고순도 저마늄 감마선 검출기의 검출효율에 따른 유효입체각 검증에 관한 연구

장보석 한국방사선학회 2020 한국방사선학회 논문지 Vol.14 No.4

The distance between the source and the detector, the diameter of the detector, and the volume effect of the radiation source result in a change in solid angle at the detector entrance, which affects the determination of detection efficiency by causing a difference in path length within the detector. A typical analysis method for calculating solid angles was useful only for a source (60Co) with a simple geometric structure, so in this experiment, the distance between the detector and the source was measured by switching on for up to 25 cm with the reference point of window cap 0.5 cm. In addition, 450 and 1000 ㎖ Marinelli beaker of standard volumetric sources were closely adhered to the detector. For circular point sources co-axial with the detector, the change in the solid angle to the distance from the detector window is equal to half the square radius of the source versus the square radius of the detector, if the resulting relationship of the calculation analysis results in the detector being less than the radius of the source. Since the solid angular difference is 0.5 the result of Monte Carlo is acceptable. The relationship between detector and source distance is shown. Solid angles have been verified to decrease rapidly with distance. Measurement and simulation results for a volumetric source show a difference of ±1.01% from a distance of 0 cm and less than 4 % when the distance is reduced to 5 and 10 cm. It can be seen that the longer distance, the smaller efficiency angle, and the exponential increase in attenuation as the energy decreases, is reflected in the calculation of efficiency. Thus, the detection efficiency has proved sufficient for the use of solid angle and Monte Carlo codes. 선원과 검출기 사이의 거리, 검출기 지름, 방사선원의 부피 효과 등에 의해 검출기 입사면에서 입체각(solid angle)의 변화가 생기고 이는 검출기 내부에서의 경로 길이(path length) 차이를 유발하여 검출효율 결정에 영향을 미친다. 유효입체각 계산을 위한 일반적인 분석 방법은 단순한 기하학적 구조를 가진 선원 (60Co)에만 유용하여 본 실험에서는 검출기와 선원 간 거리 window cap 0.5 cm 기준점으로 하여 25 cm 까지 이동 시 켜면서 측정하였다. 또한 표준부피선원 450 ㎖, 1000 ㎖ 마리넬리 비이커는 검출기에 밀착 시켜 측정하였다. 검출기와 동축인 원형 점선원의 경우, 검출기 창으로부터의 거리에 대한 입체 각도의 변화를 측정치와 몬테카를로 시뮬레이션으로 계산 분석 관계의 결과 검출기의 반지름이 선원의 반지름보다 작을 경우, 입체 각도는 선원의 제곱 반지름 대 검출기의 제곱 반지름의 절반과 같다. 입체 각도의 차이는 0.53가 되므로 몬테카를로의 결과는 허용된다. 검출기-선원 간 거리의 역수와의 관계를 나타내었다. 입체각도는 거리에 따라 급격하게 감소함을 확인하였다. 부피선원에 대한 측정치와 시뮬레이션 결과는 거리 0 cm에서 1.01 %이며 거리가 5 cm, 10 cm로 멀어지면 4 % 미만의 차이를 보인다. 거리가 10 cm 일 때 처음으로 계산 결과가 측정 결과보다 작아진다. 이는 거리가 멀어질수록 입체각이 작아지고, 에너지가 낮아질수록 감쇠 효과가 지수 함수적으로 증가하는 원리가 효율의 계산에 반영되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 검출효율은 고체 각도 및 몬테카를로 코드를 사용하기에 충분함을 입증하였다.

A Study on the Comparison of HPGe Detector Response Data for Low Energy Photons Using MCNP, EGS, and ITS Codes

Kim,Jong-Oh,Kim,Jong-Kyung,Kim,Bong-Hwan,Kim,Soon-Young 대한방사선 방어학회 1996 방사선방어학회지 Vol.21 No.2

저에너지 광자에 대한 고순도 게르마늄 검출기의 에너지 반응데이타를, 3개의 몬테칼로 코드(MCNP4A, EGS4, ITS3의CYLTRAN)를 사용하여 계산하였다. 본 연구에서는, bare고순도 게르마늄 검출기(100 mm²×10 mm)가 사용되었고, 측정기표면의 중아에 pencil beam을 수직으로 입사시켰다. 관전효과 효율, Kα, 및 Kβ 이탈률을, 12 KeV 부터 60 KeV 범위까지 2 KeV 간격으로 입사된 X-선네너지의 함수로 나타내었다. 이 에너지범위에서 컴프턴산란률, 탄성산란률 및 투과율은 매우 작기 때문에 본 계산에서는 제외되었다. 비록 MCNP, EGS, CYLTRAN 코드의 저에너지 광자에 대한 고순도 게르마늄 검출기 에너지 반응데이터값은 약간의 차이를 나타내지만, 세가지 몬테칼로 코드는 검출기내의 저네너지 광자산란을 정확히 예측하고 있음을 알 수 있다. 또한 EGS나 ITS의 결과에 비해 저에너지 영역에서 정확성이 떨어진다고 여겨지는 MCNP의 결과도 EGS나 ITS의 결과에 상당하는 정확성을 보여주고 있으며, 제에너지 광자에 대한 검출기 반응데이타 계산에 응용될 수 있다. The energy response of HPGe detector for low energy photons was determined by using three Monte "Carlo codes. MCNP4A EGS4, and CYLTRAN in ITS3. In this study, bare HPGe detector (100 mm²×10 mm) was used and a pencil beam was incident perpendicularly on the center of the4 detector surface. The photopeak efficiency, Kαand Kβ escape fractions were calculated as a function of incident X-ray energies ranging from 12 to 60 KeV in 2-KeV increments. Since the Compton, elastic, and penetration fraction were negligible in this energy range, they were ignored in the calculation. Although MCNP, EGS and CYLTRAN codes calculated slightly different energy response of HPGe detector for low energy photons, it appears that the three Monte Carlo codes can predict the low energy photon scattering processes accurately. The MCNP results, which are generally known as to be less accurate at low energy ranges than the EGS and ITS results, are comparable to the results of EGS and ITS and are applicable to the calculation of the low energy response data of a detector.

HPGe 검출기를 사용한 감마분광분석계의 점검선원 개발

이모성 대한방사선방어학회 2013 방사선방어학회지 Vol.38 No.2

HPGe 검출기를 사용하는 감마 분광분석계의 건전성을 점검하기 위한 실험실 선원이 개발되었다. 점검 선원은 0.154 mm 이하의 라듐이 풍부한 토양을 밀봉된 원통형 시료 용기에 담은 것으로, 검출기 교정에 사용할 12 개의 감마선이 방출된다. 점검 선원의 스펙트럼은 1년 동안 1개월 간격으로 측정하였으며, 스펙트럼에 나타난 감마선 피크들의 특성을 조사하였다. 감마 분광분석계가 정상일 때 라듐과 그 붕괴 생성물에서 3% 이상 방출률을 갖는 감마선들의 피크 면적과 반치폭은 77 keV 피크를 제외하고는 각각 표준편차 2%와 3% 이내에서 일정하였다. 따라서 점검 선원은 77 keV부터 2202 keV까지 영역에 있는 10개의 피크를 사용하여 분광분석계의 건전성을 점검하는데 충분한 것으로 판단되었다.

p-type HPGe 검출기 특성에 따른 밀도 보정인자 의존도 평가

장미,지영용,김창종,이완로,강문자 한국방사성폐기물학회 2015 방사성폐기물학회지 Vol.13 No.4

HPGe 검출기를 이용하여 밀도가 다양한 환경시료에 대한 정밀 분석시 정확한 분석을 위해서는 밀도보정인자가 필요하다. 밀도에 대한 보정인자를 구하기 위해서 본 연구에서는 몬테카를로 코드인 MCNPX 코드를 사용하여 크리스털의 높이, 지름및 코어의 크기와 같은 특성이 다른 세 대의 p-type HPGe 검출기를 모사하고 밀도 1 g/cm3의 교정용 표준시료를 이용하여 모델링을 검증하였다. 검증을 통하여 모델링을 확정한 후 0.3, 0.6, 0.9, 1.0, 1.2, 1.5 g/cm3 밀도를 가진 샘플에 대한 효율을 시뮬레이션하고 밀도보정인자를 도출하였다. 도출된 각 검출기에 대한 밀도보정인자를 비교하였을 때 전 에너지 범위에서 그차이가 거의 없음을 확인하였으며 이는 검출기의 크리스털과 같은 주요 특성에 대해 밀도보정인자가 독립적임을 의미한다. The precise determination of the activity for each radionuclide in environmental samples requires the self-absorption correction factor. In this research, we derived the self-absorption correction factor for three p-type high purity germanium detectors using the Monte Carlo code MCNPX. These detectors have different characteristics such as crystal diameter, height and size of the core. We compared the calculated full-energy peak efficiency with the experimental value using a standard sample with 1 g/cm3 density and verified the modeling. We simulated the dependency of the full-energy peak efficiency on the 0.3, 0.6, 0.9, 1.0, 1.2 and 1.5 g/cm3 samples and obtained the corresponding self-absorption correction factor. The self-absorption correction factors calculated for the three detectors differ by less than 1% over most of the energy range and sample densities considered. This indicates that the self-absorption correction factors are independent of the crystal characteristics of HPGe detector.

Penelope Simulation에 의한 불감층 두께 효과 및 HPGe 검출기 분석

장은성 ( Eun-sung Jang ),이효영 ( Hyo-yeong Lee ) 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.7

게르마늄 결정은 검출에 유용하지 않지만, 광자를 강하게 약화하기 때문에 효율성 저하를 일어키는 불감층을 가지고 있다. 따라서 제조업체가 제공하는 데이터를 검출기 시뮬레이션 모델에 사용하면 계산된 효율성과 측정된 효율성 사이에 약간의 큰 차이가 나타난다. 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기의 모양과 치수는 CT 스캔을 통해 몬테카롤롤 시뮬레이션을 위해 형상을 정확하게 형상화하였다. 이 결과 불감층 두께 증가가 효율 감소과정에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 불감층의 조정은 50 - 1500 keV의 에너지 범위에서 측정 효율과 시뮬레이션 효율 사이의 ± 3%의 상대편차와 함께 좋은 일치임을 확인하였다. 불감층 두께에 변화를 주어 시뮬레이션 데이터를 비교하였다. 몬테카롤로 시뮬레이션 결과를 실험 결과와 비교하여 새로운 불감층 두꼐를 얻었다. 1.4와 1.6 mm 두께의 End Cap 시뮬레이션 모델에서 1.5mm 두께의 End Cap시뮬레이션 모델에 대한 불감층 두꼐 결과의 차이는 End Cap 치수의 정확성으로 인한 체계적인 오류였다. 통계적 오류와 체계적 오류를 고려한 후, 검출기의 불감충 두께는 1.02±0.14 mm로 도출되었다. 따라서 불감층 두께의 증가는 효율성 감소에 영향을 미치는 것을 확인하였다. Germanium crystals have a dead layer that causes efficiency deterioration because the layer is not useful for detection but strongly weakens the photons. Thus, when the data provided by the manufacturer is used in the detector simulation model, there is a slight difference between the calculated efficiency and the measured efficiency.The shape and dimensions of the high purity germanium (HPGe) detector were determined by CT scans to accurately characterize the shape for the Monte Carlo roll simulation. It is found that the adjustment of the dead layer is a good match with the relative deviation of ± 3% between the measurement efficiency and the simulation efficiency at the energy range of 50 - 1500 keV. Simulation data were compared by varying the thickness of the dead layer. The new Monte Carlo simulations were compared with the experimental results to obtain new blank layer thicknesses. The difference in dead layer results for the 1.5 mm thick end cap simulation model in 1.4 and 1.6 mm thick End Cap simulation models was a systematic error due to the accuracy of the end cap dimensions. After considering all errors including statistical errors and systematic errors, the thickness of the detector was calculated as 1.02 ± 0.14 mm. Therefore, it was confirmed that the increase in the thickness of the dead layer causes the effect to be effected on the efficiency reduction.

고순도 Ge 검출기의 전기적 노이즈 감소를 통한 감마선 에너지 스펙트럼의 분해능 향상에 관한 연구

이삼열(Samyol Lee) 한국방사선학회 2020 한국방사선학회 논문지 Vol.14 No.7

감마선 에너지 스펙트럼 연구에서 에너지 분석을 통한 핵종 분석은 매우 중요하다. 감마선 에너지 측정에 일반적으로 사용되는 고순도 Ge 검출기는 높은 에너지 분해능과 상대적으로 높은 검출 효율 때문에 일반적으로 사용된다. 그러나 반도체 검출기는 높은 에너지 분해능을 유지하기 위해 주변 환경에서 발생하는 노이즈를 효과적으로 차단하지 않으면 원래의 성능을 유지하기 어렵고 고가의 장치의 효과를 얻지 못하는 문제점이 있. 따라서 본 연구에서는 검출기에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하기 위해 접지 루프 아이솔레이터 (NEXT-001HDGL)를 사용했다. 에너지 분해능 향상 효과를 테스트하기 위해 양성자 가속기 KOMAC에 새로 설치된 HPGe 검출 장치를 사용했다. 감마선 에너지 2614 keV의 경우 에너지 분해능이 (0.16 ± 0.02) %에서 (0.11 ± 0.01) %로 개선되었고, 감마선 에너지 662 keV의 경우 에너지 분해능이 (0.72 ± 0.07) %에서 0.27 ± 0.03 %로 향상되었다. 이 결과는 KOMAC (Korea Multi-Purpose Accelerator Complex)의 HPGe 검출 장비를 이용한 감마선 스펙트럼 연구에 매우 유용한 것으로 판단된다. In the gamma-ray energy spectrum study, nuclide analysis through energy analysis is very important. High-purity Ge detectors, which are commonly used for gamma-ray energy measurements, are commonly used because of their high energy resolution and relatively high detection efficiency. However, in order to maintain a high energy resolution, the semiconductor detector has a problem in that it is difficult to maintain the original performance if the noise generated from the surrounding environment is not effectively blocked, and the effect of the expensive device is not achieved. Therefore, in this study, ground loop isolator (NEXT-001HDGL) was used to remove the electrical noise generated from the detector. In order to test the effect of improving energy resolution, HPGe detection device newly installed in the proton accelerator KOMAC was used. In the case of gamma-ray energy 2614 keV, the energy resolution was improved from (0.16 ± 0.02) % to (0.11 ± 0.01) %, and in the case of gamma-ray energy 662 keV of 137Cs isotope, the energy resolution was improved from (0.72 ± 0.07) % to (0.27 ± 0.03) %. This result is considered to be very useful for the gamma ray spectrum study using the HPGe detection equipment of KOMAC(Korea Multi-Purpose Accelerator Complex).

Efficiency Calibration of HPGe Detector in Normal ana Coincidence Mode for the Determination of Prompt Gamma-ray

Byoung-Chul Song,Yong-Joon Park,Kwang-Yong Jee 한국방사성폐기물학회 2004 방사성폐기물학회지 Vol.2 No.2

NIPS 시스템은 중성자 핵반응 결과 방출되는 즉발 감마선을 정량적으로 측정하는 장치이며 고체 및 액체 폐기물 중 존재하는 다양한 원소를 비파괴적으로 분석할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 NIPS 시스템에 이용된 고순도반도체 검출기의 계측효율을 Ba 및 Eu 방사성 동위원소 선원과 Cl(n, ) Cl 핵반응 시 발생되는 즉발감마선을 이용하여 80 keV에서 8 MeV까지 넓은 영역에 대하여 구하였다. Cl(n, ) Cl 핵반응을 이용한 고에너지 감마선의 계측효율은 즉발감마선의 방사능 값을 정확히 알 수 없기 때문에 저 에너지 영역에서 정확히 알고 있는 검출기 효율곡선에 규격화시켜 전 에너지 영역에서의 효율보정곡선을 구하였다. 또한 KCl 표준용액에 Cf 중성자 선원을 조사시켜 표준용액으로부터 방출되는 즉발 감마선을 고순도반도체 검출기로 측정하고 광대역 계측효율 곡선을 이용하여 수용액 시료에서의 평균 열중성자 속을 예측하였다. NIPS 측정시스템은 주변 재료 물질의 핵반응으로 방출되는 감마선 background를 줄이기 위해 두 개의 고순도반도체 검출기를 이용한 동시계수 장치가 고안되었으며, 동시계수 모드에서의 계측효율도 함께 고려되었으며, 표준선원을 이용하여 전 계수 또는 동시계수모드에서의 background에 대한 측정감도를 비교하였다.다. Neutron induced prompt gamma-ray spectroscopy(NIPS) system measures the prompt gamma-ray emitting by the interaction of a neutron with various materials. This system will be of great benefit to scientists worldwide, since it provides the non-destructive measurement of many element in either solid or liquid wastes. In this study, the full-energy-peak (FEP) efficiency calibration for a HPGe detector was constructed in the -ray energy range from 80 keV to 8 MeV, using Ba and >TEX>$^{152}Eu$ RI sources and $ ^{35}Cl(n, )^{36}Cl$ thermal neutron captured reaction. The FEP efficiency curve for the higher energies using the $^{35}Cl(n, )^{36}Cl$ reaction was normalized with the curve obtained from the RI sources, since the accurate activity of its prompt -ray is unknown. The average thermal neutron flux was theoretically calculated using the FEP efficiency curve for the KCl standard solutions. The NIPS system equipped with a - coincidence setup with two n-type coaxial HPGe detectors was considered in order to reduce the interfering -ray background. The FEP efficiency curve for the - coincidence system was also obtained for full energy range. The performance of the normal and coincidence NIPS system was tested by comparing signal-to-noise ratio in each mode using the reference sample.e.

고효율 HPGe 검출기의 동시합성효과 보정 연구

이모성,Lee, M.S. 대한방사선방어학회 2005 방사선방어학회지 Vol.30 No.3

단일 핵종의 붕괴시 방출된 두 감마선이 함께 검출기에 흡수될 때 cascade summing이 일어난다. 이 효과는 일부 핵종에서 10% 이상의 계통적 오차를 야기한다. 이들 동시합성 효과를 추산하기 위해 검출기 주위에서 측정한 피크-토탈 비를 사용하여 그 효과를 직접 계산하였다. 검출기 주번에서 주어진 에너지에 대한 피크-토탈 비는 일정하지 않을 수 있으며, 따라서 측정된 값의 평균을 사용하여야 한다 산란 물체에 의한 피크-토달 비의 영향에 대한 결과도 함께 포함되어 있다. Cascade summing occurs when two gamma-rays emitted in the decay of a single nucleus both deposit energy in a detector. The effect may cause systematic errors that can reach levels of more than ten percent for some radionuclides. A method for estimation of the effect of these coincidences was developed. It is based on direct computation of the effect by means of peak to total ratio measured for the place around the detector. It has been shown that the P/T ratio for the given energy in the working space around the detector may not be a constant value and must use its mean value. Some results from a peak to total calibration study in the presence of scattering materials are also given.

감마분광분석을 이용한 226Ra의 직접 측정방법에 대한 적용성 평가

지영용,정근호,임종명,김창종,장미,강문자,박상태,우주희,구본철,서보균 한국방사성폐기물학회 2014 방사성폐기물학회지 Vol.12 No.2

HPGe 감마선 검출기를 이용하여 226Ra의 방사능을 직접 측정방법의 경우, 226Ra의 186.21 keV 감마선이 235U에서 방출되는 185.7 keV 감마선에 의한 간섭을 받기 때문에 피크면적의 계산에서 반드시 보정이 필요하다. 비록 분해능이 아주 우수한 HPGe 검출기를 사용한다 하더라도 그리고 분광시스템의 채널수를 최대로 늘린다고 할지라도 약 0.5 keV 차이의 두 감마선 피크를 분리해 내기란 현실적으로 어려운 일이다. 본 연구에서는 감마분광분석을 이용한 226Ra의 직접 측정방법에 대한 적용 성을 평가하기 위하여, 여러 가지 간섭피크 보정들을 이용한 직접 측정방법을 조사하였다. 이를 원료물질 및 공정부산물 시 료들에 적용함으로써 직접 측정방법들에서 그 측정 불확도, 직선성 및 적용범위 등을 평가하였다. 최종적으로 방사평형 관 계를 이용하여 226Ra의 방사능을 측정하는 간접 측정방법으로부터 얻은 214Pb 및 214Bi의 결과를 직접 측정방법의 결과와 비 교함으로써 최적의 측정방법을 유도하였다. In the case of the direct measurement of 226Ra using a HPGe gamma-ray spectrometer, the interference between gammarays with 186.21 keV of 226Ra and 185.7 keV of 235U should be corrected to calculate the net peak area in the energy spectrum. In general, it is very difficult to conduct peaks stripping with difference of about 0.5 keV, although a HPGe with the superior resolution is applied and the maximum channels is applied to the spectrometer. In this study, several interference correction techniques in the direct measurement were surveyed to evaluate the feasibility for the measurement of 226Ra using the gamma-ray spectrometery. Applying the interference corrections to the analysis of raw materials and by-products, the method validation for the direct measurement of 226Ra was conducted by evaluating the measurement uncertainty, linearity, and range. As a result, the optimum method of the interference correction was selected by comparing with the indirect measurement of which progenies of 226Ra, such as 214Pb and 214Bi, were analyzed in the secular equilibrium state.

감마분광분석을 이용한 ²²⁶Ra의 직접 측정방법에 대한 적용성 평가

지영용,정근호,임종명,김창종,장미,강문자,박상태,우주희,구본철,서보균,Ji, Young-Yong,Chung, Kun Ho,Lim, Jong-Myoung,Kim, Change-Jong,Jang, Mee,Kang, Mun Ja,Park, Sang Tae,Woo, Zuhee,Koo, Boncheol,Seo, Bokyun 한국방사성폐기물학회 2014 방사성폐기물학회지 Vol.12 No.2

HPGe 감마선 검출기를 이용하여 $^{226}Ra$의 방사능을 직접 측정방법의 경우, $^{226}Ra$의 186.21 keV 감마선이 $^{235}U$에서 방출되는 185.7 keV 감마선에 의한 간섭을 받기 때문에 피크면적의 계산에서 반드시 보정이 필요하다. 비록 분해능이 아주 우수한 HPGe 검출기를 사용한다 하더라도 그리고 분광시스템의 채널수를 최대로 늘린다고 할지라도 약 0.5 keV 차이의 두 감마선 피크를 분리해 내기란 현실적으로 어려운 일이다. 본 연구에서는 감마분광분석을 이용한 $^{226}Ra$의 직접 측정방법에 대한 적용성을 평가하기 위하여, 여러 가지 간섭피크 보정들을 이용한 직접 측정방법을 조사하였다. 이를 원료물질 및 공정부산물 시료들에 적용함으로써 직접 측정방법들에서 그 측정 불확도, 직선성 및 적용범위 등을 평가하였다. 최종적으로 방사평형 관계를 이용하여 $^{226}Ra$의 방사능을 측정하는 간접 측정방법으로부터 얻은 $^{214}Pb$ 및 $^{214}Bi$의 결과를 직접 측정방법의 결과와 비교함으로써 최적의 측정방법을 유도하였다. In the case of the direct measurement of $^{226}Ra$ using a HPGe gamma-ray spectrometer, the interference between gammarays with 186.21 keV of $^{226}Ra$ and 185.7 keV of $^{235}U$ should be corrected to calculate the net peak area in the energy spectrum. In general, it is very difficult to conduct peaks stripping with difference of about 0.5 keV, although a HPGe with the superior resolution is applied and the maximum channels is applied to the spectrometer. In this study, several interference correction techniques in the direct measurement were surveyed to evaluate the feasibility for the measurement of $^{226}Ra$ using the gamma-ray spectrometery. Applying the interference corrections to the analysis of raw materials and by-products, the method validation for the direct measurement of $^{226}Ra$ was conducted by evaluating the measurement uncertainty, linearity, and range. As a result, the optimum method of the interference correction was selected by comparing with the indirect measurement of which progenies of $^{226}Ra$, such as $^{214}Pb$ and $^{214}Bi$, were analyzed in the secular equilibrium state.