차량탑재 NaI 검출기를 이용한 토양방사능의 in-situ 측정방법 = Study on the Measurement of In-situ Spectrometry for Soil Activity with NaI Detector Equipped on the Car

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In environmental radiation survey, in-situ survey is a very effective way of evaluating the exposure rates and knowing the ambient gamma ray’s energy distributions of the site. In this radiation survey, portable scintillation detector, NaI(Tl) detector is mainly used. However, the NaI(Tl) detector has a low gamma-ray energy resolution, making it difficult to quantify the radioactive concentration of radioactive nuclides. It is not easy to calculate the peak area in the gamma-ray energy spectrum of the NaI(Tl) detector. In this study, we developed a method to calculate the peak area by comparing the in-situ spectrum of the NaI (Tl) detector with the radioactivity concentration of the soil. That is, peak areas of gamma rays emitted from 40K, 238U and 232Th series, which are the main nuclides constituting natural radiation, should be proportional to the radioactivity concentrations of the corresponding nuclides. Therefore, 1,764 keV and 2,614 keV gamma rays emitted from 214Pb and 208Tl, which are decay products of 238U and 232Th series, and gamma ray of 1,460 keV emitted from 40K, were used. The peak areas were calculated by fitting the peak data to the Gaussian function. The calculated peak area was compared with the area of the peak band, the radioactivity concentration of the radionuclide making the peak, and the contribution of the compton scattering by the other gamma rays. The peak area was calculated for the 2614 keV peak, which is less affected by other gamma rays than the 2614 keV gamma ray and the cosmic ray, and then the area of the 1764 keV peak including the 2614 keV compton scattering was calculated. Then, the area of the 1460 keV gamma ray was calculated. Using the peak areas calculated in this way, a numerical function was developed to evaluate the radioactivity concentration of each nuclide contained in the soil. Using this function in in-situ spectrum, the equivalent radioactive concentrations of 40K, 238U and 232Th were calculated and compared with each radioactive concentrations measured by HPGe detector, the differences were within ± 30%, ± 30% and ± 30%, respectively. These differences are not due to the peak area calculation method developed in this study but rather by the difference in the sample to be measured. In the in-situ radiation survey, all the radiations emitted from the surrounding soil and rocks were measured, whereas in the HPGe detector measurement, only the radiations emitted from soil particles less than 2 mm in size were measured. In this study, 2 "x 4" x 16" NaI (Tl) detector mounted at a vehicle’s loop was used and in-situ spectra were measured for 1,000 to 1,800 seconds. In this study, a method for evaluating the radioactive concentration of the soil from the gamma-ray energy spectrum of a 2"Φ x 2" LaBr3 scintillation detector was also developed in the same manner as for the NaI detector. The equivalent radioactive concentrations of 40K and 238U and 232Th evaluated by this method were within ± 30%, ± 40%, and ± 30%, respectively, compared with the radioactive concentrations measured with the HPGe detector.

국문 초록 (Abstract)

환경 방사선 조사에서, in-situ 조사는 선량률을 평가할 수 있고, 대표성 있는 현장의 감마선 에너지 분포를 알 수 있다는 점에서 매우 효과적인 방법이다. 이와 같은 목적의 감마선 조사에서 휴대용 섬광검출기들이 사용되는데, NaI(Tl) 검출기가 주로 사용된다. 그런데, NaI(Tl) 검출기는 감마선 에너지 분해능이 낮아 방사성 핵종들의 방사능 농도를 정량하는데 어려움이 있다. NaI(Tl) 검출기의 감마선 에너지 스펙트럼에서는 감마선의 피크 면적 계산이 용이하지 않다. 이 연구에서는 NaI(Tl) 검출기의 in-situ 스펙트럼과 주변 지역에서 채취한 토양의 방사능 농도를 비교하여, 피크 면적을 계산하는 방법을 개발하였다. 자연 방사선을 구성하는 주요 핵종인 40K과 238U, 232Th 계열로부터 방출되는 감마선 피크 면적들은 해당 핵종들의 방사능 농도에 비례하여야 한다. 따라서 238U, 232Th 계열의 핵종인 214Pb, 208Tl로부터 방출되는 1764 keV, 2614 keV의 감마선과 40K으로부터 방출되는 1460 keV의 감마선을 사용하였으며, 피크 면적은 피크 데이터를 가우스 함수에 핏팅(Fitting)하여 계산하였다. 계산된 피크 면적은 피크 영역의 면적, 해당 피크를 만드는 핵종의 방사능 농도, 다른 감마선에 의한 컴프턴 산란의 기여 등과 비교하여, 피크 영역의 면적으로부터 피크 면적을 계산하도록 하였다. 피크 면적은 우주선 이외에 다른 감마선의 영향이 적은 2614 keV 피크에 대해 계산하고, 이어 2614 keV의 컴프턴 산란이 포함된 1764 keV 피크의 면적을 계산한 이후 이들 감마선들에 의한 컴프턴 산란이 포함된 1460 keV 감마선의 피크 면적을 계산하였다. 이와 같은 방식으로 계산된 피크 면적을 사용하여 토양에 포함된 각 핵종의 방사능 농도를 평가하는 수학 함수를 도출하였다. in-situ 스펙트럼에 이 함수를 사용하여 40K과 238U, 232Th의 등가 방사능 농도를 산출하고, HPGe 검출기로 측정한 각각의 방사능 농도와 비교한 결과, 그 차이는 각각 ±30 %, ±30 %, ±30 % 이내로 나타났다. 이와 같은 차이는 이 연구에서 개발한 피크 면적 계산 방식의 문제라기보다는 측정 대상 시료의 차이에 의한 것으로 판단된다. 즉, in-situ 방사선 조사에서는 주변 토양 및 암석으로부터 방출되는 모든 감마선을 측정한 반면, HPGe 검출기 측정에서는 2 mm 이하 크기의 토양 입자로부터 방출되는 감마선만 측정되었기 때문이다. 이 연구에서는 차량에 탑재된 2“ x 4” x 16“ NaI(Tl) 검출기가 사용되었으며, in-situ 스펙트럼은 1,000 ~ 1,800 초 동안 측정하였다. 그리고 NaI(Tl) 검출기에 대해 개발한 것과 동일한 방식으로 2”Φ x 2“ LaBr3 섬광 검출기의 감마선 에너지 스펙트럼으로부터 토양의 방사능 농도를 측정하는 방법도 개발되었다. 이 방법으로 평가된 40K과 238U, 232Th의 등가 방사능 농도도 HPGe 검출기로 측정한 각각의 방사능 농도에 비해 각각 ±30 %, ±40 %, ±30 % 이내로 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구목적 5
• 제 2 절 연구 범위 10
• 제 3 절 이론적 배경 12
• 1. 검출기의 특성 12
• 2. 토양 중 방사능 19
• 제 2 장 재료 및 방법 25
• 제 1 절 NaI 검출기 스펙트럼 분석 25
• 1. 에너지 교정 방법 25
• 2. 피크 면적 계산 26
• 3. 방사능 계산 28
• 제 2 절 선량률 계산 방법 29
• 1. 총 에너지 방법 29
• 2. 에너지대 방법 32
• 제 3 절 In-Situ 스펙트럼 측정 34
• 1. 장비 설치 34
• 2. 측정 장소 35
• 3. 교 정 38
• 4. 측 정 38
• 제 4 절 HPGe 검출기를 사용한 토양 중 방사능 측정 39
• 1. 시료 전처리 39
• 2. 감마선 에너지 스펙트럼 측정 40
• 제 3 장 실험결과 및 분석 42
• 제 1 절 HPGe 검출기의 스펙트럼 교정 42
• 1. 에너지 교정 결과 42
• 2. 효율 교정 결과 44
• 제 2 절 조사 지점별 방사능 45
• 1. 섬광검출기 스펙트럼의 에너지교정 45
• 2. 스펙트럼의 계수율 51
• 3. 피크 계수율 사이의 관계 57
• 4. 토양 중 방사능 64
• 제 3 절 피크 계수율과 방사능 사이의 관계 68
• 1. 피크 계수율과 방사능 사이의 관계 68
• 2. NaI 검출기 스펙트럼으로부터 방사능 계산 방법 73
• 3. 방사능으로부터 선량률 계산 73
• 제 4 장 결 론 75
• 참 고 문 헌 77
• Abstract 80