섬광체와 광섬유를 조합한 방사선량계 모델 특성 분석

Abstract

감마선 조사실 등의 고준위 방사선장에서 방사선량을 실시간 원격 측정을 하기 위해서 섬광체와 플라스틱 광섬유를 결합한 선량계 모델을 제작하고 선량계로서의 타당성을 알아보기 위한 특성 분석을 하였다. 방사선을 감지하는 센서부분인 섬광체와 섬광체에서 발생하는 광을 전달하는 플라스틱 광섬유를 결합하고 광섬유 통해 전달되는 광을 전류로 변환하는 광전자증배관을 연결한 방사선량계 모델을 구성하였다. 본 논문에서 제작된 방사선량계 모델은 6000Ci ^(60)Co 감마선원과 센서 간 거리에 따라 측정된 전류치 변화와 MCNP(Monte-Carlo N-Particle) code로 계산된 값과 비교 분석하였으며 섬광체 센서로 측정된 PMT 전류와 같은 지점에서 전리함(Ionization chamber)과 Alanine 화학 선량계로 측정된 선량률과 비교 분석하였다. PMT 전류와 선량 값의 비교는 선원과 센서 간의 거리에 따른 정규화(normalized)분포변화, 전류와 선량률과의 선형성, PMT 전류 값을 방사선량으로 변환할 수 있는 PMT 전류-선량률 변환상수를 구하여 방사선량계로서 타당성을 알아보기 위한 특성 분석을 하였다. ▶ 본 논문에서 제시한 센서들로 측정된 결과를 MCNPX code로 계산된 결과를 비교 분석하여 방사선량계로서의 가능성을 모색하려 했지만, MCNPX code로 섬광체의 광수율(light yield)과 붕괴시간(decay time) 등과 같은 고유특성까지는 모사하는데 한계가 있었다. 그러나 선원과 센서 간 거리에 따른 정규화 분포 변화 양상은 비슷하였다. ▶ 섬광체 센서들과 전리함 및 Alanine 화학선량계로 측정한 결과를 선원과 센서 간 거리에 따라 정규화 분포 결과를 보면, BC-412 센서의 정규화 분포 편차 값은 7% 이내로 전체적으로 낮게 나타났다. CWO 센서와 BGO 센서의 정규화 분포 편차 값은 17% 이내로 나타났으며 측정지점 두 지점을 제외하면 10% 이내로 더 낮은 편차를 보였다. 그러나 GSO 센서 정규화 분포 편차 값이 전체적으로 34% 이내로 상당한 차이를 보였다. ▶전반적으로, 섬광체 센서들로 측정된 전류와 선량과의 관계에서, 선량률의 커질수록 섬광체 센서들로 측정된 PMT 전류도 선형적으로 비례하면서 커지고 반복 측정한 PMT 전류도 일정하였다. ▶ 섬광체 센서들로 측정한 PMT 전류를 선량률로 변환할 수 있는 상수를 구하고, 평균 변환 상수에 대한 편차를 구한바 전체적으로 10% 이내로 선량계로서 개발가능성을 모색할 수 있었다. 또한 GSO 센서는 선량률이 110～1189Gy/h 일 때는 5% 이내로 비교적 낮은 편차를 보였으며, BC-412 센서는 선량률이 52～480Gy/h 일 때 5% 이내로 비교적 낮은 편차를 보였다. GSO 센서와 BC-412 센서의 두 타입에 센서를 이용하여 저선량률 영역에서 고선량률 영역까지 측정할 수 있는 시스템을 구축할 수 있을 것이라 여겨진다. 또한 BGO 센서와 CWO 센서도 전체적으로 낮은 편차를 보였지만 고선량률 영역에서는 더 낮은 편차로 보여 고선량률 영역에서 사용하기 적합한 센서로 여겨진다. 본 연구에서 제시한 섬광체와 광섬유를 결합한 방사선량계 모델을 방사선량계로서의 타당성 분석을 하였는데 대체로 양호한 결과를 도출하였다. 그러나 이 밖에 방사선량계로서의 특성 분석이 요구되어지고, 섬광체 센서로 측정한 PMT 전류를 electrometer로 측정하는 장치와의 연결 및 PMT 전류 값을 컴퓨터 상에서 제어하는 시스템이 요구된다.

Ion chambers are often used to remotely monitor the real time radiation dose in a high level radiation field such as in a gamma irradiator. For medical purposes, MOSFET(Metal Oxide Effect Semiconductor Transistor) dosimeters are widely used. The ion chamber is generally known to be most accurate in measuring the gamma exposure dose. However, it is very vulnerable to the ambient conditions since its measurement depends on minute ionization currents generated in the chamber. Furthermore, it usually takes a long time to have a malfunction fixed since almost all of the ion chambers are imported and their malfunctions are in most cases handled by their manufacturers. The MOSFET dosimeter is very useful for simultaneously measuring radiation doses at multiple points, and has high spatial resolution since its sensing head is very small. However, it is impractical to use it in a high radiation field since its lifetime is exhausted very fast. As a means to overcome the drawbacks of the aforementioned dosimeters, a dosimeter type composed of a small piece of scintillator jointed an optical fiber can be a good option. Inorganic scintillators have high gamma sensitivities since they have high densities and are composed of high-atomic-number elements. The lights generated in the scintillator can be transmitted through a plastic or glass optical fiver to a remote place where they are measured by a photo sensor. This type of radiation dosimeter can have several additional merits such as flexibility in positioning, high spatial resolution and easiness in manufacturing in addition to the characteristics of remote and realtime measurement. A number of works has been carried out in relation to this subject. A. S. Beddar, proposed a miniature "scintillator-fiberoptic-PMT" detector system for the dosimeter of small fields in stereotactic radiosurgery. Nowotny, proposed a tissue equivalent dosimeter model base on LiF:W scintillator head and plastic optical fiber to be applied in diagnostic radiology. In this work, a fiber-optic dosimeter model composed of a small scitillator and current-type PMT has been studied. Four kinds of the small scintillator such as BGO(Bi₄Ge₃O_(12)), GSO(Gd₂SiO_(5)), CWO(CdWO₄) and plastic scintillator (Saint Gobain, BC-412) were used as the sensor. The PMT currents measured with 4 kinds of scintillator were compared with the absorbed energy calculated by MCNP(Monte carlo N-particle) code as well as absorbed doses measured by ionization chamber and Alanine chemical sensor. The results obtained by 4 scintillators have shown similar dose distribution patterns obtained with the MCNP code. Compared to the result measured with the ionization chamber and Alanine chemical dosimeter, normalized dose rate distribution by BC-412 has shown less than 7% deviation for BC-412 scintillator, less than 17% deviation for the CWO and BGO scintillators, and less than 34% for the GSO. The conversion factors between PMT currents and the dose rate measured with the ionization chamber and Alanine dosimeter are calculated for each scintillator, and the results have shown less than 10% deviation from the average conversion factor. This suggests that the four scintillators can be used as the sensor of the dosimeter. The dose rate ranges measurable with in 5% deviation with the dosimeter model are 110∼1189Gy/h for the GSO, 52∼480Gy/h for BC-412, and 52∼1189Gy/h for the BGO and CWO.