Ⅰ. 서 론

³H는 12.3년의 반감기를 가진 핵종으로 자연붕괴하여 18.6 keV의 β선을 방출하며, 안정 동위원소인 ³He로 변환 되는 수소 동위원소이다. ³H는 1939년 Alvarez와 Cornog 에 의해 투과력이 매우 약하고 반감기가 긴 핵종이라는 것 을 최초로 발견되었으며, 중성자 포획 단면적은 6 μ barns 이하에 불과하며 ³H 1 g은 약 9,600 Ci 정도의 방사능을 가 지고 있다[1]. 또한, 산소와 반응하여 삼중 수소화된 물 (tritiated water; HTO)을 형성하고 유기화합물의 수소와 교환을 할 수 있다. 화학적 성질은 수소와 거의 유사하지만 동위원소 사이의 상대적인 질량 차이로 인해 일반 수소 반 응과는 약간의 차이가 있고, 원자로에서 ³H의 주요 생성원 은 핵분열 반응과 중성자 포획반응에 의한 것이다[2,15].

³H의 정량적 측정이 중요한 이유는, 주로 HTO 형태로써 H₂O와 거의 같은 거동을 보이기 때문이다. ³H에서 방출되 는 β선은 인체조직을 투과할 수 없으나, 호흡 및 섭취를 통 해 물이나 수증기 상태로 체내에 유입되면 생물학적 반감기 (4∼18일)를 가지고 체류한 다음 배출되며, 흡수된 ³H 중 일 부는 체내 유기화합물과 화학교환 반응을 일으킨다. 실제 90% 이상의 피폭은 체내 수분 형태의 ³H에 기안되며 유기 화합물 형태는 피폭에 10% 이하로 영향을 미친다[3,4].

따라서 ³H로 인한 인체의 피폭 방사선량을 평가하기 위해 서는 시료의 매질에 따라 물의 형태로 전처리 후 분석을 수 행하여야 한다. 전처리 방법(화학 산화법, 증류법 등)은 다 양하게 연구 검증되어 활용되고 있으므로 본 연구에서는 전 처리가 적절하게 수행되었다는 가정 조건으로 용질로 초순 수 및 ³H 표준선원을 사용하여 계측을 위한 시료를 조제하 였다.

본 연구에서는 전처리가 완료된 시료의 조제에 대한 변수 를 설정하여 저에너지의 ³H를 계측할 시 고려해야 할 사항 에 대해 비교 평가하고 이를 바탕으로 최적의 계측조건을 제안하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 액체섬광계수기

³H를 계측하기 위해서는 저에너지의 β선을 측정해야 하 므로 액체섬광계수기(Liquid Scintillation Counter; LSC) 를 주로 이용한다. LSC는 시료 내에서 β 입자와 cocktail 간의 상호작용으로 발생한 섬광을 측정하여 시료 중의 방사 능 농도를 계측한다[5,13]. 일반적으로 사용되고 있는 방사 선/능 측정기는 검출기와 선원 간에 이루는 각도 안으로 방 사선이 들어왔을 때만 계측되지만 LSC의 경우는 방사성 핵 종이 vial 내의 cocktail에 모두 녹아 있고, cocktail이 detector 역할을 하므로 어떠한 방향으로 β선이 방출되더 라도 계측할 수 있다는 장점이 있으나 핵종 분석은 어려운 점이 있다[6,7]. 따라서 본 연구에서는 ³H 시료 조제 특성평 가를 위해 USA PerkinElmer사의 Quantulus 1220을 사용 하여 계측을 수행하였다.

2. 변수 분석

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 ³H 방사능 분석을 수행하기 위해서는 시료 매질 및 특성에 맞는 전처리를 통해 액상화 가 수행되어야 한다[1,4]. 시료를 액상화하는 절차는 다양한 방법이 개발되어 실험실에서 사용하고 있으므로 본 연구에 서는 액상화 이후, 계측을 위한 시료 조제 방법에 따라 계측 효율에 영향을 미칠 수 있는 변수인 cocktail 및 vial 종류에 따른 농도와 cocktail과 시료의 혼합비율 등에 대해 비교 평 가하였다.

1) Cocktail

Cocktail은 유기 용매와 형광체가 주성분으로 시료와 잘 섞이게 하려고 계면활성제 등을 넣어 혼합한 것을 말하며, cocktail의 구성 성분은 기능에 따라 크게 Primary solvent, Secondary solvent, Primary Scintillator, Secondary Scintillator 등 4가지로 분류할 수 있다[8,14].

계측 시료는 최종적으로 수용액 또는 용매추출에 의한 유 기 용액을 cocktail과 혼합하여 측정되기 때문에 본 연구에 서는 Table 1과 같이 수용액의 흡수용량이 10 mL 이상이며, Solvent가 다른 Perkin Elmer사의 Ultima Gold LLT와 Ultima Flo-AP 두 가지를 사용하여 비교 평가하였다.

2) Scintillation Vials

Scintillation vial은 시료와 cocktail이 담기는 계측 용 기로써 scintillator로부터 발생한 빛을 통과시킬 수 있어야 하고, cocktail 유기 용매의 휘발을 방지할 수 있는 재질이 어야 한다.

Glass(Low-potassium borosilicate glass) vial은 화학 물질을 투과시키지 않고, 반응도 없으며, 빛을 투과시키는 성질도 좋아 많이 사용되고 있지만, 불순물로 존재하는 ⁴⁰K 때문에 배경방사능이 높게 나오는 단점이 있다[1,16]. PE(High density polyethylene) vial은 가격이 저렴하 고 방사능 준위가 낮은 석유로부터 만들어지기 때문에 vial 자체의 배경방사능이 낮지만, Primary solvent가 polyethylene을 투과 및 증발로 인한 cocktail의 조성 변화 등으로 background count rate와 external standard 측정 에 영향을 줄 수 있어 계측 완료 후 재계측을 위한 보관용으 로 사용하는 데 문제점이 있다. Teflon vial은 solvent 투과 율, 배경방사능이 매우 낮아서 가장 좋지만, 가격이 비교적 고가이다[9,10].

본 연구에서는 vial에 따른 변수를 비교하기 위해 Table 1과 같이 glass, PE, teflon 세 가지를 사용하여 비교 평가 하였다.

3) Cocktail과 시료의 비율

일반적으로 cocktail과 시료의 조제 비율은 원자력발전 소 계통 및 작업자의 ³H를 계측하기 위해서는 ³H 방사능 농 도가 환경과 비교하면 상대적으로 다소 높으므로 cocktail 과 시료의 비율이 1:19를 주로 사용하고, 폐기물 시료의 경 우는 5:15, 환경 시료는 8:12를 주로 사용한다[1,11]. 환경 시료의 경우 ³H의 방사능 농도가 매우 낮으므로 많은 시료 량을 이용하여 계측의 정밀도를 높이고자 함에 있다. 본 연 구에서는 ³H 계측을 위한 cocktail과 시료의 비율에 따라 quenching 정도에 따른 측정 범위를 나타내는 소광인자 (Spectral Quench Parameter of the external standard; SQP(E))와 효율과의 상관관계를 비교 평가하기 위함이므 로 비율을 1:19∼10:10까지 시료를 조제하여 계측을 수행 하였다.

3. 시료 조제 및 계측

본 연구는 앞에서 언급한 계측에 영향을 미칠 수 있는 변 수인 cocktail 및 vial 종류, 혼합비율에 따른 영향을 비교 평가하고자 ³H 표준용액을 이용하여 시료(선원+초순수)와 cocktail을 1:19∼10:10의 비율로 혼합하여 총 60개의 시료 를 조제하여 LSC로 계측을 수행하였다. 그리고 이때 사용 한 ³H 표준용액은 71.5 kBq/g 농도를 1,000배 희석하여 약 70 Bq/g 농도의 ³H를 사용하였고 또한 계측에 대한 재현성 확보를 위해 1개의 시료 당 10분씩 10회 계측하여 평균값을 적용하여 평가를 수행하였다.

Ⅲ. 결 과

LSC를 이용하여 계측 시 영향을 미칠 수 있는 변수인 cocktail, vial 종류에 따른 농도와 cocktail과 시료의 혼합 비율을 비교 평가하기 위하여 ³H 표준선원을 이용하여 조제 한 시료를 대상으로 각 channel에 따른 spectrum을 Fig. 3 에 도식화하였다.

일반적으로 ³H 계측은 0∼1,024 channel 전체의 count 를 계측하여 보수적으로 평가하고 있지만, ³H를 계측할 시 channel은 0∼360 정도까지 분포하므로 Fig. 2에서와 같이 각 vial 별로 시료 혼합비율에 따른 spectrum과 계수가 잘 형성된 것을 확인할 수 있다. 그러나 glass vial의 경우는 PE 및 teflon vial과는 달리 channel 후단에 ⁴⁰K에 의한 영 향에 의해 배경방사능 계수가 발생하는 것을 확인할 수 있 어 극저준위 ³H 계측을 위한 계측 vial로는 적절하지 않은 것으로 나타났다.

1. Cocktail 종류에 따른 비교 평가

Cocktail 종류에 따른 비교 평가는 실험실에서 ³H 계 측 시 가장 많이 사용하는 Ultima Gold LLT와 Ultima Flo-AP cocktail을 사용하였다.

먼저 Ultima Gold LLT cocktail의 경우 PE, glass, teflon vial을 이용하여 시료 조제 후 계측한 결과 Table 2 와 Fig. 3에서 보는 바와 같이 효율 측면에서는 PE는 22.05 ∼36.72%, glass는 24.51∼34.19%, teflon은 24.70∼ 38.04%로서 teflon이 상대적으로 PE의 1.32%, glass의 3.85% 정도 높게 나타났다.

시료 계측 시 quenching 정도에 따른 측정 범위를 나타 내는 SQP(E)는 PE는 730.55∼829.16(범위 98.61), glass는 747.49∼812.32(범위 64.83), teflon은 748.77∼837.88 (범위 89.11)로서 PE, teflon, glass 순으로서 측정 범위가 PE가 가장 넓음을 확인할 수 있었다.

Ultima Flo-AP cocktail의 경우는 효율 측면에서는 Table 3과 Fig. 4에서 보는 바와 같이 PE는 19.50∼35.23%, glass는 18.91∼29.09%, teflon은 15.37∼31.46%로서 Ultima Gold LLT의 경우와는 달리 PE가 상대적으로 glass 의 6.14%, teflon의 3.77% 정도 높게 나타났다.

SQP(E)의 경우는 PE는 712.61∼784.38 (범위 71.77), glass는 708.39∼778.34(범위 69.95), teflon은 681.62∼ 794.13(범위 112.51)로서 Ultima Gold LLT cocktail의 경우와는 달리 teflon, PE, glass 순으로서 측정 범위가 teflon이 가장 넓음을 확인할 수 있었다.

Fig. 5는 cocktail과 vial의 종류에 따른 효율과 SQP(E) 를 종합적으로 도식화한 것으로서 cocktail 측면에서는 vial 종류와 관계없이 효율은 Ultima Gold LLT가 22.05∼ 38.04%, Ultima Flo-AP는 15.37∼35.23%로서, 효율 범 위는 각각 15.99%, 19.86%로 나타나 Ultima Flo-AP cocktail이 더 넓은 효율 범위를 나타내는 것으로 나타났다. SQP(E)의 경우는 Ultima Gold LLT가 730.55∼837.88 (범위 107.33), Ultima Flo-AP는 681.62∼794.13(범위 112.51)로서 비슷한 수준으로 나타났다.

Vial 측면에서의 효율은 Ultima Gold LLT와 Ultima Flo-AP cocktail 각각에 대해 PE는 22.05∼36.72%, 19.50 ∼35.23%, glass는 24.51∼34.19%, 18.91∼29.09%, teflon 은 24.70∼38.04%, 15.37∼31.46%로서 상대적으로 각 vial 별로 Ultima Gold LLT가 Ultima Flo-AP cocktail보 다 각각 1.49%, 5.10%, 6.58%로 더 높게 나타났다.

2. Vial 종류에 따른 비교 평가

Vial 종류에 따른 cocktail의 효율 및 SQP(E) 상관관계는 Table 2-3과 Fig. 6-8에 나타낸 바와 같이 먼저 PE는 Ultima Gold LLT와 Ultima Flo-AP에 대해 효율은 각각 22.05∼36.72%, 19.50∼35.23%로서 비슷한 수준을 나타 냈지만 SQP(E)는 730.55∼829.16, 712.61∼784.38로서 Ultima Gold LLT가 Ultima Flo-AP보다 더 넓은 측정 범 위를 나타냈다.

Glass는 Ultima Gold LLT와 Ultima Flo-AP에 대해 효 율은 각각 24.51∼34.19%, 18.91∼29.09%로 나타났고, SQP(E)는 747.49∼812.32, 708.39∼778.34로서 Ultima Gold LLT가 Ultima Flo-AP보다 효율과 SQP(E)가 더 좋 은 것으로 나타났다.

Teflon의 효율은 각각 24.70∼38.04%, 15.37∼31.46% 로 나타났고, SQP(E)는 748.77∼837.88, 681.62∼794.13 로서 Ultima Gold LLT가 Ultima Flo-AP보다 효율과 SQP(E)가 더 좋은 것으로 나타났다.

Cocktail이 Ultima Gold LLT인 경우 효율과 SQP(E) 모 두 teflon, PE, glass 순으로 나타났으며, Ultima Flo-AP 도 Ultima Gold LLT와 마찬가지로 효율과 SQP(E) 모두 teflon, PE, glass 순으로 나타났다.

Ⅳ. 고 찰

본 연구에서의 선행조건인 각종 매질에 대한 물리·화학 적 전처리가 잘 수행되었다는 가정하에 HTO 형태의 시료에 대해 계측용 시료 조제 시 cocktail, vial 등에 따라 결과에 영향을 미칠 수 있는 변수를 도출하여 연구를 수행하였다.

연구 결과, 국내 실험실에서 가장 많이 사용되는 cocktail 인 Ultima Gold LLT와 Ultima Flo-AP에 대해 비교 평가 한 결과는 Ultima Gold LLT의 경우가 Ultima Flo-AP보다 효율은 teflon의 경우 6.58%, glass 5.10%, PE 1.49%와 SQP(E)는 PE 44.78, teflon 43.75, glass 33.98로 나타나 효율과 SQP(E)가 상대적으로 Ultima Gold LLT의 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이는 PerkinElmer에서 제공하는 cocktail 조성비를 살펴보더라도 물리적 특성인 flash point는 각각 150과 120, Eff. without sample은 52와 43, uptake capacity for water는 12와 10으로써 Ultima Gold LLT가 Ultima Flo-AP보다 더 우수하다는 실험 결과를 잘 보여주는 것이라 판단된다[12,14].

Vial 종류에 따른 결과는 Ultima Gold LLT의 cocktail을 사용할 경우 teflon이 PE와 glass보다 효율은 각각 1.32%, 3.85%와 SQP(E)는 각각 8.72와 25.56으로 teflon이 우수 한 것으로 나타났지만 Ultima Flo-AP는 효율은 PE가 teflon 및 glass보다 각각 3.77%, 6.14%로 우수하지만 SQP(E)는 teflon이 PE 및 glass보다 각각 9.75와 15.82로 서 teflon이 우수한 것으로 나타났다. 이는 scintillation vial의 조성, 투명도, solvent 투과율, 자체 함유 배경방사 능 등에 따른 특징을 잘 보여주는 결과라 판단된다[12,17].

본 연구에서는 환경 또는 방사성폐기물 시료에 대한 HTO 형태의 ³H 분석을 고려한 cocktail 및 vial의 대해서만 연구 를 수행한 결과로써 시료 조성(유기 또는 무기) 및 측정 vial 의 크기 등 실험 조건이 다른 상황도 고려한 추가적인 연구 가 필요할 것으로 판단된다.

결론적으로 HTO 형태의 ³H 분석 시 cocktail은 Ultima Gold LLT를 사용하는 것이 타당하며, vial은 경제성, 실험 실 여건 등을 고려하여 teflon 또는 PE를 선택하는 것이 적 절하다고 판단된다.

Ⅴ. 결 론

LSC를 이용한 저에너지의 ³H를 측정하기 위해서는 HTO 형태로 시료를 전처리하여 계측을 위한 시료를 조제하여야 하며, 시료 조제는 저에너지 및 낮은 계수율, 배경방사능 저 감을 극복할 수 있는 유효한 cocktail 및 vial의 선택과 사용 이 매우 중요함을 확인할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 방 사선 계측 시 정밀도와 정확도를 높임으로써 과대 또는 과 소평가를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

³H는 원자력발전소 가동에 따른 방사성폐기물 발생 및 환 경 배출, 산업체 및 연구기관, 의료기관 등의 방사성동위원 소 이용기관에서 다양한 매질 및 형태의 시료 속에 존재한 다. 이러한 ³H를 분석 및 계측을 위해서는 물리·화학적 전 처리를 통한 HTO 형태로 전환된 시료를 적절한 cocktail과 vial 선택 및 사용이 무엇보다 중요함을 알 수 있었다.

향후 ³H 동위원소 이용에 따른 환경영향평가 및 방사성폐 기물 처리 처분을 위한 분석 및 계측 수요가 증대할 것으로 판단함에 본 연구 결과가 분석을 수행하고자 하는 기관에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.