KR20090052904A - 중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법 그리고 위험 물질 검출 장치 - Google Patents

중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법 그리고 위험 물질 검출 장치 Download PDF

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시게히로 누카츠카
야스히로 이와무라
미치오 가토
가즈야 니시무라
히데노리 사와무라
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법 그리고 위험 물질 검출 장치에 있어서, 검사 대상물 (A) 을 삽입 및 배출 가능한 검사실 (21) 을 형성함과 함께, 이 검사실 (21) 의 주위에 열 중성자 흡수재 (15) 를 형성하고, 검사실 (21) 내에서 검사 대상물 (A) 에 대향하여 중성자 발생원 (11) 을 배치하는 한편, 중성자 발생원 (11) 에 대하여 검사 대상물 (A) 과는 반대측에 중성자 감속재 (12) 를 배치하고, 중성자 감속재 (12) 의 주위를 감마선 차폐재 (13, 14) 에 의해 피복하고, 검사 대상물 (A) 로부터 발생되는 감마선을 검출하는 Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 를 형성함으로써, 발생되는 2 차 감마선을 저감시켜, 필요한 고속 중성자 및 열 중성자를 취출할 수 있게 하여, 위험 물질의 구성 원소에 상관 없이 고정밀도로 이 위험 물질을 검출할 수 있게 한다.

Description

중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법 그리고 위험 물질 검출 장치{NEUTRON MODERATOR, NEUTRON IRRADIATION METHOD, AND HAZARDOUS SUBSTANCE DETECTOR}
본 발명은 중성자원에서 발생된 에너지가 매우 높은 고속 중성자를 감속시키고, 에너지가 낮은 중성자를 생성하는 중성자 모더레이터, 그리고 이 중성자 모더레이터를 사용하여 폭발물 등의 위험물을 검사하는 위험 물질 검출 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 역, 공항, 항만, 야구장, 축구장, 이벤트 홀, 미술관 등 다수의 사람이 모이는 대규모 집객 시설에서는, 입장시에 이용자의 수화물을 검사하여 폭발물 등의 위험 물질의 반입을 저지하여 안전성을 확보하고 있다. 종래부터, 중성자를 사용하여 폭발물을 검출하는 것이 알려져 있다. 폭발물의 구성 원소로는 질소가 함유된 것이 많아, 지금까지의 개발에서는 중성자 발생원으로부터의 고속 중성자를 감속재를 통과시킴으로써 열 중성자로 감속시키고, 이 열 중성자를 폭발물에 조사함으로써 발생된 감마선의 에너지를 검출하여, 질소의 존재 및 농도에 기초하여 폭발물을 검출하는 것이 제안되어 있다. 그런데, 최근 탄소 (카본), 수소, 산소 등의 원소로 구성되고, 질소를 함유하지 않는 폭발물이 개발되고 있다. 이들 폭발물에서는, 중성자 발생원으로부터의 고속 중성자를 폭발물에 조사하면, 고속 중성자와 각 구성 원소의 비탄성 산란에 의해 감마선이 발생되기 때문에, 이 감마선의 에너지를 검출함으로써 각 구성 원소의 농도에 기초하여 폭발물을 검출할 수 있게 된다.
이와 같은 위험 물질 검출 장치로는, 하기 특허 문헌 1 에 기재된 것이 있다. 이 특허 문헌 1 에 기재된 폭발물 검출 방식용 복합 공동(空洞) 구성체는 고에너지 중성자 공급원으로부터의 중성자를 저에너지 열 중성자로 슬로우 다운시키고, 이 저에너지 열 중성자가 질소를 수용하는 트렁크 또는 소화물에 있어서 많이 사용하는 원자 핵과 반응하여 감마선을 발생시켜, 이것을 검출기로 검출 해석함으로써 질소의 존재 및 농도를 검출하여 폭발물을 검출한다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 소64-086047호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그런데, 중성자의 감속재는 폭발물과 마찬가지로, 탄소, 수소, 산소, 질소 등의 구성 원소로 이루어지는 것으로서, 중성자 발생원으로부터의 고속 중성자를, 감속재를 통과시켜 열 중성자로 감속시키고 나서 폭발물에 조사하고, 발생된 감마선을 검출하면, 검출된 감마선량에, 폭발물로부터 발생된 감마선에 추가로 중성자 감속재로부터 발생된 감마선이 혼재되어 버려, 측정 정밀도가 악화되어 폭발물의 검출 정밀도가 저하된다는 문제가 있다. 또, 열 중성자를 폭발물에 조사하고, 발생된 감마선으로부터 폭발물의 구성 원소를 검출하는 경우, 검출된 감마선량에, 폭발물로부터 발생된 감마선에 추가로 공기 중의 탄소, 수소, 산소, 질소로부터 발생된 감마선이 혼재되어 버려 폭발물의 검출 정밀도가 저하된다.
본 발명은 상기 서술한 과제를 해결하는 것으로서, 중성자 모더레이터 내부에서 발생되는 2 차 감마선이, 검출기에서 검출되지 않도록 저감시키면서, 중성자 모더레이터 내부에서 발생되는 열 중성자의 조사 방향 이외로의 누출을 방지하여, 필요한 고속 중성자 및 열 중성자를 취출할 수 있도록 한 중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법, 그리고 이 중성자 모더레이터를 사용하여 위험 물질의 구성 원소에 상관 없이 고정밀도로 이 위험 물질을 검출할 수 있는 위험 물질 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위한 청구항 1 의 발명의 중성자 모더레이터는, 중성자 발생원과, 그 중성자 발생원의 일방측에 형성된 중성자 감속재와, 그 중성자 감속재의 주위를 피복하는 감마선 차폐재와, 상기 중성자 발생원의 배치 방향을 제외한 상기 중성자 감속재의 주위를 피복하는 열 중성자 흡수재를 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 2 의 발명의 중성자 모더레이터에서는, 상기 감마선 차폐재는, 상기 중성자 발생원의 배치 부분을 제외한 상기 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재와, 상기 중성자 발생원과 상기 중성자 감속재 사이에 형성되어 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 3 의 발명의 중성자 조사 방법은, 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자를 전방에 조사하는 한편, 그 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자 중 후방에 조사된 고속 중성자를 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속시키고, 전방에 반사되는 중성자만을 취출하여 상기 고속 중성자와 함께 전방에 조사하여, 상기 고속 중성자의 감속시에 발생되는 2 차 감마선을 차폐한다.
청구항 4 의 발명의 위험 물질 검출 장치는 검사 대상물을 삽입 및 배출 가능한 검사실과, 그 검사실의 주위에 형성된 열 중성자 흡수재와, 상기 검사실 내에서 상기 검사 대상물에 대향하여 배치된 중성자 발생원과, 그 중성자 발생원에 대하여 상기 검사 대상물과는 반대측에 배치된 중성자 감속재와, 그 중성자 감속재의 주위를 피복하는 감마선 차폐재와, 상기 검사 대상물로부터 발생되는 감마선을 검출하는 감마선 검출기를 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 5 의 발명의 위험 물질 검출 장치에서는, 상기 감마선 차폐재는, 상기 중성자 발생원에 대향하는 부분을 제외한 상기 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재와, 상기 중성자 발생원과 상기 중성자 감속재 사이에 형성되어 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 6 의 발명의 위험 물질 검출 장치에서는, 상기 감마선 검출기는, 게르마늄 반도체 검출기와, 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 7 의 발명의 위험 물질 검출 장치에서는, 상기 검사 대상물의 양측에 대향하여 1 쌍의 중성자 검출기가 형성된 것을 특징으로 하고 있다.
발명의 효과
청구항 1 의 발명의 중성자 모더레이터에 의하면, 중성자 발생원의 일방측에 중성자 감속재를 형성하고, 이 중성자 감속재의 주위를 피복하는 감마선 차폐재를 형성함과 함께, 중성자 발생원의 배치 방향을 제외한 중성자 감속재의 주위를 피복하는 열 중성자 흡수재를 형성하였기 때문에, 중성자 발생원으로부터 조사되는 고속 중성자는 전방에 조사됨과 함께 후방 및 측방에 조사되고, 이 후방 및 측방에 조사된 고속 중성자는 중성자 감속재에 의해 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속되고, 이들 일부의 중성자가 전방에 반사되는 한편, 나머지 열 중성자가 열 중성자 흡수재에 의해 흡수되며, 또 고속 중성자의 감속시에 발생된 2 차 감마선은 감마선 차폐재에 의해 외부로의 누설이 저지되게 되어, 발생되는 2 차 감마선을 저감시켜, 필요한 고속 중성자 및 열 중성자를 확실히 취출하여 조사할 수 있다.
청구항 2 의 발명의 중성자 모더레이터에 의하면, 감마선 차폐재로서, 중성자 발생원의 배치 부분을 제외한 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재와, 중성자 발생원과 중성자 감속재 사이에 형성된 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재를 형성하였기 때문에, 고속 중성자는 중성자 감속재에 의해 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속되고, 이 때에 발생되는 2 차 감마선은 제 1, 제 2 감마선 차폐재에 의해 저감되는데, 감속된 중성자 중, 중속 중성자 및 열외 중성자의 일부는 제 2 감마선 차폐재에 의해 더욱 감속되고, 열 중성자수는 증폭되고 나서 전방에 조사되게 되어 열 중성자를 효율적으로 취출하여 조사할 수 있다.
청구항 3 의 발명의 중성자 조사 방법에 의하면, 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자를 전방에 조사하는 한편, 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자 중 후방에 조사된 고속 중성자를 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속시키고, 전방에 반사되는 중성자만을 취출하여 고속 중성자와 함께 전방에 조사하여, 고속 중성자의 감속시에 발생되는 2 차 감마선을 차폐하도록 하였기 때문에, 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자와, 중성자 감속재에 의해 감속되어 반사된 중성자를 확실히 취출하여 전방에 조사할 수 있다.
청구항 4 의 발명의 위험 물질 검출 장치에 의하면, 검사 대상물을 삽입 및 배출 가능한 검사실을 형성함과 함께, 이 검사실의 주위에 열 중성자 흡수재를 형성하고, 검사실 내에서 검사 대상물에 대향하여 중성자 발생원을 배치하는 한편, 중성자 발생원에 대하여 검사 대상물과는 반대측에 중성자 감속재를 배치하고, 중성자 감속재의 주위를 감마선 차폐재에 의해 피복하고, 검사 대상물로부터 발생되는 감마선을 검출하는 감마선 검출기를 형성하였기 때문에, 중성자 발생원으로부터 조사되는 고속 중성자는 검사 대상물에 조사됨과 함께 후방 및 측방에 조사되고, 이 후방 및 측방에 조사된 고속 중성자는 중성자 감속재에 의해 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속되고, 일부의 중성자가 전방에 반사되어 검사 대상물에 조사되는 한편, 나머지 열 중성자가 열 중성자 흡수재에 의해 흡수되고, 또 고속 중성자의 감속시에 발생된 2 차 감마선은 감마선 차폐재에 의해 외부로의 조사가 저지되며, 그 결과, 검사 대상물에 대하여 고속 중성자와 열 중성자를 조사할 수 있어, 이 조사에 의해 발생되는 감마선을 감마선 검출기에 의해 검출함으로써, 그 감마선 에너지의 대소에 의해 위험 물질을 검출할 수 있고, 위험 물질의 구성 원소에 상관 없이 고정밀도로 이 위험 물질을 검출할 수 있어, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
청구항 5 의 발명의 위험 물질 검출 장치에 의하면, 감마선 차폐재로서, 중성자 발생원에 대향하는 부분을 제외한 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재와, 중성자 발생원과 중성자 감속재 사이에 위치하여 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재를 형성하였기 때문에, 고속 중성자는 중성자 감속재에 의해 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속되고, 이 때에 발생되는 2 차 감마선은 제 1, 제 2 감마선 차폐재에 의해 저감됨으로써, 검사 대상물에 고속 중성자 및 열 중성자를 조사하여 발생된 감마선과 혼재하지 않고, 또 열 중성자는 제 2 감마선 차폐재에 의해 증폭되고 나서 전방에 조사되게 되어, 위험 물질의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
청구항 6 의 발명의 위험 물질 검출 장치에 의하면, 감마선 검출기로서, 게르마늄 반도체 검출기와, 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기를 형성하고 있다. 이것은 게르마늄 반도체 검출기에 의해 검출된 감마선의 고정밀도의 분해능을 확보하고, 게르마늄 반도체 검출기에 비해 분해능은 열등하지만 감도가 좋은 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기에 의해 검출된 감마선의 고정밀도의 신호 강도를 확보하여, 감마선의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
청구항 7 의 발명의 위험 물질 검출 장치에 의하면, 검사 대상물의 양측에 대향하여 1 쌍의 중성자 검출기를 형성하였기 때문에, 1 쌍의 중성자 검출기에 의해 검사 대상물로부터 거의 동시에 발생된 중성자를 검출함으로써, 검사 대상물에 핵 물질이 함유되어 있는 것을 확실히 검출할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 관련된 중성자 모더레이터를 나타내는 개략 측면도이다.
도 2 는 본 실시예의 중성자 모더레이터를 나타내는 개략 평면도이다.
도 3 은 본 실시예의 중성자 모더레이터에 의한 고속 중성자 및 열 중성자의 조사 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4 는 본 실시예의 중성자 모더레이터가 적용된 위험 물질 검출 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5 는 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에 의한 2 차 감마선의 검출 타이밍을 나타내는 개략도이다.
부호의 설명
11 중성자 발생원
12 중성자 감속재
13 제 1 감마선 차폐재 (감마선 차폐재)
14 제 2 감마선 차폐재 (감마선 차폐재)
15 열 중성자 흡수재
21 검사실
23 제 3 감마선 차폐재 (감마선 차폐재)
24 게르마늄 반도체 검출기, Ge 검출기 (감마선 검출기)
25 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기, BGO 검출기 (감마선 검출기)
26 중성자 검출기
A 검사 대상물
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련된 중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법 그리고 위험 물질 검출 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 관련된 중성자 모더레이터를 나타내는 개략 측면도, 도 2 는 본 실시예의 중성자 모더레이터를 나타내는 개략 평면도, 도 3 은 본 실시예의 중성자 모더레이터에 의한 고속 중성자 및 열 중성자의 조사 방법을 나타내는 개략도, 도 4 는 본 실시예의 중성자 모더레이터가 적용된 위험 물질 검출 장치를 나타내는 개략도, 도 5 는 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에 의한 2 차 감마선의 검출 타이밍을 나타내는 개략도이다.
먼저, 본 실시예의 중성자 모더레이터에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 중성자 발생원 (11) 은 중성자를 발생시키는 물질 또는 장치로서, D-T 반응, D-D 반응 및 (α, n) 반응 이외에 자발 핵 분열에 기초하는 것 이 있다. 그리고, 이 중성자 발생원 (11) 은 관 형상을 이루고, 전원 유닛 (11a) 이 접속되어 있어 주위 전체에 고속 중성자를 조사할 수 있다. 이 중성자 발생원 (11) 의 일방측 (도 1 및 도 2 에서 우측) 에는 중성자 감속재 (12) 가 배치되어 있다. 이 중성자 감속재 (12) 는, 예를 들어 폴리에틸렌에 의해 구성되고, 중성자 발생원 (11) 으로부터 조사된 고속 중성자를 감속시켜 고속 중성자, 중속 중성자, 저속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 변환시킨다. 또한, 이 중성자 감속재 (12) 는 상기 서술한 폴리에틸렌 이외에, 폴리에틸렌을 함유한 물질 (붕소 함유 폴리에틸렌 등), 그라파이트, 카본을 함유한 물질 (붕소카바이트 등), 불소 화합물 (불화리튬, 불화마그네슘, 불화가돌리늄 등) 등을 사용해도 된다.
그리고, 이 중성자 감속재 (12) 의 주위에는, 이것을 피복하는 감마선 차폐재로서의 제 1 감마선 차폐재 (13) 와 제 2 감마선 차폐재 (14) 가 배치되어 있다. 제 1 감마선 차폐재 (13) 는 중성자 발생원 (11) 의 배치 부분을 제외한 중성자 감속재 (12) 의 주위를 피복하도록 배치되어 있고, 중성자 발생원 (11) 으로부터 조사된 고속 중성자가 중성자 감속재 (12) 에 의해 감속되었을 때에 발생된 2 차 감마선을 감쇠·흡수하여 차단함으로써 외부 누설을 방지한다. 이 제 1 감마선 차폐재 (13) 는 예를 들어, 납, 지르코늄, 텅스텐, 몰리브덴, 철 등을 함유하는 중금속에 의해 구성되어 있다. 한편, 제 2 감마선 차폐재 (14) 는 중성자 발생원 (11) 과 중성자 감속재 (12) 사이에 배치되고, 이 제 1 감마선 차폐재 (13) 및 제 2 감마선 차폐재 (14) 에 의해 중성자 감속재 (12) 의 주위를 전부 피복하고 있다. 그리고, 제 2 감마선 차폐재 (14) 는 제 1 감마선 차폐재 (13) 에 중성자 감속 재 (12) 에 대응하여 형성된 열 중성자 조사구 (13a) 를 폐지하도록 배치되어 있고, 중속 중성자 및 열외 중성자를 감속시켜 조사 대상 물질에 조사하는 열 중성자를 증폭시키는 기능을 갖고 있다. 이 제 2 감마선 차폐재 (14) 는 비스무트가 가장 바람직한데, 납, 지르코늄, 텅스텐, 몰리브덴, 철 등을 함유하는 중금속에 의해 대환 (代換) 하여 구성해도 된다.
또한, 중성자 발생원 (11) 의 배치 방향을 제외한 중성자 감속재 (12) 및 제 1 감마선 차폐재 (13) 와 제 2 감마선 차폐재 (14) 의 주위를 피복하도록 열 중성자 흡수재 (15) 가 배치되어 있다. 이 열 중성자 흡수재 (15) 는, 중성자 발생원 (11) 으로부터 조사된 고속 중성자가 중성자 감속재 (12) 에 의해 감속된 열 중성자의 일부를 흡수함으로써 중성자 발생원 (11) 의 측방 및 후방으로부터의 외부 누설을 방지한다. 이 경우, 중성자 감속재 (12) 의 주위를 열 중성자 흡수재 (15) 에 의해 피복하고, 이 열 중성자 흡수재 (15) 의 주위를 제 1 감마선 차폐재 (13) 에 의해 피복해도 된다.
본 실시예의 중성자 모더레이터는 검사 대상물 (A) 에 대하여, 적어도 고속 중성자 및 열 중성자를 조사한다.
즉, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 중성자 발생원 (11) 에서 발생된 고속 중성자 (FN ; Fast Neutron) 는 전방에 조사되는 한편, 측방 및 후방에 조사되고, 이 측방 및 후방에 조사된 고속 중성자 (FN) 는 중성자 감속재 (12) 를 통과하는 동안에 열외 중성자 (중속 중성자를 포함한다) (ETN ; Epithermal Neutron), 열 중성자 (TN ; Thermal Neutron) 로 감속된다. 그리고, 이 열외 중성자 (ETN), 열 중성 자 (TN), 고속 중성자 (FN) 는 전방측에 반사됨과 함께, 일부의 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 가 제 1 감마선 차폐재 (13) 및 열 중성자 흡수재 (15) 를 통과하여 일부의 열 중성자 (TN) 가 열 중성자 흡수재 (15) 에 의해 흡수된다. 이 때, 반사된 고속 중성자 (FN), 열외 중성자 (중속 중성자를 포함한다) (ETN) 는 제 2 감마선 차폐재 (14) 를 통과할 때에 더욱 감속되어 열 중성자 (TN) 가 되고, 이 열 중성자 (TN) 가 증폭된다. 또, 고속 중성자 (FN) 가 중성자 감속재 (12) 로 감속될 때 발생된 2 차 감마선 (γ 선) 은 제 1 감마선 차폐재 (13) 및 제 2 감마선 차폐 부재 (14) 에 의해 차폐된다.
따라서, 검사 대상물 (A) 에 대하여, 중성자 발생원 (11) 으로부터 직접 조사된 고속 중성자 (FN) 와 반사된 고속 중성자 (FN), 열외 중성자 (ETN), 열 중성자 (TN) 를 조사할 수 있다.
다음으로, 상기 서술한 중성자 모더레이터를 적용한 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에 대하여 설명한다. 도 4 에 나타내는 바와 같이 검사실 (21) 은 소정 두께의 콘크리트벽 (22) 에 의해 둘러싸여 형성되어 있고, 검사 대상물 (A) 을 삽입 및 배출할 수 있는 도시하지 않은 출입구가 형성되어 있다. 이 경우, 콘크리트벽 (22) 은 붕소나 납 등을 함유하는 콘크리트에 의해 형성되는 것이 바람직하고, 그 밖에 폴리에틸렌, 폴리에틸렌을 함유한 물질 (붕소 함유 폴리에틸렌 등), 그라파이트, 카본을 함유한 물질 (붕소카바이트 등), 불소 화합물 (불화리튬, 불화마그네슘, 불화가돌리늄 등) 등을 함유하는 콘크리트벽으로 해도 된다. 그리고, 이 검사실 (21) 의 내벽에는, 주위 전체에 걸쳐 상기 서술한 열 중성자 흡수재 (15) 가 배치되어 있다.
이 검사실 (21) 에서, 검사 대상물 (A) 에 대향된 일측부에는, 중성자 발생원 (11) 이 배치되어 있고, 이 중성자 발생원 (11) 에 대하여 검사 대상물 (A) 과는 반대측에 중성자 감속재 (12) 가 배치되어 있다. 그리고, 중성자 발생원 (11) 에 대향하는 부분을 제외한 중성자 감속재 (12) 의 주위를 피복하도록 제 1 감마선 차폐재 (13) 가 열 중성자 흡수재 (15) 에 밀착되어 배치됨과 함께, 중성자 발생원 (11) 과 중성자 감속재 (12) 사이에 위치하여 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재 (14) 가 배치되어 있다. 또, 검사실 (21) 의 콘크리트벽 (22) 과 열 중성자 흡수재 (15) 사이에는, 제 1 감마선 차폐재 (13) 가 배치된 부분을 제외하고 이 제 1 감마선 차폐재 (13) 와 동일 재료인 제 3 감마선 차폐재 (23) 가 배치되어 있다. 이 경우, 열 중성자 흡수재 (15) 의 내측에 제 3 감마선 차폐재 (23) 를 배치해도 된다.
또, 검사실 (21) 에서, 검사 대상물 (A) 로부터 발생되는 감마선 (γ 선) 을 검출하는 감마선 검출기로서의 게르마늄 반도체 검출기 (이하, Ge 검출기라고 한다) (24) 와, 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기 (이하, BGO 검출기라고 한다) (25) 가 형성되어 있다. 이 경우, Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 는, 검사 대상물 (A) 과 중성자 발생원 (11) 이 대향되는 영역의 양측에 서로 대향하여 배치되어 있고, 각각 카드뮴으로 피복 처리되어 있다. 또한, Ge 검출기 (24) 는 감마선 에너지 스펙트럼을 측정하는 것으로서, 검출된 감마선의 고정밀도의 분해능을 필요로 하며, BGO 검출기 (25) 는 마찬가지로 감마선 에너지 스펙트 럼을 측정하는 것으로서, 검출된 감마선의 고정밀의 감도를 갖고 있다.
또한, 검사실 (21) 에, 검사 대상물 (A) 로부터 발생되는 중성자를 검출하는 1 쌍의 중성자 검출기 (26) 가 형성되어 있다. 이 1 쌍의 중성자 검출기 (26) 는 검사 대상물 (A) 의 양측에 대향하고, 또한 동일 거리로, Ge 검출기 (24) 와 BGO 검출기 (25) 에 각각 인접하여 배치되어 있다. 그리고, 중성자 검출기 (26) 는 검사 대상물 (A) 로부터 조사된 중성자의 수를 동시에 계측할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에 있어서, 도 3 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 검사 대상물 (A) 이 검사실 (21) 에 있어서의 소정 위치, 요컨대 중성자 발생원 (11) 과 대향하는 위치에 배치된 상태에서, 중성자 발생원 (11) 을 가동시키면, 전방에 검사 대상물 (A) 을 향해 고속 중성자 (FN) 가 조사되는 한편, 측방 및 후방에 중성자 감속재 (12) 를 향해 고속 중성자 (FN) 가 조사된다. 그렇게 하면, 이 측방 및 후방에 조사된 고속 중성자 (FN) 는, 중성자 감속재 (12) 를 통과하는 동안에 감속되어 열외 중성자 (ETN), 열 중성자 (TN) 로 변환된다. 그리고, 고속 중성자 (FN), 열외 중성자 (ETN), 열 중성자 (TN) 는, 감속시에 전방측에 반사됨과 함께, 일부의 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 가 제 1 감마선 차폐재 (13) 및 열 중성자 흡수재 (15) 를 통과하고, 일부의 열 중성자 (TN) 가 열 중성자 흡수재 (15) 에 의해 흡수된다. 이 때, 반사된 열 중성자 (TN) 는 제 2 감마선 차폐재 (14) 를 통과할 때에 증폭된다. 또, 고속 중성자 (FN) 가 중성자 감속재 (12) 로 감속될 때 발생된 2 차 감마선 (γ 선) 은 제 1 감마선 차폐재 (13) 및 제 2 감마선 차폐 부재 (14) 에 의해 차폐된다.
그 때문에, 중성자 발생원 (11) 으로부터 직접 조사된 고속 중성자 (FN) 와, 중성자 감속재 (12) 에 의해 감속되어 반사된 고속 중성자 (FN), 열외 중성자 (ETN), 열 중성자 (TN) 가 검사 대상물 (A) 에 대하여 조사된다. 그렇게 하면, 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 가 검사 대상물 (A) 에 조사되었을 때, 중성자와 원자 핵이 상호 작용을 일으키면, 중성자가 갖는 에너지가 원자 핵에 부여되고, 여기된 원자 핵으로부터 2 차 감마선이 발생되는데, 이 발생 과정은 2 종류로 크게 나뉜다.
하나는 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 와 원자 핵의 비탄성 산란 반응으로서, 이 경우, 중성자의 에너지 일부가 원자 핵에 부여되고, 주로 부여된 에너지 이하의 2 차 γ 선이 발생된다. 이 비탄성 산란 감마선의 반응은, 주로 열 중성자 이상의 에너지를 갖는 중성자에 의해 발생되는데, 중성자의 에너지가 열 중성자 레벨 이하로 저하될 때까지 몇 번이나 일어나기 때문에, 발생되는 감마선의 에너지는 낮아도 대량으로 발생된다.
또 한 개는, 열 중성자 (TN) 또는 이 비탄성 산란의 결과, 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 의 에너지가 저하된 열 중성자에 의한 포획 반응으로서, 이 경우, 중성자가 일단 원자 핵에 포획되어 버려, 핵 변환이 일어난 후에 2 차 감마선 (포획 감마선으로 불리우고 있다) 을 방출한다. 그 때문에, 방출되는 감마선은 부여된 에너지보다 훨씬 거대한 에너지를 가져 방출된다. 즉, 비탄성 산란 반응은 중성자의 속도가 빠르기 때문에 원자 핵에 잡히지 않으므로, 산란 반응이 되어 산란을 반복하는 동안에 속도가 떨어진 중성자는 원자 핵에 잡히기 쉬워진 다.
그리고, Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 는, 고속 중성자 (FN), 열외 중성자 (ETN), 열 중성자 (TN) 가 검사 대상물 (A) 에 조사되었을 때에 발생되는 2 차 감마선 에너지 스펙트럼을 1 사이클마다 연속적으로 검출한다. 그러면, 도 5 에 나타내는 바와 같이 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 와 원자 핵의 비탄성 산란 반응에 의해 발생된 비탄성 산란 감마선은 1 사이클 중의 초기에 대량으로 발생되고, 열 중성자 (TN) 와 원자 핵의 탄성 산란 반응 (포획 반응) 에 의해 발생된 포획 감마선은 1 사이클 중의 중기에 비교적 서서히 발생된다.
따라서, Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 가, 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 가 검사 대상물 (A) 에 조사되었을 때에 발생되는 2 차 감마 에너지 스펙트럼 (비탄성 산란 감마선) 을 검출함과 함께, 열 중성자 (TN) 가 검사 대상물 (A) 에 조사되었을 때에 발생되는 2 차 감마선 에너지 스펙트럼 (포획 감마선) 을 검출함으로써, 이 2 차 감마선의 에너지에 의해 검사 대상물 (A) 의 구성 원소 (탄소, 수소, 산소, 질소) 의 종류 및 그 농도에 기초하여 폭발물을 검출할 수 있다.
또, 검사 대상물 (A) 이 핵 물질 (우라늄이나 플루토늄 등) 인 경우에는, 중성자를 조사하지 않아도 자발 핵 분열을 일으키고 있다. 자발 핵 분열 반응에서는, 2 개 이상의 중성자가 동시에 각각의 방향으로 발생되는 경우가 있다. 1 쌍의 중성자 검출기 (26) 는 검사 대상물 (A) 로부터 발생되는 중성자의 수를 동시에 계측함으로써 검사 대상물 (A) 이 자발 핵 분열을 일으키고 있는 핵물질인지의 여부를 판정할 수 있다.
또한, 중성자 감속재 (12) 에 의해 감속된 열 중성자 (TN) 는 검사 대상물 (A) 측에 반사되지만, 그 밖의 열 중성자 (TN) 는 열 중성자 흡수재 (15) 에 의해 흡수되어 소멸되기 때문에, 열 중성자 (TN) 가 검사 대상물 (A) 의 방향 이외에 조사되어 공기와 반응을 일으키지 않아 Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 의 검출 노이즈의 발생이 억제된다. 한편, 고속 중성자 (FN) 및 열외 중성자 (ETN) 는 열 중성자 흡수재 (15) 를 통과하지만, 공기와 반응해도 Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 의 검출 노이즈가 되는 반응은 적다. 또, 고속 중성자 (FN) 가 중성자 감속재 (12) 에 의해 감속되었을 때에 발생되는 2 차 감마선은, 제 1 감마선 차단재 (13) 에 의해 차단되어 외부로 누설되지 않아 Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 에 의한 오류 검출이 방지된다.
이와 같이 본 실시예의 중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법에 있어서는, 중성자 발생원 (11) 의 일방측에 중성자 감속재 (12) 를 형성하고, 이 중성자 감속재 (12) 의 주위를 피복하는 감마선 차폐재 (13, 14) 를 형성함과 함께, 중성자 발생원 (11) 의 배치 방향을 제외한 중성자 감속재 (12) 의 주위를 피복하는 열 중성자 흡수재 (15) 를 형성하고 있다.
따라서, 중성자 발생원 (11) 으로부터 조사되는 고속 중성자는, 전방에 조사됨과 함께 후방 및 측방에 조사되고, 이 후방 및 측방에 조사된 고속 중성자는 중성자 감속재 (12) 에 의해 열 중성자로 감속되고, 일부의 열 중성자가 전방에 반사되는 한편, 나머지 열 중성자가 열 중성자 흡수재 (15) 에 의해 흡수되고, 또 고속 중성자의 감속시에 발생된 2 차 감마선은 감마선 차폐재 (13, 14) 에 의해 외부로 의 누설이 저지되게 되어, 발생되는 2 차 감마선을 저감시켜, 필요한 고속 중성자 및 열 중성자를 확실히 취출하여 조사할 수 있다.
또, 본 실시예의 중성자 모더레이터에서는, 중성자 발생원 (11) 의 배치 부분을 제외한 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재 (13) 와, 중성자 발생원 (11) 과 중성자 감속재 (12) 사이에 형성된 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재 (14) 를 형성하고 있다. 따라서, 고속 중성자는 중성자 감속재 (12) 에 의해 열 중성자로 감속되고, 이 때에 발생되는 2 차 감마선은 제 1, 제 2 감마선 차폐재 (13, 14) 에 의해 저감되지만, 감속된 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자는 제 2 감마선 차폐재 (14) 에 의해 열 중성자수를 증폭시켜 전방에 조사되게 되어, 발생되는 열 중성자를 효율적으로 취출하여 조사할 수 있다.
한편, 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에 있어서는, 검사 대상물 (A) 을 삽입 및 배출 가능한 검사실 (21) 을 형성함과 함께, 이 검사실 (21) 의 주위에 열 중성자 흡수재 (15) 를 형성하고, 검사실 (21) 내에서 검사 대상물 (A) 에 대향하여 중성자 발생원 (11) 을 배치하는 한편, 중성자 발생원 (11) 에 대하여 검사 대상물과는 반대측에 중성자 감속재 (12) 를 배치하고, 중성자 감속재 (12) 의 주위를 감마선 차폐재 (13, 14) 로 피복하여, 검사 대상물 (A) 로부터 발생되는 감마선을 검출하는 Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 를 형성하고 있다.
따라서, 중성자 발생원 (11) 으로부터 조사되는 고속 중성자는, 검사 대상물 (A) 에 조사됨과 함께 후방 및 측방에 조사되고, 이 후방 및 측방에 조사된 고속 중성자는 중성자 감속재 (12) 에 의해 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감 속되고, 일부의 중성자가 전방에 반사되어 검사 대상물 (A) 에 조사되는 한편, 나머지 열 중성자가 열 중성자 흡수재 (15) 에 의해 흡수되고, 또 고속 중성자의 감속시에 발생된 2 차 감마선은 감마선 차폐재 (13, 14) 에 의해 외부로의 조사가 저지되며, 그 결과 검사 대상물 (A) 에 대하여 고속 중성자와 열 중성자를 조사할 수 있고, 이 조사시에 발생되는 2 차 감마선을 Ge 검출기 (24) 및 BGO 검출기 (25) 에 의해 검출함으로써 그 에너지에 의해 위험 물질을 검출할 수 있으며, 위험 물질의 구성 원소에 상관 없이 고정밀도로 이 위험 물질의 종류를 검출할 수 있어, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에서는, 중성자 발생원에 대향하는 부분을 제외한 중성자 감속재 (12) 의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재 (13) 와, 중성자 발생원 (11) 과 중성자 감속재 (12) 사이에 위치하여 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재 (14) 와, 검사실 (21) 의 주위를 피복하는 제 2 감마선 차폐재 (23) 를 형성하고 있다. 따라서, 고속 중성자는 중성자 감속재 (12) 에 의해 열 중성자로 감속되고, 이 때에 발생되는 2 차 감마선은 각 감마선 차폐재 (13, 14, 23) 에 의해 저감됨으로써 검사 대상물 (A) 에 고속 중성자 및 열 중성자를 조사하여, 발생된 2 차 감마선과 혼재하지 않고, 또 열 중성자는 제 2 감마선 차폐재 (14) 에 의해 증폭되고 나서 전방에 조사되게 되어 위험 물질의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에서는, 게르마늄 반도체 검출기 (24) 와, 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기 (25) 를 형성하고 있다. 따라서, 게르마늄 반도체 검출기 (23) 에 의해 검출된 감마선의 고정밀도의 분해능을 확보하고, 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기 (25) 에 의해 검출된 감마선의 고정밀의 감광도를 확보하여 감마선의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 위험 물질 검출 장치에서는, 검사 대상물 (A) 의 양측에 대향하여 1 쌍의 중성자 검출기 (26) 를 형성하고 있다. 따라서, 1 쌍의 중성자 검출기 (26) 에 의해 검사 대상물 (A) 로부터 거의 동시에 발생된 중성자를 검출함으로써 검사 대상물 (A) 에 핵 물질이 포함되어 있는 것을 확실히 검출할 수 있다.
본 발명에 관련된 중성자 모더레이터 및 중성자 조사 방법 그리고 위험 물질 검출 장치는, 발생되는 2 차 감마선을 저감시켜 필요한 고속 중성자 및 열 중성자를 취출할 수 있게 하고, 이것을 검사 대상물에 조사함으로써 위험 물질의 구성 원소에 상관 없이 고정밀도로 이 위험 물질의 종류를 검출하는 것으로서, 모든 중성자 모더레이터나 위험 물질 검출 장치에 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 중성자 발생원과, 그 중성자 발생원의 일방측에 형성된 중성자 감속재와, 그 중성자 감속재의 주위를 피복하는 감마선 차폐재와, 상기 중성자 발생원의 배치 방향을 제외한 상기 중성자 감속재의 주위를 피복하는 열 중성자 흡수재를 구비한 것을 특징으로 하는 중성자 모더레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감마선 차폐재는, 상기 중성자 발생원의 배치 부분을 제외한 상기 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재와, 상기 중성자 발생원과 상기 중성자 감속재 사이에 형성되어 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재를 갖는 것을 특징으로 하는 중성자 모더레이터.
  3. 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자를 전방에 조사하는 한편, 그 중성자 발생원에서 발생된 고속 중성자 중 후방에 조사된 고속 중성자를 중속 중성자, 열외 중성자, 열 중성자로 감속시키고, 전방에 반사되는 중성자만을 취출하여 상기 고속 중성자와 함께 전방에 조사하여, 상기 고속 중성자의 감속시에 발생되는 2 차 감마선을 차폐하는 것을 특징으로 하는 중성자 조사 방법.
  4. 검사 대상물을 삽입 및 배출 가능한 검사실과, 그 검사실의 주위에 형성된 열중성자 흡수재와, 상기 검사실 내에서 상기 검사 대상물에 대향하여 배치된 중성자 발생원과, 그 중성자 발생원에 대하여 상기 검사 대상물과는 반대측에 배치된 중성자 감속재와, 그 중성자 감속재의 주위를 피복하는 감마선 차폐재와, 상기 검사 대상물로부터 발생되는 감마선을 검출하는 감마선 검출기를 구비한 것을 특징으로 하는 위험 물질 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 감마선 차폐재는, 상기 중성자 발생원에 대향하는 부분을 제외한 상기 중성자 감속재의 주위를 피복하는 제 1 감마선 차폐재와, 상기 중성자 발생원과 상기 중성자 감속재 사이에 형성되어 열 중성자 증폭 기능을 갖는 제 2 감마선 차폐재를 갖는 것을 특징으로 하는 위험 물질 검출 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 감마선 검출기는, 게르마늄 반도체 검출기와, 비스무트저머네이트옥사이드 신틸레이터 검출기를 갖는 것을 특징으로 하는 위험 물질 검출 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 검사 대상물의 양측에 대향하여 1 쌍의 중성자 검출기가 형성된 것을 특징으로 하는 위험 물질 검출 장치.
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