Abstract
전자가속기 기반 일체형 다중방사선 발생장치 개발 및 성능 평가
오경민 1) , 김재현 1) , 채문식 1) , 박형달 2) , 김재현 3) , 서희 4) , 이병노 1)*
한국원자력연구원 방사선연구부 1) , 코렌스알티엑스 기계장치사업부 2) 한국과학기술원 신형원자력 연구센터 3) , 전북대학교 양자시스템공학과 4)
*[email protected]
한국방사선산업학회
본 연구에서는 고주파 전자가속기를 기반으로 X-선 및 중성자선을 동시에 발생시킬 수 있는 일체형 다중방사선 발생장치를 개발하였고 일체형 다중 방사선 발생장치에서 발생되는 X-선 및 중성자 선을 측정하는 성능 평가를 수행하였다. 일체형 다중방사선 발생장치 표적의 물질은 텅스텐으로 구성되었으며 X-선 발생을 위한 텅스텐 타겟의 두께와 중성자 발생을 위한 텅스텐 타겟의 두께를 각 각 시뮬레이션하여 설계하였다. 전자가속기 기반 일체형 다중방사선 발생장치의 성능평가를 위해 X-선의 경우 1m 거리에서 X-선 선량을 측정하였으며 중성자선의 경우 발생되는 선속을 측정하였다.
측정된 X-선 선량과 중성자선속을 MCNP 시뮬레이션 결과와 비교함으로서 고주파 전자가속기 기반의 다중방사선 발생장치에 대한 검증을 수행하였다.
2020 학술발표대회
세계 각국에서 개발 및 사용하고 있는 중성자 발생기술은 미래 기술로서의 중요도가 높을 뿐만 아니라 현재 산업적으로 그 활용 범위가 매우 넓어서 중성자의 세기에 따라 즉석 시 료 분석, 수화물 안전검사, 동위원소 방사화, 비파괴 검사, 지뢰 탐지, 신재료 연구 등으로 그 응용 분야가 매우 다양하다. 이러한 기술의 중요성으로 인해 자국의 기술이 해외로 유출 되지 않도록 기술 보안에도 각별히 주의 하고 있어, 세계 시장의 후발 주자로서 기술경쟁력 을 확보하기 위해서는 기존의 중성자 발생기술을 뛰어넘어 보다 우수하고 안정적인 중성자 발생 기술을 개발할 필요가 있다. 본 연구에서는 고주파 전자가속기를 기반으로 X-선 및 중 성자를 동시에 발생시킬 수 있는 일체형 다중방사선 발생장치를 개발하였고 일체형 다중 방사선 발생장치에서 발생되는 X-선 및 중성자선을 측정하는 성능 평가를 수행하였다.
Introduction
그림 1은 다중방사선 발생장치용 고주파 전자선형가속기 시스템의 구성도를 보여준다. 시 스템은 기본적으로 고주파 신호 생성기에 의해 생성된 신호를 기준으로 모든 제어가 이루 어진다. 신호 생성기로부터 발생된 트리거 신호에 의해 모듈레이터는 고전압 펄스 파워를 만들어내고 이를 클라이스트론으로 공급하여 펄스형 고주파 파워를 만들어낸다. 고주파 파 워는 클라이스트론과 고주파 가속관 사이에 연결된 도파관을 통해 가속관으로 공급이 되며 도파관 사이에는 고주파의 역류를 방지하는 서큘레이터, 고주파 신호를 읽어 들이는 커플 러, 가속관과 도파관 사이의 진공상태를 격리시키는 고주파 윈도우 등이 설치되어 있다. 가 속관 끝단에는 전자총과 다중방사선 발생용 표적이 부착된다.
전자총은 국내 업체에 의해 자체 제작된 전자총 전원공급장치에 의해 14 kV 크기의 펄스형 고전압을 공급받아 전자뭉치를 발생시키게 된다. 모듈레이터와 서큘레이터, 가속관과 표적 에는 각각 발열을 억제하고 장치온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각라인이 설치되어 있으 며 두 대의 냉각장치에 의해 냉각이 이루어진다. 도파관 내부는 아킹 방지를 위해 SF6 가스 로 채워지게 되며, 가속관 내부는 25 L 이온펌프를 사용하여 10-9 ~ 10-8 torr 정도의 고진 공상태를 유지하게 된다. 가속기 시스템의 모든 장치에 대한 모니터링과 제어는 테스트 실 험실과 독립된 제어실에서 이루어진다. 가속관의 끝단에는 다중방사선 발생용 표적장치가 연결되어 있으며, 다중방사선 발생용 표적은 다양한 두께의 텅스텐 표적이 회전하도록 되 어 있어서 전자선, X-선, 중성자선을 방출할 수 있도록 제작되었다. 각각의 다중방사선 발 생 표적의 회전 속도는 원격 제어가 가능하게 되어 있다. 표적 장치는 가속관과 서로 연결 되기 때문에 표적 장치 내부를 초고진공 상태로 유지할 수 있도록 구리 개스킷 등의 밀봉 용 부속이 사용되었으며, 장치 외부로 통하는 2개의 펌핑 포트가 마련되어 있다
Methods and Results
본 연구에서는 고주파 전자가속기를 기반으로 X-선 및 중성자선을 동시에 발생시킬 수 있 는 일체형 다중방사선 발생장치를 개발하였고 표적의 물질 및 두께 정보에 기초하여 다중 방사선 생성을 위한 MCNP 분석이 수행되었다. 또한 일체형 다중 방사선 발생장치에서 발 생되는 X-선 및 중성자선을 측정하는 성능 평가를 수행하였다. X-선 선량을 측정한 결과 최 대 분당 31.1 Gy의 X-선이 발생되는 것을 확인할 수 있었으며 중성자의 경우 구리 시편을 이용해 중성자발생률을 계산하였다. 중성자 발생률을 계산하기 위해 중성자선속이 실험적 으로 계산되었으며 그 결과 3.94x1010 n/s의 중성자 발생률을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서는 15 MeV급 전자가속기 기반의 일체형 다중방사선 발생장치와 표적을 구축, 제 작하여 X-선 선량과 중성자 발생률을 측정함으로써 일체형 다중방사선 발생장치를 실증하 였고 실제 산업, 의료, 국방 등 다양한 응용분야로의 활용을 위한 가능성을 검증하였다.
Conclusions
전자가속기 기반 일체형 다중방사선 발생장치
# ACKNOWLEDGEMENT
This research was financially supported by the Nuclear R&D program through the National Research Foundation of Korea, funded by the Ministry of Science and ICT (NRF-2017M2A2A4A05018182) and also supported by the institute of Civil Military Technology Cooperation funded by the Defense Acquisition Program Administration and Ministry of Trade, Industry and Energy of Korean government under grant No. UM19207RD2
표 1. 다중방사선 발생용 표적 사양
X-선 선량 및 중성자선속 측정
그림 2. 2 mm 두께(좌) 및 30mm 두께(우)의 표적을 가진 15 MeV 전자가속기에 의해 초당 생성 된 광자의 에너지 스펙트럼
선택된 표적의 물질 및 두께 정보에 기초하여 다중 방사선 생성을 위한 MCNP 분석이 수행 되었다. 그림 2의 좌측 그래프는 텅스텐 표적이 2 mm인 15 MeV 전자 가속기에 의해 생성 된 광자의 각도별 에너지 스펙트럼을 보여준다. 또한 그림 2의 우측 그래프는 30 mm 텅스 텐에서 초당 생성된 중성자의 에너지 스펙트럼을 나타낸 것으로 텅스텐 표적 물질의 spot 에서 생성된 초당 중성자 수 및 스펙트럼 분포를 보여준다.
그림 1. 전자가속기 기반 일체형 다중방사선 발생장치 구성도
그림 3. 중성자선속 측정을 위한 계산식
일체형 다중방사선 발생용 표적
전자빔의 에너지가 10 MeV를 초과하면 광핵반응에 의해 중성자가 발생하고, 표적 물질의 종류와 두께에 따라 다양한 분포의 중성자가 생성될 수 있다는 점을 토대로 고출력 전자선 가속기 기반의 단일 소자를 사용하여 전자, X-선, 중성자를 동시에 생성하는 최적화된 표적 을 설계하고자 하였다. 표적으로 사용되는 텅스텐의 두께에 따른 X-선 선량과 중성자 발생 률을 MCNP 코드를 통해 계산하였으며 그 결과를 다음 표에 나타내었다.
Items Parameters
Material Tungsten
Thickness 2 mm in X-ray
30 mm in Neutron
X-ray dose-rate 34.2 Gy/min at 1 m
Neutron Yield 7.93 x 1010 n/s at spot
전자가속기로 공급되는 고주파 펄스의 세기, 폭, 반복률을 늘려나가면서 X-선 선량을 측정 한 결과 최대 분당 31.1 Gy의 X-선이 발생되는 것을 확인하였다. 선량 측정에는 PTW사의 UNIDOS webline 검출기를 사용하였으며, 표적으로부터 1 m 지점에서 측정하였다.
중성자선속의 경우 발생장치 전면부에 구리 시편을 위치시킨 후, 방사화된 구리(64Cu)에서 방출되는 감마선을 분석하여 중성자 선속을 계산하였다. 구리시편의 경우 주요 방사화 반 응은 63Cu(n, γ)64Cu이며 이때 평균 반응단면적(cross section)은 4.51 barn이다. 방사화에 의해 발생하는 64Cu는 12.8시간의 반감기를 가지며 511 keV의 감마선을 방출한다. 이때 붕 괴당 방출률은 0.3536이다. 방사화된 구리 시편의 경우 NaI(Tl) 검출기를 이용해 511 keV 피크의 계수치를 측정하였으며 피크 계수치 및 피크 계측 효율, 측정 시간, 붕괴당 방출률 고려하여 64Cu의 방사능을 계산하였다. 피크 계측 효율의 경우 MCNP 시뮬레이션을 통해 해당 실험 환경을 모사하여 계산되었으며 그 결과 2.09x10-4 의 효율을 가지는 것을 알 수 있었다. NaI(Tl) 검출기를 통해 측정된 피크 계수치는 1.28.E+05 counts로 측정되었고 그 결 과 5.78.E+06 Bq의 방사능을 계산할 수 있었다. 구리 시편에 입사하는 중성자 선속 계산을 위해 아래 식과 같이 64Cu의 방사능 및 63Cu의 원자개수, 반응단면적, 빔 조사 시간, 냉각 시 간 고려하여 중성자선속을 계산하였고 마지막으로 타겟과 구리 시편간 거리(1cm)를 고려 하여 타겟에서 방출되는 중성자 발생률을 계산하였다. 측정 시, 발생장치의 타겟 전면부에 구리 시편을 위치시킨 후, 발생장치를 5분 동안 조사하여, 구리 시편을 방사화 시키고 15분 동안 냉각하였다. 측정시간은 5분이었으며 NaI(Tl) 검출기와 구리 시편 간 거리는 100cm에 서 측정되었다. 계산 결과, 구리 시편에 입사하는 중성자선속은 3.13.E+09 n/s로 확인되었 으며 타겟에서 방출되는 중성자 발생률의 경우 3.94.E+10 n/s로 확인되었다.
𝑨 = 𝑪 𝜺𝒕𝒄𝒀
A: 64Cu의 방사능 [s-1] N: 63Cu의 원자 개수
σ: 63Cu (n, γ) 64Cu 반응단면적 [barn]
λ: 붕괴상수 [s-1]
tirr: 조사시간 [s]; td: 냉각시간 [s]
𝑨 = 𝑵𝝈𝜱 𝟏 − 𝒆−𝝀𝒕𝒊𝒓𝒓 𝒆−𝝀𝒕𝒅
C: 피크 계수치
𝜺 : 피크 계측 효율 𝒕𝒄: 측정시간
𝒀 : 붕괴당 방출률 (0.3536 for 511 keV)
