Journal of Radiation Industry 3 (2) : 87~92 (2009) 플라스틱섬광체와광섬유를결합한원격측정방사선량계모형의성능시험 서민우 박재우 * 제주대학교에너지공학과 Test of a Remotely Measuring Radiation Dosimeter Model Constructed with Combination of a Plastic Scintillator and Plastic Optical Fiber Min Woo Seo and Jae Woo Park* Department of Nuclear & Energy Engineering, Jeju National University, Jeju 690-756, Korea Abstract - A real-time remotely measuring radiation dosimeter with a high spatial resolution is useful to monitoring radiation doses in a research irradiation chamber or a human phantom for radiation cancer treatment planning. This study presents the results of the performance test of a radiation dosimeter model which was constructed by attaching a small piece of plastic scintillator to one end of a plastic optical fiber and a current-type PMT the other end. The dosimeter model was inserted into an irradiation chamber loaded with about 222 TBq (6,000 Ci) of 60 Co to measure the PMT currents at a number of points differently distance from the source. MCNPX simulations were conducted to calculate the energy deposited in the scintillator piece. A Farmer type ionization chamber and Alanine pellet dosimeter were employed to measure the absorbed dose rates at the same positions inside the irradiation chamber. Normalization is made for each data set with respect to the corresponding maximum value. The normalized distribution of the PMT current is compared with those of the calculated energy deposition and the measured dose rates, respectively to evaluate the accuracy of the dosimeter model measuring the dose rate as PMT current. The normalized distribution of the measured PMT current well coincides with those of the MCNPXcalculated deposited energy and the dose rates measured with a Farmer type ionization chamber and Alanine pellet dosimeters. An average calibration factor is obtained from the measured data to convert the measured PMT currents into the absorbed dose rates. When this average calibration factor is applied in the measured dose rate range 47~1180 Gy h - 1, the maximum error is estimated to be less than 7%, which is very comparable with deviations between the data measured with commercially available dosimeters. Key words : Plastic scintillator, Plastic optical fiber, Current type PMT, Remotely measuring radiation dosimeter * Corresponding authors: Jae Woo Park, Tel. +82-64-754-3645, Fax. +82-64-754-9276, E-mail. jwpark@jejunu.ac.kr 87
88 서민우 박재우 서론대단위방사선조사시설등의초고준위방사선장에서방사선량을측정하는데는 Fricke 선량계, Alanine 선량계등이사용되고있으나이들은실시간측정을할수없는단점이있다. 방사선준위가상업용방사선조사시설에는못미치나상당히높은연구용방사선조사실이나방사선암치료환경에서방사선량을측정하기위해서는공간분해능이우수하고실시간원격측정이가능한선량계가필요하다. 이경우 farmer형전리함이나 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등의반도체선량계가이용될수있다. 전리함은다른선량계에비하여정확성은높으나미세한전류를측정하는장치여서외부적영향에민감하고, 전부외국산제품이어서고장이발생하는경우제작회사에보내어수리해야하므로많은시간이소요되는문제가있다. MOSFET 선량계는여러지점의선량을동시에측정하는데편리하고, 센서부위가매우작아서공간분해능이뛰어나지만센서의유효수명이정해져있어서높은방사선장에서선량계로사용하는데에는비경제적이다. 이러한단점을보완하기위해서섬광체와광섬유를결합한선량계가효과적인대안이될수있다. 본연구진은무기물섬광체인 BGO, GSO, CWO와유기물인플라스틱섬광체의조각을플라스틱광섬유에접합한방사선량계모형을제작하여각각의선량계로서의특성을분석하였다. 본연구는방사선을감지하는센서부에플라스틱섬광체 (Saint Gobain사, BC-412모델 ) 를사용하고, 여기에광전송을위한플라스틱광섬유 (Toray사, PGR FB3000) 를접합한방사선량계모형을제작하여선량계로서의특성을분석하였다. BC-412 플라스틱섬광체는주성분이탄소와수소이고, 밀도가 1.032 g cm -3 으로서인체와유사한물질이어서인체의흡수선량측정하는데도편리하다. 섬광체에서발생한광은광섬유를통해전류형 PMT에전달되어섬광체에흡수된방사선량을 PMT 전류로변환한다. 섬광체와광섬유를조합한선량계는유연성, 우수한공간분해능, 제작의용이성, 원격측정등많은장점을가지고있으며, 현재이러한개념의선량계모형에관한연구가일부진행중이다. Takada 등은고방사선장에서광섬유검출기에의한방사선량분포측정연구를수행하였다. 적외선영역파장을내는섬광체를광섬유선단에접합하고, 광섬유다발을 CCD 카메라에연결하였으며광섬유와 CCD 카메라사이에는 800 nm 이상의파장만통과하는필터를부착한방사선검출 기모형을제작하였다 (Takada et al. 1998). Nowtny는방사선진단용선량측정을위해서 LiF : W 섬광체센서에관한연구를수행하였다. 광섬유선단에 LiF : W 섬광체조각을광학시멘트로접합하고다른선단에는 PMT를연결한방사선진단용센서모형을제작하여자체방사선진단용선량계로사용하였다 (Nowtny 2004). 장경원등은고에너지전자선측정을위한광섬유방사선센서에서의체렌코프광측정및분석연구를수행하였다. 고에너지전자선계측시광섬유에서발생되는체렌코프광은섬광체자체신호의검출에방해요소로작용하는데, 이러한체렌코프광을분석하는연구이었다 ( 장등 2006). Simon 등은소형 BGO 섬광체와광섬유를결합한센서모형을제작하여섬광체의크기와광섬유의길이에따른광전자증배관에수집되는섬광량을분석하였다 (Simon et al. 1995). 문헌에발표된연구들은거의모두원자번호와밀도가높은무기섬광체를사용하였으나본연구에서는인체등가물질인플라스틱섬광체를사용하였으며, 기존연구는광섬유의길이가 2m 이하였지만본연구에서는원격측정이가능한범위를넓히고자광섬유의길이를 10 m로하였다. 플라스틱섬광체인경우무기섬광체에비하여감마선에대한광발생효율이낮은데다가, 전송용광섬유의길이가길어짐에따라광의강도가감소할것으로예상된다. 본연구에서는이러한조건에서도선량계로개발가능한지여부를분석하였다. 제작한선량계모형은방사능이약 222 TBq인 60 Co 감마선조사실에투입하여고준위방사선장에서선원과센서간거리에따른 PMT 전류변화를측정하였다. 측정된 PMT 전류변화는 MCNPX 코드로플라스틱섬광체부피안에흡수된에너지를계산하여, 선원과센서간거리에따른정규화분포변화를분석하였다. 선량계모형으로측정한지점에서상용화된 farmer형전리함과 Alanine pellet 선량계로방사선량을측정하였다. 측정한 PMT 전류와선량은선원과센서간거리에따른정규화분포변화, PMT 전류와선량과의선형성, PMT 전류의안정성등을비교하였다. 측정된실제선량값으로 calibration한결과측정한전류를흡수선량으로변환하는평균변환상수를구하여분석하였다. 재료및방법선량계모형은 Fig. 1에보인바와같이센서부인 BC- 412 플라스틱섬광체, 광전송용플라스틱광섬유와 PMT 로구성된다. Saint Gobain사제품인 BC-412 플라스틱
플라스틱섬광체와광섬유를결합한선량계모형 89 Plastic scintillator wrapped with Teflon tape Current signal Low voltage power supply Plastic optical fiber clad with thermal shrink tube (10 m) RS-232 cross cable Signal cable Data acquisition Power supply cable PMT module H6780 Fig. 1. A schematic of the fiber-optic scintillator dosimeter system. 섬광체는주성분이탄소와수소이고, 밀도가 1.032 g cm -3 이며, 굴절률은 1.58이다. 섬광체의발광량은 Antrancene 섬광체의 60% 이며, 발광파장영역은 400~520 nm이며최대발광파장은 434 nm이다. 섬광체는 5 5 20 mm 3 크기로가공하여전표면을 polishing film과알루미나파우더로연마하고, 광손실을줄이기위해반사체로테프론테이프로감쌌다. 플라스틱광섬유는 Toray Industies Co. 에서제조한직경 3 mm (PGR FR3000) 광섬유를 10 m 길이로잘라서사용하였다. 광섬유 core의굴절률은 1.49, cladding의굴절률은 1.4이고, 광전송손실은 400~600 nm 빛에파장에대해 0.2 db m -1 이하이다. 소재는범용수지인 PMMA (Polymethyl Methacrylate) 를원재료로하여 SI형 (Step index) 으로만들어진전자재료용소재로서경량대용량 Noise 등에우수한특성을가지고있다. 그리고이섬광체와광섬유는외부에서들어오는광을차단하기위해서검은색열수축튜브 (Heat strinkable tube) 로 2중으로피폭하였다. PMT 모듈은 Hamamatsu사제품으로전류형인 H6780-04이고 PMT, 전치증폭기, 고전압공급회로가금속케이스에일체형으로내장된모델이다. 모듈의응답파장영역은 180~800 nm이며최고응답 파장은 400 nm 이다. 모듈에공급되는전압은저전압인 15 volt 로 PMT 에공급되는실제전압은내부의고전압회로 에서증폭된다. PMT 의 gain 은 control voltage 를 0.25~0.9 volt 사이에서조정하여 PMT 전류를 10 2 ~10 6 까지증폭가능하다. 광섬유와 PMT 모듈은 FC형커낵터와아답터로연결하였다. PMT에서출력되는전류는 data acquisition unit (Hamamatsu, C8908) 장치에수집되고 RS-232 cross cable을통해 PC로 plotting된다. Data acquisition unit 실험장치는 PC에서시간간격과 PMT의증폭을조절하는 control voltage 입력하여통제한다. 제작된선량계모형은방사능이약 222 TBq 60 Co Gamma irradiator의선원과센서간거리를 20, 25, 30, 35, 40, 60, 80, 100, 120 cm로떨어진총 9개의지점에서측정하였고, 측정높이는조사대지면에서 35 cm이다. 선원은 pencil형이고반지름이 5 mm, 길이가 30 cm로 guide tube 안에장착되어있다. 각지점마다 1분간측정한결과를평균하여측정값을구하였다. 그리고섬광체에서발생되는광을전송하는플라스틱광섬유에서불필요하게생겨나는체렌코프광을제거하기위해서같은조건의 dummy fiber를별도로제작하였다. Dummy fiber도같은지점에서 1분간측정하고평균하여측정값을구하였다. 섬광체와플라스틱광섬유를결합한센서에서측정한값과 dummy fiber에서측정한값을빼주어섬광체안에서만발생된광에측정결과를도출할수있었다. PMT의 control voltage를 0.3 V로하여 PMT의 gain을 10 3 으로얻었다. 측정데이터의정확성을평가하기위하여 MCNPX 코드로계산한결과와비교분석하였다. MCNPX 코드계산의경우에조사실내부의각측정지점마다섬광체부피를하나의 cell로잡고서 F6 tally option (energy deposition averaged over a cell) 을사용하여그 cell 내에단위질량당흡수에너지 (MeV g -1 ) 를계산하였다. 계산된단위질량당흡수에너지는섬광체의질량을곱해주어흡수에너지로변환하였다. MCNPX 코드의결과값의신뢰도는상대오차 5% 미만으로유지하기위해서 history (N 개, nps) 를 1 10 7 ~2 10 8 까지늘려가면서계산하였다. 제작된선량계모형에서발생하는전류와실제선량간의상관관계를분석하기위하여, Farmer-type 전리함과 Alanine 선량계로같은지점을선량측정하였다. 사용한전리함은 Farmer-type으로 PTW Freiburg사가제작한전리체적이 0.6 cc인자유공기전리함이다. 이 thimble type 전리함은내부로공기가자유롭게드나들수있기때문에온도및기압에대한보정이필요하다. 전리함의 ion transit time은 180 ms이고 99.5% 이온수집효율의선량이 2.8 Gy s -1 이다. 전리함에서생성된전하량의측정은전위계 (Electrometer, Cardinal Health Co. model 35040) 를사용하였다. 조사하는각지점마다 1분간 3회반복측정하고평균값의전하량 (nc) 을구하였다. 평균값의전하량은방사선에너지에대한보정상수, 측정온도 (T) 와압력 (P) 변화에대한공기밀도보정계수및물흡수선량교정상수등을곱하여물흡수선량으로변환하였다. Alanine 선량계는 Bruker Biospin사에서제작한선량계이다. 이선량계는상대적으로온도와습도에대해민감하지않으며, 측정된선량이매우정확하고낮은편차 (±2%) 를보여준다. 현재, 이선량계는 X-ray 조사실이나전자빔조사실, 감마조사실에서사용되고있다. 각지점마다
90 서민우 박재우 10 MCNPX code 1 Normalized value 0.1 0.01 Fig. 2. Figure of the dosimeter measuring the PMT current in the irradiation chamber. Also shown is the Alanine dosimeter measuring the absorded dose. 20 40 60 80 100 120 Source-to-detector distance (cm) Fig. 3. Normalized distribution of the BC-412 sensor-measured PMT current and MCNPX-calculated deposited energy. 총누적선량을 500 Gy 이상으로하였는데, 이는 Alanine 선량계의선량판독을하는데편리하고정확성을유지하기위함이다. 그리고 Alanine 선량계의선량판독은정읍방사선연구소에의뢰하였다. Fig. 2에서는약 222 TBq 60 CO 감마선조사실에서섬광체센서모형과 Alanine 선량계로측정하는것을보여주고있다. 결과및논의 Normalized value 10 1 0.1 0.01 Ionization chamber Alanine dosimeter 측정한전류변화가실제선량변화와어느정도근접하는지평가하기위하여 MCNPX 코드로계산한흡수에너지변화와비교하였다. 절대량의비교보다는상대적인경향비교가의미있으므로각측정지점의데이터를최고값으로나누어정규화 (normalize) 하였다. 측정된 PMT 전류와계산된흡수에너지를선원과센서간거리에따른정규화분포변화를비교분석하였으며, 측정된실제선량과는선원과센서간거리에따른정규화분포변화, PMT 전류와선량과의선형성, PMT 전류의안정성을비교분석하였다. 전리함및 Alanine 선량계로측정된실제선량값을측정한전류로 calibration한결과, 전류를흡수선량으로변환하는변환상수를구하였다. 변환상수는동일한지점에서측정된실제선량에서 PMT 전류를나누어구하였고, 평균변환상수는측정지점마다구한변환상수들을평균하여구하였다. 제작된선량계모형으로측정된전류는상용선량계로측정된선량범위에서평균변환상수를이용하여선량으로변환하였다. Fig. 3은 BC-412 플라스틱섬광체센서로측정한 PMT 전류와 MCNPX 코드로계산한흡수에너지의정규화 20 40 60 80 100 120 Source-to-detector distance (cm) Fig. 4. Normalized distributions of the PMT current and the measured dose rates. 분포를비교한그림이고, Fig. 4는제작한선량계모형으로측정한 PMT 전류와전리함및 Alanine 선량계로측정한선량률과의정규화분포변화를나타낸그림이다. 계산된결과와실제선량과의정규화분포는선원과센서간거리에따라측정된전류의정규화분포와비슷한양상을보였다. Fig. 5는측정된전류와 Alanine 선량계로측정한선량과의선형적인관계를나타낸그림이다. Fig. 6은선원과센서간거리가 20 cm일때, 선량계모형으로측정한 PMT 전류를 50회반복측정하여나타낸그림이다. 측정된 PMT 전류는 3.8 10-7 A로측정되었으며, 전류의시간변동이용인할수있는수준이내로서매우안정적이었다.
플라스틱섬광체와광섬유를결합한선량계모형 91 PMT current 4.0 10-7 3.5 10-7 3.0 10-7 2.5 10-7 2.0 10-7 1.5 10-7 1.0 10-7 5.0 10-8 0.0 Dose rate (Gy h -1, Alanine) Conversion factor (Gy C -1 ) 1.6 10 6 1.4 10 6 1.2 10 6 1.0 10 6 8.0 10 5 6.0 10 5 4.0 10 5 Dose rate (Gy h -1, Alanine) Average Fig. 5. Linearity of the BC-412 sensor-measured PMT current and dose rate. Fig. 7. Conversion factors to gain the absorbed dose rate from the measured PMT current. The dose rates are measured with the Alanine dosimeter. PMT current (A) 5.5 10-7 5.0 10-7 4.5 10-7 4.0 10-7 3.5 10-7 3.0 10-7 2.5 10-7 2.0 10-7 0 10 20 30 40 50 Measurement number Fig. 6. Time variation of the measured PMT current. Table 1. Comparison of dose rate measured by ionization chamber and Alanine dosimeter Distance Ionization chamber Alanine dosimeter Deviation (cm) (Gy h -1 ) (Gy h -1 ) (%) 20 1141 1180 3 25 816 810 1 30 614 585 5 35 471 480 2 40 366 375 2 60 173 185 7 80 102 110 8 100 67 71 7 120 47 52 10 Table 1은조사실내부선원과선량계의거리에따른전리함과 Alanine 선량계로측정한선량들을비교한것이다. 측정된선량범위에서따른두선량계의편차가 1~10% 가됨을알수있으며선량률이낮아질수록편 Conversion factor deviation 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0 Point-wise values Dose rate (Gy h -1, Alanine) Fig. 8. Deviation from the average of the conversion factors calculated from the Alanine-measured dose rates. 차가커짐을볼수있다. Fig. 7과 8은제작한선량계모형으로측정한값을 Alanine 선량계로측정한선량값으로보정하는경우에변환상수와편차를나타낸그림이다. 변환상수는선량률이 585 Gy h -1 일때8.5 10 5 Gy C -1 로가장낮게나타났으며, 선량률이 480 Gy h -1 일때9.6 10 5 Gy C -1 로가장높게나타났다. 평균변환상수는 9.2 10 5 Gy C -1 로서이값을사용하여측정된전류를선량으로변환하는경우전체적으로 7% 이내로편차가나타났으며, 선량률이 52~480 Gy h -1 일때5% 이내로비교적낮은편차를보였다. Fig. 9와 10은선량계모형으로제작한선량계로측정 한값을farmer형전리함으로측정한선량값으로보정하는경우에변환상수와편차를나타낸그림이다. 변환상수
92 서민우 박재우 Conversion factor (Gy C -1 ) 1.2 10 6 1.0 10 6 8.0 10 5 6.0 10 5 Dose rate (Gy h -1, Ionization chamber) Average Fig. 9. Estimated conversion factors to gain the absorbed dose rate from the measured PMT current. The dose rates are measured with the ion chamber (IC). Conversion factor deviation 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8 Point-wise values 하였다. 제작한선량계모형으로측정한 PMT 전류와 MCNPX 코드로계산한값의정규화분포변화는거의비슷한양상을보였다. 또한측정한 PMT 전류와상용선량계로측정한선량과의정규화분포도거의비슷한양상을보였으면, 전류의시간변동이용인할수있는수준이내로서매우안정적이었다. 상용 farmer형전리함과 Alannine 선량계로측정한값에서제작된선량계모형으로측정한전류를 calibration한결과흡수선량으로변환하는평균변환상수를구할수있었다. 선량계모형으로측정한전류는이변환상수를사용하여흡수선량으로변환하는경우전반적으로 7% 이내의편차를보였다. 이정도의편차는상용화된선량계간에도존재하므로본연구에서도출한선량계모형이상용선량계로개발될수있음을확인하였다. 그리고제작한선량계모형은아직은섬광체와광섬유, 광섬유와 PMT의연결에서완전하지못한상태이므로이러한면을보다정교하게보강한다면상용화된선량계못지않은정확성을보일것으로예상된다. 사사본연구는교육과학기술부에서시행한원자력연구기반확충사업의연구비지원으로수행되었으며, 이에감사드립니다. -1.0 Dose rate (Gy h -1, Ionization chamber) 참고문헌 Fig. 10. Deviation from the average of the conversion factors calculated from the IC-measured dose rates. 는선량률이 47 Gy h -1 일때8.5 10 5 Gy C -1 로가장낮게나타났으며, 선량률이 471 Gy h -1 일때9.4 10 5 Gy C -1 로가장높게나타났다. 평균변환상수는 8.8 10 5 Gy C -1 로서이값을사용하여측정된전류를선량으로변환하는경우편차는 6% 이내로비교적낮게나타났다. 결 감마선조사실등의고준위방사선장에서방사선량을실시간원격측정을하기위해서 BC-412 플라스틱섬광체와플라스틱광섬유를결합한선량계모형을제작하고방사선조사실에투입하여선량계로서의특성을분석 론 장경원, 이봉수, 조동현, 김형식, 이정한, 이정환, 김신, 조효성. 2006. 고에너지전자선측정을위한광섬유방사선센서에서의체렌코프빛측정및분석. 한국센서학회지. 15(3):186-191. Cherry SR, Shao Y, Trnai MP, Siegel S, Ricci AR and Phelps ME. 1995. Collection of scintillator light from small BGO crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science 42:1058-1063. Nowotny R. 2004. LiF : W as a scintillator for dosimetry in diagnostic radiology. Phys. Med. Biol. 49:2599-2611. Takada E, Kimura A, Hosono Y, Takahashi H and Nakazawa M. 1998. Radiation distribution measurements with optical fibers in high radiation fields. Institute of Electrical and Electronics Engineers 2:791-795. Manuscript Received: May 29, 2009 Revision Accepted: June 5, 2009