KR101282962B1 - 중성자 펄스파고분광분석 방법 및 이를 이용한 중성자 계측 시스템 - Google Patents
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Abstract
중성자 펄스파고분광분석 방법 및 이를 이용한 중성자 계측 시스템을 개시한다. 상기 중성자 계측 시스템은 중성자를 발생하는 중성자 선원, 열중성자 혹은 고속중성자를 검출할 수 있는 검출기, 검출기 펄스신호를 1차 증폭 처리하기 위한 전치증폭기, 상기 전치증폭기 신호의 펄스성형을 위한 주증폭기, 상기 주증폭기에서 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이에 따라 분류, 수집 및 기억시킬 수 있는 다중채널분석기, 상기 다중채널분석 결과를 나타낼 수 있는 출력장치를 포함한다.
Description
본 발명 중성자 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중성자를 대상시료에 조산한 후, 전치증폭기, 주증폭기, 다중채널 파고분석기 등으로 이루어져 있는 중성자 분광분석기를 이용하여 중성자를 검출함으로써 대상시료의 물리화학적 특성을 규명하는 펄스파고분광분석 방법을 이용하여 중성자 검출기 펄스신호를 전치증촉기에 의해 1차 증폭 처리한 후, 주증폭기에서의 펄스성형(pulse shaping) 과정을 거친 다음, 주증폭기에서 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이에 따라 분류, 수집 및 기억시키고, 필요에 따라 결과를 출력할 수 있는 중성자 펄스파고분광분석 방법 및 이를 이용한 중성자 계측 시스템에 관한 것이다.
펄스파고분광분석 방법을 이용한 중성자 계측 시스템은 중성자 선원, 중성자 검출기, 검출기 펄스신호를 1차 증폭 처리하기 위한 전치증폭기, 펄스성형을 위한 주증폭기, 주증폭기에서 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이에 따라 분류, 수집 및 기억시키고, 필요에 따라 결과를 나타낼 수 있는 출력 장치로 구성되어 있다.
상기 중성자 선원으로는 252Cf, 241Am-Be, 240Po/Be, 226Ra-Be 등 방사성동위원소를 이용하거나, 중수소-중수소 중성자 발생장치, 중수소-삼중수소 중성자 발생장치를 이용한다.
상기 중성자 검출기로는 BF3 비례계수관, 3He 비례계수관, 6LiI(Eu) 섬광계수관, 보너구, 문턱검출기 그리고 조직등가비례계수관 등이 있다.
또한, 상기 계측기 중 산업용 중성자 계측기로서 대표적인 것은 3He 비례계수관이며, 이 방법은 BF3와 동일한 형태의 기체충전형 비례계수관으로서 3He의 열중성자 포획단면적이 B보다 크지만, Q값이 낮기 때문에 펄스 계수의 손실이 발생할 수 있고, 감마선에 의한 펄스를 분리하기가 어렵다는 단점이 있다. 하지만, 기체 충전압력을 바꾸면 에너지 반응 영역을 변화시킬 수 있기 때문에 효과적인 중성자 검출기로서 가장 많이 활용되고 있다.
상기 전치증폭기는 검출기의 출력전압이 매우 낮기 때문에 직접 검출기에 연결하여 출력 펄스를 1차 증폭시킨다. 또한, 검출기 출력 임피던스와 주증폭기 입력신호 연결선의 임피던스를 일치시키고, 검출기에서 나온 출력 펄스를 미분회로를 이용하여 짧은 펄스로 변화시킨다. 검출기 내에 방사선과의 상호작용에 의하여 발생된 전하량에 비례하는 신호의 크기를 출력하는 전하민감형(charge sensitive) 전치증폭기가 주로 이용된다.
상기 주증폭기는 빠른 상승시간(rise time)과 느린 붕괴시간(decay time)을 갖는 전치증폭기 출력신호에 대한 펄스성형과 신호대잡음(S/N)비 개선을 위하여 신호를 선형적으로 증폭시키는 기능을 한다. 펄스 성형은 RC회로와 CR회로를 조합하여 사용함으로써 가우스형, 삼각파형, 사다리형, 양극형 파형을 만들수 있다.
상기 주증폭기에서는 이득조정, 입력신호 극성 조정, pole-zero 조정, 기준선 복구, 펄스 중첩 제거 등의 작업을 수행한다.
상기 이득조정은 전치증폭기로부터 입력되는 신호의 크기에 대해서 비례적으로 증폭시키기 위한 것으로 증폭율은 수십~수백배 정도이다.
상기 입력신호 극성 조정에서는 전치증폭기의 출력신호 극성에 따라 제어하는데, P-형 게르마늄 검출기의 경우 전치증폭기의 출력신호는 (-)이므로 주증폭기의 입력신호도 (-)로 해야 한다.
상기 성형시간(shaping time) 조정에서는 계수율을 고려하면서 분해능이 가장 좋도록 하기 위해서 파형의 성형시간을 조절한다.
상기 pole-zero 조정에서는 상승시간에 비해 상대적으로 느린 하강시간을 갖는 실제 전치증폭기의 출력신호의 특성상 펄스의 언더슈트(undershoot)가 나타난다.
만약 펄스 신호가 다시 0의 값으로 회복하기 전에 다음 신호가 뒤이어 들어온다면 언더슈트된 신호에 의해 새로 유입되는 신호 크기에 영향을 미치게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 CR회로의 축전기(capacitor)와 병렬로 가변저항(resistor)을 추가한다. 이 가변저항을 조정함으로써 언더슈트를 없앨 수 있다. 이러한 조정 작업은 오실로스코프에 주증폭기의 출력신호를 입력하여 파형을 관찰하면서 조정한다.
상기 기준선 복구(baseline restoration)는 기준선 이동을 보정하는 조정작업이다. 기준선 이동은 축전기가 직류를 통하지 않기 때문에 CR-RC 회로에서 미분회로의 축전기의 우측의 임의의 점의 평균 직류 전압은 0이 되어야 하고, 직류전압이 0이 아닌 경우에는 일정한 전류가 저항을 거쳐 흐르게 되므로 펄스위에 놓인 기준선이 실제 0보다 밑으로 내려가면서 발생한다. 기준선 이동은 펄스간의 평균 간격이 짧아짐에 따라 그 영향은 커진다. 기준선 복구는 양극형인 펄스 성형에 의하여 제거할 수 있다. 하지만, 양극형의 파형으로 만들게 되면 단극형보다 필연적으로 신호대잡음비가 나빠지기 때문에 능동회로를 써서 기준선을 복원시키는 방법이 일반적이다.
상기 펄스 중첩(pulse pile-up) 제거는 높은 계수율에서 펄스사이의 간섭효과를 최소한으로 줄이기 위한 작업이며, 펄스의 전체 폭을 될 수 있는 한 짧게함으로써 최소화할 수 있다.
중첩현상은 일반적으로 후미중첩(tail pile-up)과 봉우리중첩(peak pile-up)이 있다. 후미중첩은 선행펄스의 긴 시간폭 후미나 언더슈트 부분에서 펄스가 중복되어 일어나며, 에너지분해능이 현저히 떨어진다. 봉우리중첩은 두 펄스가 너무 근접해 있어서 하나의 펄스로 인식하여 평편한 정점을 갖게 되는 것을 말한다. 선형증폭기에서는 펄스를 선택적으로 버릴 수 있도록 능동회로를 사용한다.
상기 펄스파고분광분석법에서는 다중채널분석기(multi-channel analyser) 또는 단일채널분석기(single channel analyser)를 이용한다. 단일채널분석기는 기준전압을 순차적으로 올려 그 때마다 계수율을 구하여 분광분석을 수행하므로 많은 시간이 소요되지만, 다중채널분석기를 사용하면 단시간 내에 효율적으로 정확하게 측정할 수 있다.
상기 단일채널분석기는 하한준위선별기(lower discriminator; LLD)와 상한준위선별기(upper level discriminator; ULD)와 반동시회로를 이용하여 펄스 크기의 분포를 측정하는 방법으로서 증폭기에서 나온 펄스 중 LLD와 ULD 사이에 존재하는 신호만을 계수하여 기록한다.
단일채널분석기를 이용하여 에너지 분광분석을 수행하기 위해서는 두 선별기 준위를 이동시키면서 계수를 반복하여 가로축을 펄스의 크기로 하고 세로축을 계수로 하면 에너지 분광분석이 가능하다. 이와 같이 에너지 분광분석자료를 얻기 위해서는 반복측정을 해야 하므로 에너지 분광분석에는 잘 사용하지 않고 특정한 에너지의 방사선 유무 감시 혹은 단일 에너지의 방사선 검출이 목적인 분야에서 주로 사용된다. 하지만, 선별기의 에너지 폭을 아주 미세하게 설정할 수 있기 때문에 다양한 에너지를 지닌 특정 핵종 감시 등의 응용분야에서는 유용하다.
상기 다중채널분석기는 선형증폭기로부터 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이(pulse height)별로 분류, 수집, 기억 및 출력하기 위한 장치이다. 다중채널분석기는 아날로그-디지털 변환기, 메모리, 표시장치로 구성되어 있어 축적된 데이터를 외부의 컴퓨터에 전송 또는 프린터에 출력한다. 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 신호인 펄스 파고값을 디지털값인 시간 펄스로 바꾸고, 시간 펄스 수와 같은 채널의 데이터 메모리에 신호를 보낸다.
현재 사용되고 있는 아날로그-디지털 변환기의 대부분은 윌킨슨 방식을 이용한다. 아날로그-디지털 변환기의 변환속도는 펄스파고를 분석하는 동안의 불감시간에 관계하는 것으로 변환속도가 빠를수록 불감시간은 짧아진다. 아날로그-디지털 변환기는 다중채널분석기의 성능특성을 결정하는데 있어 가장 중요한 요소이며, 채널의 최대 수만큼 컴퓨터 기억장치에 저장할 수 있다.
메모리는 펄스높이별로 신호의 계수를 기억하는 기능을 담당한다. 다중채널분석기에는 주증폭기에 의해 성형된 펄스신호 중 잡음신호를 제어하기 위하여 자동한계치제어 회로가 포함되는 경우가 있다. 일반적으로 자동한계치제어 회로는 입력 펄스신호 중 음의 값을 갖는 부분의 신호크기를 잡음신호로 간주하여 한계값을 설정하고, 이어서 들어오는 펄스신호가 그 이하의 크기를 갖는 경우 신호로서 기록하지 않고, 한계값 이상의 크기를 갖는 펄스신호만 인식하고 기록한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대상 시료내 중성자 감쇠 물질의 함량 변화에 따른 중성자 검출기의 펄스파고분광분석자료의 형태변화를 감지할 수 있는 중성자 펄스파고분광분석 방법의 분석 신뢰도를 향상시키고 이와 같이 신뢰도가 향상된 중성자 계측 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 계측 시스템은 중성자를 발생하는 중성자 선원; 열중성자 혹은 고속중성자를 검출할 수 있는 검출기; 검출기 펄스신호를 1차 증폭 처리하기 위한 전치증폭기; 상기 전치증폭기 신호의 펄스성형을 위한 주증폭기; 상기 주증폭기에서 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이에 따라 분류, 수집 및 기억시킬 수 있는 다중채널분석기; 상기 다중채널분석 결과를 나타낼 수 있는 출력장치;를 포함한다.
상기 중성자 선원으로는 252Cf, 241Am-Be, 240Po/Be, 226Ra-Be 등 방사성동위원소를 이용하거나, 중수소-중수소 중성자 발생장치, 중수소-삼중수소 중성자 발생장치를 이용할 수 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 중성자 검출기는, 열중성자 혹은 고속중성자를 검출이 가능한 BF3 비례계수관, 3He 비례계수관, 6LiI(Eu) 섬광계수관으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 가장 바람직하게는 3He 비례계수관을 사용한다.
또한, 상기 주증폭기에서는, 전치 증폭기 신호에 대하여 양극형 펄스성형을 수행한다.
아울러, 상기 다중채널분석기 내 자동한계치조정회로는, 상기 주증폭기에서 발생하는 양극형 펄스성형에 의한 입력 신호 중 음의 값을 갖는 부분의 신호크기를 잡음신호로 간주하여 한계값을 설정하고, 이어서 들어오는 펄스신호가 그 이하의 크기를 갖는 경우 신호로서 기록하지 않고, 한계값 이상의 크기를 갖는 펄스신호만 인식하고 기록한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 펄스파고분광분석 방법은 중성자 발생부의 표적물질 또는 방사성 동위원소로부터 발생하는 중성자를 대상 분체시료에 조사하는 중성자 조사단계; 상기 중성자가 대상 분체시료로부터 산란 및 흡수 과정을 거쳐 방출되는 중성자를 검출하는 중성자 검출단계; 대상 분체시료에 대해, 상기 중성자 조사단계와 중성자 검출단계를 통해, 중성자 펄스파고분광분석 그래프의 계수율에 따른 검량선을 각각 결정하는 검량선 결정단계; 및 대상시료에서 상기 중성자 조사단계와 중성자 검출단계를 통해 측정된 열중성자 및 고속중성자의 산란세기를 상기 검량선과 비교하여, 대상시료내 중성자 감쇠 물질의함량을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 검량선 결정단계는 중성자 검출기로서 BF3 기체비례계수관 혹은 3He 기체비례계수관을 사용하는 경우에 대해서, 7Li 혹은 1H에 의한 벽면효과가 존재하는 다중채널분석기 내 채널 영역을 선정하여 계수율 적분에 의해 검량선을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 검량선 결정단계는, 중성자 자기차폐 효과가 발생하는 수준의 다량의 시료와 중성자 감쇠물질 함량을 포함하는 영역에 이르기까지 검량선을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 중성자 계측 시스템은, 주증폭기에서의 펄스신호를 처리하는 방식 중 단극형 펄스신호처리 대신, 양극형 펄스신호처리를 사용하고, 다중채널분석기의 자동한계치조정회로를 이용한 신호처리 방법을 조합하여 사용하여 대상 시료내 중성자 감쇠 물질의함량 변화에 따른 펄스파고분광분석자료의 형태변화를 감지할 수 있기 때문에 기존의 중성자 분석의 신뢰도를 크게 향상시킴으로써 분체 내 수분함량 분석, 지뢰탐지, 핵물질 분석 등 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 중성자 계측 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 주증폭기의 양극성 성형에 의해 처리된 전형적인 펄스신호의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 주증폭기의 양극성 성형 혹은 단극성 성형에 의해 발생할 수 있는 음의 부호를 갖는 신호를 잡음으로 처리하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 계측 시스템의 펄스파고분광분석 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 60% 이상의 물을 포함하는 모래와 건조한 모래를 직경 10cm 원통에 담아 흘려 내보내면서 이동 중의 분체시료 내 수분함량을 분석하기 위한 중성자 수분분석 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 3He 기체비례계수관을 이용하여 열중성자를 검출하는 경우, 이론적으로 얻을 수 있는 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 7과 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 8의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 감마선에 의한 계수율을 제거하고 모든 채널에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 7과 도 8의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 양성자에 의한 벽면효과가 발생하는 채널(단극형의 경우 300 ~ 1100 채널, 양극형의 경우 0 ~ 900 채널)에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 60% 이상의 물을 포함하는 모래와 건조한 모래를 직경 15cm 원통에 담아 흘려 내보내면서 이동 중의 분체시료 내 수분함량을 분석하기 위한 중성자 수분분석 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나도록 조건을 설정한 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 13는 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나도록 조건을 설정한 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 14은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나도록 조건을 설정한 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 12와 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 13의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 감마선에 의한 계수율을 제거하고 모든 채널에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 12와 도 13의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 양성자에 의한 벽면효과가 발생하는 채널(단극형의 경우 300 ~ 1100 채널, 양극형의 경우 0 ~ 900 채널)에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다
도 2는 주증폭기의 양극성 성형에 의해 처리된 전형적인 펄스신호의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 주증폭기의 양극성 성형 혹은 단극성 성형에 의해 발생할 수 있는 음의 부호를 갖는 신호를 잡음으로 처리하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 계측 시스템의 펄스파고분광분석 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 60% 이상의 물을 포함하는 모래와 건조한 모래를 직경 10cm 원통에 담아 흘려 내보내면서 이동 중의 분체시료 내 수분함량을 분석하기 위한 중성자 수분분석 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 3He 기체비례계수관을 이용하여 열중성자를 검출하는 경우, 이론적으로 얻을 수 있는 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 7과 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 8의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 감마선에 의한 계수율을 제거하고 모든 채널에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 5의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 7과 도 8의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 양성자에 의한 벽면효과가 발생하는 채널(단극형의 경우 300 ~ 1100 채널, 양극형의 경우 0 ~ 900 채널)에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 60% 이상의 물을 포함하는 모래와 건조한 모래를 직경 15cm 원통에 담아 흘려 내보내면서 이동 중의 분체시료 내 수분함량을 분석하기 위한 중성자 수분분석 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나도록 조건을 설정한 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 13는 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나도록 조건을 설정한 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 중성자 펄스파고분광분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 14은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나도록 조건을 설정한 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 12와 양극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 13의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 감마선에 의한 계수율을 제거하고 모든 채널에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 중성자 자기차폐 효과가 나타나지 않는 도 11의 조건에 따라 3He 기체비례계수관을 이용하여 이동 중인 분체시료 내 수분에 의해 발생하는 열중성자를 검출하고, 주증폭기에서 단극형 펄스성형을 거쳐 입수한 도 12와 도 13의 중성자 펄스파고분광분석 그래프에서 양성자에 의한 벽면효과가 발생하는 채널(단극형의 경우 300 ~ 1100 채널, 양극형의 경우 0 ~ 900 채널)에서의 계수율을 적분하여 시료의 이동에 따른 계수율의 의존성을 나타낸 도면이다
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합하나 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 계측 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 중성자 계측 시스템(100)은 중성자를 발생하는 중성자 선원(미도시), 열중성자 혹은 고속중성자를 검출하는 중성자 검출기(10), 상기 검출기(10)의 펄스신호를 1차 증폭 처리하기 위한 전치증폭기(20), 양극형 펄스성형을 위한 주증폭기(30), 특정 조건에서 주증폭기의 펄스신호의 일부를 제거할 수 있는 자동한계치조정회로를 포함하는 다중채널분석기(40) 및 검출기 전원공급 장치(50)를 포함한다.
상기 중성자 검출기(10)는 3He 비례계수관을 이용한다. 열중성자 포획단면적이 큰 편에 속하지만, Q값이 낮기 때문에 펄스 계수의 손실이 발생할 수 있고, 감마선에 의한 펄스를 분리하기가 어렵다는 단점이 있다. 하지만, 기체 충전압력을 바꾸면 에너지 반응 영역을 변화시킬 수 있기 때문에 효과적인 중성자 검출기로서 가장 많이 활용되고 있다.
상기 전치증폭기(20)는 전하량에 비례하는 신호의 크기를 출력하는 전하민감형(charge sensitive) 전치증폭기를 이용한다.
상기 주증폭기(30)는 RC(resistor-capacitor)회로와 CR(capacitor-resistor)회로를 조합하여 펄스성형을 수행하는데, CR-RC-CR로 이루어져 있는 이중미분회로를 사용하여 도 2에 나타낸 것과 같이 양극형 파형으로 성형한다. 이때 각 RC 및 CR회로의 시간상수는 대부분 같은 값을 갖도록 설정하지만, 반드시 같을 필요는 없다.
상기 주증폭기(30)에서는 이득조정, 입력신호 극성 조정, pole-zero 조정, 기준선 복구, 펄스 중첩 제거 등의 작업을 수행한다.
상기 이득조정은 전치증폭기(20)로부터 입력되는 신호의 크기에 따라 증폭율이 수십~수백배 정도가 되도록 설정한다.
상기 입력신호 극성 조정에서는 전치증폭기(20)의 출력신호 극성에 따라 제어하는데, 3He 기체비례계수관을 사용하는 경우 전치증폭기(20)의 출력신호는 (+)이므로 주증폭기(30)의 입력신호도 (+)로 설정한다.
상기 성형시간(shaping time) 조정에서는 계수율을 고려하면서 분해능이 가장 좋도록 적절히 성형시간을 조절한다.
상기 pole-zero 조정에서는 단극형 펄스신호의 언더슈트를 없앨 수 있지만, 본 발명에서는 양극형 펄스신호를 사용하기 때문에 pole-zero 조정 과정을 생략한다.
상기 기준선 복구(baseline restoration)는 기준선 이동을 보정하는 조정작업으로서 양극형 펄스성형에 의하여 제거할 수 있기 때문에 기준선 복구 과정을 생략하는 것을 특징으로 한다.
상기 펄스 중첩(pulse pile-up) 제거는 높은 계수율에서 펄스사이의 간섭효과를 최소한으로 줄이기 위한 작업이며, 펄스의 전체 폭을 될 수 있는 한 짧게함으로써 최소화할 수 있으며 펄스를 선택적으로 버릴 수 있도록 능동회로를 사용한다.
또한, 본 발명의 중성자계측 시스템에서 사용되는 상기 펄스파고분광분석 방법은 다중채널분석기(multi-channel analyser)를 사용하여 선형증폭기로부터 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이(pulse height)별로 분류, 수집, 기억 및 출력한다.
상기 다중채널분석기는 아날로그-디지털 변환기, 메모리, 표시장치로 구성되어 있어 축적된 데이터를 외부의 컴퓨터에 전송 또는 프린터에 출력한다. 아날로그-디지털 변환기의 변환속도는 펄스파고를 분석하는 동안의 불감시간을 줄이기 위해서 변환속도가 가능한한 빠른 것을 사용하는 것이 좋지만, 반드시 이를 한정할 필요는 없다.
본 발명의 다중채널분석기에는 주증폭기(30)에 의해 성형된 펄스신호 중 잡음신호를 제어하기 위하여 자동한계치제어 회로를 포함한다. 자동한계치제어 회로에서는 도 3에 나타낸 것과 같이 주증폭기(30)를 거쳐 나오는 양극형 펄스신호 중 음의 값을 갖는 부분의 신호크기를 잡음신호로 간주하여 한계값을 이와 동일한 크기 혹은 약간 크게 설정하고, 이어서 들어오는 입력 펄스신호가 그 이하의 크기를 갖는 경우 신호로서 기록하지 않고, 한계값 이상의 크기를 갖는 펄스신호만 인식하고 기록한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 계측 시스템의 펄스파고분광분석 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펄스파고분광분석 방법은 중성자 발생부의 표적물질 또는 방사성 동위원소로부터 발생하는 중성자를 대상 분체시료에 조사하는 중성자 조사단계(S10), 상기 중성자가 대상 분체시료로부터 산란 및 흡수 과정을 거쳐 방출되는 중성자를 검출하는 중성자 검출단계(S20), 대상 분체시료에 대해, 상기 중성자 조사단계(S10)와 중성자 검출단계(S20)를 통해, 중성자 펄스파고분광분석 그래프의 계수율에 따른 검량선을 각각 결정하는 검량선 결정단계(S30) 및 대상시료에서 상기 중성자 조사단계와 중성자 검출단계(S20)를 통해 측정된 열중성자 및 고속중성자의 산란 세기를 상기 검량선과 비교하여, 대상시료내 중성자 감쇠 물질의 함량을 결정하는 단계(S40)를 포함한다.
< 제1 실시예 >
본 발명의 제1 실시예에 따른 중성자 계측 시스템의 펄스파고분광분석 방법에서, 대상 시료 내 포함되어 있는 수분의 함량 결정 단계는 다음과 같다.
상기 수분함량 결정단계는 도 5에 나타낸 것과 같이 60% 이상의 물을 포함하는 모래와 건조한 모래를 직경 10cm 원통에 담아 흘려 내보내면서 상기 중성자 조사단계와 열중성자 및 고속중성자 검출단계를 통해, 펄스파고분광분석 그래프의 특정 영역의 계수율을 적분하여 농도에 따른 계수율 검량선을 결정한다.
분체시료에 중성자를 조사하고, 수분에 존재하는 수소원자에 의하여 중성자의 에너지가 감소하는 중성자 감쇠현상에 의하여 발생하는 열중성자를 3He 기체비례계수관을 사용하여 감지하고, 감지된 펄스신호를 전하민감형(charge sensitive) 전치증폭기를 사용하여 1차 증폭한 후, 주증폭기의 단극형 펄스성형을 거쳐 얻을 수 있는 이론적 펄스파고분광분석 그래프를 도 6에 나타내었다.
일례로서, 중성자 선원으로서 252Cf를 사용하여 60% 이상의 수분을 함유하고 있는 분체시료에 중성자를 조사하고, 수분에 존재하는 수소원자에 의하여 중성자의 에너지가 감소하는 중성자 감쇠현상에 의하여 발생하는 열중성자를 3He 기체비례계수관을 사용하여 100초 동안 감지하고, 감지된 펄스신호를 전하민감형(charge sensitive) 전치증폭기를 사용하여 1차 증폭한 후, 주증폭기의 단극형 펄스성형을 거쳐 얻은 펄스파고분광분석 그래프를 도 7에 나타내었고, 주증폭기의 양극형 펄스성형을 거쳐 얻은 펄스파고분광분석 그래프를 도 8에 나타내었다.
도 9에서는 도 7과 도 8에서의 펄스파고분광분석 그래프 중 300이하의 채널에서 발생하는 감마선에 의한 계수율을 제거하고 나머지 채널에서의 계수율을 모두 적분한 값과 분체시료의 이동 사이의 관계를 비교하여 나타내었다.
도 10에서는 도 7과 도 8에서의 펄스파고분광분석 그래프 중 3He 기체비례계수관 내에서 핵반응에 의해 발생한 양성자에 의한 벽면효과(wall-effect)가 발생하는 부분(단극형의 경우 300 ~ 1100 채널, 양극형의 경우 0 ~ 900 채널)만을 선택적으로 취하여 적분한 값과 분체시료의 이동 사이의 관계를 비교하여 나타내었다.
결과적으로, 중성자 자기차폐(self-shielding) 효과가 없는 수분함량 영역에서의 주증폭기의 단극형 펄스성형과 양극형 펄스성형을 거쳐 얻은 펄스파고분광분석 그래프에서는 이론적으로 예상할 수 있는 중성자 감쇠에 의한 계수율 증가가 관찰되었다. 따라서, 일반적인 중성자 수분분석 시스템에서는 중성자를 이용함으로써 효과적으로 수분분석을 수행할 수 있다.
< 제2 실시예 >
본 발명의 제2 실시예에 따른 중성자 계측 시스템의 펄스파고분광분석 방법에서, 대상 분체시료 내 포함되어 있는 수분의 함량 결정 단계는 다음과 같다.
상기 수분함량 결정단계는 도 11에 나타낸 것과 같이 직경 15cm 원통에 담아 60% 이상의 물을 포함하는 모래와 건조한 모래를 흘려 내보내면서 상기 중성자 조사단계와 열중성자 및 고속중성자 검출단계를 통해, 펄스파고분광분석 그래프의 특정 영역의 계수율을 적분하여 농도에 따른 계수율 검량선을 결정한다.
일례로서, 중성자 선원으로서 252Cf를 사용하여 60% 이상의 수분을 함유하고 있는 분체시료에 중성자를 조사하고, 수분에 존재하는 수소원자에 의하여 중성자의 에너지가 감소하는 중성자 감쇠현상에 의하여 발생하는 열중성자를 3He 기체비례계수관을 사용하여 100초 동안 감지하고, 감지된 펄스신호를 전하민감형(charge sensitive) 전치증폭기를 사용하여 1차 증폭한 후, 주증폭기의 단극형 펄스성형을 거쳐 얻은 펄스파고분광분석 그래프를 도 12에 나타내었고, 주증폭기의 양극형 펄스성형을 거쳐 얻은 펄스파고분광분석 그래프를 도 13에 나타내었다.
도 14에서는 도 12에서의 펄스파고분광분석 그래프 중 300이하의 채널에서 발생하는 감마선에 의한 계수율을 제거하고 나머지 채널에서의 계수율을 모두 적분한 값과 분체시료의 이동 사이의 관계를 비교하여 나타내었다.
도 15에서는 도 13에서의 펄스파고분광분석 그래프 중 3He 기체비례계수관 내에서 핵반응에 의해 발생한 양성자에 의한 벽면효과가 발생하는 부분(단극형의 경우 300 ~ 1100 채널, 양극형의 경우 0 ~ 900 채널)만을 선택적으로 취하여 적분한 값과 분체시료의 이동 사이의 관계를 비교하여 나타내었다.
결과적으로, 도 14에 나타낸 것과 같이 펄스파고분광분석 그래프에서 감마선 영향을 배제한 전체 채널의 계수율을 모두 적분한 값과 분체시료의 이동 사이의 관계에서는 분체시료의 이동에 따라 중성자 자기차폐 효과에 의하여 오히려 계수율이 감소하는 현상을 나타내었다. 따라서, 대상시료의 양이 큰 대형 공정에서는 중성자 자기차폐 효과에 의한 영향을 구분하지 못하는 경우가 발생한다.
이에, 도 15에 나타낸 것과 같이 펄스파고분광분석 그래프 중 3He 기체비례계수관 내에서 핵반응에 의해 발생한 양성자에 의한 벽면효과가 발생하는 부분만을 선택적으로 취하여 적분한 값과 분체시료의 이동 사이의 관계를 나타내면 주증폭기의 단극형 펄스성형의 경우에는 도 14와 동일하게 대상시료의 이동과 함께 계수율이 감소하지만, 양극형 펄스성형을 거치면, 신호가 여전히 증가하는 것으로부터 중성자 자기차폐 효과에 의한 효과를 배제하고, 수분함량의 증가를 분석해 낼 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 검출기 20 : 전치증폭기
30 : 주증폭기 40 : 다중채널분석기
50 : 검출기 전원공급장치 100: 중성자 계측 시스템
30 : 주증폭기 40 : 다중채널분석기
50 : 검출기 전원공급장치 100: 중성자 계측 시스템
Claims (9)
- 중성자를 발생시켜 분체시료에 조사하기 위한 중성자 선원;
상기 중성자 선원에서 조사된 중성자에 의하여 분체시료로부터 방출되는 열중성자 또는 고속중성자를 검출할 수 있는 검출기;
상기 검출기의 펄스신호를 1차 증폭 처리하기 위한 전치증폭기;
상기 전치증폭기 신호의 양극형 펄스성형을 위한 주증폭기;
상기 주증폭기에서 출력되는 펄스신호를 펄스의 높이에 따라 분류, 수집 및 기억시킬 수 있는 자동한계치 조정회로를 포함하는 다중채널분석기; 및
상기 다중채널분석기로부터 도출되는 결과를 나타낼 수 있는 출력장치;를 포함하는 중성자 계측 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 중성자 선원은,
252Cf, 241Am-Be, 240Po/Be, 226Ra-Be 중 어느 하나를 포함하는 방사성동위원소인 것을 특징으로 하는 중성자 계측 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 중성자 선원은,
중수소-중수소 중성자 발생장치 또는 중수소-삼중수소 중성자 발생장치를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 중성자 계측 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 검출기는,
BF3 기체비례계수관 또는 3He 기체비례계수관을 포함하는 것을 특징으로하는 중성자 계측 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 다중채널분석기는,
상기 주증폭기에 의하여 성형된 양극형 펄스에 대하여 자동한계치조정회로를 사용하여 그 한계값의 크기를 양극형 펄스의 음의 부호를 갖는 신호의 크기의 1 ~ 2배로 설정하고, 한계값 이하 크기의 입력 펄스신호를 모두 제거하는 것을 특징으로 하는 중성자 계측 시스템.
- 제1항의 중성자 계측 시스템을 이용하여,
중성자 발생부의 표적물질 또는 방사성 동위원소로부터 발생하는 열중성자 및 고속중성자를 대상 분체시료에 조사하는 중성자 조사단계;
상기 중성자가 대상 분체시료로부터 산란 및 흡수 과정을 거쳐 방출되는 중성자를 검출하는 중성자 검출단계;
대상 분체시료에 대해, 상기 중성자 조사단계와 중성자 검출단계를 통해, 중성자 펄스파고분광분석 그래프의 계수율을 적분하고, 이를 분체시료의 농도에 따라 반복하여, 분체시료의 농도에 따른 계수율 검량선을 결정하는 검량선 결정단계 ; 및
대상 분체시료에 상기 중성자 조사단계와 동일하게 중성자를 조사하고, 상기 중성자 검출단계와 동일하게 열중성자 및 고속중성자를 검출하여, 이를 상기 검량선과 비교하여 대상시료내 중성자 감쇠 물질의 함량을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자 펄스파고분광분석 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 검량선 결정단계는,
중성자 검출기로서 BF3 기체비례계수관 혹은 3He 기체비례계수관을 사용하는 경우에 대해서,
7Li 혹은 1H에 의한 벽면효과가 존재하는 다중채널분석기 내 채널 영역을 선정하여 계수율 적분에 의해 검량선을 결정하는 것을 특징으로 하는 중성자 펄스파고분광분석 방법.
- 제7항 또는 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 검량선 결정단계는,
중성자 자기차폐 효과가 발생하는 수준의 다량의 시료와 중성자 감쇠물질 함량을 포함하는 영역에 이르기까지 검량선을 결정하는 것을 특징으로 하는 중성자 펄스파고분광분석 방법.
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