KR20110074121A - 연속에너지 스펙트럼의 ｔｉｄ효과 조사시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치는 회전축이 지지되는 서포트, 회전축에 부착되어 회전하는 원판상의 에너지 변조판, 상기 에너지 변조판을 회전 구동시키는 모터, 상기 에너지 변조판의 날개부 후방에 배치되는 콜리메이터, 및 상기 콜리메이터 후방에 배치되는 시편 홀더를 포함한다. 본 발명의 조사시험 장치는 단일 에너지 방사선원을 활용하여, 용이하게 우주환경을 모사하는 방사선 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있는 효과가 있다.

우주, 방사선 조사, 총 이온화 선량, 에너지 감쇄

Description

연속에너지 스펙트럼의 ＴＩＤ효과 조사시험 장치{An irradiation test apparatus for TID effect using simulated continuous-energy spectrum}

본 발명은 연속에너지 스펙트럼을 생성하여 선량 피폭 효과 시험을 하는 조사시험 장치에 관한 것이다.

우주 환경에는 대기권이 존재하는 지상과는 달리 다양한 방사선이 존재한다. 그러므로 우주 비행체, 인공위성은 필연적으로 다양한 방사선에 노출된다. 우주비행체, 인공위성에는 다양한 전자부품들이 탑재 되며 이들은 방사선에 매우 민감하다. 그러므로 우주환경에 사용되는 전자부품들은 우주 방사선 환경에 긴 수명을 가질 수 있도록 설계되어야 하며 설계수명 동안 전자부품이 그 성능을 유지할 수 있음이 사전에 검증되어야 한다.

종래에는 우주 부품에 대한 총 이온화 선량(TID, Total Ionizing Dose) 효과 시험을 위하여 코발트(Co-60) 소스를 이용한 감마선 조사장치와 단일에너지의 양성자빔 조사장치가 널리 사용되어 왔다. 그러나 우주 환경에 존재하는 방사선의 90% 이상이 양성자 혹은 α입자와 같은 하전입자(charged particle)로 이루어져 있으므로, 종래와 같이 단일 에너지의 방사선을 이용한 시험 조건은 실제 환경과 차이가 있다. 즉, 방사선의 에너지에 따라 물질에 전달하는 선형 에너지 전달(LET, Linear Energy Transfer)이 달라지므로 종래와 같이 단일 에너지의 방사선을 이용한 시험은 우주부품이 우주 환경 속에서 겪게 되는 다양한 방사선 종류와 연속에너지 스펙트럼을 갖는 우주 방사선의 효과를 충실히 모사한다고 볼 수 없다.

그러므로 감마선을 방출하는 Co-60을 이용한 TID 효과 시험은 적절하지 않으며, 양성자빔의 경우도 양성자가 하전입자(charged particle)이기는 하나 단일 에너지 빔이라는 점에서 부적절하였으므로, 가용한 방사선원을 활용하여 우주 방사선 환경을 근접하게 모사하여 시험할 수 있는 간편한 조사시험장치가 필요하였다.

본 발명에서는 회전형 빔에너지 조절장치를 이용하여 단일에너지의 양성자빔 또는 단일에너지의 감마선원을 연속에너지 스펙트럼을 갖는 양성자빔 또는 감마선빔으로 변조시켜 우주부품 시편에 조사하여 시험할 수 있는 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치는 회전축이 지 지되는 서포트, 회전축에 부착되어 회전하는 원판상의 에너지 변조판, 상기 에너지 변조판을 회전 구동시키는 모터, 상기 에너지 변조판의 날개부 후방에 배치되는 콜리메이터, 및 상기 콜리메이터 후방에 배치되는 시편 홀더를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 에너지 변조판은 회전축에 착탈 가능하게 부착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 에너지 변조판의 날개부는 회전각에 따라 단차진 두께를 갖도록 구획된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 에너지 변조판의 날개부는 회전각에 따라 연속적으로 두께가 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치는 에너지 변조판의 날개부와 콜리메이터 사이에는 이온 챔버가 더 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치는 단일 에너지 방사선원을 활용하여, 용이하게 우주환경을 모사하는 방사선 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치는 우주 방사선의 영향에 대한 총 이온화 선량(TID) 효과 시험을 위한 표준 시험장치로 사용할 수 있다. 본 발명은 에너지 변조판을 교환함으로써 다양한 방사선 종류 및 다양한 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명에 따른 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치에 대한 구체적인 실시예가 설명된다. 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것이며, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수도 있다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공하는 것이고, 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도1은 본 발명에 따른 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치의 개략도이다.

본 발명의 연속에너지 스펙트럼 조사시험(irradiation test) 장치는 회전축(210)이 지지되는 서포트(100), 회전축(300)에 부착되어 회전하는 원판상의 에너지 변조판(Energy Modulator, 200), 에너지 변조판(200)이 부착된 회전축(300)을 회전 구동시키는 모터(400), 에너지 변조판(200)의 날개부 후방에 배치되는 콜리메이터(collimator, 110), 및 콜리메이터 후방에 배치되는 시편 홀더(500)를 포함하여 구성된다.

상기 콜리메이터(110) 및 시편 홀더(500)는 서포트(100) 상에 형성될 수 있으며, 시편 홀더(500) 상에는 콜리메이터(110)에 정열하여 시편(900)이 장착될 수 있다. 또한 에너지 변조판(200)의 날개부 전방에는 방사선원(700)이 배치되며 이로부터 인출되는 방사선 빔은 회전하는 에너지 변조판(200)의 날개부를 통과하여 콜리메이터(110) 지나 시편(900)에 조사되도록 정열된다. 여기서 날개부는 에너지 변조판(200)의 중심축 주변부를 지칭한다.

상기 방사선원(700)은 하전입자 조사시험일 경우에는 가속기로부터 단일 에너지로 가속된 양성자빔이 인출되는 윈도우일 수 있으며, 감마선 조사시험일 경우 Co-60 소스의 인출구일 수 있다.

양성자빔 또는 감마선빔은 물질을 통과하면서 자신의 에너지를 물질에 전달하므로 두꺼운 부분을 통과한 후에는 상대적으로 많은 에너지를 잃게 되어 낮은 에너지를 갖게 되고 얇은 부분을 통과할 때는 적은 에너지 손실이 발생하여 상대적으로 높은 에너지를 가지게 된다. 그러므로 다양한 두께를 가진 날개부를 가진 에너지 변조판(200)을 전기모터를 이용하여 고속 회전 시키면, 이를 통과한 양성자빔 또는 감마선은 시간에 따라 변화하는 다양한 연속 에너지 스펙트럼을 갖게 된다.

이때 회전형 에너지 변조판(200)을 통과하는 빔의 에너지 범위는 날개부의 두께 범위에 따라 결정된다. 그러므로 에너지 변조판(200)은 인출되는 빔의 종류, 빔 에너지, 및 시험자가 원하는 에너지 스펙트럼 범위에 따라 다양한 재질과 두께를 갖는 날개부로 제작될 수 있다. 본 발명에서 연속 에너지 스펙트럼 빔이라 함은 단일 에너지 빔에 대한 상대적인 개념으로서 반드시 연속적인 에너지 스펙트럼만을 지칭하는 것이 아니라, 연속적이지는 않더라도 일정 에너지 범위에 걸쳐서 방사선 세기가 분포하는 스펙트럼을 모두 포함하는 개념이다.

에너지 변조판(200)의 날개부는 도2와 같이 회전각에 따라 다른 두께를 갖는 단차진 복수의 구간을 갖는 형태이거나, 도3과 같이 회전각에 따라 연속적으로 두께가 변화하는 형태를 가질 수 있다. 또한 재질도 필요에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 통상 양성자빔에 적용되는 재질은 PMMA(Polymethylmethacrylate) 등 수지를 사용할 수 있으며, 감마선 빔에 적용되는 재질은 납 등의 중금속 물질이 사용될 수 있다. 따라서 에너지 변조판(200)은 회전축(300)에 착탈 가능하게 결합되어 필요에 따라 교환을 용이하게 하는 것이 바람직하다.

한편, 에너지 변조판(200)의 날개부와 콜리메이터(110) 사이에는 흡수 선량 측정용 이온챔버(600)가 설치되어 에너지 변조판(200)을 통과한 후 시편(900)에 조사되는 선량을 동시에 측정할 수 있게 된다. 이 이온챔버(600)는 양 전극판이 빔에 수직하도록 얇게 형성하여 에너지 감쇄 범위를 1% 이내로 제한하는 것이 바람직하다. 이러한 용도의 전극은 금속막이 코팅된 폴리이미드 필름 등이 사용될 수 있다.

(실시예)

103 MeV의 에너지를 가지는 양성자 가속기를 이용하여 인공위성에 탑재되는 DRAM 메모리가 우주 방사선의 영향에 대하여 설계수명 동안 건전성을 유지할 수 있는지 여부를 평가하기 위하여, 연속 에너지 스펙트럼 양성자빔에 의한 총 이온화 선량(TID) 효과 시험을 실시예로 들어 설명한다.

인공위성이 우주공간으로 발사되어 궤도에 올랐을 때 DRAM 메모리는 설계수명동안에 우주 방사선에 의해100krad 흡수선량을 얻고 우주 방사선은 양성자만으로 이루어져있으며 양성자는 71 ~ 100MeV의 에너지 범위를 가진다고 가정되었다.

(1) 103 MeV의 양성자빔을 71~100MeV의 에너지 범위로 조절이 가능하도록 알맞은 두께 범위를 가지는 에너지 변조판(300)을 제작한다. 이 때 에너지 변조 판(300)의 재질은 PMMA이며, 날개부 두께 범위는 3 ~ 33 mm로서 도2와 같은 형태로 제작되었다.

(2) 제작된 에너지 변조판(200)을 회전축(300)에 부착하고 전기 모터(400)를 이용하여 60rpm의 회전속도로 회전시킨다.

(3) 양성자 가속기(700)로부터 1 분간 103 MeV 양성자빔을 노출시키고 이온챔버(600)로 양성자빔의 선량율을 측정하면서 빔전류를 조절하여 DRAM 메모리에 전달되는 선량율을 1 krad / min로 조절한다.

(4) DRAM 메모리가 실장되어 있는 PCB 기판(900)을 시편 홀더(500)에 장착시킨 후 DRAM 메모리의 크기에 알맞도록 콜리메이터(110)의 개구(aperture) 크기를 조절한다.

(5) DRAM 메모리를 100분간 103MeV 양성자빔에 노출하여 100krad의 흡수선량을 얻도록 한다.

본 실시예에서 양성자 가속기로부터 인출된 양성자빔의 에너지 스펙트럼은 단일 에너지로서 도4(a)와 같았으나, 본 발명의 시험장치에 의하여 변조되어 시편에 조사된 양성자빔의 에너지 스펙트럼은 도4(b)와 같이 나타났다.

본 발명을 통하여 기존의 우주부품 TID 효과 시험에서 보다 우주환경에 근접한 방사선 환경을 얻을 수 있기 때문에 우주부품의 수명에 대한 합리적인 설계 조건을 도출할 수 있다. 그러므로 본 발명의 시험 장치를 우주 방사선의 영향에 건전한지 여부를 평가하기 위한 총 이온화 선량(TID) 효과 시험을 위한 표준 시험장치로 채택될 수 있다.

이러한 표준화된 시험장치를 이용하여 양성자빔 또는 감마선빔을 이용한 우주부품 TID 효과 시험 결과의 신뢰성을 증대시켜, 인공위성 및 우주비행체 제작에서 부품에 대한 합리적인 방사선차폐 조건을 도출함으로서 과도한 차폐 기준을 합리적으로 줄여 인공위성 및 우주 비행체의 중량을 감소시키고 제작 비용을 저감할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 기본적인 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 따라서, 앞에서 개시된 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 일 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 한다. 첨부된 청구항의 균등물로의 치환도 청구항의 보호범위에 속하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 연속에너지 스펙트럼 조사시험장치의 개략도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변조판의 사시도이다.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 변조판의 사시도이다.

도4(a)는 본 실시예에서 양성자 가속기로부터 인출된 양성자빔의 에너지 스펙트럼이며, 도4(b)는 본 발명의 조사시험 장치에 의하여 변조된 양성자빔의 에너지 스펙트럼이다.

Claims (5)

1. 회전축이 지지되는 서포트;

   상기 회전축에 부착되어 회전하는 원판상의 에너지 변조판;

   상기 에너지 변조판을 회전 구동시키는 모터;

   상기 에너지 변조판의 날개부 후방에 배치되는 콜리메이터; 및

   상기 콜리메이터 후방에 배치되는 시편 홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 에너지 변조판은 회전축에 착탈 가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 에너지 변조판의 날개부는 회전각에 따라 단차진 두께를 갖도록 구획된 것을 특징으로 하는 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 에너지 변조판의 날개부는 회전각에 따라 연속적인 두께가 변화하는 것을 특징으로 하는 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 에너지 변조판의 날개부와 콜리메이터 사이에는 이온 챔버가 설치된 것을 특징으로 하는 연속에너지 스펙트럼 조사시험 장치.

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