Ⅰ. 서 론

국내·외 방사선 측정 및 그 기술 분야가 빠르게 성장하 면서 방사선 측정은 여러 방면에서 활용되어 원자력 및 방 사선 산업뿐만 아니라 보안·검색, 환경 모니터링 등 다양 한 산업 분야까지 응용 및 활용성이 확장되고 있다. 이 중에 서 방사선 모니터링은 방사선 사고로부터 주민을 보호하기 위한 측정기술이며 이는 방사능방재분야에 매우 중요한 기 술이다[1,2]. 국내에서 운영 중인 환경방사선 모니터링 시스 템(Environment Radiation Monitoring System; ERMS) 은 전리함(혹은 가압 전리함) 또는 NaI(Tl) 검출기를 활용하 여 방사선을 측정하고 있다[3]. 전리함의 경우, 방사선량 측 정이 가능한 다른 검출기에 비해 보다 정확한 방사선량률에 대한 측정이 가능하나 방사선의 에너지, 핵종 별 방사능 분 석은 사실상 불가능하다. 통상적으로 방사선 비상 대응과 효과적인 주민보호 조치를 위해서는 최우선적으로 획득해 야 하는 정보가 원자력관계시설 사고로부터 방출되는 방사 선원의 규모임을 고려해 볼 때, 전리함 기반의 환경방사선 감시체계로는 정확한 방사선원 평가에 어려움이 있다. 또 한, 고정형 환경방사선 감시기의 경우, 지속적인 방사선 모 니터링이 가능하지만 해당 지점에 국한되는 공간적 한계가 있다. 이를 보완하고자 다수의 지점에 설치되고 있으나, 이 는 설치 공간 확보와 경제적인 비용 측면에서 매우 부담이 되는 실정이다.

그렇기 때문에 상대적으로 저렴하고, 선량 측정과 감마선 핵종 판별이 가능한 NaI(Tl) 검출기를 활용하여 방사선 모 니터링 장비가 개발되어 활용되고 있으며, 고선량 구역에서 운영이 힘든 특성을 극복하기 위해 추가적인 검출기와 결합 하여 사용되고 있다.

또한, 원자력관계시설 사고 사례를 근거로 방사선 측정의 관점에서 살펴보면, 후쿠시마 원전 사고 후 측정된 선량 정보는 원전 반경 20 km 이내에서 최대선량률은 Fig. 1에 서 보는 바와 같이 약 0.14 mSv/h로 측정되었다. 프랑스 방사선방호 및 원자력 안전 연구기관인 IRSN(Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire)에서 발간한 후 쿠시마 원전사고 관련 보고서에 의하면, 원전사고 시 방출 되는 주요 감마 핵종들은 아래 Table 1과 같으며, 원전사고 시 방출되는 감마 핵종은 약 0.1 MeV의 저에너지에서부터 약 2 MeV의 고에너지 수준이 될 것으로 판단되어, 위와 같 은 현황에 대한 내용이 고려된 시스템의 개발이 요구된다.

본 연구에서는 NaI(Tl) 검출기와 GM(Geiger-Muller) 계 수관을 이용한 저선량과 고선량 측정이 가능한 모바일 방사 선 측정 시스템 개발을 목적으로 한다. 고정형 환경방사선 감시기의 공간적 한계를 극복하는 현장맞춤형 방사선모니 터링이 가능하고, 방사선량 및 핵종 판별이 가능하여 방사 선사고 시 실효적인 방사능 방재 시스템으로 활용될 것으로 기대된다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 방사선측정을 위한 검출부 설계

1) NaI(Tl) 검출기

NaI(Tl) 검출기는 NaI(Tl) 섬광 결정과 광전자 증배관이 결합된 형태로 감마선 검출 감도와 개발 비용 측면에서 우 수하여 환경 감시용 검출기에 많이 활용된다[4]. 국내·외 이동형 방사선 감시 시스템 동향에서도 살펴보면 NaI(Tl) 검출기가 많이 사용되고 있는 것을 확인할 수 있다[5]. 측정 된 에너지 스펙트럼으로부터 선량률을 계산하는 분광분석 기반의 조사선량률 결정 방법은 인공 감마 핵종의 기여를 직접 확인하고 평가할 수 있다는 장점 때문에 환경 방사선 감시기에 많이 사용되고 있다. 감마선에 대한 검출 효율이 높으며, 공간선량률과 감마선 스펙트럼 분석이 가능하여 본 연구 목적과 가장 부합한다. 하지만, 검출기 특성상 조해성 이 있어 습기, 기계적, 열적 충격에 약하기 때문에 운영 중 발생할 수 있는 갑작스러운 충격과 외부 습기에 의한 성능 저하, 장비 고장 등을 주의해야 한다[6-8]. 또한, 측정 범위 의 경우 NaI(Tl) 검출기는 일반적으로 환경수준에서 저선량 까지 측정하는데 사용되므로, 방사선 비상시 사용 여부에 대해서 고려한 설계가 바탕이 되어야 한다[8]. 따라서 외부 의 충격과 습기로부터 보호하기 위해 밀봉 가능한 하우징을 제작하고, GM 계수관과 연동 가능하도록 설계하였다.

2) GM 계수관

일반적으로 방사선 측정 목적으로 주변의 방사선의 세기 나 주변 오염 등을 측정할 때에는 베타선과 감마선을 모두 측정할 수 있고 고선량까지 측정이 가능한 GM 계수관이 많 이 사용되고 있다. 기체 전리형 방사선 검출기로서, 휴대용 측정기 등에 적합하여 방사선 관리 현장에서 사용되는 대다 수의 실용 측정기들이 주로 GM 계수관을 사용한다. 또한, 방사선량의 세기를 알 수 없거나 높은 방사선량 지역에서 작업을 할 경우에 사용되기 때문에 방사선 사고 또는 비상 시 사용에 용이하다[10]. 따라서, 본 연구 시스템에서 NaI(Tl) 검출기의 단점을 보완하고, 고선량의 방사선량 측정을 위해 Fig. 2와 같이 GM 계수관을 추가적으로 설계하였다.

3) 저선량과 고선량 측정 구간 전환

사용된 NaI(Tl) 검출기의 특성으로 고선량 구간에서는 과 도한 방사선 계수로 인해 포화상태(Saturation)에 이르러 정상 동작이 불가능하다. 설계된 방사선측정기에 실제 방사 선을 조사하였을 때, Fig. 3과 같이 150 μSv/h 이상부터 포화상태가 되어 급격히 측정오차가 커지는 경향을 보였으 며, 해당 구간 이후부터는 GM 계수관을 활용하여 방사선량 을 측정할 수 있도록 설계하였다[11].

2. 전자･제어부 설계

감마선 측정을 위한 검출기 테스트 후 선정된 센서에 최적화된 증폭기, 고전압 공급 장치, MCA(Multichannel Analyzer) 등을 설계하였다. NaI(Tl) 검출기와 GM 계수관 을 이용한 감마선 핵종판별 및 일반 환경 수준에서부터 고 선량까지의 방사선량률 측정 장비를 위하여 신호처리 회로 부와 데이터 획득 회로부를 설계하였다. 신호처리 회로부 는 프리앰프 회로, 증폭회로 및 정형 증폭회로 그리고 피크 검출 회로 등으로 구성하였다. 데이터 획득 회로부에는 ADC(Analog to Digital Converter)회로, 로직회로 그리고 DSP(Digital Signal Processor)와 통신을 포함한 디지털 회로 등을 설계하였다.

NaI(Tl) 검출기의 SiPM(Silicon Photo Multiplier)에 온도 보상 바이어스생성기(Temperature Compensated Bias Generator; TCBG)를 이용하여 전압을 바이어스하면 NaI(Tl) 검출기에서 발생한 광자의 에너지에 비례하는 전압 신호가 발생되고 전치 증폭기(Pre-Amplifier; PA), 가변 증폭회로 (Variable Gain Amplifier; VGA). 정형 증폭회로(Shaping Amplifier; SA)를 거쳐 증폭된 신호를 피크 검출 회로(Peak Detector; PD)에서 피크로 검출하도록 설계하였다. 특히, 정형 증폭회로에서는 샘플 홀드 회로(Sample and Hold; SH)로 파고(Pulse Height)를 일정 시간 동안 유지한 상태에서 상한 파고선별기(Upper Level Discriminator; ULD)와 하한 파고 선별기(Lower Level Discriminator; LLD)에 의해 피크를 검출하도록 하며, 검출된 피크 정보는 로직회로인 FPGA(Field programmable gate array)에서 참조하여 ADC(Analog to digital converter)를 통하여 파고 정보를 읽어 히스토그램 데이터로 저장토록 설계하였다. Fig. 5, 6은 설계된 전자 회로부 를 나타낸 개념 설계도와 제작한 컨트롤 보드이다[12-14].

3. 디스플레이부 설계

방사선 측정기에서 측정된 방사선량률을 현장에서 표출 하고 서버 프로그램 및 데이터베이스로 전송하기 위해 Embedded PC와 확장 보드를 설계하였다. 전원공급이 어려 운 환경에서 독립 구동할 수 있도록 배터리 및 충전회로를 내장하였으며, 무선통신을 위해 LTE 모뎀을 사용한다. 시 험용 보드를 제작하여 Embedded PC에 장착하였으며, 검 출기, 디스플레이, LTE 모뎀에 연결하였다. 상세 사양은 Table 3에 나타내었다.

디스플레이에는 현장에서 방사선량률과 중앙 서버로부터 수신된 상황 대처 안내 문구 등을 확인하는데 사용되며, 핵 종 스펙트럼 및 위치정보 등 자세한 데이터는 관제 프로그 램에서 확인할 수 있도록 하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 방사선 측정 시스템의 성능 평가

제시한 설계를 바탕으로 제작된 방사선 측정 시스템의 성 능을 평가하기 위하여 공인시험 기관인 한국표준과학연구 원의 방사선 조사실에서 성능시험을 수행하였다. 감마선 662 keV 에너지를 방출하는 Cs-137 선원의 방사능 세기를 변화를 주어 측정하고, 기준 방사선량값과 비교하여 저선량 에서부터 고선량까지 방사선 측정 실험을 수행하였다. 실험 결과 최대 약 9 %의 측정오차를 보였으며, 국가 표준규격 (KS)에서 요구하는 -15∼22% 이내의 오차 범위 내에서 정 상 측정되었다. 측정 결과는 다음 Table 4와 같다[15].

2. 감마선 핵종 판별을 위한 에너지 분해능 평가

아래 Fig. 7은 NaI(Tl) 검출기를 이용하여 0.25 μSv/h 의 Cs-137 선원과 1 μSv/h의 Co-60 선원을 이용하여 거 리별로 측정한 감마선 스펙트럼이며, 이를 활용하여 가까이 이웃한 두 피크를 분해할 수 있는 능력을 나타내는 감마선 분광분석의 성능지표인 에너지 분해능(Energy resolution) 을 계산하였다. Cs-137의 경우, 662 keV의 에너지 분해능 이 6.5%, Co-60의 1,332 keV Peak는 4.1% 수준으로 나타 났으며, 이는 상용 방사선 측정 제품의 주요 성능지표인 Cs-137의 분해능 < 7% 이내의 값이다.

3. 모바일 형태로 적용 가능성 예비실험

본 연구 시스템이 현장에서 모바일 형태로 적용 가능한지 예비실험을 위해 한빛 원전이 위치한 영광군의 한 운수업체 협조를 받아 원자력발전소 주변까지 운행하는 버스에 제작 한 방사선 측정 모듈을 탑재하였다. 실시간으로 측정된 방 사선 데이터가 실제 버스 운행과 함께 노선위에 표출되었으 며, Fig. 8∼10과 같이 방사능 선원을 이용하여 임의의 방사 선 이벤트를 발생시켰을 때, 실시간으로 지도상에 표출되는 것을 확인하였다.

Ⅳ. 고 찰

NaI(Tl) 검출기와 GM 계수관을 이용하여 저선량에서부 터 고선량까지 측정과 핵종판별이 가능한 모바일 형태의 방 사선 측정 시스템을 개발하였다. 이러한 모바일 형태의 방 사선 측정 기술에 대한 연구가 국내·외 활발히 수행되고 있으며, 특히, 드론이나 무인기에 방사선 측정 시스템을 결 합한 연구 등이 수행되고 있다. 이러한 연구 사례와 비교해 보면 본 연구에서 제작한 방사선 측정 시스템과 사용된 검 출기(센서)나 활용도 등의 차이는 있으나, 방사선 측정기와 스마트 기술을 결합하여 보다 첨단화된 기술을 현장에 적용 시키기 위해 노력한 결과임을 알 수 있다[16]. 제4차 산업혁 명이 도래함에 따라 사물인터넷과 빅데이터, AI 인공지능과 결합된 제품들이 상용화되고 있다. 본 연구에서 제작된 방 사선 측정 시스템을 이용하여 측정된 정보를 빅데이터로 활 용하고 이를 기반으로 인공지능과 연계할 수 있는 방안에 대해서 고려해 봐야 할 것이다[17].

또한, 실제 차량에 탑재하여 현장 적용 실험한 결과와 같 이 방사선측정기에서 수집된 데이터는 Embedded PC 프로 그램을 통해 서버 프로그램으로 실시간 전송되며, NaI(Tl) 검출기와 MCA를 통해 측정된 채널 별 계수의 감마선 스펙 트럼, 방사선 계수에 따른 방사선량과 GPS를 통한 좌표 정 보가 서버 프로그램 및 데이터베이스에 저장되었다. 다만, 전송되는 각 좌표의 방사선 측정 정보와 지도에 표출하는 렌더링(Rendering)으로 인해 다소 부하가 걸리므로, 이를 방지하기 위해 서버 프로그램에서는 10초 간격으로 수집된 데이터를 표출하도록 설계되었으며, 측정 위치에 따른 보다 세밀한 방사선 정보를 표출하기 위해서는 서버 프로그램의 사양과 데이터 처리에 대한 부분의 개선이 필요할 것으로 판단된다.

Ⅴ. 결 론

방사선은 인체의 오감으로 느낄 수 없기 때문에 방사선측 정기에 대한 의존이 매우 강하며, 방사선측정기는 정확한 방사선량 측정이 매우 중요하다. 개발된 방사선 측정 시스 템을 이용하여 저선량에서 고선량까지 측정 구간 모두 국가 표준규격에서 요구하는 방사선 측정에 대한 측정오차 범위 내의 결과를 보였고, 이는 설계한 바와 같이 NaI(Tl) 검출기 와 GM 계수관이 유효한 측정 구간 전환이 제대로 이루어진 것으로 볼 수 있다. 또한, 고선량 측정이 불가능한 NaI(Tl) 검출기의 단점과 에너지 구별이 되지 않기 때문에 핵종판별 이 불가능한 GM 계수관의 단점을 상호 보완하는 방사선 측 정 시스템이라고 할 수 있다. 원자력시설 등의 사고 시 주민 보호 조치를 위해 최우선적으로 획득해야 하는 정보가 주변 방사선량 수치와 방출되는 방사선원의 규모임을 고려해 볼 때, 주민 보호 조치에 있어서 제작된 방사선 측정 시스템은 유효하게 사용될 것으로 판단된다.

후쿠시마 원전사고 이후 방사선(능)에 대한 국민의 관심 과 안전에 대한 요구가 증가함에 따라 방사선(능) 측정기술 의 발전뿐만 아니라, 국민의 안심과 지속적인 홍보가 동반 되어야 한다.

원자력시설이 위치한 지역의 대중교통 노선버스에 해당 시스템을 탑재하여 버스의 운행 주기에 따라 모니터링되는 방사선정보가 보다 쉽게 지역 주민이 다가갈 수 있는 방재 시스템으로 홍보 및 원자력시설이 위치한 지자체의 추가적 인 인력투입과 경제적 예산을 절약하고 방사능 방재역량을 강화할 수 있는 시스템으로 활용되길 기대한다.