신틸레이터(scintillator)의 방사능 분석능력을 비약적으로 향상 :: 산업뉴스

JST 첨단계측분석기술 기구개발프로그램의 일환으로서 미쯔비시전기주식회사 첨단기술종합연구소와 큐슈대학 대학원 종합이공학연구원 연구개발팀은 식품 등에 포함된 방사성 핵종을 단시간에 측정하고 동시에 저가격화를 실현한 방사능 분석장치를 개발하였다.

후쿠시마 제1원자력발전소 사고 후 식품 등의 방사성 세슘을 계측하는 니즈(needs)가 높아지고 있어 측정의 신속화와 장치의 저가격화가 요구되고 있다. 그러나 방사능 분석에 통상적으로 이용되는 게르마늄 반도체 검출기는 측정대상이 되는 방사성 세슘이 미량인 경우 측정에 많은 시간이 소요되고, 액체질소에 의한 냉각이 필요하기 때문에 운용에 필요한 비용이 높고, 장치도 고가였다. 한편, 범용적으로 사용되는 요오드화나트륨 신틸레이터는 게르마늄 반도체 검출기보다 단시간에 측정이 가능하고, 냉각이 필요하지 않아 저렴하다는 이점이 있지만, 방사능의 분석능력이 과제였다.

이번에 개발한 방사능 분석장치는 식품 등의 시료를 넣는 2리터의 마리넬리(Marinelli) 용기, 대형 요오드화나트륨 신틸레이터, 차폐체, 측정회로 유닛으로 구성되어 있다. 측정하는 유닛에는 요오드화나트륨 신틸레이터의 출력을 신호 복원처리하는 프로그램이 탑재되어 있다.

방사능을 분석하기 위해서는 방사선 에너지를 정확하게 식별하는 것이 필요하다. 종래 불충분했던 요오드화나트륨 신틸레이터의 에너지 식별 성능을 높이기 위해 방사선 에너지에 대한 검출기의 물리특성 차이를 이용하여 방사선 에너지를 정확하게 구하는 신호복원 기술을 개발하였다.

방사성 핵종에서 나오는 방사선(감마선)의 에너지는 본래 핵종별로 일정한 값으로 정해져 있다. 그러나 일반적으로 감마선을 방사선 측정기로 측정하면 검출기의 물리특성 때문에 측정결과는 다양한 에너지 값을 나타내는 것으로 알려져 있다. 때문에 검출하고자 하는 핵종에 고유의 에너지로 대응하는 신호를 검출하더라도 일부 감마선만 검출할 수 있어 높은 효율로 측정하는 것이 곤란하였다. 그리고 요오드화나트륨 신틸레이터는 에너지 측정결과의 변화폭이 크기 때문에 인접한 에너지를 구별하는 것이 불가능하여 핵종별로 방사능을 분석하는 능력이 불충분하였다.

감마선 에너지를 정확하게 효율적으로 구하는 방법으로서 방사성물질로부터의 감마선 에너지와 측정결과의 관계를 사전에 데이터베이스에 기록해 놓고 이 데이터베이스를 이용하여 측정결과를 감마선 에너지로 되돌리는 신호복원 기술이 개발되어 공간 선량의 산출 등 일부에서 이용되었다. 그러나 이 방법은 정밀도가 낮고, 식품 중의 방사능을 분석하는 데 충분치 않았다.

이번에 연구개발팀은 방사선의 물리거동 해석과 신틸레이터 중의 광선 추적을 조합시킨 독자적인 해석 시뮬레이션 기술을 이용하여 연산 정밀도를 높여 식품 중의 방사능 분석에 적용하는 데 성공하였다.

개발한 신호복원 기술을 탑재한 방사능 분석장치 프로토타입에 세슘 134와 137이 포함된 “현미 표준 인정물질”을 충진시켜 방사능 농도를 측정한 결과, 세슘 134와 137에 해당하는 에너지를 명확하게 분리하여 측정할 수 있다는 것을 확인하였다. 방사능 측정치는 표준물질의 인정치에 대해 ±10% 이내로 일치하고, 핵종별 방사능 측정이 가능하다는 것을 실증하였다.

본 장치는 고감도 대형 요오드화나트륨 신틸레이터를 이용하고 있으며, 일반적인 게르마늄 반도체 검출기의 약 1/10의 시간으로 측정할 수 있다. 예를 들면, 2kg의 일반 식품의 경우, 검출 하한 25Bq/kg을 계측시간 1분에 측정할 수 있다. 게르마늄 반도체 검출기의 도입이 비용면 및 유지관리면에서 곤란한 경우에도 방사성 세슘을 측정하기 위한 시스템을 저가로 도입할 수 있다.

2014년 4월부터 프로토타입 실증시험을 피해지(후쿠시마현)에서 개시한다. 검출시료의 표준작업에 소요되는 부담을 감소시키기 위해 소량시료(수백 밀리리터)에서의 측정에도 대응할 수 있도록 개량 개발을 동시에 추진할 예정이다.