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하균 사
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1 논문 방사선비상시내부피폭신속분류를위한휴대용 NaI 검출기의계측효율전산모사 하위호 *,, 유재룡 *, 윤석원 *, 박민정 *, 김종경 * 한국원자력의학원국가방사선비상진료센터, 한양대학교원자력공학과 2015 년 8 월 28 일접수 / 2015 년 11 월 4 일 1 차수정 / 2015 년 11 월 16 일 2 차수정 / 2015 년 11 월 16 일채택 원자력사고등의방사선비상시환경으로누출된방사성물질은일반인의내부피폭을야기할수있다. 특히감마선방출핵종의내부피폭의경우전신계수기가널리사용되지만현장에서신속히내부피폭을분류하는용도로는부적합하다. 본연구에서는휴대용감마스펙트로메터를비상시내부피폭신속분류에적용하기위하여몬테카를로전산모사방법을이용하여 NaI 검출기의계측효율을 BOMAB 팬텀의크기별로평가하였다. 두가지측정지오메트리에서계측효율을비교한결과앉은모델에서의계측효율이서있는모델에비해약 1.1 배높은계측효율을나타내었다. 하지만측정지오메트리에의한계측효율차이보다신체크기에따른계측효율차이가크게발생하는것을확인하였다. 특히신체크기가작은 4 세팬텀의경우표준남성과비교하면약 2.4~3.1 배의높은계측효율을나타내어신체크기가상이한일반인을대상으로내부피폭을모니터링할경우반드시계측효율에대한고려가필요한것으로확인되었다. 중심어 : 방사선비상, 내부피폭, 감마핵종분석, NaI 검출기, 계측효율 1. 서론 1) 원자력사고나방사능테러등의방사선비상시환경으로방사성물질이누출되게되면일반인의내부피폭을야기할수있다. 과거발생한체르노빌원전사고와후쿠시마원전사고에서도소아를포함한일반인의내부피폭이발생하였으며관련전문기관에서내부피폭측정및평가를수행한바있다 [1-3]. 그외에도방사능확산장치 (radiological dispersal device, RDD) 를이용한방사능테러발생시에도일반인의내부피폭이발생할수있으며미국과유럽에서는이에대비한신속내부피폭검사방법및절차에대한연구를진행중에있다 [4-6]. 방사능확산장치의경우일반산업체에서널리사용되는감마선방출핵종이상대적으로쉽게사용될수있으며대표적인핵종으로는 Cs, Co, Ir 등이있다 [4-6]. 감마선방출핵종에대한내부피폭의경우일반적으로전신계수기나특정장기모니터링장치를이용하여인체외부로방출되는감마선을직접측정하는방법이널리사용되고있다. 일반적인전신계수기는무게와부피가크고대부분고정식으로설치되어비상시현장에서의적용에는무리가따른다. 그대안으로휴대용감마스펙트로메터를이용한내부피폭감시방법이여러연구그룹 [5,6] 에서제시되었다. 이경우기존의전신계수기에비해계측효율이낮고최소검출방사능 (MDA) 이상대적으 로높지만현장에서내부피폭을신속히분류하는목적에는잘부합될수있다. 이러한휴대용감마스펙트로메터를이용하여인체의내부피폭을측정하기위해서는측정지오메트리를고려한검출기계측효율교정이요구된다. 특히감마스펙트로메터의계측효율은측정지오메트리를반드시고려할필요가있는데일반적으로전신계수기의교정은 BOMAB (Bottle Mannikin Absorption) 팬텀이나제작사에서제공하는물리적인체모형팬텀을이용하여교정이가능하다. 이경우종사자내부피폭모니터링을위해서는일반적으로표준성인크기의 BOMAB 팬텀이나제작사에서제공하는물리적인체모형팬텀을이용하여전신계수기계측효율교정을수행한다. 하지만신체크기가다른여성이나소아를대상으로전신계수를수행할경우신체크기에대한고려가반드시요구된다 [6,7]. 따라서전산모사를이용한신체크기별전신계수기의계측효율연구 [6-8] 는많이진행된바있다. 하지만휴대용감마스펙트로메터를이용하여신체크기별계측효율에대한평가는아직까지수행된바는없다. 따라서본연구에서는휴대용감마스펙트로메터를방사선비상시일반인을대상으로하는내부피폭모니터링및스크리닝에적용하기위하여몬테카를로전산모사방법을이용하여휴대용 NaI 검출기의계측효율을 BOMAB 팬텀의크기별로평가하였다. 책임저자 : 하위호, lovin@kirams.re.kr 서울시노원구노원길 75 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION AND RESEARCH, VOL.40 NO.4 DECEMBER

Fig. 1. Geometry modeling for NaI detector. Fig. 2. Geometry modeling for reference 4-year old BOMAB phantom, sitting model(left) and standing model(right). Table 1.

1 95 th percentile male 184 57.3 2. 재료및방법 2.1 지오메트리모델링본연구에서는 Thermo 사의휴대용 NaI 검출기 (RIIDEYE-M-G3) 를사용하였다. NaI 크리스털의크기는직경 76 mm, 두께 76 mm, 밀도는 3.67 g cm -3 로 20 kev 부터 3 MeV 의에너지범위에서감마선측정이가능하다.

각 BOMAB 팬텀의신체크기는 Table 1 과같다. 모든 BOMAB 팬텀은 10 개의실린더로구성되어있으며머리, 가슴, 골반에해당하는타원형실린더와목, 팔, 허벅지, 종아리에해당하는원형실린더로각각구성된다. BOMAB 팬텀의지오메트리는의자에앉은모델과직립형으로서있는모델을신체크기별로각각모델링하였다. NaI 검출기의외부측정단면정중앙 (Fig.

2 Fig. 1. Geometry modeling for NaI detector. Fig. 2. Geometry modeling for reference 4-year old BOMAB phantom, sitting model(left) and standing model(right). Table 1. Dimensions for Different Size BOMAB Phantoms. Size of BOMAB phantom Height (cm) Full volume (cm 3 ) 4-year old year old Female Male th percentile male 재료및방법 2.1 지오메트리모델링본연구에서는 Thermo 사의휴대용 NaI 검출기 (RIIDEYE-M-G3) 를사용하였다. NaI 크리스털의크기는직경 76 mm, 두께 76 mm, 밀도는 3.67 g cm -3 로 20 kev 부터 3 MeV 의에너지범위에서감마선측정이가능하다. 몬테카를로전산모사를수행하기위하여제작사에서제공하는 NaI 검출기도면을이용하여 NaI 검출기를모델링하였다. 모델링된 NaI 검출기의단면도는 Fig. 1 과같다. BOMAB 팬텀은인체크기를반영하기위하여미국립표준협회 (ANSI) 에서제공하는 4 세, 10 세, 표준여성, 표준남성, 95% 백분위수남성의 BOMAB 팬텀을사용하였다 [9]. 각 BOMAB 팬텀의신체크기는 Table 1 과같다. 모든 BOMAB 팬텀은 10 개의실린더로구성되어있으며머리, 가슴, 골반에해당하는타원형실린더와목, 팔, 허벅지, 종아리에해당하는원형실린더로각각구성된다. BOMAB 팬텀의지오메트리는의자에앉은모델과직립형으로서있는모델을신체크기별로각각모델링하였다. NaI 검출기의외부측정단면정중앙 (Fig. 1 의 center point) 이각각의 BOMAB 팬텀의골반실린더로부터수직위방향으로 10 cm, 가슴실린더로부터수평으로 1 cm 떨어지도록위치시키고팬텀내부에는 0.5 M HCl 에교정용표준선원에해당하는혼합감마선원 ( 109 Cd, 139 Ce, 113 Sn, 137 Cs, 88 Y, 60 Co) 이균질하게분포하는것으로모델링하였다. Fig. 2 와 Fig. 3 에서는 4 세팬텀과표준남성팬텀의지오메트리를각각나타내었다. Fig. 3. Geometry modeling for reference male BOMAB phantom, sitting model(left) and standing model(right)) 신체크기별계측효율전산모사휴대용 NaI 검출기의계측효율계산을위하여 MCNPX v 전산코드를사용하였다. BOMAB 팬텀내부의선원항은혼합감마선원에해당되는 88.0, 165.9, 391.7, 661.7, 898.0, , , kev 의감마선에너지가방출되는것으로모사하였다. 검출기내에서는펄스파고를계산하기위하여 f8 tally 를적용하였으며 GEB (Gaussian energy broadening) 카드를이용하여 NaI 검출기의반치폭 (, a= , b= , c=-0.01) 이고려된에너지스펙트럼을산출하였다. 이때감마선에너지에따른관심구간 (region of interest, ROI) 별로순피크면적 (net peak area) 을적용하여계측효율을계산하였다. 순피크면적은감마선에너지별관심구간의총피크면적에서계단형백그라운드피크면적을차감하여계산하였다. 계산결과의통계적불확도가 5% 미만이되도록하기위하여각각의지오메트리에서 10 9 개의광자를발생시켜 NaI 검출기의계측효율을계산하였다. 감마선에너지별로계산된계측효율값을 Origin Pro 8.6 에서제공하는 nonlinear curve fitting 기능을이용하여계측효율곡선을도출하였다. ln ln ln ln 의감마선에너지 E 와계측효율 ε 에관한관계식을적용한 curve fitting 으로부터도출된계측효율곡선을지오메트리와신체크기별로산출하여비교하였다. 212 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION AND RESEARCH, VOL.40 NO.4 DECEMBER 2015

3 Fig. 4. Counting efficiency of NaI detector for sitting model with different size BOMAB phantoms. Fig. 5. Counting efficiency of NaI detector for standing model with different size BOMAB phantoms. 3. 결과및논의 Fig. 4 와 Fig. 5 는의자에앉은모델과직립형으로서있는모델에대해서산출된신체크기별 NaI 검출기의계측효율곡선을각각나타낸다. 신체크기가낮은 BOMAB 팬텀에서계측효율이높게나타났으며신체크기가높을수록계측효율이감소함을확인할수있다. 이는신체크기가증가할수록자기흡수 (self absorption) 현상이증가하고 NaI 검출기의측정가능한입체각내에서선원항위치가검출기로부터멀어지게되어발생되는것으로판단 된다. 또한의자에않은모델에서의계측효율은각신체크기별로서있는모델보다약 1.02~1.12 배높은것으로확인되었다. 이러한현상역시의자에않은모델의경우 NaI 검출기의측정가능한입체각내에포함되는선원항위치가서있는모델과비교하여더욱근접한지점에있기때문인것으로판단되었다. 각각의지오메트리에서평가된계측효율을종사자내부피폭모니터링에일반적으로적용되고있는표준남성에서의계측효율에대한비율로계산하여비교하였다. 표준남성에비해작은크기의 BOMAB 팬텀에서는표준 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION AND RESEARCH, VOL.40 NO.4 DECEMBER

Fig. 6. Ratio of counting efficiency (different size BOMAB/reference male BOMAB) of 137 Cs and 60 Co for sitting and standing models. 남성에서의계측효율과비교하여신체크기와감마선에너지에따라약 1.20~3.

41~3.08 배의높은계측효율로나타나고 10 세팬텀의경우 1.54~1.84 배의높은계측효율이나타나는것을확인하였다. 신체크기가작은소아에대하여표준남성의계측효율을적용할경우체내방사능측정시최대 3 배가량의과대평가가발생하며 4 세팬텀보다크기가작을경우에는더욱높은과대평가를야기할수있는것으로확인되었다.

4 Fig. 6. Ratio of counting efficiency (different size BOMAB/reference male BOMAB) of 137 Cs and 60 Co for sitting and standing models. 남성에서의계측효율과비교하여신체크기와감마선에너지에따라약 1.20~3.08 배높은계측효율을나타내었고반면표준남성에비해큰크기의 95% 백분위수의남성 BOMAB 팬텀에서는 0.75~0.85 배가량낮은계측효율을보이는것으로나타났다. 137 Cs 과 60 Co 에서각신체크기별계측효율과표준남성에서의계측효율에대한비율을 Fig. 6 에나타내었다. 특히신체크기가작은 4 세팬텀의경우계측효율을두가지지오메트리에서표준남성에대한계측효율과비교했을때 2.41~3.08 배의높은계측효율로나타나고 10 세팬텀의경우 1.54~1.84 배의높은계측효율이나타나는것을확인하였다. 신체크기가작은소아에대하여표준남성의계측효율을적용할경우체내방사능측정시최대 3 배가량의과대평가가발생하며 4 세팬텀보다크기가작을경우에는더욱높은과대평가를야기할수있는것으로확인되었다. 따라서실제방사선비상시신체크기가상이한일반인을대상으로내부피폭을모니터링할경우에는반드시계측효율에대한고려가요구된다. 향후방사선비상시보다실질적이고편리한적용을위하여신체크기별보정인자를미리산출하여적용하는방안이마련될필요가있겠다. 이때 NaI 검출기이외의다양한휴대용감마스펙트로메터뿐만아니라본연구에서고려하지않은신체크기에대하여추가적으로반영할필요가있으며미국립표준협회 (ANSI) 와세계표준화기구 (ISO) 에서제시하는상대편중 (relative bias), 상대정밀도 (relative precision), 최소검출방사능등의바이오어세이성능기준 [10,11] 을만족하는지에대한추가적인연구가진행될필요가있겠다. 4. 결론 본연구에서는방사선비상시일반인을대상으로하는내부피폭모니터링및스크리닝을위하여몬테카를로전산코드를사용하여두가지지오메트리에서 BOMAB 팬텀의크기별로휴대용 NaI 검출기의계측효율을평가해보았다. 평가결과두가지지오메트리에따른계측효율차이보다팬텀의신체크기에따른계측효율차이가더욱크게나타났다. 특히낮은연령의팬텀에서가장높은계측효율을보이는것으로확인되었다. 따라서신체크기가작은소아에대하여직접내부피폭을모니터링할경우에는해당신체크기에적합한감마스펙트로메터의계측효율을적용하는것이체내방사능을보다정확하게측정할수있다. 본연구에서평가된계측효율에대한검증을수행하기위하여추가적인측정실험에기반한유효성평가가요구되며향후방사선비상시보다실질적이고편리한적용을위하여신체크기별보정인자를미리산출하여적용하는방안이마련될필요가있겠다. 감사의글 : 본연구는한국원자력의학원에서수행중인방사선피폭환자치료기술개발 (No ) 사업의지원으로수행되었습니다. REFERENCES 01. International Atomic Energy Agency. Environmental consequences of the Chernobyl accident and their remediation: Twenty years of experience. IAEA STI/PUB/ Sugimoto A, Gilmour S, Tsubokura M, Nomura S, 214 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION AND RESEARCH, VOL.40 NO.4 DECEMBER 2015

5 Kami M, Oikawa T, Kanazawa Y, Shibuya K. Assessment of the risk of medium-term internal contamination in Minamisoma city, Fukushima, Japan, after Fukushima Daiichi nuclear accident. Environ Health Persp. 2014;122: Matsuda N, Kumagai A, Ohtsuru A, Morita N, Miura M, Yoshida M, Kudo T, Takamura N, Yamashita S. Assessment of internal exposure doses in Fukushima by a whole body counter within one month after the nuclear power plant accident. Radiat Res. 2013;179(6): Etherington G, Rothkamm K, Shutt AL, Youngman MJ. Triage, monitoring and dose assessment for people exposed to ionising radiation following a malevolent act. Radiat Prot Dosim. 2011;144(1-4): Manger RP, Hertel NE, Burgett EA, Ansari A. Using handheld plastic scintillator detectors to triage individuals exposed to a radiological dispersal device. Radiat Prot Dosim. 2012;150(1): Palmer RC, Hertel NE, Ansari A, Manger RP, Freibert EJ. Evaluation of internal contamination levels after a radiological dispersal device incident using portal monitors. Radiat Prot Dosim. 2012;151(2): Ferreira FTC, Bogaerts R, Bebacq AL, Mihailescu CL, Vanhavere F. Study of the counting efficiency of a WBC setup by using a computational 3D human body library in sitting position based on polygonal mesh surfaces. Health Phys. 2014;106(4): Bolch WE, Hurtado JL, Lee C, Manger R, Burgett E, Hertel N, Dickerson W. Guidance on the use of handheld survey meters for radiological triage: Time- dependent detector count rates corresponding to 50, 250, and 500 msv effective dose for adult males and adult females. Health Phys. 2012; 102(3): American National Standard Institute. American National Standard Specifications for the bottle manikin absorption phantom. ANSI/HPS N International Organization for Standardization. Radiation Protection - Performance criteria for radiobioassay. ISO American National Standard Institute. American National Standard - Performance criteria for radiobioassay. ANSI/HPS N Simulation of Counting Efficiencies of Portable NaI Detector for Rapid Screening of Internal Exposure in Radiation Emergencies Wi-Ho Ha *,, Jaeryong Yoo *, Seokwon Yoon *, Min Jung Pak *, and Jong Kyoung Kim * National Radiation Emergency Medical Center, Korea Institute of Radiological and Medical Sciences, Department of Nuclear Engineering, Hanyang University Abstract - In case of radiation emergencies, radioactive materials released into environments can cause internal exposure of members of the public. Even though whole body counters are widely used for direct measurement of internally deposited radionuclides, those are not likely to be used at the field to rapidly screen internal exposure. In this study, we estimated the counting efficiencies of portable NaI detector for different size BOMAB phantoms using Monte Carlo transport code to apply handheld gamma spectrometers for rapid screening of internal exposure following radiological accidents. As a result of comparison for two counting geometries, counting efficiencies for sitting model were about 1.1 times higher than those for standing model. We found, however, that differences of counting efficiencies according to different size are higher than those according to counting geometry. Therefore, we concluded that when we assess internal exposure of small size people compared to the reference male, the body size should be considered to estimate more accurate radioactivity in the human body because counting efficiencies of 4-year old BOMAB phantom were about 2.4~3.1 times higher than those of reference male BOMAB phantom. Keywords : Radiation emergency, Internal exposure, Gamma analysis, NaI detector, Counting efficiency JOURNAL OF RADIATION PROTECTION AND RESEARCH, VOL.40 NO.4 DECEMBER

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<3031B1E8C8F1B1D9462E687770> 기술논문 몬테카를로방법론을이용한측정대상의인체크기와측정위치에따른전신계수기계수효율평가 박민정 *,, 유재룡 *,, 하위호 *, 이승숙 *, 김광표 * 한국원자력의학원, 경희대학교원자력공학과 2013 년 12 월 2 일접수 / 2014 년 1 월 10 일 1 차수정 / 2014 년 1 월 28 일 2 차수정 / 2014 년 1 월 29 일채택 방사선사고시내부오염평가대상의범위는성인뿐만아니라소아까지전연령층으로확대된다.