http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2017.26.6.427 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
가정용 식품 방사능 모니터링 센서 개발 및 유용성 평가
박혜민1 · 김정호1 · 이운장2 · 김도형2 · 민수정2 · 주관식1,+
Development of a Foods Radioactivity Monitoring Sensor for Household and Evaluation of its Effectiveness
Hye Min Park1, Jeong HoKim1, Un Jang Lee2, Do Hyung Kim2, Su Jeong Min2, and Koan Sik Joo1,+
Abstract
In this study, a foods radioactivity monitoring sensor was developed as a part of basic research for household radioactivity monitoring, and its performance was evaluated using a calibration source. The prototype of the sensor was based on a CsI:Tl scintillator using a crys- tal light guide and Si photomultiplier. The light guide was introduced to improve gamma-ray detection efficiency. For quantitative eval- uation, tests were conducted using
134Cs liquid source. In the performance evaluation, It was confirmed that analysis of
134Cs: 100 Bq/
L(kg) was possible. Thus, result of this study is expected to contribute to research in the development of the household foods radio- activity monitoring system.
Keywords: Foods monitoring, Household, Silicon photomultiplier, Gamma ray, Light guide
1. 서 론
2011 년 3월 일본 후쿠시마 원전 사고 발생으로 다량의 방사 성 물질이 바다로 유출 및 확산되어 전 세계적으로 각종 식품 의 방사성 물질 오염에 대한 불안감이 증가되었다[1].
특히 국내에서는 현재 후쿠시마 등 8개현의 일본 수산물에 대 한 수입을 금지하고 있으며, 일본산 수산물을 포함한 일본산 식 품 중 방사성 세슘(
137Cs) 에 대해 좀 더 보수적인 방사능 농도 기준을 설정해서 관리하고 있다[2].
현재 국내 방사능 안전관리 기준·규격으로는 식품 의약품 안 전처가 제정한 식품 의약품 안전청 고시 제89—19호에 의거한 식품중의 방사능 농도 잠정 허용기준이 있으며, 후쿠시마 사고 이후 방사성 요오드(
131I) 에 대해서 영· 유아용 식품은300 Bq/kg 에서 100 Bq/kg, 유 및 유가공품은150 Bq/kg에서100 Bq/kg, 기 타식품은 300 Bq/kg로 강화 되었으며, 방사성 세슘(
134Cs,
137Cs)
에 대해서는 임시 강화기준을 설정하여, 일본산 수입식품에는 별도로370 Bq/kg에서 100 Bq/kg의 임시강화기준을 적용하고 있다[3].
하지만 이러한 기준에 의해 관리되고 있음에도 불구하고 국 내 식품에 대한 방사능 오염의 불안감이 지속적으로 증가하고 있으며, 가정에서도 식품 중 방사능 농도를 검사 할 수 있는 기술에 대한 수요가 점점 더 증가하고 있다. 기존의 식품 중 방사능 농도 분석장비인 고순도 게르마늄 반도체 검출기(HPGe) 의 경우 감마선방출 핵종 및 방사능 농도를 정량적이고 정확 하게 분석이 가능하지만 분석하는데 2~3일 정도의 장시간이 요구되며, 고가의 가격과 유지비용으로 가정에서 사용하기에 는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 가정용 식품 방사능 모니터링 센서 개발 연구의 일환으로 가정에서 보다 직접적이 고 가용성이 높은 식품 방사능 모니터링 센서를 개발하고 유 용성을 평가 하였다.
2. 식품방사능 모니터링 센서 설계 및 제작
2.1 시스템 구성
Fig. 1은 본 연구를 위해 설계된 식품 방사능 모니터링 센서 시스템의 전체 구조 도식을 보여주고 있다. 전체 시스템은 감마 선 검출 부, 신호처리 부로 구성된다.
1명지대학교 물리학과 (Department of Physics, Myongji Unversity) 23335, Myongji Unversity, Yongin-Si, Gyeonggi-Do, Korea
2(주 ) 오리온이엔씨 (Department of Nuclear Engineering, Orion Enc, Inc.) 305, Orion Enc, Inc., Seongsui-ro 22-gil 37, Seongdong-gu, Seoul, Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Oct. 10, 2017, Revised: Nov. 26, 2017, Accepted: Nov. 27, 2017)
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2.2 감마선 검출부
주요 관리 핵종인 방사성 세슘(
137Cs) 의 모니터링을 위해 검출 부의 섬광물질로는 무기섬광체 결정(crystal) CsI:Tl (thallium- doped cesium iodide) 을 사용하였다. CsI:Tl는 550 nm의 최대 방 출파장을 가지며, 밀도는 4.51 g·cm
-3의 높은 구성 밀도로 효율 적인 저지능을 보여 감마선에 의해 생성된 2차 전자에 대한 반 응성이 높으며, 1 MeV의 에너지를 갖는 감마선에 대하여 약 80,000 개의 높은 광자 방출 확률을 보인다. 또한 기존 식품방사 능 검출기에 사용되는 섬광체 NaI:Tl(thallium-doped sodium iodide) 와 비교하여 조해성이 낮아 상온에서의 사용이 용이하 며, NaI:Tl보다 2배 더 높은 섬광효율을 가지고 있다. Table 1은 CsI:Tl 결정의 물리적 특성을 보여준다[4].
감마선 검출 소자로는 Hamamatsu의 실리콘 광 증배소자 (silicon photomultiplier): S13360-6075CS 를 사용 하였다[5]. 기존의 장 비와 비교하여 가정용으로서 전체적인 시스템의 소형화를 위해 6 × 6 mm
2크기의 소자를 사용하였으며, 검출소자에 대한 특성 은 Table 2와 같다.
Fig. 2 는 감마선 검출부의 구조를 보여준다. CsI:Tl 결정의 크 기는 상용 식품방사능 검출 모듈인 2” × 2” NaI:Tl + PMT모듈 을 기준으로 하여 2” × 2” 로 제작하였으며, 광 가이드 설계를 통해 검출부가 대면적화된 감마선 검출부를 제작하였다. 광 가 이드는 BK-7 optical glass, 구조는 tapered 형태로 CsI:Tl 결정 과 접합하게 되는 입사부 면적은 2”, SiPM의 윈도우와 접합하 게 되는 출사부 면적은 0.2”, 두께는 20mm로 제작하였다[6].
두께 결정에는 tapered형 구조에서 광 가이드 두께가 얇아질 수록 대부분의 광자가 광 가이드 빗면에서 입사면으로 반사되 는 광 반사(light reflection)효과와 두께가 두꺼워 질수록 전송되 는 광자량이 점차 감소되는 광 감쇄(light attenuation)효과를 유 발하기 때문에, 이와 같은 광학적 특성을 고려하여 빛의 추적과 설계가 가능한 LightTools Software Tool을 이용하여 광 가이드 의 두께를 20 mm로 결정하였다[7].
CsI:Tl 결정과 광가이드 반사체로는 CsI:Tl의 방출파장에 대 하여 최대 90% 이상의 반사율을 가지는 Teflon reflector을 이 용하여 반사면을 형성 하였으며, SiPM의 광 입사창과 광가이드 의 접촉면 사이에는 공기 중 광 산란 및 광 손실률을 최소한으 로 감소 시켜주기 위해 SiPM과 섬광체 접촉면 사이에 n=1.465 의 굴절률과 280~700 nm 파장에서 약 95%의 광 투과율을 갖 는 Saint-Gobain사의 BC-630을 사용하여 optical grease 층을 도 Fig. 1. Structure of foods radioactivity monitoring system.
Table 1. Physical Properties of Inorganic Scintillators
Scintillator CsI:Tl NaI:Tl BGO
Density (g/cm
3) 4.51 3.67 7.13
Peak Emission (nm) 550 415 480
Decay time (ns) 1020 230 300
Light yield (photons/MeV) 80,000 38,000 8500
Hygroscopic Slightly Yes No
Table 2. Specifications of the SiPM used in this Study
Parameter Value
Photosensitive area 6 × 6 mm
2Number of pixels 6400
Spectral response range 270 ~ 900 nm
Peak PDE (at 450 nm) 50%
Operating voltage V
br+ 3 V
Breakdown voltage 53 ± 5 V
Gain 4 × 10
5Operating temperature -20 ~ 60°C
Fig. 2. Structure of the Gamma ray detection unit.
포 시켜주었다.
2.3 감마선 신호 처리부
감마선 신호분석을 위한 신호처리 부 설계에는 SiPM의 높은 전자증폭 이득과 출력 신호가 전압신호로 출력되는 특성을 이 용하여, 기존에 사용되는 전하 민감형 전치증폭기 (charge sensitive preamplifier, CSP) 와 성형 증폭기 (shaping amplifier) 대신 구동 회로(driver circuit)를 설계 및 제작하여 감마선 신호를 분석하 였다[8].
Fig. 3 은 검출부의 구동회로와
137Cs 선원을 사용하여 구동 회 로로부터 측정된 약 50 μs의 펄스폭을 갖는 1200 mV 펄스 신호이다.
감마선 신호분석에는 디지털 신호 계수기반의 카운터 모드와 아날로그 신호 분석기반의 핵종분석 모드로 2가지 출력부를 설 계 하였다.
Fig. 4 는 카운터 모드에서 디지털 신호의 계수를 위해 설계된 A/D 변환기 (analog to digital converter)회로를 나타내고 있으 며, A/D 변환기 설계에는 비교기용 소자인 MAX987 (Maxim Integrated Inc, US) 를 사용하였다. 노이즈 신호 영역은 50mV, 히스테리시스 영역은 10 mV로 설정하고, 이 영역 이하의 신호 는 제거 되도록 설계하였다.
계수된 감마선 신호는 조사 되는 방사선 세기와 비례하여 펄 스가 증가하게 되는데, Atmega328-MCU모듈에 기반 하여 펄스 계수 및 방사선 정보를 출력부에 표시하였다.
핵종분석 모드에서는 신호처리 부의 아날로그 신호를 이용하 여 세슘(
137Cs) 등의 방사성 핵종 분석을 위해 8k Ch의 MCA- 8000D (Amptek Inc, UK) 파고분석기를 사용하여 감마선 분광 특성 분석을 수행하였다. 시스템의 전체적인 전원은 USB의 5V 전원을 사용하여 상시 구동이 가능하도록 설계 하였다.
Fig. 5 는 개발된 가정용 식품 방사능 모니터링 센서이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 감마선 응답 선형성
Fig. 6 은 감마선원
137Cs (662 keV: 0.1, 0.5, 1 μCi) 을 사용하 여 감마선 세기에 따른 식품 방사능 모니터링 센서의 선형적인 응답을 보여주고 있다. 방사 선원의 세기를 증가시키면 방사선 의 선속이 증가하게 되고, 이에 따라 선량은 선형적으로 증가하 게 된다.
Fig. 3. Diagram of driver circuit (left) and output signal of driver cir- cuit(right).
Fig. 4. Diagram of A/D converting circuit.
Fig. 5. Household foods radioactivity monitoring sensor.
Fig. 6. Responses of foods radioactivity monitoring sensor as a func-
tion of
137Cs activity.
Fig. 6에서 보는 것과 같이
137Cs: 1 μCi에서의 측정값이 0.1 μCi 에서 보다 약 10배정도 높게 측정되었고, 결과를 통해 1에 가까운 0.9857의 결정계수(R-square)를 가지고 선형성을 보이는 것을 확인하였다.
3.2 감마선 분광특성
Fig. 7 은
133Ba,
22Na,
137Cs: 0.1 μCi 선원을 이용하여 측정한 감마선 에너지 분광 특성이며, 300초 동안 측정한 결과를 보여 준다. 에너지 스펙트럼 상의x축은 측정된 섬광신호가 증폭시스 템 및 파고분석기를 거치면서 변환된 전압신호의 크기를 나타 내며, 이는 실리콘 광 증배소자로 입사하는 방사선 에너지를 의 미한다. 또한 y축은 x축의 각 에너지에 대한 계수값(counts)을 의미한다[9].
133
Ba 의 주요 발생 감마선 피크인 0.356 MeV 영역의 에너지 분해능 측정 시 18.3 %의 에너지 분해능을 확인 하였으며, 0.081 MeV의 저 에너지 피크를 확인할 수 있다.
22Na의 경우 0.511 MeV 에너지에서 12.1 %의 에너지 분해능과 1.27 MeV의 고 에 너지 피크도 확인할 수 있다.
137Cs 의 0.662 MeV의 에너지에 대 해서는 9.8 %의 에너지 분해능을 보였으며, 0.032 MeV의 X-
ray(Ba-Kα1) 피크를 확인할 수 있다.
3.3 혼합선원의 감마선 분광특성
Fig. 8 은 감마선 분광특성의 분석결과를 기반으로
133Ba,
22Na,
137
Cs 선원을 이용하여 혼합선원에서의 감마선 에너지 분광특성 을 보여주고 있다. 각 0.1 μCi의 선원에 대하여 혼합된 선원의 동시 측정 시
133Ba 의0.356 MeV,
22Na 의 0.511 MeV 그리고
137Cs 의 0.662 MeV 감마선 에너지 피크가 검출되어, 혼합 선원에서 의 감마선 분광분석이 가능함을 확인하였다[10].
3.4 방사능 농도에 따른 검출특성
Fig. 9 는
134Cs 용액선원의 농도에 따른 감마선 에너지 분광특 성이며, 10,000~100 Bq/L의 방사능 농도에 따른 검출효율 실험 을 수행하였다. 각 농도에 따라300초 동안 측정 하였으며, 납 차 폐체 내에서 수행하였다.
134
Cs 의 주요 발생 감마선 피크인 0.604 MeV 에너지 영역에 대하여 농도에 따른 검출효율 분석 시 10,000 Bq/L(kg)에서 57.75 cps, 1,000 Bq/L(kg) 에서 4.69 cps, 100 Bq/L(kg)에서 1.39cps로 측정되어, 식품중의
134Cs 농도 잠정 허용기준인 100 Bq/kg에 대한 농도 분석이 가능함을 확인하였다[11].
134
Cs의 주요 발생 감마선 피크인 0.604 MeV 에너지 영역에 대하여 농도에 따른 검출효율 분석 시 10,000 Bq/L(kg)에서 57.75 Fig. 7. Energy spectra of gamma-ray emitted from
133Ba,
22Na, and
137
Cs.
Fig. 8. Energy spectra of mixed gamma-ray emitted from
133Ba,
22Na, and
137Cs.
Fig. 9. Energy spectra of gamma-ray for different concentration of
134
Cs.
cps, 1,000 Bq/L(kg) 에서 4.69 cps, 100 Bq/L(kg)에서 1.39cps로 측정되어, 식품중의
134Cs 농도 잠정 허용기준인 100 Bq/kg에 대한 농도 분석이 가능함을 확인하였다[11].
4. 결 론
본 연구는 가정에서 보다 직접적이고 가용성이 높은 식품 방 사능 모니터링 센서를 개발 위한 연구의 일환으로서 실리콘 광 증배소자와 광 가이드, 무기섬광체를 이용하여 식품 방사능 측 정이 가능한 모니터링 센서를 설계 및 제작하고 센서의 성능을 평가 하였다. 센서의 성능평가 결과 감마핵종에 대한 응답 선형 성 및 분광특성, 농도에 따른 검출효율 평가를 통해 식품 방사 능 모니터링 센서로서의 가능성을 확인하였다. 본 연구를 기반 으로 상용화 연구를 통해 가정용 식품 방사능 모니터링 센서가 개발된다면 가정에서도 쉽게 식품 중 방사능 농도를 검사할 수 있으므로, 국내 식품에 대한 방사능 오염의 불안감을 해소하는 데 기여 할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 2017년도 서울시 산학연협력사업 (기술상용화 지 원사업)의 지원 (No. TB170036)과 2017년도 산업통상 자원부 의 재원으로 한국 에너지기술평가원(KETEP)의 지원 을 받아 수행한 연구과제입니다. (No. 20161520101210)
REFERENCES
