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인문 남궁
6 years ago
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 3, pp , 2010 X-ray 컨테이너화물검색시스템의전자선형가속기주변콘크리트차폐벽내방사화생성물에대한몬테카를로법평가 조영호 1* 1 대구가톨릭대학교방사선학과 Monte carlo estimation of activation products induced in concrete shielding around electron linac used in an X-ray container inspection system Young Ho Cho 1* 1 Department of Radiological Science, Catholic University of Daegu 요약고에너지 X-ray를투시방사선원으로사용한컨테이너화물검색시스템에서생성되는광중성자에의해주변콘크리트차폐벽에서발생되는방사화생성물을평가하였다. 몬테카를로전산해석코드인 MCNPX2.5.0을사용하였으며, 참조시스템은국내주요항만에설치된 9MeV X-ray 고정식양방향컨테이너화물검색시스템이다. 9MeV X-ray 조사에따라생성되는광중성자의 (n,γ) 반응에의한방사화생성물재고량을계산하고이에따라야기되는방사선피폭선량을계산하였다. Abstract Activation products generated by photoneutrons in concrete shielding wall around electron linac were estimated for a high energy X-ray container cargo inspection system. Monte carlo code, MCNPX2.5.0 was used for reference system of 9MeV fixed type dual-direction container cargo inspection system installed at major harbors in Korea. Activation products inventory generated by photoneutron (n,γ) reaction are estimated, and then radiation dose rate is calculated from the results. Key Words : Container Inspection System, Monte Carlo Method, Activation Product, Photoneutron, Electron linac 1. 서론 X-ray를이용한화물검색시스템은미국에서 9.11 테러 가발생한이후국가안보유지를위해국제적으로그이용이더욱가속화되고증가되는추세에있다. 미국은 9.11 테러 이후, 컨테이너안보구상 (CSI, Container Security Initiative) 을통해미국으로수출되는컨테이너화물에대해서는수출지에서획득한화물검색영상을제출할것을의무화하고있다. 우리나라는부산항이미국과이미 메가항구 (Mega-Ports) 협력협정을체결하였으며, 2003년 8월부산항에 컨테이너안보구상 (CSI) 이행을위 한한-미세관합동사무소가개설되었다. 이러한배경에서 X-ray를이용한화물검색시스템은우리나라에서도앞으로그이용이필연적으로계속증가할수밖에없으며이에대한연구와분석역시향후더욱중요하다고할수있다. 이러한현실에반하여화물검색시스템과관련한산업은비교적최근에성장한분야로서, 고에너지 X-ray 조사로발생하는작업자방사선영향에대한분석은다소미흡한실정이다. 특히광중성자에의해발생할수있는방사화생성물과그로인한지발방사선의영향에대한정량적분석은현재국제적으로도이루어져있지않다. 이에 이논문은 2010 년도대구가톨릭대학교교내연구비지원에의한것임. * 교신저자 : 조영호 (cyhpp@hanmail.net) 접수일 10년 01월 12일수정일 10년 03월 02일게재확정일 10년 03월 18일 1035

한국산학기술학회논문지제 11 권제 3 호, 2010 따라본논문에서는현재우리나라에설치되어있는 9MeV X-ray 화물검색시스템에서야기되는광중성자에의한방사화영향에대한정량적평가를수행하였다. 2. 방사화생성물평가이론 수 MeV 이하의광자 (X-ray) 와물질과의주요상호작용에는광전효과, Compton효과, 쌍생성, 광핵반응이있다.

2 한국산학기술학회논문지제 11 권제 3 호, 2010 따라본논문에서는현재우리나라에설치되어있는 9MeV X-ray 화물검색시스템에서야기되는광중성자에의한방사화영향에대한정량적평가를수행하였다. 2. 방사화생성물평가이론 수 MeV 이하의광자 (X-ray) 와물질과의주요상호작용에는광전효과, Compton효과, 쌍생성, 광핵반응이있다. 광핵반응 (photonuclear reaction) 이발생할확률은광전효과, Compton효과, 쌍생성이발생할확률을모두합친값보다는 10의수제곱배작다. 광핵반응의유형에는 (γ, p), (γ, n), (γ, α), (γ, 2n), (γ, np) 등이있다 [1]. 이중, 광중성자반응, 즉 (γ, n) 반응이발생하기위해서는 X-ray의에너지가일정한문턱에너지값을초과하여야하며, 이문턱에너지값은핵종별로구별되는고유의물리적특성이다. 화물검색시스템을구성하는가속기, 콘크리트차폐벽, 콜리메이터등의주요구성원소들은대부분이러한문턱에너지값이 9MeV 이하이며, 그결과광중성자가시설내부에서생성되게된다. 특히대부분의광중성자는광자의에너지가높은지점인가속기와콜리메이터에서생성되므로, 가속기주변의콘크리트차폐벽은 X-ray에서발생된광중성자가일차적으로반응하는구조물로서매우중요하다. 일반적으로중성자는원자핵과충돌할때탄성또는비탄성산란을한다. 산란을통해에너지를잃은중성자는핵에포획또는흡수될수있으며, 이는주로 (n,γ) 반응을통해이루어진다. 이러한반응의결과로생성된방사성핵종들은고유의방사성붕괴를통해 β, γ 등을포한한 2차 (delayed) 방사선을방출하며안정원소로바뀌게된다 [2,3]. 중성자포획반응에의해발생하는방사성핵종의생성은다음식으로기술된다 [4,5]. 위식을풀어서초기조건등을대입하면다음과같은결과를얻는다. N act (t)= E V ΦσN T dv de λ (1-e - λt ) 여기서, N act (t) = 중성자조사로발생하는방사성핵종의수 [nuclide] 3. 화물검색시스템 화물검색시스템은가속기, 검출기, 이송대차, 방사선안전및방호장비, 기타하드웨어, 소프트웨어등컨테이너를검색하는데필요한모든장비및관련장치와구조물, 건물등이포함된다 [6]. 가속기는최고 400mm 두께철판을투과할수있는 9MeV X-ray 빔을발생, 방출하는 9MeV 전자선형가속기로서수평및수직양방향으로모두 2 대가배치된다. 가속기로부터방출되는 X-ray 빔의조사각도는수평방향 22.75, 수직방향 16.5 로설계되어길이 20m, 폭 2.5m, 최대높이 4.6m 크기의컨테이너와트레일러차량전체를투과하며, 투시대상컨테이너의내부위치별투과력과분해능의차이를최소할수있도록설계되어있다. 그림 1은수직및수평양방향화물검색시스템의단면도이다. dn( r,e,t) dt = Φ( r,e,t)σ(e)n T ( r,e,t)-λn( r,e,t) 여기서, N( r,e,t) = 중성자조사로발생하는방사성핵종의수 [nuclide/ cm3 ] Φ( r,e,t) = 중성자속 [neutrons/ cm2 sec] σ(e) = (n, γ) 반응단면적 [ cm2 ] N T ( r,e,t) = 중성자조사를받는타겟핵종의수 [nuclide/ cm3 ] λ = 붕괴상수 [sec-1] [ 그림 1] 양방향화물검색시스템단면도컨테이너를투과한 X-ray는검출기에서수집된다. 검출기는데이터획득및제어장치등과연결되어있으며, 검출기에서수집된투과 X-ray는영상처리소프트웨어를통해처리되어컨테이너검색영상으로재구성된다. 그림 2는양방향컨테이너화물검색시스템의전체적인구조에 1036

X-ray 컨테이너화물검색시스템의전자선형가속기주변콘크리트차폐벽내방사화생성물에대한몬테카를로법평가 대한그림이며, 그림 3은가속기와검출기의배치형태에대한그림이다. for ppc64/kernel 2.6.5-7.139 소프트웨어, GNU 컴파일러 (gcc, g77, g++) IBM XLC 7.0, XLF 9.1 컴파일러환경에서수행하였다. MCNPX2.5.0 코드를이용하여몬테카를로시뮬레이션을수행하기위한화물검색시스템에대한모델링은그림4 및그림5와같다.

몬테카를로시뮬레이션 MCNPX(Monte Carlo N-Particle extended) 전산해석코드는미국 Los Alamos 연구소에서몬테카를로시뮬레이션기법을이용하여개발한 3차원방사선수송해석전산코드로서, 3개 ( 전자, 광자, 중성자 ) 의입자만을모사할수있는 MCNP(Monte Carlo N-Particle) 전산해석코드를최대 34개의입자들 ( 양성자,

3 X-ray 컨테이너화물검색시스템의전자선형가속기주변콘크리트차폐벽내방사화생성물에대한몬테카를로법평가 대한그림이며, 그림 3은가속기와검출기의배치형태에대한그림이다. for ppc64/kernel 소프트웨어, GNU 컴파일러 (gcc, g77, g++) IBM XLC 7.0, XLF 9.1 컴파일러환경에서수행하였다. MCNPX2.5.0 코드를이용하여몬테카를로시뮬레이션을수행하기위한화물검색시스템에대한모델링은그림4 및그림5와같다. [ 그림 2] 양방향화물검색시스템의구조 [ 그림 4] 평면도 [ 그림 3] 가속기및검출기배치형태 4. 몬테카를로시뮬레이션 MCNPX(Monte Carlo N-Particle extended) 전산해석코드는미국 Los Alamos 연구소에서몬테카를로시뮬레이션기법을이용하여개발한 3차원방사선수송해석전산코드로서, 3개 ( 전자, 광자, 중성자 ) 의입자만을모사할수있는 MCNP(Monte Carlo N-Particle) 전산해석코드를최대 34개의입자들 ( 양성자, 양전자, 알파입자등추가 ) 을고에너지영역까지모사할수있도록적용범위를확대하여개발된전산해석코드이다 [7,8]. MCNPX2.5.0 전산해석코드계산은서울대학교중앙전산원에구축되어있는 Power PC GHz 2-way Supercomputer 하드웨어, SuSe Linux Enterprise Server 9 [ 그림 5] 단면도 5. 결과및분석 5.1 방사화생성물 본논문에서는 X-ray 빔이통과하는경로인가속기와콜리메이터및차폐벽에서주로생성되는광중성자가가속기주변차폐벽과반응할때발생되는방사화생성물을계산하였다. 콘크리트표면및내부에서발생되는방사화생성물종류와방사능양은표 1과같다 [9, 10]. 이들은고유의붕괴과정을통해여러종류의붕괴방사선들을방출하며, 이러한붕괴방사선들은작업종사자에게불필요한방사선피폭을야기할수있다. 1037

4 한국산학기술학회논문지제 11 권제 3 호, 2010 [ 표 1] 화물검색시설내방사화생성물 방사화생성물반감기 방사능 (Ci) 1년운전후 3년운전후 상대오차 3 H Y 2.85E E O 27.1 S 2.03E E Na H 6.18E E mna 0.02 S 1.44E E Mg 9.46 M 7.54E E Al 2.24 M 4.29E E Si M 9.16E E 한치를 20mSv/yr로정하고있으며, 이를연간작업시간 2,000을가정하여환산하면 10μSv/hr의방사선량률제한치를구할수있다 [11]. 본연구에서계산된방사화생성물재고량을기초로가속기실중앙에서평가된작업종사자방사선량률은 0.97μSv/hr로서, ICRP의제한치는넘지않는다는것을확인할수있다. 그러나이는결코낮은수치의방사선량률은아니며작업종사자피폭선량을 ALARA (As Low As Reasonably Achievable) 로유지하기위해서는피폭저감방안이강구될필요가있다. 41 Ca 1.03E5 Y 1.58E E Ca D 6.78E E Ca D 1.86E E Ca 8.72 M 9.28E E Fe 2.73 Y 4.98E E Fe 44.5 D 4.25E E 표 1에제시된수치는가속기주변차폐벽내에존재하는핵종별방사능수치이다. 표 1의가장마지막열에는이방사능수치에대한통계적오차가제시되어있는데, 이는 MCNPX 시뮬레이션의결과물에서기본적으로제공되는 상대오차 값으로서일반적으로이값이 0.1 이하가되어야계산결과를신뢰할수있다. 이러한방사화생성물재고량평가결과는그자체로도의미를가지나, 본논문의주요목적중하나로서이후수행되는방사화생성물에의한방사선량률계산에이용된다. 표 1에제시된방사화생성물의반감기에따라서포화상태에도달하는시간은서로다르나, 보수적인방사선량률계산을위해서는충분히포화상태에이른결과가요구된다. 3 H, 41 Ca, 45 Ca, 55 Fe, 59 Fe 등 5개핵종을제외한대부분의방사성핵종들은검색시설운전후 1 년이경과하면그방사능이포화상태에이른다. 이들 5개핵종들중 45 Ca, 59 Fe 등 2개핵종은운전후 3년이경과하면방사능이포화상태에이르며, 나머지 3개핵종은반감기가매우긴핵종들로서포화상태에도달하기에시간이많이요구되나방사선피폭에기여하는바가없거나또는매우적기때문에포화도달여부가중요하지는않다. 따라서본논문에서는이후진행될방사선량률계산을위해서는 3년운전후누적된방사능을기초로평가및분석을수행하였다. 5.2 방사선량률국제방사선방호위원회 (ICRP, International Commission on Radiological Protection) 는작업종사자에대한선량제 6. 결론 1. 운전정지직후가속기실내에서의방사선량률은주로 24 Na, 27 Mg, 28 Al 등의방사성핵종에기인하며, 불필요한작업종사자피폭을방지하기위해운전정지직후에는가속기실출입및작업을금지하는것이바람직하다. 24 Na, 27 Mg, 28 Al 핵종에의한방사선량률은각각 0.18μSv/hr, 0.09Sv/hr, 0.54μ Sv/hr이다. 2. 중대사고등이발생하여불가피하게가속기실에출입해야할경우에는적절한차폐가필요하며최대한짧은시간동안에작업을종료할필요가있다. 3. 운전정지 1 시간정도가경과하면가속기실내에서의방사선량률은크게감소하는데이는주로 27 Mg, 28 Al과같이반감기가짧은방사성핵종들이붕괴하여그양이크게감소한것에기인한다. 그러나 24 Na 방사성핵종들에의한방사선량률은여전히높은수준을유지하고있으므로이에대한대비책이요구된다. 참고문헌 [1] F. Jallu, A. Lyoussi, E. Payan, H. Recroix, A. Mariani, G. Nurdin, A. Buisson and J. Allano, Photoneutron Production in Tungsten, Praseodium, Copper and Beryllium by Using High Energy Electron Linear Accelerator, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 155, pp , [2] D. J. Hughes, Pile Neutron Research, Addison -Wesley Publishing Company, Inc., [3] Richard E. Faw and J. Kenneth Shultis, "Radiological Assessment: Sources and Doses, American Nuclear 1038

X-ray 컨테이너화물검색시스템의전자선형가속기주변콘크리트차폐벽내방사화생성물에대한몬테카를로법평가 Society, Inc., 1999. [4] Harold Elford Johns and John Robert Cunningham, The Physics of Radiology, Charles C Thomas Publisher, 1983. [5] James E.

5 X-ray 컨테이너화물검색시스템의전자선형가속기주변콘크리트차폐벽내방사화생성물에대한몬테카를로법평가 Society, Inc., [4] Harold Elford Johns and John Robert Cunningham, The Physics of Radiology, Charles C Thomas Publisher, [5] James E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, John Wiley & Sons, Inc., [6] Posdata Co. Ltd., Technical Specifications of Container Inspection System, [7] Pelowitz, D. B., MCNPXTM user s manual version 2.5.0, LA-CP , [8] Hendricks, J. S., MCNPX extensions version 2.5.0, LAUR , [9] IAEA, Handbook on Nuclear Activation Data, Technical Report Series No.273, STI/DOC/10/273, [10] ICRP, Radionuclide Transformations: Energy and Intensity of Emissions, ICRP Publication 38, Pergamon Press, [11] ICRP, 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 60, Pergamon Press, 조영호 (Young Ho Cho) [ 정회원 ] 1997 년 2 월 : 서울대학교공과대학원원자핵공학과 ( 원자력석사 ) 2006 년 8 월 : 서울대학교공과대학원원자핵공학과 ( 원자력박사 ) 2004 년 7 월 ~ 2006 년 4 월 : 포스데이타 ( 주 ) 선임연구원 2006 년 4 월 ~ 2008 년 8 월 : 전략물자관리원조사연구팀장 2008 년 9 월 ~ 현재 : 대구가톨릭대학교방사선학과교수 < 관심분야 > 방사선안전및방호, 원자력정책 1039

소아일반영상의학검사에서의 환자선량권고량가이드라인 - 두부, 복부, 골반 -

소아일반영상의학검사에서의환자선량권고량가이드라인 - 두부, 복부, 골반 - 소아일반영상의학검사에서의 환자선량권고량가이드라인 - 두부, 복부, 골반 - Ⅰ. 서언 1 2 Ⅱ. 의료피폭에서의방사선방어 1 1990 ICRP 권고에따른방사선방어의원리 3 2 2007 ICRP 신권고에따른방사선방어의원리 4 3 환자선량권고량 (Diagnostic Reference Level)