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중성자 및 감마선 동시측정 시스템을 활용한 핵종분석방법 고찰
진동식,홍용호,이재근,정영석 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11
북한 핵무기 보유가 현실화 된 시점에서 유사시 방사능 피해 최소화에 대한 대비책과 비핵화과정을 통해 철저한 검증이 필요하며, 비핵화 검증은 국가차원의 위성과 영상에 의한 1차적인 핵탐지 가능성이 확보되면 실제 현장에서의 검증이 필수적이다. 현장 검증에 있어 신속탐지 및 방사능 정보에 대한 정확한 데이터 수집이 필요하며, 수집데이터를 통해 처리방안 등이 강구되어야 한다. 본 연구는 CZT(Cadmium Zinc Telluride) 반도체 센서를 이용한 단일의 측정 시스템을 사용하여 현장에서 신속한 중성자 및 감마선 동시측정이 가능하고 이동 및 휴대가 용이한 핵종분석장치를 개발하는 것이 목적이다. 핵종분석장치는 다양한 에너지 범위의 중성자 및 감마선 동시측정과 함께 두 방사선의 구분이 가능해야 하며, 측정 데이터를 활용한 방사선원의 종류, 에너지 및 방사능 등의 분석이 가능해야 한다. 감마선은 방사선원의 종류에 따른 고유의 에너지 특성을 가지므로 본 연구에서 사용되는 CZT 반도체 센서로 30 keV ~ 3 MeV의 범위의 감마선 에너지를 직접적으로 측정하여 해당 에너지에 따른 방사선원의 종류를 확인할 수 있고, 측정시간과 계수를 활용하여 방사능 분석도 가능하다. 중성자는 원자로에서 일어나는 인공적인 핵분열 반응이나 자발 핵분열, 또는 알파선 및 양성자 등의 하전입자 반응으로부터 생성되며, 대부분 고유의 에너지 특성을 가지지 않는다. 따라서 중성자의 경우는 중성자의 에너지 범주와 검출빈도가 분석대상이다. 중성자는 직접적인 측정이 불가능하며, 간접적인 방법으로 검출한다. 본 연구에서 사용되는 CZT 반도체 센서는 중성자와 CZT 센서 내 카드뮴(Cd)의 핵반응(<SUP>113</SUP>Cd + ¹n → <SUP>114</SUP>Cd + γ)에 의해 방출되는 고유의 2차 감마선 에너지(558.3 keV) 특성을 활용하여 간접적으로 중성자를 검출한다. 중성자와 카드뮴(Cd)의 핵반응은 저속중성자(열중성자) 에너지 범위에서 발생하므로 고속중성자의 경우는 저속중성자로 감속시켜야 하며, 이를 위해 본 연구에서는 감마선 검출 목적의 CZT 반도체 센서 이외에 중성자 검출 목적으로 감속재(Polyethylene Moderator)로 둘러싸인 CZT 반도체 센서 1개를 추가적으로 구성하였다. 즉, 중성자의 경우는 2개의 CZT 반도체 센서를 활용하여 고속중성자와 저속중성자를 선별 분석할 수 있도록 설계하였다. 연구개발 시스템을 활용하여 감마선과 중성자 방사선원을 선별 분석하고, 중성자 방사선원의 에너지 특성에 따른 고속중성자와 저속중성자를 선별 분석하기 위해서는 2개의 CZT 반도체 센서에서 측정되는 데이터 정보를 활용한 추가적인 분석기술이 요구된다. 본 발표에서는 다양한 에너지 범위의 중성자 및 감마선 동시측정이 가능한 연구개발 시스템의 구조 및 특성에 대해서 간략히 설명하고, 본 연구개발 시스템을 통해서 측정된 데이터 정보를 활용하여 방사선원의 종류, 에너지 및 방사능 등의 핵종분석 방법에 대해서 논의하고자 한다.