KR920007772B1 - 중성자 방사선 사진술용 감속재 및 비임 출구 조립체 - Google Patents

중성자 방사선 사진술용 감속재 및 비임 출구 조립체 Download PDF

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지이에이 테크놀러지스 인코포레이팃드
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Abstract

내용 없음.

Description

중성자 방사선 사진술용 감속재 및 비임 출구 조립체
제1도는 밴더 그래프 가속기의 고속 중성자원과 함께 사용되는 본 발명에 따른 중성자 방사선 사진술용 감속재 및 비임 출구 조립체의 평면도로서, 포장 콘크리이트의 상부가 제거되어 도시된 도면.
제2도는 제3도에 도시된 감속재 및 비임 출구 조립체의 평면도로서, 격납 용기의 덮개 및 중성자 반사기가 제거되어 도시된 도면.
제3도는 제2도의 3-3선을 따라 취한 단면도로서, 제2도에 도시된 감속재 및 비임 출구 조립체의 수직축 방향 단면도.
제4도는 제5도의 4-4선을 따라 취한 단면도로서, 제2 및 3도에 도시된 감속재 및 비임 출구 조립체에 유용한 일 형태의 내측 비임 출구의 수직 단면도.
제5도는 제4도의 5-5선을 따라 취한 단면도로서, 제4도에 도시된 내측 비임 출구의 수직축 방향 단면도.
제6도는 제7도의 6-6선을 따라 취한 단면도로서, 제2 및 3도에 도시된 감속재 및 비임 출구 조립체에 유용한 다른 형태의 내측 비임 출구의 수직 단면도.
제7도는 제6도의 7-7선을 따라 취한 단면도로서, 제6도에 도시된 내측 비임 출구의 수직축 방향 단면도.
제8도는 제9도의 8-8선을 따라 취한 단면도로서, 제2 및 3도에 도시된 감속재 및 비임 출구 조립체에 유용한 또 다른 형태의 내측 비임 출구의 수직 단면도.
제9도는 제8도의 9-9선을 따라 취한 단면도로서, 제8도에 도시된 내측 비임 출구의 수직축 방향 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 감속재 및 비임 출구 조립체 12 : 밴더 그래프 가속기 시스템
14 : 중수소 이온원 16 : 드리프트 관
18 : 표적 32 : 방사선 사진실
36 : 붕사층 38 : 콜리메이터 연장부
39 : 대상물 위치 40 : 비임축
54 : 감속재 58 : 내측 비임 출구 조립체
62 : 블록 64 : 방사원 공동
68 : 내측 비임 출구 공동 70 : 중성자 독 물질 링
74, 88 : 납 차폐물 80 : 비임 콜리메이터
82 : 콜리메이팅공동 84 : 용기
86 : 중성자 반사체 90 : 지지 구조물
98 : 필터
본 발명은 중성자 방사선 사진술(neutron radiography)에 관한 것으로, 특히 대상물(피사체)위치를 향해 열중성자(熱中性子) 비임을 조사하기 위해 고속 중성자원과 함께 사용하기 위한 감속재 및 비임 출구 조립체(moderator and beam port assembly)에 관한 것이다. 더 자세히 말하자면, 본 발명은 대상물 위치에서 비교적 균일한 강도 분포를 가지며 가변 성분의 집중된 감마선들을 가진 열중성자의 콜리메이트된 비임을 제공하기 위해 가속기 중성자원과 함께 사용되는 감속재 및 비임 출구 조립체에 관한 것이다.
중성자원으로서 원자로를 사용하여 중성자 방사선 사진술을 수행하는 것이 보통이다. 그러한 방사선 사진술을 위해 비교적 균일한 강도 분포를 가진 열중성자의 콜리메이트된 비임을 제공하도록 비임 콜리메이터(collimator)와 함께 사용될 수 있는 그러한 원자로들은 매우 높은 강도의 열중성자를 제공한다. 중성자방사선 사진술의 많은 적용예들에 있어서, 원자로 중성자원은 적절하지 못하고, 더 간단한 중성자원이 사용된다. 그러한 중성자원들은 원자로보다 훨씬 더 적은 열중성자속(thermal neutron flux)으로 작동하기 때문에 얻어지는 중성자 비임에 바람직한 성질을 제공하면서 유효 중성자들은 최대한 이용할 수 있도록 주위를 기울여야 한다. 비교적 높은 강도, 즉, 허용가능하게 낮은 백그라운드와 비교적 균일한 강도에 대한 요구를 동시에 충족시키는 것은 어려운 일이다.
종래의 중성자 방사선 사진술의 한 형태에 있어서, 고속중성자를 생성하도록 베릴륨(Be)표적에 대해 중양자(deuteron)를 가속시킴으로써 가속기 중성자원을 제공하기 위해 밴더 그래프 기전기(Van de Graff generator)가 이용되었다. 그러한 중성자원은 열중성자를 감속시키는 보호되지 않은 물탱크의 중앙에 배치되고, 발산 콜리메이터가 중성자 방사선 사진술을 위한 열중성자 비임을 생성하도록 카드뮴(Cd)으로 피복된 알루미늄으로 형성되었다.
이제까지 이용되어 온 다른 중성자원은 약 1MeV의 중성자와 감마선을 방출하는 동위체원(isotopic souce)(칼리포르늄-252)이다. 중성자들은 수소 함유 물질의 블록에 의해 감속되고 그 수소 함유 물질의 공동(cavity)을 통해 통과된다. 그 공동의 단부에서 블록에 배치된 납 차폐물은 감마선을 위한 구멍을 형성하는 정합(matching)구멍을 가진다. 중성자들은 리튬으로 피복된 알루미늄으로 형성된 콜리메이터를 지나 중성자 방사선 사진술의 대상물 위치로 통과한다. 칼리포르늄원에서 나온 중성자 에너지가 약 1.0MeV이므로, 고속 중성자의 격납을 확실히 하는데 약 1.5피이트(약 45.7㎝)두께의 수소 함유물질만이 필요하였다.
본 발명은 가속기 혹은 동위체 중성자원에서 종래에 얻었던 것보다 낮은 백그라운드를 가지며 더 강하나 더 양호하게 콜리메이터되고 더 균일한 열중성자속을 제공하도록 가속기 중성자원과 함께 사용될 수 있는 감속재 및 비임 출구 조립체를 제공한다. 동시에, 본 발명의 일 형태는 가변적인 열중성자속 대 감마선 비를 제공한다. 본 발명은 또한, 중성자 방사선 사진술 대상물을 위한 감마선 차폐물을 제공한다. 본 발명의 일양태에서 감속재 및 비임 출구 조립체는 비교적 낮은 감마선 성분을 가진 열중성자 비임이나 비교적 높은 감마선 성분을 가진 열중성자 비임중 어느 하나를 제공하는데 이용될 수 있다. 그러한 열중성자 비임들은 본 발명의 일 형태에서 동시에 각기 다른 출구들로부터 제공될 수도 있다.
본 발명의 감속재 및 비임출구 조립체는 특히, 중성자 방사선 사진술을 위한 대상물 위치를 향해 조사된 열중성자의 콜리메이터된 비임을 제공하도록 가속기 고속 중성자원과 함께 사용하도록 설계된다. 그러한 가속기 고속 중성자원은 중수소 이온원과 드리프트 관(drift tube)을 가진 밴더 그래프 기전기를 포함하고, 그 드리프트 관 아래로 중앙자가 베릴륨 표적쪽으로 조사된다. 그 중양자들은 Be(d,n)B 반응에 따라 베릴륨과 반응하여, 다양한 에너지, 특히 약 1.5, 2, 3.5 및 5MeV 에너지의 중성자들을 생성한다. 베릴륨 표적은 산란에 의해 중성자의 에너지를 경감시키도록 작용하는 수소 함유 감속재의 대략 중앙에 배치된다. 그리하여, 비록 약간의 고속 및 초온도 중성자들이 남아있고 많은 중성자, 특히 더 높은 초기 에너지를 가진 중성자들이 열화됨이 없이 그 중앙 지역에서 벗어나기는 하지만, 중성자들은 중앙 지역에서 열화된다. 또한, 2.2MeV이 중성자 포획감마선들이 그 과정에서 생성된다.
본 발명의 감속제 및 비임 출구 조립체는 높은 수소밀도를 가지며 중성자 독(毒)이 사실상 없는 고체 수소함유 물질, 바람직하게는, 고밀도 폴리에틸렌의 중앙감속재를 포함한다. 그 감속재는 고속 중성자원(베릴륨 표적)이 비임축에 인접히 배치되도록 비임축에 놓인 방사원 공동(source cavity)을 가진다. 높은 수소 농도는 감속재 중심의 비임축 근처에서의 열중성자의 농도를 가장 높게 하고, 중성자 독의 부재(不在)는 일단 생성된 열중성자가 포획됨이 없이 비임을 감쇠시킬 수 있게 한다. 고밀도 폴리에틸렌은 약 0.95gm/cc의 밀도를 가지며 수소 밀도는 물의 밀도 보다 24%도 높다. 광탄소 원자는 악영향을 주지 않는다. 바람직한 감속재를 사용함으로써 극히 낮은 감속 계수(MF)가 얻어졌고, 그 감속 계수는 MF=S/øM으로 정의되며, 여기서, S는 방사원에 의해 초당 생산된 소오스(source)중성자의 개수이고 øM은 방사원이 작동중일 때 중성자 방사선 사진술의 비임에 사용할 조립체의 어떤 임의의 지점에서의 열중성자의 최고 방출 강도이다. 그래서, 감속 계수는 작동 조건들하에 중성자를 생성하는데 있어서의 감속재의 효율을 나타내는 것이다. 200미만의 감속 계수는 높은 효율의 감속재를 의미한다. 본 발명의 조립체는 약 177의 감속 계수를 가지고 작동한다.
열중성자 비임을 형성하도록, 중성자 독 물질 링(ring)이 감속재의 외측에 배치되고, 그리하여 비임축 중심으로 대칭으로 배치된 구멍을 형성한다. 감속재는 그 구멍으로부터 사실상 방사원 공동으로 비임축에 사실상 대칭으로 연장하는 내측 비임 출구를 가진다. 그리하여, 방사원 근처의 내측 비임 출구로 들어가 구멍 방향으로 주행하는 열중성자들이 구멍을 자유롭게 통과하는 한편, 소정 에너지보다 작은 에너지를 가지며 중성자 독물질링에 충돌하는 열중성자 및 초온도 중성자들은 접지된다. 중성자 독 물질링의 바로 외축에 있는 중금속(납)차폐물은 그 링의 물질에 의한 열 중성자 및 초온도 중성자의 포획시 생성된 감마선들을 정지시킨다. 그러한 차폐물은 또한, 감속재에 생성된 2.2MeV의 중성자 포획 감마선을 정지시키는 작용을 한다. 차폐물은 비임 콜리메이터의 입구와 구멍을 일치시키는 벌어진 개구부를 가진다.
비임 콜리메이터는, 비임 축 주위에 대칭으로 배치되고 구멍과 대상물 위치 중간에서 연장하는 축방향 콜리메이팅(시준)공동을 형성한다. 비임 콜리메이터는 콜리메이터 표면에서 나온 비임에 감마선 및 열중성자가 들어가지 않도록 중금속(바람직하게는, 납)과 중성자 독(바람직하게는, 붕소)의 혼합물로 형성된다. 이 조립체는 수소 함유 중성자 반사체, 예를 들어, 정규 밀도의 폴리에틸렌으로 사실상 채워진 용기에 내장되고, 상기 반사체는 중성자를 반사시키고 그 중성자들을 용기 내측에 유지시키는 작용을 하며 저수준의 고속 중성자들만이 달아나도록 허용한다. 제2중금속(납)차폐물이 비임 콜리메이터의 주위에 배치되어, 비임에 들어올지도 모르는 반사체로부터의 감마선을 감소시킨다.
용기는 콘크리이트로 둘러싸여, 비임 콜리메이터를 통하는 것외에는 용기를 빠져나가는 잔여 중성자들을 정지 또는 열화(熱火) 시키도록 한다. 중성자 독, 바람직하게는 붕사가 비임 콜리메이터를 통과하는 것을 제외하고는 벽을 통해 빠져나가는 열중성자들을 정지시킨다.
콜리메이트된 열중성자들은 방사선 사진을 찍을 대상물(피사체)에 조사되고, 중성자 방사선 사진이 가돌리늄으로 형성된 박판(포일)과 같은 표준 중성자 전환기를 사용하여 통상적인 것과 같이 필름상에 형성된다.
본 발명의 감속재 및 비임 출구 조립체는 여러 가지 용이한 개조에 의해 더욱 융통성 있게 만들어질 수 있다. 이는 어떤 물질들로 이루어진 대상물들의 방사선 사진술에 유용할 수 있는 바와같이, 비임에 있는 감마선들의 상대적인 수의 변화를 가능케 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
그속 중성자원을 제공하는 밴더 그래프(Van de Graff) 가속기 시스템(12)과 함께 사용되는 본 발명에 따른 감속재 및 비임 출구 조립체(10)가 제1도에 도시되어 있다. 제1도에 도시한 바와 같이, 밴더 그래프가 속기 시스템(12)은 3부분, 즉, 밴더 그래프 가속기 및 중수소 이온원(14), 드리프트관(drift tube)(16) 및 표적(target)(18)으로 형성된다. 도면에 도시한 바와 같이 본 발명의 특정 실시예와 함께 사용되는 특정의 밴더 그래프 가속기 시스템(12)은 미국 매샤츄세츠주 버어링톤에 소재하는 ＂하이 볼티지 엔지니어링(주)＂에서 제작되고 중성자 방사선 사진술용의 모델 JNR-3000으로 시판되는 상업용 가속기원이다. 이것은 3마이크로암페어의 비임 전류에서 3메카볼트의 에너지를 가진 중양자 비임을 제공하고, 그리하여 표적(18)에 900와트를 제공한다. 더 큰 모델들이 본 발명에 다른 감속재 및 비임 출구 조립체에 사용될 수 있고, ＂하이 볼티지 엔지니어링(주)＂의 모델 KNR-4000이 적당하다.
밴더 그래프 가속기 및 중수소 이온원(14)은 그러한 가속기 시스템들에 통상적인 모든 부속 장치를 포함한다. 즉, 그 중수소 이온원은 적절한 구동기구로 구동되며 전하를 고전위 단자에 전도시키는 통상의 밴더그래프 벨트와, 고전압 단자용의 적절하 절연체와, 상기 벨트를 충전시키는 적절한 전하원과, 고전압 단자에서 전하를 제거하는 수단 및, 중수소 이온을 생성하기 위해 고전압 단자에 있는 수단을 포함한다. 그러한 중수소 이온들은 중수소 기체를 도입하고 그 기체를 고주파 에너지로 이온화시킴으로써 형성될 수 있다. 물론, 그 중수소 이온들은 정(正)전하된 중양자들이고, 이 중양자들은 정전하된 고전압 단자로부터 접지전위쪽으로 정전기적으로 가속된다. 그중 수소 이온들은 전기적으로 또는 자기적으로 비임으로 되고, 드리프트관(16)내를 지나가게 된다.
드리프트 관(16)은 무전계 영역(field-free region)을 형성하고, 중수소 이온들이 그 영역 아래로 이동하여 표적(18)에 충돌한다. 드리프트 관(16)은 통상의 수단에 의해 비워진다. 드리프트 관(16)은 표적(18)을 중양자 비임에 대해 적절한 관계로 위치시키도록 드리프트 관의 표적 단부를 이동시키는 짐발(gimbal)들과 주름통(bellows)부분을 포함한다.
표적(18)은 중수소 이온들에 의해 타격된 때 실제적인 고속 중성자원이 되고, 표적-중성자원 혹은 단순히 중성자원으로 불릴 수도 있다. 상기된 바와같이, 고속 중성자들은 Be(d,n)B 반응에 의해 생성된다. 표적(18)은 사실상 고속 중성자의 점원(point source)을 형성하고, 감마선들이 그 점원으로부터 방출된다. 상술한 대로, 고속중성자들은 특정의 에너지들, 즉 1.5, 2, 3.5 및 5MeV를 가진다. 베릴륨으로된 표적(18)은 직경이 3/4인치 (1.905㎝), 두께가 30-40밀(mil)이고, 드리프트 관(16)의 단부의 구리 플러그(plug)에 납땜된다. 3메가볼트, 300마이크로암페어의 중양자 비임이 표적에서 900와트 전력을 발생하므로, 드리프트 관은 표적이 녹지 않도록 표적을 냉각시키는 적절한 냉각 수단을 비워진 지역 외측에 포함한다. 특정 장치에서 그러한 냉각은 표적(18)주위와 뒤의 동심 튜브들에게 물을 순환시킴으로써 수행된다. 그러한 물은 바로 표적에서 어느 정도 중성자들을 감속시킨다.
제1도에 도시된 바와같이, 드리프트 관(16)은 표적(18)이 위치한 감속재 및 비임 출구 조립체의 대략 중앙을 관통한다. 감속재 및 비임 출구 조립체(10)는 모두 콘크리이트로 된 벽(22,24,25,26)과 천장(27)(제3도)에 의해 차폐되고, 천정(27)은 벽돌(24)(25)사이의 공간에 걸쳐있는 강판들(28)위에 지지된다. 벽(22)은 밴더 그래프 가속기 및 중수소 이온원(14)을 감속재 및 비임 출구 조립체(10)로부터 분리시킨다. 벽(24,25)은 감속재 및 비임 출구 조립체(10)를 방사선 사진실(32)로부터 분리시킨다. 벽(26)은 감속재 및 비임 출구 조립체의 다른 측면을 차폐한다. 또한, 중성자 흡수 물질, 바람직하게는 붕사 층돌(36)이 방사선 사진술(32)로 추가로 차폐한다. 벽들(24)(25)과 붕사 층들(36)을 통해 연장하는 콜리메이터 연장부들(38)이 감속재 및 비임 출구 조립체(10)에 부축된다.
감속재 및 비임 출구 조립체(10)는 고속 중성자들을 열중성자로 감속시키고, 그 조립체의 중앙으로부터 콜리메이터 연장부(38)를 통과하여 방사선 사진실(32)들중 하나의 대상물 위치(29)쪽으로 비임축(40)을 따라 대략 축방향으로 운동하는 열중성자들의 비교적 콜리메이터된 비임을 발생한다. 중성자 방사선 사진을 찌기 위해서는 필름 카세트(30)가 대상 물 (피사체)을 통과하는 중성자들을 수용하도록 대상물(31)뒤에 놓인다. 중성자들이 비임에서 산란되거나 포획될 경우에, 더 적은 중성자들이 필름 카세트에 충돌한다. 필름 카세트는 카돌리늄과 같은 어떤 중성자 반응 물질층을 가진다. 가돌리늄은 열중성자의 포획시 전자를 방출하고, 그 전자들의 절반은 비임 경로상으로 다시 산란되어 필름에 부딪친다. 필름이 전자들에는 민감하고 중성자들에는 민감하지 않으므로, 가돌리늄층에 이르는 중성자들이 부족한 곳이 표시되어 중성자 방사선 사진을 만든다.
감속재 및 비임 출구 조립체(10) 및 벽(24, 25, 26)은 판(42)에 의해 지지된 콘크리이트 기부(41)에 장착되고, 판(42)은 조립체(10)가 위치하고 있는 방의 바닥(44)상에 놓인다. 판(42)은 바닥(44)를 따라 이동할 수 있도록 스키드(skid)(46)상에 장착된다(제3도). 그러한 이동은 나사 홈이 있는 봉들(50)에서 너트들(48)을 회전시킴으로써 달성된다. 봉들(50)은 판(42)에 강직하게 고착되고 너트들(48)은 바닥(44)에 고정된 앵커들(52)에 대해 작용한다.
감속재 및 비임 출구 조립체(10)가 제2 및 제3도에 더욱 상세히 도시되어 있다. 감속재 및 비임 출구 조립체(10)는 그의 대략 중앙에 위치한 감속재(54)를 포함하고, 그 감속재(54)는 고밀도 폴리에틸렌으로 된 시이트(sheet)나 판들로 되어 있다. 감속재(54)의 주요 부분은 수평 시이트나 판들(56)로 형성되지만 도우닛 형태로 고밀도 폴리에틸렌의 수직 시이트나 판들(60)로 형성된 내측 비임 출구 조립체들(58)에 부가적인 감속재 물질이 제공된다. 감속재 (54)의 중심은 중앙의 방사원 공동(source cavity)(64)을 형성하도록 천공된 고밀도 폴리에틸렌의 블록(62)을 포함하고, 그 중앙의 방사원 공동(64)은 일단부에 베릴륨의 표적(18)이 달린 드리프트 관(16)을 수용할 정도의 직경을 갖는다. 너트들(48)의 작동에 의한 감속재 및 비임 출구 조립체(10)의 수평이동에 의해서 표적(18)이 내측 비임 출구 조립체들(58)에 대해 방사원 공동 (64)내에서 횡으로 위치 결정된다.
바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌으로된 수소함유 봉(66)이 드리프트 관(16)의 단부와 반대측 단부로부터 방사원 공동(64)안에 삽입되어 감속재(54)의 중심 가까이에 부가적인 감속재 물질을 제공한다. 감속재의 전체 고밀도 수소함유 물질은 그의 중심에 대해 다소 대칭적으로 적어도 약 1입방 피이트(약 0.029㎥)로 배치되고, 그 중심에 표적(18)이 위치된다. 금 감속재 물질은 표적에 생성된 고속 중성자에 작용하여 그러한 중성자를 열화시키고 감속재(54)의 중앙에 열중성자 구름(cloud)을 생성한다.
감속재 및 비임 출구 조립체(10)는 2개의 내측 비임 출구 조립체들(58)을 포함한다. 그러나, 그 내측 비임 출구 조립체(58)는 2개 보다 더 많아도 좋고 하나도 유용하다. 각 내측 비임 출구 조립체(58)는 도우닛 형태의 시이트나 판들(60)로 형성된 내측 비임 출구 공동(68)을 포함한다. 그 내측 비임 출구 공동(67)은 비임 축(40)과 동축이고, 그 축을 중심으로 원 대칭이다. 그 내측 비임 출구공동은 블록(62)으로 연장하는 것이 좋으나, 좋지 않을 경우에 감속재 물질로 폐쇄될 수도 있다.
중성자 독 물질 링(70)은 각 내측 비임 출구 조립체(58)의 말단부에서 감속재(54)의 외측에 배치되고, 각 링은 한가지 이상의 중성자 독 물질들로 형성된다. 실제로 제작되고 시험된 특정 조립체에 있어서, 중성자 독 물질 링(70)의 중성자 독은 붕소, 카드뮴, 디스프로슘, 인듐 및 가돌리늄을 포함한다. 이러한 물질들중 어떤 것은 단순히 1/V(V는 중성자 속도임)로 변하는 중성자 포획 단면을 가지는 반면, 다른 물질은 초온도 지역에서의 중성자 포획을 위한 어떤 공명들을 부가적으로 가진다. 그러한 중성자 독물질의 목적 및 효과는 어떤 소정의 중성자에너지 한계까지 중성자 독 물질 링들(70)에 부딪치는 느린 중성자 및 초온도 중성자 거의 모두를 포획하는 것이다. 중성자 독 물질 링들(70)은 비임 축(40)을 중심으로 원 대칭으로 구멍들(72)을 형성하고, 중성자 비임을 한정하도록 작용한다. 따라서, 상술한 대로, 표적(18)근처의 내측 비임 출구 공동(68)에 들어와서 대략 축방향으로 주행하는 열중성자들은 구멍들(72)을 자유롭게 통과하는 한편, 소정 에너지보다 적은 에너지들을 가지고 중성자 독물질 링(70)에 부딪치는 열중성자 및 초온도 중성자들은 정지된다.
중성자 독 물질링(70)바로 외측에 있는 제1납 차폐물(74)은 중성자 독 물질링(70)의 물질에 의한 열중성자 및 초온도 중성자들의 포획시에 생성된 감마선들을 정지시킨다. 제1납 차폐물(74)은 각 비임 콜리메이터(80)의 입구(78)와 구멍(72)을 정합시키는 구멍(76)을 가진다.
비임 콜리메이터(80)는 비임축(40)에 수직인 평면에서 대략 장방형 단면으로 되어 있는 것이 좋고 이 비임 축을 중심으로 대칭으로 배칭된다.
비임 콜리메이터(80)는 납 쇼트(shot) 및 붕소 프리트(frit)의 혼합물로 채워진 알루미늄 용기로 형성된다. 그 용기의 내측벽은 비임축(40)주위에 대칭으로 배치되고 각 구멍(72)과 대상물 위치(29)의 중간에서 연장하는 축방향의 콜리메이팅 공동(82)을 가진다. 붕소를 콜리메이팅 공동(82)에 들어올 수 있는 열중성자들을 감쇠시키는 작용을 하고, 납은 감마선들이 콜리메이팅 공동안에 들어오지 못하게 한다. 붕소는 중성자들이 중성자원으로부터 감속재(54)를 통해 콜리메이팅 공동까지 지나가지 못하게 할 뿐만 아니라 방사선사진 촬영되는 대상물(31)로부터의 반사에 의해 감속재 및 비임 출고 조립체(10)의 외측에서 복귀하여 콜리메이팅 공동들의 외측 단부들로 들어오는 중성자들을 정지시키도록 작용한다.
감속재 및 비임 출구 조립체(10)는 용기(84)에 내장된다. 구조적 물질들로 채워지지 전의 용기(84)에 있는 개방된 공간은 정규밀도 폴리에틸렌으로 될 수 있는 수소함유 중성자 반사체(86)로 채워진다. 그 중성자 반사체(86)는 중성자들을 반사하여, 그 중성자들을 상당한 정도로 용기(84)내에 잡아둔다. 고속중성자 및 초온도 중성자들은 중성자 반사체(86)에서 더욱 열하된다. 그러나, 이러한 열화(thermalization)과정은 상술한 대로 2.2MeV의 중성자 포획감마선들을 생성한다. 이 감마선들과 감속재(54)에서 나온 감마선들은 제1납 차폐물(74)에 의해 감쇠된다.
또한, 어떤 감마선들은 비임 콜리메이터(80)의 납에 의해 감쇠된다. 부가적으로, 제2납 차폐물(88)이 중성자 반사체(86)에서 생성된 감마선을 더욱 감쇠시켜 그러한 감마선들이 콜리메이팅 공동(82)에 들어오지 못하게 하도록 각 비임 콜리메이터(80) 주위에 배치된다. 지지구조물(90)이 드리프트 관(16)에 대해 적절한 높이들로 용기(84)내에서 감속재(54), 중성자 독 물질 링들(70), 제1 및 제2납 차폐물(74-88) 및 비임 콜리메이터(80)를 지지한다.
용기(84)의 벽들을 통해 탈출하는 어떤 중성자들은 벽(22,24,25,26), 기부(41) 및 천송(27)에 의해 감속되고, 벽(24,25)을 통해 누출되는 열중성자들은 붕사층(36)에 의해 정지된다. 그러한 벽돌, 바닥 및 천정은 또한, 산란된 감마선들은 정지시키는 작용을 한다.
비임 콜리메이터들(80)의 내측벽들은 대상물 위치(29)쪽으로 벌어진 평편한 알루미늄 조각들로 형성되어, 콜리메이팅 공동(82)이 그안의 사실상 모든 지점들로부터 각 구멍(72)을 통해 각 내측 비임 출구 공동(68)의 방사원 공동쪽 단부에 있는 지점들까지의 시선(line of sight)을 제공하며, 이로써 대상물 위치(29)에서의 중성자 강도 분포가 고르게 된다. 감속재(54)의 반사 및 감속 특성 때문에, 열중성자들은 고속중성자원, 즉, 표적(18)에 가까운 지역에서 주로 나오는 것으로 보인다. 비임을 형성하는 열중성자들은 내측 비임 출구 공동들의 폴리에틸렌 표면들에서 생긴다.
어떤 것은 그 공동들의 맨끝에서 생기고, 어떤 것은 공동의 측면들을 따라 생긴다. 열중성자들은 감속재(54)의 거의 중심 근처에서 공동안으로 확산한다. 감속재(54) 및 표적(18)을 사로에 대해 또한 비임 축(40)에 대해 적절한 위치조정 함으로써 중성자원 끝에서의 열중성자들의 적절한 분포가 달성될 수 있고, 그리하여 대상물 위치(29)로부터 그러한 중성자원 끝을 볼 때 누구나 중성자들의 비교적 균일한 분포를 볼 수 있을 것이다. 중성자들이 표면들에 평향하게 그 표면들에서 떠나기가 용이하지 않으므로, 비임 축(40)상에 있는 중성자 비임 부분은 비임축에서 벗어난 비임부분이 받는 만큼 많은 중성자들을 내측 비임 출구 공동(68)의 측면들로부터 받지 못한다. 반면에, 비임의 중심부분은 측면에서 나온 성분을 더 적게 하지며 중성자원의 가장 강한 부분에서 중심의 바로 아래로 나온 중성자들의 중성분을 받는다. 이로서 중성자들의 균일한 분포가 얻어진다.
비임의 상대적인 감마선 양과 열중성자 분포를 조절하는 방법은 여러가지가 있다. 한 방법은 내측 비임 출구 공동(68)의 방사원 공동쪽 단부에 더 작은 내경을 가진 도우닛형 시이트 또는 판(60)을 배치하는 것이다. 그런 위치에 고밀도 폴리에틸렌을 부가하면 공동 근처에서의 열중성자의 생성이 증가되고, 동시에 공동으로부터 어떤 거리에서 도착한 열중성자들이 감쇠된다. 특정 구조는 소망의 특정 기하학적 구성에 좌우된다. 일반적으로 감속재(54)는 거의 외측에 중성자 독물질 링들(70)이 달린 적어도 1입방 피이트(0.029㎥)의 크기의 곰리도 폴리에틸렌이다. 감속재 (54)안에는 중성자 독물질이 사실상 허용되지 않는다.
다른 비임 조건들을 제공하기 위한 몇 가지 구조들이 제4-9도에 도시되어 있다. 제4도 및 5도에는 중성자 비임에 최소의 감마선들을 제공하는 내측 비임 출고 조립체(8)가 도시되어 있다. 이 구조는 어느 정도 가능한 만큼 중성자 비임의 감쇠를 제공하지만, 감마선들을 상당한 정도까지 제거하고, 비임에 더 많은 감마선이 있는 경우에 얻어지는 방사선 사진보다는 다소 다르고 종종 더 좋은 방사선 사진을 찍을수 있다. 초점이 맞춰지지 않은 감마선들은 어떤 경우에는 방사선 사진을 불투명하게 만들 수 있다. 이런 구조에 있어서는, 베릴륨으로 된 표적(18)이 비임 축(40)에서, 1.5인치(3.81㎝)떨어져 배치된다.
이것은 너트(48)를 사용하여 감속재 및 비임 출구 조립체(10)를 밴더 그래프 가속기 시스템(12)에 대해 이동시킴으로써 수행된다. 내측 비임 출구공동(68)은 방사원 공동(64)에 인접한 곳에서 직경이 2인치(5.08㎝)이다. 따라서, 표적(18)은 수직 시이트나 판(60)뒤로 0.5인치 (1.27㎝)떨어져 있다. 납 쿠폰(coupon)(92)이 표적(18)에 밀접히 시이트나 판(60)에 놓여 표적(18)을 가린다. 이로써 표적(18)에서 나온 감마선의 주요부분이 내측 비임 출구 공동(68)즉, 비임에 들어가지 못하게 된다. 봉(66)이 비임 축(40)을 지나 삽입되어 있어, 표적(18)에 가까이, 그러나, 내측 비임 출구 공동(68)을 완전히 가릴 만큼 가깝지 않게 감속재 물질을 공급한다. 그 봉(66)은 벽(26)의 출입구(93)를 통해 위치조정될 수 있다. 도우닛 형상의 제3납차폐물(94)이 내측 비임 출구 공동(68)의 말단에 배치되어, 비임에 들어올 수 있는 감마선들을 더욱 감쇠시킨다.
제6 및 7도에는 고도로 집중된 감마선 성분이 결과적으로 최소량의 되도록 상당히 증가된 양의 저속중성자를 발생하는 내측 비임 출구 조립체(58)가 도시되어 있다. 때때로 중성자 방사선 사진술 비임내의 그러한 감마선들은 단지 묵인될 수 있고, 때로는 긍정적인 잇점을 제공할 수도 있다. 이런 형태의 조립체에 있어서, 표적(18)은 비임 축(40)에서 약 1/2인치 (1.27㎝) 떨어져 배치되어 봉(66)은 물리적으로 가능한한 표적(18)에 근접하게 이동된다. 표적(18)에서 그리고 표적(18)의 뒤에서 나온 저속 중성자들이 내측 비임 출구 공동(68)에 들어갈 수 있도록 내측 비임 출구 공동(68)은 봉(66)에 의해 완전히 가려지지는 않는다. 동시에, 표적(18)에 밀접하게 비임 축(40)위에 봉(66)을 배치하면 비임 축(40)에 혹은 그 비임축 근처에 많은 열중성자 구름이 생성될 수 있고, 비임 축 가까이 열중성자를 집중시키는데 도움을 주며 비임에 더 큰 열중성자속들 제공한다. 본 발명의 이런 형태에 있어서, 수직 도우닛 형상의 시이트 또는 판(60)은 방사원 공동쪽 단부에서 보다 말단부에서 더 큰 내경을 가지고 있어, 대상물 위치(29)에서 적절한 열중성자 강도 분포를 제공한다.
제8 및 9도에는 최대 및 최소의 감마선 함량을 가지는 중성자 비임들이 동시에 제공될 수 있는 실시예가 도시되어 있다. 즉, 제8 및 9도에 도시된 내측 비임 출구 조립체(58)는 감속제 및 비임 출구 조립체들중 하나에 사용되고 제6 및 7도에 도시된 내측 비임 출구 조립체(58)는 다른 하나에 이용될 수 있다. 제8 및 9도에 도시된 내측 비임 출구 조립체(58)는, 제6 및 7도에 도시된 내측 비임 출구 조립체의 경우와 마찬가지로 동일한 표적 및 봉이 동시에 두 개의 비임 출구들에 사용되기 때문에 반드시 필요한 경우와 같이 배치되는 베릴륨을 된 표적(18) 및 봉(66)을 갖는다. 그러나, 제8 및 제9도에 되시된 내측 비임 출구 공동(68)내 감마선 함량을 감소하기 위하여, 납 쿠폰(96)이 콜리메이터의 말단부에서 볼 때 표적(18)을 가려 표적(18)에서 나오는 감마선들을 감쇠시키도록 하는 방식으로 내측 수직 시이트 또는 판(60)을 가로질러 배치된다.
또한, 제9도에 도시된 바와같이 단일 결정 혹은 기껏해야 몇 개의 결정들로 구성된 비스무스 필터(98)가 감마선들을 더욱 감쇠시키도록 내측 비임 출구 조립체(58)의 말단부에 배치될 수 있다. 그 필터(98)는 또한, 열중성자들을 감쇠시키기 보다 더 높은 에너지의 중성자들을 감쇠시킨다. 그러므로, 이것은 강도의 많은 손실 없이 열중성자들에 대해 비임을 정화시킨다.
본 발명의 범주내에서 다른 비임 출구 조립체들이 이용될 수 있고, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 감속재 및 비임 출구 조립체에 다른 변경이 가해질 수도 있다. 예를 들면, 매우 유용한 부가적인 감속 물질을 제공하고, 시이트의 방사 왼쪽으로부터 저속 중성자들의 이탈을 허용하면서도 비임을 위한 효과적인 열중성자원을 제공하도록 더 적은 내경의 수직 도우닛형 시이트 또는 판(60)이 방사원에 가장 근접한 시이트로서 사용될 수 있다. 감속재 및 비임 출구 조립체의 다른 구조들의 예로서 드리프트 관이 수평외의 방향으로 들어갈 수 있고, 중성자 비임들은 방사원 공동에 수직인 방향과 수평 방향외의 방향으로 나올수 있다.
감속재 및 비임 출구 조립체의 상기 실시예들은 제작하여 시험한 결과, 종래기술의 감속재 및 비임 출구 조립체보다 몇가지 잇점들을 나타냈다. 고속 중성자원 즉, 표적(18)주위에 사실상 균일하게 배치된 고밀도 폴리에틸렌으로된 적어도 약 1입방 피이트(0.029㎥)의 감속재(54)는 표적의 중앙에 짙은 열중성자 구름을 제공하는 최적의 감속재이다. 특히 그 감속재는 작동 상태하에서 177의 감속 계수를 나타내었다. 감속재 내에는 중성자 독이 사실상 없다. 중성자 독 물질 링(70)은 감속재(54)의 외측에 있고, 따라서, 최고 열중성자 방출 강도øM에 사실상 영향을 주지 않을 만큼 충분히 감속재의 중심에서 떨어져 있다.
내측 비임 출구 공동(68)의 측벽들은 2차 열중성자원들로 작용한다. 측벽들의 형상 및 측벽들에 대한 표적(18) 및 봉(66)에 배치되는 대상물 위치(29)에서 열중성자 강도 분포를 균일하게 하는 것을 돕는다. 중성자 독물질 링(70)은 구멍(72)을 통해 내측 비임 출구 공동(68)을 떠나는 중성자들을 제외하고는 소정의 초 온도에너지 까지의 중성자들을 포획한다. 제1 및 제납 차폐물(74,88)은 구멍(72)을 통해 각 콜리메이팅 공동(82)으로 통과하는 감마선들 외에는 비임 밖에 감마선들을 유지한다. 그래서, 구멍(72)은 중성자 및 감마선 둘다에 대한 중성자 방사선 사진술 비임원의 크기를 분명히 제한한다. 그 구멍은 비임의 유효 직경(D)을 바꾸도록 변경될 수 있다.
비임 콜리메이터(80)는 콜리메이팅 물질을 불필요하게 많이 요하지 않고서 가능한 한 소망의 비임에 가까이 적절한 차폐를 제공하도록 장방형 단면을 갖는 것이 좋고, 정사각형이 가장 좋다. 콜리메이팅 공동(82)은 대상물 위치(29)에서의 비임에 가장 양호한 효율과 가장 균일한 중성자 강도 분포를 제공하도록 비임 축(40)을 중심으로 대칭적으로 배치된다. 콜리메이팅 공동(82)은 대상물 위치(29)쪽으로 직선으로 벌어지며, 그래서 그 공동안의 어느 지점으로부터 각 구멍(72)을 통해 각 내측 비임 출구 공동(68)의 방사원 공동쪽 단부의 한 지점에 이르는 시선을 제공한다. 비임 콜리메이터(80)는 감속재(54)외측에 있는 것이 좋고, 그러므로 그 안의 붕소는 각 내측 비임 출구 공동(68)내에 있는 효과적인 열중성자원에 악영향을 미치지 않는다. 그래서 각 구멍(72)과 함께 비임 콜리메이터(80)는 필요한 경우 감마선과 함께 열중성자 비임을 한정한다.
비임의 집속도는 L/D로 측정될 수 있고, 여기서 D는 구멍(72)의 직경이고, L는 유효 열중성자원으로부터 대상물 위치(29)까지의 거리이다. 도시된 구조에 있어서, L/D는 최근접 대상물 위치, 즉, 콜리메이터 연장부(38)의 바로 출구에서 20미만이었다. 대상물 위치(29)를 더욱 멀리 이동시키면 집속도가 개선되지만 비임 강도가 희생되고 따라서 중성자 방사선 사진에 적절한 콘트라스트를 제공하는데 필요한 시간이 길게 된다. 비임 콜리메이터(80)에는 아무런 카드뮴도 없으므로, 콜리메이터 벽들은 기생적인 비집속 감마선의 발생원으로 작용하지 않는다.
각 도면들에 도시된 바와같이 내측 비임 출구 조립체(58)를 다르게 하고 그 조립체에 대한 표적(18)의 위치를 변화시킬 수 있음으로써 다른 작동 모우드, 예를 들어, 다른 구멍들로부터 한번에 높은 감마 모우드나 낮은 감마 모우드중 어느 하나 혹은 양 모우드를 제공할 수 있다. 제4 및 5도에 도시된 낮은 감마 모우드에 있어서, 양질의 중성자 비임을 제공하는데 있어 비임에 중금속이 필요치 않다.
제6 및 7도에 있어서 높은 감마모우드에 있어서, 제9도에 도시된 바와같이 배치된 단일 결정 혹은 많아야 몇 개의 결정들로 구성된 비스무스 필터가 최소의 중성자 강도 솔실을 받으면서 비임 감마선의 상대적인 함량을 제어하는데 사용될 수 있다. 그러한 필터는 또한, 열중성자들이 그러한 필터에 의해 덜 감쇠되므로 비임의 상대적인 초온도 중성자 함량을 조절하는데 사용될 수도 있다.
반사체(86)의 직경을 크게하면, 백그라운드 누출이 벽(22,24,25,26), 천정(27), 기부(41) 및 인접한 붕사충돌(36)에 의해 쉽게 정지되는 정도까지 확실히 감소된다.

Claims (16)

  1. 중성자 방사선 사진 촬영을 위해 대체로 한 축을 따라 대상물 위치를 향해 조사된 열중성자 비임을 제공하도록 고속 중성자원과 함께 사용되는 감속재 및 비임 출구 조립체에 있어서, 상기 축상에 놓인 방사원 공동을 가지며 고체 수소함유 물질로 형성됨 감속재, 얻어진 열중성자들을 사실상 포획함이 없이 상기 감속재 안에서 상기 고속 중성자원으로부터의 고속 중성자들을 열화시키기 위해 방사원 공동을 사실상 둘러싸고 중성자 독물질을 사실상 갖지 않으며 높은 수도 밀도를 갖고, 상기 축에 인접히 상기 고속 중성자원을 지지하는 수단, 소정의 초온도 에너지보다 적은 에너지들은 가지고서 부딪쳐 오는 실질적으로 모든 중성자들을 포획하고, 상기 감속재의 외측에서 상기 축 주위에 배치된 구멍을 형성하고 한정하도록 상기 감속재 외측에 중성자 독물질들을 함유하는 구멍수단, 열중성자들이 상기 감속재로부터 상기 구멍을 통해 달아나도록 상기 구멍으로부터 실질적으로 상기 방사원 공동에까지 축방향으로 상기축 주위에서 연장하는 상기 감속재내 축방향 내측 비임 출구 공동, 상기 축 주위에 대칭적으로 배치되고 상기 구멍과 상기 대상물 위치의 중간에서 연장하고 상기 대상물 위치 방향으로 직선으로 확산하는 대략 축방향 콜리메이팅 공동을 형성하고 중금속 및 중성자 독물질로 구성되고 상기 구멍에서 축방향으로 일정 간격 떨어진 콜리메이터, 상기 감속재 및 구멍 수단에서의 중성자 포획으로부터 발생하는 감마선들을 감쇠하도록 상기 콜리메이터와 구멍사이에 축방향으로 배치되고, 상기 콜리메이팅 공동의 말단부와 상기 구멍 사이에 실질적으로 분명한 통로를 제공하는 축방향 개구부를 가진 제1중금속 차폐물, 상기 감속재로부터 달아나는 중성자들은 더욱 감속시키고 중성자들을 상기 감속재 쪽으로 반사시키도록 상기 감속재와 상기 제1중금속 차폐물 주위에 배치된 수소 함유 물질의 중성자 반사체 수단, 및 상기 중성자 반사체 수단에서의 중성자 포획으로부터 발생하는 감마선들을 감쇠시키기 위한 제2중금속 차폐물을 포함하는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1중금속 차폐물이 상기 콜리메이팅 공동 방향으로 상기 구멍을 통과한 방사선을 자유로게 통과시키면서 상기 콜리메이터 방향에서 상기 구멍 수단으로부터의 방사선을 감쇠시키기 위해 상기 구멍 수단을 상기 콜리메이터에 정합시키는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 콜리메이팅 공동은 실질적으로 그 안의 임의 지점으로부터 상기 구멍을 통해 상기 내측 비임 출구 공동의 방사원쪽 단부에 있는 지점까지의 시선을 제공하는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1중금속 차폐물은 상기 콜리메이팅 공동 방향으로 상기 구멍을 통과하는 방사선을 자유로게 통과시키면서 상기 콜리메이터 방향에서 상기 구멍 수단으로부터의 방사선을 감쇠시키기 위해 상기 구멍 수단을 상기 콜리메이터에 정합시키는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구멍 및 내측 출구 공동은 원형의 횡단면으로 되어 있고 상기 축주위에 대칭적으로 배치되는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 콜리메이팅 공동은 실질적으로 그 안의 임의 지점으로부터 상기 구멍을 통해 상기 내측 비임 출구 공동의 방사원쪽 단부에 있는 한 지점까지의 시선을 제공하는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1중금속 차폐물은 상기 콜리메이팅 공동방향으로 상기 구멍을 통과하는 방사선을 자유롭게 통과시키면서 상기 콜리메이터 방향에서 상기 구멍 수단으로부터의 방사선을 감쇠시키기 위해 상기 구멍 수단을 상기 콜리메이터에 정합시키는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 지지 수단은 상기 축에 대한 상기 고속 중성자원의 위치를 조정하는 수단을 포함하는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  9. 제1항 내지 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 감속재 작동 조건하에 상기 방사원 공동에서 200미만의 감속 계수를 갖은 감속재 및 비임 출구 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 감속재가 적어도 약 1입방 피이트(약 0.029㎥)의 고밀도 폴리에틸렌으로 형성되는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 감속재, 구멍수단, 콜리메이터와, 제1 및 제2중금속 차폐물을 수용하고, 그렇지 않으면 상기 감속재의 중심에서 적어도 약 2피이트(60.96㎝)정도 떨어지게 상기 반사체 수단을 형성하는 수소함유 물질로 실질적으로 채워진 용기 더욱 포함하는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  12. 제1항 내지, 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 콜리메이터는 비임축에 수직한 평면들에서 대략 장방형 단면으로 되어 있고, 상기 축 주위에 대칭적으로 배치되는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  13. 제1항 내지 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 콜리메이터의 중금속은 납이고 상기 콜리메이터의 중성자 독은 붕소이고, 상기 납과 붕소는 실질적으로 상기 콜리메이터 전체에 걸쳐 분포되는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  14. 제1항내지 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 감속재는 두 개의 내측 비임 출구 공동들을 형성하고, 상기 조립체는 상기 각 내측 비임 출구 공동을 위한 구멍 수단과 콜리메이터를 포함하고, 상기 중성자원으로부터 상기 각 구멍을 통해 감마선들이 전달되지 못하게 상기 내측 비임 출구 공동의 제한된 부분을 가리도록 상기 방사원 공동에 인접히 상기 내측 비임 출구 공동들 중 하나에 중금속 삽입물이 장착되는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  15. 제1항 내지 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 방사원 공동은 상기 축으로부터 일정간격 떨어져 있고, 상기 지지수단은 상기 구멍을 통해 보아서 상기 내측 비임 출구 공동의 단면내에서 상기 중성자원을 지지하는 감속재 및 비임 출구 조립체.
  16. 제1항 내지 제7항중 어느 한항에 있어서, 상기 방사원 공동이 상기 축으로부터 일정 간격 떨어져 있고 상기 지지수단은 상기 구멍을 통해 보아서 상기 내측 비임 출구 공동의 단면 외측에서 상기 중성자원을 지지하고, 상기 구멍을 통해 볼 때 상기 내측 비임 출구 공동을 실질적으로 가리지 않고 상기 구멍을 통해 볼 때 상기 중성자원을 실질적으로 가리도록 상기 중성자원에 인접히 제3중속금 차폐물이 제공되는 감속재 및 비임 출구 조립체.
KR1019850000317A 1984-01-20 1985-01-19 중성자 방사선 사진술용 감속재 및 비임 출구 조립체 KR920007772B1 (ko)

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