KR100680595B1

KR100680595B1 - 배관 내부의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치검출기

Info

Publication number: KR100680595B1
Application number: KR1020050123944A
Authority: KR
Inventors: 서범경; 이근우; 오원진
Original assignee: 한국원자력연구소; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-02-09

Abstract

본 발명은 배관 내부에서 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기에 관한 것으로, 본 발명에 의한 포스위치 검출기는 알파선 검출용 섬광체로서 배관 내부에 적용할 수 있도록 원통형으로 제조된 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를, 베타선 측정용 섬광체로서 플라스틱 섬광체를 사용하여 측정 최적 거리 및 섬광체 두께를 결정하여 제작한다. 본 발명에 의한 검출기로 측정한 알파선과 베타선은 파형분석법을 이용하여 분석함으로써 알파선 및 베타선의 동시 검출뿐 아니라 이들 각각을 분리하여 측정할 수 있으므로 알파선 또는 베타선에 의해 오염된 배관 내부 등을 검사하는 데 유용하게 사용될 수 있다.

Description

배관 내부의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기 {Phoswich detector for simultaneous detection of alpha and beta rays in a pipe}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 내부의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기의 개념도를 나타낸 도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 나타낸 도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체로 측정한 알파선의 파고스펙트럼을 나타낸 도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기와 오염원의 거리에 따른 알파선의 총 계수율을 나타낸 도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기를 이용하여 측정한 배관 내부에서의 알파선 및 베타선 스펙트럼을 나타낸 도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기의 신호를 분석하는 방법을 나타낸 회로도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기의 신호를 파형분석법으로 분석하여 얻은 알파선 및 베타선의 스펙트럼을 나타낸 도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기의 신호를 파형분석법으로 분리 분석한 베타선(a) 또는 알파선(b) 스펙트럼을 나타낸 도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체 21: 기재

11: 플라스틱 섬광체 22: 기저 고분자층

12: 광전자증배관 23: 섬광체층

13: 광반사경

14: 배관

15: 베타선

16: 알파선

17: 케이스

18: 지지 프레임

19: 회전 수단

본 발명은 배관 내부에서의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기에 관한 것이다.

오늘날 원자력연구시설의 해체(연구로 1,2호기 및 우라늄 변환시설)와 더불어 다양한 종류의 폐기물들이 발생하고 있으며, 이와 관련하여 폐기물의 처분 및 재활용을 위해서는 정확한 방사선학적인 오염 특성이 평가되어야 한다. 이러한 해체 폐기물들의 오염도 평가와 관련하여 해외에서는 자국의 다양한 연구용 원자로(research reactor) 및 사용로(demonstration reactor)의 해체 경험을 바탕으로 다양한 측정 기술을 개발하여 실증하고 있다. 그러나, 이러한 기술들은 원자력시설의 다양한 구조와 특성으로 인하여 공통적으로 활용되기에는 많은 어려운 측면이 있다. 이러한 제약성으로 인하여 각국에서는 각자 고유의 원자력 시설에 맞는 장비를 개발하고 있으며, 현재 해체 분야의 전반적인 추세는 원격조작 및 경제성 향상 등을 목표로 작업자의 안전성 확보 및 작업 시간 단축을 위하여 측정 장비의 자동화 및 원격장치 개발로 그 초점이 맞추어져 있다. 특히, 방사선 관리 측면에서 원자력시설 해체와 더불어 발생하는 방사성 폐기물은 해체 작업 중에 작업자들의 방사성 피폭과 방사성 물질의 환경으로의 방출 가능성이 있기 때문에 철저한 방사선학적인 측정 및 평가가 요구된다.

일반적으로 방사능으로 오염된 기기 또는 건물 벽체의 오염 정도를 확인하는 방법으로는 방사선 계측기를 표면에 직접 접촉하여 측정하는 직접법과 여과지와 같 은 시료채취 용지를 이용하여 요염 시료를 채취하고 그 시료를 방사능 검출기로 측정하는 간접법이 있다. 이들 직-간접법에 의한 표면오염도 측정은 측정 대상물의 표면이 외부로 노출된 경우에는 비교적 쉽게 오염도를 측정할 수가 있다. 그러나, 일반적으로 배관류와 같이 내부의 오염도를 측정해야 하는 경우에는 측정 시 많은 문제점이 있다.

서베이미터(survey meter)와 같은 장비를 이용하여 표면오염을 직접 측정하는 직접법의 경우는 장비를 배관 내부로 넣어서 직접 측정할 수가 없으므로 외부에서 오염도를 측정하여야 한다. 그러나, 알파선 및 베타선과 같은 경우에는 배관의 자체흡수에 의하여 외부에서 오염도를 측정할 수가 없다. 또한, 스메어 페이퍼(smear paper)를 이용하여 시료를 채취하여 오염도를 측정하는 간접법의 경우도 배관 내부의 시료를 채취하기 위하여 배관을 절단하고 시료채취를 하여야하는 등 많은 문제점이 있다. 따라서, 관 내부 오염도는 검출기를 배관 내부로 이송하여 측정하여 내부의 오염물질에 의한 오염을 방지할 수 있어야 한다.

또한, 오염도 측정은 알파선 및 베타선에 대하여 동시에 평가되어야 하며, 이러한 목적으로 단일 광전자증배관(Photomultiplier tube, PMT)에 두 개 또는 그 이상의 유사한 섬광체를 광학적으로 결합한 포스위치(phoswich) 검출기가 주로 이용될 수 있다. 포스위치 검출기는 다양한 방사선이 존재하는 혼합장에서 개개의 방사선을 분리하여 측정하고자 할 경우에 주로 이용된다.

이에, 본 발명자들은 검출기를 배관 내부로 이송하여 측정하여 내부의 오염 물질에 의한 배관 내부의 오염을 방지할 수 있는 검출기를 연구하던 중, 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 원통형으로 제조하여 알파선 측정에 사용하고 플라스틱 섬광체를 베타선 측정에 사용할 수 있도록 제작함으로써 배관 내부의 알파선 및 베타선 오염도를 직접 측정할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 배관 내부에서의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기를 제공하고자 한다.

알파선 검출용 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체; 및

상기 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체의 중심 축과 일직선상에 배열된 베타선 검출용 플라스틱 섬광체를 포함하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기를 제공한다.
상기에서 Ag는 불순물을 의미한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기는 알파선(16) 측정을 위한 배관(14) 내부에 적용하기 용이하도록 원통형으로 만들어진 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체(10) 및 베타선(15) 측정을 위한 상기 ZnS(Ag) 섬광체(10) 내부에 위치하는 플라스틱 섬광체(11)를 포함한다.

상기 알파선 측정용에 이용되는 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체(10)의 ZnS(Ag) 섬광체는 가장 오랜된 무기섬광체 중의 하나로서 섬광 발생효율이 아주 높으며, 분말상태로만 존재한다. 그렇기 때문에 알파선과 하전입자의 측정과 같은 분야에서만 이용될 수 있다. 또한 두께가 25 ㎎/㎠ 이상일 경우에는 불투명한 섬광층이 증가하여 섬광체로서 사용이 불가능하였다. 그러나, 본 발명자들은 충분한 기계적 강도와 섬광체로서의 우수한 투명도를 가지며, 알파선 검출 성능도 우수한 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 개발하였다(대한민국 특허출원 제 2005-0112930호).

상기 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체(10)는 방사능 오염도 측정용 검출기의 알파선(16) 검출 소재로 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명에서 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체는 알파선 검출뿐 아니라 광전자증배관과 베타선(15)을 측정하기 위하여 장착한 플라스틱 섬광체(11)가 배관 내부의 오염 물질에 의하여 오염되는 것을 방지하는 역할을 동시에 담당한다. 또한, ZnS(Ag) 섬광체의 감쇄시간은 약 200 ns이다.

상기 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체(10)는 도 2와 같이, 기재(21) 상에서 제조된 기저 고분자층(22) 상에 ZnS(Ag) 섬광체층(23)이 위치하는 형태일 수 있다. 상기 기재(21)는 통상적으로 사용할 수 있는 모든 기재를 사용할 수 있으며, 예를 들면 유리판, 아크릴판 또는 테프론판을 들 수 있다. 본 발명에서 바람직한 기재로는 유리판을 들 수 있다.

상기 기저 고분자층(22)의 소재로 적합한 고분자는 폴리설폰, 스티렌 및 메 틸메타크릴레이트의 공중합체 또는 폴리(비스페놀 A 카보네이트)가 바람직하며, 가장 바람직하게는 폴리설폰이다. ZnS(Ag) 섬광체에 있어서 지지체 역할을 담당할 기저 고분자층은 투과율 및 기계적 유연성이 확보되어야 한다. 이러한 관점에서 기저 고분자층의 소재로서 폴리설폰이 가장 우수하다.

상기 기저 고분자층(22) 상부에 알파선 탐지용 ZnS(Ag) 섬광체층(23)이 위치한다. 알파 입자 탐지용 섬광체로는 무기섬광체 또는 유기섬광체가 사용될 수 있으나, 일반적으로 밀도가 큰 무기섬광체가 유기섬광체보다 우선시되는 것이 일반적이다. 또한, 외부에서 대기를 접한 곳에서 사용되어 탐지과정 중 온습도의 조절이 용이하지 않은 경우, 수분에 의해 영향을 비교적 덜 받는 섬광체가 필요하다. 이러한 외부 조건에 크게 영향을 받지 않고 방사능과의 탐지효율이 좋은 섬광체로 널리 이용되는 무기섬광체가 ZnS(Ag)이다. ZnS(Ag)의 경우 다른 섬광체에 비해 물리적 안정성이 우수하면서도 베타입자와 반응하여 생성되는 빛과의 차별화도 뚜렷하여 가장 좋은 알파 입자 탐지용 섬광체로 인정되고 있다.

또한, 상기 ZnS(Ag) 섬광체층(23)과 기저 고분자층(22)을 결합시키기 위해 사용되는 접착제로 시아노 레진, 보다 바람직하게는 시아노에틸 풀룰란, 시아노에틸 폴리비닐알콜 또는 이들이 7:3으로 혼합된 혼합 시아노 레진이다.

한편, 상기 ZnS(Ag) 섬광체층(23)의 두께는 5 ~ 50 ㎛, 보다 바람직하게는 15 ~ 25 ㎛, 가장 바람직하게는 20 ㎛이다. ZnS(Ag) 섬광체층의 두께가 50 ㎛를 넘을 경우에는 발생된 섬광이 ZnS(Ag) 섬광체층 자체에서 산란되어 PMT에 도달할 수가 없기 때문에 사용이 불가능하며[G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, p. 241, John Wiley & Sons, New York (1989)], ZnS(Ag) 섬광체층의 두께가 5 ㎛ 미만으로 작을 경우에는 알파선의 전에너지를 흡수할 수 없기 때문에 생성된 섬광의 양이 적어서 결과적으로 검출 효율의 저하를 초래한다. 즉, ZnS(Ag) 섬광체층은 검출 성능 측면에서 두께가 매우 중요한 역할을 담당하므로, 본 발명에서 상기 ZnS(Ag) 섬광체층의 두께는 가장 바람직하게는 약 20 ㎛이고, 배관(14) 내부에 용이하게 적용하기 위하여 원통형으로 제작한다.

상기 베타선(15) 측정용에 이용되는 플라스틱 섬광체(plastic scintillator, 11)는 쉽게 크기와 모양을 자유로이 만들 수 있고, 제작이 용이하며, 가격이 저렴하므로 액면계, 밀도계, 의료용 장비, 고강도·고선량 방사선 이용분야 등에 많이 활용되고 있다. 플라스틱 섬광체는 원자번호가 작기 때문에 제동방사선이 발생되지 않아 β선 계측에 적합하며 형광감쇄시간이 수 ns이므로 ns영역의 핵 혹은 양성자의 수명 측정, 베타선 측정과 관련하여 원자력 분야에서 많이 사용되고 있는 검출기이다. 본 발명에서는 바람직하게 폴리비닐톨루엔이 주성분인 플라스틱 섬광체를 두께가 1.0 ~ 5.7 ㎜, 바람직하게는 5.2 ㎜인 디스크 형태로 광전자증배관의 상부에 부착하여 사용하며, 상기 두께 범위를 벗어나게 되면 감마선의 영향으로 저에너지 영역에서 베타선과 중첩이 일어날 수 있으므로 베타선 검출능이 떨어진다. 또한, 본 발명에서 사용하는 상기 플라스틱 섬광체의 감쇄시간은 2.1 ns로 ZnS(Ag) 섬광체에 비하여 빠르다.

또한, 본 발명의 포스위치 검출기는 상기 플라스틱 섬광체(11)가 그 상부에 부착되는 광전자증배관(12)을 더 포함할 수 있다. 상기 광전자증배관은 전자를 고체표면에 충돌시키면 충돌한 전자 자체의 반사 외에 충돌한 전자로부터 고체 내의 전자에 에너지가 주어져 새로 고체 내의 전자가 표면으로부터 튀어나오는 현상인 2차 전자방출을 이용해서 미소한 광전자류를 증폭하는 전자관을 지칭한다. 이를 2차 전자증배관이라고도 한다.

본 발명에서는 배관 내부의 알파선(16)과 베타선(15)을 동시에 측정하기 위한 포스위치 검출기를 제작하기 위하여 먼저 광전자증배관(12)에 가공한 플라스틱 섬광체(11)를 전면에 밀착시킨다. 이때, 바람직하게 상기 플라스틱 섬광체가 밀착된 광전자증배관을 지지하는 역할을 할 수 있으면서 밀착시킬 수 있는 케이스(18)를 외부에 장착할 수 있으며, 보다 바람직하게 상기 케이스는 알루미늄 케이스이다. 또한, 상기 케이스는 상기 플라스틱 섬광체가 밀착된 광전자증배관을 지지하기 위한 역할뿐만 아니라 검출기 자체가 배관 내부에서 지지할 수 있도록 케이스 외부에 회전 수단(19)을 포함할 수 있다.

한편, 상기 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체(10)는 플라스틱 섬광체 전면부에 장착될 수 있도록 지지 프레임(18), 보다 바람직하게는 알루미늄 지지 프레임을 제작하여 광전자증배관(12)과 플라스틱 섬광체(11)의 케이스(17)와 연결할 수 있다. 결과적으로, 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체와 알파선의 상호작용에 의하여 생성된 섬광과 플라스틱 섬광체와 베타선의 상호작용에 의하여 생성된 섬광을 단일 광전자증배관을 사용하여 측정함으로써 배관 내부의 알파선과 베타선을 동시에 측정할 수가 있다.

상기 본 발명의 검출기와 배관(14) 사이의 간격(d₁)은 알파선이 공기 중에서 움직일 수 있는 거리로서 바람직하게는 0.5 ~ 3 ㎝, 측정 대상인 배관의 크기와 검출 시스템의 크기를 고려하여 보다 바람직하게는 1 ㎝이다. 상기 본 발명의 검출기와 배관 사이의 거리는 포스위치 검출기의 크기를 결정하기 위한 중요한 인자 중의 하나로 상기 범위를 벗어나면 방사선 검출능이 떨어진다.

또한, 본 발명의 포스위치 검출기는 상기 플라스틱 섬광체(11) 전면부로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 광반사경(13)을 더 포함할 수 있다. 상기 광반사경은 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체(10)와 알파선(16)과의 상호작용에 의하여 생성된 섬광이 광전자증배관으로 입사하는 수광 효율을 높이는 역할을 한다. 상기 광반사경과 광전자증배관에 부착된 플라스틱 섬광체의 입사면과의 거리(d₂)는 바람직하게는 2.5 ~ 3.5 ㎝, 보다 바람직하게는 3 ㎝이다. 상기 범위를 벗어나면 광반사경을 설치하는 목적인 섬광이 광전자증배관으로 입사하는 수광 효율을 높이는 효율이 떨어지게 된다.

본 발명에 의한 포스위치 검출기에서 측정된 알파선 또는 베타선은 개개의 섬광체에서 생성된 섬광의 감쇄시간을 구분하여 방사선을 구분하는 방법인 파형분 석법에 의해 분석된다.

포스위치 검출기는 하나의 검출 시스템을 이용하여 서로 다른 방사선을 동시에 측정하기 때문에 개개의 방사선을 구분하여 측정하여야만 한다. 일반적으로 방사선의 신호를 분리하기 위한 방법으로는 파고분석법과 파형분석법을 이용한다. 파고분석법의 경우는 생성된 펄스의 크기를 에너지 준위 선별기를 이용하여 구분함으로써 알파선과 베타선을 구분할 수 있으나 알파선과 베타선의 상대적인 양이 적을 경우에는 서로의 영역에서 중첩되는 부분이 존재하기 때문에 정확한 오염도를 측정할 수가 없다. 이러한 이유로 포스위치 검출기에서는 신호를 분리하기 위하여 파형분석법이 주로 이용된다. 본 발명의 포스위치 검출기에서 사용한 두 섬광체는 감쇄시간이 크게 차이나기 때문에 파형분석법에 적합하며, 이를 통해 알파선 및 베타선의 동시 측정뿐 아니라 이들을 각각 분리하여 측정할 수 있다.

도 6에 본 발명에서 채택한 측정방법인 파형분석법의 회로도를 나타내었다. 상기 파형분석법은 포스위치 검출기의 양극(anode)에서 발생된 신호를 시간의 기준 신호로 잡고, 다이노드(dynode)에서 발생된 신호는 에너지 신호로 사용한다. 양극 신호를 C.F.D (Constant Fraction Discriminator)에서 시간 신호로 바꾸고, G.D.G(Gate & Delay Generator)의 딜레이(delay)를 이용하여 시간을 조절하여 T.A.C./S.C.A.(Time-to-Amplitude Converter/Single Channel Analyzer)의 시작 신호로 입력하여 기준 신호로 사용한다. 또한, 다이노드 신호는 전치증폭기(Pre. Amp.)에서 신호를 반전하여 D.L.증폭기(Delay Line Amplifier)에 입력하고, D.L.증폭기의 출력신호 중에서 이중지연시킨 파를 T.S.C.A.(Timing Single Channel Analyzer)에 입력시켜 영교차시간이 결정되어 T.A.C./S.C.A.의 정지 신호로 입력한다. 따라서 양극과 다이노드의 신호 사이의 시간 차이를 T.A.C./S.C.A.에서 진폭으로 변환하여 측정함으로써 알파선과 베타선을 구분하여 측정할 수 있다.

또한, T.A.C./S.C.A.에서 시간 신호로 분리한 알파선과 베타선의 영역을 S.C.A.에서 베타선과 알파선에 해당하는 영역만을 잘라서 L.G.S.(Linear Gate and Stretcher)의 게이트(gate) 신호로 넣어주고, 그때 입력되는 신호를 M.C.A.(Multi Channel Analyzer)로 받음으로써 순수하게 알파선 또는 베타선에 해당하는 파고 스펙트럼을 받을 수 있다.

본 발명의 알파선 및 베타선의 동시 측정용 포스위치 검출기는 알파선 검출용 섬광체로서 배관 내부에 적용할 수 있도록 원통형으로 제조된 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를, 베타선 측정용 섬광체로서 플라스틱 섬광체를 사용하여 측정 최적 거리 및 섬광체 두께를 결정하여 제작하고, 본 발명에 의한 포스위치 검출기로 측정한 알파선과 베타선은 파형분석법을 이용하여 분석함으로써 알파선 및 베타선의 동시 검출뿐 아니라 각각을 분리하여 측정할 수 있으므로 알파선 또는 베타선에 의해 오염된 배관 내부 등을 검사하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 특히, 알파선 오염원과의 거리가 약 2 ㎝일 때 알파선 측정 효율이 최대가 된다.

이하에서 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한 정되는 것은 아니다.

실시예 1: 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 ( phoswich ) 검출기 제작

1-1: 알파선 측정용 ZnS ( Ag ) 섬광체의 제조

알파선 및 베타선 동시 측정용 원통형의 ZnS(Ag) 섬광체에 사용하기 위하여, 우선, 알파선 검출용 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 대한민국 특허출원 제 2005-0112930호의 방법으로 하기와 같이 제조하였다.

1-1-1: 기저 고분자층의 제조

알파선 측정용 ZnS(Ag) 섬광 검출소재의 지지체 역할을 담당할 기저층을 고분자로서 폴리설폰(알드리치 화학사)을 사용하고, 용매로서 메틸렌 클로라이드(Methylene Chloride; MC, 알드리치 화학사)를 사용하여 제조하였다.

용매인 메틸렌 클로라이드 100 ㎖에 폴리설폰 3.2 g을 넣어 25 ℃에서 24시간 교반하여 고분자 제막용액을 제조하였다. 고분자 제막용액을 테이프 성형 기계(tape casting machine; 한성기계제작소, model No. STC-14A)를 이용하여 폭 200 ㎜, 길이 1400 ㎜ 및 두께 300 ㎛의 지지체 역할의 고분자 층으로 제조하였다.

1-1-2: ZnS ( Ag ) 섬광체층의 제조

알파선과 상호작용에 의하여 섬광을 생성하는 ZnS(Ag) 섬광체층은 상기 실시예 1-1-1에서 제조한 기저 고분자층 위에 접착제를 이용하여 섬광체를 부착시켜 제조하였다. 섬광체는 평균 직경 3 ~ 4 ㎛인 분말 상태의 ZnS(Ag)(포스퍼 테크놀로 지 사(Phosphor Technology))를 사용하였고, 접착제로서는 시아노에틸 풀룰란(Cyanoethyl Pullulan; CR-S)을 신-에츄 화학사(Shin-Etsu Chemical Co., Ltd)에서 구입하여 사용하였다. 접착제를 녹이기 위한 용매는 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide; DMF, 알드리치 화학사)를 사용하였다.

디메틸포름아마이드 18.75 g에 시아노에틸 풀룰란 5 g을 넣어서 70 ℃에서 5시간 이상을 전기로에서 녹인 후, ZnS(Ag) 섬광체 45 g을 첨가하여 균일하게 교반하였다. 상기에서 제조한 기저 고분자 필름 위에 300 메쉬(mesh)의 스크린 프린터(뉴테크상사)를 올려놓고 섬광체 용액을 부어서 압착기를 이용하여 압착하였다. 마지막으로 진공 건조기에 넣어서 용매를 완전히 증발시킴으로써 ZnS(Ag) 섬광체층의 두께가 약 20 ㎛로 일정한 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광층을 제조하였다.

1-1-3: 원통형의 ZnS ( Ag ) 섬광 검출소재의 제조

상기 실시예 1-1-2에서 제조한 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 배관 내부에 적용할 수 있도록 상기 실시예 1-1-2에서 제조한 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 외경이 2 인치, 길이 3 ㎝가 되도록 원통형으로 만들었다. 이때 겹치는 부위는 용매인 메틸렌 클로라이드 및 디메틸포름아마이드를 이용하여 녹여서 접합시켰다.

제조한 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체의 기본 특성을 표 1에 나타내었으며, 도 2에 구조를 나타내었다.

ZnS(Ag) 섬광체의 기본 특성

밀도 (g/cc)	3.25
섬광의 감쇄 시간 (ns)	200
최대 광방출 파장 (nm)	450

1-2: 베타선 측정용 플라스틱 섬광층의 제조

베타선 측정용 플라스틱 검출 소재로는 주성분이 폴리비닐톨루엔(polyvinyltoluene; PVT)이고, 밀도가 1.302 g/㎤이고, 굴절률이 1.58인 바이크론(Bicron) 사의 플라스틱 섬광체(BC-408)를 사용하였다. 섬광체에서 발생된 섬광은 상부부착형 광전자증배관(Head-on type PMT, HAMAMATSU 사, H5211A)을 사용하였다. 또한, 플라스틱 섬광체는 두께가 5.2 ㎜이고, PMT와 동일한 직경인 26 ㎜의 디스크 형태로 가공하여, PMT 전면에 밀착시킨 후 알루미늄으로 원통형 케이스를 제작하였다. 상기 플라스틱 섬광층 및 광전자증배관의 일반 특성을 각각 표 2 및 표 3에 나타내었다.

또한, 베타선의 최적 측정 가능 거리를 알아보기 위하여, 플라스틱 섬광체와 방사선원과의 거리를 0, 2, 4 또는 6 ㎝로 하여 베타선 계수율을 측정한 결과, 베타선의 계수율은 2 ㎝ 이후에는 거리에 따라 지수적으로 감소하였다. 즉, 베타선의 최적 측정 가능 거리는 약 2 ㎝ 전후임을 확인하였다.

플라스틱 섬광층의 기본 특성

기저 고분자	폴리비닐톨루엔
밀도 (g/cc)	1.32
굴절률	1.58
섬광의 오름시간 (ns)	0.9
섬광의 감쇄시간 (ns)	2.1
최대 광방출 파장 (nm)	425
수소:탄소 비	1.104

사용한 광전자증배관의 일반 특성

변수		내용
응답파장 (nm)		300 ~ 650
최대파장 (nm)		420
광음극	물질	바이알칼리(bialkali)
	최소 직경 (㎜)	22
창 물질		보로실리케이트 유리(Borosilicate glass)
음극	구조	선형 초점
	단의 수	10

1-3: 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기 제작

본 발명의 검출기는 배관 내부의 알파 및 베타선을 동시에 측정할 수 있도록 포스위치 형태로 구성하였다.

알파선 측정용 검출기는 상기 실시예 1-1에서 제조한 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광층의 외부를 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광층에서 생성된 섬광의 수광 효율을 높이고, 외부 광이 PMT로 들어가는 것을 차단하기 위하여 aluminized mylar 필름으로 감싼 후 사용하였고, 베타선 측정용 검출기는 상기 실시예 1-2에서 제조한 플라스틱 섬광체를 사용하였다.

상기 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체를 플라스틱 섬광체 전면부에 장착될 수 있도록 알루미늄 지지 프레임을 제작하여 실시예 1-2에서 제조한 광전자증배관과 플라스틱 섬광체의 케이스와 연결하여, 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱 섬광체를 하나의 광전자증배관에 결합시켰다. 또한, 플라스틱 섬광체 전면에서 3 ㎝ 떨어진 곳에 광반사용 거울을 설치하였다.

도 1에 배관 내부의 알파선 및 베타선 오염도를 동시에 측정하기 위한 검출기의 개념도를 나타내었다.

실험예 1: 본 발명의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기 특성 평가

알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기의 제작시 플라스틱 섬광체의 두께 및 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체와 플라스틱 섬광체와의 최적 거리를 하기 실험을 통해 측정하였다.

1-1: 박막 ZnS ( Ag ) 섬광체의 검출 특성 측정

상기 실시예에서 제조한 박막 형태 섬광체의 광학적 특성을 평가를 목적으로 분광광도계(spectrophotometer; Varian, Cary 500)를 이용하여 필름 형태의 ZnS(Ag) 섬광체의 발광 스펙트럼 및 알파선을 측정하였다(대한민국 특허출원 제 2005-0112930호).

방사선 검출 성능을 평가하기 위하여 방사성 용액을 직경 2″ 크기의 상기 실시예에서 제조한 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체 위에 도포하여 건조시켰다. 다음으로, 응답영역이 300 ~ 650 nm이고, 최대 응답파장이 420 nm인 광전자 증배관(photomultiplier tubes; PMT, Hamamatsu Photonics K.K., R329-02)를 이용하여 방사선과 ZnS(Ag) 섬광체의 상호작용으로 인하여 생성된 섬광을 측정하여 파고 스펙트럼(Pulse height spectrum)으로 나타내었다. 이때 알파선 측정용 선원으로는 반감기가 432년이고, 알파선의 에너지가 5.44 및 5.48 MeV인 Am-241을 사용하였다.

결과는 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를 이용하여 알파선을 효과적으로 검출할 수 있음을 확인하였다.

1-2: 플라스틱 섬광체의 두께에 따른 검출 특성 측정

알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기 제작시 플라스틱 섬광체의 두께가 검출 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 하기의 실험을 하였다.

플라스틱 섬광체의 두께를 1.2, 3.1, 5.2 및 12 ㎜로 변화시키면서 제작하여, 감마선과 플라스틱 섬광체의 상호작용에 의하여 생성된 섬광을 광전자증배관(PMT, Hamamatsu Photonics K.K., H5211A)을 이용하여 측정하였다. 이때 선원으로는 Cs-137과 Co-60에서 방출되는 감마선을 사용하였다.

측정 결과, 섬광체 두께가 5.2 ㎜인 경우, Cs-137과 Co-60에서 방출되는 감마선의 계수율이 각각 0.4와 0.18% 정도로 효율이 아주 낮아, 베타선 측정시 무시할 수 있음을 확인하였다. 그러나, 섬광체 두께가 12 ㎜인 경우는 감마선에 의한 영향이 약 1% 정도로 저에너지 영역에서 베타선과 중첩되는 것을 확인하였다.

따라서, 플라스틱 섬광체의 두께를 5.2 ㎜로 하였다.

1-3: 플라스틱 섬광체의 위치에 따른 검출 특성 측정

알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기를 이용하여 방사선 오염도를 측정할시 오염원과 플라스틱 섬광체와의 거리에 따른 알파선의 계수율을 하기와 같이 측정하였다.

검출기 동축을 중심으로 오염원으로서 Am-241과 플라스틱 섬광체와의 거리를 변화시키면서 광전자증배관(PMT, Hamamatsu Photonics K.K., H5211A)을 이용하여 알파선 계수율을 측정하였다.

결과는 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 알파선의 계수율은 검출기 동축을 중심으로 오염원과 플라스틱 섬광체 입사면과의 거리가 2 ㎝일 때 알파선의 계수율이 최대였다.

1-4: 본 발명의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기에 의한 알파선 및 베타선의 측정

상기 실험예 1-3에서와 동일한 방법으로 본 발명의 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기를 이용하여 알파선 및 베타선 스펙트럼을 측정하였다. 이때 알파선원으로는 Am-241을 사용하였으며, 베타선원으로는 Sr/Y-90을 이용하였다.

결과는 도 5에 나타내었다.

도 5에 나타난 바와 같이, 저에너지 영역에서의 베타선 스펙트럼과 고에너지 영역에서의 알파선 스펙트럼을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 알파선 및 베타선의 측정

본 발명의 포스위치 검출기에서 나온 신호는 개개의 섬광체에서 생성된 섬광의 감쇄시간을 구분하여 방사선을 구분하는 방법인 파형분석법에 의해서 분석하였다.

도 6에 본 발명에서 채택한 분석방법인 파형분석법의 회로도를 나타내었다.

또한, 도 7에는 상기 측정방법에 의한 알파/베타선의 파형 분포 스펙트럼을 나타내었다. 측정 결과 알파선과 베타선의 신호 중첩도는 1% 미만이었다. 즉, 파형분석법을 이용하여 알파와 베타선을 구분하여 측정함으로써 배관 내부의 알파선 및 베타선의 오염도를 동시에 측정할 수 있음을 확인하였다.

또한, 도 8에는 베타선(a) 및 알파선(b)의 신호 분리 회로도를 이용하여 측정한 순수한 알파선 또는 베타선에 대한 파고 스펙트럼을 나타내었다. 이를 통해서, 포스위치 검출기를 이용함으로써 알파선과 베타선이 동시에 존재하는 배관 내부에서 알파선과 베타선을 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라 파형분리법을 이용하여 개개의 방사선을 분리하여 측정할 수 있음을 확인하였다.

본 발명에 의한 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기는 알파선 검출용 섬광체로서 배관 내부에 적용할 수 있도록 원통형으로 제조된 박막 형태의 ZnS(Ag) 섬광체를, 베타선 측정용 섬광체로서 플라스틱 섬광체를 사용하여 측정 최적 거리 및 섬광체 두께를 결정하여 제작한다. 본 발명에 의한 포스위치 검출기로 측정한 알파선과 베타선은 파형분석법을 이용하여 분석함으로써 알파선 및 베타선 의 동시 검출뿐 아니라 각각을 분리하여 측정할 수 있으므로 알파선 또는 베타선에 의해 오염된 배관 내부 등을 검사하는데 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

알파선 검출용 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체; 및

상기 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체의 중심 축과 일직선상에 배열된 베타선 검출용 플라스틱 섬광체를 포함하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 1항에 있어서, 상기 박막 ZnS(Ag) 섬광체는 기저 고분자층 및 상기 기저 고분자층상의 ZnS(Ag) 섬광체층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 2항에 있어서, 상기 고분자층의 고분자 소재는 폴리설폰, 스티렌 및 메틸메타크릴레이트의 공중합체 또는 폴리(비스페놀 A 카보네이트)인 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 2항에 있어서, 상기 ZnS(Ag)층과 고분자층을 부착시키는 접착제로서 시아노에틸 풀룰란(CR-S), 시아노에틸 폴리비닐알콜(CR-V) 또는 이들의 혼합 시아노 레진이 사용되는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출 기.
제 1항에 있어서, 상기 ZnS(Ag) 섬광체의 두께가 5 ~ 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 1항에 있어서, 상기 원통형 박막 ZnS(Ag) 섬광체가 외부에 지지 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 6항에 있어서, 상기 지지 프레임의 재질이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 섬광체는 이에 부착되는 광전자증배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 8항에 있어서, 상기 광전자증배관을 포함하는 플라스틱 섬광체는 외부에 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 9항에 있어서, 상기 케이스의 재질이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 9항에 있어서, 상기 케이스 외부에 회전 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 섬광체는 두께가 1.0 ~ 5.7 ㎜인 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 12항에 있어서, 상기 플라스틱 섬광체는 두께가 5.2 ㎜인 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 섬광체 전면부로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 광반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 14항에 있어서, 상기 광반사경은 상기 검출기의 플라스틱 섬광체 전면부로부터 2.5 ~ 3.5 ㎝ 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.
제 15항에 있어서, 상기 광반사경은 상기 검출기의 플라스틱 섬광체 전면부로부터 3 ㎝ 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 알파선 및 베타선 동시 측정용 포스위치 검출기.