방사선원을 사용하는 시설이나, 작업 현장에서 방사선원의 누출 여부를 확인하기 위해서는 방사선 검출기의 사용이 필수적이다. 이러한 방사선원의 탐지를 위해서는 방사선원의 유무를 확인하거나, 영상 시스템을 통해 위치를 확인한다[1-9]. 단순히 방사선원의 유무를 확인하는 시스템은 방사선원의 위치를 명확히 알 수 없으므로, 방사선원의 제거에 오랜 시간이 소요된다. 반면 영상 시스템을 사용할 때 방사선원을 영상으로 확인할 수 있으므로, 방사선원의 유무만을 확인하는 시스템에 비해 신속한 방사선원의 제거를 할 수 있다. 그러나 방사선원을 영상화하기 위해서는 검출기에 입사하는 방사선원의 각도를 제한하는 콜리메이터의 사용이 필수이다. 이러한 콜리메이터의 사용은 검출기에 도달하는 방사선의 양을 감소시키는 역할을 하므로 민감도의 손실이 발생하며, 이는 영상화에 오랜 시간이 걸리게 된다. 방사선원의 위치를 신속히 탐지하고 영상화하기 위해서는 콜리메이터를 사용하지 않는 시스템이 요구된다. 이를 위해 이전 연구에서 고민감도를 달성할 수 있는 콜리메이터를 사용하지 않는 시스템을 설계하였다[10-12]. 방사선스펙트로스코피 검출기를 여러 대 사용하여 방사선원의 위치를 신속하게 추적할 수 있는 시스템으로, 콜리메이터를 사용하지 않아 고민감도를 달성할 수 있었다.

본 연구에서는 시뮬레이션 및 실험을 통해 가능성을 확인한 방사선스펙트로스코피 검출기를 사용하여 방사선원의 위치를 고민감도로 측정할 수 있는 시스템의 기초 실험을 수행하였다. NaI(Tl) 섬광체와 광전증배관으로 구성된 방사선스펙트로스코피 검출기를 사용하여, 여러 위치에서 측정된 방사선원의 계수값을 바탕으로 방사선원의 위치를 산출하는 실험을 수행하였으며, 위치 측정의 결과를 평가하였다.

1. 이론적 배경

방사선의 강도는 거리의 역제곱 법칙에 따라 산출할 수 있다. Figure 1은 검출기와 방사선원이 거리가 R일 경우 검출기에서 계수되는 방사선의 수는 다음식을 통해 산출할 수 있다.

Figure 1. (Color online) Schematic diagram of radiation counts calculation according to the distance between the radiation source and the radiation spectroscopy detector.

여기서 R은 방사선원과 검출기 간의 거리를 나타내고, D는 검출기의 면적, A는 방사선원의 강도, C는 검출기에서 측정된 방사선의 계수, ε은 여러 보정 값을 나타낸다. 기본적인 거리의 역제곱 법칙을 여러 검출기에 적용하면 방사선원과 검출기간의 거리를 산출할 수 있다[10].

2. 실험 방법

방사선스펙트로스코피 검출기를 사용하여 방사선원의 위치를 측정하기 위해, Fig. 2와 같이 방사선스펙트로스코피 검출기 및 방사선원을 위치시켰다. 위치 측정을 위해서 방사선스펙트로스코피 검출기는 3개가 필요하지만, 하나의 검출기를 사용하여 동일한 시간 동안 세 곳의 위치에서 방사선을 측정하였다. 검출기의 중심 간의 위치는 10 cm로 설정하였다. 방사선원의 위치는 검출기 전면에서 5 cm 떨어진 위치에서 가로와 세로로 각각 5 cm 간격으로 위치시켜 계수를 측정하였다. 총 5 × 5 지점에 방사선원을 위치시켰으며, 가로축으로는 20 cm의 거리, Y축으로는 25 cm의 거리에 방사선원을 위치시켜 측정하였다.

Figure 2. (Color online) Schematic diagram of the location of the radiation spectroscopy detector and radiation source, and the experimental setup.

3. 위치 산출 및 오차율 측정

Figure 3과 같이 방사선스펙트로스코피 검출기의 간격이 10 cm일 경우 방사선원에서 발생한 방사선이 각 검출기 D1, D2, D3에서 측정된 계수는 다음식으로 나타낼 수 있다.

Figure 3. (Color online) Schematic diagram for measuring the location of a radiation source using multiple radiation spectroscopy detectors.

여기서 C1,C2,C3는 검출기에서 측정된 계수 값이며, 방사선 강도 및 검출기 면적, 보정 상수는 모든 검출기 위치에서 동일하므로, 위 세 식을 정리하면 방사선원과 검출기 간의 각 축에 대한 거리를 산출할 수 있다. Figure 4와 같이 실제 위치와 산출된 위치와의 거리 오차를 시스템 전체 관심 영역으로 나누어 오차율을 산출하였다. 계산을 통해 산출된 위치와 방사선원의 실제 위치와의 오차율은 다음식을 통해 계산하였다.

Figure 4. (Color online) The error between the original position of the radiation source and the position measured by the radiation spectroscopy detector system.

고민감도를 달성하기 위해 콜리메이터를 사용하지 않는 방사선스펙트로스코피 검출기를 여러 대 사용하여 방사선원의 위치를 측정하는 시스템을 설계하고, 방사선원의 위치별 계수값을 측정하여, 방사선원의 위치를 측정하였다. 세 군데에서 방사선스펙트로스코피 검출기를 위치시켜, 방사선원 위치별 한 시간씩 방사선을 계수하여 광전피크의 계수값을 위치 산출식에 대입하여 위치를 측정하였다. 5 × 5 배열의 위치에서 모두 시행하였으며, 위치 산출 결과를 Table 1에 나타내었다. 위치 측정 결과 X축의 오차율은 2.21 ± 1.88%, Y축의 오차율은 16.44 ± 5.73%로 X축에 비해 Y축의 오차율이 상대적으로 크게 나타났다. X축에서 가장 우수한 정확도를 나타낸 위치는 (20, 25)이며, 이때 오차율은 0.04%였다. 가장 높은 오차율은 (0, 15)에서 7.03%를 보였다. Y축에서 가장 낮은 오차율을 보인 위치는 (20, 10)이며, 이때의 오차율은 4.07%를 보였다. Y축에서 가장 높은 오차율을 나타낸 위치는 (15, 25)로 29.06%의 오차율을 보였다. Figure 4와 같이 산출된 종합적 오차율은 17.35 ± 5.26%로 산출되었다.

Table 1

Position and error rate calculated from the radiation counts measured by a radiation spectroscopy detector.

X cal. position (cm)						X error (%)
Y \ X	0	5	10	15	20	Y \ X	0	5	10	15	20	average
5	0.25	4.95	9.97	14.68	19.75	5	1.23	0.25	0.16	1.58	1.23	2.24
10	0.12	5.25	9.62	14.27	21.21	10	0.60	1.26	1.88	3.65	1.21
15	-1.41	5.25	9.77	14.50	21.36	15	7.03	1.26	1.14	2.48	6.80
20	0.36	3.94	9.31	14.65	20.83	20	1.79	5.29	3.44	1.73	4.13
25	0.23	5.41	9.62	15.56	19.99	25	1.14	2.05	1.88	2.81	0.04
Y cal. position (mm)						Y error (%)
Y \ X	0	5	10	15	20	Y \ X	0	5	10	15	20	average
5	7.75	8.38	7.51	7.74	7.77	5	13.74	16.91	12.54	13.71	13.86	16.44
10	12.42	11.84	11.58	12.12	14.08	10	12.08	9.22	7.89	10.61	4.07
15	19.98	18.84	17.85	18.30	18.85	15	24.90	19.22	14.26	16.51	19.27
20	22.56	23.71	23.67	23.28	24.25	20	12.80	18.55	18.33	16.40	21.26
25	29.46	28.46	29.67	30.81	29.57	25	22.28	17.31	23.36	29.06	22.87

Figure 5에서는 방사선원의 실제 위치와 산출된 위치에 대한 분포를 보여주고, X축 및 Y축에 대한 평균 오차율을 보여준다. 전체적으로 Y축에 대한 실제 위치와 산출된 위치의 차이가 X축에 비해 오차가 큰 것을 확인할 수 있다. X축 위치에 따라 Y축 오차에 대한 평균 그래프를 보면 모든 X축 위치에서 2.5% 내외의 평균값으로 나타난 것을 확인할 수 있다. 반면에 Y축 위치에 따라 X축 오차에 대한 평균 그래프에서는 Y축의 위치가 멀어짐에 따라 정확도는 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Figure 5. (Color online) Distribution of original and calculated positions and average error rates for X and Y axes.

본 연구에서는 방사선스펙트로스코피 검출기를 사용하여 방사선원의 위치를 측정하는 시스템을 설계하였다. 콜리메이터를 사용하지 않는 검출기를 사용함으로써 우수한 민감도를 달성할 수 있으며, 이를 통해 빠른 방사선원의 탐지가 가능하여 방사선원의 피폭에 대한 피해를 최소화할 수 있다. 방사선스펙트로스코피 검출기를 10 cm 간격으로 배치하여 5 cm 간격으로 배치한 방사선원에서 발생하는 방사선을 계수하여 광전피크 지점의 계수값을 사용하여 위치 계산을 수행하였다. 총 5 × 5 배열의 위치에 방사선원을 위치시켜 위치를 측정하였으며, 그 결과 전체 위치 정확도는 평균 82.65 ± 5.26%를 나타내었다. X축의 정확도는 97.79 ± 1.88%를 나타내었고, Y축의 정확도는 83.56 ± 5.73%를 나타내어 X축의 위치 측정 정확도가 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 방사선원은 Cs-137을 사용하였으며, 사용할 수 있는 방사선원의 강도가 제한되어 낮은 방사능을 지닌 선원을 사용하였다. ∼ 2 uCi의 방사능을 지닌 선원을 사용하여 측정함으로써 한 시간 동안 측정하더라도 낮은 계수값을 보여 위치 측정의 정확도에 영향을 미친 것으로 판단된다. 특히 Y축의 위치가 멀어짐에 따라 측정되는 방사선 계수 또한 낮아지게 되므로 상대적으로 Y축의 위치 측정 정확도가 낮게 측정되고 편차도 더욱 큰 것으로 판단된다. 향후 연구에서 더 높은 방사능을 지닌 방사선원을 사용하거나 더 긴 시간 동안 측정하여 많은 계수값을 통해 위치를 측정할 경우 더 우수한 위치 산출 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 방사선스펙트로스코피 검출기를 사용하여 방사선원 위치 추적 시스템을 설계하였으며, 콜리메이터를 사용하지 않아 높은 민감도를 달성하였으며, 방사선원의 위치 추적 결과 우수한 성능을 확인할 수 있었다. 본 시스템을 사람들이 운집하는 장소 및 방사선원을 사용하는 작업 등의 장소에 설치할 경우 방사선원의 빠른 탐지를 통해 사람들이 방사선원으로부터 피폭을 최소화하여 안전한 장소의 확립이 가능할 것으로 사료된다.

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (No. 2022R1I1A3064473).