KR100665508B1 - 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치 - Google Patents

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김철수
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한국원자력안전기술원
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Abstract

본 발명은 자동으로 액체시료를 채취하여 계측용 시료를 제조하는 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7)와, 계측 시료병(8)을 방사선 검출부로 주입하여 계측을 수행하는 시료운반대(9) 로 구비된 시료주입부와 , 두 개의 광전자증배관(PMT; Photo Multiplier Tube)(11) 으로 이루어진 방사선 검출부와, 소광효과(Quenching Effect)에 따른 계측효율 보정을 위한 외부감마선원(12) 주입부와, 전치증폭회로(14), 고전압인가회로(15) , 아날로그 디지털 변환(ADC; Analogue Digital Convertor, 21)회로 그리고 디지털 신호처리부(DSP; Digital Signal Processer, 24)로 구성되어 고속동시계회로수(Rapid Coincidence Count, 20) 및 다중채널분석(MCA; Multi-channel Analyzer, 22, 23) 기능을 수행하여 베타스펙트럼을 생성하는 신호검출 및 계측신호처리부(13) 와, 원격제어를 통한 시료의 자동 측정 및 핵종분석을 수행하는 주제어용 PC 및 장치 운영 프로그램(25) 와 GUI(Graphic User Interface) 프로그램(29)과 장치의 원격제어 및 측정자료 원거리 송수신을 위한 Ethernet 통신부(28)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치에 관한 것이다.
베타핵종, 고속동시계수, 베트스펙트럼, 원격제어, 방사능분석장치

Description

액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치{Automatic Radioactivity Analyzer of Mixed Liquid Beta Emitter}
도 1은 본 발명의 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치 전체도
도 2는 본 발명의 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치 사진
도 3은 본 발명의 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치의 동시계수회로 및 MCA회로를 위한 개념도
도 4는 본 발명의 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치의 시료주입장치 및 LSD함
도 5는 본 발명의 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치의 종합 운영 프로그램의 초기 기동화면
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
세척수 라인(1), 시료저장고 라인(2), 배수구 라인(3), 2-Way 밸브(4), 3-Way밸브(5), 정량펌프(6), 전자디스펜서(7), 시료병(8,35), 시료운반대(9,37), 시료지지봉(10,36), 광전자증배관(PMT, 11), 액체섬광검출기함(LSD, 32), 외부감마선원(12,31), 신호검출 및 계측신호처리부(13), 전치증폭기(Pre-Amplifier, 14), 고전압 인가회로(15), 선형증폭기(Linear Amplifier, 16), 피크 검출 회로(17), 비교논리 IC(Comparator IC, 18), 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit, 19), 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20), 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21), 주(Main) MCA(22), 부(Sub) MCA(23), 디지털신호처리부(DSP; Digital Signal Processer, 24), 주제어용 PC 및 장치 운영 프로그램(25), 모터 드라이브(26), 디스펜서 드라이브(27), 원격제어 통신부(Ethernet, 28), GUI(Graphic User Interface) 프로그램(29) , LSD함(32) , X-Y 이동대(X-Y Stage, 33), 시료집게(Sample Clamper, 34), 로딩실린더(38), 시료실린더(39), 캡핑유닛 및 캡핑모터(40), 자동혼합장치(41), 시료병물림쇠(42), 에어실린더(Air Cylinder, 43).
본 발명은 방사성동위원소 사용 후 발생하는 액체폐기물중에 존재하는 다수 베타선 방출핵종을 시료의 채취부터 방사능 농도분석까지 자동으로 수행하고 분석결과를 원거리로 전송함으로써 방사성 액체폐기물 중의 다수 베타핵종 농도를 자동 감시할 수 있는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치에 관한 것이다.
본 발명은 방사성동위원소 사용시설로부터 발생하는 액체폐기물 및 방사선사고 시 오염된 환경시료중 액체시료를 원격으로 감시하는데 필요한 장치 또는 시스템으로서 방사성핵종 분석기술 분야에 속한다.
본 발명은 방사성 액체폐기물을 온라인으로 취수하고 계측시료의 제조 및 방사능분석 그리고 최종 결과 분석까지 실시간으로 중앙컴퓨터에서 제어하고 송수신하는 원격 방사성핵종 분석 장치 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 경우 액체폐기물중 포함된 베타핵종을 분석하기 위해서는 폐기물로부터 시료를 직접 취수한 후 분석하고자 하는 핵종을 화학적 분리방법을 사용하여 순수분리한 후 액체섬광계수기를 사용하여 측정하는 방법을 이용하였다. 이러한 방법은 시료를 분석할 때 마다 분석자가 시료를 직접 채취하여야 하는 불편함이 있었으며, 시료 준비과정중 시료 내에 존재하는 방사성핵종에 의한 피폭 및 환경오염의 가능성이 있었다.
시료에 다수의 베타핵종이 존재할 경우 에너지가 비슷한 핵종간 스펙트럼 중첩으로 인하여 각각의 핵종을 분석할 수 없었다. 따라서 이들 베타 핵종들을 분석하기 위하여 각 핵종에 맞는 분석법을 사용하여 개별적인 분석을 실시함으로써 많은 시간과 노력이 필요하였다.
또한, 기존의 일반 액체섬광계수기는 외부 방사선의 영향을 최소화하기 위하여 무거운 납을 이용한 차폐 방법을 사용함으로써 이동 및 설치에 많은 애로점이 있어 실험실 내에서만 방사능 분석이 가능하였고 방사선 사고 시 신속한 대응에 한계성을 지니고 있었다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 종래의 일반 액체섬광계수기의 수동방식의 시료채취, 계측시료 제조, 한 개의 시료로부터 단일 핵종만을 분석하는 단점을 극복하기 위하여 시료채취부터 최종 결과 산출까지 전 과정을 자동화하였으며, 다수 베타핵종 동시분석 알고리즘을 개발하여 동시에 여러 핵종을 분석할 수 있도록 하였다. 또한, 원거리 통신망을 사용하여 중앙 PC에서 장비의 원격제어 및 결과의 송수신을 가능하도록 하였다. 또한, 기기의 경량화를 통하여 분석현장에 쉽게 접근 · 설치가 가능하도록 하였으며, 계측신호의 처리 및 결과 분석에 있어 오늘날 급속히 발전된 전자 및 정보통신 기술을 사용하여 고성능화, 다기능화 그리고 고효율화된 장치를 개발하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 시료채취, 계측시료 조제, 계측시료 주입 및 계측까지 모든 과정을 자동화 하였으며, 혼합스펙트럼 분석 알고리즘을 개발하여 혼합된 베타핵종 각각의 방사능 농도를 분석할 수 있게 하였다. 고속 동시계수회로 및 펄스파고비교 기능(PAC)을 탑재하여 납차폐 없이 방사성액체폐기물에 대한 법적 규제치를 만족할 만한 검출하한치를 달성하여 기기의 경량화를 실현하였으며, 중앙 제어 PC를 이용하여 원격제어 및 최종 분석결과의 송수신을 통하여 액체폐기물중 존재하는 다수 베타핵종의 방사능농도를 자동으로 분석하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치를 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제인 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 액체상 방사성폐기물로부터 자동으로 액체시료를 채취하여 계측용 시료를 제조하는 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7)와, 계측 시료병(8) 을 방사선 검출부로 이송하여 계측을 수행하는 시료운반대(9) 로 구비된 시료주입부 와, 두 개의 광전자증배관(PMT; Photo Multiplier Tube)(11) 으로 이루어진 방사선 검출부와, 소광효과(Quenching Effect)에 따른 계측효율 보정을 위한 외부감마선원(12) 주입부와, 전치증폭회로(14), 고전압인가회로(15) , 아날로그 디지털 변환(ADC; Analogue Digital Convertor, 21)회로 그리고 디지털 신호처리부(DSP; Digital Signal Processer, 24)로 구성되어 고속동시계수회로(Rapid Coincidence Count, 20) 및 다중채널분석(MCA; Multi-channel Analyzer, 22, 23) 기능을 수행하여 베타스펙트럼을 생성하는 신호검출 및 계측신호처리부(13) 와, 원격제어를 통한 시료의 자동 측정 및 핵종분석을 수행하는 주제어용 PC 및 장치운영 프로그램(25) 와 GUI(Graphic User Interface) 프로그램(29)과 장치의 원격제어 및 측정자료 원거리 송수신을 위한 원격제어통신부(Ethernet)(28)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액체섬광계수기를 이용한 혼합베타핵종 자동 분석장치에 관한 것으로서,
온라인 자동 시료채취를 위하여 세척수 라인(1), 시료저장고 라인(2) 및 배수구 라인(3)을 파이프로 연결한 후 3-Way 밸브(5)와 정량펌프(6)를 사용하였으며, 시료, 세척수 및 액체섬광체 주입의 상세 동작내용은 다음과 같다. 시료병의 뚜껑 여닫이를 담당하는 캡핑유닛 및 캡핑모터는 캡핑툴, 소형 DC 모터 그리고 타이밍벨트로 구성하였으며, 캡핑툴은 시료 병뚜껑을 열었을 때 뚜껑을 잡고 있어야 하며, 또한 과도하게 뚜껑이 잠기지 않도록 하기 위하여 4개의 집게핀에 적절한 탄성력을 가할 수 있도록 설계하였다. 시료병 뚜껑의 여닫이 과정에서 시료병의 상하 운동으로 인한 시료병의 파손을 방지하기 위하여 에어 실린더(43)를 사용하고 모터가 회전하는 순간 실린더의 공기압을 제거하여 자유로운 상하 운동이 가능하도록 하였다. 시료 주입은 정량펌프(6)를 채택하고 동작 시간을 제어함으로써 공급량을 조절하였으며, 액체섬광체는 공급 라인의 세척이 필요 없으므로 전자디스펜서(7)를 사용하여 일정량을 주입하였다. 2개의 3-way 밸브(5)는 시료/세척수의 입력 선택과 시료병/배수구의 출력 방향을 결정하였으며, 사용된 시료 공급용 튜브는 실리콘과 C-Flex를, 액체섬광체는 유기물질을 포함하고 있으므로 테프론 튜브를 사용하였다. 시료와 액체섬광체의 혼합 과정은 1) 3-way 밸브(5) 의 입력을 시료로 선택한 다음 정량펌프를 가동하여 세척수로 채워진 액체 튜브를 시료로 채운 후, 2)전자디스펜서가 시료병으로 액체섬광체를 방출하는 순간 종단의 3-way 밸브(5) 의 방향을 시료병 쪽으로 전환하여 두 액체가 동시에 투입되어 섞이도록 하였으며, 3)시료가 투입되면 종단의 3-way 밸브(5) 의 방향을 배수구 쪽으로 전환하고, 입력단의 3-way 밸브(5) 의 방향을 세척수로 전환하여 일정시간 튜브를 세척한 후 정량펌프의 동작을 중지함으로써 혼합과정을 완료하도록 하였다.
준비된 계측 시료병을 LSD함(32) 내로 자동이송하고 연속 계측을 실시하기 위한 시료이송장치는 컨트롤러에 의해 좌우·수직으로 이동하면서 측정하고자 하는 시료병을 선택하여 LSD함(32) 안으로 밀어 올려서 빛을 차단하고, 측정 후 시료 교체시 시료병을 함에서 꺼내 주는 역할을 하며, 이러한 동작은 공압제어와 스테핑모터 제어를 혼용하여 사용하였다. 주요 구성품은 시료운반대(37)를 올리고 내리는 로딩실린더(38), 계측 시료병(35)을 LSD함(32) 내로 올려 넣거나 끌어 내리는 시료실린더(39), 시료 이송을 위하여 시료를 집어주는 시료집게(34) 그리고 시료운반대에서 시료병의 좌 ·우 움직임을 제어하는 X-Y 이동대(33)로 구성되었다.
액체섬광기를 이용한 방사능계측 방법은 시료로부터 방출되는 베타선이 섬광 체를 여기시키고 여기된 섬광체가 형광(350-400 nm)을 내고 이 빛이 이 PMT를 통하여 광전자를 만들어서 검출하는 방식으로 혼합된 계측시료에서의 소광(Quenching)은 정확한 계측효율을 산출하는 데 있어 매우 중요하다. 계측효율에 있어 소광의 영향을 구하기 위하여 외부감마선원(12)을 조사하도록 180도 회전식 감마선원 이송장치를 구성하였다. 감마선원은 방사선 피폭의 우려가 있기 때문에 납 차폐체에 구리 차폐체가 복합된 2중 차폐체 구조로 구성하였으며, 이송 동작의 정확성을 위해 두 개의 리미트 스위치를 180도 위치에 두었다.
액체섬광계수 방식의 방사선 검출기함은 장치의 경량화를 위하여 납 차폐체가 없는 구조로서 동시회로를 통해 2개의 검출기에서 동시에 검출된 신호만 검출되도록 2개의 PMT가 중앙의 시료를 중심으로 일직선으로 마주 보는 형태로 위치시켰으며, 광차폐를 위해 LSD함(32) 내 ·외부 전체에 대해 검정색 코팅(Black Anodizing)하였다.
검출신호의 처리에 있어 베타핵종 분석용 MCA 회로는 DSP 회로를 활용하여 동시계수 방식을 구현하였다. MCA 회로는 시스템의 업그레이드, 유지 및 보수가 편리하도록 1) 전치증폭기(14) 회로, 2) 고전압 인가 회로(15), 3) ADC 회로(21), 4)디지털 신호 처리를 담당하는 DSP 회로(24) 등으로 분리하여 제작하였다. 전치증폭기 회로 모듈은 두 PMT의 양극(Anode) 출력 단자에서 나오는 신호들을 증폭하고 ADC를 포함하는 신호검출보드와 연결하였다. MCA 보드는 MAIN(22)과 SUB(23) 2개의 보드로 나눔으로써 이중 MCA 회로가 가능하도록 하였으며, 기능 면에서 MAIN 보드가 동시계수회로를 담당하는 것을 제외하면 SUB 보드와 똑같다. 따라서 좌 ·우의 PMT로부터 독립적인 스펙트럼 분석이 가능할 뿐만 아니라 2개의 검출기에 발생하는 펄스파고 크기의 비를 비교하여 시료가 아닌 영역에서 나오는 이상 신호를 차단하는 PAC(Pulse Amplitude Comparison)기능이 가능하도록 하였다.
도 3은 베타핵종 분석용 MCA 회로 구성을 위한 개념도로서 고전압발생회로 보드를 통하여 1000V 이상의 고전압이 2개의 PMT에 공급되도록 하고, ADC 회로 보드는 에너지 측정을 위해 4096 채널이 형성되도록 12 비트 ADC를 사용하였으며, 사용된 ADC는 약 1.6㎲의 변환시간과 30㎲의 고정된 불감시간(deadtime)을 갖도록 설계하였다. 고속동시계수 회로는 두 개의 검출기에서 동시에 발생된 펄스만 계수되로록 하여 PMT로부터 들어오는 잡음펄스를 제거함으로써 백그라운드 계수율을 줄일 수 있었으며, 삼중수소(3H)등과 같이 저에너지
Figure 112005035773240-pat00001
선을 방출하는 핵종에 대한 계수 효율을 향상시켰다. 이 회로는 100ns 동시타이밍 폭을 갖는 고속동시계수를 구현, 동시 및 비동시 선택 기능, 펄스 피크 검출기능, ADC 기동 및 펄스 피크와 동기된 인터럽트 신호를 발생하는 특징을 지니고 있다. 동시회로 구현에 FPGA(Field Programmble Gate Array)를 적용함으로써 회로의 크기를 크게 줄였으며, 회로의 보안성 및 회로의 로직 변경이 용이하게 하였다.
제작한 시스템은 도 2와 같이 2개의 표준 랙에 설치되었으며, 왼쪽 랙에는 액체섬광검출기(LSD)를 포함한 시료혼합 및 자동이송장치를 두었다. 아래쪽에 액체 정량펌프와 전자디스펜서 그리고 디스펜서에 연결된 액체섬광체 보관병을 두었다. 오른쪽 랙에는 주 제어용 PC와 LCD 모니터, 모터 제어용 모터 컨트롤러, 데이터 획 득용 컨트롤러와 ADC 신호처리보드가 탑재되어 있으며, 그 아래쪽에는 공압을 제공하기 위한 공압펌프를 설치하였다.
주 제어용 PC는 신호검출 및 동시계수회로를 포함하는 MCA 컨트롤러인 DSP 회로 보드와 4개의 스테핑 모터 제어에 사용되는 모터 컨트롤러(X-Y 이동대의 2 개 스테핑 모터, 외부 표준 감마선원의 ON/OFF용 스테핑 모터, 캡핑유닛의 소형 DC 모터) 그리고 액체섬광체의 정량 주입을 위한 전자디스펜서를 RS-232통신 방식을 통한 제어가 이루어지도록 하였다. 특히, 4개의 모터 컨트롤러를 하나의 시리얼 포트로 제어하기 위해 RS-232에서 다축 제어가 가능한 RS-485로 변환하는 변환모듈을 사용하였다. PC에서 자동 측정에 필요한 모든 동작 제어(자동 시퀀스 운용, 자동 측정, 자동 데이터 획득, 자동 핵종 분석)가 가능함으로써 원격제어를 실현하였으며, 이들 장치의 모든 제어는 LabWidows/CVI로 작성된 통합 운영 윈도우즈 프로그램으로 구현하였다. 이 프로그램은 측정에서 분석까지 자동으로 구현할 수 있는 자동 모드와 시료 이동, 시료 캡핑 및 혼합, 고전압 ON/OFF, 외부 감마선원 조사 등 각각의 동작을 독립적으로 구현할 수 있는 수동 모드를 갖추고 있으며, 고전압 조절 기능과 측정시간 설정 기능 그리고 PAC을 적용한 데이터 획득 기능이 가능하도록 하였고, 혼합 베타스펙트럼 분석을 위하여 최소자승법을 기초로 한 핵종별 소광 곡선 작성 알고리즘 및 핵종별 방사능 값 계산 알고리즘을 결합한 분석 알고리즘을 개발함으로써 다수 베타핵종의 동시 분석이 가능하도록 하였다.
이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7)와, 계측 시료병을 방사선 검출부로 주입하여 계측을 수행하는 시료운반대(9) 로 구비된 시료주입부 와, 두 개의 광전자증배관(PMT; Photo Multiplier Tube)(11) 으로 이루어진 방사선 검출부와, 소광효과(Quenching Effect)에 따른 계측효율 보정을 위한 외부감마선원(12) 주입부와, 전치증폭회로(14), 고전압인가회로(15) , 아날로그 디지털 변환(ADC; Analogue Digital Convertor, 21)회로 그리고 디지털 신호처리부(DSP; Digital Signal Processer, 24)로 구성되어 고속동시계수회로(Rapid Coincidence Count, 20) 및 다중채널분석(MCA; Multi-channel Analyzer, 22, 23) 기능을 수행하여 베타스펙트럼을 생성하는 신호검출 및 계측신호처리부(13) 와, 원격제어를 통한 시료의 자동 측정 및 핵종분석을 수행하는 주제어용 PC 및 장치 운영프로그램(25) 와 GUI(Graphic User Interface) 프로그램(29)과 장치의 원격제어 및 측정자료 원거리 송수신을 위한 Ethernet 통신부(28)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치에 관한 것이다.
상기 시료 주입장치는 도1, 도2 및 도4에 도시된 바와 같이,
시료를 채취하여 계측용 시료를 제조하는 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7)와, 상기 시료자동혼합장치에서 준비된 계측 시료병을 방사선 검출부로 주입하여 계측을 수행하는 시료주입부 와, 소광효과(Quenching Effect)에 따른 계측효율 보정을 위한 외부감마선원(12) 주입부로 구성되며,
상기 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7) 는 온라인 자동 시료채취를 위하여 세척수 라인(1), 시료저장고 라인(2) 및 배수구 라인(3)을 파이프로 연결한 후 3-Way 밸브(5)와, 상기 3-Way 밸브(5)에 연결된 계측 시료병(8)과, 상기 시료병(8)의 일측에 연결된 정량펌프(6) 및 전자디스펜서(7)로 구성되어 있으며,
시료주입부 는 상기 계측시료준비부에서 제조된 계측 시료병을(8)을 지지하는 시료지지봉(36) 와 시료병 하단을 고정하는 시료병물림쇠(42)가 구비된 시료운반대(37)와, 상기 시료운반대(37)을 상하·좌우로 이동시키는 X-Y 이동대(33)와,
상기 시료운반대(37)를 올리고 내리는 로딩실린더(38)와, 상기 시료병(8)을 LSD함(32) 내로 올려 넣거나 끌어 내리는 시료실린더(39)와, 상기 시료병(8)을 집어 올려 시료병을 이동시키는 시료집게(34)와, 상기 시료병(8)의 뚜껑 여닫이를 담당하는 캡핑유닛 및 캡핑모터(40)와, 캡핑시 캡핑툴에 과도한 스트레스가 가해지지 않도록 실린더의 압력 개방이 가능한 에어실린더(43)로 구성되어 있고,
상기 시료이송부에 의해 검출기함으로 주입된 시료로부터 검출된 신호를 처리하는 신호검출 및 계측신호처리부(13)는 도1 및 도3에 일정간격 이격되어 양측에 설치된 두 개의 광전자증배관(PMT)(11)과, 상기 광전자증배관(11)의 후면에 설치된 전치증폭기(14)와, 상기 두 개의 전치증폭기(14)에 연결된 주(Main)MCA(22) 및 부(Sub)MCA(23)으로 구성되며,
상기 Main MCA(22)는 상기 전치증폭기(14)에 연결된 선형증폭기(Linear Amplifier, 16)와, 상기 선형증폭기(16)에서 보내온 신호를 검출하는 피크 검출 회로(17)와, 상기 피크검출회로(17)에서 보내온 신호를 비교분석하는 비교논리 IC(Comparator IC, 18)와, 상기 비교논리 IC(Comparator IC, 18)에서 보내온 신호와 Sub MCA(23)의 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit, 19)에서 보내온 신호를 종합하여 동시에 검출된 신호만 계수하는 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20)와,
상기 피크검출회로(17)에서 보내온 신호와 상기 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20)에서 보내온 신호를 종합하여 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21)로 구성되어 있으며,
상기 Sub MCA(23)은 상기 전치증폭기(14)에 연결된 선형증폭기(Linear Amplifier, 16)와, 상기 선형증폭기(16)에서 보내온 신호를 검출하는 피크 검출 회로(17)와, 상기 피크검출회로(17)에서 보내온 신호를 비교분석하는 비교논리 IC(Comparator IC, 18)와, 상기 비교논리 IC(Comparator IC, 18)에서 보내온 신호를 분석하며 분석된 신호를 Main MCA(22)의 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20) 및 부(Sub)MCA(23) 의 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21)로 보내는 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit, 19)와,
상기 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit)(19)에서 보내온 신호를 종합하여 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21)로 구성되어 있다.
본 발명은 시료준비부터 최종 분석까지 전 과정을 자동화함으로써 방사능분석업무의 효율성을 대폭 향상하였으며, 고속동시계수회로를 이용하여 외부 방사선의 영향을 최소화하고, 2개의 PMT에서 감지하는 펄스파고비교회로(PAC)를 이용하여 검출기 자체의 노이즈를 감소시킴으로써 납차폐가 필요없는 LSD함을 적용함으로써 장치의 경량화를 실현하였다. 또한, 혼합 베타스펙트럼 분석 알고리즘을 이용하여 동시에 다수의 베타핵종을 분석하는 것이 가능케 하였다. 따라서, 본 장치의 사용은 환경방사능감시에 있어 인력 및 비용을 크게 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 의료 진단 및 학문 연구를 목적으로 사용되고 있는 방사성동위원소의 대부분이 베타선을 방출하는 핵종들로서 이들 시설로부터 방출되는 액체폐기물에 대한 방사성핵종 감시는 국민건강 및 환경보전 측면에서 매우 중요하다. 그러나 베타선은 비정거리가 짧고 자체흡수에 의한 감쇄효과 인한 계측의 어려움으로 상시감시를 통한 방사성핵종 유출물에 대한 관리 ·감독이 매우 어려웠다. 그러나 본 분석장치는 시료를 액체폐기물 유출라인 혹은 저장고로부터 자동 채취하고 중앙 컴퓨터를 이용한 원격 계측 및 분석이 가능하기 때문에 방사능 준위가 높은 액체 폐액 에 대한 상시감시 및 비상시 환경오염 지역에 대한 실시간 모니터링이 가능한 장점을 지니고 있다.
방사성동위원소 사용시설 및 원자력시설 주변에서 발생하는 액체폐기물에 대한 방사능 감시는 국민의 건강보호 및 환경보전 측면에서 지속적으로 이루어져야 할 국가사업 중의 하나이다. 또한, 원자력 시설의 비상사고에 대비하여 신속하고 정밀한 베타핵종 분석은 매우 중요하다. 이러한 점에서 본 발명에서 제시하는 액체섬광계수기(LSD)를 이용한 혼합 베타핵종 방사능농도 자동 분석장치는 방사성동위원소 이용시설 및 원자력시설 주변에 대한 유출물 관리의 효율성 및 신속성을 확보하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

Claims (7)

  1. 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치에 있어서,
    액체상방사성폐기물로부터 자동으로 시료를 제조하는 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7)와, 계측 시료병(8)을 방사선 검출부로 주입하여 계측을 수행하는 시료운반대(9) 로 구비된 시료주입부 와, 두 개의 광전자증배관(PMT; Photo Multiplier Tube)(11) 으로 이루어진 방사선 검출부와, 소광효과(Quenching Effect)에 따른 계측효율 보정을 위한 외부감마선원(12) 주입부와, 전치증폭회로(14), 고전압인가회로(15) , 아날로그 디지털 변환(ADC; Analogue Digital Convertor, 21)회로 그리고 디지털 신호처리부(DSP; Digital Signal Processer, 24)로 구성되어 고속동시계수회로(Rapid Coincidence Count, 20) 및 다중채널분석(MCA; Multi-channel Analyzer, 22, 23) 기능을 수행하여 베타스펙트럼을 생성하는 신호검출 및 계측신호처리부(13) 와, 원격제어를 통한 시료의 자동 측정 및 핵종분석을 수행하는 주제어용 PC 및 장치운영 프로그램(25) 와 GUI(Graphic User Interface) 프로그램(29)과 장치의 원격제어 및 측정자료 원거리 송수신을 위한 Ethernet 통신부(28)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 계측시료준비부(1,2,3,4,5,6,7)는 온라인 자동 시료채취를 위하여 세척수라인(1), 시료저장고라인(2) 및 배수구라인(3)을 파이프로 연결한 후 3-Way 밸브(5)와, 상기 3-Way 밸브(5)에 연결된 시료병(8)과, 상기 시료병(8)의 일측에 연결된 정량펌프(6) 및 전자디스펜서(7)로 구성되며,
    시료주입부 는 상기 계측시료준비부에서 제조된 계측 시료병을(8)을 지지하는 시료지지봉(36)과 시료병 하단을 고정하는 시료병물림쇠(42)가 구비된 시료운반대(37)와, 상기 시료운반대(37)을 상하·좌우로 이동시키는 X-Y 이동대(33)와,
    상기 시료운반대(37)를 올리고 내리는 로딩실린더(38)와, 상기 시료병(8)을 LSD함(32) 내로 올려 넣거나 끌어 내리는 시료실린더(39)와, 상기 시료병(8)을 집어 올려 시료병을 이동시키는 시료집게(34)와, 상기 시료병(8)의 뚜껑 여닫이를 담당하는 캡핑유닛 및 캡핑모터(40)와, 캡핑시 캡핑툴에 과도한 스트레스가 가해지지 않도록 실린더의 압력 개방이 가능한 에어실린더(43)로 구성됨을 특징으로 하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 시료이송부에 의해 검출기함으로 주입된 시료로부터 검출된 신호를 처리하는 신호검출 및 계측신호처리부(13)는 일정간격 이격되어 양측에 설치된 두 개의 광전자증배관(PMT)(11)과, 상기 광전자증배관(11)의 후면에 설치된 전치증폭기(14)와, 상기 두개의 전치증폭기(14)에 연결된 주(Main)MCA(22) 및 부(Sub)MCA(23)으로 구성되며,
    상기 Main MCA(22)는 상기 전치증폭기(14)에 연결된 선형증폭기(Linear Amplifier, 16)와, 상기 선형증폭기(16)에서 보내온 신호를 검출하는 피크 검출 회로(17)와, 상기 피크검출회로(17)에서 보내온 신호를 비교분석하는 비교논리 IC(Comparator IC, 18)와, 상기 비교논리 IC(Comparator IC, 18)에서 보내온 신호와 Sub MCA(23)의 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit, 19)에서 보내온 신호를 종합하여 동시에 검출된 신호만 계수하는 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20)와,
    상기 피크검출회로(17)에서 보내온 신호와 상기 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20)에서 보내온 신호를 종합하여 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21)로 구성되어 있으며,
    상기 Sub MCA(23)은 상기 전치증폭기(14)에 연결된 선형증폭기(Linear Amplifier, 16)와, 상기 선형증폭기(16)에서 보내온 신호를 검출하는 피크 검출 회로(17)와, 상기 피크검출회로(17)에서 보내온 신호를 비교분석하는 비교논리 IC(Comparator IC, 18)와, 상기 비교논리 IC(Comparator IC, 18)에서 보내온 신호를 분석하며 분석된 신호를 주(Main)MCA(22)의 고속동시계수 회로(Fast Coincidence Count Circuit, 20) 및 Sub MCA(23) 의 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21)로 보내는 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit, 19)와,
    상기 시간펄스 로직 회로(Timing Logic Circuit, 19)에서 보내온 신호를 종 합하여 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analogue to Digital Converter, 21)로 구성됨을 특징으로 하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 신호검출 및 계측신호처리부(13)는 2개의 PMT(11)로부터 신호를 받아 신호의 크기를 증폭하는 전치증폭기(14)와 그 후단에 신호를 다시 정형하고 증폭하는 선형증폭기(16) 및 계측신호 검출회로(13)와 100ns의 짧은 동시 타이밍 폭을 갖는 고속동시회로(20)와 동시 신호를 ADC회로(21)로 전달하고 변환된 디지털신호를 DSP(24)로 인터럽트 기동 신호를 보내서 입사되는 방사선을 에너지 크기 별로 계수하는 다중파고분석(MCA)하는 것을 특징으로 하는 액체 혼합베타핵종 자동 방사능분석장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 신호검출 및 계측신호처리부(13)는 계측된 혼합베타스펙트럼에 최소자승법을 이용한 다수 베타핵종 분석알고리즘을 적용하여 한 개의 계측시료로부터 동시에 다수의 베타핵종을 동시에 분석하는 특징으로 하는 액체 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치.
  6. 제3항에 있어서, 신호검출 및 계측신호처리부(13)는 전치증폭기 뒷단에서 FPGA 방식을 이용한 100ns의 짧은 동시 타이밍폭을 갖는 디지털 방식의 동시계수회로를 설계하여 장치의 경량화 및 백그라운드 계수율을 최소화하는 것을 특징으로 하는 액체 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치.
  7. 제3항에 있어서, MCA 회로보드를 Main(22)과 Sub(23) 보드로 나누어 제작함으로써 좌 ·우 PMT로부터 독립적인 스펙트럼 분석이 가능할 뿐만 아니라 소프트웨어적으로 펄스파고비교(PAC)기능을 구현하여 검출부에서 발생하는 광학적 혼선(Optical Cross-Talk)을 최소화 하여 검출하한치를 낮추도록 함을 특징으로 하는 액체 혼합 베타핵종 자동 방사능분석장치.
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