내부피폭 선량측정을 위한 갑상선 계측시스템 개발에 관한 연구

Abstract

[한글]본 연구에서는 원전 및 방사선 관련 작업종사자들의 내부피폭 선량측정을 위한 갑상선 계측시스템을 설계 및 제작하였으며, 계측시스템의 성능보정을 위해 NaI(Tl) 감마프로브의 검출효율을 계산하는 몬테칼로 모의실험 코드(CALEFF)를 개발하였다. 이때 NaI(Tl) 감마프로브의 신호증폭단의 동작특성을 분석하여 CALEFF 코드의 임계값으로 사용하였고, CALEFF 코드의 신뢰성을 검증하기 위해 간단한 선원(점 선원, 디스크 선원, 구형 선원)에 대한 모의실험 결과치와 이론적 해석치를 상호비교 하였으며, 범용화된 몬테칼로 모의실험 코드인 MCNPX2.4의 결과치와 비교하였다. 또한 갑상선 계측시스템의 검출효율을 실험적으로 측정하기 위하여 국내표준인에 근거한 갑상선 팬텀(K-THYRO)을 제작하였다. 표준한국인 설정은 1997년 산업자원부 산하 기술표준원에서 실시한 국민표준 체위조사의 결과로 얻어진 신체 외형에 대한 자료와 방사선보건연구원에서 실시하였던 ‘표준한국인 장기부피 설정연구’를 통해서 얻어진 주요 장기 부피 평균값을 두 번째 선정 기준으로 사용하여 두 가지 기준을 동시에 만족하는 자(연령이 35세, 신장이 172 cm, 체중이 68 kg인 성인 남성)의 단층촬영(PET/CT)한 영상을 이용하여 tomographic modeling 방법으로 팬텀을 제작하였다.

CALEFF 모의실험 코드에 사용된 내부피폭 선량측정 시스템의 구조는 갑상선에 분포한 감마선원을 대체한 점, 디스크, 구형의 단순화된 선원과 수학적 모델링갑상선 선원(K-MIRD), 인체의 연부조직를 모사하기 위한 5×5×5 ㎤인 물 팬텀, 감마선 검출기로서 반지름이 3.81 ㎝, 높이가 7.62 ㎝인 NaI(Tl) 신틸레이션 검출기로 구성하였다. 입사된 감마선원은 등방성(isotropic)을 가지며 물 팬텀 및 NaI(Tl) 신틸레이션 검출기와의 상호작용은 고전산란(coherent scattering), 광전흡수(photoelectric absorption), 그리고 컴프턴산란(Compton scattering)으로 제한하였다. 또한 입사된 감마선이 비균질 매질을 통과 할 때의 path-length sampling의 정확도를 향상시키기 위해서 virtual mean-free path 방법을 적용하였다. 사용한 감마선원의 에너지는 0.38, 0.412, 0.662, 1.17 MeV이며 선원과 검출기 사이의 거리를 1～10 ㎝로 변화시키면서 검출효율을 계산하였다. 모의실험 결과는 100만 개의 등방성 점 선원에 대해 모의실험 계산치와 해석적 계산치가 1% 이내에서 일치함을 확인하였으며, 0.412 MeV와 5 cm 거리의 실험조건에서 약 0.8% 의 오차를 보여 주었다. 또한 동일한 실험조건에서 MCNPX2.4 코드에 의한 검출효율은 0.0631로 계산되었으며 CALEFF 코드의 계산치 0.0634와 약 0.47% 의 오차를 보여주었다. 이상과 같은 검출효율의 상호비교를 통하여 본 연구에서 개발한 CALEFF 코드 계산과정의 신뢰도를 검증하였다. 갑상선 위치에 따른 검출효율의 보정인자를 알아보기 위해 3차원 공간에서 갑상선 팬텀을 0.2 ㎝간격으로 이동시켜 모의실험을 수행하였다. 갑상선 선원의 위치에 따른 검출효율의 변화량이 평균 0.037 %/㎜로 계산되었고, 갑상선 선원과 NaI(Tl) 검출기와의 거리에 따른 변화량이 평균 0.4 %/㎜로 계산되어 갑상선 선원의 위치보다 선원과 검출기 사이의 거리가 검출효율 변화에 더 큰 요인으로 작용됨을 모의실험을 통해 확인하였다.

본 연구 내용을 요약하면 갑상선 내부피폭 선량측정 시스템을 개발하였고, 시스템의 검출효율을 보정하기 위해 국내표준인 자료에 근거한 K-THYRO 갑상선 팬텀을 제작하였다. 또한 CALEFF 코드를 이용한 컴퓨터 모의실험을 통해 다양한 조건에서 검출효율을 계산하여 갑상선 내부피폭 선량측정 시스템의 보정인자를 획득하였다.

[영문]According to the Para. 5 of Art. 2 of the Korean Nuclear Safety Regulations which were revised in 1999, internal dose assessment as well as external one should be performed for nuclear power plant employees after 2003, and their estimate errors should also be within 50%. Thus, more accurate internal dosimetry is required. In this study, we have developed a Monte Carlo simulation code, the so-called CALEFF, which calculates detection efficiencies of χ- or γ-ray scintillation detectors, and also fabricated a thyroid phantom based on the reference Korean data, the so-called K-THYRO, for the more precise calibration of thyroid internal dosimetry. For checking the code calculation algorithm, we compared simulated efficiencies with analytic values for some simple source geometries such as a point, a disc, and a sphere. The discrepancy of the results was within 1%, which may verify the accuracy of the code calculation. We also calculated detection efficiency for K-MIRD thyroid model; the efficiency was 18.8% for a source-to-detector distance of 1 cm and a gamma energy of 0.412 MeV. In this thesis, the detection efficiency characteristics of a 3"x3" NaI(Tl) gamma probe were discussed by using the K-THYRO phantom and the CALEFF code with a variety of test conditions.