Ⅰ. 서 론
중하전입자를 이용한 방사선 치료는 현재 보편적으로 활 용되고 있는 광자선에 비해서 종양조직에 대한 높은 생물학 적효과 (relative biological effectiveness; RBE)와 브래 그피크효과(bragg peak effect)를 이용하여 치료 선량을 전 달하므로 목표로 하는 종양조직에는 고 선량을 정상조직에 는 저 선량을 전달하는 방사선치료에 매우 적합한 치료 방 법이다[1-5].
그러나 기존의 광자선과는 달리 높은 에너지의 중하전입 자는 가속기 구성품과의 상호작용으로 2차 즉발 또는 지 발 중성자를 발생시키며, 생성된 2차 중성자는 가속기 구성 품의 방사화를 일으켜 잔류핵종(Resnuclie) 및 핵이성체 (Isomer)를 생성하게 된다. 이러한 잔류핵종 및 핵이성체에 서 방출되는 방사선은 작업자의 선량증가에 영향을 미치게 된다[6-8].
하지만 생성되는 잔류핵종 및 핵이성체의 경우 장치의 내 부에 생성 핵종이 존재하므로 사용 중 측정이 불가능하며, 또한 짧은 반감기 및 저에너지 베타선, 광자선의 경우 측정 시의 감쇠 및 연속스펙트럼 형태의 에너지로 측정에 많은 어려움을 동반하게 된다[9-11].
따라서 전산모의모사를 통한 방사선발생장치 및 시설의 선원항 평가는 방사성 물질의 생성량 및 입자가속기의 사용 상태에서 공간선량률을 평가할 수 있는 도구로 널리 활용되 고 있다[12].
이에 본 연구는 전산모의모사를 통하여 중하전입자가속 기를 모의모사하고 단기간 사용으로 인하여 구성품에 생성 되는 방사화 물질의 종류 및 핵종별 방사능의 양을 산출하 고자 한다. 이를 통해 중입자 가속기 사용자 또는 유지 보수 시 작업자에 대한 방사선학적 영향을 제공하고자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 모의 모사방법
본 연구는 고에너지 입자 가속기의 모의모사에 널리 활용 되는 FLUKA 코드(ver.2011.2)를 이용하여 실험을 진행하 였다. FLUKA 코드는 일반적으로 하전입자의 물질과의 상 호작용 및 에너지 전달을 산출하여 피폭선량을 평가하기 위 하여 고안된 코드이며, 이를 활용하여 중성자 방사화 핵종 의 생성 및 감쇠, 생성 핵종의 종류 및 그 방사능을 산출 및 평가할 수 있는 프로그램이다[13-14].
중입자 가속기 노즐의 경우 국내에 도입된 IBA(Ion Beam Application)사의 노즐을 모모사하였으며, Fig. 1에서는 FLUKA로 모의모사된 중입자 가속기의 모식도를 나타내었 다. IBA사의 Passive Scattering System의 경우 양성자를 넓게 퍼뜨리는 2개의 산란체를 포함 총 9개의 구성품을 모 의모사하였으며, 각 구성품의 물성, 구성원소, 밀도에 대한 정보는 Table 1과 같다[15].
2. 분석방법
1) 선원항 평가
본 연구에 사용된 양성자의 에너지와 가동조건은 220 MeV, 7 nA이며, 모의모사된 선원항의 평가는 국제방사선측정 위원회(ICRU)에서 권고하는 기준에 따라 양성자가속기의 SSD(source surface distance) 300 cm지점에 물팬텀을 위 치시키고 깊이에 따른 흡수선량의 상대적인 비를 이용하여 비정을 산출하였으며, 그 결과 값을 미국 표준연구소의 (NIST)의 양성자 비정 데이터와 비교하여 모의모사의 신뢰 도를 평가하였다[16].
사용된 FLUKA의 Scoring은 단위질량당 흡수선량을 산 출하는 USRBIN card를 사용하였으며 실험의 오차를 5% 이 내로 줄이기 위하여 107번 반복 실험을 진행하였다.
2) 양성자 및 중성자 플럭스 평가
중입자 가속기의 가동시간은 총 8시간이며, 가동 시 발생 되는 총 양성자와 중성자의 플럭스 정보는 USRBIN card를 사용하여 산출하였으며, 실험의 오차를 5% 이내로 줄이기 위하여 107번 반복 실험을 진행하였다.
3) 방사능 및 방사화 핵종의 평가
중입자 가속기의 가동 종료 후 5분, 1시간, 8시간, 1일 단 위로 냉각시간을 가졌으며, 각 냉각시간 별로 생성된 총 방 사능 및 방사화 핵종에 대한 평가는 DCYTIMES card와 RESNUCLi card를 사용하여 산출하였으며 실험의 오차를 5% 이내로 줄이기 위하여 107번 반복 실험을 진행하였다.
구성품별로 생성된 방사성핵종의 평가는 국제방사선방호 협회(ICRP)와 한국방사성동위원소협회의 핵종 정보를 비교 하여 평가하였다[17-19].
Ⅲ. 결 과
1. 선원항의 평가
모의모사된 선원항의 평가를 위하여 물 팬텀에서 측정된 비정자료를 미국표준연구소의 220 MeV 양성자 비정자료와 비교하였다.
본 연구와 NIST와의 양성자 비정을 비교한 결과, 약 2.3% 의 차이가 나타났다(Table 2). 물 팬텀에서 깊이별 양성자 의 상대적 선량은 Fig. 2로 나타났다.
2. 양성자의 플럭스의 평가
Fig. 3은 중입자 가속기 노즐에서 발생되는 총 양성자의 플럭스를 나타내었다. 선원에서 선의 형태로 발생된 양성자 는 S1과 S2 산란체를 거쳐 빔이 확산된 모형으로 나타났으 며, 각 부분의 콜리메이터의 경우 양성자선 차폐 및 집속에 관여하는 것을 볼 수 있다.
3. 중성자 플럭스의 평가
중입자 가속기의 단기사용 시 노즐의 각 영역에 대하여 발 생되는 중성자 플럭스는 Fig. 4에 나타내었으며 (a)에서는 각 부품별 생성되는 중성자의 플럭스를 수치로 나타내었다.
(b)의 경우 총 중성자를 Z-축 방향을 기준으로 나타내었 으며, 양성자의 상호작용으로 생성된 중성자는 노즐을 구성 하는 산란체 중 S1 부위에서 가장 높은 플럭스가 발생하였 으며, 또 다른 산란체인 S2 산란체에서 두 번째 높은 플럭스 가 관찰되었다. 대부분 양성자 빔의 진행에 있는 구성품에 서 많은 중성자가 발생되었다. 콜리메이터의 경우에는 노즐 의 끝에 위치한 Final collimator에서 높은 중성자 플럭스 가 관찰되었다.
4. 방사화 핵종의 평가
중입자 가속기를 구성하고 있는 구성품의 물질정보와 생 성 방사성 핵종을 Table 3에 나타내었다.
중입자 가속기의 산란체로 사용되는 원자번호가 높은 납 의 경우 중성자 방사화에 의해 생성되는 방사성동위원소는 Pb, Tl, Hg이며 그 중 201Pb와 200Pb 핵종이 큰 비중을 차지 하였다.
황동으로 이루어진 콜리메이터 부분의 경우 생성 핵종은 Cu, Zn의 방사성동위원소가 생성되었으며 이중 64Cu의 생 성량이 가장 많았으며 노즐에 위치한 콜리메이터 중 빔의 진행경로의 마지막에 위치하는 Final Collimator에서 가장 높은 방사화 반응이 발생하였다.
원자번호가 낮은 물질로 구성된 Lexan, ABS resin의 경 우 H, C의 방사성동위원소인 3H, 11C, 14C의 방사화생성물 이 발생하였다.
5. 방사능에 대한 평가
Fig. 6은 각 냉각시간에 따른 총 방사능의 감쇠를 보여 주는 그래프이며 시간이 지남에 따라서 많은 부분을 차지하 는 짧은 반감기 및 핵이성체 핵종에 의하여 급격한 감쇠를 보였으며, 가속기 가동 종료 직후에는 지발중성자로 인하여 핵종의 생성과 감쇠가 혼재되어 정확한 예측에는 일정시간 이 경과하여야 할 것으로 사료된다.
Ⅳ. 고 찰
본 연구에서는 방사선 치료용으로 활용되고 있는 220 MeV의 중입자 가속기 노즐을 모의모사하고 7 nA의 환경으 로 8시간 가동 시 각 구성품별 생성되는 방사성핵종 및 총 방사능을 시간의 경과에 따라서 분류하여 평가하였다.
선원항 평가를 위해 본 연구와 NIST와의 양성자 비정을 비교한 결과 약 5% 이내의 일치율을 나타내었다.
생성되는 중성자 플럭스의 경우 양성자 빔을 넓게 퍼뜨리 는 역할인 S1, S2 Scatter에서 가장 많은 중성자 플럭스가 발생하였으며, 콜리메이터에서는 Final collimator에서 가장 많은 중성자 플럭스가 관찰되었다. 이는 Sang-Eun Han(2016)의 가속기 구성품의 중성자 플럭스 결과와도 일 치하는 결과이다[19].
생성된 방사성 핵종분류는 국제방사선방호위원회(ICRP) 와 한국방사성동위원소협회의 핵종 정보를 활용하여 방사 화 핵종의 선정 및 재고량을 평가하였다[17-18].
중하전입자가속기 내부의 주요 구성 성분인 납, 아연, 구 리 등에 생성되는 방사성동위원소의 경우 주로 짧은 반감기 핵종이며, 붕괴형식은 β+와 EC의 형태를 가짐으로 투과력 이 약한 방사선으로 인해 종사자의 외부 피폭에는 크게 영 향이 없을 것으로 판단된다.
가속기의 외부를 둘러싸고 있는 Steel shell의 경우에는 중성자에 의하여 52Mn의 방사성동위원소가 생성될 수 있으 며 상기 핵종의 경우 β+붕괴 이후에 안정 상태로 천이하면 서 감마선을 방출할 수 있으므로 생성량에 따라 사용 및 처 분 시 주의가 필요할 것으로 생각된다.
원자번호가 낮은 물질인 수소, 탄소, 질소로 이루어진 구 성품의 경우에는 삼중수소와 탄소-14 방사성동위원소가 생 성되며 두 방사성동위원소의 경우 투과력이 매우 낮은 저 에너지 B-방출 방사성동위원소이지만 반감기가 수십 년 이 상으로 매우 길어 처분 시 간과해서는 안 될 것으로 판단 된다.
생성된 방사성동위원소의 경우 고에너지 입자 방사선 과 구성품과 상호작용에 의하여 생성될 수 있음이 NCRP_ report_144와 PTCOG Report1에서 보고되었다[20-21].
그러나 방사선의 에너지 및 실제 사용 기간에 따라서 방 사화 생성물이 상이하며, 활용되는 모의시뮬레이션 프로그 램에 따라서도 결과의 차이를 보이므로 다양한 코드를 활용 하여 비교하는 벤치마킹이 필요할 것으로 판단된다.
Ⅴ. 결 론
고에너지 하전입자를 활용하는 가속기 시설의 구성품의 방사화 정도의 평가는 방사선의 안전 측면과 작업자의 피폭 선량에 영향을 미치고 나아가 가속기 시설의 유지 보수 및 해체 시 폐기물의 처분비용을 예측할 때 중요한 지표로 활 용된다.
이에 본 연구에서는 FLUKA code를 활용하여 양성자 치 료기 노즐을 모의모사하고 단기간 가동 시 구성품별 생성되 는 방사성핵종 및 총 방사능을 시간의 경과에 따라서 각각 분류 및 평가하였다.
향후 본 연구를 토대로, 방사선관리 측면에서 작업종사자 의 일일피폭선량 산출이 필요하며, 가속기의 처리 및 처분 을 위한 가속기 장기간 사용에 대한 방사화 평가도 필요할 것으로 사료된다.
