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ISSN : 2288-3509(Print)
ISSN : 2384-1168(Online)

Journal of Radiological Science and Technology Vol.45 No.1 pp.57-67
DOI : https://doi.org/10.17946/JRST.2022.45.1.57

A Study on the Technology of Measuring and Analyzing Neutrons and Gamma-Rays Using a CZT Semiconductor Detector

Dong-Sik Jin, Yong-Ho Hong, Hui-Gyeong Kim, Sang-Soo Kwak, Jae-Geun Lee

Nuclear Environment Technology Co., Ltd

Corresponding author: Dong-Sik Jin, NET Co., Ltd, 4F, 8-18 Oncheonseo-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34168, Republic of Korea / Tel:
+82-42-716-1533 / E-mail: dsjin1064@netec.co.kr

Received 10/01/2022 Review 21/01/2022 Accepted 03/02/2022

Abstract

CZT detectors, which are compound semiconductors that have been widely used recently for gamma-ray detection purposes, are difficult to detect neutrons because direct interaction with them does not occur unlike gamma-rays. In this paper, a method of detecting and determining energy levels (fast neutrons and thermal neutrons) of neutrons, in addition of identifying energy and nuclide of gamma-rays, and evaluating gamma dose rates using a CZT semiconductor detector is described. Neutrons may be detected by a secondary photoelectric effect or compton scattering process with a characteristic gamma-ray of 558.6 keV generated by a capture reaction (¹¹³Cd + ¹n → ¹¹⁴Cd + γ) with cadmium (Cd) in the CZT detector. However, in the case of fast neutrons, the probability of capture reaction with cadmium (Cd) is very low, so it must be moderated to thermal neutrons using a moderator and the material and thickness of moderator should be determined in consideration of the portability and detection efficiency of the equipment. Conversely, in the case of thermal neutrons, the detection efficiency decreases due to shielding effect of moderator itself, so additional CZT detector that do not contain moderator must be configured. The CZT detector that does not contain moderator can be used to evaluate energy, nuclide, and gamma dose-rate for gamma-rays. The technology proposed in this paper provides a method for detecting both neutrons and gamma-rays using a CZT detector.

Key Words : Fast neutron , Thermal neutron , Gamma-ray , CZT detector , Moderator

CZT 반도체 검출기를 활용한 중성자 및 감마선 측정과 분석 기술에 관한 연구

진 동식, 홍 용호, 김 희경, 곽 상수, 이 재근

엔이티 주식회사

초록

키워드 : 속중성자 , 열중성자 , 감마선 , CZT 검출기 , 감속재

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Cited-By

Funding:

Ⅰ. 서 론

방사선검출기에 사용되는 반도체는 실리콘, 게르마늄, 화 합물반도체(GaAs, CdZnTe 등) 등이 있으며, 이러한 반도체 검출기의 측정원리는 다이오드의 정류방향과 역방향에 전압 을 걸어서 생기는 방사선측정 유효영역에서 생성된 전자 (Electron)와 정공(Hole) 쌍에 의거한 전류를 측정하여 방사 선의 에너지 및 세기를 평가한다[1-3]. 반도체 검출기는 한 쌍의 전자과 정공을 얻기 위해 필요한 에너지가 동일한 전리 작용을 활용하는 기체검출기(전리함, 비례계수관, GM 계수 관)에 비해 적으며, 결과적으로 우수한 에너지 분해능을 얻 을 수 있다[3]. 반도체 검출기의 종류는 알파선(α) 및 베타선 (β) 등의 하전입자 측정을 위한 실리콘 표면장벽형 반도체검 출기와 감마선(γ) 측정을 위한 고순도 게르마늄 반도체 검출 기 등이 있다[4]. 감마선 측정을 위해 많이 사용되고 있는 고순도 게르마늄 반도체 검출기의 경우는 방사선의 에너지 흡수에 의해서 뿐만 아니라 상온에서도 열적 여기에 의해 항 상 미량의 전류가 흐르기 때문에 사용 시에는 반드시 액체질 소로 냉각시켜 주어야 하는 단점을 가지고 있다[5]. 이에 따 라 최근에는 고순도 게르마늄 반도체 검출기와 같이 감마선 (γ)을 측정할 수 있고 상온에서도 사용할 수 있는 카드뮴 (Cd), 아연(Zn), 텔루륨(Te) 물질을 이용한 CZT 반도체 검 출기가 많이 사용되고 있으며 관련 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다[6-8]. 고순도 게르마늄 반도체 검출기 또는 CZT 반도체 검출기를 활용한 감마선 측정은 방사선과 검출 기와의 직접적인 상호작용(광전효과, 컴프턴산란, 전자쌍생 성)에 의해서 발생되는 전자 전이에 대한 펄스 또는 전류신 호를 수집하여 감마선의 에너지와 세기를 측정하며[9], 이에 반해 중성자(n)는 반도체와의 직접적인 상호작용이 발생되 지 않으므로 이러한 반도체검출기를 활용한 직접적인 중성 자 측정은 어려우며 여러 간접적인 방법을 사용하여 측정한 다[10-13]. 국내외적으로 CZT 반도체 검출기를 활용한 방 사선측정과 관련된 많은 연구가 수행되었으나, 단일 종류의 CZT 반도체 검출기만을 사용하여 감마선에 대한 핵종분석 과 함께 중성자의 에너지 준위 판별(속중성자 및 열중성자) 을 동시에 수행할 수 있는 기술개발과 관련된 연구는 많지 않다[14-20]. 본 논문에서는 최근에 많이 사용되고 있는 CZT 반도체 검출기를 활용하여 중성자 검출과 에너지 준위 를 판별할 수 있고 동시에 감마선의 에너지와 핵종을 판별하 고 감마선량률을 평가할 수 있는 방법에 대해서 기술하였다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. CZT 검출기와 방사선 반응 특성

CZT 검출기는 Cadmium Zinc Telluride(CdZnTe)로 구 성된 반도체 검출기로 다른 방사선 검출기 소자에 비하여 비교적 최근에 개발된 반도체 검출기에 속한다[21]. 감마 선(γ)이 CZT 검출기로 입사되면 광전효과(Photoelectric effect), 컴프턴산란(Compton scattering) 또는 전자쌍생 성(Pair production) 과정을 통해서 전자(Electron)와 정공 (Hole) 쌍이 생성되며[9,28], 이러한 전자를 펄스 또는 전류 신호 형태로 수집하여 감마선의 에너지와 세기를 측정한다. 감마선 방출선원은 핵종별로 고유에너지의 감마선을 방출 하므로 CZT 검출기로 측정된 에너지를 확인하면 핵종 판별 이 가능하다[22].

중성자는 원자로에서 일어나는 인공적인 핵분열 반응이 나 자발 핵분열, 또는 알파선 및 양성자 등의 하전입자 반응 으로부터 생성되며, 대부분의 중성자는 감마선과 같은 고유 에너지를 가지지 않는다[23,24]. 중성자는 일반적으로 속중 성자(500 keV 이상의 에너지)와 열중성자(약 0.025 eV)로 구분하며[25], 중성자 검출 관점에서 주요 관심 대상은 중성 자 검출 가능성과 에너지 범주(속중성자 및 열중성자) 판별 능력이다. 중성자와 CZT 검출기와의 반응은 검출기 내 카 드뮴(Cd)과 중성자의 포획반응(¹¹³Cd + ¹n → ¹¹⁴Cd + γ)에 의해 발생되는 558.6 keV의 고유에너지 감마선과의 2차적 인 광전효과 또는 컴프턴산란 과정(전자쌍생성 반응은 문턱 값인 1.022 MeV 이하로 발생되지 않음)에 의한 간접적인 방법으로 검출될 수 있지만[26], 중성자와 카드뮴(Cd)과의 포획반응은 Fig. 1과 같이 대부분 흡수단면적이 큰 열중성 자 에너지 범위에서 발생하며 속중성자 에너지 범위의 경우 는 흡수단면적이 매우 작아 포획반응이 발생할 확률이 매우 낮으므로 CZT 검출기 자체만을 활용한 속중성자 검출은 현 실적으로 불가능함을 확인할 수 있다[27]. 따라서 CZT 검출 기를 활용하여 속중성자를 검출하기 위해서는 열중성자 에 너지 범위로 감속시켜야 한다.

2. CZT 검출기 설계 및 제작

중성자와 감마선 검출 및 분석 기술과 관련된 연구 및 시 험을 위해 Fig. 2와 같이 CZT 기반의 검출기를 설계하고 외 부 전문업체에 의뢰하여 제작하였으며, Table 1은 제작된 검출기의 세부 사양을 나타내고 있다. Fig. 2의 CZT 검출기 는 검출기로부터 수신된 신호를 성형하기 위한 전치증폭 기(Preamplifier), 성형된 신호를 증폭하기 위한 주증폭 기(Amplifier), 이를 판별하기 위한 파고선별기(Rise time discriminator) 및 아날로그-디지털 변환회로(ADC; Analogto- digital converter)로 구성된 신호처리 회로 시스템과 다중 파고 분석기(MCA; Multi channel analyzer)가 일체 형으로 내장되어 있다. 다중 파고 분석기는 검출기로부터 취득되는 디지털 펄스를 에너지 크기에 따라 다수의 채널로 분류하며, 본 검출기에서는 1,024개 채널이 적용되었다[29].

본 연구를 통해서 제작된 CZT 검출기를 활용하여 중성자 및 감마선 검출 특성시험을 수행하였다. 중성자 검출 특성시 험은 Fig. 3과 같이 감속재 두께에 따른 중성자 검출 특성을 평가하였다. 중성자 감속재는 감속효과가 크고 중성자 흡수 단면적이 작아야 하므로, 주로 수소, 중수소, 탄소 등이 포함 된 물질들이 많이 사용되며, 본 시험에서는 화학적으로 안정 한 탄소와 탄소, 탄소와 수소 간의 결합으로 이루어져 있는 폴리에틸린(Polyethylene; PE)을 사용하였다[30]. Fig. 3의 1번 시험조건은 중성자 선원과 검출기 사이에 감속재가 없는 경우이고, 2번 시험조건은 중성자 선원과 검출기 사이에 약 6 cm 두께의 감속재가 존재하는 경우이며, 3번과 4번은 각각 11 cm와 16 cm 두께의 감속재가 존재하는 경우이다. CZT 검출기를 활용한 감마선 검출 특성시험은 감마선량률 측정, 에너지 및 핵종분석 시험을 수행하였으며, 이러한 중성자 및 감마선 검출 특성시험을 통해서 중성자와 감마선을 동시에 검출할 수 있는 CZT 검출기의 구성과 배열을 결정하였다.

3. CZT 검출기 기반의 중성자 및 감마선 검출 시스템 설계 및 제작

CZT 검출기를 활용한 중성자 및 감마선 검출 특성시험을 바탕으로 Fig. 4와 같이 CZT 검출기 기반의 휴대용 중성자 및 감마선 검출 시스템을 제작하였다. 본 연구에서 제작된 검출 시스템의 구성은 Fig. 5와 같으며, 기능 및 성능은 Table 2와 같다. 본 연구개발 시스템은 CZT 검출기와 CZT 검출기로부터 취득된 방사선 신호를 디지털 신호로 변환하 는 다중파고분석기(MCA)를 일체화한 검출기, GPS 위성으 로부터 수신된 시간 정보를 이용하여 장치 내부의 시계 (Real-time clock; RTC)를 GPS 시간으로 동기화하며, CZT 검출기에서 취득된 자료에 GPS 정보를 표시(Tagging, time & positioning stamp)하고, 이를 압축하여 내부 저장 소(Flash memory)에 저장하는 MCU(Micro controller unit), CZT 검출기로부터 취득되는 방사선측정 자료와 GPS 위성 에서 수신된 시간, 위치 정보를 실시간으로 표시하는 장치 고정 디스플레이, 외부의 고정 전원이 없는 환경에서 기본 적으로 사용되는 내부 배터리와 교환식 외부 배터리 및 배 터리와 연결되어 소모 전력을 관리하면서 지속적으로 배터 리 잔량을 체크하며, DC-DC power converter 역할을 하 는 내부 전원공급기가 포함되어 있다.

본 연구개발 시스템을 활용한 중성자 검출 및 에너지 준 위 판별 방법은 속중성자는 감속재를 포함하지 않는 CZT 검출기와는 반응이 거의 일어나지 않는 특성과 열중성자의 경우는 반대로 감속재를 포함하는 CZT 검출기의 차폐효과 로 인해 반응이 거의 일어나지 않는 특성을 활용하였다. Fig. 4의 연구개발 시스템 내 내장형 디스플레이(LCD)에는 중성자와 CZT 검출기 반응으로 발생되는 2차 고유에너지 감마선(558.6 keV) 스펙트럼 채널에 대해서 감속재를 포함 하는 CZT 검출기(#2) 측정자료로부터 감속재를 포함하지 않는 CZT 검출기(#1) 측정자료의 차이로 표현되는 속중성 자(Fast neutron) 측정정보와 반대로 CZT 검출기(#1) 측정 자료로부터 CZT 검출기(#2) 측정자료의 차이로 표현되는 열중성자(Thermal neutron) 측정정보가 제공된다.

본 연구에서 제작된 검출 시스템을 대상으로 중성자에 대 한 검출 여부와 에너지 준위 판별 그리고 감마선에 대한 에 너지 및 핵종분석 능력과 감마선량률에 대한 성능시험을 KOLAS 공인 시험기관을 통해서 수행하였다.

Ⅲ. 결 과

1. CZT 검출기의 중성자 검출 특성시험

CZT 검출기를 활용하여 Fig. 3과 같이 감속재 두께에 따 른 속중성자(Cf-252 중성자 선원) 검출 특성시험을 수행한 결과는 Fig. 6과 같이 감속재가 포함하지 않는 1번 시험조 건의 경우에는 속중성자와 CZT 검출기와의 낮은 반응확률 로 검출이 거의 되지 않음을 확인하였으며, 4번 시험조건과 같이 감속재가 너무 두꺼운 경우에도 감속재 자체의 차폐효 과가 너무 크기 때문에 검출이 잘되지 않음을 확인하였다. 시험조건 2번과 3번의 경우는 모두 적절한 감속효과에 의해 서 중성자와 CZT 검출기 반응으로 발생되는 2차 고유에너 지 감마선(558.6 keV) 스펙트럼 채널에서의 첨두 Peak를 명확하게 인지할 수 있으나, 검출 시스템의 휴대성(부피 및 무게 최소화)과 검출 효율성을 고려하여 Fig. 3의 2번 시험 조건에 해당되는 약 6 cm 두께의 감속재 사용이 적절한 것 으로 확인하였다. 본 시험을 통해서 도출된 약 6 cm 두께의 감속재 사용은 시험에서 사용된 Cf-252 중성자 선원의 평 균에너지(약 2 MeV)보다 더 큰 에너지의 속중성자 측정을 고려하여 결정되었지만, 중성자 에너지에 따른 감속재 두께 별 검출 특성 시험을 통해서 연구개발 시스템의 중성자 측 정 에너지 범위를 고려한 감속재 두께 최적화 연구가 추가 적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.

약 6 cm 두께의 감속재가 사용된 CZT 검출기(Fig. 3의 2번 시험조건)에 대한 속중성자 검출 재현성 시험을 Table 3의 시험조건에서 수행하였으며, 시험결과는 Fig. 7과 같이 속중성자 검출에 대한 재현성이 확보됨을 확인하였다.

열중성자의 경우는 약 6 cm 두께의 감속재를 사용할 경 우 감속재 자체의 차폐효과로 열중성자 검출이 되지 않거나 검출효율이 매우 낮아질 수 있으므로 감속재가 없는 CZT 검출기를 별도로 구성해야 한다. 따라서 CZT 검출기를 활 용하여 속중성자와 열중성자를 모두 검출하기 위해서는 속 중성자 검출용으로 감속재가 포함된 CZT 검출기와 함께 열 중성자 검출용으로 감속재가 포함되지 않은 CZT 검출기를 추가로 구성하고, 두 CZT 검출기에서 측정되는 정보를 통 합적으로 처리 및 관리할 수 있는 시스템을 제작해야 한다. 감속재가 포함되지 않은 CZT 검출기의 경우는 감마선 검출 용으로도 활용될 수 있기 때문에 이러한 CZT 검출기의 구 성 및 배열은 중성자와 감마선 동시측정을 가능하게 한다.

2. CZT 검출기의 감마선 검출 특성시험

1) 감마선량률 측정

감속재가 포함되지 않은 CZT 검출기를 활용하여 감마선 에 대한 선량률을 평가할 수 있도록 Fig. 8과 같은 시험조건 에서 CZT 검출기로 측정된 계수율(CPS, Counts per second) 을 토대로 감마선량률을 환산하기 위해 5 μSv/h – 800 μ Sv/h 범위에서 최소 5 μSv/h 구간으로 선형성 시험을 수 행하였다. 이러한 시험 및 결과를 토대로 기준선량률과 CPS 의 상관관계를 4700 CPS(약 80 μSv/h)을 기준으로 낮은 선량률 영역과 높은 선량률 영역으로 구분하여 식(1, 2)와 같이 각각 2차 및 3차 산출식으로 도출하였다[31]. 식(1)에서 LA1, LB1, LB2 및 LOffset은 각각 –2.19E-01, 1.72E-02, -2.95E-08 및 2.50E-01이며, 식(2)에서 HA1, HB1, HB2, HB3 및 HOffset은 각각 –4.51E+00, 1.84E-02, -7.58E-08, 7.87E-12 및 0.00E+00이다.

\begin{array}{l} L o w r a n g e d o s e r a t e [μ S υ / h] = L A 1 + L B 1 \times C P S + L B 2 \\ \times C P S^{2} + L O f f s e t \end{array}

Eq. (1)

\begin{array}{l} H i g h r a n g e d o s e r a t e [μ S υ / h] = H A 1 + H B 1 \times C P S + H B 2 \\ \times C P S^{2} + H B 3 \times C P S^{3} + H O f f s e t \end{array}

Eq. (2)

Table 4는 CZT 검출기를 통해서 측정된 CPS 정보를 감 마선량률 산출식에 적용하여 평가한 결과를 나타내고 있다. Table 4의 회색영역은 4700 CPS 전후로 구분되어 적용되 는 낮은 선량률 영역과 높은 선량률 영역의 산출식을 적용 한 결과를 표시하고 있으며, 평가결과와 같이 환경방사선에 대한 감마선량률 범위(약 0.2 μSv/h) 이내의 영역을 제외 하고 나머지 영역에서는 최대 7.3% 이내의 오차범위에서 기 준선량값과 잘 일치함을 확인하였다.

2) 감마선 에너지 및 핵종분석

감속재가 포함되지 않은 CZT 검출기를 활용하여 감마선 에너지 및 핵종분석 시험을 Table 5의 시험조건에 수행하였 다. 시험결과는 Fig. 9와 같이 감마선 에너지 스펙트럼 내 첨두 Peak 채널을 확인하여 해당 채널의 에너지와 일치하 는 감마선 방출선원의 종류를 판별할 수 있음을 확인하였 다. 즉 Fig. 9(a)의 경우 에너지 스펙트럼 채널 내 첨두 Peak가 226 채널에서 형성되었으며, 이 채널에 해당되는 에너지 범위인 659.2 keV ∼ 662.1 keV에 포함되는 감마선 고유에너지(662 keV)를 가지는 Cs-137 핵종이 검출되었음 을 확인할 수 있다. Fig. 9(b)의 경우는 에너지 스펙트럼 채 널 내 첨두 Peak가 401과 455 두 채널에서 형성되었으며, 이 채널에 해당되는 에너지 범위는 각각 1,171.9 keV∼1,174.8 keV와 1,330.1 keV∼1,333.0 keV이므로, 이 에너지 범위 에 포함되는 감마선 고유에너지(1,137 keV 및 1,333 keV) 를 가지는 Co-60 핵종이 검출되었음을 확인할 수 있다.

3. CZT 검출기 기반의 중성자 및 감마선 검출 시스템 시험

본 연구개발 시스템을 활용하여 중성자에 대한 검출 여부와 에너지 준위 판별 그리고 감마선에 대한 에너지 및 핵종분석 능력과 감마선량률에 대한 성능시험을 KOLAS 공인 인증기관 (한국표준과학연구원, KRISS)을 통해서 수행하였다.

1) 중성자 검출 시험

연구개발 시스템에 대한 중성자 검출 및 에너지 준위 판별 성능을 확인하기 위해 Table 6의 중성자 표준선원을 사용하 여 중성자 조사시험을 수행하였다. 중성자 조사시험은 선원 으로부터 1.0 m 거리에서 수행되었으며, Fig. 10은 시험결 과를 나타내고 있다. 시험결과는 중성자와 CZT 검출기와의 포획반응(¹¹³Cd + ¹n → ¹¹⁴Cd + γ)에 의해서 발생되는 2차 감마선 검출을 통해서 중성자 검출이 가능함을 확인하였으 며, 두 검출기에서 측정되는 고유에너지 감마선 스펙트럼 채 널에서의 계수정보를 통해서 에너지 준위(속중성자 및 열중 성자) 판별이 가능함을 확인하였다. 즉 감속재를 포함하지 않는 검출기(CZT #1)에서는 2차 감마선 고유에너지 채널에 서의 계수정보가 없지만, 감속재를 포함하는 검출기(CZT #2)에서는 계수정보가 존재함으로써 중성자 검출 여부 확인 과 함께 에너지 준위(속중성자)를 명확하게 판별할 수 있다.

2) 감마선 에너지 및 핵종분석 시험

연구개발 시스템에 대해서 감마선 에너지 및 핵종분석 능력 을 시험하기 위해 Table 7의 감마선 방출 표준선원을 사용하여 수행하였다. 시험은 CZT 검출기 표면으로부터 5 cm 위치에 Table 7의 각 선원(Cs-137, Co-60 개별 선원과 Cs-137 및 Co-60 혼합선원 2개)을 위치시키고 300 초 동안 측정 후 핵종분석 결과를 확인하는 방식으로 각 선원에 대해서 5회 수행되었으며, 시험결과는 Fig. 11과 같이 모든 시험조건에서 각 선원(혼합 선원 포함)에 대한 감마선 고유에너지 확인을 통해서 Cs-137 및 Co-60 핵종 판별이 가능함을 확인하였다.

3) 감마선량률 측정 시험

연구개발 시스템에 대해서 감마선량률 검출 결과에 대한 정확성을 확인하기 위해 성능시험을 수행하였으며, 시험결 과는 Table 8과 같다. 시험결과는 Table 4의 CZT 검출기 자체를 대상으로 한 감마선량률 검출 시험결과(환경방사선 에 대한 감마선량률 범위(약 0.2 μSv/h) 이내의 영역을 제 외한 나머지 영역에서는 최대 7.3% 이내의 오차범위)보다 감마선량률 검출 시험결과가 조금 나빠진 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 CZT 검출기와 연결되는 통합 처리 및 관련 시스템 등의 주변기기의 영향인 것으로 판단되며, 향 후 연구개발 시스템 전체를 대상으로 한 감마선량률 산출식 을 다시 도출하여 적용하면 보다 정확한 감마선량률을 평가 할 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅳ. 고 찰

대부분의 중성자는 감마선과 같은 고유에너지를 가지지 않으며[23,24], 일반적으로 속중성자(500 keV 이상의 에너 지)와 열중성자(약 0.025 eV)로 구분한다[25]. 중성자와 CZT 검출기와의 반응은 검출기 내 카드뮴(Cd)과 중성자의 포획반응(¹¹³Cd + ¹n → ¹¹⁴Cd + γ)에 의해 발생되는 558.6 keV의 고유에너지 감마선과의 2차적인 광전효과 또는 컴프 턴산란 과정(전자쌍생성 반응은 문턱값인 1.022 MeV 이하 로 발생되지 않음)에 의한 간접적인 방법으로 측정될 수 있 지만[26], 중성자와 카드뮴(Cd)과의 포획반응은 대부분 흡 수단면적이 큰 열중성자 에너지 범위에서 발생하며 속중성 자 에너지 범위의 경우는 흡수단면적이 매우 작아 포획반응 이 발생할 확률이 매우 낮으므로 CZT 검출기 자체만을 활 용한 속중성자 검출은 현실적으로 불가능하다[27]. 따라서 CZT 검출기를 활용하여 속중성자를 검출하기 위해서는 열 중성자 에너지 범위로 감속시켜야 하며, 감속재 재료는 감 속효과가 크고 중성자 흡수단면적이 작아야 하며 휴대성(부 피 및 무게 감소)과 검출 효율성을 고려하여 감속재 두께가 결정되어야 한다. 본 연구에서는 화학적으로 안정된 탄소와 탄소, 탄소와 수소 간의 결합으로 이루어져 있는 폴리에틸 린(PE)을 사용하여 휴대성과 검출 효율성을 고려하여 약 6 cm 두께의 중성자 감속재를 사용하였다[30]. 하지만 CZT 검출기에 이러한 중성자 감속재를 사용할 경우 감속재 자체 의 차폐효과로 인하여 열중성자에 대해서는 검출효율이 떨 어지므로 감속재를 사용하지 않는 CZT 검출기를 추가적으 로 구성해야 한다. 본 연구를 통해서 도출된 약 6 cm 두께 의 중성자 감속재 사용은 시험에서 사용된 Cf-252 중성자 선원의 평균에너지(약 2 MeV)보다 더 큰 에너지의 속중성 자 측정을 고려하여 결정되었지만, 중성자 에너지에 따른 감속재 두께별 검출 특성 시험을 통해서 연구개발 시스템의 중성자 측정 에너지 범위를 고려한 감속재 두께 최적화 연 구가 추가적으로 수행된다면 검출 시스템의 효율성과 휴대 성이 더욱 더 향상될 수 있을 것으로 사료된다.

본 논문에서 제안한 단일 종류의 CZT 검출기를 활용하여 중성자와 감마선을 모두 검출할 수 있는 기술은 반도체검출 기 적용 방사선 분석 및 방사선검출기 제조분야의 기초데이 터를 제공하여 기술개발 촉진에 기여할 것으로 기대된다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 최근에 많이 사용되고 있는 CZT 반도체 검출기를 활용하여 중성자 검출과 에너지 준위(속중성자 및 열중성자)을 판별할 수 있고 동시에 감마선의 에너지와 핵 종을 판별하고 감마선량률도 평가할 수 있는 방법에 대해서 기술하였다.

본 연구개발 기술 및 방법은 원자력 관계시설 등에서의 대규모 방사능 누출 사고 시 중성자 및 감마선 등으로 부터 의 2차적인 방사선 피해 최소화 및 사고 수습을 위한 현장 조사 수단을 제공할 수 있고, 원자력 관계시설 등의 작업환 경 내 안전관리 목적으로 활용될 수 있다. 또한, 본 연구개 발 기술 및 방법은 다양한 목적의 방사선검출기 개발 시 기 초자료로 활용될 수 있고, 신속한 방사선 탐지와 방출선원 에 대한 정확한 정보 제공으로, 원자력 및 방사선 이용에 대 한 안전을 증진시켜 국민적 이해와 신뢰 향상에 기여할 것 으로 기대된다.

Figure

Fig. 1.

The cross-section area of cadmium according to neutron energy[27]

Fig. 2.

Structure and configuration of CZT detector

Fig. 3.

Neutron detection characteristic test according to the thickness of the moderator

Fig. 4.

CZT detector-based neutron and gamma-ray measurement system

Fig. 5.

Configuration of neutron and gamma-ray measurement system

Fig. 6.

Result of characteristic test according to moderator (PE) thickness using CZT detector

Fig. 7.

Result of reproducibility test of fast neutron measurement

Fig. 8.

Linearity test for gamma dose-rate evaluation using the CZT detector

Fig. 9.

Result of gamma-ray characteristic test of CZT detector

Fig. 10.

Result of neutron irradiation test of the developed system

Fig. 11.

Result of gamma-ray irradiation test of the developed system(screen capture picture in KRISS test report

Table

Table 1.

Detailed specification of CZT detector

Table 2.

Function and performance of the developed system

Table 3.

Conditions for reproducibility test of fast neutron measurement

Table 4.

Application result of gamma dose-rate equation

Table 5.

Test conditions for gamma-ray energy and nuclide analysis

Table 6.

Conditions for neutron irradiation test

Table 7.

Types and radioactivities of certified standard materials(radiation sources) used in the test

Table 8.

Result of gamma dose-rate test of the developed system

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