npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 21-28

Published online January 29, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.21

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Development of an Alcohol-based Liquid Scintillator and its Application

Byoung Chan KIM1,2, Seon Yeoung PARK2, Ye Sung SONG2, Hee Jin WOO2, Kyung Kwang JOO2*, Ji Young CHOI2

1Department of Radiation Oncology, Chonnam National University Hwasun Hospital, Hwasun 58128, Korea

2Institute for Universe \& Elementary Particles, Department of Physics Chonnam National University, Gwangju 61186, Korea

Correspondence to:kkjoo@chonnam.ac.kr

Received: August 18, 2020; Revised: December 11, 2020; Accepted: December 17, 2020

Liquid scintillators are widely used in various fields because they give a high light yield. In addition, the development of stable liquid scintillator for particle detectors and medical applications is very important. This paper proposes a new base material, a mixture of alcohol and water, for a liquid scintillator. The development of this alcohol-based liquid scintillator and the experimental result for various physical and optical properties are described. Until now, R\&D studies on such detectors or no market products of this type have been available. Thus, room exists for improvement. Therefore, various possibilities for detection solutions were studied by varying the mixing ratio of each component constituting the liquid scintillator. Finally, as an example of usage in medical physics, a range (=beam-path-length) measurement using an electron beam is briefly described. The measurement results obtained by changing the energy of the incident electron beam were compared with Monte Carlo simulation, Novalis-Tx and the phantom results.

Keywords: Liquid scintillator, Alcohol, Electron beam, Range, Monte Carlo, Novalis-Tx, Phantom, Medical physics

액체섬광검출용액은 높은 빛 방출량을 주기 때문에 물리학을 비롯한 여러 타 분야에서 널리 사용하고 있다. 또한 검출기와 의학적 활용을 위해서는 안정된 액체섬광검출용액의 개발은 매우 중요하다. 본 논문은 알코올을 용매로 사용해 물과 혼합한 새로운 형태의 액체섬광검출용액을 제안한다. 알코올을 기반으로 한 액체섬광검출용액 개발 과정과 여러 물리 광학적 측정 결과에 대해 설명하였는데, 현재까지 직접 제조해 검출기에 사용하거나, 이런 조합으로 구성된 상업적 제품은 없어 액체섬광검출용액 분야에서 발전 가능성을 여전히 존재한다. 따라서 액체섬광검출용액을 구성하고 있는 각 성분들의 배합 비율을 달리 하여 검출용액으로써 여러 가지 가능성 연구를 수행하였다. 최종적으로는 본 연구에서 개발한 액체섬광검출용액을 활용한 한 예시로 의학물리에서 전자선을 사용한 비정 측정에 대해 간략히 기술하였다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 전산모사 결과, 측정 결과, 팬텀 결과 및 Novalis-Tx 결과를 서로 비교하였다.

Keywords: 액체섬광검출용액, 알코올, 전자선, 비정, 몬테카를로 시뮬레이션, 팬텀, Novalis-Tx, 의학물리

액체섬광검출용액 (Liquid Scintillator, LS)은 핵, 입자물리학 및 의학물리 등 여러 분야에서 널리 사용하고 있다 [14]. 일반적으로 액체섬광검출용액은 기본용액 (base solvent) 에 기름 (oil) 을 혼합해 희석하고, 빛을 내기 위해 섬광체 가루 (fluor) 를 넣는다. 방출된 빛은 광증폭관 (photomultiplier tube, PMT)에 의해 읽어드리는데, 광증폭관의 최대 양자 효율에 맞추기 위해 2차 파장변경물질(secondary wavelength shifter, WLS)을 첨가하기도 한다. 통상 바이-알칼리(bi-alkali) 광증폭관은 파장이 420 nm 근처에서 최대 효율을 가진다. 또한 빛이 광증폭관에 도달하기 위해서는 액체섬광검출용액에 불순물이 적어야 하며 여러 가지 물리 광학적 성질이 우수하여야 한다.

벤젠 (Benzene, C6H6)이 1950년대 액체섬광검출용액의 기본 용매로 사용된 이후, 다이옥세인 (dioxane, C4H8O2), 톨루엔 (toluene, C7H8), 자일렌 (xylene, C8H10)을 거쳐, 1970년에 개발된 슈도쿠멘 (pseudocumene, PC, C9H12) 기반 액체섬광검출용액이 우수한 빛 방출량 때문에 오랫동안 사용되었다. 하지만 1980년대 이후 벤젠고리에 기반을 둔 PC는 발화점 (– 45 °C)이 낮고 인체와 환경적 영향으로 이를 교체하려는 많은 시도가 있었으며, 페닐코시릴에탄 (phenylxylylethane, PXE, C16H18), 다이아이소프로필나프탈렌 (di-isopropylnaphthalene, DIN, C16H20), 선형알킬벤젠 (linear alkyl benzene, LAB, CnH2n+1–C6H5, n = 10 – 13) 등으로 대체되었다. 이들은 기본 유기용매로 여러 고에너지 중성미자 실험에서 사용되었고, 차세대 실험에서도 사용될 예정이다 [5].

본 연구는 계면활성제를 사용하여 물과 기름을 섞은 액체 섬광검출용액을 개발하는 과정에서 계면활성제를 사용하지 않고 형광체를 녹일 수 있는 방법으로 알코올에 주목을 하였다. 에탄올 (ethanol, C2H5OH) 은 에틸알코올 (ethylalcohol)이라고도 하며, 이것은 알코올의 한 종류로 특유의 냄새와 가연성 화합물로 술의 주성분이다. 증기는 폭발성을 가지며, 공업적으로는 용매, 소독제, 연료 등으로 많이 사용되며 상온에서는 무색의 액체로 존재한다. 녹는점은 -114.5 °C, 끓는점은 78.32 °C, 몰 질량은 46.07 g/mol, 밀도는 0.789 g/cm3 이다. 외부 불꽃을 접촉했을 때 인화점은 16.6 °C, 자연 상태에서 발화점은 363 °C이다. 알코올에 형광체는 비교적 잘 녹으며 또한 알코올과 물은 서로 잘 혼합된다. 따라서 형광체를 에탄올에 녹인 뒤 물로 희석한 후, 알코올을 서서히 증발시키면 최종적으로 물에 형광체만 있을 것으로 기대하였지만, 알코올과 물의 배합 비율에 따라 결과는 완전히 달라짐을 알 수 있었다. 액체섬광검출용액에서 일반적으로 사용하는 형광체로는 2,5-diphenyloxazole (C15H11NO, PPO)를 많이 사용하고, 2차 파장변경물질로는 1,4-bis(5-phenyl-2-oxazolyl)benzene (C24H16N2O2, POPOP)과 1,4-bis(2-methylstyryl)benzene (C24H22, bis-MSB)을 첨가한다.

한편 의학물리 분야에서 인체를 대상으로 방사선 관련 실험을 할 때 피부와 가장 비슷해 인체 등가물질로 사용하는 것은 물이다. 그래서 알코올을 물로 희석한 액체섬광검출용 액으로서의 가능성을 조사하였다. 하지만 밀도가 다소 낮으며, 2차 파장변경물질이 잘 용해되지 않아, 본 연구에서는 인체에 더욱 근접하게하기 위해 2-에톡시에탄올 (C4H10O2, 2-Ethoxyethanol, Ethylene Glycol Ethyl Ether, EGEE)을 사용하였다. 2-에톡시에탄올은 투명하고 무색이며 끓는점은 135 °C, 발화점은 44 °C, 몰 질량은 90.12 g/mol, 밀도는 0.930 g/cm3 이다. 물, 알코올, 아세톤 등과 잘 섞이며, 기름, 송진, 그리스, 왁스 등도 잘 녹여 주로 생물, 화학 및 연구용으로 널리 쓰이는 용매이다. 물을 넣어 희석해서 사용하기 때문에 알코올 사용의 단점인 증기압 위험성이나 낮은 인화점 등으로 발생할 수 있는 안전 문제 등을 최소화 시킬 수 있다. 또한 형광체와 2차 파장변경물질을 용해함 으로써, 밀도를 좀 더 높일 수 있고 성분을 다양화함으로써, 인체 구성성분과 좀 더 동일하게 만들 수 있다.

또한 화석을 대체할 미래의 연료로 사용하고자 하는 알코올 관련 연구들은 존재하지만, 알코올 기반 액체섬광검출용액을 직접 제조해 검출기나 의학물리에 사용하는 곳은 국내 외에 어디에서도 찾아볼 수 없으며 연구개발을 한 결과들도 없다. 단, 의학물리의 경우, 상업적으로 구입 가능한 액체 섬광용액 (Perkin Elmer 회사의 Ultima Gold, 혹은 Saint Gobain 회사의 BC-531)을 간접적으로 이용해 이미징 분석 등에 활용하고 있다 [68]. 고가의 플라스틱 신틸레이터는 다량의 방사선 조사 시 오염이 되고 착색이 되어 오래 사용할 수 없는 단점을 가진다. 하지만 액체섬광검출용액의 경우 교체가 상대적으로 쉽고 가격이 저렴하다. 따라서 본 연구는 액체섬광검출용액을 구성하는 성분들의 배합비율을 달리함으로써 물리 광학적 성질, 빛 방출 양, 비정 (range, beam-path-length) 등을 자유롭게 조절할 수 있는 장점을 가진다.

그리고 의학물리는 굉장히 넓은 영역의 주제들을 다루고 있는데, 제조된 알코올 기반 액체섬광검출용액의 활용을 위해 에너지를 달리한 전자선 (electron beam)을 조사하여 비정 (beam-path-length 혹은 range)을 측정하였다. 비정은 하전입자가 물질을 투과할 수 있는 평균거리를 의미한다. 전자선 (electron beam) 이 의학물리에 이용 된지는 20년 이상 되었는데 이것은 X선만 가지고 치료하는 것에 비하면 획기적인 발전이었다. 현재는 고에너지 선형가속기 설치로 전자선 치료도 증가되고 있다. 일반적으로 방사선을 조사하면 정상조직과 암조직 모두 손상을 받지만 세포분열이 훨씬 더 빠른 암조직에 더 치명적인 손상을 준다. 정상조직은 시간이 지나면서 회복이 되므로 중요한 장기들을 피하면서 적은 선량을 여러 번에 걸쳐 조사하는 방법을 현재 의학물리에서는 적용하고 있다.

따라서 본 연구는 최종적으로 피부 표면이나 표피층의 작은 부위에 발생한 종양 혹은 암 치료에 전자선을 조사하며 이를 효과적으로 치료하는데 사용할 수 있는 알코올 기반 액체섬광검출용액 연구방법에 도움을 주고자한다. 이를 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 비정을 재구성하였고, 검출관련 전산 모사는 Geant4 소프트웨어를 이용하였다. 그 후, 암치료에 사용하는 팬텀 (phantom) 분석 결과와 Novalis-Tx를 사용한 여러 에너지의 전자선 결과들과 서로 비교하였다.

1. 샘플 제조

일반적으로 고에너지 물리학에서 사용하는 유기용매 기반 액체섬광검출용액은 최적화된 형광체가 대략 – 3 g/l, 2차 파장변경물질은 – 30 mg/l 를 용해한 후 사용한다. 알코올 (순도, 99.9%) 에 형광체인 PPO는 매우 잘 녹는다. 여기에 교반기를 사용하여 초순수를 서서히 떨어드리면서 마그네틱 바 (stirring bar)로 혼합 해 주면서 희석시키면, 에탄올과 초순수의 배합비율이 1:1까지는 큰 문제없이 짧은 시간 내에 혼합이 가능하고 투명하다. 혹시 녹지 않는 것이 생길 때는 좀 더 오래 혼합해 주거나 혹은 가열 온도를 약간 높여 줄 수도 있는데, 이때는 실험실 안전에 매우 유의해야 한다. 하지만, 초순수의 비율이 알코올 보다 높아지면, 액체가 불투명해지고 바닥에 형광체와 2차 파장변경물질의 침전이 발생하기 시작한다. Table 1은 제조 후 테스트한 액체섬광검출용액 샘플을 요약하였다. 어느 정도까지 초순수의 비율을 높일 수 있고 형광체와 2차 파장변경물질을 녹일 수 있는지를 알 수 있다.

Table 1 . Several samples used for synthesizing an alcohol-based liquid scintillator. For a standard sample (R) as a reference, 3 g/l PPO is dissolved and 30 mg/l bis-MSB was mixed for the second WLS in LAB. S samples indicate alcohol-based and NE samples are made of 2-Ethoxyethanol solvent.

SampleComposition of solvent (%)Fluors, secondary WLSNote
S1Alcohol : Water (50 : 50)PPO 6 g/lClear, soluble (marginal)
S2Alcohol : Water (70 : 30)PPO 21 g/lClear, soluble
S3Alcohol : Water (70 : 30)PPO 30 g/l
bis-MSB 300 mg/l
Insoluble
S4Alcohol : UG-F (70 : 30)PPO 3 g/l POPOP 30 mg/lClear, soluble
S5Alcohol : UG-F (70 : 30)PPO 3 g/l
bis-MSB 30 mg/l
Clear, soluble
NE12-Ethoxyethanol : Water (100 : 0)PPO 15 g/l
bis-MSB 300 mg/l
Clear, soluble (bis-MSB extreme)
NE22-Ethoxyethanol : Water (90 : 10)PPO 15 g/l
bis-MSB 60 mg/l
Clear, soluble
NE32-Ethoxyethanol : Water (70 : 30)PPO 21 g/lClear, soluble
NE42-Ethoxyethanol : Water (70 : 30)PPO 21 g/l
bis-MSB 120 mg/l
Insoluble
NE52-Ethoxyethanol : Water (10 : 90)PPO 1 g/lInsoluble
NE62-Ethoxyethanol : Water (10 : 90)PPO 0.3 g/lInsoluble, (First clear, but precipitate in the end)
NE72-Ethoxyethanol : Water (10 : 90)PPO 0.2 g/l
bis-MSB 20 mg/l
Clear, soluble (marginal)
R(eference)LAB : UG-F (90 : 10)PPO 3 g/l
bis-MSB 30 mg/l
0.5% Gd (clear, soluble)
Reference sample


약국에서 파는 소독용 알코올의 경우도 이미 물이 대략 30% 정도 혼합되어 있다. 한편 알코올이 초순수에 비해 – 2배가 많을 때는 형광체를 최적화된 기존 유기용매 기반 액체섬광검출용액에 비해 – 7배 정도까지 녹일 수 있다. 여기서 사용한 초순수는 Millipore Milli-Q 초순도 시스템에서 만들어 내는 18 MΩ 초순수를 사용하였다. 그러나 2차 파장변경물질인 POPOP와 bis-MSB는 에탄올이나 메탄올 (methanol, CH3OH)에 녹지 않는 단점을 가진다. 그래서 2-에톡시에탄올을 사용하였는데, 밀도가 인체와 크게 차이가 나지 않으며 친수성 (hydrophilic) 과 소수성 (hydrophobic) 을 모두 가지고 있다. 알코올의 비율이 높을수록 의학물리 분야에 적용할 수 있고, 물의 비율이 높을수록 체렌코프 (Cherenkov) 빛을 이용할 수 있는 입자검출기에 활용할 수 있을 것이다. 형광체를 녹일 때는, 순서를 고려하면 좋다. PPO나 bis-MSB는 2-에톡시에탄올에 잘 녹기 때문에, 먼저 녹인 후, 그 후에 초순수로 희석하는 방법을 택하는 것이 좋다. 또한 일반적으로 bis-MSB보다는 POPOP의 용해도 (solubility)가 좋지만, 오랜 시간 혼합을 하면 둘의 큰 차이는 없다. Figure 1은 제조 후 파장이 250 nm 자외선램프를 사용해 육안 검사 (eye inspection)를 수행한 그림이다. 알코올 기반 액체섬광검출용액은 기존의 유기 용매 기반 샘플에 비해서 나쁘지 않은 빛 방출량을 보여 준다. 비교를 위해 기준 샘플 (Reference, R, 그림에서 제일 오른쪽 유리병)로는 중성미자 검출에 사용하는 샘플을 사용하였다. LAB에 PPO를 3 g/l 용해하였고, 2차 파장변경을 위해 bis-MSB를 30 mg/l을 혼합하였다. 또한 더 많은 빛 방출을 위해 상업적으로 구입할 수 있는 DIN에 기반을 둔 Ultima Gold F (UG-F)를 추가 하였고, 가돌리늄 (Gd)을 0.5% 용해 (loading)하였다 [9].

Figure 1. (Color online) Light is emitted from samples using 240 nm UV lamp. (Left) water only, (Middle) NE2 alcohol-based LS and (Right) reference sample for comparison. Pure water does not emit light. An alcohol-based LS sample emits relatively moderate light output compared with R samples.

2. 물리 광학적 특성 측정

알코올 기반 액체섬광검출용액을 고에너지 입자 검출기나 의학물리 분야에 사용하기 위해서는 발생한 빛이 광증 폭관에 잘 도달해야 한다. 광학적 투명도 값을 알아보기 위해 투광도 (transmittance, [T]) 값을 측정하였는데 사용한 분광광도계는 Shimadzu UV/Vis-1800이며 200 nm에서부터 700 nm까지 1 nm 단위로 스캔하였다. 한편 흡광도 (absorption, Abs)는 경험적인 광학식에 의해 계산되는데, 흡광도는 Abs = −log10(I/Io)로 주어진다. Io 는 입사된 빛의 세기를 나타내고 I 는 방출된 빛의 세기를 나타낸다. Figure 2 (a)는 파장에 따른 투광도 값을 나타낸다. 형광체인 PPO는 – 360 nm의 빛을 방출하고 2차 파장변경물질인 bis-MSB는 이 파장의 빛을 흡수해 – 420 nm의 빛을 방출하는데, 이 빛이 광증폭관에 도달한다. PPO와 bis-MSB의 첨가가 파장이 오른쪽으로 계속 이동 (shift)되는 것을 볼 수 있다. 가시광선 영역에서 측정된 샘플들은 모두 투광도 값이 95% 이상 매우 높다는 것을 알 수 있다. Figure 2 (b)는 이들 사이의 에너지 흡수와 방출 교환과정을 잘 보여준다. 형광스펙트럼은 Varian Cary Eclipse 형광 분광 광도계(fluorescence spectrometer)를 사용하였고 각 샘플의 흡광도에 따라 적적한 여기 (excitation) 파장을 선택하여 350 – 450nm 사이에서 변경하면서 측정을 하였다.

Figure 2. (Color online) (a) Transmittance ([T]) of alcohol-based liquid scintillators with several different samples as a function of wavelength. (b) Absorption (Abs) and emission spectrum as a function of wavelength on one plot. The addition of fluor and secondary WLS continues to shift the wavelength to the right. Based on the absorption spectra of the samples, excitation wavelength was selected. The overlap of absorption and emission spectra in each sample group can be seen.

3. 빛 방출량 측정 장비 및 결과

알코올 기반 액체섬광검출용액의 물리 광학적 특성도 중요하지만, 이를 검출기에 활용하기 위해서는 충분한 빛 방출량 또한 매우 중요하다 [10]. 이를 위해 간단한 데이터 획득 장치 (data acquisition, DAQ) 시스템을 구성하였다. 유리병에 100 ml 의 샘플을 넣고, 이를 2인치 Hamamatsu H7195 광증폭관에 부착을 하였고, 60Co 소스를 사용하였다. 사용한 광증폭관은 바이-알칼리 (bi-alkali)로 만들어졌고 420 nm 파장에서 – 23% 양자효율을 가지고 있다. 광증폭관 에서 측정된 데이터는 파형 (pulse) 측정을 위해 400 MHz 병렬비교형 아날로그-디지털 변환기 (flash analog digital converter, FADC)를 이용하였고, 리눅스 시스템과 연결하여 C 프로그래밍 언어와 ROOT를 이용하여 최종적으로 데이터 분석을 하였다. 샘플의 빛 방출량은 컴프턴 산란에 의한 반치전폭 (full width at half maximum, FWHM)에 의해 결정하였다.

Table 1에서 보듯이, S2 샘플과 NE3 샘플의 차이는 알코올과 2-에톡시에탄올의 사용인데, 두 샘플 모두 빛 방출량을 측정할 수 있었다. 기준 샘플 (R)의 빛 방출량을 100으로 했을 때, 알코올 기반 샘플인 S5는 약 40%, 2-에톡시에탄올 기반 NE3은 약 50%의 빛 방출량을 얻었다. 일반적으로 POPOP 샘플인 S4보다는 bis-MSB를 혼합한 샘플 S5의 빛 방출량이 좀 더 명확한 컴프턴 곡선을 주었다. PPO와 bis-MSB가 모두 혼합된 샘플인 NE2는 약 60%에 해당하는 빛 방출량을 나타내었다. 하지만, 컴프턴 산란 그래프가 뚜렷한 봉우리 (peak)을 나타내는 것보다는 다소 넓어짐을 알 수 있었다. 기본적으로 알코올의 비율이 물보다 많은 샘플에서는 PPO와 bis-MSB의 양에 따라 빛 방출량이 다르지만 뚜렷하게 방출하는 빛 (scintillating light)을 볼 수 있다. 한편, 물의 비율이 알코올 보다 많은 샘플에서도 형광체의 양을 잘 조절함으로써 최소한의 빛 방출을 유도할 수 있다. 이것은 계면활성제를 사용하는 기존의 물-기반 액체섬광검출의 단점들을 대체할 수 있는 좋은 용액으로써의 활용 가능성을 보여 주는 매우 의미 있는 결과라고 볼 수 있다 [9].

1. 몬테카를로 시뮬레이션

알코올 기반 액체섬광검출용액 활용의 한 예로 의학물리 분야를 조사하였다. 임상적으로 유용한 전자선의 에너지 범위는 6 – 20 MeV인데, 이 에너지 영역에서 전자선은 특징적으로 피부 표면 약 5 cm 내에 에너지를 급격히 잃어버리기 때문에 깊은 조직에 대한 피해를 최소화하면서 표면 종양을 치료하는데 효과적으로 사용될 수 있는 이점을 제공한다 [11,12].

방사선 종양학 치료에서 사용하는 전자선 비정 측정과의 비교를 위해 아래와 같은 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 아크릴로 제작된 넓이 5 cm × 길이 10 cm × 높이 10 cm 인 비정 측정용 사각 용기를 설계 제작하였다. 윗면은 전자선이 직접 충돌할 수 있게 열린 공간이고, 양 옆면은 석영으로 제작하여 전자선을 이쪽으로도 통과할 수 있게 하였다. 즉, 피부표면 존재하는 종양치료를 위하여 전자선을 직접 입사함으로써 치료의 목적을 달성하는 상황을 가정하여 측정 용기를 목적에 맞게 제작하였고, 이 용기에 액체는 0.4 l 를 주입하였다. 또한 실제 방사선 치료에서 전자선은 피부 반경 1 – 1.5 cm 정도 되는 부위와 한정된 얕은 깊이에 조사하기 때문에 Geant4 전산모사에서 입사되는 전자선의 발생 지점을 고정하지 않고 변하게 하였고 입사에너지는 6, 9, 12 MeV 세 종류를 생성하였다.

2. 측정 결과 비교

Figure 3은 2-에톡시에탄올 용매로 채워진 용기에 12 MeV 전자선을 주사하였을 때, 전자선이 용기 내에 진행하는 궤적을 나타내고 있다. 밀도가 작을수록 비정은 길어짐을 알 수 있다. 치료 방사선분야에서 주로 사용하는 비정은 실(용)비정 (practical range, Rp)이다. 실비정은 선량 곡선의 선형 부분과 제동 복사 (bremsstrahlung) 꼬리를 외삽하여 찾을 수 있는데, 이 두 선이 교차하는 지점으로 정의된다. 초순수의 경우 실비정은 경험식에 의하면 입사 전자선 에너지의 – E/2 [cm] 정도 된다 [13,14].

Figure 3. (Color online) Event display of beam-path-length of 12 MeV electron beam in the acrylic container filled with a density of 0.93 g/cm3 (2-ethoxyethanol). Red color represents electron beams and green color indicates gamma.

제조한 샘플의 비정을 추정하기 위해서 NE2 샘플을 기반으로 한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. NE2 샘플의 경우 측정된 밀도는 0.945 ± 0.001 g/cm3 이다. 이를 기반으로 한 몬테카를로 시뮬레이션 결과에 의하면, 실비정은 전자선의 입사 에너지가 6, 9, 12 MeV일 때, 약 3.1, 4.7, 6.3 cm 이다.

한편, 다른 방법을 통한 비정 검증을 위해 방사선량 측정에 사용하는 팬텀 (Arc-CHECK Phantom)을 이용하였다. 팬텀에서 중요한 요소는 유효 원자번호와 밀도인데, 인체의 주 성분인 물과 비슷하게 하기 위해 1.0 g/cm3 을 사용하였다. Figure 4는 12 MeV 전자선을 입사했을 때 팬텀에서의 비정을 보여주고 있다. 6, 9, 12 MeV의 전자선을 조사했을 때, 팬텀에서 비정은 각각 3.0, 4.2, 5.7 cm 임을 알 수 있었다.

Figure 4. (Color online) (a) A water equivalent Arc-CHECK phantom. (b) Image of phantom with 12 MeV electron beam.

또한, 알코올 기반 액체섬광검출용액의 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 비교하기 위해 선형가속기를 사용하고 어떠한 각도에서도 전자선 주사가 가능하면서 암치료 (cancer therapy)에 사용하는 Varian Novalis-Tx 시스템을 이용하여 전자선의 비정을 직접 측정해 보았다. Figure 5 (a)는 Varian Novalis-Tx 시스템이고, Fig. 5 (b)는 전자선을 조사하기 전 모습이고 Fig. 5 (c)는 6 MeV 전자선 빔을 조사하였을 때 5초간 노출하여 카메라로 촬영한 영상으로, 전자선 빔의 분포를 보여주는 하나의 예시이다. 비정 측정을 위해 낮은 피사계 심도, 화각 가장자리 왜곡, 수차에 따른 왜곡 영향을 피하기 위해 촬영 거리를 조정해 예상 비정 부분에 평형으로 초점 맞추었고, 용기면과 최대한 수평이 되게 촬영하였다.

Figure 5. (Color online) Range of 6 MeV electron beam onto the sample. This image is taken with the camera after being exposed for 5 seconds when a 6MeV electron beam is irradiated onto the sample. (a) Novalis-Tx system (b) a sample before electron beam from Varian Novalis-Tx is injected. (b) Image of electron beam range with Novalis-Tx in the sample.

이제 비정 측정은 위 3.1절에서 설명한 아크릴로 제작한 비정 측정용 용기에 NE2 샘플을 채운 뒤 위에서부터 아래 쪽으로 내려간 전자선의 길이를 측정하였다. 전자선의 입사 에너지가 6, 9, 12 MeV일 때 측정된 길이는 약 3.2, 5.0, 6.5 cm 이다. 따라서 밀도차를 고려할 때 몬테카를로 실비정 예측값과 실제 길이 측정값이 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다.

알코올을 사용하여 액체섬광검출용액을 제작하여 검출기로써의 사용 가능성을 조사하였다. 물리 광학적 성질로 투광도, 흡광도 및 형광을 측정하였는데, 높은 투명성과 용매와 형광체 사이의 에너지 교환과정의 특성을 잘 보여주었다. 고에너지 입자 검출기에 사용하기 위해서는 빛 방출량이 중요하다. 광증폭관을 사용하여 액체섬광검출용 액의 빛 방출량 측정하였는데, 액체섬광검출용액의 구성 배합 비율을 조절함으로써 가능하다는 것을 알 수 있었고 파장은 광증폭관의 최대 양자효율을 주는 ~ 420 nm까지 이동 시켰다.

활용의 한 예로, 의학물리 분야에서 가능성을 알아보았다. 제작한 비정 측정용 사각 용기에 전자선을 입사함으로 써 입사 에너지에 따른 비정 결과를 비교하였다. 알코올 기반 액체섬광검출용액에 전자선을 조사하여 비정을 세 가지 (몬테카를로 시뮬레이션, Arc-CHECK 팬텀, Novalis-Tx) 방법으로 결과를 비교하였는데, 측정한 샘플들의 밀도차를 고려할 때 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 서로 크게 차이가 나지 않음을 확인 할 수 있었다. 향후, 본 연구에서 조사한 알코올 기반 액체섬광검출용액이 도시메트리(dosimetry)를 포함한 방사선치료방법을 향상에 기여할 수 있을 것이다 [15]. 최종적으로 알코올 기반 액체섬광검출용액이 입자검출기로서 사용하려면, 체렌코프 빛 (Cherenkov radiation)을 볼 수 있어야 하는데 [16], 현재 샘플들은 400 ml 이하 소량이므로 좀 더 부피가 큰 검출기로 이에 대한 제작 및 실험이 진행되어야 하며, 동시에 물에 대한 알코올의 비율 최소화와 이에 따른 형광체와 2차 파장변경물질에 대한 최적화 연구가 수행되어야 한다.

이 논문은 2019 년도 정부 (과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 (NRF-2019R1A2B5B01070451) 과 전남대학교 C-STAR 사업의 지원을 받아 수행된 연구입니다.

  1. Y. Abc et al; Double Chooz Collaboration, Phys. Rev. Lett. 108, 131801 (2012).
    CrossRef
  2. F. P. An et al; Daya Bay Collaboration, Phys. Rev. Lett. 115, 111802 (2015).
    CrossRef
  3. K. Eguchi et al; KamLAND Collaboration, Phys. Rev. Lett. 90, 021802 (2003).
    CrossRef
  4. C. D. Shin et al; RENO Collaboration, JHEP 2004, 029 (2020).
    CrossRef
  5. JUNO Collaboration, J. Phys. G 43(3), 030401 (2016).
    CrossRef
  6. S. W. Kim, J. of Radio. Sci. and Tech. 40(4), p621 (2017).
    CrossRef
  7. F. Ponisch et al, Med. Phys. 36(5), p1478 (2009).
  8. S. Beddar et al, Med. Phys. 36(5), p1736 (2009).
    CrossRef
  9. Y. S. Park, Y. M. Jang and K. K. Joo, Rev. Sci. Instrum. 89(4), 043302 (2018).
    Pubmed CrossRef
  10. S. H. So et al, Adv. High Energy Phys. 2014, 327184 (2014).
    CrossRef
  11. C. Amaloo et al, Rad. and onc. 49, 291 (2015).
    CrossRef
  12. Faiz M. Khan and John P. Gibbons, The Physics of Radiation Therapy. Fifth Edition, p p256.
  13. A. Ozdemir, Shi-Ping Teng, D. G. Lindstrom and D. W. Anderson, Rad. Res. 101, 2 (1985).
    CrossRef
  14. W. S. Kang, The Kor. J. of Rad. 16, 678 (1980).
    CrossRef
  15. A. S. Kirov et al, Phys. in Med. & Bio. 50, 13 (2005).
    CrossRef
  16. K. Nakamura, Int. J. of Mod. Phys. A 18, 4053 (2003).
    CrossRef

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