Development of a Real-time Radiation Level Monitoring Sensor for Building an Underwater Radiation Monitoring System

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http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2015.24.2.96 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

수중 방사선 감시체계 구축을 위한 실시간 방사선 준위 모니터링 센서 개발

박혜민·주관식⁺

Development of a Real-time Radiation Level Monitoring Sensor for Building an Underwater Radiation Monitoring System

Hye Min Park and Koan Sik Joo⁺

Abstract

In the present study, we developed a real-time radiation-monitoring sensor for an underwater radiation-monitoring system and eval- uated its effectiveness using reference radiation sources. The monitoring sensor was designed and miniaturized using a silicon pho- tomultiplier (SiPM) and a cerium-doped-gadolinium-aluminum-gallium-garnet (Ce:GAGG) scintillator, and an underwater wireless monitoring system was implemented by employing a remote Bluetooth communication module. An acrylic water tank and reference radiation sources (

¹³⁷

Cs,

⁹⁰

Sr) were used to evaluate the effectiveness of the monitoring sensor. The underwater monitoring sensor’s detection response and efficiency for gamma rays and beta particles as well as the linearity of the response according to the gamma- ray intensity were verified through an evaluation. This evaluation is expected to contribute to the development of base technology for an underwater radiation-monitoring system.

Keywords: SiPM, Ce:GAGG, Wireless, Bluetooth, Acrylic water tank

1. 서 론

최근 방사선 관련 산업의 발달로 산업계 및 의료계에서 원자 력 시설의 운영과 방사성 동위원소(radioisotope)의 사용이 증가 함에 따라 방사성 폐기물(radioactive waste) 및 방사성 물질의 환경오염에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 2011년 일본 후 쿠시마 원전 사고 발생으로 다량의 방사성 물질이 바다로 유출 및 확산되어 전 세계적으로 해양환경의 방사능 오염 경고 및 지 속 적인 모니터링 방법에 주목하고 있다.

그러나 기존에 사용되는 수중에서의 방사선 계측방법인 시료 채취(sampling) 분석법은 복잡한 처리절차를 통해 정량적 인 결 과를 얻을 수 있지만 분석하는데 2~3일의 시간이 소요되며, 방 사능 오염 시 즉각적인 모니터링 및 분석이 불가능하다. 그리고 또 다른 계측방법인 직접계측(In situ) 분석법은 현장에 계측장 비를 설치하여 직접계측 하는 방법으로 즉각적인 모니터링과 분

석이 가능 하지만 전기적 신호처리 케이블로 인한 계측거리에 따른 신호대비 전기적 잡음의 증가와 계측현장에 따라 공간적 인 접근성에서 떨어진다[1].

따라서 해양환경의 방사능 오염 시 즉각적이고 지속적인 방 사선감시체계 구축을 위해 기존의 방법보다 직접적이고 가용성 이 높은 방사선 준위 모니터링 센서 연구의 필요성이 요구 되고 있다.

그러므로 본 연구에서는 수중에서의 실시간 방사선 준위 모 니터링 센서 개발을 위한 연구의 일환으로 실리콘 광 증배소 자(SiPM, silicon photomultiplier)와 무기섬광체(inorganic scintillator) 를 이용한 방사선 센서를 설계 및 제작하여 유용성 을 평가하고, 무선통신 모듈을 사용하여 모니터링 시스템의 무 선화를 구현 하였다.

2. 연구 방법

방사선 준위 모니터링 시스템의 검출 소자로는 Hamamatsu 의 실리콘 광 증배소자(silicon photomultiplier): S12572 -100C 를 사용하였다. 전체적인 시스템의 소형화를 위해 3×3 mm

²

크 기의 소자를 사용하였으며 검출소자에 대한 특성은 Table 1과 같다[2].

방사선 검출을 위한 섬광물질로는 NaI:Tl(thallium doped sodium iodide), BGO(bismuth germinate), LYSO(lutetium yttrium

명지대학교 물리학과

(Department of Physics, Myongji Unversity)

+Corresponding author: [email protected]

(Received : Mar. 5, 2015, Revised : Mar. 23, 24, 2015, Accepted : Mar. 24, 2015)

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orthosilicate), CsI:Tl(thallium doped cesium iodide), Ce:GAGG (cerium doped gadolinium aluminum gallium garnet) 등의 무기섬 광체들이 상용화 되어 있으나, 수중에서의 계측환경을 고려하면 조해성 (hygroscopic)이 없는 BGO, LYSO, Ce:GAGG 섬광체가 방사선 검출에 가장 적합한 특성을 가지고 있다.

Table 2 는 BGO와 LYSO, Ce:GAGG 섬광체의 특성을 보여준 다[3].

BGO 와 LYSO, Ce:GAGG 비교 시, LYSO는 40 nsec의 빠른 잔광시간을 갖지만 구성 원소 중 포함된 Lutetium (

¹⁷⁶

Lu: 78 Bq/g) 의 자가 방사능으로 인해 분광분석 시 배경잡음(background noise) 의 영향을 받으며, BGO는 Ce:GAGG와 대비 300 nsec의 느린 잔광시간과 낮은 섬광효율 (light yield)을 갖는 단점이 있다.

따라서 본 연구에서는 조해성이 없고, 섬광효율이 높으며 beta, gamma-ray 검출에 반응성이 높은 Ce:GAGG 섬광체를 이용하 여 실험을 진행하였다. Ce:GAGG 결정의 크기는 SiPM의 active area 를 고려하여 3 mm의 너비와 베타, 감마선의 에너지를 충분 히 흡수할 수 있도록 20 mm의 두께로 제작하였다.

섬광체 결정의 반사체로는 Ce:GAGG의 520 nm 방출파장에 대하여 최대 90% 이상의 반사율을 가지는 Teflon reflector을 이 용하여 반사면을 형성하였으며, SiPM의 광 입사창과 섬광체의 접촉면 사이에는 공기 중 광 산란 및 광 손실률을 최소한으로 감소 시켜주기 위해 SiPM과 CsI:Tl 접촉면 사이에 n=1.465의 굴절률과 280∼700 nm 파장에서 약 95%의 광 투과율을 갖는 Saint-Gobain의 BC-630을 사용하여 optical grease 층을 도포시 켜주었다[2].

Fig. 1 은 실리콘 광 증배소자(Hamamatsu Co. Ltd)와 Ce:GAGG

섬광체(Furukawa Denshi Co. Ltd)를 사용하여 제작한 수중 방 사선 준위 모니터링 센서와 도식을 보여준다.

Fig. 2는 실시간 수중 방사선 준위 모니터링을 위한 전체 구 조도를 보여준다.

방사선 준위 모니터링 시스템의 검출 소자인 SiPM의 높은 전 자증폭 이득을 갖는 특성을 고려하여 기존에 사용되는 전하 민 감형 전치증폭기(charge sensitive preamplifier, CSP) 대신 SiPM 구동회로 뒷단의 출력 신호를 증폭하고 가우시안 형태로 파형 을 성형해주는 성형 증폭기를 설계 하였다.

성형증폭기는 대역폭 350 MHz, bandwidth 3 dB의 특성을 갖 는 연산증폭기용 소자인 AD8132(AD사, 미국)를 사용하였다.

A/D 변환기 설계에는 비교기용 소자인 MAX987 (MAX사, 미 국)을 사용하여, 성형증폭회로를 통해서 증폭된 방사선신호 이 외의 증폭된 노이즈 신호의 감쇄나 제거를 위해 노이즈 제거가 가능한 A/D 변환기를 설계하였다. A/D 변환기는 성형증폭기로 부터 발생하는 출력신호를 무선통신 모듈에서 방사선량 값으로 계수를 가능케 하는 디지털 펄스 신호로 바꿔주는 역할을 한다.

마지막으로 시스템의 무선화를 위한 무선통신 모듈은 설계된 앞단에서 증폭 및 필터링 되어 디지털 펄스로 처리된 신호를 방 사선 정보로 계수하기 위한 Atmega328 MCU 모듈과 계수된 방 사선 정보의 무선 송신을 위한 HC-06 블루투스 모듈로 구성되 어 있다. Atmega328 모듈은 8-bit 마이크로 컨트롤러이며 8-채 널, 16 MHz, 입력전압 5 V와 10bit A/D 변환기가 내장 되어있 어 원활한 정보처리가 가능하며, 코딩을 통해 방사선 계수 명령 과 무선 송신 명령을 포함하고 있다. 무선 데이터 전송이 가능 한 HC-06 블루투스 모듈은 수중에서의 통신이 가능하도록 송 Table 1. Specifications of the SiPM used in this Study

Parameter Value

Photosensitive area 3 ×3 mm

²

Number of pixels 900

Spectral response range 320~900 nm

Peak PDE (at 450 nm) 35%

Bias voltage V

br

+ 1.4 V

Breakdown voltage 65 ±10 V

Gain 2.8 ×10

⁶

Operating temperature −20 ~ 40

^o

C

Table 2. Physical properties of BGO, LYSO and Ce:GAGG crystal

Scintillator BGO LYSO Ce:GAGG

Density (g/cm

³

) 7.1 7.4 6.63

Peak Emission (nm) 480 420 520

Decay time (ns) 300 40 90

Light yield (photons/MeV) 8500 32000 55000

Hygroscopic No No No

Natural activity No Yes No

Fig. 1. Radiation level monitoring sensor and schematic diagram.

Fig. 2. Total structure diagram for radiation level monitoring sensing.

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신파워 2.5 mW, 전송거리 ~30 m, 통신 속도 최대 115200 baud rate를 갖는 Class B급 모듈을 사용하였다[4].

시스템의 전체적인 전원은 외부 입력전원 대신 내부 전원으 로 리튬 폴리머(7.4 V, 850 mAh) 전지를 사용 가능하도록 설계 하였으며, 리튬 폴리머 전지의 사용 시 평균 4.4 W의 소비전력 으로 1시간 이상 운용이 가능하다.

수중 계측 시 시스템의 방수화를 위해 수심 1 m에서 완전 방 수가 가능한 방수 등급 IP 6-7-10의 하우징을 사용 하였다.

Fig. 3 은 수중에서의 방사선 준위 모니터링을 위한 실험 구성 을 보여주고 있다. 개발된 방사선 준위 모니터링 센서의 성능 평가를 위해 크기 40 cm×40 cm×100 cm의 acrylic tank 지면으 로부터 20 cm 위치에 모니터링 센서를 위치시키고, 60 cm 까지 물을 채운 후, 방사선원은 센서의 표면으로부터 1 cm 지점에서 10 mm 의 간격으로 5 cm 지점까지 위치하도록 하였다[5].

수중에서 모니터링 된 방사선 정보는 PC의 LabVIEW 통신 프로그램을 통해 데이터를 수신 또는 휴대용 단말의 App을 통 해 데이터를 수신 받아 정보를 표시 한다.

실험에 사용된 방사선원으로는 원전 사고 시 발생하는 핵분 열의 주요 생성물인 감마선원

¹³⁷

Cs: 0.662 MeV 과 베타선원

⁹⁰

Sr:

0.546 MeV (Spectrum techniques, 미국)이 사용되었다. 1 µCi의 방사능(activity)을 기준으로 하였으며,

¹³⁷

Cs은 30.17년,

⁹⁰

Sr은 28.8 년의 반감기를 갖는다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 4 는 G5100 digital function generator: 1∼15 MHz(Seintek 사, 한국)를 사용하여 모니터링 센서의 데이터 송·수신률을 평 가한 결과를 보여준다.

DFG 로부터 0~10 kHz의 펄스를 입력 신호로 사용하여 1 m의 간격으로 30 m 지점까지 모니터링 센서와 수신부인 PC 및 휴 대용 단말과 무선통신 시 수중에서는 8 m, 공기 중에서는 20 m

이하의 거리 하에서 입력펄스 오차 없이 일정한 통신속도로 모 든 펄스를 계수 하였다. 또한 평가 결과는 펄스/카운트로 코드 화된 마이크로 컨트롤러의 계수 명령에 대한 알고리즘의 정확 성도 보여준다.

Fig. 5는 PC에서 구현된 수신부의 GUI 화면이다. GUI 시스 템은 LabVIEW 프로그램과 C# 코드를 기반으로 설계하였다. 모 니터링 센서로부터 전송된 방사선 정보는 LabVIEW 통신 프로 그램을 통해 데이터를 전송 받게 되며, 외부에서의 영상 모니터 링을 위한 영상정보는 C# 통신 프로그램을 통해 데이터를 전송 받는다.

Fig. 5 의 방사선 정보는 프로그램 내 계수명령 코드를 통해 수 집 되며, 모니터링 센서의 검출효율 교정은 교정계수 및 환산계 수의 입력을 통해 교정이 가능하다. 개발된 모니터링 센서와 영 상용 CMOS 센서 모듈은 수신부인 PC와 Multi-pairing 방식으 Fig. 3. Detector arrangement with acrylic water tank for monitoring

in water.

Fig. 4. Pulse count as a range of frequency.

Fig. 4. X-axis: Pulse of digital function generator.

Fig. 4. Y-axis: Received pulse count at PC.

Fig. 5. GUI screen at PC.

(4)

로 연동되어 실시간으로 방사선 탐지 및 모니터링이 가능하다.

Fig. 6 은 감마선원

¹³⁷

Cs (662 keV: 1 µCi, 5 µCi, 10 µCi)을 사 용하여 수중에서 감마선 세기에 따른 모니터링 센서의 선형적 인 응답을 보여주고 있다.

방사선원의 세기를 증가시키면 방사선의 선속(flux)이 증가하 게 되고, 이에 따라 선량은 선형적으로 증가하게 된다.

Fig. 6에서 보는 것과 같이

¹³⁷

Cs: 10 µCi에서의 측정값이 5 µCi에서 보다 약 2배정도 높게 측정되었고, 결과를 통해 1에 가 까운 0.9975의 결정계수(R-square)를 가지고 선형성을 보이는 것을 확인하였다[6].

Fig. 7은 모니터링 센서의 감마, 베타선원에 대한 검출 반응 성 측정 결과를 보여주고 있다. 감마선원

¹³⁷

Cs: 0.662 MeV, 베 타선원

⁹⁰

Sr: 0.546 MeV 을 사용하였으며, 수중에서 60초 동안 측정하였다.

Fig. 7의 결과를 통해 수중에서의 감마, 베타선원에 대한 검 출 반응도를 확인 할 수 있다. 베타선원인

⁹⁰

Sr의 경우 수중에서 물의 깊이에 의한 차폐효과로 공기 중에서 계측보다 검출 감도 는 급격히 감소하였지만, 근접 계측 시에는 선량률의 증가를 보 여 수중에서의 베타선 검출 가능성을 보였으며, 감마선원인

¹³⁷

Cs 의 경우 공기 및 수중 에서의 선량 변화율 비교 시 측정결과의 추세선이 각각 0.9952와 0.9969의 결정계수(R-square)를 보여 수중 에서의 감마선 검출 및 검출효율의 정확도 또한 확인 할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 해양환경의 방사능 오염 시 즉각적이고 지속 적인 방사선감시체계 구축을 위해 실리콘 광 증배소자와 무기 섬광체를 이용하여 수중에서의 실시간 방사선 준위 모니터링이 가능한 모니터링 센서를 설계 및 제작하고 센서의 특성을 평가 하였다.

첫 번째로 제작한 센서의 데이터 송·수신률에 대한 실험을 수행한 결과, 실시간으로 데이터의 무선 통신이 가능함을 확인 하였으며, 두번째로는

¹³⁷

Cs 선원의 방사능에 따른 모니터링 센 서의 선형성을 평가하였고, 방사능이 커질수록 선량률이 선형적 으로 증가하는 것을 확인하였다.

마지막으로 감마, 베타선원에 대한 검출 반응도 대한 실험에 서는 수중에서의 계측 시 베타선 검출의 감도 저하를 보였지만 모니터링을 위한 수중에서의 감마, 베타선원의 검출이 가능함을 확인하였다.

본 연구결과를 기반으로 지속적인 연구가 수반된다면 개발된 시스템이 해양환경의 방사능 오염 시 즉각적이고 지속적인 방 사선감시체계 구축에 기여할 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 일반연구자지원사업입니다. (과제번호:

R1A1A2011572)

REFERENCES

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Isot., Vol. 98, pp. 44-48, 2015.

[2] H. M. Park, H. S. Hong, J. H. Kim, and K. S. Joo, “Devel- opment of a portable device based wireless medical radi- ation monitoring system”, J. Radiation. Protection., Vol. 39, Fig. 6. Responses of radiation level monitoring sensor as a function

of

¹³⁷

Cs activity underwater.

Fig. 7. Reactivity of radiation level monitoring sensor as the radi-

ation source underwater.

(5)

No 3, pp. 150-158, 2014.

[3] J. Y. Yeom, S. Yamamoto et al., “First performance results of Ce:GAGG scintillation crystals with silicon photomul- tipliers”, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 60, No. 2, pp. 988- 992, 2013.

[4] H. M. park, and K. S. Joo, “Development of a wireless gamma-ray probe for diagnosing and evaluation of its effec- tiveness”, I. J. Electronics. Information. Engineers., Vol. 52, No. 2, pp. 355-363, 2015.

[5] R. Casanovas, J. J. Morant, and M. Salvadóo, “Imple- mentation of gamma-ray spectrometry in two real-time water monitors using NaI(Tl) scintillation detectors”, Appl.