Development and Characterization of a Dosimeter Using Tissue-Equivalent Scintillator by Photon-Counting Method

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2014.23.1.29 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

조직 등가 섬광체를 이용한 계수형 선량계의 개발과 특성 평가

천종규¹·김성환^2,+·김홍주³

Development and Characterization of a Dosimeter Using Tissue-Equivalent Scintillator by Photon-Counting Method

Jong-Kyu Cheon¹, Sung-Hwan Kim^2,+, and Hong-Joo Kim³

Abstract

A dosimeter using tissue-equivalent scintillator by photon-counting method was developed and evaluated in its performance. The dosimeter is portable and can be operated by low power from lap-top computer. A data-acquisition software of the dosimeter system was developed by Labwindows/CVI based on Windows. The energy to channel ratio for energy calibration was 0.839 keV/ch. obtained from pulse height spectrum of ¹³⁷Cs and ⁶⁰Co gamma-ray. Using the dosimeter system, the absorbed dose of environmental radiation in Gyungju was 0.18Sv/h.

Keywords: Photon counting, Dosimeter, Scintillator, Tissue equivalent

1. 서 론

생활수준 향상에 더불어 의료검진을 위한 방사선 사용량이 급 격히 증가하고 있다[1,2]. 게다가 2011년 후쿠시마 원전 사고의 발생 이후 일반인들에 대한 방사선 피폭의 우려와 안전에 대한 관심이 급격히 증가하고 있다[3-9].

방사선의 위험을 신속히 파악하고 대처하기 위해 새로운 방 사선 측정기와 측정 방법에 대한 연구개발이 요구된다. 특히 다 양한 산업현장, 연구시설, 사고현장 등에서 신속히 방사선량을 평가하기 위하여 휴대가 간편하고, 인체 피폭선량을 직접 측정 할 수 있는 방사선 측정기가 필요하다.

현재 기체 충진형 계수관이나 반도체 검출기 등을 활용한 개 인피폭선량계가 다수 사용이 되고 있지만, 인체조직등가 물질이 아니기 때문에 인체의 흡수선량을 직접 측정할 수 없으며, 방사 선에 의해 생성된 미세한 전하량을 적분모드에서 측정하기 때 문에 저선량율 환경에서는 정확한 방사선량을 평가하기 어려운 단점이 있다[10].

본 연구에서는 저선량 방사선을 측정할 수 있는 계수 모드에 서 동작하면서, 인체의 흡수선량을 직접 측정하기 위하여 조직 등가형 섬광체를 이용한 계수형 개인피폭선량계를 개발하고, 개 발된 검출기의 특성에 대하여 조사하였다.

2. 실험 방법

2.1 시스템 개발

본 연구에서 개발한 검출기는 고속 ADC (Analog to Digital Converter)를 사용하여 계수 모드에서 작동하는 조직등가섬광체 검출기이며, G-counter로 이름 지었다.

2.1.1 조직등가형 섬광체

흡수선량은 입사 방사선의 종류와 에너지 및 매질의 종류에 따라 결정된다. 일반적으로 검출기를 구성하는 물질의 원자번호 와 밀도가 증가할수록 방사선 검출효율은 증가하지만, 방사선에 대한 에너지 의존성이 커진다. 따라서 인체의 흡수선량을 평가 하기 위해서는 검출기와 인체조직에 대한 방사선의 흡수산란 특 서라벌대학교 방사선과 (Radiologic Technology, Sorabol College)

516, Taejong-ro, Gyeongju, Gyeongsanbuk-do, 780-711, Korea

청주대학교 방사선학과 (Department of Radiological Science, Cheongju University)

586 Daesung-ro, Sangdang-gu, Cheongju, Chungcheongbuk-do, 360-764, Korea

경북대학교 물리학과 (Department of Physics, Kyungpook National University)

80 Daehak-ro, Buk-gu, Daegu-si, 702-701, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Oct. 16, 2013, Revised: Dec. 12, Dec. 24, 2013, Accepted: Dec.

27, 2013)

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1

2

3

성 차이를 보정하여야 한다. 그러나, 방사선의 종류와 에너지에 따라 보정계수가 많은 차이가 나고, 실제 외부 방사선의 종류와 에너지가 매우 다양하므로, 일반적인 개인피폭선량계에서는 그 평균 보정계수값으로 측정값을 보정하기 때문에 실제 인체의 흡 수선량과 차이가 있다.

본 연구에서 개발한 G-counter는 1.01.01.0 cm³의 조직등가 플라스틱 섬광체(BC-400, Saint-Gobain Co.)를 사용하였다. Sanint-

Gobain에서 제공한 물성표에 의하면 사용된 섬광체 BC-400은

100 keV 미만의 X-선, 0.1~5 MeV의 감마선, 속중성자, 알파선, 베타선, 중하전입자, 우주선 등을 검출할 수 있도록 고안된 범 용 섬광체이다. BC-400은 기준 섬광체 안트라센에 대한 광출력 이 65%이고, 광출력의 상승시간이 0.9 ns, 감쇠시간은 2.4 ns, 최 대 발광 중심파장은 423 nm이다[11].

BC-400의 원재료는 폴리비닐톨루엔이다. 폴리비닐톨루엔(C27H30) 의 유효원자번호(Zeff)와 밀도가 각각 5.67, 1.032 g/cm³ 로서 인체 의 유효원자번호(Zeff=7.42)와 밀도(1.032 g/cm³)가 비슷하다[11]. 플 라스틱 섬광체는 인체와 구성원소 밀도 등이 유사하므로 인체의 흡수선량 평가에 표준물질로 사용되고 있다[12]. 다만 인체와 흡 수산란특성이 차이가 다소 있으므로 감마선의 에너지에 따른 인 체와 플라스틱 조직등가체의 질량흡수비로 보정이 필요하다.

2.1.2 하드웨어 구성

Fig. 1은 G-counter의 구성도이다. 입사된 방사선은 플라스틱 섬광체에서 가시광선으로 변환된 후 광전자증배관에서 전기적 신호로 변환 및 증폭된다. 증폭된 신호는 flash ADC에서 디지 털화한 후 메모리에 저장되고 이더넷 통신을 통해 컴퓨터로 전송된다.

휴대성을 높이기 위하여 소형화 및 저전력화를 구현하였다.

일반적인 섬광체를 이용한 방사선 측정시스템은 광전자증배관, 광전자증배관용 고전압전원, 선형증폭기, ADC로 구성된다[13].

광전자증배관은 Hamamstu 사의 R7400U을 사용하였고, ADC 보드는 Notice Korea사의 다중채널파고분석기를 사용하였다. 이

분석기는 400 MHz 고속 flash FADC를 사용하므로 빠른 신호 측정과 고계수율 측정이 가능하며, 이더넷 통신까지 지원하고 있다. 전원은 USB 5 V 전원으로 사용하였으며, 광전자증배관 전원은 EMCO사의 Q09-5 모델을 사용하였다.

Fig. 2는 개발된 시제품 형태의 G-counter 사진이다. 휴대성을 높이기 위하여 소형, 저전력 광전자증배관에 플라스틱 섬광체를 결합한 후 외부 빛을 차광하기 위하여 검은색 테이프로 차광하 였다. ADC 및 DAQ (data acquisition) 보드와 고전압기판, 이 더넷 통신 포트 부분을 확인할 수 있다.

2.1.3 운영 소프트웨어

Fig. 3은 본 시스템의 운영 소프트웨어 블록도이다. G-counter

Fig. 1. Block diagram of G-counter. Fig. 3. Block diagram of software.

Fig. 2. Photograph of the G-counter.

운영 소프트웨어는 Windows XP SP3 운영체계에서 LabWindows CVI 7.0(National Instrument Co.)을 사용하여 개발하였다. 운영 소프트웨어는 사용자인터페이스, 구동프로그램, 이더넷 통신용 라이브러리로 구성된다. 특히 이더넷 통신용 라이브러리는 프로 그램 구성을 간결하게 하고 G-counter를 이용한 향후의 프로그 램 개발에 재사용하기 위해 제작하였다. 통신용 라이브러리는 Windows의 DLL (Dynamic Linking Library)형태이다. Fig. 3에 서 보는 바와 같이 ADC에서 획득된 데이터는 설정된 측정 시 간 동안 FADC 내부 메모리에 파고스펙트럼에 해당하는 히스토 그램으로 측정된다. 측정시간 동안 설정된 방사선 선량율이 높 아서 계수율을 초과하는 신호가 입력될 경우 화면상의 경고 표 시를 하도록 하였다. 설정된 측정시간에 도달하면 최종적으로 파고스펙트럼을 저장하고, 선량계산 알고리즘에 따라 흡수선량 을 계산한다. 이 때 파고스펙트럼 및 측정 결과는 ASCII 데이 터 형식으로 저장된다.

2.1.4 사용자 인터페이스

인터페이스는 데이터 통신 설정부, 측정 변수 설정부 및 측정 결과 표시부로 구성된다. IP 주소 설정 및 포트 설정을 통하여 이더넷 통신을 할 수 있게 구성하였으며, 증폭율, 측정 시간, 문 턱치 등 측정 변수를 설정할 수 있게 하였다. 측정된 결과는 실 시간으로 계수율이 수치화되며, 파고스펙트럼으로 나타나도록 하였다. 측정시간 동안 계수율의 변화를 그래프로 표시하며, 허 용선량율 이상일 경우 경고음과 인터페이스 화면을 붉은 색으 로 표시하여 청각 및 시각적으로 이상 상황을 확인할 수 있게 하였다.

2.2 선량 계산 알고리즘

Fig. 4는 G-counter의 선량계산 블록도이다. 측정된 파고스펙 트럼을 표준 -선 선원을 이용하여 미리 결정한 에너지 교정 함 수로 에너지 교정을 실시한다. 교정된 에너지 스펙트럼에 대하 여 측정된 에너지 플루언스에 대한 질량흡수계수를 적용하여 흡 수선량을 평가한다.

2.2.1 에너지 교정

플라스틱 섬광체는 조직등가 물질로 인체의 흡수선량을 직접 측정할 수 있는 장점은 있지만, 유효원자번호가 낮아서 입사된

-선의 전체 에너지가 흡수된 광전피크가 측정되지 않는다. 따 라서 일반적인 -선 분광분석과 달리 광전 피크를 이용하여 에 너지를 교정할 수 없으므로 표준 감마선에 대한 파고스펙트럼 을 측정하고, 측정된 파고스펙트럼의 컴프턴 에지 채널을 이용 하여 에너지 교정 곡선을 결정하였다. 컴프턴산란은 식(1)에서 보는 바와 같이 입사 -선의 에너지와 입사 선과 궤도전자 간 의 산란각도에 따라 달라지지만, 컴프턴 에지는 입사감마선의 에너지에 의해 결정되므로 이들의 상관관계식(1)을 이용하여 개 발된 조직등가형 섬광검출기의 감마선 에너지 교정을 실시하였다.

교정을 위한 원리를 설명하면 (1)식에서 가 180^o일 경우 반 도전자가 최대 에너지를 갖게 되는 데 이 에너지가 에너지 스 펙트럼 상의 컴트턴 에지와 같다. 이미 감마선의 에너지를 알고 있는 선원 ⁶⁰Co(1.33 MeV)의 ¹³⁷Cs(0.662 MeV)의 반도전자 최 대에너지 Ec(⁶⁰Co)은1.12 MeV, Ec(¹³⁷Cs)는 0.478 MeV이다. 각 각의 Ec와 측정된 각각의 스펙트럼의 컴프턴 에지 채널값을 이 용하여 1차 함수를 구하고 이의 기울기가 곧 채널 대 에너지 비 율이 된다. 이 값으로 미지의 방사성 시료에 대한 채널에 이 비 율을 곱하므로써 에너지 교정을 수행하였다.

(1)

Ec : 반도전자의 에너지 E_ : 입사감마선의 에너지

 : 입사감마선과 궤도 전자간의 산란각

mo : 전자의 정지질량 c : 광속

2.2.2 선량계산

흡수선량(Dtissue)은 식(2)에서 보는 바와 같이 입사 방사선의 에너지 플루언스()에 대하여 조직-플라스틱 질량흡수계수율(en/

) 비를 보정한 후 입사 방사선 에너지 전 영역에 대하여 적분 함으로써 구할 수 있다.

(2)

Dtissue : 인체 흡수선량

Emax : 흡수된 최대 에너지

n(E) : 에너지가 E인 감마선의 광자 수 m : 흡수체의 질량

A : 산란선 보정인자 (en/) : 질량에너지흡수계수

EC E_ E_

1 E_1^–cos m0c² --- +

--- –

=

Dtissue

n E  E ---m en

---

⎝ ⎠⎛ ⎞

plasti tissue

A Ed 

0 E_max

∫

=

Fig. 4. Flow chart for absorbed dose.

3. 결과 및 고찰

3.1 G-counter 시스템의 가동

Fig. 5는 구동 중인 G-counter 시스템의 인터페이스로 ⁶⁰Co 감 마선을 측정하고 있는 그림이다. Threshold는 25, 설정된 측정 시간은 1,800초, 채널당 1 keV의 분해능으로 설정하였다. 그림 중앙 부분에 ⁶⁰Co 감마선에 대한 파고스펙트럼이 실시간으로 업 데이트 되고, 아래 그래프는 시간에 따른 계수율을 보여주고 있 으며, 지금 계수율은 2,918 count/s 이다. 선원과 측정기간의 거 리를 일정하게 유지하였으므로, 계수율의 변화가 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있다.

3.2 에너지 교정

Fig. 6은 ¹³⁷Cs 662 keV와 ⁶⁰Co의 1.17 MeV, 1.33 MeV -선에 대한 파고스펙트럼이다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 ¹³⁷Cs 662 keV 단일에너지의 -선에 대한 컴프턴 에지는 570 채널이고, ⁶⁰Co 1.33 MeV 단일에너지의 -선에 대한 컴프턴 에지는 1,155 채널 이었으며, 이를 식(1)으로 풀이한 결과, 에너지 대 채널 교정값 은 0.839 keV/ch이었다. 신호잡음에 의한 문턱값 설정에 의해 1 keV의 하한치가 결정되었다. 따라서 개발된 선량계의 측정가 능한 에너지 범위는 1~1,718 keV로 지상에 존재하는 대부분의 환경 및 인공방사선을 측정할 수 있다.

3.3 방향의존성

Fig. 7는 G-counter의 방향의존성을 나타낸 것이다. Fig. 7에 서 보는 바와 같이 입사각이 120~240^o 영역에서는 광전자증배 관에 의해 입사 감마선이 차폐되었기 때문에 계수율이 낮게 나 타났으며, ±120^o범위에서는 방향의존성이 없는 것으로 나타났다.

3.4 조직-플라스틱 질량흡수계수비

측정된 파고스펙트럼으로부터 흡수선량을 결정하기 위해, Fig.

8에 나타낸 것과 같이 광자의 에너지에 따른 조직-플라스틱 질 량흡수계수비를 연속함수로 구하였다. Fig. 8의 결과를 결정하 기 위하여 조직등가인 물과 플라스틱의 질량흡수계수 대 에너 지에 대한 NIST (National Institute of Standards and Technology) 자료를 사용하였다[14].

3.5 환경방사선의 측정

파고분석스펙트럼으로 방사선량율을 구한 절차는 다음과 같다.

Fig. 5. Running G-counter to acquire data.

Fig. 6. Pulse height spectra of ¹³⁷Cs and ⁶⁰Co -rays.

Fig. 7. Directional dependency of G-counter.

(1) 앞선 실험에서 결정된 에너지 교정값 0.839 keV/ch.으로 측정된 채널 스펙트럼을 에너지 스펙트럼으로 변환한다.

(2) 식(2)에 나온 것과 같이 에너지 스펙트럼의 계수값을 이 에 대응되는 Fig. 8의 질량흡수선량비와 곱한다.

(3) 곱하여 구한 모든 값을 더하여 적산된 흡수에너지를 구한다.

(4) 이 값에 섬광체의 무게로 나누어 흡수선량을 구한다.

(5) 플라스틱이 조직등가물질이고 광자에 대한 방사선가중치 (WR)가 1이므로 특별한 계수를 첨가하지 않고 흡수선량을 등가 선량으로 간주하고 Gy단위를 Sv로 변경한다.

(6) 등가선량을 최종적으로 측정시간으로 나누어 방사선량을 구한다.

Fig. 9는 G-counter로 경주지역 환경방사선을 측정한 에너지 스펙트럼이다. 측정시간은 24시간이었으며, 계산 결과 방사선량 율은 0.18 Sv/h이었다. 이 값은 경주지역 평상변동범위인 0.04~0.15

Sv/h보다 약간 높은 준위로 측정되었다.

4. 결 론

본 연구에서 개발한 휴대형 G-counter은 조직등가형 섬광검

출기를 사용하여 선의 에너지 스펙트럼을 분석함으로써 인체 의 흡수선량을 측정하는 시스템이다. ¹³⁷Cs 및 ⁶⁰Co 표준 선원을 이용하여 에너지 교정을 시행하였으며, 이때 채널당 에너지 값 이 0.839 keV/ch 이었다. 측정 방향 120° 범위에서 방향의존 성은 없었다.

본 시스템은 인체 조직등가 섬광체를 이용하여 인체의 흡수 선량을 직접 측정할 수 있으며, 계수 모드 동작과 고속 FADC,

decay time이 짧은 플라스틱 섬광체를 사용함으로써 저선량에

서 고선량 영역까지 모두 사용이 가능하다. 따라서 개발된 G-

counter는 일반적인 선량계 뿐만 아니라 연구분야, 산업체 등 다

양한 부분에서 폭넓게 활용할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 본 시스템을 응용하여 생활주변 환경방사능 측정, 의료기관에서 의 방사선학적 검사 과정에 따른 환자, 보호자, 의료기관 종사 자의 피폭선량 측정, 원자력발전소 주변 방사선 감시 등 다양한 분야에 활용함으로써 국민 피폭선량 경감에 기여할 수 있을 것 으로 기대된다.

감사의 글

이 논문은 2012학년도 경북대학교 학술연구비에 의하여 연구 되었음.

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