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중성자 검출기를 위한 붕소-10 중성자 변환 박막 제조 및 신틸레이터 기반 감마선 검출 시스템에 관한 연구
도안티투히엔 국민대학교 일반대학원 2019 국내석사
Solid boron-10 (B10) thin film has been studied extensively as a neutron conversion layer to replace He3 gas, an essential material in gas-filled neutron detectors. This study developed a sedimentation process of boron nanoparticles for a low-cost, large-size neutron detector. To scale the neutron conversion-layer film to a larger size, the sedimentation process was carefully improved using the surfactant polydimethylsiloxane (PDMS). The pH value was also optimized to address processing issues related to large area deposition, such as surface tension and uniformity control, and dispersion stability. Up to 10 x 10 cm2 boron nanoparticle films could be obtained with an uniform thickness of about 6 µm. To characterize the neutron absorption/sensitivity of the films, the shielding efficiency of a neutron beam through multiple sheets of the films was evaluated. Additionally, the research was expanded to maximize neutron-conversion efficiency by applying the process to enriched B10 isotope powder instead of natural boron material. The processing optimization and the characterization of the enriched B10 thin film were presented. The B10 films fabricated by the nanoparticle sedimentation process showed the neutron absorption rate as a function of the total film thickness, which was about 70% as much as that of a theoretical, pure B10 solid film. In addition, a study on scintillation-based gamma-ray detectors was described. The gamma-ray detector setup at Kookmin University using a multi-pixel photo counter (MPPC) coupled with CsI(Tl) was presented and discussed for future research and the implementation of gamma cameras in the future. 가스타입 중성자 검출기에 주로 사용되는 헬륨-3기체를 대체하기 위해서 붕소-10 박막은 중성자 변환층으로 연구되어 왔다.본 연구에서는, 저가의 대형 중성자검출기에 사용하기 위해 붕소 나노입자 침전법을 이용한 중성자변환층을 개발하였다.중성자 변환층 필름을 보다 큰 크기로 만들기 위한 침전공정은, 폴리 디메틸 실록산(PDMS)으로 나노입자의 계면특성을 조절하여 개선할 수 있었다.pH값은 박막응력 해소 및 두께균일성 확보와 같은 대면적에 요구되는 필름 특성을 얻도록 최적화 되었으며, 공정 중의 분산안정성도 확보할 수 있었다. 이러한 과정으로 약6µm의 균일한 두께를 갖는 10x10 cm2의붕소 나노입자 필름을 얻을 수 있었다. 필름의 중성자 흡수율을 평가하기 위하여 여러장의 붕소 변환층 필름을 통과하는 중성자 빔을 측정하여 중성자 차폐율을 평가하였다. 최종적으로 붕소-10이 20% 함유된 천연붕소물질 대신에 96% 순도의 붕소-10 동위원소 분말을 사용하여 붕소-10변환층을 제작한 후, 중성자 변환효율을 평가하여 순수 붕소-10박막 중성자 변환필름의 최적화 공정 및 평가 결과를 제시하였다. 이렇게 제조된 붕소-10필름은 두께에 따른 중성자 흡수율의 변화를 보였으며, 순수 붕소-10 고체박막의 이론적 흡수특성의 70%에 해당하는 흡수율 측성을 나타내었다. 또한, 섬광체를 이용한 감마선 검출기에 대한 여구를 하였다. CsI(Tl)와 결합된 다중픽셀 포토카운터(MPPC)를 사용하여 감마선검출기를 구현하고, 감마선의 광자에너지에 따른 발생 가시광량을 정량적으로 측정함으로써, 분광스펙트럼을 얻을 수 있었다.
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