KR102082729B1 - 중성자 공간선량당량 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중성자 공간선량당량 검출 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열중성자 검출기; 열중성자 검출기를 감싸는 제1 중성자 감속재 껍질; 제1 중성자 감속재 껍질을 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질; 열외중성자 차폐재 껍질을 감싸는 제2 중성자 감속재 껍질; 및 제2중성자 감속 껍질의 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 열린 개구로부터 연장되되, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 중성자 차폐 껍질 내측까지 연장된 공기층;을 포함한다.

Description

중성자 공간선량당량 검출 장치 및 방법{Apparatus for measuring neutron ambient dose equivalent and the Method for measuring neutron ambient dose equivalent using thereof}
본 발명은 중성자 공간선량당량 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게, 열중성자부터 속중성자에 이르는 넓은 에너지 범위에서 중성자 공간선량당량 검출 장치의 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자에 부합하는 중성자 공간선량당량 검출 장치 및 이를 이용한 중성자 공간선량당량 검출 방법에 관한 것이다.
중성자 공간선량당량은 중성자의 에너지에 따라 약 100 배정도 차이가 나며 따라서 원칙적으로 중성자 에너지를 알아야만 정확한 중성자 공간선량당량을 계산할 수 있다. 중성자 에너지에 따른 중성자 공간선량당량 변화는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자(도 1의 적색 곡선)로 주어지며 중성자 에너지에 따른 단위 면적당 중성자 수를 나타내는 중성자 플루언스를 알면 중성자 플루언스에 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 곱하여 중성자 공간선량당량을 구할 수 있다.
중성자 공간선량당량계는 통상적으로 중성자 운동에너지가 약 0.025eV 정도로 맥스웰-볼츠만 분포를 이루는 열중성자부터 약 20 MeV까지의 속중성자에 대해 중성자 공간선량당량률을 측정하는 중성자 계측기를 말한다.
중성자 공간선량당량계는 보통 직경 20 cm ~ 25 cm 정도인 구형 또는 직경과 높이가 20 cm ~ 25 cm 정도인 원통형 감속재 내부에 열중성자 검출기가 삽입된 형태가 일반적이다. 6Li, 10B, He3는 중성자와 잘 반응하여 중성자 검출기에 널리 사용되는데 반응도는 중성자의 속력에 반비례한다. 따라서 열중성자 반응도가 가장 크기 때문에 대한민국 등록특허 제10-1281083호에 제시된 바와 같이, 다양한 크기의 폴리에틸렌 보너구와 열중성자 검출기로 구성된 장치가 중성자 계측기로 널리 사용되고 있다.
중성자 공간선량당량계를 이용한 중성자 공간선량당량률 측정의 기본 측정원리는 중성자 공간선량당량계에 입사하는 중성자를 감속재에서 열중성자로 감속시켜 내부에 삽입된 열중성자 검출기로 계수율을 측정한다. 중성자 공간선량당량계는 입사하는 중성자 에너지를 알 수 없으므로 측정한 계수율을 기준 중성자 공간선량당량률에서 교정하여 계수율과 중성자 공간선량당량률과의 비율을 구하고 이를 적용하여 중성자 공간선량당량률로 나타낸다.
도 1은 종래 개발된 중성자 공간선량당량계들(도 1의 LB6411 I, leake remmeter, Eberline NRD, Studsvik2202D)의 반응도와 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선(도 1의 붉은색 굵은 실선)이다. 반응도 곡선을 보면 보통 1 MeV 영역에서는 대부분의 중성자 공간선량당량계가 잘 일치하지만, 중성자 에너지 범위 1 eV ~ 10 keV 열외중성자 영역 및 열중성자 영역에서는 크게는 10배 이상 차이나기도 한다. 따라서 기 개발된 중성자 공간선량당량계는 측정하고자 하는 중성자장의 중성자 에너지 분포에 따라 중성자 공간선량당량계 측정값이 실제 중성자 공간선량당량률과 차이가 발생한다.
좋은 성능의 중성자 공간선량당량계를 설계할 때 고려해야 할 두 가지 사항이 있다. 첫째, 보통 측정하고자 하는 중성자 에너지는 아주 큰 에너지 범위에 걸쳐 있어 중성자 선량계는 meV ~ 수 십 MeV에서 동작해야 해야만 중성자 공간선량당량률을 정확히 측정할 수 있다. 둘째, 이상적인 중성자 공간선량당량계는 중성자 에너지에 따른 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자와 같아야 한다.
그러나, 도 1에서 살핀 바와 같이, 중성자장에 따라서 중성자 에너지 스펙트럼의 형태가 크게 달라 하나의 대표적 중성자 스펙트럼을 이용한 중성자 선량당량계 개발은 요원한 실정이다. 또한, 도 1의 붉은 실선으로 도시한 바와 같이, 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자는 10 keV ~ 1 MeV 에너지 영역에서 중성자 에너지에 따라 급격한 변화를 가지나, 동일한 급격한 반응도 변화를 가진 중성자 공간선량당량계 개발이 어려워 만족할 만한 성능의 중성자 공간선량당량계가 아직 개발되고 있지 않은 현실이다.
또한, 중성자 공간선량당량계는 기본적으로 중성자를 감속시켜 열중성자로 변환한 후 중심에 삽입된 열중성자 검출기로 측정하는 구조이다. 중성자 에너지 1 MeV 이상의 중성자를 감속시키기 위해 보통 직경 20 cm 이상의 폴리에틸렌을 사용하기 때문에 중성자 공간선량당량계 질량은 약 9 kg 정도로 무겁다.
대한민국 등록특허 제10-1281083호
본 발명의 목적은 열중성자부터 속중성자에 이르는 넓은 에너지 범위에서 중성자 에너지에 따른 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선과 잘 일치하는 중성자 공간선량당량 검출 장치 및 이를 이용한 중성자 공간선량당량 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열중성자 검출기; 열중성자 검출기를 감싸는 제1 중성자 감속재 껍질; 제1 중성자 감속재 껍질을 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질; 열외중성자 차폐재 껍질을 감싸는 제2 중성자 감속재 껍질; 및 제2중성자 감속 껍질의 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 열린 개구로부터 연장되되, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 중성자 차폐 껍질 내측까지 연장된 공기층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 공기층은 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 제1 중성자 감속재 껍질 내부에 일단이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 제2중성자 감속 껍질은 구, 다면체, 원기둥 또는 다각 기둥 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 공기층은 중공형 원판 또는 중공형 다각판 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 공기층에 의해 제2 중성자 감속재 껍질 표면에 형성되는 열린 개구는 닫힌 곡선 또는 닫힌 꺽은 선을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 열외중성자 차폐재 껍질은 구, 다면체, 원 기둥 또는 다각 기둥 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 공기층의 적어도 일부를 덮어 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐하는 차폐 판;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 열외중성자 차폐 판은 공기층을 사이에 두고 대향하는 제1차폐 판과 제2차폐 판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 제1 중성자 감속재 껍질 및 제2 중성자 감속재 껍질은 폴리에틸렌이며, 열외중성자 차폐재 껍질은 보론카바이드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 중성자 공간선량당량 검출 장치는 하기 디멘젼을 만족할 수 있다.
[디멘젼]
R2= 0.25R1~0.8R1
R3= 0.05R2~0.6R2
T1= 0.05R1 ~ 0.3R1
D1= 0.01R1~0.05R1
디멘젼에서 R1: 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리, R2 : 열중성자 검출기의 중심에서 열외중성자 차폐재 껍질 내피까지의 최단 거리, R3 : 열중성자 검출기의 중심에서 중성자 차폐 껍질 내측에 위치하는 공기층 일단까지의 최단 거리, T1 : 제2 중성자 감속재 껍질 두께, D1 : 열린 개구의 폭이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 차폐 판의 두께 및 차폐 판의 폭은 하기 디멘젼 2를 만족할 수 있다.
[디멘젼 2]
T2= 0.02R1 ~ 0.2R1
W1= 0.2R4~0.8R4
디멘젼2에서 T2: 차폐 판 두께, W1 : 차폐 판 폭, R1: 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리, R4: 제2 중성자 감속재 껍질의 열린 개구에서 열외중성자 차폐재 껍질 외피까지의 최단 거리이다.
본 발명의 유리한 일 양태에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 내부에 열중성자 검출기가 위치하는 중성자 감속재 구; 중성자 감속재 구 내부에 위치하여 열중성자 검출기와 이격되어 검출기를 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질; 중성자 감속재 구 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며, 중공의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 중공형 원판인 공기층; 및 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 공기층의 적어도 일부를 덮어 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐하는 차폐 판;을 포함한다.
본 발명은 상술한 중성자 공간선량당량 검출 장치를 이용한 중성자 공간선량당량 검출 방법을 포함한다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 0.025eV에서 20MeV에 이르는 광범위한 에너지 영역에서 장치의 중성자 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자와 실질적으로 일치하는 장점이 있다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 단일한 중성자 감속재 구에 기반하여, 0.025eV에서 20MeV에 이르는 광범위한 에너지 영역에서 중성자의 에너지를 검출할 수 있음에 따라, 가벼우며 이동성이 좋은 장점이 있다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 실시간으로 중성자 선량당량을 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 중성자 공간선량당량 검출 장치의 반응도 및 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 투과 사시도를 도시한 도면이며,
도 3은 도 2의 투과 사시도에서 A-A 단면에 따른 단면도를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 다른 투과 사시도를 도시한 도면이며,
도 5는 도 4의 투과 사시도에서 A-A 단면에 따른 단면도를 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 또 다른 투과 사시도를 도시한 도면이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 또 다른 투과 사시도를 도시한 도면이며, ,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 또 다른 투과 사시도를 도시한 도면이며,
도 9는 도 8의 투과 사시도에서 A-A 단면에 따른 단면도를 도시한 도면이며,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 또 다른 단면도를 도시한 도면이며,
도 11은 도 10의 도면에서 차폐 판만을 별도로 도시한 도면이며,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 또 다른 단면도를 도시한 도면이며,
도 13은 도 12의 도면에서 차폐 판만을 별도로 도시한 도면이며,
도 14는 구의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 폴리에틸렌 감속재 구로 이루어진 종래 중성자 공간선량당량 검출 장치의 반응도 및 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 도시한 도면이며,
도 15는 구의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 폴리에틸렌 감속재 구 및 내부 중심에 열중성자 검출기가 위치하도록 폴리에틸렌 감속재 구에 함입된 보론카바이드 열외중성자 차폐재 껍질로 이루어진 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도 및 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 도시한 도면이며,
도 16은 구의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 폴리에틸렌 감속재 구, 내부 중심에 열중성자 검출기가 위치하도록 폴리에틸렌 감속재 구에 함입된 보론카바이드 열외중성자 차폐재 껍질 및 감속재 구에 열린 개구를 형성하며 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하는 공기층으로 이루어진 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도 및 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 도시한 도면이며,
도 17은 구의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 폴리에틸렌 감속재 구, 내부 중심에 열중성자 검출기가 위치하도록 폴리에틸렌 감속재 구에 함입된 보론카바이드 열외중성자 차폐재 껍질, 감속재 구에 열린 개구를 형성하며 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하는 공기층 및 열외중성자 차폐재 껍질 외면의 둘레를 따라 접하며 열외중성자 차폐재 껍질 외면에 인접한 공기층을 덮는 차폐판으로 이루어진 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도 및 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열중성자 검출기; 열중성자 검출기를 감싸는 제1 중성자 감속재 껍질; 제1 중성자 감속재 껍질을 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질; 열외중성자 차폐재 껍질을 감싸는 제2 중성자 감속재 껍질; 및 제2 중성자 감속재 껍질의 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 열린 개구로부터 연장되되, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 상기 중성자 차폐 껍질 내측까지 연장된 공기층;을 포함한다. 이때, 제1 중성자 감속재 껍질은 중성자를 열중성자로 변환하는 제1중성자 감속재를 함유하는 껍질일 수 있고, 제2 중성자 감속재 껍질은 중성자를 열중성자로 변환하는 제2중성자 감속재를 함유하는 껍질일 수 있고, 열외중성자 차폐재 껍질은 열외중성자를 흡수 제거하는 열외중성자 차폐재를 함유하는 껍질일 수 있다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에서, 제1 중성자 감속재 껍질 및 제2 중성자 감속 껍질은 각각 중성자를 감속시켜 열중성자로 변환시키는 역할을 수행할 수 있으며, 열외중성자 차폐재 껍질은 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 열중성자 검출기쪽으로 유입되는 열외중성자를 제거하여, 수 keV에서 1 MeV까지의 에너지 영역에서의 검출 장치의 반응도를 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.
제2 중성자 감속재 껍질의 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 열린 개구로부터 연장되되, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 중성자 차폐 껍질 내측까지 연장된 공기층은, 열외중성자를 차폐하기 위해 구비되는 열외중성자 차폐껍질에 의해 과도하게 감소되는 수 keV 이하 에너지 영역에서의 검출 장치의 반응도를 향상시키는 역할을 수행할 수 있으며, 열중성자가 제2 중성자 감속재 껍질과 열외중성자 차폐재 껍질 영역을 통과하여 검출기와 접하는 제1 중성자 감속재 껍질 속으로(안으로) 직접적으로 유입될 수 있도록 하는 열중성자 이동 통로의 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 공기층은 제2 중성자 감속재 껍질의 형상에 따라 중공형 원판 또는 중공형 다각 판 형상일 수 있으며, 중공의 중심에 제1 중성자 감속재 껍질 유래의 중성자 감속재에 의해 감싸인 열중성자 검출기가 위치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 중성자 감속재에 의해 중성자를 열중성자로 변환하여 열중성자를 검출하는 기본 검출 구조를 갖는다. 그러나, 도 1로 예시하고 중성자 검출 관련 기술에 종사하는 당업자에게 주지된 바와 같이, 중성자 감속재로 중성자를 열중성자로 변환시켜 중성자 에너지를 검출하는 경우 1MeV 부근에서는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선에 잘 일치하는 반응도를 갖게 되나, 그 이하의 에너지 영역에서는 과도하게 높은 반응도를 나타내게 된다.
본 발명에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 중성자 감속재에 의해 중성자를 열중성자로 변환하여 검출하되, 중성자 감속재 사이에 개재되는 열외중성자 차폐재에 의해 열외중성자-열중성자 에너지 영역에서의 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선 대비 과도하게 높은 반응도를 낮추고, 열외중성자 차폐재에 의해 과도하게 낮아진 열중성자(및 인근) 에너지 영역에서의 반응도를 공기층을 이용하여 향상시킴으로써, 열중성자에서 속중성자에 이르는 광범위한 에너지 범위에서 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선과 매우 유사한 반응도를 가질 수 있다.
상세하게, 본 출원인은 열외중성자 차폐재 껍질에 의해 수 keV 이하 에너지 영역에서 과도하게 낮아진 반응도를 향상시키기 위해 다양한 구조 검출 장치를 설계 및 테스트한 결과, 바(bar)나 원통과 같은 기공 채널(열린 기공 채널로 최외각 껍질표면에서 검출기 방향으로 형성된 기공 채널)들로는, 채널 크기나 형상, 배열을 달리하여도 수 keV 이하 에너지 영역의 반응도가 목적하는 만큼 향상되지 않음을 확인한 바 있으며, 수 keV 이하 에너지 영역의 반응도 향상은 미미한 반면 오히려 서로 이격 배열된 다수개의 채널에 의해 열외중성자 차폐재 껍질이 무력화되며 수 keV에서 1 MeV까지의 에너지 영역에서의 반응도가 과도하게 증가함을 확인하였다.
그러나, 제안한 바와 같이 제2중성자 감속 껍질의 둘레를 따라 열린 개구가 형성되도록, 즉, 제2 중성자 감속재 껍질 표면에 제2 중성자 감속재 껍질의 둘레를 감싸도록 열린 구조가 형성되고, 제2 중성자 감속재 껍질 표면의 열린 구조가 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 제1중성자 감속 껍질 내부까지 연장되도록 층의 형태로 열린 구조가 형성되는 경우, 수 keV 이하 에너지 영역에서의 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선에 실질적으로 일치될 정도로 반응도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열중성자 검출기; 열중성자 검출기를 감싸는 제1 중성자 감속재 껍질; 제1 중성자 감속재 껍질을 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질; 열외중성자 차폐재 껍질을 감싸는 제2 중성자 감속재 껍질; 및 제2중성자 감속재 껍질의 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 열린 개구로부터 연장되되, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 제1 중성자 감속재 껍질의 내부(제1 중성자 감속재 껍질 속)까지 연장된 공기층;을 포함할 수 있다.
제2 중성자 감속재 껍질의 형상(외형)은 중성자 공간선량당량 검출 장치의 전체적인 형상을 결정한다. 제2 중성자 감속재 껍질은 구, 다면체(polyhedron), 원 기둥 또는 다각 기둥 형상을 가질 수 있다. 다면체는 정육면체, 정팔면체, 깍은 정팔면체, 정십이면체, 깍은 정십이면체, 정십사면체, 깍은 정십사면체, 정이십면체, 깍은 정이십면체등을 포함할 수 있고, 다각 기둥은 사각(정사각 내지 직사각) 기둥, 오각 기둥, 육각 기둥, 팔각 기둥, 십각 기둥, 십이각 기둥 등을 포함할 수 있다. 전방위적으로 균일하게 중성자를 검출하는 측면에서 제2 중성자 감속재 껍질은 구, 정십이면체 이상의 다면체, 원 기둥 또는 오각 기둥 이상의 다각 기둥 형상일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
열린 개구가 제2 중성자 감속재 껍질의 둘레를 따라 형성되었다 함은, 열린 개구가 제2 중성자 감속재 껍질의 둘레를 따라, 닫힌 선(개구의 폭을 고려하는 경우 닫힌 띠)을 이룸을 의미할 수 있다. 닫힌 선의 형상은 제2 중성자 감속재 껍질의 단면 형상에 대응할 수 있다. 구체적인 일 예로, 제2 중성자 감속재 껍질의 형상에 따라 닫힌 선의 형상은 닫힌(closed) 곡선 또는 닫힌(closed) 꺽은 선일 수 있다. 보다 구체적인 일 예로, 제2 중성자 감속재 껍질이 구형이나 원통형인 경우 열린 개구는 닫힌 곡선 형태일 수 있고, 제2 중성자 감속재 껍질이 다면체나 다각 기둥 형상일 경우 열린 개구는 닫힌(closed) 꺽은 선 형태일 수 있다.
열외중성자 차폐재 껍질의 형상(외형)은 제1 중성자 감속재 껍질에 의해 검출기와 이격된 상태로 검출기를 감쌀 수 있는 형태이면 족하다. 구체적인 일 예로, 열외중성자 차폐재 껍질의 형상은 제2 중성자 감속재 껍질과 독립적으로, 구, 다면체(polyhedron), 원 기둥 또는 다각 기둥 형상을 가질 수 있다. 다면체는 정육면체, 정팔면체, 깍은 정팔면체, 정십이면체, 깍은 정십이면체, 정십사면체, 깍은 정십사면체, 정이십면체, 깍은 정이십면체등을 포함할 수 있고, 다각 기둥은 사각(정사각 내지 직사각) 기둥, 오각 기둥, 육각 기둥, 팔각 기둥, 십각 기둥, 십이각 기둥 등을 포함할 수 있다. 실질적인 일 예로, 제2 중성자 감속재 껍질은 구, 정십이면체 이상의 다면체, 원 기둥 또는 오각 기둥 이상의 다각 기둥 형상일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 열외중성자 차폐재 껍질은 일정한 두께(균일한 두께)를 가질 수 있다.
열외중성자 차폐재 껍질 및 열외중성자 차폐재 껍질을 포함하는 상술한 껍질의 형상은 껍질의 외형을 기준한 것임은 물론이다. 검출기 쪽에서 제2 중성자 감속 껍질의 표면 쪽으로 방향을 외측 방향으로 하여, 일 껍질의 외측 방향에 위치하여 일 껍질(껍질 A)을 감싸는 다른 일 껍질(껍질 B)의 외형은 상술한 바와 같이, 구, 다면체, 원 기둥 또는 다각 기둥 형상과 같은 다양한 형상일 수 있으나, 다른 일 껍질(껍질 B)의 내형은 일 껍질(껍질 A)의 외형에 대응하는 형상을 가져 다른 일 껍질(껍질 B)이 의도치 않은 빈 틈을 형성하지 않고 일 껍질(껍질 A)에 밀착하여 일 껍질(껍질 A)을 감쌀 수 있음은 물론이다.
제1 중성자 감속재 껍질은 열외중성자 차폐재 껍질과 검출기 사이의 공간을 채울 수 있는 형태이면 족하다. 구체적으로, 제1 중성자 감속재 껍질의 형상(외형)은 열외중성자 차폐재 껍질의 내형에 대응할 수 있으며, 차폐재 껍질의 두께가 일정함에 따라, 열외중성자 차폐재 껍질의 외형에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 중성자 감속재 껍질은 구, 다면체(polyhedron), 원 기둥 또는 다각 기둥 형상일 수 있으며, 열외중성자 차폐재 껍질의 외형(또는 내형)에 대응하는 형상일 수 있다. 보다 구체적인 일 예로, 열외중성자 차폐재 껍질의 형상이 구 형상인 경우, 제1 중성자 감속재 껍질은 그 내부에 검출기가 위치하는 구일 수 있다. 다른 구체예로, 열외중성자 차폐재 껍질의 형상이 원 기둥인 경우 제1 중성자 감속재 껍질은 그 내부에 검출기가 위치하는 원기둥 형상일 수 있다. 또 다른 구체예로, 열외중성자 차폐재 껍질의 형상이 팔각 기둥인 경우 제1 중성자 감속재 껍질은 그 내부에 검출기가 위치하는 팔각 기둥 형상일 수 있다.
열중성자 검출기는 제1 중성자 감속재 껍질의 중심에 위치할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 열중성자 검출기는 중성자 공간선량당량 검출분야에서 열중성자를 검출하는데 사용되는 것으로 알려진 어떠한 검출기도 사용 가능하다. 구체적인 일 예로, 열중성자 검출기는 BF3 중성자 비례계수기나 He3 중성자 비례계수기등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 열중성자 측정 신호를 실시간으로 전달할 수 있는 능동형 열중성자 검출기를 사용할 수도 있음은 물론이다. 또한, 열중성자 검출기는 구형 내지 실린더 형상일 수 있으나, 본 발명이 열중성자 검출기의 구체 형태에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에서, 제2 중성자 감속재 껍질, 열외중성자 차폐재 껍질, 제1 중성자 감속재 껍질 및 공기층에 의해 제2 중성자 감속재 껍질에 형성되는 개구부인 폐(closed) 선(공기층의 두께를 감안하는 경우 폐(closed) 띠)은 동심 구조를 가질 수 있으며, 그 중심에 열중성자 검출기가 위치할 수 있으나 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에서, 검출 장치는 단일한 열중성자 검출기를 포함할 수 있으며, 이는, 본 발명에 따른 에너지 검출 장치가 단일한 열중성자 검출기로도 0.025eV에서 20MeV에 이르는 넓은 에너지 범위에서 장치의 반응도가 실질적으로 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선과 일치함에 따름이다. 이에, 본 발명의 우수함에 의해 단일한 열중성자 검출기로 검출 장치가 구성 가능한 것이며, 둘 이상이 열중성자 검출기가 구비되는 경우를 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열중성자 검출기에서 출력되는 검출신호를 장치 외부로 전송하기 위한 소정의 신호선을 더 포함할 수 있음은 물론이며, 제1 중성자 감속재 껍질, 열외중성자 차폐재 껍질 및 제2 중성자 감속재 껍질에는 열중성자 검출기의 신호선(101)을 장치 외부로 인출하기 위한 인출홀이 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 신호선을 통해 열중성자 검출기에서 출력되는 검출신호를 입력받아, 열중성자 검출기에 의해 계수된 중성자(열중성자) 개수를 기초로 중성자 에너지를 연산하는 연산부 및 연산부에서 연산된 중성자 에너지를 출력(디스플레이 포함)하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 투과 사시도를 도시한 도면이며, 도 3은 도 2의 투과 사시도에서 A-A 단면에 따른 단면도를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3의 예는 제2 중성자 감속재 껍질(400), 열외중성자 차폐재 껍질(300), 제1 중성자 감속재 껍질(200)이 모두 구 형상인 예이며, 구 형상인 제1 중성자 감속재 껍질(200)의 구 중심에 열중성자 검출기(100)가 위치하고 중공형 원판 형태의 공기층(500)이 형성된 일 예이다.
도 2 및 도 3에 도시한 일 예와 같이, 공기층(500)은 제2 중성자 감속재 껍질(400)의 둘레를 따라 링 형태의 열린 개구(501)를 형성하고 열린 개구(501)로부터 연장되되, 열외중성자 차폐재 껍질(300)을 관통하며 제1 중성자 감속재 껍질(200) 내부(제1 중성자 감속재 내부)에 일 단(502)이 위치하도록 연장됨으로써, 중공형 원판 형태를 가질 수 있다.
중공형 원판 형태의 공기층(500)은 판의 외면이 제2 중성자 감속재 껍질(400)에 개구(501)를 형성하며 판의 내면(중공 면)이 열중성자 검출기(100)와 이격되어 열중성자 검출기(100)를 둘러 쌀 수 있다. 도 2 및 도 3의 예에서 원판 형태의 공기층(500)의 중공이 원형인 경우를 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 중공형 판 형태의 공기층에서 중공의 형상은 사각, 오각, 육각, 팔각 등 공기가 열중성자 검출기(100)와 이격되며 열중성자 검출기(100)를 둘러 쌀 수 있는 형상이면 무방하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 투과 사시도를 도시한 도면이며, 도 5는 도 4의 투과 사시도에서 A-A 단면에 따른 단면도를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5의 예는 제2 중성자 감속재 껍질(400), 열외중성자 차폐재 껍질(300) 및 제1 중성자 감속재 껍질(200) 각각이 육각 기둥 형상인 예이며, 중공형 육각판 형태의 공기층(500)이 형성된 일 예를 도시한 도면이다. 또한, 도 4 및 도 5의 예는 육각 기둥(제2 중성자 감속재 껍질)의 길이 방향 중심선에 대해, 열중성자 검출기(100), 제1 중성자 감속재 껍질(200), 열외중성자 차폐재 껍질(300) 및 중공형 육각판인 공기층(500)이 모두 동심 구조를 이루는 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 투과 사시도를 도시한 도면이다.
도 6의 예는 제2 중성자 감속재 껍질(400), 열외중성자 차폐재 껍질(300), 제1 중성자 감속재 껍질(200)이 모두 팔각 기둥 형상인 예이며, 제2 중성자 감속재 껍질(400) 형상인 팔각 기둥의 길이 방향 중심선에 대해, 열중성자 검출기(100), 제1 중성자 감속재 껍질(200), 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 모두 동심 구조를 이루는 예를 도시한 것이다. 공기층(500)은 제2 중성자 감속재 껍질(400)의 둘레를 따라 폐 선(closed line)의 개구(501)를 형성함에 따라, 제2 중성자 감속재 껍질의 형태에 따라 공기층의 형태가 달라질 수 있다. 도 6의 일 예에서 제2 중성자 감속재 껍질(400)이 팔각 기둥 형상임에 따라, 공기층(500)은 중공형 팔각 판 형태일 수 있다. 이때, 비록 도 6 에서 팔각 판의 중공이 원형인 예를 도시하였으나, 앞서 상술한 바와 같이, 중공의 형상은 판의 형상과 독립적으로 원형, 사각, 오각, 육각, 팔각등을 포함하는 다각형일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 투과 사시도를 도시한 도면이다. 도 7의 예는 제2 중성자 감속재 껍질(400)이 원통 형상이고, 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 육각 기둥 형상이며, 제1 중성자 감속재 껍질(200)이 육각 기둥 형상인 예이며, 도 2와 마찬가지로 중공형 원판 형태의 공기층(500)이 형성된 일 예를 도시한 도면이다. 도 7의 예는 원통(제2 중성자 감속재 껍질)의 길이 방향 중심선에 대해, 열중성자 검출기(100), 제1 중성자 감속재 껍질(200) 및 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 동심 구조를 이룬 예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치의 투과 사시도를 도시한 도면이며, 도 9는 도 8의 투과 사시도에서 A-A 단면에 따른 단면도를 도시한 도면이다. 도 8 및 도 9의 예는 제2 중성자 감속재 껍질(400)이 구 형상이고, 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 육각 기둥 형상이며, 제1 중성자 감속재 껍질(200)이 육각 기둥 형상인 예이며, 구의 최상부 점(N)과 최하부 점(S)을 잇는 구의 중심선(N-S)에 대해 열중성자 검출기(100), 제1 중성자 감속재 껍질(200), 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 모두 동심 구조를 이루는 예를 도시한 것이며, 중공형 원판 형태의 공기층(500)이 형성된 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 9에 도시한 일 예와 같이, 공기층(500)은 제2 중성자 감속재 껍질의 형상에 따라, 중공형 원판 또는 중공형 다각판 형상일 수 있으며, 중공의 형상은 판의 형상과 독립적으로 원형, 사각, 오각, 육각, 팔각등을 포함하는 다각형일 수 있다. 중공형 원판 또는 중공형 다각판 형상의 측면에서 공기층을 상술하면, 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 제1 중성자 감속 껍질 내부(안)에 위치하는 '일 단'은 중공형 원판 또는 중공형 다각판에서 중공이 제1 중성자 감속 껍질 내부(안)에 위치함을 의미하는 것이며, 공기층의 일 단은 중공의 중공면을 의미할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 상술한 열중성자 검출기, 제1 중성자 감속재 껍질, 열외중성자 차폐재 껍질, 제2 중성자 감속재 껍질 및 공기층과 함께, 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 공기층의 적어도 일부를 덮어 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐하는 차폐 판;을 더 포함할 수 있다. 이때, 차폐판이 공기층을 덮는다는 의미는, 공기층과 제2 중성자 감속재 껍질 사이에 차폐판이 위치함을 의미하는 것이다.
상술한 바와 같이, 공기층은 열중성자가 직접적으로 제1 중성자 감속재 껍질안으로 유입될 수 있는 열중성자의 이동(유입) 통로 역할을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 수 keV 이하 에너지 영역에서의 검출 장치의 반응도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 공기층이 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하는 구조임에 따라, 제2 중성자 감속재 껍질에서 이동하는 열외 중성자 또한 공기층으로 유입될 위험이 있으며, 이에 의해 수 keV에서 1 MeV까지의 에너지 영역의 반응도가 원치 않게 상승할 위험이 있다.
차폐판은 열외중성자가 제2 중성자 감속재 껍질에서 공기층으로 유입되는 것을 원천적으로 차단하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 차폐판의 열외중성자 차단에 의해, 공기층에 의해 수 keV 이하 에너지 영역에서의 반응도는 향상시킴과 동시에 열외중성자 차폐재 껍질에 의해 낮아진 수 keV에서 1 MeV까지의 에너지 영역의 반응도를 안정적으로 유지할 수 있다.
공기층이 중공형 원판이나 중공형 다각 판 형상을 가질 수 있음에 따라, 차폐 판은 위쪽에서 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐할 수 있는 제1차폐판과 아래쪽에서 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐할 수 있는 제2차폐판을 포함하는 것이 보다 유리하다.
즉, 차폐 판은 공기층을 사이에 두고 대향하는 제1차폐판과 제2차폐판을 포함할 수 있으며, 제1차폐판과 제2차폐판 각각은 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 공기층의 적어도 일부를 덮을 수 있다.
도 10은 도 2의 일 예로 도시된 중성자 공간선량당량 검출 장치에서 차폐 판(610, 620)이 더 구비된 단면도이며, 도 11은 도 10에서 공기층(500)에 의해 개구의 폭(D1, 공기층의 두께)만큼 서로 이격되어 대향하는 제1차폐판(610) 및 제2차폐판(620)만을 별도로 도시한 사시도를 도시한 도면이다. 도 12는 도 8의 일 예로 도시된 중성자 공간선량당량 검출 장치에서 차폐 판(610, 620)이 더 구비된 단면도이며, 도 13은 도 12에서 공기층(500)에 의해 개구의 폭(D1, 공기층의 두께)만큼 서로 이격되어 대향하는 제1차폐판(610) 및 제2차폐판(620)만을 별도로 도시한 사시도를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 13에 도시한 일 예와 같이, 차폐 판은 상부와 하부 각각에서 공기층(500)을 덮는 제1차폐판(610)과 제2차폐판(620)을 포함할 수 있다. 제1차폐판(610)과 제2차폐판(620)은 그 사이에 개재된 공기층에 의해 서로 이격되되 제1차폐판(610)과 제2차폐판(620) 모두 공기층에 의해 관통되는 관통 영역 인근의 열외중성자 차폐재 껍질(300)과 접하며 열외중성자 차폐재 껍질(300)을 둘러 쌀 수 있다.
상술한 바와 같이, 차폐판이 열외중성자 차폐재 껍질(300)과 접하여 열외중성자 차폐재 껍질(300)을 둘러 싸며 공기층(500)의 적어도 일부를 덮음에 따라, 차폐판 또한 중공형 판의 형상일 수 있다. 중공형 차폐판의 형상은 중공형 원판 또는 중공형 다각판 형상일 수 있으며, 중공형 다각판은 사각, 오각, 육각, 팔각등을 포함할 수 있다. 차폐판이 열외중성자 차폐재 껍질과 접하여 열외중성자 차폐재 껍질을 둘러싼 구조를 가짐에 따라, 중공형 원판 또는 중공형 다각판 형상인 차폐판에서 중공의 크기 및 형상은 열외중성자 차폐재 껍질의 크기 및 형상에 대응할 수 있다(도 11 및 도 13 참고). 또한, 중공형 차폐판의 폭에 의해 공기층에서 차폐판에 의해 덮이는 정도가 제어될 수 있음은 물론이다.
도 10의 일 예는 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 구형인 예임에 따라, 제1차폐판(610) 및 제2차폐판(620)은 각각 원형 중공을 갖는 중공형 원판 형태일 수 있다. 도 12의 일 예는 열외중성자 차폐재 껍질(300)이 팔각 기둥 형상인 예임에 따라, 제1차폐판(610) 및 제2차폐판(620)은 각각 팔각형 중공을 갖는 중공형 팔각판 형태일 수 있다. 즉, 중공형 차폐판의 중공의 크기 및 형상은 공기층에 의해 관통되는 면을 기준한 열외 중성자 차폐재 껍질의 단면의 크기 및 형상에 상응할 수 있다.
또한, 도 10 및 도 12의 일 예는 차폐판의 폭이 제2 중성자 감속재 껍질(400)의 표면(외피) 또는 표면에 위치하는 열린 개구에서 열외중성자 차폐재 껍질 표면(외피)까지의 최단 거리보다 작아 열외중성자 차폐재 껍질과 제2 중성자 감속재 껍질 사이에 위치하는 공기층의 일부를 덮는 예가 도시된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 차폐판이 열외중성자 차폐재 껍질과 제2 중성자 감속재 껍질 사이에 위치하는 공기층을 모두 덮을 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 10 및 도 12의 일 예는 제1차폐판과 제2차폐판이 서로 동일한 크기 및 형상을 갖는 예를 도시한 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 중공형 원판의 제1차폐판과 중공형 다각판의 제2차폐판 또는 서로 폭이 상이한 중공형 원판인 제1차폐판과 제2차폐판 등, 필요시 그 형상과 크기가 서로 상이할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 제1 중성자 감속재 껍질의 제1 중성자 감속재 및 제2 중성자 감속재 껍질의 제2 중성자 감속재는 중성자를 열중성자로 변환시키는 것으로 알려진 물질이면 무방하며, 구체적이며 대표적인 일 예로 폴리에틸렌을 들 수 있으나, 본 발명이 구체적인 중성자 감속재 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치에 있어, 열외중성자 차폐재 껍질의 열외중성자 차폐재는 열외중성자를 흡수 제거하는 것으로 알려진 물질이면 무방하며, 구체적이며 대표적인 일 예로, 보론카바이드(B4C)를 들 수 있으나, 본 발명이 구체적인 열외중성자 차폐재 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.
중성자 감속재를 이용하여 중성자를 열중성자로 변환하고 열중성자 검출기로 검출하는 종래 검출 장치의 경우 1MeV 부근에서는 장치의 반응도와 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선이 잘 일치하는 것으로 알려져 있으나, 도 1에 도시한 일 예와 같이 1MeV 이하의 에너지 영역에서는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 대비 과도하게 큰 반응도를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 열외중성자 차폐재 껍질에 의해 수 keV ~ 1 MeV 영역에서의 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자와 실질적으로 일치할 수 있으며, 열외중성자 차폐재 껍질에 의해 과도하게 낮아지는 수 keV 이하 영역에서의 반응도가 공기층에 의해 향상되어 장치의 반응도가 수 keV 이하 영역에서도 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자와 실질적으로 일치할 수 있다. 나아가, 공기층이 구비됨에도 열외중성자가 공기층으로 유입되는 것을 방지하는 차폐판에 의해, 수 keV ~ 1 MeV 영역에서의 반응도가 안정적으로 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자에 실질적으로 일치하도록 유지될 수 있다.
이에 따라, 측정하고자 하는 중성자의 종류, 중성자 발생원의 종류, 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선의 구체 형태등을 고려하여, 제2 중성자 감속재 껍질의 크기, 제1 중성자 감속재 껍질의 크기, 열외중성자 차폐재 껍질의 두께, 공기층의 두께(=열린 개구의 폭), 제1 중성자 감속재 껍질 안에 위치하는 공기층의 일 단의 구체 위치, 차폐판의 폭(차폐판에 의해 덮이는 공기층 영역의 폭), 차폐판의 두께등이 적절히 설계 변경될 수 있다.
다만, 0.025eV~20MeV 전 영역에서 장치의 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선에 실질적으로 일치하는 구체 디멘젼의 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 하기 디멘젼 1을 만족할 수 있으며, 좋게는 하기 디멘젼 1과 디멘젼 2를 만족할 수 있다.
[디멘젼]
R2= 0.25R1~0.8R1, 구체적으로 0.3R1~0.6R1
R3= 0.05R2~0.6R2, 구체적으로 0.15R2~0.5R2
T1= 0.05R1 ~ 0.3R1, 구체적으로 0.05R1~0.2R1
D1= 0.01R1~0.05R1, 구체적으로 0.02R1~0.05R1
디멘젼 1에서 R1는 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리이고, R2는 열중성자 검출기의 중심에서 열외중성자 차폐재 껍질 내피까지의 최단 거리이며, R3는 열중성자 검출기의 중심에서 중성자 차폐 껍질 내측(제1 중성자 감속재 껍질 안)에 위치하는 공기층 일단까지의 최단 거리이며, T1는 제2 중성자 감속재 껍질 두께이며, D1는 열린 개구의 폭(공기층의 두께)이다.
[디멘젼 2]
T2= 0.02R1 ~ 0.2R1, 구체적으로 0.02R1 ~ 0.1R1
W1= 0.2R4~0.8R4, 구체적으로 0.2R4 ~ 0.6R4
디멘젼2에서 T2는 차폐 판 두께이며, W1는 차폐 판 폭이고, R1은 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리이며, R4는 제2 중성자 감속재 껍질의 열린 개구에서 열외중성자 차폐재 껍질 외피까지의 최단 거리이다.
종래 가장 흔하게 사용되는 크기의 보너구 기반 중성자 검출 장치를 기준한 실질적인 일 예로, R1은 9.5 cm 내지 12.7 cm일 수 있으며, 본 발명이 상술한 구체 수치에 의해 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 내부에 열중성자 검출기가 위치하는 중성자 감속재 구; 중성자 감속재 구 내부에 위치하여 열중성자 검출기와 이격되어 검출기를 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질; 중성자 감속재 구 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 중공의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 중공형 원판인 공기층; 및 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 공기층의 적어도 일부를 덮어 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐하는 차폐 판;을 포함한다.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치는 앞서 상술한 중성자 공간선량당량 검출 장치에서 제1 중성자 감속재 껍질과 제2 중성자재 감속 껍질이 서로 독립된 구성이 아닌 일체의 중성자 감속재 구인 경우이며, 열외중성자 차폐재 껍질이 중성자 감속재 구 내부에 삽입된 경우에 해당하는 양태이다.
이에 따라, 본 발명의 다른 일 양태에서, 열중성자 검출기, 열외중성자 차폐재 껍질, 중성자 감속재, 공기층, 차폐판은 앞서 중성자 공간선량당량 검출 장치에서 상술한 열중성자 검출기, 열외중성자 차폐재 껍질, 중성자 감속재, 공기층, 차폐판과 유사 내지 동일하며, 상술한 디멘젼 1 및 디멘젼 2를 포함하여, 앞서 중성자 공간선량당량 검출 장치에서 상술한 모든 내용을 포함한다. 다만, 본 발명의 다른 일 양태에서, 디멘젼 1에서의 R1는 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리가 아닌, 열중성자 검출기의 중심에서 중성자 감속재 구 외피까지의 최단 거리에 상응함은 물론이다.
도 14는 구의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 직경 19 cm의 폴리에틸렌 감속재 구로 이루어진 종래 에너지 검출 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도(도 12의 PE only) 및 검은색 채워진 사각으로 도시된 h*(10)normalized는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 나타낸 것으로, 1MeV에서 장치의 반응도와 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자일치시킨 도면이다. 도 1 및 도 14에서 알 수 있듯이, 종래 검출 장치의 경우 1MeV 이하에서 에너지 범위에서 장치 반응도와 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자간 10배 이상의 차이가 발생함을 알 수 있다.
도 15는 도 14의 장치에 보론카바이드 열외중성자 차폐재 껍질을 더 구비한 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도(도 15의 PE+B4C)를 도시한 도면으로 도 15에서 검은색 채워진 사각으로 도시된 h*(10)normalized는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 나타낸 것이다. 상세하게, 열외중성자 차폐재 껍질은 두께가 1cm인 육각 기둥 형상이었고, 육각 기둥의 중심에 열중성자 검출기가 위치하고, 열중성자 검출기의 중심에서 열외중성자 차폐재 껍질의 내피(내측 면)까지의 최단 거리는 4 cm였다.
도 15에서 알 수 있듯이, 열외중성자 차폐재 껍질이 구비됨에 따라 5 keV - 1 MeV 영역에서 장치 반응도가 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자에 근접하게되나, 5 keV 이하의 장치 반응도가 현저하게 감소함을 알 수 있다.
도 16은 도 15의 장치에 공기층을 더 구비한 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도(도 16의 PE+B4C+Air plate)를 도시한 도면으로 앞서 도시한 도 8 및 도 9에 상응하는 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도를 도시한 도면이다. 이때, 도 16에서 검은색 채워진 사각으로 도시된 h*(10)normalized는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 나타낸 것이다. 상세하게, 공기층은 두께(열린 개구의 폭)가 0.34cm인 중공형 원판 형상이었고, 원형 중공의 중심에 열중성자 검출기가 위치하였으며, 열중성자 검출기의 중심에서 원판의 중공면까지의 최단 거리는 1.4cm였다.
도 16에서 알 수 있듯이, 공기층에 의해 5 keV 이하의 장치 반응도가 증가하며 수 keV 이하의 에너지 영역에서 장치의 반응도 곡선이 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자와 유사해짐을 알 수 있으며, 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자의 곡선 형태(에너지 변화에 따른 환산인자의 변화)가 거의 그대로 재현된 반응도를 가짐을 알 수 있다. 그러나, 공기층의 도입에 의해 열중성자부터 열외중성자 영역에서의 장치의 중성자 반응도 곡선이 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선과 유사한 형상을 가지나, 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자 곡선보다 반응도가 커짐을 알 수 있다.
도 17은 도 16의 장치에 보론카바이드 차폐판을 더 구비한 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도(도 17의 PE+B4C+Air plate+B4C 추가)를 도시한 도면으로, 앞서 도시한 도 12에 상응하는 장치의 중성자 에너지에 따른 반응도를 도시한 도면이다. 이때, 도 17에서 검은색 채워진 사각으로 도시된 h*(10)normalized는 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자를 나타낸 것이다. 상세하게, 공기층에 의해 관통되는 관통 영역의 상측 및 하측 각각에서 열외중성자 차폐막과 접하도록 육각의 중공을 갖는 중공형 육각판을 삽입하였으며, 중공형 육각판(제1차폐판과 제2차폐판 각각)의 두께는 0.33cm이었고, 판의 폭은 2cm이었다.
도 17에서 알 수 있듯이, 열외중성자가 공기층을 통해 열중성자 검출기 주변의 폴리에틸렌 감속재로 주입되지 않도록 차폐판이 구비되는 경우, 0.025eV에서 20MeV에 이르는 광범위한 에너지 영역에서 장치의 반응도와 중성자 플루언스-공간선량당량 환산인자가 실질적으로 일치함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 열중성자 공간선량당량 검출 장치를 이용한 열중성자 공간선량당량 검출 방법을 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 열중성자 검출기;
    상기 열중성자 검출기를 감싸는 제1 중성자 감속재 껍질;
    상기 제1 중성자 감속재 껍질을 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질;
    상기 열외중성자 차폐재 껍질을 감싸는 제2 중성자 감속재 껍질; 및
    상기 제2중성자 감속재 껍질의 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고 상기 열린 개구로부터 연장되되, 상기 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 상기 중성자 차폐 껍질 내측까지 연장된 공기층;
    을 포함하되,
    상기 공기층에 의해 상기 제2 중성자 감속재 껍질 표면에 형성되는 상기 열린 개구는 닫힌 곡선 또는 닫힌 꺽은 선을 이루며, 상기 공기층은 중공형 판 형태인, 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기층은 상기 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며 상기 제1 중성자 감속재 껍질 내부에 일 단이 위치하는 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2중성자 감속 껍질은 구, 다면체(polyhedron), 원기둥 또는 다각 기둥 형상인 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 공기층은 중공형 원판 또는 중공형 다각판 형상인 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열외중성자 차폐재 껍질은 구, 다면체(polyhedron), 원 기둥 또는 다각 기둥 형상인 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 중성자 공간선량당량 검출 장치는
    상기 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 상기 공기층의 적어도 일부를 덮어 상기 제2 중성자 감속재 껍질을 통해 상기 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐하는 차폐 판;을 더 포함하는 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열외중성자 차폐 판은 공기층을 사이에 두고 대향하는 제1차폐 판과 제2차폐 판을 포함하는 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 중성자 감속재 껍질 및 제2 중성자 감속재 껍질은 폴리에틸렌이며, 상기 열외중성자 차폐재 껍질은 보론카바이드인 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 중성자 공간선량당량 검출 장치는 하기 디멘젼을 만족하는 중성자 공간선량당량 검출 장치.
    [디멘젼]
    R2= 0.25R1~0.8R1
    R3= 0.05R2~0.6R2
    T1= 0.05R1 ~ 0.3R1
    D1= 0.01R1~0.05R1
    (상기 디멘젼에서 R1: 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리, R2 : 열중성자 검출기의 중심에서 열외중성자 차폐재 껍질 내피까지의 최단 거리, R3 : 열중성자 검출기의 중심에서 중성자 차폐 껍질 내측에 위치하는 공기층 일단까지의 최단 거리, T1 : 제2 중성자 감속재 껍질 두께, D1 : 열린 개구의 폭)
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 차폐 판의 두께 및 차폐 판의 폭은 하기 디멘젼 2를 만족하는 중성자 공간선량당량 검출 장치.
    [디멘젼 2]
    T2= 0.02R1 ~ 0.2R1
    W1= 0.2R4~0.8R4
    (상기 디멘젼2에서 T2: 차폐 판 두께, W1 : 차폐 판 폭, R1: 열중성자 검출기의 중심에서 제2 중성자 감속재 껍질 외피까지의 최단 거리, R4: 제2 중성자 감속재 껍질의 열린 개구에서 열외중성자 차폐재 껍질 외피까지의 최단 거리)
  12. 내부에 열중성자 검출기가 위치하는 중성자 감속재 구;
    상기 중성자 감속재 구 내부에 위치하여 열중성자 검출기와 이격되어 검출기를 감싸는 열외중성자 차폐재 껍질;
    상기 중성자 감속재 구 둘레를 따라 열린 개구를 형성하고, 상기 열외중성자 차폐재 껍질을 관통하며, 중공의 중심에 열중성자 검출기가 위치하는 중공형 원판인 공기층; 및
    상기 열외중성자 차폐재 껍질의 외측 둘레를 따라 열외중성자 차폐재 껍질과 접하며 공기층의 적어도 일부를 덮어 열외중성자 차폐재 껍질의 외측방향에서 감속재를 통해 공기층으로 유입되는 열외중성자를 차폐하는 차폐 판;
    을 포함하는 중성자 공간선량당량 검출 장치.
  13. 제 1항 내지 제4항, 제6항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 중성자 공간선량당량 검출 장치를 이용한 중성자 공간선량당량 검출 방법.
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