2. 중성자 측정

가. 개요

○ 중성자는 원자로에서 일어나는 인공적인 핵분열 반응이나 자발 핵분열, 또는          (□.n), (p.n) 등의 하전입자 반응으로부터 생성

○ 원자로에서 핵분열에 의해 생성되는 중성자의 에너지는 0에서부터 수 MeV 에          이르기까지 아주  다양한데 0.7 MeV의 에너지를 가진 중성자가 가장 많이 발생         되고 평균 에너지는 약 2 MeV 정도

○ 중성자는 감마선과 마찬가지로 전하가 없기 때문에 쿨롱장에 의한 전리작용을         일으키지 않고 매질 깊숙이 침투하여 매질의 원자핵과 상호작용을 함

○ 원자로내에서 핵분열 결과 발생되는 중성자는 거의 대부분이 고속중성자에 해당하며, 고          속 중성자는 매질의 원자핵과 충돌하는 과정에서 그 에너지를 점차 상실하게 되어 결국에          는 열중성자가 됨

핵분열중성자 : 0.1 ~ 15 MeV / 고속중성자 : > 0.5 MeV /열중성자 : 0.025 eV

나. 중성자와 물질과의 상호작용

중성자의 상호작용 = 탄성충돌/비탄성충돌/포획반응/중성자유도 핵반응

1) 탄성산란

-입사중성자--> 표적핵과 충돌--> 중성자의 에너지 일부전달--> 중성자산란

-충돌전 중성자 운동에너지 = 충돌후 중성자 운동에너지 + 표적핵에 전달된 운                                                                동에너지

-중성자가 원자핵에 흡수되지도 않고, 불안한 복합핵이 형성되지도 않음

-충돌한 원자핵이 여기상태로 되지도 않음

-탄성산란은 가장 일반적인 상호작용의 형태로서 중성자가 열에너지로 감속되는         데 가장 중요한 반응

-탄성산란의 경우 질량이 엇비슷한 두입자가 정면으로 충돌했을 때 가지고 있던         대부분의 에너지를 상실할 수 있는데, 보건물리 측면에서 매우 중요

-인체의 구성성분중 수소가 가장 높은 함량을 차지하고 있어 중성자와 수소원자         사이의 반응이 인체조직에 가장 높은 피폭선량을 주는 중성자 반응임

2) 비탄성산란

-충돌후의 총 운동에너지가 보존되지 않음

-이때 일부에너지는 표적핵의 내부로 흡수되어 표적핵이 여기상태로 남게됨

-비탄성산란은 종종 복합핵모델로도 설명. 입사중성자가 순간적으로 표적핵에          포획되어 복합핵을 형성했다가 곧바로 입사중성자를 재방출하며,

-동시에 원자핵에 흡수된 에너지에 상당하는 에너지가 감마선으로 방출됨

-비탄성산란을 일으키기 위해서는 원자핵이 여기될 수 있는 문턱에너지                (Threshold Energy)이상의 에너지를 중성자가 가지고 있어야 함

-문턱에너지는 수소의 경우 무한(불가능)하고, 우라늄의 경우는 1MeV이하까지          아주 다양한데, 산소의 경우는 약 6 MeV가 됨

-따라서, 비탄성산란이 일어나려면 속중성자 에너지범위에 있어야 하고

-비탄성산란이 일어날 가능성은 원자번호가 높은 물질일수록, 입사중성자의 에         너지가 클수록 높음

3) 포획

-열중성자는 거의 모든 핵종들과 방사성포획 반응을 일으키므로 거의 일반적인         중성자와 물질과의 상호작용중 하나

-여기서 방사성이라 함은 복합핵의 형성에 의해 감마선이 방출됨을 의미

A     0       A+1  ★     A+1

T +  n -->   n  -->    T + □

Z     1         0           Z

-중성자를 포획한 후 즉시 방출되는 감마선을 즉발감마선(prompt gamma-ray)라함

-방사선방호 측면에서 중요한 몇가지 방사성포획 반응

1      1         2

H +  nth -->  H + □(2.2 MeV) ---> 수소의 열중성자 포획

1      0         1

23      1        24

Na +  nf -->   Na + □(0.47 MeV) ---> 혈액의 일반성분인 Na-23의 포획

11      0         11

113      1        114

Cd +  nth -->   Cd + □(0.56 MeV) ---> Cd-113의 포획(차폐설계)

48      0         48

4) 중성자유도 핵반응

○ 하전입자 반응

-중성자를 흡수한 후 하전입자를 방출, 방사성포획 과정과 큰 차이

-이 반응이 일어나기 위해서는 하전입자(알파,양성자등)가 복합핵내에 존재하          는 결합력을 극복할 수 있어야 함

-일반적으로 원자핵으로부터 알파입자와 양성자가 방출되기 위해서는 각각             4MeV와 8 MeV 정도의 에너지 필요

-이 때문에 대부분의 하전입자 반응들은 속중성자일 경우에 한해 어떤 확률을          가지고 일어나게 됨

-표적핵의 원자번호가 낮고, 아주 높은 중성자 운동에너지가 필요

-원자핵이 중성자를 흡수하여 복합핵을 형성하게 되면 에너지 준위가 약 8 MeV          정도 증가하게 되는데 이는 방사성포획, 핵분열등에서도 마찬가지

-하전입자 반응의 중요한 예

10      1         7      4

B +  nth -->  Li +  □

5      0         3      2

6      1         3      4

Li +  nth --> H +  □

3      0         1      2

3      1         3      1  +

He +  nth --> H +   P

2      0         1      1

○ 핵분열 반응

-핵분열 반응이란 중성자포획으로 인해 불안정한 복합핵이 형성되었다가 곧 바          로 두 개 혹은 세 개의 핵분열 파편으로 쪼개어 지는 반응을 말함

-이때 두 개 혹은 세 개의 속중성자가 함께 방출

다. 저속중성자 검출원리

1) 효율적인 검출기 설계

○ 저속중성자는 전하를 띤 양성자나 알파입자와 같은 하전입자로 변환되는 핵반         응을 이용하여 검출

○ 치수가 작고 검출효율이 높은 검출기를 만들기 위해서는

-반응단면적이 크고, 표적핵종의 동위원소비가 높은 핵반응 선택

-대부분의 경우 중성자와 감마선 혼합장이기 때문에 검출과정에서 감마선을 판         별해낼 수 있는 핵반응 선택

-이 경우 가장 중요한 것은 중성자 포획의 반응으로부터 발생된 방출에너지를          결정하는 반응의 Q값임

-Q값이 크면 클수록 반응생성물에 전달되는 에너지가 더욱 커져서 단순한 펄스         높이 선별법만으로도 감마선기여값을 쉽게 판별할 수 있음

-모든 핵변환 반응에 의한 생성물의 운동에너지는 반응의 Q값에 의해 일률적으         로 정해지는 것이며, 저속중성자의 작은에너지는 반응생성물의 운동에너지에          영향을 주지 않음

-핵반응이 일어난 후 생성물이 이동하는 거리(비정)도 검출기 설계에 매우 중요         한 인자

-반응생성물의 모든 운동에너지를 포획할 필요가 있는 경우에는 이 입자들을 완         전히 정지시킬 수 있을 정도의 충분한 감응체적을 갖도록 검출기를 설계

-검출매질이 고체라면 어떤 종류의 고체든지 반응생성물의 비정이 보통 수십분         의 1 mm 이하에 불과하기 때문에 이 필요조건을 쉽게 성취

-검출매질이 기체인 경우에는 반응생성물의 비정이 보통 수 cm 정도 이므로 검         출기의 크기에 비해 무시할 수 없게 되며, 따라서 일부 반응 생성물만 포획해         서는 총 반응 에너지를 알 수 없게 되는 경우 발생

2) B-10(n,□) 반응

○ 저속중성자를 직접 검출이 가능한 입자로 전환시키는 반응중에서 가장 널리 이        용되는 반응

○ B-10 동위원소의 자연존재비는 19.8%, 중성자 반응단면적은 3840 barn

○ 반응식

10      1         7      4

B +  nth -->  Li +  □ + 2.310 MeV(Q값)

5      0         3      2

○ 저속중성자의 에너지보다 반응생성물의 Q값이 매우 크기 때문에(알파는 1.47MeV        로 고정) 입사중성자의 운동에너지에 대한 정보를 알아내기는 불가능

3) Li-6(n,□) 반응

○ 저속중성자 검출목적으로 두 번째로 자주 이용되는 반응

○ Li-6 동위원소의 자연존재비는 7.4%에 불과하지만 농축된 것을 저렴하게 구입가        능, 열중성자 반응단면적은 940 barn

○ 반응식

6      1         3      4

Li +  nth -->  H +  □ + 4.78 MeV

3      0         1      2

○ 저속중성자의 에너지보다 반응생성물의 Q값이 매우 크기 때문에(알파는 2.05MeV        로 고정) 입사중성자의 운동에너지에 대한 정보를 알아내기는 불가능

4) He-3 기체(n,p) 반응

○ 자주 이용되는 반응

○ 열중성자 반응단면적은 5530 barn으로 B보다 훨씬 높지만 고가이기 때문에            일부 분야에 한정하여 사용

○ 반응식

3      1         3      1

He +  nth -->  H +  p + 0.764 MeV

2      0         1      1

○ 저속중성자의 에너지보다 반응생성물의 Q값이 매우 크기 때문에(양성자는              0.573MeV 로 고정) 입사중성자의 운동에너지에 대한 정보를 알아내기는 불가능

5) 핵분열 반응

○ U-233,U-235,Pu-239 등의 핵분열성물질들은 열중성자와의 핵분열 단면적이 비교        적 크기 때문에 저속중성자의 검출 매질로서 사용

○ 핵분열반응을 이용한 검출기는 흡수반응이나 감마선에 의해서 생성된 펄스보다        몇자리수가 큰 출력펄스를 발생시킴

○ 따라서, 열중성자에 의한 펄스를 매우 정확하게 판별

라. 고속중성자 검출원리

1) 개 요

저속중성자 검출에서는 중성자를 직접 검출이 가능한 하전입자로 변환시키는          반응들이 이용되나, 중성자의 에너지가 높아짐에 따라 그러한 반응들을 통해          중성자가 매질과 상호작용을 일으키는 확률은 급속히 감소됨

2) 탄성산란 이용

○ 고속중성자를 검출하는데 유용한 반응으로서 입사중성자는 탄성산란에 의해서         운동에너지 일부를 표적핵에 전달하고, 이과정에서 되튐핵(Recoil Nucleus)이         발생

○ 중성자의 에너지가 수 keV 영역에 이르게 되면 되튐핵의 에너지가 직접 검출할         수 있을 정도까지 증가되므로 탄성산란은 고속중성자의 측정에 대단히 중요한         반응

○ 지금까지 널리 사용되어온 탄성산란의 표적핵은 수소이며, 수소의 경우 중성자         탄성산란 단면적이 매우 크고 또한 그 에너지 의존성이 잘 알려져 있음

3) 에너지 의존성

○ 고속중성자 검출기를 어떻게 이용할 것인지가 매우 중요한 인자

○ 저속중성자 검출법에서는 입사 중성자의 에너지가 흡수반응에서 발생하는 에너         지, 즉 Q값보다 훨씬 낮기 때문에 입사 중성자의 운동에너지에 대한 정보가 흡         수 반응과정에서 완전히 상실됨

○ 입사중성자의 에너지가 반응의 Q값에 비하더라도 무시할 수 없을 정도인 10내         지 100 keV 이상되면 반응생성물의 에너지가 입사중성자의 에너지에 의해 다소         변화되기 시작

○ 따라서 반응생성물의 에너지를 정확하게 측정하면 입사중성자의 에너지를 알수         있게 됨

○ 탄성산란에서는 반응의 Q값이 0이므로 되튐핵이 측정 가능한 에너지를 갖는 영         역부터 이 방법을 이용하여 중성자의 에너지를 측정하는 것이 가능

마. 중성자 스펙트럼 분석

1) BMS(Bonner Multisphere Spectrometer) 시스템 개요

○ BMS 시스템은 방사선방호 복적에서 중성자 에너지 스펙트럼을 측정하기 위해          가장 광범위하게 쓰이고 있는 장비

○ 다른 분광계와 비교해 볼 때 중성자 검출효율이 높고 에너지 반응폭이(열중성         자 ~수백 MeV)이 매우 넓으며,사용법이 단순하다는등의 여러 가지 장점이 있음

○ 비록 분광계로서 에너지 분해능은 우수하지 못하나 방사선방호의 실무적 차원         에서 중성자 선장의 선량당량을 측정하기에는 가장 적절한 검출기

2) BMS 설계

○ 열중성자 에너지에서 수 MeV 까지의 광범위한 영역에 걸쳐 존재하는 중성자 선         장의 에너지 스펙트럼을 하나의 검출기로 측정한다는 것은 거의 불가능하므로         적절한 감속재를 사용하여 속중성자를 열중성자로 감속시킨 후 열중성자와 민         감하게 반응하는 물질로 이를 검출하는 방법이 이용됨

○ 중성자 감속재로는 흡수단면적보다 산란단면적이 큰 가벼운 원소로 구성된 물         질들이 사용되며, 이를 지나는 동안 속중성자는 탄성 및 비탄성산란을 통하여         자신의 에너지를 잃고 열중성자화 되기 때문에 감속재의 크기를 변화시키므로         써 검출기에 도달하는 속중성자의 에너지를 구별할 수 있음

○ 원전의 중성자 에너지 스펙트럼 측정에 사용된 BMS는 반경이 2,3,5,8,10,12 인         치인 6개의 폴리에틸렌 구를 감속재로 사용

○ 열중성자 검출기로는 Li-6(Eu) 섬광체를 사용하며, 열중성자의 존재 유무를 측         정하기 위해 검출기에 Cd 덮개를 씌워 측정하는 경우도 있음

○ 이 경우 검출기의 열중성자에 대한 반응도를 줄일 수 있기 때문에 상대적으로         양호한 에너지 분해능을 얻을 수 있음

○ 감속구의 반경이 크면 클수록 고에너지 중성자에 대한 반응도가 높아지기 때문         에 이를 측정하기 위하여 크기가 다른 6개의 감속구와 열중성자만을 검출하기         위한 Li-6(Eu)등으로 분광계 시스템을 구성

○ 전자신호를 처리하기 위한 장비는 고전압 공급장치와 전치증폭기, 주증폭기,          ADC(Analog to Digital Conveter) 및 MCA(Multi Channel Analyzer)등으로 구성

○ BMS로 측정한 자료는 (n,□) 반응으로부터 발생된 섬광체 발광량을 나타내며,         다중파고 분석기로부터 구한 Peak의 면적값은 해당 측정기의 계수율

○ 이 계수값은 각 측정기별로 중성자 에너지스펙트럼에 대한 복합적인 반응도라         할 수 있으므로 실제 에너지 스펙트럼을 알기 위해서는 Unfolding 과정을 거쳐         야 함

○ 위 그림에서와 같이 감속구의 크기가 반경 8□이상 증가하게 되면 중성자에 대         한 반응 피크가 나타나고 있음

○ 각 감속구의 중성자에 대한 반응값의 변화가 완만하기 때문에 이를 이용하여          Unfolding 한 에너지 스펙트럼의 분해능이 나쁘다는 것을 알 수 있으며, 특히         20~300 keV 영역에 피크가 존재하지 않기 때문에 이 범위에서 자세한 에너지          범위를 알 수 없다는 것이 Li-6(Eu)의 단점임

○ 에너지 스펙트럼

n

Mi = □ Ri.g x □g x △Eg

g=1

여기서, Mi = 검출기(BMS)의 측정값(count)

Ri.g = 검출기 I의 에너지그룹 g에 대한 반응값(count·□/neutron)

□g = 에너지그룹 g의 에너지 스펙트럼(neutron/□)

△Eg = 에너지 그룹 g의 폭

따라서 7개의 선형방정식을 검출기에서 얻어진 측정값과 반응함수를 이용

○ 이때 분할된 에너지 그룹이 많으면 많을수록 Unfolding된 스펙트럼의 에너지          분해능을 높일 수 있음

○ BMS의 측정결과를 Unfolding 하기위한 여러 가지 프로그램이 개발되었는데 대         부분 Matrix 변환법을 사용하거나 몬테칼로 모의기법을 사용하여 Unfolding을         수행

○ BMS의 반응함수는 검출기, Li-6(Eu)의 물리적 사양, 기하학적 구조, 그리고 감         속구의 재질 및 크기로부터 계산되어짐

○ 교정시 고려사항은 산란기여분에 대한 보정, 거리에 대한 기하학적인 보정등

바. 중성자 검출기

1) 기체봉입형 검출기

가) 이온함

○ 10 keV이상의 속중성자 흡수선량이나 커마를 가장 정확하게 측정할 수 있는           계측기가 이온함

○ 방사선 작업종사자의 중성자 피폭선량 측정관점에서 보면 이온함의 이상적인           재질은 조직 등가물질이거나 최소한 인체조직과 유사한 물질이어야 함

○ 조직등가란 인체조직의 원소조성과 같음을 의미, 조직등가물질의 중성자 비           정은 허용범위내에 유지되어야 함. 실제로 인체조직과 동일하게 만들 수는            없고 비슷하게 만든 다음 괴리를 보정해주는 방법 사용

○ 중성자 선량평가에 적합한 조직등가 물질로서 겔이나 여러 가지 전도성 플라           스틱들이 나와 있는데, 이러한 조직등가 물질들은 특히 수소와 질소의 함량           을 인체조직에서의 조성과 일치시킴

○ 혼합장에서의 중성자 측정

- 첫째 전리함 : 신체조직과 유사한 구성을하고 있는 플라스틱 사용

(기체도 플라스틱과 유사한 구성조직)

- 두번째전리함: 탄소 또는 테프론으로 만들며 기체는 Co2

내벽은 보론화합물로 구성되어(n,□) 열중성자에 감도높음

첫번째전리함 = 감마선,두번째전리함 = 감마선 + 중성자선

나) 비례계수기

○ 비례계수기의 가장 주요한 특성은 전기적 신호의 크기가 하나의 사상(방사선           과 물질과의 상호작용)으로 인해 기체 Cavity내에 발생된 총 이온화 전류에           비례한 다는 것

○ 측정기 설계

벽이 폴리에틸렌으로 되어있고 에틸렌이 충진기체로 채워짐.

측정은 펄스의 파고분포를 구함으로써 수행되며 감마선의 경우는 낮은파

고를 이루고 있기때문에 중성자만 분리측정가능

다) GM 계수기

○ 중성자는 대부분 감마선과 공존하고 있기 때문에 중성자와 감마의 혼합 방사           선장에서 중성자를 측정할 때 어떻게 중성자 성분과 감마선을 구분하는가 임

○ GM 튜브를 사용하므로서 이러한 이상적인 조건에 가까운 측정기를 구현할 수           있음. GM 튜브의 반응은 흡수된 에너지보다는 유효체적에 들어가는 이온화입           자의 수와 더 밀접하게 관련되어 있는데, 감응체적내로 들어오는 직접 이온           화 입자에 대해 입자의 에너지와 상관없이 사실상 동일한 펄스가 생성되기            때문임

○ 따라서 중성자로 인해 벽에 흡수되는 단위 에너지당 되튐핵에 의해 생성되는           계수치는 감마선으로부터의 동일한 에너지 흡수에 기인하는 이차전자들에 의           해 생성되는 계수치보다 훨씬 적음

○ 순 감마선만을 측정하기 위해 설계할 경우 GM 튜브물질로 수소원자가 극히            적게 들어 있고 Cu, Fe, Cr등으로 구성된 물질을 사용

2) 고체검출기

가) 감광필름

○ 감광필름은 핵비적판에 생성된 되튐양성자의 비적을 계수하여 중성자측정

○ 주된 단점은 감마선보다 중성자에 대한 감도가 매우 낮은 것

○ 중성자 감도는 폴리에틸렌과 같은 양성자 발생물질을 중성자선원의 전면에            설치하므로써 개선

나) 열형광선량계

○ Harshaw 8806의 예

- 1번 chip : Li-6F(ABS + Cd)

- 2번 chip : Li-7F(ABS + Cd)

- 3번 chip : Li-7F(ABS)

- 4번 chip : Li-6F(ABS)

○ Li-6 가 96% 함축된 1,4번 chip은 중성자와 효과적으로 반응, 1번 chip 은            열중성자를 차폐, 4번 chip은 모든 중성자와 반응

○ 2,3번 chip은 감마선과 반응

○ 잘짜여진 알고리즘을 이용하기 때문에 측정의 신뢰성 우수

다) 섬광계수기

○ 속중성자 선량측정과 스펙트럼 측정에 이용되는 고체 혹은 액체 유기섬광체           들은 계측기 물질과 중성자의 반응에 의해 생성되는 되튐핵을 계측하는 것이           일반적

○ 스틸벤이나 크실렌등의 유기섬광체를 사용할 경우 방향의존성이 크나(10~15%           변화) 파장전이체(wave length shifter)로서 POPOP를 포함하고 있는 액체 유           기섬광체를 사용하면 이 단점을 극복

○ 섬광체 반응평가에서 주된 문제점은 되튐 양성자의 에너지와 광펄스 사이에           비선형관계가 있다는 것

○ 이러한 문제점을 극복하기 위해서 특별한 교정절차와 펄스높이 분포의                 Unfolding 방법이 개발됨

라) 반도체검출기

○ 일반적으로 선량측정에 사용되는 반도체 검출기는 실리콘 접합 계측기(p-n             또는 p-i-n)

○ 속중성자를 반도체에 조사시키면 결정구조에 비교적 영구적인 변화를 만들어           내므로 감마선에 점점더 둔감하게 되며, 일반적으로 감마선의 감도가 중성자           감도의 1E-3 이하라고 보고 있음

○ 실리콘 다이오드의 감도는 350 keV 이상의 중성자에너지에 대해 ±20% 이내           로 일정하게 유지되나 200 keV 이하의 에너지에서는 실리콘에 대한 중성자의           탄성산란 단면적의 특징 때문에 감도가 급격히 감소

마) 핵비적검출기

○ 중성자는 직접적인 상호작용 혹은 (n,□),(n,fission) 같은 간접작용 이용

○ 직접작용에 의해 비적이 형성될 수 있는 중성자의 문턱에너지값은 0.1~1MeV           사이인데 이는 물질의 감도에 의존

○ 하전입자는 절연체에 방사선손상의 비적을 만들어 내는데 비적에 선택적으로           작용하는 적합한 부식액으로 조사된 물질을 처리하게 되면 생성된 비적을 광           학현미경으로 관찰할 수 있으며, 단위면적당 기록된 비적의 수는 중성자 선           속에 비례

○ 비적계수기의 단점은 반응의 각도의존성이 크다는 단점

○ 검출효율이 높고, 기록의 성능이 우수하다는 장점

바) 방사화 및 핵분열검출기

○ 열중성자 및 중속중성자의 커마를 결정하기 위한 방사화 검출기는 대개

(n,□) 반응을 이용

○ 고속중성자의 커마를 결정하기 위한 방사화검출기는 (n, n')(n,□)(n,p)반응           이용

○ 중성자 커마를 측정하기 위한 핵분열검출기는 벽에 핵분열성 물질을 코팅한           계수기를 이용하며, 핵분열생성물의 에너지는 매우 높기(~ 200 MeV) 때문에           감마선으로부터 발생된 전자와 쉽게 구별가능함