KR101707957B1 - 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치 및 방법 - Google Patents

매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엑셀 VBA(visual basic application)로 구현된 화면에서 방사선 검출기에 의존하지 않고 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능을 간편하게 결정할 수 있는 방법에 관한 것으로, 두 방사선 검출기 높이에서 이론적인 방사선 플루언스 비와 실제 매질 내 핵종에 대하여 측정한 방사선 계수율 비를 계산하는 단계; 매질 내 핵종의 깊이를 변화시켜 상기 방사선 플루언스 비와 방사선 계수율 비가 같아지는 깊이를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 매질내 핵종의 깊이에서 측정된 방사선 플루언스의 밀도를 보정하여 매질내 핵종의 방사능을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING SOURCE DEPTH AND RADIOACTIVITY IN MEDIUM}
본 발명은 방사선 검출기에 의존하지 않고 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능을 간편하게 결정할 수 있는 방사능 결정 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자력시설의 해체나 제염 등을 위해서는 어떤 방사능오염이 존재하는 매질 내 최대 방사능 농도의 깊이를 찾거나 매질 내에 실제 파묻힌 미지의 방사성동위원소(RI)의 깊이를 알아내야 한다.
이를 위해 이동형 방사선 검출기를 이용한 분광분석이 사용되고 있다. 상기 분광분석에는 Al-Ghamdi 등이 개발한 특정 알고리즘(Health Physics, vol. 84(5), p. 632-636)을 이용한 방법이 주로 활용되고 있다. 그런데, 상기 방법은 단지 매질에 파묻힌 방사성 물질의 깊이는 찾아낼 수 있지만 찾아낸 깊이에 있는 방사성 물질의 방사능 값에 대한 정보는 제공하지 못한다.
따라서, 방사능을 결정하기 위해서는 또 다른 현장분석(in-situ) 프로그램을활용해야 하는데, 해당 프로그램은 전적으로 수입에 의존하고 있고 주요 메이저회사에서 제공하는 현장분석 프로그램의 특성상 고가의 비용을 지불해야 하며 사용자에 대한 전문성이 요구된다.
도 1은 방사성 핵종 및 방사선 검출기의 배열을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 매질(100)에 파묻힌 방사성 핵종(또는 선원)(S)의 깊이를 찾아내기 위한 간단한 방법(알고리즘)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 상기 방법은 Al-Ghamdi의 논문에 자세히 나와 있고 현재 현장분석에서 많이 이용되고 있다.
[수학식 1]
Figure 112015024404666-pat00001
여기서, C1(E)와 C2(E)는 방사선 검출기(200)의 높이 h1 및 h2에서 측정된 에너지 E인 방사선의 계수율(cps)을 나타내고, x는 매질 내 깊이를 의미한다.
그런데, 검출기 높이(h1 및 h2)는 도 1에 도시된 바와같이, 방사선 검출기 (200)의 입사면까지의 높이가 아니라 방사선 검출영역의 유효중심(d)까지의 거리를 의미한다. 즉, 사용되는 방사선 검출기마다 입사면에서부터 유효중심(d)까지의 거리는 서로 다르다.
따라서, 상기 방법을 사용하고자 하는 경우에는 사용되는 방사선 검출기의 유효중심 값을 실험적으로 구해 알고 있어야 한다. 또한, 수학식 1에서 오른쪽의 위치 정보는 2차항의 비(ratio)이기 때문에 검출기(200)의 유효중심 거리의 작은 변화라 할지라도 그 의존성은 크게 나타나며, 이는 상기 방법이 사용되는 검출기에 의존한다는(좌우된다는) 것을 의미한다.
그리고 측정된 깊이(x)에 존재하는 방사성 핵종(S)에 대한 방사능을 측정(결정)하기 위해서는 이론적 시뮬레이션 기능을 탑재한 고가의 모델링 프로그램이 필요하다. 도 2에는 시뮬레이션 기능을 탑재한 Canberra사의 ISOCS(in-situ object counting system) 모델링 프로그램이 도시되어 있다.
그러나, 상기와 같은 모델링 프로그램은 고가일 뿐만 아니라 정확한 측정값을 구하기 위해서는 해당 프로그램을 운영하기 위한 전문적인 지식이 반드시 동반되어야 하는데, 이는 필연적으로 막대한 시간 및 비용적인 단점을 초래하게 된다.
본 발명의 목적은 방사선 검출기에 의존하지 않고 매질 내 방사성 핵종의 깊이 및 방사능을 측정할 수 있는 매질내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 하나의 프로그램에서 구현하여 매질 내 방사성 핵종의 깊이 및 방사능을 동시에 측정할 수 있는 매질내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 핵종의 매질 내 깊이를 찾고 방사능을 계산하는 모든 절차를 엑셀프로그램 베이스로 구현하여 누구나 쉽게 활용할 수 있는 매질내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법은, 두 방사선 검출기 높이에서 이론적인 방사선 플루언스 비와 실제 매질 내 핵종에 대하여 측정한 방사선 계수율 비를 계산하는 단계; 매질 내 핵종의 깊이를 변화시켜 상기 방사선 플루언스 비와 방사선 계수율 비가 같아지는 깊이를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 매질내 핵종의 깊이에서 측정된 방사선 플루언스의 밀도를 보정하여 매질내 핵종의 방사능을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 계수율 비를 계산하는 단계는, 방사성 핵종의 에너지 및 방사선 검출기의 높이를 선택하는 단계; 상기 선택된 두 방사선 검출기 높이에서 매질 내 방사성 핵종의 소정 깊이에 따른 방사선 플루언스를 계산하는 단계; 상기 두 방사선 검출기 높이에서 방사성 핵종으로부터 방출된 감마선의 계수값 및 측정 시간을 입력하여 방사선 계수율을 계산하는 단계; 및 두 방사선 검출기 높이에서의 방사선 플루언스 비 및 방사선 계수율 비를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 매질 내 핵종의 깊이를 결정하는 단계는 엑셀 VBA(visual basic application)로 구현되며, 상기 핵종의 깊이는 핵종의 깊이값과 연계되어 화면에 표시된 스크롤 바에 의해 변화된다.
상기 핵종의 방사능을 결정하는 단계는 상기 결정된 방사성 핵종의 깊이에 따른 각 검출기 높이에서의 방사선 플루언스를 계산하는 단계; 상기 방사성 핵종의 에너지에 대한 검출기의 반응함수 값을 계산하는 단계; 상기 계산된 플루언스의 밀도를 실제 매질의 밀도로 보정하는 단계; 상기 밀도 보정된 플루언스와 상기 계산된 반응함수 값을 곱하여 교정값을 계산하는 단계; 및 상기 각 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율 값, 상기 계산된 교정값 및 매질 내 방사성 핵종의 감마선 방출률을 이용하여 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 핵종의 방사능을 결정하는 단계는 엑셀 VBA(visual basic application)로 구현된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 장치는, 매질 내 핵종의 방사선을 측정하는 방사선 검출기; 및 방사선 검출기의 서로 다른 높이에서 이론적인 방사선 플루언스 비와 실제 측정한 매질 내 핵종의 방사선 계수율 비를 계산하고, 매질 내 핵종의 깊이를 변화시키면서 방사선 플루언스 비와 방사선 계수율 비가 같아지는 핵종의 깊이를 결정하고, 결정된 핵종의 깊이에서 핵종의 방사능을 결정하는 제어 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법은 원자력시설의 해체나 제염 등을 위해 어떤 방사능오염이 존재하는 매질 내 최대 방사능농도의 깊이를 찾거나 매질 내 실제 파묻힌 미지의 방사성 동위원소 자체의 깊이를 간단히 찾아낼 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법은 전적으로 수입에 의존하고 있는 고가의 현장분석 프로그램의 도움 없이 간단한 방사선 플루언스의 이론적 계산결과에 대한 데이타베이스로 매질 내 방사성핵종의 방사능을 정확히 계산할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법은 사용되는 검출기의 종류에 관계없이 고도별 계수율 값만으로 간단히 방사성 핵종의 깊이를 찾아낼 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 매질 내 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법은 방사성 핵종의 깊이를 찾고 방사능을 계산하는 모든 절차를 엑셀프로그램 베이스에서 구현함으로써 방사능 계산과 프로그램 운영에 대한 전문지식이 없어도 누구나 쉽게 활용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 방사성 핵종 및 검출기 배열의 일 예를 나타낸 도면.
도 2는 도 2는 ISOCS 모델링 프로그램을 나타낸 도면.
도 3은 방사선 검출기의 높이에서 매질 내 핵종 깊이에 따라 측정된 방사선 플루언스를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법을 나타낸 순서도.
도 5 및 도 6은 핵종의 깊이를 결정하는 단계를 엑셀 VBA(visual basic application)로 구현한 프로그램 화면의 일 예.
도 7은 핵종의 방사능을 결정하는 단계를 엑셀 VBA로 구현한 프로그램 화면의 일 예.
도 8은 방사선 플루언스의 밀도 보정 방법을 나타낸 실시예.
본 명세서에 있어서 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 "알고리즘", "프로그램', "방법"은 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
종래에는 서로 다른 프로그램 즉, 검출기를 이용하여 매질 내 방사성 핵종의 깊이를 찾아내는 방법(알고리즘)과 핵종의 방사능을 결정하는 방법(알고리즘)을 사용하여 매질 내 방사성 핵종의 깊이 및 방사능을 구하였다. 그 결과 각 프로그램을 운영하는데 막대한 시간과 비용이 소요되었다.
따라서, 본 발명은 검출기에 의존하지 않으면서 하나의 프로그램을 이용하여 핵종의 매질 내 깊이 및 방사능성을 구할 수 있는 방안을 제안한다.
본 발명은 도 1에 도시된 방사성 핵종 및 방사선 검출기의 배열을 사용하며, 상기 방사선 검출기에 제어장치가 연결되어 방사성 핵종의 깊이 및 방사능을 구할 수 있다. 상기 제어 장치는 표시부 및 사용자 입력을 위한 입력부를 구비할 수 있다. 일 예로 상기 제어 장치는 PC일 수 있다.
이에 한정되지 않고, 상기 제어장치는 방사선 검출기내에 구비될 수도 있다. 이 경우 표시부는 터치 입력이 가능하도록 구현된다.
상기 방사성 핵종의 깊이 및 방사능을 구하는 모든 절차는 엑셀프로그램 베이스에서 구현되어, 제어장치의 화면에 표시된다. 운용자는 방사선 검출기를 통해 측정한 방사선 계수율과 이론적으로 계산된 플루언스를 이용하여 엑셀로 구현된 화면에서 방사성 핵종의 깊이 및 방사능을 구한다.
본 발명에서 방사성 핵종의 매질 내 깊이를 찾기 위한 방법(알고리즘)은 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 상기 방법은, 매질 내 어떤 깊이에 방사성 핵종이 있을 때, 이론적으로 계산되는 두 검출기 높이에서의 방사선 플루언스(단위 면적당 방사선 개수) 비와 실제 방사선 검출기로 측정된 계수율의 비는 원칙적으로 같다는 이론에서 출발한다.
[수학식 2]
Figure 112015024404666-pat00002
여기서, Ci(E) 및 Cj(E)는 방사선 검출기의 높이 i와 j에서의 에너지(E)인 방사선의 계수율(cps)을 나타내고, Fi(E) 및 Fj(E)는 동일한 높이에서의 에너지(E)인 방사선 플루언스를 의미한다.
따라서, 수학식 1과 수학식 2를 비교하면, 수학식 2에서 플루언스 비를 의미하는 오른쪽은 1차항에 대한 비이므로 종래 수학식 1의 거리의 2차항에 대한 비보다 의존성이 떨어져, 결과적으로 검출기 유효중심에 대한 정보는 필요 없게 된다.
이론적인 방사선 플루언스는 몬테칼로 방법으로 쉽게 계산 가능하다. 일 예로 도 3에는 MCNP 코드를 이용하여 계산된 Cs-137 662 keV 감마선에 대한 매질 내 깊이별 및 검출기 높이별 방사선 플루언스가 개시되어 있다.
도 3에 도시된 바와같이, 검출기 높이(i, j)가 각각 결정되었을 때, 해당 높이에서 방사성 핵종의 매질 내 깊이에 따른 플루언스 값(Fi,Fj)은 그래프로부터 수학식 3 및 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015024404666-pat00003
[수학식 4]
Figure 112015024404666-pat00004
여기서, a, b, c, d, e, f, g 및 h는 피팅 결과에 의한 상수를 의미하고, x는 매질 내 핵종의 깊이를 의미한다. 그리고, F값들의 스케일은 자연로그(log10) 스케일이다.
따라서, 핵종의 매질 내 깊이를 변화시켜가며 두 플루언스의 비(Fi/Fj)를 확인하여, 수학식 2에서처럼 상기 두 플루언스 비(Fi/Fj)가 검출기 높이(i, j)에서 측정된 방사선 계수율 비(Ci/Cj)와 같아지는 깊이를 찾으면 해당 깊이가 바로 방사성 핵종의 매질 내 깊이(x)가 된다.
본 발명은 엑셀 VBA(visual basic application)로 구현된 프로그램 화면에서 매질 내 핵종의 깊이와 방사능을 동시에 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵종의 깊이 및 방사능 결정 방법을 나타낸 순서도이고, 도 5 및 도 6은 핵종의 깊이를 결정하는 단계를 엑셀 VBA(visual basic application)로 구현한 프로그램 화면의 일 예이다.
매질 내 핵종의 깊이 결정
도 4 및 도 5에 도시된 바와같이, 먼저 핵종의 에너지와 방사선 검출기의 높이를 선택한 후(S100) 상기 높이에서 이론적인 방사선 플루언스를 계산하고, 측정 시간 및 계수값을 입력하여 각 높이에서 실제 방사선 계수율을 측정한다(S110).
상기 단계(S100, S110)는 도 5에서 화면의 블록(또는 영역)1, 2(50, 51)을 통해 수행할 수 있다.
즉, 운용자는 화면에서 먼저 블록 1 (50)(photon energy & geometry)에 있는 콤보 박스를 이용하여 방사성 핵종의 에너지(keV) 및 검출기 높이(h1~h3)를 각각 선택한다. 이때, 검출기의 높이(h)는 두 지점에서 측정하여 1번 비교할 수 있지만, 정확한 결정을 위해서는 세지점(h1~h3)에서 측정하여 3번의 비교 데이타를 얻는 것이 바람직하다(F3/F2, F3/F1, F2/F1).
방사성 핵종의 에너지(keV) 및 검출기 높이(h1~h3)가 선택되면 제어부는 화면의 맨 아래 영역에 그래프(53)에 매질 내 방사성 핵종의 깊이에 따른 검출기 높이(h1, h2, h3)에서의 방사선 플루언스(F1, F2, F3)가 도식화하여 표시한다.이는 도 3의 피팅 결과를 활용할 수 있다.
블록 2(51)는 방사선 검출기(D1~D3)의 측정 결과(Measurement results)를 나타내는 부분으로, 방사선 검출기(D1~D3)에 의해 측정된, 검출기 높이 (h1~h3)에서 해당 방사성 핵종으로부터 방출된 감마선의 계수값(counts)과 측정시간(s)을 각각 입력한다. 상기 감마선의 계수값(counts)과 측정시간(s)이 입력되고 계수율 계산기 (cps_calculator) 버튼을 클릭하면 제어부는 계수율을 계산한다.
이어서, 제어부는 수학식 3 및 4를 이용하여 핵종 깊이에 따른 두 검출기 높이간의 플루언스 비를 계산하여 플루언스 칼럼에 표시하고, 단계(S110)에서 구한 계수율을 근거로 계수율 비를 계산하여 블록 3(52)의 계수율 칼럼에 각각 표시한다 (S120). 또한, 상기 표에는 계수율 비와 플루언스의 비율(cps/fluence)이 함께 표시된다.
블록 3(52)은 계수율 비와 플루언스 비를 계산하는 부분(cps & fluence ratio)으로, 계수율(cps) 칼럼에는 소정의 핵종 깊이(e.g., 0.1cm)에서 h3와 h2에서의 계수율 비, h3와 h1에서의 계수율 비 및 h2와 h1에서의 계수율 비가 계산되어 표시된다.
따라서, 운용자가 핵종의 깊이를 변경하면 제어부는 방사선 플루언스 비와 계수율 비가 거의 일치하는 깊이를 매질내 방사성 핵종의 깊이로 결정하여 표시한다(S130). 즉, 도 5에서 운용자가 토양 내 핵종 깊이(d)를 의미하는 스크롤 바(60)를 움직이면, 블록 3(52)에서 각 검출기 높이에서 플루언스 비(Fi/Fj)와 계수율 비(Cj/Ci)와 같아지는 깊이 즉, 토양 내 핵종의 정확한 깊이(d)를 찾아낼 수 있다.
상기 스크롤 바(60)가 움직일 때마다 방사성 핵종의 깊이(d)가 블록 3의 영역(61)에 표시되며, 표시된 깊이(d)에서 방출된 방사성 핵종에 의한 검출기 높이에서의 플루언스 비가 각각 블록 3의 플루언스 칼럼에 각각 입력된다.
따라서, 도 6에 도시된 바와같이, 스크롤 바(60)의 이동에 의해 블록 3에서 계수율 칼럼과 플루언스 칼럼의 값들이 같아져, 결과적으로 오른쪽 cps/fluence 칼럼 값들이 거의 1로 되는 지점이 바로 방사성 핵종의 정확한 깊이(d)가 된다. 즉, 스크롤 바(60)의 이동에 의해 cps/fluence 칼럼 값들이 거의 1로 될 때 영역(61)에 표시되는 깊이가 방사성 핵종의 정확한 깊이(d)이다. 일 예로 방사성 핵종(Cs-137)의 경우는 깊이(d)가 36.8 cm로 표시되는데 이는 실제의 선원의 깊이(37 cm)와 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 두 방사선 플루언스의 비를 구하여 핵종의 매질 내 깊이를 결정하기 때문에 이 값은 매질의 밀도항이 상쇄되어 밀도에 무관하게 된다. 따라서 임의로 지정된 하나의 매질 밀도에 대해서 플루언스 비를 구하여 사용하면 된다.
이후 제어부는 상기 결정된 핵종의 깊이에서 방사능 결정식을 이용하여 방사능을 결정할 수 있다(S150).
본 발명에 따른 방법의 장점은 방사성 플루언스를 이용하여 핵종의 매질 내 깊이를 구한다는 것으로, 해당 깊이에서의 플루언스를 알게 되면 방사성 핵종의 방사능을 결정할 수 있는 정보를 제공하게 된다는 것이다. 즉, 또 다른 고가의 방사능 계산을 위한 프로그램이 필요 없이 상기 플루언스 값으로부터 방사능을 아래 수학식 5를 이용하여 직접 결정할 수 있다. 상기 수학식 5는 H.L. Beck 등이 제시한 방법으로 HASL-258에 자세히 나와 있다.
[수학식 5]
Figure 112015024404666-pat00005
여기서, φ/γ는 매질 내 방사성 핵종으로부터 방출되는 방사선당 검출기 높이에서의 플루언스로서, 도 6에서 계산된 깊이(d)와 해당 검출기 높이에서의 플루언스를 도 6내의 그래프에서 찾을 수 있다. N0/φ는 검출기 축에 평행하게 입사하는 방사선에 대한 검출기의 반응함수로서 MCNP 코드 등을 이용하여 이론적으로 계산할 수 있다. N/N0는 실제 검출기로 입사하는 플루언스의 각도에 대한 보정항으로 매질 내 방사성 핵종이 점선원인 경우 거의 1에 가까우며, 충분히 큰 면적의 선원이라 할지라도 검출기 주변을 콜리메이터(collimator)를 이용하여 도 1과 같이 차폐하면 검출기로 입사하는 플루언스의 각도 보정항은 역시 1에 가깝게 된다. 그리고, N/γ은 이론적인 교정함수로서, 매질 내 방사성 핵종으로부터 방출되는 단위 감마선당 검출기 높이에서의 계수율을 의미한다.
매질 내 핵종의 방사능 결정
도 7은 핵종의 방사능을 결정하는 단계를 엑셀 VBA로 구현한 프로그램 화면의 일 예이고, 도 8은 방사선 플루언스의 밀도 보정 방법을 나타낸 실시예이다.
도 7을 참조하면, 블록 1(70)(fluence from the embedded source)에서 플루언스 계산기(fluence_calculator) 버튼이 클릭되면, 제어부는 도 6에서 결정된 매질 내 핵종의 깊이(d)에 따른 검출기 높이(h1~h3)에서의 플루언스 값들을 도 6의 플루언스 그래프에서 계산하여 블록 1(70)의 표에 표시한다. 이때, 플루언스의 각도 보정항(N/N0)는 별도의 계산값을 넣을 수도 있지만 점선원으로 가정할 경우 또는 검출기를 콜리메이터로 차폐하는 경우 그 값을 1로 사용해도 무방하다.
블록 2(71)(detector response for incident photon fluence)에서 실제 측정에 사용된 방사선 검출기(e.g., HPGe)를 옵션 버튼을 이용하여 선택한 후 응답 계산기(response_calculator) 버튼을 누르면, 제어부는 방사성 핵종의 에너지에 대한 검출기 반응함수 N0/φ 값(e.g., 8.9178)을 표시한다. 이는 MCNP로 계산된 결과의 데이터베이스를 활용하며 화면 오른쪽의 검출기 응답 그래프에서 찾을 수 있다. 이를 위해서는 검출기별로 데이터베이스화가 선행되어야 한다.
상기 두 과정을 수행하면 수학식 5를 이용하여 바로 이론적인 교정함수(N/γ)를 구할 수 있지만, 블록 1(70)에서 계산된 플루언스 값들은 매질의 밀도가 1.6 g/cm3일 때의 값이므로 실제 매질 밀도에 대한 플루언스 값으로 환산해야 한다. 따라서 H.L. Beck 등이 제시한 수학식 5를 아래의 수학식 6과 같이 변형해야 한다.
[수학식 6]
Figure 112015024404666-pat00006
여기서, f(ρ)/f(1.6)은 임의의 매질 밀도에서 계산된 단위 방사선당 플루언스 f(ρ)=φ(ρ)/γ와 매질 밀도 1.6 g/cm3에서 계산된 단위 방사선당 플루언스 f(1.6)=φ(1.6)/γ를 의미한다.
상기 f(ρ)/f(1.6) 값들은 이론적인 계산에 의해 구할 수 있으며, 도 9에는 Cs-137의 662 keV 감마선에 대한 매질 내 여러 깊이로부터 방출된 플루언스의 비가 도시되어 있다.
따라서, 도 6의 스크롤 바(60)를 이용하여 매질 내 핵종의 깊이가 결정되면 해당 깊이와 비슷한 범위에 해당하는 핵종 깊이를 선택하여 f(ρ)/f(1.6) 값들을 매질 밀도에 피팅하여 사용할 수 있다. 이때, 피팅 결과는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112015024404666-pat00007
여기서, a와 b는 피팅 결과에 의한 상수를 의미하고, y축인 f(ρ)/f(1.6)은 자연로그(log10) 스케일로 나타내었을 때 밀도에 대한 1차항으로 나타낼 수 있다.
따라서, 플루언스에 대한 정확한 밀도 보정을 위해, 도 7의 블록 3(72) (calibration factor for the embedded source)에서 먼저, 실제 매질의 밀도값 (e.g., 1g/cm3)을 수기 입력하고, 콤보박스를 이용하여 앞서 찾은 선원의 깊이 (36.8cm)와 유사한 비교 깊이(reference source depth)(e.g., 35cm)를 선택한다. 그러면 해당 비교 깊이에서의 매질 밀도에 따른 f(ρ)/f(1.6) 값들이 오른편 그래프에 도식화되어 나타나고 수기 입력한 밀도에 대한 값이 계산되어 표시된다.
블록 3(72) 내의 f(ρ)/f(1.6) 값은 사용자가 수기 입력 또한 가능하다. 즉, 비교 깊이가 37cm라면 35cm와 40cm일 때의 f(ρ)/f(1.6) 값들의 평균을 사용할 수도 있다.
이후 블록 3(72)내의 교정값 계산기(CF_calculator) 버튼을 누르면, 실제 밀도에 대한 플루언스 교정값(e.g., 4.9877)과 수학식 6의 계산결과 즉 교정값 (C.F.(cps/
Figure 112015024404666-pat00008
)이 검출기 높이에 따라 블록 3 내(73)의 표에 표시된다.
마지막으로 매질 내 임의의 깊이에 있는 방사성 핵종의 방사능 값은 도 6의 블록 4(73)에 의해서 계산된다. 먼저, 도 5의 핵종의 깊이를 찾아내는 화면에서 블록 2(51)의 계수율 계산기 버튼을 눌렀을 때, 해당 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율(cps)이 도 7의 블록 4(73)에 표시된다.
따라서, 각 검출기 높이에서 측정된 계수율 값, 블록 3(72)에서 계산된 교정값, 그리고 매질 내 방사성핵종의 감마선 방출률(Y)을 이용하여 아래 수학식 8에 의해서 방사능 값이 결정된다.
[수학식 8]
Figure 112015024404666-pat00009
여기서, N(cps)는 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율 값, C.F.(cps/γ)는 도 7의 블록 3(72)에서 계산된 교정값, 그리고 Y는 매질 내 방사성 핵종의 감마선 방출률을 의미한다.
본 발명은 설명의 편의를 위하여 엑셀 VBA로 구현된 프로그램 화면을 각각 구분하여 매질 내 핵종의 깊이와 방사능을 결정하는 방법을 설명하였지만, 실제로두 제어화면은 엑셀의 동일한 페이지상에서 운용된다.
상술한 바와같이 본 발명은 원자력시설의 해체나 제염 등을 위해 어떤 방사능오염이 존재하는 매질 내 최대 방사능 농도의 깊이를 찾거나 매질 내 실제 파묻힌 미지의 방사성 동위원소 자체의 깊이를 간단히 찾아낼 수 있다.
본 발명은 전적으로 수입에 의존하고 있는 고가의 현장분석(in-situ) 프로그램의 도움 없이, 간단한 방사선 플루언스의 이론적 계산결과에 대한 데이타베이스 (DB)로 매질 내 방사성 핵종의 방사능을 정확히 계산할 수 있다.
또한, 본 발명은 사용되는 검출기의 종류에 상관없이 고도별 계수율 값만으로 간단히 방사성 핵종의 깊이를 찾아낼 수 있다.
또한, 본 발명은 깊이를 찾고 방사능을 계산하는 모든 절차를 엑셀프로그램 베이스에서 구현함으로써 방사능 계산과 프로그램 운영에 대한 전문지식이 없어도 누구나 쉽게 활용할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 매질 200 : 방사선 검출기
50~53, 70~73 : 블록(영역) 60 : 스크롤바
61 : 핵종 깊이 표시영역

Claims (17)

  1. 두 방사선 검출기 높이에서 이론적인 방사선 플루언스 비 및 실제 매질 내 방사성 핵종에 대하여 측정한 방사선 계수율 비를 계산하는 단계;
    매질 내 핵종의 깊이를 변화시켜 방사선 플루언스 비와 방사선 계수율 비가 같아지는 깊이를 방사성 핵종의 깊이로 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 방사성 핵종의 깊이에서 측정된 방사선 플루언스의 밀도를 보정하여 매질내 핵종의 방사능을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사선 플루언스는
    MCNP코드를 이용하여 이론적으로 계산하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방사선 플루언스는
    1.6g/cm3의 매질의 밀도에서 계산된 플루언스로, 매질내 방사성 핵종의 깊이가 결정되면 실제 매질의 밀도로 보정되는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 계수율 비를 계산하는 단계는
    방사성 핵종의 에너지 및 방사선 검출기의 높이를 선택하는 단계;
    상기 선택된 두 방사선 검출기 높이에서 매질 내 방사성 핵종의 소정 깊이에 따른 방사선 플루언스를 계산하는 단계;
    상기 두 방사선 검출기 높이에서 방사성 핵종으로부터 방출된 감마선의 계수값 및 측정 시간을 입력하여 방사선 계수율을 계산하는 단계; 및
    두 방사선 검출기 높이에서의 방사선 플루언스 비 및 방사선 계수율 비를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 매질 내 방사성 핵종의 깊이를 결정하는 단계는
    엑셀 VBA(visual basic application)로 구현되며,
    상기 방사성 핵종의 깊이는 핵종의 깊이값과 연계되어 화면에 표시된 스크롤 바에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 단계는
    상기 결정된 방사성 핵종의 깊이에 따른 각 검출기 높이에서의 방사선 플루언스를 계산하는 단계;
    상기 방사성 핵종의 에너지에 대한 검출기의 반응함수 값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 플루언스의 밀도를 실제 매질의 밀도로 보정하는 단계;
    상기 밀도 보정된 플루언스와 상기 계산된 반응함수 값을 곱하여 교정값을 계산하는 단계; 및
    상기 각 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율 값, 상기 계산된 교정값 및 매질 내 방사성 핵종의 감마선 방출률을 이용하여 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 단계는
    엑셀 VBA(visual basic application)로 구현되는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 방사성 핵종의 방사능은
    다음 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방사능 결정방법.
    Figure 112016078132349-pat00010

    여기서, N(cps)는 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율 값, C.F.(cps/γ)는 실제 매질의 밀도에서 보정된 방사선 플루언스, Y는 매질 내 방사성 핵종의 감마선 방출률을 나타낸다.
  9. 매질 내 방사성 핵종의 방사선 플루언스를 측정하는 방사선 검출기; 및
    방사선 검출기의 서로 다른 높이에서 이론적인 방사선 플루언스 비와 실제 측정한 매질 내 방사성 핵종의 방사선 계수율 비를 계산하고, 매질 내 방사성 핵종의 깊이를 변화시키면서 방사선 플루언스 비와 방사선 계수율 비가 같아지는 방사성 핵종의 깊이를 결정하여, 상기 결정된 방사성 핵종의 깊이에서 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어 장치는
    MCNP코드를 이용하여 방사선 플루언스를 이론적으로 계산하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.　　　
  11. 제9항에 있어서, 상기 제어 장치는
    방사성 핵종의 에너지 및 방사선 검출기의 높이를 선택하고,
    상기 선택된 두 방사선 검출기 높이에서 매질 내 방사성 핵종의 소정 깊이에 따른 방사선 플루언스를 계산하고,
    상기 두 방사선 검출기 높이에서 방사성 핵종으로부터 방출된 감마선의 계수값 및 측정 시간을 입력하여 방사선 계수율을 측정하여,
    두 방사선 검출기 높이에서의 방사선 플루언스 비 및 방사선 계수율 비를 계산하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.　　　
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 장치는
    엑셀 VBA(visual basic application)로 구현된 핵종 깊이 결정화면을 표시하며, 상기 방사성 핵종의 깊이는 핵종의 깊이값과 연계되어 화면에 표시된 스크롤 바에 의해 가변되는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.　　　
  13. 제9항에 있어서, 상기 제어 장치는
    상기 결정된 방사성 핵종의 깊이에 따른 각 검출기 높이에서의 방사선 플루언스를 계산하고,
    상기 방사성 핵종의 에너지에 대한 검출기의 반응함수 값을 계산하고,
    상기 계산된 플루언스의 밀도를 실제 매질의 밀도로 보정하고,
    상기 밀도 보정된 플루언스와 상기 계산된 반응함수 값을 곱하여 교정값을 계산하여,　
    상기 각 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율 값, 상기 계산된 교정값 및 매질 내 방사성 핵종의 감마선 방출율을 이용하여 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.　　　
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어 장치는
    엑셀 VBA(visual basic application)로 구현된 방사능 결정 화면을 표시하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제어 장치는
    다음 수학식에 의해 방사성 핵종의 방사능을 결정하는 것을 특징으로 하는 방사능 결정장치.
    Figure 112016078132349-pat00011

    여기서, N(cps)는 검출기 높이에서 측정된 방사선 계수율 값, C.F.(cps/γ)는 실제 매질의 밀도에서 보정된 방사선 플루언스, Y는 매질 내 방사성 핵종의 감마선 방출률을 나타낸다.　 　　
  16. 삭제
  17. 두 방사선 검출기 높이에서 이론적인 방사선 플루언스 비와 실제 매질 내 핵종에 대하여 측정한 방사선 계수율 비를 계산하는 단계; 매질 내 핵종의 깊이를 변화시켜 상기 방사선 플루언스 비와 방사선 계수율 비가 같아지는 깊이를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 매질내 핵종의 깊이에서 측정된 방사선 플루언스의 밀도를 보정하여 매질내 핵종의 방사능을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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