KR100284506B1

KR100284506B1 - ＬｉＦ에 Ｍｇ, Ｃｕ, Ｎａ 및 Ｓｉ가 불순물로 첨가된 열형광 물질을 소결한 디스크형 방사선검출소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100284506B1
Application number: KR1019990013927A
Authority: KR
Inventors: 장시영; 김장렬; 남영미; 도시홍
Original assignee: 장인순; 한국원자력연구소; 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2001-03-15
Also published as: KR20000066664A

Abstract

본 발명은 LiF에 Mg, Cu, Na 및 Si가 불순물로 첨가된 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체 분말(이하 LiF:Mg,Cu,Na,Si)을 소결(sintering)하여 만든 디스크형 방사선검출소자 에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 분말형태의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체가 가지고 있는 방사선에 대한 고유특성을 재현하는 고형화된 소자를 개발하여, 각각의 소자들이 독립된 검출소자의 역할을 하는 디스크형 방사선검출소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. 이들 검출소자는 분말보다 취급이 용이하고, 방사선 측정에 다양하게 이용될 수 있으며, 특히 개인피폭선량계 뱃지를 구성하는 요소로서 사용된다.

본 발명은 LiF:Mg,Cu,Na,Si 분말에 실온에서 프레스로 약 10 ±3 ton의 압력을 가하여 디스크형으로 성형하는 단계와, 가압성형된 디스크형의 소자들을 전기로에 넣고 820 ±10 ℃ 온도에서 약 60 ±30 분간의 열처리하는 단계를 통해, 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 가지고 있는 방사선에 대한 고유특성이 재현되는 디스크형 방사선검출소자를 제조한 것이다.

Description

ＬｉＦ에 Ｍｇ, Ｃｕ, Ｎａ 및 Ｓｉ가 불순물로 첨가된 열형광 물질을 소결한 디스크형 방사선검출소자 및 그 제조방법{Disk type thermoluminescent detectors by sintering LiF phosphor activated with Mg, Cu, Na and Si and its manufacturing method}

본 발명은 LiF에 Mg, Cu, Na 및 Si가 불순물로 첨가된 열형광(TL: thermoluminescent) 물질을 소결한 디스크형 방사선검출소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 분말형태의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 가지고 있는 방사선에 대한 고유특성을 재현하는 고형화된 소자를 개발하여, 각각의 소자들이 독립된 검출소자의 역할을 하는 디스크형 방사선검출소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. 이들 검출소자는 분말보다 취급이 용이하고, 방사선 측정에 다양하게 이용될 수 있으며, 특히 개인피폭선량계 뱃지를 구성하는 요소로서 사용될 수 있다.

열형광을 이용한 방사선검출소자(TLD: Thermoluminescent detector)는 열형광 물질에 방사선을 쪼인 후 가열할 때 나오는 빛으로 방사선을 검출하는 것으로 사용하는 열형광 물질은 여러 종류가 있고 각각 특성이 다르다.

현재 미국, 중국, 폴란드, 프랑스 등 몇 개국에서 여러 종류의 열형광 물질을 고형화된 소자로 상용화하여 세계적으로 개인피폭선량 측정, 환경방사선량 측정, 및 환자의 진단과 치료시의 흡수선량 측정 등에 널리 사용하고 있다. 특히 LiF계열 열형광 물질은 유효원자번호(Z_eff= 8.14)가 인체조직(Z_eff= 7.42)과 비슷하여 광자에 대한 에너지반응값(energy response)이 유사하므로, 인체에 대한 방사선 선량평가시 유리하므로 개인피폭선량이나 의료용으로 많이 사용된다.

LiF계열 TLD 중에서 가장 먼저 개발된 물질인 LiF:Mg,Ti는 TLD-100으로 상용화되어 낮은 열형광감도에도 불구하고 현재까지 지속적으로 사용되고 있다. 고감도의 열형광 물질일수록 낮은 선량을 정확히 평가하는데 유리하므로 고감도의 신소재 열형광 물질의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 새로운 불순물을 첨가하는 방법에 의해 TLD-100보다 열형광감도가 약 20∼30배 뛰어난 LiF:Mg,Cu,P가 개발되어 GR-200(중국) 또는 MCP-N(폴란드) 등의 이름으로 상용화되었는데 분말형태의 물질을 적정한 고형화 조건을 찾아 소자화한 제품들로 현재 가장 많이 사용되고 있다. 국내에서는 LiF:Mg,Cu,P에 비해 감도가 두 배 정도로 우수한 새로운 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 분말형태로 개발되었으나(참고문헌 1, 2) 고형화된 소자가 아니므로 사용범위가 제한적이었다.

다양한 사용을 위해서는 고형화된 소자로의 개발이 필요한데, 소자화하는 방법은 크게 나누어 접착제 없이 100% 열형광체 분말로 만드는 방법과 열형광체 분말에 적당한 접착성물질(binder)을 혼합하는 방법이 있다. 전자의 방법으로는 소결(sintering), 압출성형(extrusion), 고온압축(hot pressing), 단결정성장(single crystal growing) 등이 있고, 후자는 Teflon(polytetrafluoroethylene)이나 실리콘 resin 등을 30% ~ 90% 정도 혼합하는 방법 등이 있다. LiF:Mg,Ti 물질은 압출성형 방법(참고문헌 3) 소결방법(참고문헌 4) 그리고 접착물질로 Teflon을 혼합한 방법(참고문헌 5) 등으로 고형화하여 상용화되었다.

LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질의 소자화는 LiF:Mg,Ti 물질의 고형화 방법과 유사한 과정을 통해 성취될 수 있다. 그러나 첨가하는 불순물이 다르면 glow 곡선의 모양, 열형광감도, 주 peak의 온도 및 잠상퇴행(fading) 특성 등이 매우 달라지므로, 분말 물질의 열형광 특성을 유지하는 고형화 조건은 물질 고유의 특성에 따라 판이하다. 따라서 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질에 대한 소자화하기 위해서 적절한 고형화의 최적조건을 찾아야 한다. LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질에 Teflon 을 혼합한 소자화하는 기술과 소자들의 특성에 관한 연구가 수행되었지만(참고문헌 6) Teflon을 혼합하면 열형광감도가 저하되고 소자가 열에 약한 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 분말형태의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 가지고 있는 방사선에 대한 고유특성을 재현하면서도 분말보다 취급이 용이하고, 방사선 측정에 다양하게 이용될 수 있으며, 감도도 향상시키고 열처리에 의한 재사용을 용이하게 하기 위하여 분말에 다른 물질을 혼합하지 않고 분말자체를 고형화한, 특히 개인 피폭선량계 뱃지를 구성하는 요소로서 사용할 수 있는 고형화된 소자로 개발하여, 각각의 소자들이 독립된 검출소자의 역할을 하는 디스크형 방사선검출소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 디스크형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 검출소자의 제조과정,

도 2는 본 발명의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질과 디스크형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 검출소자의 모양,

도 3은 분말형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질과 상용화된 TL 물질의 측정 열형광감도 비교도,

도 4는 분말형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질과 디스크형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 검출소자의 측정 열형광감도 비교도.

본 발명은 방사선 측정에 사용되는 디스크형 방사선검출소자와 그 제조방법에 관한 것으로, LiF에 Mg, Cu, Na 및 Si가 불순물로 첨가된 열형광 물질인 LiF:Mg,Cu,Na,Si를 디스크형으로 가압성형한 후 열처리를 거쳐 제조되며, 이들은 LiF:Mg,Cu,Na,Si 분말의 방사선에 대한 고유특성을 재현하는 특성을 갖는다.

본 발명 열형광 검출소자는 열형광 물질인 LiF:Mg,Cu,Na,Si(LiF: 74.5 ±15.0 wt%, Mg: 4.4 ±0.9 wt%, Cu: 5.9 ±1.2 wt%, NaSi: 15.2 ±3.0 wt%)로 조성된 분말을 프레스를 사용하여 가압성형하고 열처리를 거쳐 디스크 모양으로 소자화 된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 된 본 발명 열형광 물질의 성형 제조방법은 다음과 같다.

LiF에 불순물로 첨가하는 MgSO_4·7H₂O(0.6 ±0.2 mol%), CuSO_4·5H₂O(0.8 ±0.2 mol%) 및 Na₂SiO_3·9H₂O(1.8 ±0.4 mol%)를 정량한 후, 이온교환수를 넣어 80 ℃에서 잘 혼합한 후, 혼합한 용액을 건조시켜, 백금도가니에 담아 질소 분위기의 전기로에서 820 ±10 ℃ 온도로 소결시킨 후, 공기 중에서 급냉하고, 단단한 덩어리 형태의 시료를 분쇄하여, 1 N HCl 용액에 씻은 후 건조시켜 결정립(grain) 크기가 80 ㎛ 이하인 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체 분말로 제조하는 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체 제조단계(a)와;

상기 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질의 성형을 위해 금형세트(직경 5㎜ 디스크형)를 구성한 후 약 10 ±3 ton의 압력으로 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질을 실온에서 프레스로 압력을 가하여 디스크형(직경 5㎜, 두께 0.8㎜)으로 제조하는 가압성형 단계(b)와;

상기 가압성형한 디스크형 소자들을 질소분위기의 전기로에서 820 ±10℃ 온도에서 60 ±30분 동안 열처리하여 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 가지고 있는 열형광선량계로서의 고유특성을 재현하는 열처리 단계(c)를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예로서 본 발명은 다음의 실시예에만 국한되지는 않는다.

<실시 예 1>

도 1은 LiF:Mg,Na,Cu,Si 물질로 조성된 디스크형 방사선검출소자의 제조방법을 도시하고 있는데 그 방법은 다음과 같다.

a) 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체 제조;

LiF에 불순물로 첨가하는 MgSO_4·7H₂O(0.6mol%), CuSO_4·5H₂O(0.8mol%) 및 Na₂SiO_3·9H₂O(1.8mol%)를 정량한 후, 이온교환수를 넣어 80 ℃에서 균일하게 혼합하였다. 그런 다음 혼합한 용액을 건조시켜, 백금도가니에 담아 질소 분위기의 전기로에서 820 ±10 ℃ 온도로 소결시킨 후, 공기 중에서 급냉하였다. 단단한 덩어리 형태의 시료를 분쇄하여, 1 N HCl 용액에 씻은 후 건조시켜 결정립(grain) 크기가 80 ㎛ 이하인 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체를 제조하였다.

b) 가압성형 단계;

분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체를 실온에서 프레스로 압력을 가하여 디스크 형태로 가압성형하는 단계로서 먼저 성형을 위한 금형세트(직경 5㎜ 디스크형)를 구성한다. 그런 다음 약 10 ±3 ton의 압력으로 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질을 실온에서 가압하여 디스크 형태(직경 5㎜, 두께 0.8㎜)로 만든다.

c) 열처리 단계;

가압성형한 디스크형 소자들은 결합력이 약하여 잘 부서지고 결정구조가 변형되어 원래의 열형광 특성을 나타내지 않는다. 이들 디스크형 소자를 고형화시키고 분말상태에서 가지고 있던 열형광 특성을 복원시키기 위하여 열처리를 한다.

가압성형한 디스크형 소자들을 질소분위기의 전기로에서 820 ±10℃ 온도에서 60 ±30분 동안 열처리하면 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 가지고 있는 열형광선량계로서의 고유특성을 재현하는 디스크형 소자로 제조된다.

<실시 예 2>

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명은 분말형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질을 디스크형의 방사선검출소자로 고형화하는 소결의 적정조건을 찾은 것이므로, 금형틀(다이 세트)의 형태를 바꾸면 디스크형뿐만 아니라 분말 물질의 특성을 그대로 재현할 수 있는 임의의 모양으로도 제작이 가능하다. 따라서 일반적으로 많이 사용되는 로드(rod)형이나 정사각형의 칩(chip)형 등의 용도에 따른 다양한 크기와 형태의 제조가 가능하다.

의료적으로 방사선 진단이나 치료과정에서 활용할 수 있는 예는 다음과 같다. 모의피폭체(팬텀)의 내부나 겉면에 검출소자를 부착시켜서 방사선을 조사한 후 이들 소자의 TL 감도를 측정하면 소자가 부착된 지점에서 인체가 받는 흡수선량을 바로 평가할 수 있다. TLD 소자의 크기가 작을수록 국소적인 조사지점의 선량을 평가할 수 있고, 소자 여러 개를 한 평면에 배치하면 평면에 대한 선량분포도 볼 수 있다. 이 때 TLD 소자의 형태는 사용용도에 따라 다양하게 선택한다.

또한 이들 검출소자들은 원전 주변이나 방사선 구역 등의 장소에 배치하여 주기적으로 열형광강도를 측정하면 환경방사선량을 평가하는 환경 모니터링에도 사용될 수 있다.

<실시 예 3>

디스크형 LiF:Mg,Cu,Na,Si 검출소자를 기본 요소(element)로하여 여러 개를 조합하면 개인의 방사선피폭선량을 모니터링하는 개인피폭선량계 뱃지를 제작할 수 있다.

도 2에서 a)의 하늘색의 분말은 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이고, b)는 이 물질이 디스크형 방사선검출소자로 제조된 모습이다. 그리고 도 2의 c)는 임의의 상용화된 개인피폭선량계 뱃지와 케이스를 나타낸다. 본 발명에서 개발된 b)의 소자를 기본요소로 c)의 개인피폭선량계 뱃지 모양과 유사한 형태로 구성하여 선량평가 알고리즘을 만들면 개인의 피폭선량평가를 위한 새로운 개인피폭선량계 뱃지의 개발이 가능하다.

상기와 같은 본 발명은 아래의 표 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 사용되는 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질의 열형광감도는 상용화된 TLD 분말의 약 2배 정도로 우수하며(도 3 참조), 이 물질을 디스크형 소자로 제조하였을 때 열형광감도가 도 4와 같이 재현되므로 외국의 상용화된 제품보다 우수하게 방사선을 측정하는 검출소자로 이용이 가능하다는 장점이 있다.

이와 같은 본 발명의 검출소자로 국산화된 개인피폭선량계 뱃지를 제작하여 국내의 약 30,000여명의 방사선 종사자가 2개씩 사용할 경우, 외국의 개당 약 30불하는 개인피폭선량계 뱃지를 대체한다면 기대되는 외화절감 효과는 연간 약 20억원에 달한다.

열형광 물질	열형광 감도(TL sensitivity)
열형광 물질	피크 높이(peak height)	면적(area)
MCP-N(폴란드:LiF:Mg,Cu,P)	1	1
GR-200P(중국:LiF:Mg,Cu,P)	1.1	1.1
KAERI-LiF(한국:LiF:Mg,Cu,Na,Si)	1.8	2.0

표1. 10mg당 여러 열형광체 분말의 상대적 열형광감도¹³⁷Cs 0.1mGy 조사하여 가열률 5 ℃/sec로 측정한 Glow 곡선

<참고문헌>

(1) S. H. Doh, M. C. Chu, W. H. Chung, H. J. Kim, D. S. Kim and Y. H. Kang, Preparation of LiF(Mg,Cu,Na,Si) Phosphor and Its Thermoluminescent Characteristics, Korean Appl. Phys. 2 425-431 (1989)

(2) Y. M. Nam, J. L. Kim, S. Y. Chang and G. D. Kim, The Study of Glow Curves for LiF:Mg,Cu,Na,Si Phosphor with Different Dopant Concentrations, Korean Appl. Phys. 11 578-583 (1998)

(3) US patent 1,186,899 (1970)

(4) T. Niewiadomski, Pressure Deformation and Recovery of Thermolumine scence in Lithium Fluoride, Health Physics, Vol. 31 pp. 373-376 (1976)

(5) US patent 1,140,028 (1969)

(6) 남영미, 박사학위논문, LiF:Mg,Cu,Na,Si Teflon TLD의 특성 및 응용에 관한 연구, 부산대학교 (1997)

Claims

열형광 검출소자에 있어서,

열형광 물질인 LiF:Mg,Cu,Na,Si(LiF: 74.5 ±15.0 wt%, Mg: 4.4 ±0.9 wt%, Cu: 5.9 ±1.2 wt%, NaSi: 15.2 ±3.0 wt%)로 조성된 분말을 프레스를 사용하여 소결(즉 가압성형한 후 열처리)과정을 거쳐 디스크 모양으로 소자화 된 것을 특징으로 하는 LiF에 Mg, Cu, Na 및 Si가 불순물로 첨가된 열형광체를 소결한 디스크형 방사선검출소자.
LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체 분말을 고형화하는 제조방법에 있어서,

상기 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 열형광체 성형을 위해 금형세트(직경 5㎜ 디스크형)를 구성한 후 약 10 ±3 ton의 압력으로 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질을 실온에서 프레스로 가압하여 디스크형(직경 5㎜, 두께 0.8㎜)으로 제조하는 가압성형 단계와;

상기 가압성형한 디스크형 소자들을 질소분위기의 전기로에서 820 ±10℃ 온도에서 60 ±30분 동안 열처리하여 분말형의 LiF:Mg,Cu,Na,Si 물질이 가지고 있는 열형광선량계로서의 고유특성을 재현하는 열처리 단계를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는, LiF에 Mg, Cu, Na 및 Si가 불순물로 첨가된 열형광 물질을 소결한 디스크형 방사선검출소자의 제조방법.