방사선은 에너지를 갖는 입자의 흐름이나 파동으로서 눈에 보이지도 않고 냄새나 맛도 없다. 이러한 방사선은 물질을 구성하고 있는 가장 기본적인 단위인 원자(原子)로부터 나온다.
원자를 구성하는 양자, 중성자, 전자가 균형을 이루지 못할 때 방사선을 낼 수 있는 능력(방사능)을 가지는데, 이러한 물질을 방사성 물질이라고 하며, 방사성 물질에서 나오는 일종의 에너지를 방사선이라고 한다.
방사성 원자는 시간이 경과됨에 따라 방사능 붕괴로 원자핵이 변하면서 다른 원자로 변한다. 방사성 붕괴를 일으키는 성질을 방사능이라고 한다.
방사성 붕괴를 하는 원자핵(또는 원자)을 방사성 핵종(核種)이라 한다. 방사성 핵종이 보이는 붕괴형식은 알파(α)입자를 방출하는 알파(α)붕괴, 베타(β±) 입자를 방출하는 베타(β±)붕괴, 감마(γ)선을 방출하는 감마(γ)붕괴의 세 종류로 대별된다. 알파(α)입자의 본성은 질량수 4, 원자번호 2인 헬륨핵이고, 베타(β±)입자는 양 ·음전자, 감마(γ)선은 단파장의 전자기파이다. 따라서 알파(α)붕괴에 의해서 원자번호가 2단위, 질량수가 4단위 감소한 핵종으로 변환하고, 베타(β±)붕괴에서는 질량수는 변하지 않으나 원자번호는 ±1단위 변하며, 감마(γ)붕괴에서는 질량수, 원자번호는 모두 변하지 않고 감마(γ)선의 에너지에 상당하는 몫의 내부에너지의 변화가 생긴다.
방사선은 인체에 치명적이므로 만약 방사선작업에 종사한다거나 그 작업장 주변에 가까이 가야할 일이 있을 경우에는 가능한 한 방사선을 받지 않도록 하거나 적게 받도록 여러 가지 방법과 조치를 강구해야 한다. 이를 위해 기본적으로 방사선을 검출하는 것이 우선되어야 한다.
방사선 검출원리는 감마선의 경우, 방사선이 검출기 내 신틸레이터(scintillator)에 닿으면 광전효과, 컴프턴 효과, 전자쌍 생성 등 상호작용을 하면서 발생하는 전자 또는 양전자들이 여기 발생하여 스펙트럼으로 검출된다.
종래의 방사선 측정 장치는 납차폐재의 무게 때문에 장치의 이동이 어려워 시료의 일부분을 가져와서 검사기에 넣고 일정한 거리에 이격되어 설치된 방사선 검출기로 방사선을 측정하는 방법을 사용하였다.
이 경우, 검사 대상물의 일부만을 검사 대상으로 하기 때문에 방사선 계측의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 불균일한 고체표면에서 시료를 추출해 방사선을 검출하면 검사 대상물 의 고체표면을 손상시킬 뿐 아니라, 시료추출 작업으로 작업자의 방사선 피폭, 방사성 폐기물 발생등의 문제가 발생한다.
도 1은 종래 방사선 분포 3차원 측정 장치가 도시된 도이다.
도 1을 참조하면, 대한민국 등록특허(공고번호 10-0251064)인 방사선 분포 3차원 측정 장치 및 방법을 살펴보면, 이 발명은 3차원 공간상에 분포되어 있는 방사선을 측정하되, 레이저 거리측정기, 방사선 스캐너, 컴퓨터로 구성되며, 검출기가 고정된 위치에서 각도 조정을 하면서 표면과의 거리에 따라 방사선을 측정한다.
이 경우 검사 대상물과 일정한 거리를 두고 고정된 상태에서 카메라의 각도만을 변화시켜 검사 대상물의 방사선을 측정하므로 검사 대상물의 표면이 다양한 고저차를 가진 형태인 경우에 일정한 거리를 유지하지 못하는 문제점이 있다.
검사 대상물의 표면으로부터 일정한 거리를 균일하게 유지하지 못하기 때문에 정확한 방사선 계측이 어렵다.
또 다른 종래 발명을 살펴보면 방사선을 이용한 호퍼의 3차원 측정 시스템(한국 특허공개 10-2004-0001597, 2004년 01월 07일 공개)이 있다.
방사선을 이용한 호퍼의 3차원 측정 시스템은 호퍼 둘레를 따라 일정한 반경을 가진 레일위를 방사선 검출기가 360도 회전하며 방사선 동위원소를 검출하도록 구성된다.
이 경우에도 마찬가지로 호퍼 내부의 검사 대상물과의 간격이 호퍼 내부의 검사 대상물의 위치에 따라 불규칙하므로 정확한 방사선 측정이 곤란한 문제점이 있다.
본 발명에 따른 3차원 이동가능한 검출기를 구비하는 방사선 측정 장치를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 이동가능한 검출기를 구비하는 방사선 측정 장치의 구성이 도시된 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 이동가능한 검출기를 구비하는 방사선 측정 장치는 검사 대상물의 표면으로부터 일정한 간격을 유지한 상태로 상기 검사 대상물의 표면을 따라 이동하며 방사선을 측정하는 방사선 계측 모듈(100), 상기 방사선 계측 모듈(100)로부터 측정된 방사선 핵종을 분석하는 다중 파고분석기(200) 및 상기 방사선 계측 모듈(100)의 동작을 제어하고, 상기 다중 파고분석기(200)의 분석 결과를 출력하는 중앙컴퓨터(300)를 포함하여 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 방사선 계측 모듈의 일례가 도시된 사시도이다.
도 2를 참조하면, 방사선 계측 모듈(100)은 방사선 시료, 즉 검사 대상물(400)의 표면 위를 일정한 간격을 유지하며 이동하며 방사선을 검출한다.
검사 대상물(400)이 죽은 동물의 사체나 거대한 암석 등 표면이 고르지 못한 경우에 표면 방사선량 측정시 탁월한 효과를 발휘할 수 있다. 방사선 검출 효율은 검사 대상물로부터의 거리에 반비례하므로, 표면이 고르지 못한 경우 일정한 간격을 유지하며 방사선을 검출하여야 검출효율이 일정하고 검출 결과에 신뢰성이 향상된다.
이를 위해, 방사선 계측 모듈(100)은 방사선을 검출하는 방사선 계측기(110)와 일정 거리를 유지하기 위한 적외선 거리측정기(120), 그리고 방사선 계측기(110)를 입체적으로 이동시킬 수 있는 3차원 이동장치(130)를 포함하여 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 방사선 계측기 및 적외선 거리측정기가 도시된 도이며, 도 4는 본 발명에 따른 방사선 계측기의 납차폐체의 콜리미터가 도시된 도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 방사선 계측기(110)는 방사선을 검출하는 검사 대상물(400)의 방사선을 검출한다.
방사선 계측기(110)는 구체적으로 납차폐체(111)와 방사선 검출기(112)로 구성되는데, 납차폐체(111)는 하측에 소정 크기의 직경을 가지는 콜리미터(113)가 형성된다.
방사선 검출기(112)를 감싸도록 납차폐체(111)가 형성되어 외부로부터 유입되는 방사선을 차단한다.
다만, 납 차폐체의 하부에는 콜리미터(113)가 형성되므로, 콜리미터(113)를 통과한 방사선만을 측정하도록 구성되기 때문에, 검사 대상물(400)의 다른 부분으로부터 유입될 수 있는 방사선을 차단하여 특정 지점에서 정확한 방사선 측정이 가 능하다. 즉, 검사하고자 하는 지점 이외의 부분으로 받는 방사선의 영향을 줄일 수 있다.
콜리미터(113)의 직경은 검출하고자 하는 방사선의 핵종이나 검사 대상물(400)과의 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
콜리미터(113)를 통과한 방사선은 방사선 검출기(112)에 의해 검출되고, 검출기의 출력신호는 다중 파고분석기(200)로 전송되어 분석된다.
방사선 검출기(112)는 검출대상 핵종 및 방사선의 종류에 따라 여러 종류의 검출기가 사용될 수 있지만, 그 일실시예로 본 발명에서는 핵종의 특성에 따라 Nal 또는 HPGE(High Purity Ge detector) 검출기가 사용될 수 있다. 주로 한 두가지 핵종의 감마선을 측정할 경우에는 Nal 검출기를 사용하고 여러 가지 복합된 핵종들의 감마선을 측정할 경우에는 HPGE 검출기를 사용할 수 있다.
HPGE 검출기는 반도체 검출기의 일종으로, 열전자에 의한 잡음을 줄일 수 있다.
적외선 거리측정기(120)는 방사선 계측기(110)의 납차폐체(111) 측면에 형성되어, 검사 대상물(400)의 표면과 방사선 계측기(110)간의 거리를 측정한다.
측정된 거리에 따른 적외선 거리측정기(120)의 출력신호는 중앙컴퓨터(300)에 전달되고, 중앙컴퓨터(300)는 3차원 이동장치(130)를 제어하여 검사 대상물(400)의 표면으로부터 방사선 계측기(110)가 일정 간격을 유지하도록 한다.
이 경우, 거리 측정을 위해 적외선 거리측정기(120)뿐만 아니라 레이저 거리측정기를 사용할 수도 있다.
3차원 이동장치(130)는 다수의 프레임으로 구성된다. 3차원 이동장치는 방사선 계측기(110)를 X, Y, Z 방향으로 이동시킨다.
사각의 틀 중앙에는 검사대(135)가 위치하며, 검사대(135)에 검사 대상물(400)이 놓여진다.
검사 대상물(400)의 상부 표면을 방사선 계측기(110)가 이동하며 방사선을 측정한다.
3차원 이동장치(130)의 구조를 구체적으로 설명하면, 기본적으로 크게 3개의 프레임으로 구성된다.
먼저 세로 방향(Y 방향)으로 제 1 및 제 2 프레임(131, 132)이 서로 이격되어 나란하게 형성된다. 제 1 및 제 2 프레임(131, 132)은 검사 대상물(400)의 크기를 고려하여 충분한 거리만큼 이격되어 나란하게 설치된다.
다음으로, 제 1 및 제 2 프레임(131, 132)과 걸치도록 제 3 프레임(133)이 형성된다. 즉 제 1 및 제 2 프레임(131, 132)과 교차하는 방향인 가로 방향(X 방향)으로 제 3 프레임(133)이 제 1 및 제 2 프레임(131, 132) 상부에 형성된다.
제 1 및 제 2 프레임(131, 132)의 표면에는 레일(R1, R2)이 형성된다. 상기 레일을 따라 제 3 프레임(133)이 세로 방향(Y 방향)으로 움직이도록 설치된다.
또한, 제 3 프레임(133)에도 역시 레일(R3)이 형성되고, 레일(R3)을 따라 이동하는 계측기 이동 모듈(134)이 구비된다.
계측기 이동 모듈(134)은 수직방향(Z 방향)으로 소정 길이로 형성되며, 그 일단에는 방사선 계측기(110)가 고정된다.
계측기 이동 모듈(134)은 방사선 계측기(110)를 수직방향(Z방향)으로 상승 또는 하강시켜 검사 대상물(400)의 표면으로부터 일정 간격을 유지하도록 한다.
또한, 계측기 이동 모듈(134)은 방사선 계측기(110)를 가로방향으로 제 3 프레임의 레일(R3)을 따라 이동시킨다.
전체적으로 그 움직임을 살펴보면, 제 3 프레임(133)이 제 1 및 제 2 프레임(131, 132)을 따라 Y 방향으로 이동하며, 계측기 이동 모듈(134)이 제 3 프레임(133)을 따라 X 방향을 이동한다. 또한, 방사선 계측기(110)는 계측기 이동 모듈(134)에 의해 Z 방향으로 움직일 수 있다.
제 3 프레임(133) 및 계측기 이동 모듈(134)의 움직임은 방사선 계측 모듈(100)에 구비된 복수개의 구동 모터에 의해 이루어진다.
상기와 같은 방사선 계측기의 움직임은 중앙컴퓨터(300)에 의해 자동으로 제어된다.
또한, 제 3 프레임(133)과 계측기 이동 모듈(134)은 수동적인 버튼(B) 조작에 의해 움직일 수 있도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 검사 대상물을 영역 또는 지점으로 구획한 모습이 도시된 도이다.
중앙컴퓨터(300)는 상기 적외선 거리 측정기로 측정된 거리를 이용하여 상기 방사선 계측기가 상기 검사 대상물의 표면으로부터 일정 간격을 유지하면서 상기 검사 대상물의 방사선을 검출하도록 상기 3차원 이동장치를 자동으로 제어하고, 상기 다중 파고분석기의 분석 결과를 출력한다.
중앙컴퓨터(300)는 검사 대상물(400)의 측정 영역 설정, 방사선 검출 기간, 검사 대상물(400)과의 거리보정, 측정된 방사선 데이터의 입출력을 포함하는 과정이 자동으로 수행되도록 제어한다.
중앙컴퓨터(300)의 측정영역크기, 측정간격, 측정시간, 원점조정, 현재 방사선 계측기(110)의 좌표, 방사선 검출 및 분포 분석 결과 등이 표시되는 제어화면을 출력한다.
따라서, 본 발명에 따른 3차원 이동가능한 검출기를 구비하는 방사선 측정 장치는 검사 대상물(400)의 표면을 하나 이상의 영역 또는 지점(P1~P15)으로 분할한 후 각 영역 또는 지점에 머무르는 시간을 조절하며 방사선을 검출할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 3차원 이동가능한 검출기를 구비하는 방사선 측정 장치를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.