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KR102313427B1 - 방사성 핵종 검출 장치 및 방법 - Google Patents

방사성 핵종 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
KR102313427B1
KR102313427B1 KR1020190133030A KR20190133030A KR102313427B1 KR 102313427 B1 KR102313427 B1 KR 102313427B1 KR 1020190133030 A KR1020190133030 A KR 1020190133030A KR 20190133030 A KR20190133030 A KR 20190133030A KR 102313427 B1 KR102313427 B1 KR 102313427B1
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KR
South Korea
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energy
radioactive element
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radioactive
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KR1020190133030A
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김홍석
박창수
최창일
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한국원자력안전기술원
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    • G01T1/36—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry
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Abstract

본 발명은 기존 에너지 가중 스펙트럼의 피크값을 더욱 강조시키는 추가 알고리즘 개발을 통해 낮은 측정 효율의 조건에서도 방사성 핵종의 판별이 가능하고, 방사성 핵종 판별의 정확도를 높일 수 있는 방사성 핵종 검출 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 방법은, 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 입력받는 단계와, 입력된 에너지의 스펙트럼에 채널마다 각 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하는 단계와, 가중치를 적용한 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 방사성 원소의 핵종을 검출하되, 에너지 가중 스펙트럼은 x축을 에너지 값으로, y축을 상기 에너지 가중 계수(Cw)로 하고, 방사성 원소에 대한 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 방사성 원소의 핵종을 검출하는 단계를 포함하고, 에너지 가중 계수(Cw)는 다음의 수식을 만족한다. Cw = (C x E)n x Em (C: 각 채널에 수집된 광자 계수, E: 각 채널의 에너지, n: 2 이상의 자연수, m: 1 이상의 자연수)

Description

방사성 핵종 검출 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING RADIONUCLIDES}
본 발명은 방사성 핵종 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 분석 알고리즘을 통해 방사성 핵종의 검출 정확도를 향상시킨 방사성 핵종 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
불안정한 원자핵은 안정한 원자핵이 되기 위해서 여러 번의 핵붕괴를 하는데, 이때, 특정한 에너지의 알파선, 베타선, 감마선을 방출하게 된다.
방사선 검출기는 미지의 방사성 핵종을 포함하는 물질에서 발생되는 방사선의 에너지를 측정 및 분석함으로써 해당 물질을 구성하는 고유의 방사성 핵종을 분별할 수 있는 장치이다.
방사선 검출기에 사용되는 섬광체는 에너지를 받으면 빛을 방출하는 성질이 있다. 방사선에 의해서 발생되는 빛의 양을 측정함으로써, 입사된 방사선의 에너지를 확인하는 것이 가능하다. 섬광체는 보다 높은 에너지의 방사선을 받을수록 더 많은 양의 빛이 발생하게 된다.
방사선 검출기는 플라스틱 섬광체를 이용한 검출기와 무기 섬광체를 이용한 검출기 등이 있다.
무기 섬광체(예, NaI(TI)이나 CsI(TI))를 이용한 섬광검출기의 경우 감마선의 에너지를 모두 흡수하는 광전효과가 일어나는 비율이 높고 에너지 분해능이 뛰어나기 때문에 광전 피크(photo peak)의 에너지를 기초로 방사성 핵종을 간편하게 분석할 수 있다. 하지만 비용이 비싼 단점이 있다.
플라스틱 섬광체(또는 다른 종류의 유기섬광체)를 사용하는 방사성 핵종 검출기는 광전효과가 거의 일어나지 않고 에너지 분해능의 비교적 낮다. 종래에는 그로스 카운팅(gross counting) 방법을 사용하여 검출기에 전달되는 방사선의 양만을 측정하거나, 특정 분야에서는 타겟 핵종들에 해당하는 몇 개의 에너지 영역을 관심 영역으로 설정하고 각 영역에서 측정되는 방사선의 양을 평가하여 핵종을 유추하였다. 즉, 핵종 자체를 분석하기 보다는 에너지가 비슷한 핵종들이 포함되는 그룹을 유추하였다.
종래의 방사선 검출기는 측정된 에너지 스펙트럼의 채널별 계수치와 각 채널에 해당하는 에너지를 가중하여 컴프턴 에지 또는 특정 지점이 피크 형태로 강조되는 분석 알고리즘을 이용하였다.
그런데 종래의 방법은 낮은 선원의 스펙트럼을 나타내는 일부 방사능이 높은 통계적 변동(statistical fluctuation)을 보여 피크 검출이 어렵고, 결과적으로 방사성 핵종의 판별의 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
등록특허공보 제1680067호 (2016. 11. 29.)
본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 기존 에너지 가중 스펙트럼의 피크값을 더욱 강조시키는 추가 알고리즘 개발을 통해 낮은 측정 효율의 조건에서도 방사성 핵종의 판별이 가능하고, 방사성 핵종 판별의 정확도를 높일 수 있는 방사성 핵종 검출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 방법은, (a) 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 입력받는 단계; (b) 입력된 에너지의 스펙트럼에 채널마다 각 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하는 단계; 및 (c) 상기 가중치를 적용한 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하되, 상기 에너지 가중 스펙트럼은 x축을 에너지 값으로, y축을 상기 에너지 가중 계수(Cw)로 하고, 상기 방사성 원소에 대한 상기 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 단계;를 포함하고, 상기 에너지 가중 계수(Cw)는 다음의 수식을 만족한다.
Cw = (C x E)n x Em
(C: 각 채널에 수집된 광자 계수, E: 각 채널의 에너지, n: 2 이상의 자연수, m: 1 이상의 자연수)
상기 수식에서, 상기 상수 n과 m은 모두 3 이하인 것이 좋다.
본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 방법은, 상기 에너지 가중 계수(Cw)를 상기 상수 n과 m을 다르게 하여 2개 이상 계산하고, 상기 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 상기 에너지 가중 스펙트럼을 2개 이상 생성하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 2개 이상의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 상기 방사성 원소에 대한 상기 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 상기 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 방법은, 상기 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3 과 C3E6 로 하여 상기 에너지 가중 스펙트럼을 2개 생성하고, 상기 (c) 단계에서, 상기 2개의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 상기 방사성 원소에 대한 상기 2개의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 상기 2개의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 방법은, 상기 에너지 가중 계수(Cw)를 CE로 하는 에너지 가중 스펙트럼을 추가하여 상기 에너지 가중 스펙트럼을 3개 생성하고, 상기 (c) 단계에서, 상기 3개의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 상기 방사성 원소에 대한 상기 3개의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 상기 3개의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 장치는, 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 입력받아 전기 신호로 변환하는 입력부; 상기 입력부로부터 수신되는 전기 신호를 처리하는 신호 처리부; 및 상기 신호 처리부로부터 수신되는 신호로부터 입사 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 에너지 스펙트럼에 채널마다 각 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하며, x축을 에너지 값으로 y축을 상기 에너지 가중 계수(Cw)로 하는 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 에너지 분석부;를 포함하고, 상기 에너지 분석부는, 상기 방사성 원소에 대한 상기 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하되, 상기 에너지 가중 계수(Cw)는 다음의 수식을 만족한다.
Cw = (C x E)n x Em
(C: 각 채널에 수집된 광자 계수, E: 각 채널의 에너지, n: 2 이상의 자연수, m: 1 이상의 자연수)
상기 입력부는, 입사된 방사선을 가시광선으로 변환시키는 섬광체와, 상기 섬광체에 연결되어 상기 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광전자증배관을 포함할 수 있다.
상기 수식에서, 상기 상수 n과 m은 모두 3 이하인 것이 좋다.
상기 에너지 분석부는, 상기 에너지 가중 계수(Cw)를 상기 상수 n과 m을 다르게 하여 2개 이상 계산하고, 상기 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 상기 에너지 가중 스펙트럼을 2개 이상 생성하며, 상기 2개 이상의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 상기 방사성 원소에 대한 상기 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 상기 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
상기 에너지 분석부는, 상기 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3 과 C3E6 로 하여 상기 에너지 가중 스펙트럼을 2개 생성하고, 상기 2개의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 상기 방사성 원소에 대한 상기 2개의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 상기 2개의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
상기 에너지 분석부는, 상기 에너지 가중 계수(Cw)를 CE로 하는 에너지 가중 스펙트럼을 추가하여 상기 에너지 가중 스펙트럼을 3개 생성하고, 상기 3개의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 상기 방사성 원소에 대한 상기 3개의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 상기 3개의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존 에너지 가중 스펙트럼의 피크값을 더욱 강조시키는 추가 알고리즘을 적용함으로써, 방사성 원소가 이동하는 낮은 측정 효율의 조건에서 방사성 핵종의 판별이 가능하고, 방사성 핵종 판별의 정확도를 높일 수 있다.
따라서, 본 발명은 항만이나 국경지대 등 방사성 물질 차단을 위해 운용중인 방사선 감시기에 적용되어 오경보율을 줄일 수 있고, 기존의 방사선 검출 알고리즘으로 구현 불가능한 천연/인공 방사성 핵종에 대한 판별 정확도를 높일 수 있으며, 국제 기준이 요구하는 특수 핵물질을 포함한 추가 방사선원에 대한 판별도 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 2차 검색에 필요한 자원을 줄이고, 항만이나 국경지대 등에서 원활한 물류 흐름을 유지하면서 방사성 물질을 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치의 사용예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치의 사용예를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 일 실험예에 대해 종래 방법과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 40K의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
도 7은 다른 실험예에 따른 60Co와 40K의 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 도 7의 실험예에 대해 종래 방법을 이용하여 분석한 60Co와 40K의 에너지 가중 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10은 도 7의 실험예에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 60Co와 40K의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
도 11은 또 다른 실험예에 따른 137Cs와 60Co의 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 12는 도 11의 실험예에 대해 종래 방법을 이용하여 분석한 137Cs와 60Co의 에너지 가중 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 도 11의 실험예에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 137Cs와 60Co의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
도 15 및 도 16은 또 다른 실험예에 대해 종래 방법과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 232TH의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 장치 및 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치의 사용예를 나타낸 것이다.
도면에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치(100)는 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 입력받는 입력부(110)와, 입력부(110)로부터 수신되는 전기 신호를 처리하는 신호 처리부(120)와, 신호 처리부(120)로부터 수신되는 신호를 분석하여 방사성 원소의 핵종을 검출하는 에너지 분석부(130)를 포함한다.
입력부(110)는 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 입력 받는다. 입력부(110)는 섬광체(111)와, 광전자증배관(112)을 포함한다. 섬광체(111)는 입사된 방사선을 가시광선으로 변환시키고, 광전자증배관(112)은 섬광체(111)에 연결되어 섬광체(111)에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환한다. 섬광체(111) 및 광전자증배관(112)은 입사 방사선에 대한 감지 면적을 증가시키고, 방사성 핵종 검출 장치(100)의 검출 능력을 증대시키기 위해 복수 개가 병렬로 배치될 수 있다.
신호 처리부(120)는 복수의 광전자증배관(112)으로부터 수신되는 전기 신호를 합산하여 노이즈를 제거하고, 노이즈 제거된 신호를 증폭시켜 에너지 분석부(130)에 제공할 수 있다.
에너지 분석부(130)는 신호 처리부(120)와 연결되어 신호 처리부(120)로부터 수신되는 신호를 처리하여 방사선을 방출하는 방사성 원소의 핵종을 검출한다. 즉, 에너지 분석부(130)는 신호 처리부(120)로부터 수신되는 신호로부터 입사 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 에너지 스펙트럼에 채널마다 각 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하며, 가중치를 적용한 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 방사성 원소의 핵종을 검출한다. 여기에서, 방사선의 에너지 스펙트럼은 x축을 에너지 값으로, y축을 광자 계수로 하는 그래프로 나타낼 수 있다. 그리고 에너지 가중 스펙트럼은 x축을 에너지 값으로, y축을 에너지 가중 계수(Cw)로 하는 그래프로 나타낼 수 있다.
에너지 분석부(130)는 에너지 가중 스펙트럼의 피크값을 판별하고, 해당 피크값의 에너지를 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지들과 비교함으로써, 해당 방사성 원소의 핵종을 판별할 수 있다.
즉, 방사성 물질에서 방출되는 감마선이 섬광체(111)에 입사하게 되면 감마선이 섬광체(111)의 전자와 충돌하여 산란 반응이 일어나며, 이와 같은 산란 반응에 의해 에너지 분석부(130)가 방사선 에너지 스펙트럼을 생성한다. 에너지 분석부(130)가 생성하는 에너지 스펙트럼에는 피크값을 보이는 컴프턴 에지가 나타난다. 에너지 스펙트럼 상에서 컴프턴 에지가 나타나는 에너지 영역은 각 방사성 물질의 종류에 따라 각각 다른 물질의 고유 특성이므로, 이러한 방사성 물질의 고유 특성을 이용하여 해당 방사성 원소에서 방출하는 방사선의 콤프턴 에지 영역을 판별할 수 있으며, 이로부터 방사성 물질의 종류를 판별할 수 있다.
도면에 나타내지는 않았으나, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치(100)는 메모리와 출력부를 더 포함할 수 있다. 메모리는 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들을 저장할 수 있다. 에너지 분석부(130)는 메모리에 저장된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들을 기초로 측정된 피크값의 에너지에 해당하는 방사성 원소를 판별할 수 있다. 출력부는 검출된 방사성 원소에 대한 정보를 출력하거나, 검출된 방사성 원소가 위험 방사성 물질로 판별되면 경보 신호를 출력할 수 있다.
이러한 방사성 핵종 검출 장치(100)는 도 2에 나타낸 것과 같이, 차량이 주행할 수 있는 경로 상에 복수 개가 차량의 측면과 상면을 향하도록 각각 설치되어 주행하는 차량에 실린 화물에 포함된 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성 핵종 검출 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3에 나타낸 방사성 핵종 검출 장치(200)는 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 입력받아 전기 신호로 변환하는 입력부(210)와, 입력부(210)로부터 수신되는 전기 신호를 처리하는 신호 처리부(220)와, 신호 처리부(220)로부터 수신되는 신호를 분석하여 방사성 원소의 핵종을 검출하는 에너지 분석부(130)를 포함한다. 입력부(210)는 섬광체(111)와, 광전자증배관(112)을 포함하는 것으로, 섬광체(111)와 광전자증배관(112)의 배치나, 광전자증배관(112)의 개수가 다소 변형된 것이다. 신호 처리부(220)는 입력부(210)의 구조에 맞춰 구성 부품이 다소 변형된 것이나, 그 기능은 상술한 것과 같다.
이러한 방사성 핵종 검출 장치(200)는 도 4에 나타낸 것과 같이, 차량이 주행할 수 있는 경로 상에 복수 개가 차량의 양측면을 향하도록 각각 설치되어 주행하는 차량에 실린 화물에 포함된 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
종래의 섬광 검출기는 에너지 분해능의 한계로 인하여 핵종 분석 정확도가 떨어지고, 에너지 스펙트럼에서 컴프턴 에지 영역이 넓게 분포하는 경향이 있어, 컴프턴 에지가 유사한 핵종(예를 들어, 60Co(이론적 컴프턴 에지: 1.041 MeV)와 40K(이론적 컴프턴 에지: 1.243 MeV))은 구분하기가 매우 어려운 문제가 있다. 또한, 종래의 에너지 가중 스펙트럼의 피크 위치로는 다수의 방사선원에 대한 핵종 판별의 신뢰성 제고에 한계가 있다.
본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 장치(100)(200)는 기존 에너지 가중 스펙트럼의 피크값을 더욱 강조시킬 수 있는 추가 알고리즘을 이용하는 새로운 방사성 핵종 검출 방법을 이용함으로써, 낮은 측정 효율의 조건에서도 방사성 핵종의 판별이 가능하고, 방사성 핵종 판별의 정확도를 높일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법은 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 입력받는 단계와, 입력된 에너지의 스펙트럼에 채널마다 각 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하는 단계와, 가중치를 적용한 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 방사성 원소의 핵종을 검출하는 단계를 포함한다. 여기에서, 에너지 가중 계수(Cw)는 다음의 수식으로 계산될 수 있다.
Cw = (C x E)n x Em
여기에서, C는 각 채널에 수집된 광자 계수이고, E는 각 채널의 에너지이며, n과 m은 상수이다. 상수 n은 2 이상의 자연수이고, 상수 m은 1 이상의 자연수이다.
위의 수식에서, (C x E)n 가중은 에너지 가중 방법을 통해 가우시안 분포(Gaussian distribution)에 가까운 피크값이 존재할 때 반치폭의 시작과 끝 위치가 n 제곱 후 피크값 중심에 가까워지게 하는 효과가 있다. 즉, 기존의 피크 함수를 n제곱한 새로운 피크값은 기존 피크값보다 폭이 좁아짐으로써 피크값의 검출 정확도를 높일 수 있다.
그리고 위의 수식에서, Em 은 고차함수 형태의 계수이므로, 고에너지 영역으로 갈수록 해당 영역의 낮은 count 강조를 극대화시키는 효과가 있다.
그리고 위의 수식에서, 상수 n과 m은 관심 핵종에 따라 선택될 수 있는데, 그 수치가 커질수록 피크값이 선명해지는 효과가 있지만, 통계적 변동에 의해 피크 위치 정보에 오류가 발생할 가능성이 높아지고, 전산처리 시간을 가중시키게 되므로, 특정 관심 핵종의 종류에 따라 그 범위가 제한되는 것이 좋다. 국제 기준이 요구하는 특정 핵물질은 0 ~ 2.5 MeV의 에너지 영역 내에서 그 핵종의 검출이 가능하므로, 이러한 점을 고려할 때 상수 n과 m은 모두 3 이하인 것이 바람직하다.
에너지 가중 계수(Cw)가 계산된 후, x축을 에너지 값으로 y축을 에너지 가중 계수(Cw)로 하는 에너지 가중 스펙트럼을 생성하고, 생성된 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다. 즉, 생성된 에너지 가중 스펙트럼에서 방사성 원소에 대한 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교함으로써 방사성 원소의 핵종 검출이 가능하다.
여기에서, 에너지 가중 계수(Cw)에 따른 특정 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들은 각 방사성 원소에 대한 사전 검출을 통해 데이터베이스화 될 수 있다.
도 5 내지 도 16은 실험적으로 도출한 일부 방사성 원소의 에너지 가중 스펙트럼은 나타낸 것이다.
먼저, 도 5 및 도 6은 일 실험예에 대해 종래 방법과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 40K의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
본 실험예에서 40K의 방사성 원소를 5 km/h로 이동시키면서 4회 반복 측정을 통해 스펙트럼을 검출하였고, 피크 위치의 비교를 위해 그래프에 60Co의 스펙트럼도 함께 표시하였다.
도 5는 에너지 가중 계수(Cw)를 CE로 하는 종래의 방법으로 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 도 5를 보면, 이동하는 40K로부터 생성되는 스펙트럼을 종래의 방법으로 분석하여 피크값 위치를 확인하기가 쉽지 않음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 통해 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 종래 방법에 비해 40K의 피크값이 나타나는 에너지 범위의 구분이 용이함을 알 수 있다.
한편, 도 7은 다른 실험예에 따른 60Co와 40K의 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 8은 도 7의 실험예에 대해 종래 방법을 이용하여 분석한 60Co와 40K의 에너지 가중 스펙트럼을 나타낸 것이며, 도 9 및 도 10은 도 7의 실험예에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 60Co와 40K의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
본 실험예는 앞서 설명한 실험예와 비교하여 검출 날짜만 다른 것으로, 다른 조건은 동일하다.
도 7에 나타낸 것과 같이, 가중치를 적용하지 않은 스펙트럼에서 40K의 피크값 위치를 확인할 수는 없고, 도 8에 나타낸 것과 같이, 이동하는 40K로부터 생성되는 스펙트럼을 종래의 방법으로 분석하여 피크값이 나타나는 에너지 범위를 구분하기가 쉽지 않음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 통해 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 종래 방법에 비해 40K의 피크값이 나타나는 에너지 범위를 구분하기 용이함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 통해 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 종래 방법에 비해 40K의 피크값이 나타나는 에너지 범위를 구분하기 용이함을 알 수 있다.
한편, 도 11은 또 다른 실험예에 따른 137Cs와 60Co의 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 12는 도 11의 실험예에 대해 종래 방법을 이용하여 분석한 137Cs와 60Co의 에너지 가중 스펙트럼을 나타낸 것이며, 도 13 및 도 14는 도 11의 실험예에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 137Cs와 60Co의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
본 실험예에서 137Cs와 60Co 2종류의 방사성 원소를 5 km/h로 이동시키면서 10회 반복 측정을 통해 스펙트럼을 검출하였다.
도 11에 나타낸 것과 같이, 가중치를 적용하지 않은 스펙트럼에서 137Cs와 60Co의 피크값 위치를 확인할 수는 없다.
도 12에 나타낸 것과 같이, 이동하는 137Cs와 60Co로부터 생성되는 스펙트럼을 종래의 방법으로 분석한 결과, 피크값이 나타나는 에너지 범위가 상대적으로 넓게 나타남을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 통해 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 종래 방법에 비해 137Cs와 60Co의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 상대적으로 좁게 나타남을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 통해 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 종래 방법에 비해 137Cs와 60Co의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 상대적으로 좁게 나타남을 알 수 있다.
한편, 도 15 및 도 16은 또 다른 실험예에 대해 종래 방법과 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용하여 분석한 232TH의 에너지 가중 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
본 실험예에서 232TH의 방사성 원소를 5 km/h로 이동시키면서 10회 반복 측정을 통해 스펙트럼을 검출하였다.
도 15는 에너지 가중 계수(Cw)를 CE로 하는 종래의 방법으로 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 도 5를 보면, 이동하는 232TH로부터 생성되는 스펙트럼을 종래의 방법으로 분석하여 피크값 위치를 확인하기가 쉽지 않음을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 통해 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼으로, 종래 방법에 비해 232TH의 피크값이 나타나는 에너지 범위의 구분이 용이함을 알 수 잇다.
이러한 실험예들을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 방법을 이용함으로써, 방사성 원소가 이동하는 낮은 측정 효율의 조건에서 방사성 핵종의 판별이 가능하고, 방사성 핵종 판별의 정확도를 높일 수 있다.
따라서, 본 발명은 항만이나 국경지대 등 방사성 물질 차단을 위해 운용중인 방사선 감시기에 적용되어 오경보율을 줄일 수 있고, 기존의 방사선 검출 알고리즘으로 구현 불가능한 천연/인공 방사성 핵종에 대한 판별 정확도를 높일 수 있으며, 국제 기준이 요구하는 특수 핵물질을 포함한 추가 방사선원에 대한 판별도 가능하다. 또한, 2차 검색에 필요한 자원을 줄이고, 항만이나 국경지대 등에서 원활한 물류 흐름을 유지하면서 방사성 물질을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 가중 계수(Cw) 산출식에 의해 생성되는 에너지 가중 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 에너지 범위는 핵종에 따라 다르고, 에너지 가중 계수(Cw) 산출식의 상수 n과 m에 따라 검출 대상 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 다양하게 나타난다.
따라서, 검출 정확도를 더욱 높이기 위해 에너지 가중 계수(Cw)를 상수 n과 m을 다르게 하여 2개 이상 계산하고, 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 에너지 가중 스펙트럼을 2개 이상 생성하여 방사성 원소의 핵종을 검출하는 방법을 이용할 수 있다.
즉, 2개 이상의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 방사성 원소에 대한 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 방사성 원소의 핵종을 검출함으로써, 핵종의 검출 정확도를 높일 수 있다.
여기에서, 2개 이상의 에너지 가중 계수(Cw)에 따른 특정 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들은 각 방사성 원소에 대한 사전 검출을 통해 데이터베이스화 될 수 있다.
예를 들어, 도 13 및 도 14에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3 과 C3E6 로 하여 에너지 가중 스펙트럼을 2개 생성하고, 2개의 에너지 가중 스펙트럼 각각에서 방사성 원소이 피크값을 2개의 에너지 가중 계수(Cw)에 대해 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 각각 비교하여 해당 방사성 원소의 핵종을 검출할 수 있다.
도 13에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 137Cs의 피크값이 나타나는 에너지 범위는 C에 해당하고, 도 14에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 137Cs의 피크값이 나타나는 에너지 범위는 E에 해당한다. 따라서, 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 검출 대상 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 C 영역에 있는 조건과, 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 검출 대상 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 E 영역에 있는 조건을 모두 만족하는 경우에, 해당 방사성 원소를 137Cs로 판별할 수 있다.
다른 예로, 도 13에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 60Co의 피크값이 나타나는 에너지 범위는 D에 해당하고, 도 14에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 60Co의 피크값이 나타나는 에너지 범위는 F에 해당한다. 따라서, 에너지 가중 계수(Cw)를 C2E3(n은 2, m은 1)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 검출 대상 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 D 영역에 있는 조건과, 에너지 가중 계수(Cw)를 C3E6(n은 3, m은 3)으로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 검출 대상 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가 F 영역에 있는 조건을 모두 만족하는 경우에, 해당 방사성 원소를 60Co로 판별할 수 있다.
또 다른 방법으로, 3가지 형태의 에너지 가중 스펙트럼을 종합적으로 분석하여 방사성 원소의 핵종을 검출할 수도 있다.
예를 들어, 도 12에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 CE로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 137Cs의 피크값이 나타나는 에너지 범위는 A에 해당하므로, 특정 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가, 에너지 가중 계수(Cw) CE에서 A 영역에 위치하는 조건과, 에너지 가중 계수(Cw) C2E3에서 C 영역에 위치하는 조건과, 에너지 가중 계수(Cw) C3E6에서 E 영역에 위치하는 조건을 모두 만족하는 경우에, 해당 방사성 원소를 137Cs로 판별할 수 있다.
60Co의 경우는, 도 12에 나타낸 것과 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 CE로 하여 생성한 에너지 가중 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 에너지 범위는 B에 해당하므로, 특정 방사성 원소의 피크값이 나타나는 에너지 범위가, 에너지 가중 계수(Cw) CE에서 B 영역에 위치하는 조건과, 에너지 가중 계수(Cw) C2E3에서 D 영역에 위치하는 조건과, 에너지 가중 계수(Cw) C3E6에서 F 영역에 위치하는 조건을 모두 만족하는 경우, 해당 방사성 원소를 60Co로 판별할 수 있다.
이와 같이, 에너지 가중 계수(Cw)를 상수 n과 m을 다르게 하여 에너지 가중 스펙트럼을 복수 개 생성하고, 이들 복수 개의 에너지 가중 스펙트럼을 분석함으로써 핵종 검출 정확도를 높일 수 있다.
이상 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명되고 도시되는 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 에너지 가중 계수(Cw)의 산출식 Cw = (C x E)n x Em 에서 상수 n은 앞서 설명한 2 또는 3로 한정되지 않고 2이상의 다양한 자연수가 될 수 있고, 상수 m은 앞서 설명한 1 또는 3으로 한정되지 않고 1이상의 다양한 자연수가 될 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100, 200 : 방사성 핵종 검출 장치 110, 210 : 입력부
111 : 섬광체 112 : 광전자증배관
120, 220 : 신호 처리부 130 : 에너지 분석부

Claims (11)

  1. (a) 방사성 원소에서 발생하는 에너지를 입력받는 단계;
    (b) 입력된 에너지의 스펙트럼에 채널마다 각 광자 계수 및 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하는 단계; 및
    (c) 상기 가중치를 적용한 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하되, 상기 에너지 가중 스펙트럼은 x축을 에너지 값으로, y축을 상기 에너지 가중 계수(Cw)로 하고, 상기 방사성 원소에 대한 상기 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 단계;를 포함하고,
    상기 에너지 가중 계수(Cw)는 다음의 수식을 만족하고,
    Cw = (C x E)n x Em
    (C: 각 채널에 수집된 광자 계수, E: 각 채널의 에너지, n: 2 이상의 자연수, m: 1 이상의 자연수)
    상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 단계는,
    상기 수식에서, n과 m을 제1 상수로 하여 산출된 제1 에너지 가중 계수(Cw)를 적용하여 제1 에너지 가중 스펙트럼을 생성하고, n과 m을 제2 상수로 하여 산출된 제2 에너지 가중 계수(Cw)를 적용하여 제2 에너지 가중 스펙트럼을 생성하면, 상기 방사성 원소의 피크값을 포함하는 에너지 범위가 상기 제1 에너지 가중 스펙트럼의 제1 영역에서 나타나는 제1 조건과, 상기 제2 에너지 가중 스펙트럼의 제2 영역에서 나타나는 제2 조건을 모두 만족하는지를 확인하고,
    상기 방사성 원소의 피크값을 포함하는 에너지 범위가 상기 제1, 제2 조건에 만족하면, 상기 방사성 원소의 피크값에 상응하는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하며,
    상기 제1 에너지 가중 스펙트럼은,
    상기 수식에서, n을 2로 하고 m을 1로 하여 산출된 상기 제1 에너지 가중 계수 C2 x E3를 적용하여 상기 방사성 원소의 피크값이 나타나는 제1 에너지 범위를 가지고,
    상기 제2 에너지 가중 스펙트럼은,
    상기 수식에서, n을 3으로 하고 m을 3으로 하여 산출된 상기 제2 에너지 가중 계수 C3 x E6를 적용하여 상기 방사성 원소의 피크값이 나타나는 제2 에너지 범위를 가지며,
    상기 방사성 원소의 피크값이 나타나는 제1 에너지 범위 내와 상기 제2 에너지 범위 내에 모두 있는 조건을 기초로 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 방사성 원소에서 방출하는 에너지를 입력받아 전기 신호로 변환하는 입력부;
    상기 입력부로부터 수신되는 전기 신호를 처리하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부로부터 수신되는 신호로부터 입사 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 에너지 스펙트럼에 채널마다 각 광자 계수 및 에너지를 가중치로 적용하여 에너지 가중 계수(Cw)를 계산하며, x축을 에너지 값으로 y축을 상기 에너지 가중 계수(Cw)로 하는 에너지 가중 스펙트럼을 기초로 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 에너지 분석부;를 포함하고,
    상기 에너지 분석부는, 상기 방사성 원소에 대한 상기 에너지 가중 계수(Cw)의 피크값에 대응되는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하되,
    상기 에너지 가중 계수(Cw)는 다음의 수식을 만족하고,
    Cw = (C x E)n x Em
    (C: 각 채널에 수집된 광자 계수, E: 각 채널의 에너지, n: 2 이상의 자연수, m: 1 이상의 자연수)
    상기 에너지 분석부는,
    상기 수식에서, n과 m을 제1 상수로 하여 산출된 제1 에너지 가중 계수(Cw)를 적용하여 제1 에너지 가중 스펙트럼을 생성하고, n과 m을 제2 상수로 하여 산출된 제2 에너지 가중 계수(Cw)를 적용하여 제2 에너지 가중 스펙트럼을 생성하면, 상기 방사성 원소의 피크값을 포함하는 에너지 범위가 상기 제1 에너지 가중 스펙트럼의 제1 영역에서 나타나는 제1 조건과, 상기 제2 에너지 가중 스펙트럼의 제2 영역에서 나타나는 제2 조건을 모두 만족하는지를 확인하고,
    상기 방사성 원소의 피크값을 포함하는 에너지 범위가 상기 제1, 제2 조건에 만족하면, 상기 방사성 원소의 피크값에 상응하는 에너지 값을 사전 설정된 방사성 원소들의 컴프턴 엣지의 에너지 값들과 비교하여 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하며,
    상기 제1 에너지 가중 스펙트럼은,
    상기 수식에서, n을 2로 하고 m을 1로 하여 산출된 상기 제1 에너지 가중 계수 C2 x E3를 적용하여 상기 방사성 원소의 피크값이 나타나는 제1 에너지 범위를 가지고,
    상기 제2 에너지 가중 스펙트럼은,
    상기 수식에서, n을 3으로 하고 m을 3으로 하여 산출된 상기 제2 에너지 가중 계수 C3 x E6를 적용하여 상기 방사성 원소의 피크값이 나타나는 제2 에너지 범위를 가지며,
    상기 방사성 원소의 피크값이 나타나는 제1 에너지 범위 내와 상기 제2 에너지 범위 내에 모두 있는 조건을 기초로 상기 방사성 원소의 핵종을 검출하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종 검출 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 입력부는,
    입사된 방사선을 가시광선으로 변환시키는 섬광체와,
    상기 섬광체에 연결되어 상기 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광전자증배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종 검출 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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