KR101893849B1

KR101893849B1 - 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치 및 그를 이용한 검출방법

Info

Publication number: KR101893849B1
Application number: KR1020170027018A
Authority: KR
Inventors: 이철용; 주기남; 전병혁
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2037-03-02

Abstract

본 발명은 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치에 관한 것으로, 다이아몬드로 형성된 제1소자를 구비하고 상기 제1소자의 외측에 고속중성자를 검출하는 제1전극이 구비된 제1검출기와, 다이아몬드로 형성된 제2소자를 구비하고 상기 제2소자의 외측에 고속중성자 및 열중성자를 동시에 검출하는 제2전극이 구비된 제2검출기, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 도선부, 상기 제1검출기와 상기 제2검출기를 수용하고 헬륨 가스가 채워진 금속 하우징을 포함하여, 고속중성자와 열중성자를 동시에 측정할 수 있고 설치공간을 최소화할 수 있게 된다.

Description

고속중성자와 열중성자 동시 검출장치 및 그를 이용한 검출방법{ Fast Neutron and Thermal Neutron Detector and Detecting Method using thesame }

본 발명은 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로 내부에서 핵연료 및 재료 조사 시험 중에 방출되는 고속중성자와 열중성자를 검출하는 장치에 관한 것이다.

통상의 중성자 검출기로는 신틸레이터(특허문헌1 참조)와 헬륨-3 검출기가 있으며, 실리콘 혹은 게르마늄, SiC 및 GaN 소자를 사용하는 반도체 검출기와 플루토늄(Pu) 혹은 고농축 우라늄을 사용하여 제작된 핵분열 전리함(Fission Chamber) 등이 있다. 그러나 이들의 검출기는 낮은 스펙트럼 특성과 감마선 신호에 크게 영향을 받기 쉽고 사용 온도에 제약이 있다.

연구용 원자로의 핵연료나 재료 조사시험시 방출되는 중성자량을 측정하게 되는데, 핵연료로부터 방출된 중성자는 고속중성자(Fast Neutron)와 열중성자(Thermal Neutron)의 상태로 존재하게 된다. 종래 원자로 내 열중성자를 측정하는 데에는 자기 출력형 중성자 검출기(SPND, Self Powered Neutron Detector)가 사용되고 고속중성자를 측정하는 데에는 핵분열 전리함(Fission Chamber) 등이 사용되고 있다.

그러나 자기 출력형 중성자 검출기(SPND)는 베타선 붕괴에 의해 발생되는 전자를 수집하므로 실시간 신호 측정이 어렵고 장시간 사용시 중성자에 의한 소자의 변환과 느린 반응 속도로 인해 사용에 단점이 있었다. 핵분열 전리함(Fission Chamber)은 크기로 인해 원자로 내에서 사용하기에 여러 제약 조건이 있었다. 즉 연구용 원자로에서 핵연료 및 재료 조사시험 시 다수의 계장 검출기가 조사시험 리그(Rig) 내부에 설치되는데, 다수의 계장 센서들이 설치되는 공간에서는 계장선과의 간섭으로 인해 여러 가지 공간상의 제약을 받게 된다. 특히 한 개의 검출기로 열중성자와 고속중성자를 동시에 측정할 수 없고 자기 출력형 중성자 검출기(SPND)와 핵분열 전리함(Fission Chamber)은 개별적으로 열중성자나 고속중성자만을 측정할 수 있으므로 두 개의 검출기를 원자로 내에 모두 구비해야 하는 어려움이 있었다.

한편, 방사선 검출기에 사용되는 소자는 방사선에 대한 영향이 강하고 중성자와의 반응 후 물질 변환 특성이 없는 것이 바람직하다. 다이아몬드는 이러한 특성을 만족시킬 뿐만 아니라 작은 원자번호로 인해 낮은 감마선 감응도와 에너지 스펙트럼 관찰이 가능하며 열중성자와 고속중성자를 구분하여 측정이 가능하다는 장점이 있고, 고온 사용에 유리한 높은 밴드 갭과 전자와 정공의 이동률이 높아 신호 특성이 우수하며 열전도가 높아 고출력 검출기로 사용이 가능하다.

다이아몬드 방사선 검출기는 엑스선 검출용과 방사선 시설 내에 관리자가 부착하여 사용하기 위한 방사선 도시메터 (Dosimeter) 및 핵융합시설의 노외 중성자 측정용으로 사용되고 있다.

그러나 원자로 내부에 사용 가능한 소형 크기로는 기술개발이 미흡한 실정이다.

한국공개특허공보 제10-2010-0125326호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 고속중성자와 열중성자를 동시에 측정할 수 있고 설치공간을 최소화할 수 있는 단일의 소형 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치는, 다이아몬드로 형성된 제1소자를 구비하고 상기 제1소자의 외측에 고속중성자를 검출하는 제1전극이 구비된 제1검출기와, 다이아몬드로 형성된 제2소자를 구비하고 상기 제2소자의 외측에 고속중성자 및 열중성자를 동시에 검출하는 제2전극이 구비된 제2검출기, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 도선부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 고속중성자와 열중성자 동시 검출방법은, 상기 제1검출기로부터 고속중성자 검출값을 산출하고, 상기 제2검출기로부터 고속중성자와 열중성자의 합산검출값을 산출한 후, 상기 고속중성자 및 열중성자의 합산검출값에서 상기 고속중성자 검출값을 차감하여 열중성자 검출값을 산출하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치에 의하면, 2개의 기능이 다른 고순도 다이아몬드를 사용하여 열중성자 뿐만 아니라 고속중성자를 동시에 측정할 수 있고, 단일 소형 캡슐 형태로 제작하여 공간의 제약을 적게 받아 원자로 내에 용이하게 설치할 수 있으며, 중성자 검출기 내부에 핵물질이 사용되지 않아 노외 방사선 환경에서도 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치를 나타낸 부분 절개사시도,
도 2는 도 1에 도시된 제1검출기와 제2검출기를 나타낸 확대사시도,
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 절개한 제1검출기와 제2검출기의 측단면도,
도 4는 도 1에 도시된 제1검출기와 제2검출기의 조립단면도,
도 5는 CVD 다이아몬드의 중성자 측정원리를 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치는, 고속중성자만 검출하는 제1검출기(100), 고속중성자 및 열중성자를 동시에 검출하는 제2검출기(200), 상기 제1전극(120)과 상기 제2전극(220)에 전기적으로 연결되는 도선부(300), 및 상기 제1검출기(100)와 상기 제2검출기(200)를 밀폐시키는 하우징(400)을 포함한다.

상기 제1검출기(100)는 CVD(Chemecal Vapor Deposition) 다이아몬드로 형성된 제1소자(110)를 구비하고, 상기 제1소자(110)의 외측에 고속중성자를 검출하는 제1전극(120)이 구비되어 고속중성자를 검출한다.

상기 제2검출기(200)는 CVD(Chemecal Vapor Deposition) 다이아몬드로 형성된 제2소자(220)를 구비하고, 상기 제2소자(220)의 외측에 고속중성자 및 열중성자를 동시에 검출하는 제2전극(220)이 구비되어 고속중성자 및 열중성자를 동시에 검출한다.

CVD 다이아몬드는 중성자 영향에 의한 물질 변환 특성이 없어 실리콘을 이용한 검출기에 비해 내방사능 성능이 현저하게 우수한 검출기를 제조할 수 있으며, 천연 다이아몬드에 비해 신호 재연성과 검출 효율이 높은 검출기를 제조할 수 있게 된다. 도 5에 도시된 바와 같이, CVD 다이아몬드(1)는 외부로부터 고속중성자와 같은 고 에너지가 입사되면 격자 내에 이온화된 전자(Electronic)와 정공(Hole)이 발생되고, 전극을 통해 바이어스 전압을 인가하면 전자는 양극(2)으로 정공은 음극(3)으로 이동하여 작은 전류가 흐르게 되며, 이때 발생되는 전류를 측정함으로써 방사선 선량을 검출할 수 있게 된다. 상기 제2검출기(200)에도 CVD 다이아몬드가 사용된다. 한편, 고순도의 CVD 다이아몬드를 사용하게 되면 핵물질이 사용되지 않으므로 노외 방사선 환경에서도 사용할 수 있게 된다.

상기 제1전극(120)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(120)은 진공증착이나 스퍼터링(Sputtering) 공정에 의해 상기 제1소자(110)의 외측에 증착된다. 상기 제1전극(120)은 양극의 역할을 하는 제1상부전극(121)과, 음극의 역할을 하는 제1하부전극(122)으로 이루어져 있다. 상기 제1상부전극(121)은 상기 제1소자(110)의 상부면에 증착되고, 상기 제1하부전극(122)은 상기 제1소자(110)의 저면에 증착된다. 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1하부전극(122)은 상기 제1상부전극(121)에 비해 면적을 작게 형성되고 상기 제1소자(110)의 중앙에 위치됨으로써 상기 제1상부전극(121)과 상기 제1하부전극(122)이 단락되는 것을 방지할 수 있게 된다.

여기서, CVD 다이아몬드는 고 에너지와 반응함에 따라 고 에너지인 고속 중성자만을 검출할 수 있게 되고, 에너지가 낮은 열중성자는 변화없이 다이아몬드를 그냥 투과하게 된다. 즉, 열중성자는 에너지가 작기 때문에 CVD 다이아몬드에 반응이 없어 상기 제1전극(120)을 통해서는 검출이 불가능하다. 따라서, 열중성자를 측정하기 위해서는 열중성자를 고속 중성자의 에너지로 변환시킬 수 있는 변환 박막이 필요하게 된다. 변환 박막으로는 열 중성자의 흡수 단면적이 큰 붕소(B), 리튬(Li), 가돌리늄(Gd) 등의 물질이 사용된다.

상기 제2전극(220)은 열중성자의 에너지 변환을 높일 수 있는 붕소(B), 리튬(Li), 가돌리늄(Gd) 중의 어느 하나로 형성된 에너지 변환박막이다. 열중성자가 변환박막인 상기 제2전극(220)에 접촉하게 되면 핵반응에 의해 높은 에너지가 발생하게 되어 전기신호를 출력할 수 있게 된다. 가돌리늄(Gd)을 변환박막으로 사용할 경우, 가돌리늄(Gd)과 열중성자의 반응은 n + ¹⁵⁷Gd → ¹⁵⁸Gd + γ + 7.9 MeV 으로 발생된 에너지가 전류를 흐르게 한다.

상기 제2전극(220)은 상기 제2소자(220)의 상부면에 증착되는 제2상부전극(221)과, 상기 제2상부전극(221)이 구비된 반대면에 증착되는 제2하부전극(222)으로 이루어져 있다. 상기 제2상부전극(221)은 양극의 역할을 하고, 상기 제2하부전극(222)은 음극의 역할을 한다. 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제2하부전극(222)은 상기 제2상부전극(221)에 비해 면적을 작게 형성되고 상기 제2소자(220)의 중앙에 위치됨으로써 상기 제2상부전극(221)과 상기 제2하부전극(222)이 단락되지 않게 된다.

상기 제1검출기(100)는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 중 어느 하나로 형성된 상기 제1전극(120)을 통해 고속중성자 선량만을 검출할 수 있게 되고, 상기 제2검출기(200)는 변환박막의 역할을 수행할 수 있는 붕소(B), 리튬(Li), 가돌리늄(Gd) 중의 어느 하나로 형성된 상기 제2전극(220)을 통해 고속중성자뿐만 아니라 열중성자 선량을 모두 검출할 수 있게 된다.

상기 도선부(300)는 상기 제1상부전극(121)에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제1도선(311)과, 상기 제1하부전극(122)에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제2도선(312)과, 상기 제2상부전극(221)에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제3도선(313), 및 상기 제2하부전극(222)에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제4도선(314)을 포함하고 있다.

상기 도선부(300)는 내열성이 우수한 MI(Mineral Insulated) 케이블로, 상기 제1도선(311)과 상기 제2도선(312)과 상기 제3도선(313) 및 상기 제4도선(314)의 4개의 도선으로 이루어진 단일 계장선이다. 이와 같이 상기 도선부(300)로 단일 계장선을 사용함으로써 용이하게 취급 및 설치할 수 있게 된다.

상기 제1도선(311)과 상기 제2도선(312)과 상기 제3도선(313) 및 상기 제4도선(314)은 상기 제1전극(120)과 상기 제2전극(220)에 바이어스 전압을 인가하여 발생된 전류를 검출하는 전원공급선과 신호선의 역할을 한다. 상기 제1도선(311)과 상기 제2도선(312)은 상기 제1검출기(100)의 상기 제1전극(120)에 실버 에폭시로 연결되어 통전되고, 상기 제3도선(313)과 상기 제4도선(314)은 상기 제2검출기(200)의 상기 제2전극(220)에 실버 에폭시로 연결되어 통전된다.

상기 제1도선(311)과 상기 제2도선(312)과 상기 제3도선(313) 및 상기 제4도선(314)은 커넥터와 연결된 전류계(도면미도시)에 연결된다. 측정자는 전류계로부터 전류값을 읽어 중성자 측정값을 스스로 산출할 수도 있고, 측정효율을 고려하여 환산된 중성자 측정값을 얻을 수 있게 된다.

상기 제1도선(311)과 상기 제2도선(312)은 상기 제1검출기(100)의 상기 제1전극(120)으로부터 인가되는 전류를 전류계나 연산회로로 전달하여 고속중성자 검출값을 산출하게 한다. 상기 제3도선(313)과 상기 제4도선(314)은 상기 제2검출기(200)의 상기 제2전극(220)으로부터 인가되는 전류를 전류계나 연산회로로 전달하여 고속중성자와 열중성자의 합산검출값을 산출하게 한다. 상기 제2검출기(200)의 상기 제2전극(220)은 고속중성자 검출값뿐만 아니라 열중성자 검출값도 검출할 수 있으므로, 상기 제2검출기(200)를 통해서는 고속중성자 선량과 열중성자 선량이 합산된 값이 검출되는 것이다.

고속중성자와 열중성자 동시 검출방법을 상술하면,

먼저, 상기 제1검출기(100)로부터 고속중성자 검출값(N_f)을 산출하고, 상기 제2검출기(200)로부터는 고속중성자와 열중성자의 합산검출값(N_tot)을 산출한다.

이와 같이 상기 제1검출기(100)로부터 고속중성자 검출값(N_f)을 산출하고, 상기 제2검출기(200)로부터 고속중성자와 열중성자의 합산검출값(N_tot)을 산출하게 되면, 상기 고속중성자 및 열중성자의 합산검출값(N_tot)에서 상기 고속중성자 검출값(N_f)을 차감하여 열중성자 검출값(N_t)을 산출할 수 있게 된다. 즉, 고속중성자 검출값은 상기 제1검출기(100)에서도 측정되고 상기 제2검출기(200)에서도 이중으로 측정되므로, N_t = N_tot - N_f 에서 N_tot은 상기 제2검출기(200)에서 검출한 값을 대입하고, N_f은 상기 제1검출기(100)에서 검출한 값으로 대입하여 N_t값을 산출할 수 있게 된다.

상기 제1검출기(100)는 상기 제1소자(110)를 지지하는 제1홀더(130)를 구비하고, 상기 제2검출기(200)는 상기 제2소자(220)를 지지하는 제2홀더(230)를 구비하고 있다. 상기 제1홀더(130)에는 제1결합홀(131)이 형성되어 상기 제1소자(110)를 지지하게 되고, 상기 제2홀더(230)에는 제2결합홀(231)이 형성되어 상기 제2소자(220)를 지지하게 된다.

상기 제1홀더(130)는 상기 제1소자(110)가 상기 제2소자(220)와 겹쳐지지 않는 위치 내에서 상기 제2홀더(230)와 부분적으로 겹쳐지게 구비되어 상기 하우징(400) 내부에서 차지하는 공간을 최소화하게 된다. 상기 제1홀더(130)와 상기 제2홀더(230)는 알루미나 절연체로 형성되어 서로 접촉되더라도 통전되지 않게 된다. 상기 제1홀더(130)와 상기 제2홀더(230)는 서로 평행하게 구비되고 각각에 결합된 상기 제1소자(110)와 상기 제2소자(220)도 서로 평행하게 구비된다.

상기 제1홀더(130)의 상부면과 상기 제2홀더(230)의 상부면이 상기 원통관(410)의 축방향과 평행하게 구비된 상태에서 상기 제1홀더(130)와 상기 제2홀더(230)의 각 양단부가 상기 원통관(410)의 내부에 위치한다.

상기 하우징(400)은 상기 제1검출기(100)와 상기 제2검출기(200)를 수용하는 원통관(410)을 구비하고 있다. 상기 제1검출기(100)와 상기 제2검출기(200)는 상기 원통관(410)의 내부에 구비된 상태에서 원자로의 냉각수로부터 완전히 차단될 수 있게 밀폐되어야 한다. 상기 하우징(400)은 상기 원통관(410)과 함께 금속으로 형성되어 있다.

상기 하우징(400)에는 누출검사용 가스가 충진되는 가스주입홀이 형성되어 있다. 상기 누출검사용 가스로 헬륨이 사용된다. 상기 가스주입홀(420)을 통해 상기 하우징(400) 내부로 헬륨 가스를 충진한 후 밀봉하면 헬륨누출검사를 할 수 있게 되고, 충진된 헬륨으로 인해 상기 제1검출기(100)와 상기 제2검출기(200)의 외부잡음에 대한 특성을 향상시킬 수도 있게 된다. 상기 도선부(300)도 상기 하우징(400)의 연결부분은 정밀 용접하여 밀봉된다. 이와 같이 상기 하우징(400)의 내부에 상기 제1검출기(100)와 상기 제2검출기(200)가 내장되어 밀폐된 단일 소형 캡슐 형태로 제작됨으로써 냉각수가 있는 원자로 내부에서도 사용할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100 : 제1검출기 110 : 제1소자
120 : 제1전극 121 : 제1상부전극
122 : 제1하부전극 130 : 제1홀더
131 : 제1결합홀 200 : 제2검출기
210 : 제2소자 220 : 제2전극
221 : 제2상부전극 222 : 제2하부전극
230 : 제2홀더 231 : 제2결합홀
300 : 도선부 311 : 제1도선
312 : 제2도선 313 : 제3도선
314 : 제4도선 400 : 하우징
410 : 원통관 420 : 가스주입홀

Claims

다이아몬드로 형성된 제1소자를 구비하고, 상기 제1소자의 외측에 고속중성자를 검출하는 제1전극이 구비된 제1검출기;
다이아몬드로 형성된 제2소자를 구비하고, 상기 제2소자의 외측에 고속중성자 및 열중성자를 동시에 검출하는 제2전극이 구비된 제2검출기; 및
상기 제1전극과 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 도선부를 포함하고,
상기 제1전극은 금, 은, 백금 중 어느 하나로 형성되고, 상기 제1소자의 상부면에 증착되는 제1상부전극, 및 상기 제1상부전극이 구비된 반대면에 증착되는 제1하부전극을 포함하며, 상기 제1하부전극은 상기 제1상부전극에 비해 면적을 작게 형성되고 상기 제1소자의 중앙에 위치되고,
상기 제2전극은 열중성자의 에너지 변환을 높일 수 있는 가돌리늄, 붕소, 리튬 중 어느 하나의 에너지 변환박막으로 형성되고, 상기 제2소자의 상부면에 증착되는 제2상부전극, 및 상기 제2상부전극이 구비된 반대면에 증착되는 제2하부전극을 포함하며, 상기 제2하부전극은 상기 제2상부전극에 비해 면적을 작게 형성되고 상기 제2소자의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치.
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제1항에 있어서, 상기 도선부는,
상기 제1상부전극에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제1도선;
상기 제1하부전극에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제2도선;
상기 제2상부전극에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제3도선; 및
상기 제2하부전극에 전원을 공급하고 전기신호를 전달하는 제4도선;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 제1검출기는 상기 제1소자를 지지하고 절연체로 형성된 제1홀더를 구비하고,
상기 제2검출기는 상기 제2소자를 지지하고 절연체로 형성된 제2홀더를 구비한 것을 특징으로 하는 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치.
제6항에 있어서, 상기 제1홀더는,
상기 제2홀더와 부분적으로 겹쳐지게 구비되는 것을 특징으로 하는 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 제1검출기와 상기 제2검출기를 밀폐시키고, 상기 제1검출기와 상기 제2검출기를 수용하는 원통관을 구비하며, 금속으로 형성된 하우징;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치.
제8항에 있어서, 상기 하우징은,
밀봉상태를 검사할 수 있도록 누출검사용 헬륨 가스가 충진된 후 용접되는 가스주입홀을 구비한 것을 특징으로 하는 고속중성자와 열중성자 동시 검출장치.
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