Study on collimator design for neutron science facility in RAON accelerator complex

Abstract

중이온가속기 RAON(라온) 내 중성자 측정시설은 고 에너지 중성자의 단면적 데이터(cross section)를 측정하기 위해 건설될 예정이다. 중성자의 단면적 데이터는 TOF (Time-of-Flight) 방법을 이용하여 측정된다. 이 때 표적으로부터 발생하는 중성자 빔은 모든 방향으로 발생하기 때문에 계측에 불필요한 빔들은 차폐하고 실험에 필요한 빔들만을 계측기로 전달하기 위해 콜리메이터가 필요하다. 콜리메이터는 표적실과 계측실을 구분하는 4m 두께의 콘크리트 벽 안에 삽입되게 된다. 콜리메이터 디자인에서 결정해야 할 요소들은 빔 채널의 반지름, 빔 채널의 형상, 콜리메이를 구성하는 물질 배열에 관련된 콜리메이터 타입이 있으며, 이 요소들은 MCNPX 2.7코드를 이용하여 최적화 되었다. 그 결과 콜리메이터 빔 채널의 형상은 콘 모양으로 설계되었고 빔이 들어가는 쪽 반지름은 0.5cm, 빔이 나가는 쪽 반지름은 2cm로 결정되었다. 콜리메이터를 구성하는 물질로는 철이 산란물질로, 5% borated polyethylene이 흡수물질로 최적의 조건을 갖추어 선택되었다. 두 물질의 배열방식은 링 타입으로, 안쪽에 1cm 두께의 철이, 철 바깥쪽에 20cm 두께의 5% borated polyethylene이 배열되었다. 결과적으로 최적화된 콜리메이터를 이용했을 경우 발생하는 백그라운드는 최적화되지 않은 단순한 콘크리트 구멍을 통해서 빔이 전달되는 경우에 비해서 95.7% 감소했다. 콜리메이터의 설계에 이어서 안전성과 디자인의 유효성을 판단하기 위하여 방사화 평가가 진행되었다. 방사화 평가는 MCNPX 코드와 SP-FSIPACT 2010코드를 이용하여 진행되었으며 중성자에 의해서 발생하는 방사성 핵종들을 확인하였다. 또한 각 실험시설에서의 선량을 확인함으로써 작업자의 출입가능여부를 판단하는 기준을 제공하였다. 그 결과 표적실의 경우 ICRP 103에서 권고하는 작업자 선량제한 5 μSv/hr을 초과하는 선량을 보여주었으며 TOF룸에서는 선량제한보다 낮은 선량 확인할 수 있었다.