서
론
Sucrose는 Alanine과 같이 방사선에 의해 자유 라디칼 을 형성하게 되는데 형성된 자유라디칼은 조사 후 안정 한 상태를 유지하여 방사선량계로 사용 가능한 물질로 알려져 있다. 또한 값이 싸고 다루기 쉬우며 조직 등가성 을 가지는 등의 장점이 있다. 본 실험에서는 분말 형태 인 Sucrose를 다루기 쉬운 시트형태의 선량계로 만들기 위해서 바인더 (binder)를 혼합하여 보았다. 바인더는 값 이 싸고 쉽게 구할 수 있는 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 을 사용하였다. 고밀도 폴리에틸렌은 대표적인 범용수지 로서 저렴한 가격과 용이한 가공성으로 인해 일반 가정 용품 용기, 어망, 로프, 절연 케이블, 화공약품 용기, 자동 차 연료 탱크, 각종 파이프, 필름 등 산업전반에 사용되 고 있다. 바인더가 들어간 Sucrose계 선량계를 시트형태 로 만들기 위해서는 핫 프레스를 이용하여 압축을 시켜 야 하는데 이 과정에서 자유라디칼이 생성되는 단점을 가지고 있다. 기존에 바인더로는 silicone, polystyrene, ethylene-propylene rubber, polyethylene, agarose gel, pa-raffine 등이 사용되었다. Sucrose 계통의 선량계를 제조하기 위해 고밀도 폴리에 틸렌을 바인더로 선정하였으며 고준위 방사선량계로서 의 특성을 검토하기 위해 ESR과 FT-IR를 측정하였다.재료 및 방법
1. Sucrose계 선량계 제조Sucrose계 선량계를 제조하기 위해서 sucrose (Fluka,
Journal of Radiation Industry 3 (3) : 179~182 (2009)
─ ─ 179 ──
Sucrose
계 선량계 특성 연구
황인라∙김기엽*∙이경용∙임돈순
한국원자력연구원 방사선과학연구소
Study on the Properties of Sucrose System Dosimeter
In Ra Hwang, Ki Yup Kim*, Kyoung Yong Lee and Don Sun Im Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute,
Jeongeup 580-185, Korea
Abstract -- The dosimetric properties of the sucrose system dosimeter including high density poly-ethylene (HDPE) used as a binding material were investigated by Electron Spin Resonance (ESR) and Fourier-Transformed Infrared Spectrometer (FT-IR). Sucrose system dosimeter was prepared by melt mixing method in the ratio of sucrose 30 wt% / HDPE 70 wt%. And the samples were irra-diated up to 100 kGy using a Co60γγ-ray irradiator in the presence of air atmosphere at a room tem-perature.
Key words : Sucrose, HDPE, Dosimeter, ESR, FT-IR
* Corresponding authors: Ki Yup Kim, Tel. +82-63-570-3360, Fax. +82-63-570-3369, E-mail. [email protected]
purity over the 98%)는 특별한 정제 없이 분말을 사용하 였다. 바인더 물질로 쓰이는 고밀도 폴리에틸렌은 호남석 유화학에서 구입하였다. 용융혼합을 이용한 sucrose계 선 량계의 제조는 내부혼합기 (Haake Mess-Tcchnik GMBH, German)를 이용하여 30 wt%의 중량을 가진 sucrose를 HDPE에 첨가하였다. 150�C, 60 rpm의 조건에서 HDPE 를 넣고 녹인 뒤 sucrose를 넣고 10분 동안 혼합한 후 0.2 MPa의 압력으로 160�C에서 두께 1 mm의 시트 형태 로 제조하였다. 제작된 시편은 플라스틱 백에 넣은 후에 한국원자력연구원 방사선 조사 시설의 Co60γ-ray 선원을 사용하여 실온 대기 중에서 5 kGy hr-1의 선량율로 5, 25, 50, 75, 100 kGy 선량으로 조사하였다. 2. ESR 측정방법 ESR 시편은 가공한 필름 형태의 시편을 0.3×3 cm 크 기로 절단하여 사용하였다. ESR의 측정은 ESR spectros-copy (JES-FA200, JEOL, Japan)를 이용하였다. 측정 조건 은 central field 337.288 mT, sweep width 15 mT, microwave power 1 mW, microwave frequency 9.435 GHz, sweep time 30 sec로 하였다. 방사선 조사로 생성된 라디칼의 변화를 알아보기 위하여 방사선 조사 직후의 시료를 2주간 냉 장보관을 한 후에 각각 ESR를 측정하였다.
3. FT-IR 측정방법
방사선 조사에 따른 sucrose계 선량계의 카보닐 그룹 의 변화를 알아보기 위하여 FT-IR spectrometer (Jasco model, FT-IR 600)를 사용하여 분석하였다. 스펙트럴 범
위는 4,500에서 400 cm-1이며 측정한 스펙트럼은 정량
분석하기 위하여 JASCO의 specta manager 소프트웨어 프로그램을 이용하여 기록한 후 특성 피크의 면적을 구 하여 비교 검토하였다.
결과 및 논의
1. ESR 분석 Fig. 1은 감마선 조사로 인해 생기는 sucrose 라디칼의 전형적인 ESR 스펙트라를 나타내고 있다. Sucrose의 ESR 스펙트라는 복잡하고 한 개 이상의 라디칼로부터 파생되는 모습이다. 방사선을 조사하지 않는 sucrose-HDPE 시편은 ESR 신호가 없는 반면 100 kGy 선량으로 황인라∙김기엽∙이경용∙임돈순180
Fig. 1. ESR Spectra of various dosimeters at different doses.
Fig. 2. ESR Spectra of sucrose-HDPE dosimeter as a function of the
absorbed dose.
Fig. 3. ESR signal intensity as a function of the absorbed dose.
Relative signal intensity
(a.u.)
Sucrose : HDPE (100 kGy) Sucrose : HDPE (0 kGy) HDPE (100 kGy)
330 335 340 345
Magnetic field (G)
Relative signal intensity
(a.u.) 1000 500 0 -500 -1000 330 335 340 345 Magnetic field (G) 100 kGy 75 kGy 50 kGy 25 kGy 5 kGy
Relative ESR signal intensity
(a.u.)
103
Sucrose-HDPE
10 100
조사한 시료에서는 뚜렷하게 ESR 신호가 나타나는 것 을 알 수 있다. 또한 sucrose 분말입자 사이의 공기를 제 거하고 선량계로 다루기 쉽게 시트형태로 만들기 위해 바인더로 쓰이는 HDPE는 100 kGy의 방사선을 조사하 여도 ESR 신호가 거의 나타나지 않았다. 이는 HDPE가 이상적인 바인더로서 역할을 했음을 의미한다. 이상적인 바인더란 기계적 물성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 방사 선 조사 후 dosimetric 물질인 sucrose와 비교하여 아주 작은 ESR 신호를 보여야 하는 것이다. Fig. 3은 sucrose 계 선량계의 방사선조사에 따른 ESR 농도 변화를 보여 주고 있다. Fig. 2의 ESR 스텍트라에서 가장 높은 값과 가장 낮은 값의 차이를 이용하여 농도변화를 5 kGy부터 100 kGy까지 나타내었다. 방사선량에 따라 선형적으로 ESR 농도가 증가하였다. 이는 자유라디칼이 방사선량에 따라 선형적으로 증가하였음을 의미한다. Fig. 4는 sucrose-HDPE 시편에 방사선 조사 후 생기는 라디칼의 안정성에 대해 알아보았다. 방사선 조사 2주 후의 자유라디칼 농도는 조사 직후 측정결과와 유사하 게 조사선량의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었 다. 또한 2주 동안의 ESR 농도의 감소가 4.3% 이내로 안정성이 높은 자유라디칼이었음을 알 수 있다. ESR의 측정결과로부터 조사선량이 증가함에 따라 자유라디칼 의 농도가 선형적으로 증가함을 확인하였고 2주 후에도 자유라디칼의 감소의 폭이 적은 것으로 보여 바인더로서 HDPE가 적합함을 나타내고 있다. 2. FT-IR 분석 Fig. 5는 방사선 조사에 따른 1,740 cm-1부근에서의 큰 변화를 나타내고 있다. 1,740 cm-1영역의 피크는 산 화반응으로 생성된 카르보닐 (C==O) 피크로, 공기 중 방 사선 조사에 의한 라디칼이 생성됨으로서 산소와의 결합 에 의한 산화반응을 일으켰기 때문에 나타난다. Fig. 6은 조사선량에 따른 카르보닐 (1,740 cm-1)의 피크면적을 보 여주고 있다. 방사선 조사선량에 따른 카르보닐 피크에 해당하는 면적을 보았을 때 ESR과 마찬가지로 방사선 량이 증가할수록 선형적으로 면적이 증가하는 것을 알 수 있다. Sucrose-HDPE는 ESR뿐만 아니라 FT-IR의 측 정으로도 선량계로서 적합함을 보여주고 있다.
결
론
본 연구에서는 HDPE가 바인더로써 쓰인 sucrose가
Sucrose계 선량계 특성 연구 181
Fig. 4. Stability results of the sucrose-HDPE dosimeter.
Fig. 5. FT-IR spectra (1,740 cm-1) of sucrose-HDPE as a function
of the absorbed dose.
Fig. 6. FT-IR absorbance area (1,740 cm-1) of sucrose-HDPE as a
function of the absorbed dose.
Relative ESR signal intensity
(a.u.)
103
Immediately after irradiation 1 week storage after irradiation 2 weeks storage after irradiation
101 102 Dose (kGy) % transmittance 1900 1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500 Wavenumber (cm-1) 5 kGy 25 kGy 50 kGy 75 kGy 100 kGy
FT-IR absorbance area
(1,740 cm -1) 25 20 15 10 5 0 0 25 50 75 100 Dose (kGy) Sucrose : HDPE
선량계로서 적합성을 알아본 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
- ESR을 측정하였을 때 5 kGy~100 kGy의 감마선의 범 위에서 방사선량에 따라 ESR 농도가 선형적으로 증가 함을 나타내고 있다. 또한 안정된 자유라디칼이 생성 되어 2주 후에 ESR를 측정하였을 때도 ESR 농도의 감소 폭이 4.3% 이내로 작았다. - FT-IR을 이용하여 방사선량에 따른 카르보닐 피크 (1,740 cm-1)의 면적을 측정하였을 경우에도 방사선에 따라 선형적으로 면적이 증가하였다.
사
사
본 연구는 교육과학기술부에서 주관하는 원자력연구개 발사업의 지원으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.참 고 문 헌
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Manuscript Received: August 14, 2009 Revision Accepted: September 3, 2009
황인라∙김기엽∙이경용∙임돈순
