전자식 개인 선량계용 초소형 방사선 센서와 실시간 선량 변환 알고리즘의 개발에 관한 연구

Abstract

전자식 개인 선량계는 방사선 작업 종사자나 피폭 가능성이 있는 일반인들의 개인 선량률인 $dot(H)_p(10)$ 을 측정하기 위한 장비이다. 일반적인 개인 선량계는 에너지 보상형 카운팅 센서인 GM-tube를 이용하여 측정한 카운트에 선량변환인자를 곱하여 개인 선량을 계산하지만, 이러한 센서는 방사선 에너지의 구분을 할 수 없다는 한계점이 있다. 본 연구에서는 CsI(Tl) 섬광체와 실리콘 포토 다이오드를 결합한 센서를 이용하여 에너지 스펙트럼 측정을 할 수 있는 초소형 방사선 센서를 개발하고, 이 센서를 이용하여 측정한 에너지 스펙트럼을 개인 선량으로 실시간 변환할 수 있는 선량 변환 알고리즘을 개발하였다. 이때 측정하고자 하는 방사선은 20keV 부터 1.5 MeV 사이의 감마선과 엑스선을 목표로 하였다. 초소형 방사선 센서의 최적 구조는 절대 검출효율과 상대 에너지 해상도사이의 함수와 각 반응성을 이용하여 결정하였다. 섬광체의 지름이 5mm 일 때 최적 구조의 총 길이는 5mm 이고 섬광체 끝부분의 기울어진 길이는 1mm로 결정 되었다. 이러한 구조의 스펙트로스코피 센서를 이용하면 방사선 반응의 등방성을 유지한 채 최대의 figure of merit을 갖는 것을 확인하였다. 선량 변환 알고리즘은 에너지 스펙트럼에 누적된 각 빈 카운트에 DDCC (Direct dose conversion coefficient) 를 곱하고 이를 전체 스펙트럼에 대해 반복한 뒤 모두 합하여 에너지 스펙트럼의 형태에 대한 $dot(H)_p(10)$ 의 근사값을 계산한다. DDCC의 결정은 섬광체의 방사선 에너지 별 검출 효율과 fluence to $dot(H)_p(10)$ conversion factor의 함수, 그리고 가상의 감마에너지를 빈 에너지 별로 부여하여 결정할 수 있다. 그리고 최종적으로 계측 시스템의 특성으로부터 발생할 수 있는 오차를 보정하여 개인 선량 계산의 정확도를 향상 시킨다. 이러한 과정으로 결정된 DDCC를 이용하여 개인 선량을 계산하면, 측정하고자 하는 전체 방사선 에너지에 대해 IEC에서 권고하는 전자식 개인선량계의 최대 허용오차인 $pm 30%$ 이내를 만족하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 전자식 개인 선량계용 초소형 스펙트로스코피 센서와 선량 변환 알고리즘을 이용하면 에너지 스펙트럼 측정과 실시간 개인 선량 계산을 단일 센서로 수행할 수 있기 때문에 기존 전자식 개인 선량계의 목적 다변화가 가능함을 확인하였다. 그리고 선량 변환 알고리즘을 이용하면 넓은 범위의 방사선 에너지에 대한 개인 선량 계측의 정확도 향상에 기여 할 수 있음을 확인하였다.