 단 배열 가운데에 회전판을 삽입하였다. Fig. 2에 2 단 배열된 셔터위에 놓인 회전판을 나타내었으며, 이 회전판에서 원형으로 배치된 16 개의 원통형 홈은 1단 배열된 8 개의 셔터들과 2단 배열된 8개의 셔터들을 연결하기 위한 총 32 개의 연결핀이 놓일 공간으로, 이 핀들이 Fig. 1의 쐐기 모양의 셔터의 윗부분에 있는 두 개의 홈에 각각 삽입되게 된다. 그리고 회전판의 상하좌우로 돌출된 부분에 홈을 만들고, 이 4 개의 홈에 외부 원통형 케이스의 회전을 받기위한 나사 등을 연결하였다. 2단 배열된 셔터들의 자연스러운 움직임을 얻고 회전범위를 한정하기 위해 Fig. 3과 같이 가이드 플레이트를 1단 배열의 앞단과 2단 배열의 뒷단에 부착하였다. 이때 회전판으로부터의 연결핀이 앞뒤의 가이드 플레이트에 각각 연결되고 회전판의 회전에 따라 연결핀이 자연스럽게 움직일 수 있도록 가이드 플레이트를 설계하였다. 완성된 콜리메이터를 원통형 케이스에 넣고, 외부에 회전을 위한 회전링, 방사선의 세기 감소량을 표시하기 위한 눈금링 및 커버를 장착하였으며, 최종 완성된 조리개형 방사선 콜리메이터의 제작품을 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 2.The arrangement of a rotating plate in the shutter layer.

Fig. 3.The arrangement of guard plates to limit the rotation of shutters.

Fig. 4.An IRIS collimator dedicated to the portable radiation detector.

 

3. 결과 및 고찰

카메라 렌즈에 표시된 배율과 같은 방법으로 콜리메이터 내경 조절에 따른 방사선 세기의 감쇄율을 평가하여, 결과를 외부 눈금링에 표시함으로써 제작된 IRIS형 방사선검출기 콜리메이터를 이용한 현장 운영에서의 효율성을 높이고자 하였다. 방사선 세기의 감쇄율을 평가하기 위하여 MCNP 코드를 이용한 몬테칼로 계산을 수행하였으며, 콜리메이터를 통과하기 전후의 선량률을 비교하였다.

3.1 몬테칼로 계산

콜리메이터에 부착된 회전링의 회전에 의해 8각형의 방사선이 통과하는 통로가 생기며, 이 통로의 크기에 따라 방사선 세기의 감소가 달라지므로, 이에 대한 평가를 이론적인 몬테칼로 해석으로 계산하였다. MCNP 모델링 개념도를 Fig. 5에 나타내었으며, 콜리메이터를 구성하는 셔터의 재질을 두께 10 mm의 텅스텐, 동텅스텐, 납 및 스테인리스 스틸별로 가정하였으며, 1 단과 2 단의 셔터 배열이 만드는 콜리메이터 내경을 반경 1 mm에서 15 mm까지 변화시켜가며 몬테칼로 해석을 수행하였다. 이때 동텅스텐은 밀도 및 무게 등을 고려하여 약 30%의 구리가 함유된 것으로 평가하였다. 그리고 Table 1의 MCNP 계산을 위한 입력 변수들에서 보듯이, 방사선 사고시 주요핵종인 131I, 134Cs 및 137Cs 등이 동일한 비율로 균일하게 오염되어 있는 평면으로 가정하여, 콜리메이터 축에 대하여 평행하게 입사하는 것으로 가정하였으며, 선원으로부터 10 cm 거리에서 콜리메이터 앞단과 뒷단의 동일한 영역에서의 선량률 변화를 조사하였다.

Fig. 5.The MCNP modeling for the calculation of the attenuation ratio.

Table 1.Input parameters of MCNP modeling for the IRIS collimator

먼저, 콜리메이터 앞단과 뒷단에서의 선량률을 계산하여 식 (1)과 같은 방법으로 콜리메이터에 의한 방사선 감쇄율을 구하였다.

여기서, Drear 및 Dfront는 콜리메이터 앞단의 비교지점에서의 선량률 그리고 콜리메이터 뒷단의 계측기가 위치할 지점에서의 선량률을 각각 의미한다.

최종적으로 Fig. 6에 개발된 IRIS형 콜리메이터의 재질별 내경 변화에 따른 이론적인 방사선 감쇄결과를 나타내었다. 텅스텐의 경우, 반경 3 mm까지 90%의 방사선을 감쇄시킬 수 있었으며, 약 6 mm까지 80%의 감쇄율을 보였다. 그리고 동텅스텐과 납의 경우, 거의 비슷한 감쇄 경향을 보였으며, 1 mm 반경에서 최대 약 87%의 감쇄율을 보였으며, 약 4 mm까지 80%의 감쇄율을 보였다. 반면에, 텅스텐에 비해 약 60% 가벼운 스테인리스 스틸의 경우, 1 mm 반경에서 최대 60%의 감쇄율을 보였다.

Fig. 6.Attenuation ratio of incident radiation according to the collimator material and the inner radius.

3.2 방사선 감쇄율 표시

본 연구에서는 가장 감쇄율이 높은 텅스텐 재질과 동텅스텐 재질의 IRIS 방사선 콜리메이터를 각각 제작하였으며, 위 몬테칼로 계산 결과를 바탕으로, 콜리메이터의 눈금링에 내경의 크기에 따른 주요 감쇄율을 Table 2와 같이 표시하였다. 즉, 해당 IRIS형 콜리메이터를 이용하여 약 75 %의 감쇄효과를 얻기 위해서는 8각형의 꼭짓점으로부터 원을 만들었을 때의 반경이 텅스텐의 경우, 약 0.75 cm가 되도록 외부의 회전링을 회전시켜야하며, 동텅스텐의 경우에는 약 0.63 cm가 되도록 회전시켜야 함을 의미한다. Fig. 7에 개발된 스프링 타입과 핀홀 타입의 회전링을 장착한 IRIS형 방사선콜리메이터를 각각 나타내었으며, 회전링에 돌기를 만들어 지정된 콜리메이터 내경에 위치시킬 수 있도록 하였다. 이 때, 콜리메이터의 외부 눈금링에 카메라 렌즈의 배율과 같은 형식으로 감쇄율을 표시함으로써 주위 방사선 준위에 대하여 사용자가 쉽게 내경을 조절하여 신속하게 계측 및 대응할 수 있도록 하였다.

Table 2.Attenuation ratio of the IRIS collimator composited with W and Cu0.3 W0.7

Fig. 7.Indication of the attenuation ratio at the scaling ring.

 

4. 결론

콜리메이터 내경의 크기가 선량률 준위에 따라 적절히 조절 가능하고, 그 크기가 조절된 상황에서 얼마만큼의 방사선 세기가 감쇄되어 검출기에 입사하는지 정확히 계산된다면 휴대용 방사선검출기를 이용한 사고 대응 등의 현장 측정에 큰 효율성을 부여할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서 카메라 조리개 형식의 IRIS형 방사선 콜리메이터를 개발하였으며, 고방사성물질의 현장 측정이나 방사선사고 등으로 현장에서 신속하고 효율적으로 감마선을 측정하기 위하여 휴대용 방사선검출기에 장착할 목적으로 고안하였다. 먼저, 콜리메이터를 위상을 달리한 2 중의 텅스텐 셔터 구조로 제작하여 기계적 공차에 의한 방사선의 침투를 차단하고자 하였으며, 카메라 렌즈 구조로 손쉬운 콜리메이터 내경 조절 및 검출기 탈부착이 기능하도록 하였다. 그리고 MCNP 코드를 이용하여 콜리메이터 내경에 따른 방사선 감쇄율을 계산함으로써 이론적인 성능평가를 수행하였다. 이런 주요 기능으로부터 해당 콜리메이터를 장착한 소형 검출기를 현장 측정에 활용할 경우, 콜리메이터의 교체 없이 주위 방사선의 세기에 따라 콜리메이터 내경을 적절한 크기로 신속히 교체가 가능하며, 방사선 세기의 감쇄 정도를 외부에 표시하여 현장 요원이 쉽게 알아보게 함으로써 신속하고 정확한 판단 대처가 가능할 것이다. 또한 IRIS형 방사선 콜리메이터는 저선량에서 고선량 준위까지 하나의 콜리메이터로 대처가 가능하기 때문에 현장 측정의 효율성을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.