KR20210077966A - 방사성 핵종 판별 장치 및 방법 - Google Patents

방사성 핵종 판별 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사성 핵종 판별 장치 및 방법에 관한 위한 것이다. 본 발명에 따른 방사성 핵종 판별 방법은, 플라스틱 섬광체를 포함하는 검출기를 이용하여 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 측정하는 단계와, 측정되는 에너지로부터 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하는 단계와, 생성된 감마선 에너지 스펙트럼을 아래의 수식 1을 이용하여 역에너지 적분하는 단계와, 역에너지 적분 단계에서 획득되는 적분 스펙트럼을 아래의 수식 2와 3을 이용하여 2차 미분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
<수식 1>
Figure pat00016

<수식 2>
Figure pat00017

<수식 3>
Figure pat00018

(Ci:측정 스펙트럼의 해당(i) 채널의 계수(counts), Cn: 새로 생성된 적분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Max.: 감마선 에너지 스펙트럼의 최대 채널, Cn': 새로 생성된 1차 미분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Cn": 새로 생성된 2차 미분 스펙트럼에서의 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts))

Description

방사성 핵종 판별 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR IDENTIFYING RADIONUCLIDES}
본 발명은 방사성 핵종 판별 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 분석 알고리즘을 통해 방사성 핵종의 판별 정확도를 향상시킬 수 있는 방사성 핵종 판별 장치 및 방법에 관한 것이다.
불안정한 원자핵은 안정한 원자핵이 되기 위해서 여러 번의 핵붕괴를 하는데, 이때, 특정한 에너지의 알파선, 베타선, 감마선을 방출하게 된다.
방사선 검출기는 미지의 방사성 핵종을 포함하는 물질에서 발생되는 방사선의 에너지를 측정 및 분석함으로써 해당 물질을 구성하는 고유의 방사성 핵종을 분별할 수 있는 장치이다.
방사선 검출기에 사용되는 섬광체는 에너지를 받으면 빛을 방출하는 성질이 있다. 방사선에 의해서 발생되는 빛의 양을 측정함으로써, 입사된 방사선의 에너지를 확인하는 것이 가능하다. 섬광체는 보다 높은 에너지의 방사선을 받을수록 더 많은 양의 빛이 발생하게 된다.
섬광체를 이용하는 방사선 검출기는 플라스틱 섬광체를 이용한 검출기와 무기 섬광체를 이용한 검출기가 있다.
무기 섬광체(예, NaI(TI)이나 CsI(TI))를 이용한 섬광 검출기의 경우 감마선의 에너지를 모두 흡수하는 광전효과가 일어나는 비율이 높고 에너지 분해능이 뛰어나기 때문에 광전 피크(photo peak)의 에너지를 기초로 방사성 핵종을 간편하게 분석할 수 있다. 하지만 비용이 비싼 단점이 있다.
플라스틱 섬광체(또는 다른 종류의 유기섬광체)를 사용하는 검출기는 광전효과가 거의 일어나지 않고 에너지 분해능이 비교적 낮다. 종래에는 그로스 카운팅(gross counting) 방법을 사용하여 검출기에 전달되는 방사선의 양만을 측정하거나, 특정 분야에서는 타겟(target) 핵종들에 해당하는 몇 개의 에너지 영역을 관심 영역으로 설정하고 각 영역에서 측정되는 방사선의 양을 평가하여 핵종을 유추하였다. 즉, 핵종 자체를 분석하기 보다는 에너지가 비슷한 핵종들이 포함되는 그룹을 유추하였다.
이와 같이, 플라스틱 섬광체를 이용하는 종래의 검출기는 분해능이 좋지 않기 때문에, 감마선 방출 핵종을 측정할 때 핵종 판별에 어려움이 있고, 핵종의 판별의 정확도가 떨어지는 단점이 있었다.
등록특허공보 제1680067호 (2016. 11. 29.)
본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 플라스틱 섬광체를 갖는 검출기로부터 얻어지는 감마선 에너지 스펙트럼을 미적분 방법으로 후처리하여 측정된 전에너지 피크(full energy peak)를 뚜렷하게 나타나게 함으로써, 고유의 감마선 에너지를 방출하는 방사성 핵종을 더욱 정확하게 판별할 수 있는 방사성 핵종 판별 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 방사성 핵종 판별 방법은, (a) 플라스틱 섬광체를 포함하는 검출기를 이용하여 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 측정하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 측정되는 에너지로부터 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 감마선 에너지 스펙트럼을 아래의 수식 1을 이용하여 역에너지 적분하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 획득되는 적분 스펙트럼을 아래의 수식 2와 3을 이용하여 2차 미분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
<수식 1>
Figure pat00001
<수식 2>
Figure pat00002
<수식 3>
Figure pat00003
(Ci:측정 스펙트럼의 해당(i) 채널의 계수(counts), Cn: 새로 생성된 적분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Max.: 감마선 에너지 스펙트럼의 최대 채널, Cn': 새로 생성된 1차 미분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Cn": 새로 생성된 2차 미분 스펙트럼에서의 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts))
한편, 상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 방사성 핵종 판별 장치는, 방사성 물질에서 방출되는 방사선이 입사되는 플라스틱 섬광체를 구비하고, 상기 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 측정하는 검출기 및 상기 검출기가 측정한 에너지로부터 상기 방사성 원소에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하고, 상기 감마선 에너지 스펙트럼을 후처리하여 상기 방사성 원소를 분석하는 분석부를 포함하고, 상기 분석부는, 상기 감마선 에너지 스펙트럼을 아래의 수식 1을 이용하여 역에너지 적분하여 적분 스펙트럼을 생성하고, 상기 적분 스펙트럼을 아래의 수식 2와 3을 이용하여 2차 미분하여 미분 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 한다.
<수식 1>
Figure pat00004
<수식 2>
Figure pat00005
<수식 3>
Figure pat00006
(Ci:측정 스펙트럼의 해당(i) 채널의 계수(counts), Cn: 새로 생성된 적분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Max.: 감마선 에너지 스펙트럼의 최대 채널, Cn': 새로 생성된 1차 미분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Cn": 새로 생성된 2차 미분 스펙트럼에서의 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts))
상기 검출기는, 상기 플라스틱 섬광체에 연결되어 상기 플라스틱 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광전자증배관을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방사성 핵종에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 획득한 후, 감마선 에너지 스펙트럼에 대해 높은 에너지에서부터 적분하는 역에너지 적분을 수행하고, 획득된 적분 스펙트럼에 대해 2차 미분을 수행함으로써, 에너지 스펙트럼 상에서 방사성 핵종의 전에너지 피크를 뚜렷하게 나타나게 할 수 있다. 따라서, 고유의 감마선 에너지를 방출하는 방사성 핵종을 더욱 정확하게 판별할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 에너지 스펙트럼 상에서 방사성 핵종의 전에너지 피크를 뚜렷하게 나타나게 할 수 있으므로, 분해능이 상대적으로 떨어지는 저가의 플라스틱 검출기의 검출 정확도를 높일 수 있고, 측정 효율의 조건에서도 방사성 핵종의 판별 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 3 및 도 4는 일 실험예에 대해 종래 방법과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법을 이용하여 분석한 방사성 핵종들의 에너지 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
도 5는 실험예에 사용된 플라스틱 검출기를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 방사성 핵종 판별 장치 및 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도면에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 장치(100)는 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 입력받아 전기 신호로 변환하는 검출기(110)와, 검출기(110)로부터 수신되는 방사성 원소의 에너지를 분석하는 분석부(120)와, 디스플레이(130)를 포함한다.
검출기(110)는 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 입력 받는다. 검출기(110)는 플라스틱 섬광체(112)와, 광전자증배관(114)과, 신호 처리부(116)를 포함한다. 플라스틱 섬광체(112)는 입사된 방사선을 가시광선으로 변환시키고, 광전자증배관(114)은 플라스틱 섬광체(112)에 연결되어 플라스틱 섬광체(112)에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환한다. 신호 처리부(116)는 광전자증배관(114)으로부터 수신되는 전기 신호를 합산하여 노이즈를 제거하고, 노이즈 제거된 신호를 증폭시켜 분석부(120)에 제공할 수 있다.
여기에서, 방사선의 에너지 스펙트럼은 x축을 에너지 값으로, y축을 광자 계수로 하는 그래프로 나타낼 수 있다.
검출기(110)는 다음과 같은 방식으로 작용하게 된다. 즉, 방사성 물질에서 방출되는 감마선이 플라스틱 섬광체(112)에 입사하게 되면 감마선이 플라스틱 섬광체(112)의 전자와 충돌하여 산란 반응이 일어나며, 광전자증배관(112)이 플라스틱 섬광체(112)에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하게 된다. 그리고 광전자증배관(112)에서 생성되는 전기적 신호가 신호 처리부(116)에서 처리되어 분석부(120)에 제공된다.
분석부(120)는 검출기(110)로부터 수신되는 에너지값으로부터 감마선 에너지 스펙트럼을 생성한 후, 감마선 에너지 스펙트럼을 후처리하여 방사선을 방출하는 방사성 원소를 분석하게 된다. 즉, 분석부(120)는 감마선 에너지 스펙트럼을 미적분 방법으로 후처리하여 측정된 전에너지 피크(full energy peak)를 뚜렷하게 나타나게 함으로써, 고유의 감마선 에너지를 방출하는 방사성 핵종을 정확하게 판별할 수 있다.
디스플레이(130)는 검출된 방사성 원소에 대한 각종 정보를 출력할 수 있다. 즉, 분석부(120)에서 생성되는 방사성 원소의 감마선 에너지 스펙트럼이나, 후처리된 에너지 스펙트럼이 디스플레이(130)에 표시될 수 있다. 또한, 검출된 방사성 원소의 핵종이 디스플레이(130)에 표시될 수 있다.
이 밖에, 도면에 나타내지는 않았으나, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 장치(100)는 메모리를 더 포함할 수 있다. 메모리는 사전 설정된 방사성 원소들의 고유한 전에너지 피크 값들을 저장할 수 있다. 분석부(120)는 메모리에 저장된 방사성 원소들의 전에너지 피크 값들을 기초로 측정된 전에너지 피크 값에 해당하는 방사성 원소를 판별할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 장치에 의한 방사성 핵종 판별 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법은, 도 2에 나타낸 것과 같이, 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 측정하는 단계(S10)와, 방사성 원소로부터 측정된 에너지로부터 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하는 단계(S20)와, 생성된 감마선 에너지 스펙트럼을 역에너지 적분하는 단계(S30)와, 역에너지 적분된 스펙트럼을 2차 미분하는 단계(S40)를 포함한다.
방사성 원소에서 발생하는 에너지를 측정하는 단계(S10)에서는 앞서 설명한 것과 같이 플라스틱 섬광체(112)를 갖는 검출기(110)를 이용하여 방사성 원소의 에너지를 측정할 수 있다.
다음으로, 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하는 단계(S20)에서는 분석부(120)가 검출기(100)로부터 전기 신호를 수신하여 방사성 원소에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 생성한다. 섬광체와 광전자증배관을 통해 검출되는 방사성 원소의 에너지값으로부터 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하는 구체적인 방법은 공지된 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
종래에는 감마선 에너지 스펙트럼을 2차 미분하여 백그라운드보다 높은 피크를 만들어 방사성 핵종을 판별하는 방법이 이용되었다. 그러나 이러한 종래 방법은 백그라운드가 안정되어 있고, 스펙트럼 상에서 피크들이 중첩되지 않아야 유용하다. 따라서, 분해능이 떨어지는 플라스틱 검출기 등에는 적용할 수 없는 단점이 있다.
2차 미분 방법은 꾸준한 백그라운드 형성이 중요한데, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법은 2차 미분 단계(S40) 이전에 역에너지 적분 단계(S30)를 수행함으로써, 종래 방법의 문제점을 극복할 수 있다. 통상적인 검출기는 저에너지에서 매우 높은 백그라운드를 보이므로, 역에너지 적분 단계(S30)에서는 높은 에너지에서부터 적분하는 방법을 이용한다. 구체적으로, 역에너지 적분 단계(S30)에서는 다음의 수식 1을 이용하여 검출된 감마선 에너지 스펙트럼을 적분한다.
<수식 1>
Figure pat00007
위의 수식 1에서, Ci는 측정 스펙트럼의 해당(i) 채널의 계수(counts)이고, Cn는 새로 생성된 적분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts)이며, Max.는 감마선 에너지 스펙트럼의 최대 채널을 나타낸다.
그리고 2차 미분 단계(S40)에서는 다음의 수식 2와 3을 이용하여 적분 스펙트럼을 2차 미분하여 스펙트럼을 획득한다.
<수식 2>
Figure pat00008
<수식 3>
Figure pat00009
위의 수식 2, 3에서 Cn'은 새로 생성된 1차 미분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Cn"은 새로 생성된 2차 미분 스펙트럼에서의 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts)이다.
이러한 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법은 방사성 핵종에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 획득한 후, 2차 미분 단계 전에 역에너지 적분 단계를 수행함으로써, 방사성 핵종의 에너지 스펙트럼에서 전에너지 피크를 뚜렷하게 나타나게 할 수 있다.
도 3 및 도 4는 일 실험예에 대해 종래 방법과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법을 이용하여 분석한 방사성 핵종의 에너지 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
본 실험예에서는 플라스틱 검출기를 이용하여 주요 방사성 핵종의 에너지를 측정하고, 검출기를 통해 얻어진 스펙트럼과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법을 이용하여 얻어진 스펙트럼을 비교하였다.
본 실험예에서 사용된 플라스틱 검출기는 도 5에 나타낸 것과 같은 BICRON사(미국) 제품으로, 700 mm x 800 mm x 50 mm 크기의 플라스틱 섬광체(BC-408)를 갖는 것이다. 검출 대상 선원(source)으로는 137Cs, 60Co, 54Mn, 65Zn가 이용되었고, 이들 선원을 검출기의 중앙에 위치시키고 에너지를 검출하였다.
검출 결과, 플라스틱 검출기를 통해 획득된 감마선 에너지 스펙트럼은 도 3에 나타낸 것과 같다. 도 3의 에너지 스펙트럼을 살펴보면 각 선원에 대한 피크를 확인하기가 어려움을 알 수 있다.
도 4는 플라스틱 검출기로부터 획득된 감마선 에너지 스펙트럼에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 방법을 적용한 스펙트럼이다. 도 4를 보면, 각 선원에 대한 전에너지 피크가 상대적으로 명확하게 나타남을 확인할 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 판별 장치 및 방사성 핵종 판별 방법에 따르면, 방사성 핵종에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 획득한 후, 감마선 에너지 스펙트럼에 대해 높은 에너지에서부터 적분하는 역에너지 적분을 수행하고, 획득된 적분 스펙트럼에 대해 2차 미분을 수행함으로써, 에너지 스펙트럼 상에서 방사성 핵종의 전에너지 피크를 뚜렷하게 나타나게 할 수 있다. 따라서, 고유의 감마선 에너지를 방출하는 방사성 핵종을 더욱 정확하게 판별할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 에너지 스펙트럼 상에서 방사성 핵종의 전에너지 피크를 뚜렷하게 나타나게 할 수 있으므로, 분해능이 상대적으로 떨어지는 플라스틱 검출기의 검출 정확도를 높일 수 있다. 그리고 측정 환경이 열악한 조건에서도 방사성 핵종의 판별 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명되고 도시되는 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도면에는 방사성 핵종 판별 장치(100)가 플라스틱 섬광체(112)와, 광전자증배관(114) 및 신호 처리부(116)를 포함하는 검출기(110)를 갖는 것으로 나타냈으나, 본 발명에 따른 방사성 핵종 판별 장치는 다양한 다른 구조의 검출기를 포함할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100 : 방사성 핵종 판별 장치 110 : 검출기
112 : 섬광체 114 : 광전자증배관
116 : 신호 처리부 120 : 분석부
130 : 디스플레이

Claims (3)

  1. (a) 플라스틱 섬광체를 포함하는 검출기를 이용하여 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 측정하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 측정되는 에너지로부터 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 감마선 에너지 스펙트럼을 아래의 수식 1을 이용하여 역에너지 적분하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에서 획득되는 적분 스펙트럼을 아래의 수식 2와 3을 이용하여 2차 미분하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종 판별 방법.
    <수식 1>
    Figure pat00010

    <수식 2>
    Figure pat00011

    <수식 3>
    Figure pat00012

    (Ci:측정 스펙트럼의 해당(i) 채널의 계수(counts), Cn: 새로 생성된 적분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Max.: 감마선 에너지 스펙트럼의 최대 채널, Cn': 새로 생성된 1차 미분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Cn": 새로 생성된 2차 미분 스펙트럼에서의 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts))
  2. 방사성 물질에서 방출되는 방사선이 입사되는 플라스틱 섬광체를 구비하고, 상기 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 측정하는 검출기; 및
    상기 검출기가 측정한 에너지로부터 상기 방사성 원소에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 생성하고, 상기 감마선 에너지 스펙트럼을 후처리하여 상기 방사성 원소를 분석하는 분석부;를 포함하고,
    상기 분석부는, 상기 감마선 에너지 스펙트럼을 아래의 수식 1을 이용하여 역에너지 적분하여 적분 스펙트럼을 생성하고, 상기 적분 스펙트럼을 아래의 수식 2와 3을 이용하여 2차 미분하여 미분 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종 판별 장치.
    <수식 1>
    Figure pat00013

    <수식 2>
    Figure pat00014

    <수식 3>
    Figure pat00015

    (Ci:측정 스펙트럼의 해당(i) 채널의 계수(counts), Cn: 새로 생성된 적분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Max.: 감마선 에너지 스펙트럼의 최대 채널, Cn': 새로 생성된 1차 미분 스펙트럼에서 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts), Cn": 새로 생성된 2차 미분 스펙트럼에서의 해당(n) 채널(에너지)의 계수(counts))
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 플라스틱 섬광체에 연결되어 상기 플라스틱 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광전자증배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종 판별 장치.
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