KR101093713B1

KR101093713B1 - 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101093713B1
Application number: KR1020090077438A
Authority: KR
Inventors: 서범경; 이근우
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사; 한국원자력연구원
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-12-19
Also published as: KR20110019850A

Abstract

본 발명은 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기섬광체와 투명한 에폭시 수지 재질의 속이 빈 원통형 구조물과 상기 구조물의 표면에 직경 1 - 3 ㎜ 및 삽입 깊이 10 - 50 ㎜로 삽입되어 연결된 단수 또는 복수의 플라스틱 광섬유로 구성되는 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 일체형 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서는 얇은 막의 형태가 아닌 속이 빈 원통형의 고형체로 제조하여 도관에서 방사선을 검출할 수 있고, 종래 열중합 반응을 이용하는 방법 대신 에폭시가 고형화되기 전 플라스틱 광섬유를 삽입하여 일체형으로 제작함으로써 제조방법이 간단하며, 플라스틱 광섬유를 이용하여 원거리 측정이 가능하므로, 방사선을 검출하는데 유용하게 사용할 수 있다.

방사선, 유기섬광체, 에폭시, 플라스틱 광섬유, 센서

Description

방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서 및 이의 제조방법{Single unit sensor being simultaneously available radiation detect and real-time measurement in the conduit and the method for preparation of single unit sensor}

본 발명은 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현대의 과학기술은 다양한 분야의 기술적 융합을 통하여 발전하고 있으며, 방사선 계측기 개발 분야에서도 이러한 기술적 융합을 통하여 새로운 계측 시스템의 개발이 진행되고 있다. 최근에는 미래의 통신 수단으로서 가장 기대되는 것 중의 하나인 광섬유를 이용하여 원자력분야에 적용하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있다.

광섬유로 대표되는 광전송 매체는 일반적으로 빛이 진행하는 코어부(Core)와 진행하는 빛을 코어부 내에 지속적으로 진행을 유도하는 클래드부(Clad)로 구성되며, 크게 나누어 단일 모드형(Step-Index : SI)과 멀티 모드형(Grade-Index : GI)의 두 종류로 구분된다. 단일모드 광섬유는 대부분 장거리 전송용으로 사용되며 고순도 유리로 만든 광섬유(GOF)이다. 중, 단거리 전송에 이용되는 멀티모드 광섬유는 50 ㎛ 또는 62.5 ㎛의 코어 직경을 갖는 유리로 만든 광섬유(GOF)와 대부분의 플라스틱 광섬유(POF)가 해당된다. 현재까지 개발된 POF는 코어부의 높은 굴절률과 클래드부의 낮은 굴절률이 굴절률의 불연속 계면 상에서 빛이 전반사하며 진행하는 SI형과 코어부의 굴절률이 중심 축에서 외부 방향으로 가우시안 분포를 가지면서 낮아지는 구조에서, 빛이 높은 굴절률 내에서 진행하는 원리를 이용하여, 광축에 모든 입사광의 모드들이 교차하면서 진행하는 GI형의 두 종류가 있다.

상기 광 섬유는 신호를 전달하는 통신용 섬유, 물체를 관찰하기 위한 이미지 섬유, 각종 센서용 광섬유 등의 형태로서 원자력분야에서 사용된다. 그러나, 광학 유리는 깨지기 쉽고 형상 가공이 어려우며 일정크기 이상의 형태를 조성함에 있어 생산성의 문제가 있을 뿐만 아니라, 광통신에 있어서 광접속 기술이 저가로 실행되어야 하는 가장 큰 문제가 있고, 이 문제점을 해결하기 위해 투명 고분자 재료를 사용한 광학 재료로의 대체가 급속하게 이루어지고 있다. 특히, 플라스틱 광섬유(Plastic Optical Fiber)는 우수한 유연성, 취급의 용이, 긴 길이, 그리고 전자기장의 간섭 무시 등과 같은 많은 장점을 가지므로, 가장 각광을 받고 있다.

한편, 액체의 방사성 물질을 취급하는 시설의 경우는 시설 외부로 방사성 물질의 누출을 예방하기 위하여 시설 외부로 방출되는 배수관에서의 지속적인 방사선 감시가 요구된다. 또한, 액체 방사성 물질을 취급하는 시설에서 이송관을 통한 방사성 물질의 이동을 연속적으로 감시하기 위하여 검출기가 필요하다.

기존에 액체 방사성 물질의 이송관의 경우는 직접 시료를 채취하여 방사성 물질의 농도를 분석하거나, 이송관 주위에 휴대용 계측기를 장치하여 측정하는 방법을 이용하였다. 그러나, 이러한 방법은 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 실시간으로 액체 방사성 물질의 이송 현황을 감시할 수가 없다.

이에, 본 발명자들은 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 센서를 연구하던 중 유기섬광체를 얇은 막의 형태가 아닌 속이 빈 원통형의 고형체로 제조하여 도관에서 방사선을 검출할 수 있고, 광섬유를 삽입하여 일체형으로 제작할 수 있는 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 센서를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 유기섬광체와 투명한 에폭시 수지 재질의 속이 빈 원통형 구조물과 상기 구조물의 표면에 직경 1 - 3 ㎜ 및 삽입 깊이 10 - 50 ㎜로 삽입되어 연결된 단수 또는 복수의 플라스틱 광섬유로 구성되는 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 일체형 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 방사선 검출이 가능한 유기섬광체를 투명한 에폭시 수지와 혼합하여 속이 빈 원통형의 고형화 틀에 붓는 단계(단계 1); 플라스틱 광섬유의 위치를 고정하기 위해 속이 빈 작은 배관 내부로 플라스틱 광섬유를 삽입한 후 광학 시멘트로 고형화시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1에서 제조된 유기섬광체가 혼합된 투명한 에폭시 수지를 고형화시키기 전에 상기 단계 2에서 제조된 플라스틱 광섬유를 삽입한 후 고형화시키는 단계(단계 3)를 포함하는 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서는 얇은 막의 형태가 아닌 속이 빈 원통형의 고형체로 제조하여 도관에서 방사선을 검출할 수 있고, 종래 열중합 반응을 이용하는 방법 대신 에폭시가 고형화되기 전 플라스틱 광섬유를 사용하여 일체형으로 제작함으로써 제조방법이 간단하며, 플라스틱 광섬유를 삽입하여 원거리 측정이 가능하므로, 방사선을 검출하는데 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명은 유기섬광체와 투명한 에폭시 수지 재질의 속이 빈 원통형 구조물과 상기 구조물의 표면에 직경 1 - 3 ㎜ 및 삽입 깊이 10 - 50 ㎜로 삽입되어 연결된 단수 또는 복수의 플라스틱 광섬유로 구성되는 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 일체형 센서를 제공한다.

이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 일체형 센서에 있어서, 상기 유기섬광체는 제1용질과 제2용질을 포함할 수 있다.

상기 유기섬광체들은 적당한 화합물질들을 결합시켜 만들며, 혼합체내에 들어있는 화합물의 수에 따라 1원, 2원 및 3원 등으로 분류된다. 2원 섬광체는 하나 의 용매와 하나의 용질로 구성되며, 3원 섬광체는 하나의 용매와 1차 용질 및 2차 용질로 구성된다. 상기 제1용질은 2,5-diphenyloxazde(PPO)과 P-터페닐(P-terphenyl)이고, 제2용질은 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene(POPOP, 제2용질) 이다. 상기 제1용질인 2,5-diphenyloxazde(PPO) 및 P-터페닐(P-terphenyl)은 방사선에 의하여 기저 고분자 소재로 전달된 에너지 중의 일부를 광으로 전환하는 역할을 수행하고, 상기 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene(POPOP)는 제1용질에서 발생한 광을 흡수하여 측정용 광계수 장치로 이동시키는 역할을 수행한다.

또한, 상기 제1용질과 제2용질은 각각 0.7 중량% 및 0.05 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 제1용질 함량이 0.7 중량%를 벗어나는 경우에는 광량이 감소하는 문제가 있고, 상기 제2용질의 함량이 0.05 중량%를 벗어나는 경우에는 방사선과의 상호작용으로 생성된 빛의 흡수로 인하여 투과도가 낮아져 방사선 검출효율이 저하되는 문제가 있다.

상기 센서의 유기섬광체 발광은 단일 분자의 에너지 레벨에서 전이에 의해 발생되며, 상기 발광은 분자들의 종류에 의해 결정된다. 또한, 대부분의 유기섬광체는 π-전자 구조로 알려져 있는 대칭적인 성질을 가진 유기 분자에 의해 형광이 형성되며, 방사선과 유기섬광체의 상호작용에 의해 생성된 빛은 플라스틱 광섬유를 통하여 이동되어 방사선을 검출할 수 있다. 또한, 상기 유기섬광체는 얇은 막의 형태가 아닌 고형체로 제조할 경우 감마선 측정과 같은 계수용으로 사용하기에 적합하며, 상기 프라스틱 계열의 섬광체들은 유기섬광체에 대한 용기가 필요하지 않고, 다양한 크기와 형태로 만들 수 있는 장점이 있다.

나아가, 상기 투명한 에폭시는 비스페놀-에이형(Bisphenol-A형) 에폭시 수지, 비스페놀-에프형(Bispenol-F형) 에폭시 수지, 유브이(UV) 경화형 에폭시 수지 및 저온 경화형 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 투명한 에폭시를 사용함으로써, 방사선에 의하여 생성된 섬광이 에폭시 지지체를 통하여 플라스틱 광섬유로 원활하게 광이 전달될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 일체형 센서는 원거리 측정이 가능하다. 본 발명에서 사용되는 플라스틱 광섬유의 길이 10 m까지 파고 스펙트럼의 형상 및 총계수치가 일정하게 유지되므로, 원거리에서도 방사선 검출과 실시간 감지가 가능할 것이다(실험예 2 참조).

나아가, 상기 일체형 센서의 플라스틱 광섬유는 광섬유 직경이 크고, 삽입깊이가 얕을수록 검출효율이 증가하기 때문에 직경이 1 - 3 ㎜ 범위이고, 삽입깊이는 10 - 50 ㎜ 범위인 것이 바람직하다. 광섬유의 직경은 최소 전송 효율을 고려하여 직경 1 ㎜ 이상이 바람직하며, 현재 상용 제품의 경우 최대 직경이 3 ㎜이므로 직경 범위는 1 - 3 ㎜가 바람직하다. 또한, 상기 삽입깊이가 10 ㎜ 미만인 경우에는 광섬유와 에폭시의 결합 안정성에 문제가 있고, 50 ㎜를 초과하는 경우에는 센서의 반응크기가 작아져 방사선 검출효율이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기 센서는 추가적으로 방사선과 유기섬광체의 상호작용에 의해 생성된 빛을 전기신호로 변환시키는 광전자증배관과 방사선 검출신호를 증폭시키는 증폭기 및 방사선 검출신호를 계수하는 계수기를 더 구비할 수 있다.

방사선 검출 센서에서 방사선과 유기섬광체의 상호작용에 의해 생성된 빛은 플라스틱 광섬유를 통하여 광전자증배관으로 전송되며, 광전자증배관은 빛을 전기신호로 변환시키는 장치로서 고전압공급기를 통해 전원이 공급된다. 전기신호로 변환된 검출신호는 증폭기로 입력되어 원하는 크기로 증폭되며, 각각의 검출신호를 증폭시킨 후 검출기 1과 검출기 2에서 신호를 동시에 계수할 수 있는 이중 계수기로 입력되고 그 결과가 컴퓨터를 통해 시간별로 기록되고 감시된다(도 1의 (b) 참조).

본 발명에 따른 일체형 센서는 방사선 검출용 센서와 신호 전송용 광섬유를 물리적으로 접촉하여 연결할 경우 접촉면에서 섬광의 산란으로 인하여 전송효율이 감소할 뿐만 아니라, 검출소재와 광섬유를 연결하기 위한 추가적인 부품이 필요하나, 광섬유를 에폭시 지지체가 고형화되기 전에 삽입하여 일체형으로 제조함으로써 접촉에 의한 산란을 줄일 수 있다(도 1 참조).

분석

유기섬광체 2,5-diphenyloxazde(PPO, 제1용질)과 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene(POPOP, 제2용질)의 함량비를 결정하기 위해 발광 스펙트럼으로 분석하고, 그 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다.

PPO(중량%)	POPOP(중량%)
0.1	0.01
0.5	0.03
0.7	0.05
1.0	0.07
1.5	0.1
1.7	0.15

도 2 및 표 1에 나타난 바와 같이, PPO 함량이 0.7 중량%인 경우에 최대 광량이 나타났으며, POPOP 함량이 0.05 중량%인 경우에 70% 이상의 투과도가 나타나므로, 유기섬광체 최적의 함량비는 PPO : POPOP = 0.7 중량% : 0.05 중량%인 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예> 본 발명에 따른 일체형 센서의 제조

단계 1: 투명한 에폭시 수지와 유기섬광체를 혼합하는 단계

일체형 센서를 제조하기 위하여 고형화 틀에 투명 에폭시 수지를 채운 후 방사선과의 상호작용에 의해 섬광이 발생하는 유기섬광체 2,5-diphenyloxazde(PPO, 제1용질)과 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene(POPOP, 제2용질)을 각각 0.7 중량%와 0.05 중량%로 첨가하여 유기섬광체가 완전히 섞이도록 천천히 교반하였다.

단계 2: 플라스틱 광섬유를 고정하는 단계

플라스틱 광섬유의 위치를 고정하기 위해 길이가 3 ㎝인 속이 빈 원통형 배관 내부로 플라스틱 광섬유를 삽입하여 광학 시멘트로 광섬유와 배관 내부의 빈 공간을 채운 후에 고형화시켰다.

단계 3: 에폭시가 고형화되기 전에 플라스틱 광섬유를 삽입하여 고형화시키는 단계

유기섬광체가 혼합된 투명한 에폭시 수지가 고형화되기 전에 상기 단계 2에서 제조된 플라스틱 광섬유가 고정된 배관을 삽입하여 완전히 고형화시켜 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서를 제조하였다.

<비교예> BC-408을 이용한 센서의 제조

유기섬광체로 BC-408을 이용한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법을 수행하여 BC-408을 이용한 센서를 제조하였다.

<실험예 1> 유기섬광체 종류에 따른 방사선 검출 성능 분석

유기섬광체 종류에 따른 방사선 검출 성능을 분석하기 위해 실시예 및 비교예의 감마선 표준선원인 Co-60의 검출 성능을 분석하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, 스펙트럼 모양은 차이가 있지만 전체 방사선 계수값은 거의 같은 값을 가지므로, 방사선 검출효율은 거의 유사한 값을 가지는 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예의 경우 투명한 에폭시 수지를 사용함으로써, 기존의 열중합 반응을 이용한 플라스틱 섬광체에 비해 제작공정이 획기적으로 간단하며, 광섬유와 일체형으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.

<실험예 2> 광섬유의 길이, 직경 및 삽입깊이에 따른 검출효율 분석

삽입깊이(10, 20, 30 ㎜), 직경(1, 2, 3 ㎜) 및 광섬유의 길이(1, 2, 3, 10 ｍ)에 따른 검출효율을 분석하고, 그 결과를 도 4, 5 및 6에 나타내었다.

특히, 광섬유의 광손실 중 구부림 손실의 차이점을 줄이기 위하여 광섬유 길이의 각 밴딩(bending) 각을 일정하게 유지하여 측정하였으며, 여러 가지 광손실을 최대한 줄이기 위해 차폐체와 열수축 튜브를 제작하여 측정하였다.

도 6에 나타난 바와 같이, 광섬유 길이에 따른 파고 스펙트럼의 형상 및 총계수치는 10 m 길이까지 거의 일정한 계수치를 나타내었다. 또한, 광섬유 직경이 넓어질수록, 삽입 깊이가 짧을수록 전송 효율이 우수하였으며, 상기는 방사선이 검출소재로 흡수된 후 폴리싱(polishing)된 광섬유 말단으로 전송되는 과정에서 방사선과 유기섬광체를 포함한 에폭시 수지 내의 반응하는 체적이 넓어질수록 검출효율이 더 높게 측정된 것으로 알 수 있다. 즉, 도 4에 나타난 바와 같이, 20 ㎜의 길이를 가진 에폭시 검출소재의 밑단(속이 빈 원통형의 내측)으로부터 10, 20 및 30 ㎜의 깊이로 삽입된 광섬유의 반응단면적과 총계수치는 원통형 센서의 표면에 근접할수록 약 5배 높게 계측되었다.

또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 4 ㎜ 직경을 가지는 배관에 각각 3 ㎜ 단일광섬유와 1 ㎜ 광섬유 10개를 다발형태로 메워넣고 에폭시에 삽입한 센서의 검출성능을 비교하면 두 형태의 총계수치는 거의 동일하게 나타났다. 그러므로, 센서의 제작 시간과 경제성 등을 고려하면 단일 광섬유 센서가 오염도 측정용 센서로써 적합한 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방사선 검출과 실시간 감지가 동시에 가능한 도관용 일체형 센서의 개념도(a) 및 장치의 구성도(b)이고;

도 2는 유기섬광체 2,5-diphenyloxazde(PPO)와 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene(POPOP) 함량비에 따른 발광 스펙트럼 결과이고;

도 3은 본 발명에 따른 일체형 센서(실시예)와 BC-408을 이용한 센서(비교예)의 방사선 검출 결과를 나타낸 그래프이고;

도 4는 본 발명에 따른 일체형 센서의 플라스틱 광섬유 삽입깊이에 따른 전송성능을 나타낸 그래프이고;

도 5는 본 발명에 따른 일체형 센서의 플라스틱 광섬유 직경 변화에 따른 전송성능을 나타낸 그래프이고; 및

도 6은 본 발명에 따른 일체형 센서의 플라스틱 광섬유 길이 변화에 따른 전송성능을 나타낸 그래프이다.

Claims

유기섬광체를 포함하는 투명한 에폭시 수지 재질의 속이 빈 원통형 구조물; 및 상기 구조물의 원통형 표면에 직경 1 - 3 ㎜ 및 삽입 깊이 10 - 50 ㎜로 삽입되어 연결된 단수 또는 복수의 플라스틱 광섬유로 구성되는 일체형 센서를, 상기 원통형 구조물이 도관 외부를 감싸는 형태로 도관 외부에 장착하여, 상기 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 유기섬광체는 제1용질과 제2용질을 포함하는 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 제1용질은 2,5-diphenyloxazde(PPO) 또는 P-터페닐(P-terphenyl)인 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 제2용질은 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene(POPOP)인 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 제1용질과 제2용질의 함량은 0.7 중량% 및 0.05 중량%인 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 투명한 에폭시는 비스페놀-에이형(Bisphenol-A형) 에폭시 수지, 비스페놀-에프형(Bisphenol-F형) 에폭시 수지, 유브이(UV) 경화형 에폭시 수지 및 저온 경화형 에폭시 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 일체형 센서는 원거리 측정이 가능한 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 일체형 센서의 플라스틱 광섬유는 광섬유 직경이 크고, 삽입깊이가 얕을수록 검출효율이 증가되는 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서는 추가적으로 방사선과 유기섬광체의 상호작용에 의해 생성된 빛을 전기신호로 변환시키는 광전자증배관과 방사선 검출신호를 증폭시키는 증폭기 및 방사선 검출신호를 계수하는 계수기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서는

방사선 검출이 가능한 유기섬광체를 투명한 에폭시 수지와 혼합하여 속이 빈 원통형의 고형화 틀에 붓는 단계(단계 1);

플라스틱 광섬유의 위치를 고정하기 위해 속이 빈 작은 배관 내부로 플라스틱 광섬유를 삽입한 후 광학 시멘트로 고형화시키는 단계(단계 2); 및

상기 단계 1에서 제조된 유기섬광체가 혼합된 투명한 에폭시 수지가 고형화되기 전에 상기 단계 2에서 제조된 플라스틱 광섬유를 삽입한 후 고형화시키는 단계(단계 3)를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 도관 내 흐르는 액체 내 방사선을 실시간으로 검출하는 방법.