KR20160103711A - 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기는 방사성 동위원소나 원자력 장치에서 발생되는 중성자를 포획하여 감마선과 베타선을 방출시키는 가돌리늄 막; 상기 가돌리늄 막 후방에 배치되어, 상기 베타선이 통과함에 따라 체렌코프광(Cherenkov radiation)을 발생시키는 굴절막; 및 상기 굴절막의 후방에 배치되어, 상기 체렌코프광을 검출하여 중성자를 감지하는 광검출부;를 포함하여 중성자 포획 반응의 즉발성을 이용한 계측이므로 세기가 빠르게 변화하는 중성자원을 측정할 수 있고, 광검출기의 높은 반응 속도로 인하여 높은 시간 분해능으로 중성자를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법{CHERENKOV NEUTRON DETECTOR AND DETECTION METHOD}

본 발명은 체례코프 중성자 검출기 및 검출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중성자가 가돌리늄을 통과할 때 가돌리늄의 중성자 포획 반응에 의해 방출되는 감마선과 베타선 중, 베타선이 높은 굴절률을 가진 투명한 물질을 통과할 때 발생되는 체렌코프광을 광검출기가 검출함으로써 중성자를 계측하는 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법에 관한 것이다.

방사성 동위원소나 원자력 장치에서 방사선의 일종인 중성자가 발생하며 이를 계측하기 위한 장치, 예를 들어, 핵분열함 (Fission Chamber), 섬광 검출기 (Scintillator), 헬륨-3 계수기(He-3 Counter) 등 (참고문헌.G.Knoll, "Radiation detection and measurement")등이 많이 존재한다.

KSTAR나 ITER와 같은 핵융합 실험장치의 경우, 중수소-중수소 및 중수소-삼중수소 핵융합의 결과로 각각 2.5MeV, 14.1MeV의 에너지를 가지는 중성자가 발생하는데, 중성자를 진단/계측하는 장치는 핵융합 플라즈마의 상태에 따라 빠르게 변화하는 상기 중성자 발생량을 정확하게 측정하여야하고, 고온, 고방사선 환경이 예상되는 ITER와 같은 핵융합 실험장치에서도 정확한 진단/계측이 가능하여야 한다.

섬광 검출기의 경우, 감마선이 중성자 검출시 노이즈로 작용할 우려가 있고, 일반적으로 고온 환경에서 사용하기 어려우며, 고속 하전입자에 의해 섬광 물질이 잠시 손상되는 현상과 퀘칭 효과(Quenching Effect)발생 가능성 등 단점을 가지고 있다.

헬륨-3 계수기의 경우, 중성자 검출 물질인 헬륨-3 자체가 지구상에서 구하기 힘든 휘귀 물질이므로 이를 대체하고자 하는 노력이 계속되고 있는 실정이다.

핵분열함의 경우, 고온, 고방사선 환경에서 사용 가능하지만, 국내생산이 되지 않으며, 우라늄을 사용하므로 수입이 까다롭고, 수천만원 이상의 높은 가격대로 형성되어 있다는 단점이 있다.

따서서, 핵융합 플라즈마 진단에 적합한 고시간분해능, 고온환경 사용 가능성, 감마선 노이즈 둔감성 등의 성질을 가지면서 우라늄 등의 핵물질을 사용하지 않는 저가의 중성자 검출기의 개발이 절실한 상황이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1450040(2014. 10. 06)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 중성자가 가돌리늄을 통과할 때, 가돌리늄의 중성자 포획 반응에 의해 방출되는 감마선과 베타선 중, 베타선이 높은 굴절률을 가진 투명한 물질을 통과할 때 발생되는 체렌코프광을 광검출기가 검출함으로써 중성자를 계측하는 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법의 제공을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 계측기는 방사성 동위원소나 원자력 장치에서 발생되는 중성자를 포획하여 감마선과 베타선을 방출시키는 가돌리늄 막; 상기 가돌리늄 막 후방에 배치되어, 상기 베타선이 통과함에 따라 체렌코프광(Cherenkov radiation)을 발생시키는 굴절막; 및 상기 굴절막의 후방에 배치되어, 상기 체렌코프광을 검출하여 중성자를 감지하는 광검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 계측기의 굴절막은 굴절률이 2.08이상인 투명한 물질로, 산화티타늄, TiO₂인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기의 광검출부는 광증폭관(PMT:Photo-multiplier Tube)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법은 중성자 포획 반응의 즉발성 및 광검출기의 높은 반응 속도로 인하여 세기가 빠르게 변화하는 중성자원 을 높은 시간 분해능으로 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법은 PMT의 증폭률 (Gain) 증감을 통해 체렌코프광 검출효율을 변화시켜 측정범위를 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법은 비섬광 물질을 체렌코프 광원으로 사용시 감마선에 반응하지 않으므로 감마선에 둔감하여 감마선으로 인한 노이즈를 배제시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기 및 검출방법은 제작이 용이하고, 우라늄을 사용하지 않으며, 제작 비용이 수백만원대로 저렴하며, 고온환경에서 사용가능하며, 일부 섬광형 계측기에서 보이는 ??칭효과를 배제시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기 구조 단면도,
도 2는 종래 중성자 측정기로 측정한 KSTAR 플라즈마 실험 그래프 데이터, 및
도 3은 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기를 통해 측정한 중성자의 신호 그래프 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기 구조를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기는 가돌리늄(Gd:Gadolinium)막(100), 굴절막(200) 및 광검출부(300)를 포함한다.

상기 가돌리늄 막(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 중성자를 포획(Neutron capture)하게 되면 즉시 감마선과 베타선을 방출하게 된다.

참고로, 상기 가돌리늄 막(100)으로 사용되는 가돌리늄은 높은 중성자 핵반응률로 인해 중성자 검출 장치에 널리 사용되고 있다.

상기 굴절막(200)은 에너지가 약 72keV 정도인 상기 베타선이 통과함에 따라 체렌코프광(Cherenkov radiation)을 발생시킨다.

이때, 상기 굴절막(200)은 굴절률이 2.08 이상인 투명한 물질로 산화티타늄, TiO₂인 것이 바람직하다.

상기 광검출부(300)는 상기 중성자가 가돌리늄 막(100)과 굴절막(200)을 통과함에 따라 변환되어 최종적으로 발생되는 체렌코프광을 검출한다.

이때, 상기 광검출부(300)은 광증폭관(PMT:Photo-multiplier Tube)관인 것이 바람직하다.

또한, 이때 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기의 광검출부는 상기 광증포관의 증폭률 (Gain) 증감을 통해 체렌코프광 검출효율을 변화시켜 측정범위를 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 광검출부(300)는 도 1에서 체렌코프광원이 발생되는 상기 굴절막(200) 후단에 반드시 붙어있어야 하는 것은 아니며, 설치환경에 따라 광섬유케이블로 연결되어 소정거리마큼 이격되게 설치될 수도 있다.

한편, 상기 굴절막(200)과 상기 광검출부(300)는 각각 TiO₂와 광증폭관(PMT)에 한정되지 않고, 굴절률/투명도 조건 및 광검출 효율 등만 만족하면 어떤 종류도 사용할 수 있다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기가 기존 중성자 검출기를 대체할 수 있음을 도 2 및 도 3에 도시된 실험데이터를 가지고 설명한다.

도 2에 도시된 그래프들은 KSTAR 플라즈마 실험시 데이터이다.

일반적으로 2.5MeV의 에너지를 가진 핵융합 중성자는 주로 플라즈마가 발생한 뒤 NBI heating(중성입자빔 가열: Neutral Beam Injection Heating)이 시작되면 발생된다.

도 2(a)는 시간에 따른 플라즈마 전류값으로, 도 2(a)를 통해 플라즈마의 발생시간을 알 수 있다.

도 2(b)는 기존에 설치되어 있는 헬륨-3 계수기(적색), 핵분열함(청색)에서 감지된 중성자의 신호를 알 수 있다.

한편, 도 3은, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기를 통해 측정한 중성자의 신호 그래프 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도 2(b)에 해당되는 기존 중성자 검출기인 헬륨-3계수기(적색), 핵분열함(청색)에서 감지된 중성자의 신호와 동일한 신호를 생성하고 있음을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 체렌코프 중성자 검출기는 종래의 값 비싼 중성자 계측기를 대체할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 가돌리늄(Gd:Gadolinium)막
200 : 굴절막
300 : 광검출부

Claims (4)

1. 방사성 동위원소나 원자력 장치에서 발생되는 중성자를 포획하여 감마선과 베타선을 방출시키는 가돌리늄 막(100);
   상기 가돌리늄 막(100) 후방에 배치되어, 상기 베타선이 통과함에 따라 체렌코프광(Cherenkov radiation)을 발생시키는 굴절막(200); 및
   상기 굴절막(200)의 후방에 배치되어, 상기 체렌코프광을 검출하여 중성자를 감지하는 광검출부(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 체렌코프 중성자 검출기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 굴절막(200)은
   굴절률이 2.08이상인 투명한 물질로, 산화티타늄, TiO₂인 것을 특징으로 하는 체렌코프 중성자 검출기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 광검출부(300)는
   광증폭관(PMT:Photo-multiplier Tube)인 것을 특징으로 하는 체렌코프 중성자 검출기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 광검출부(300)는
   상기 광증포관의 증폭률(Gain) 증감을 통해 체렌코프광 검출효율을 변화시켜 측정범위를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 체렌코프 중성자 검출기.
   
   

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