KR20140062292A - The measuring method of nuclear material by nuclear fission reaction by neutron and low temperature detector, and the device thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 데 있다. 이를 위하여, 본 발명은 시료에 중성자를 조사하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 중성자 조사로 인한 핵분열 반응에 의한 온도변화에 따른 온도신호를 얻는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2의 온도신호로부터 핵분열 반응 발생률을 측정하고, 핵물질을 판별하는 단계(단계 3);를 포함하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 시료가 봉입된 금박 포일; 상기 금박 포일의 일면에 부착되는 저온검출기; 상기 저온검출기로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단; 상기 금박 포일, 저온검출기 및 증폭수단을 내부로 수용하여 밀폐된 계를 형성시키는 쳄버; 및 중성자를 상기 쳄버로 유출시키는 중성자 원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 저온검출기를 이용한 Q-분광학 기술에서 알파 붕괴에 따르는 알파 입자를 측정하던 것을 중성자에 의한 핵분열에 따르는 핵분열 생성물을 측정하는 것으로 대체하여 측정의 감도 및 신호대비 잡음비를 향상시켜 더 적은 양의 핵물질에 대한 측정을 보다 용이하고 빠르게 수행할 수 있다는 효과가 있다. An object of the present invention is to provide a method of measuring a nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and a low-temperature detector, and a device used therefor. To this end, the present invention provides a method comprising: irradiating a sample with neutrons (step 1); Obtaining a temperature signal according to a temperature change due to a fission reaction due to neutron irradiation in the step 1 (step 2); And measuring the rate of occurrence of the fission reaction from the temperature signal in step 2 and discriminating the nuclear material (step 3). The present invention also provides a nuclear material measurement method using a low temperature detector and a fission reaction using neutrons. The present invention also relates to a gold foil having a sample filled therein; A low temperature detector attached to one surface of the foil foil; Amplifying means for amplifying a signal detected from the low temperature detector; A chamber for receiving the gold foil, the low-temperature detector and the amplifying means therein to form a closed system; And a neutron source for discharging the neutrons to the chamber. The apparatus for measuring nuclear material using the neutron-induced fission reaction and the low temperature detector is provided. According to the present invention, the measurement of alpha particles following alpha decay in the Q-spectroscopic technique using a low-temperature detector can be replaced by measuring the fission products resulting from neutron fission, thereby improving the sensitivity of the measurement and the signal- The measurement of positive nuclear material can be performed more easily and quickly.
Description
본 발명은 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a neutron-assisted fission reaction, a nuclear material measurement method using a low-temperature detector, and a device used therefor.
방사능 핵종은 일정한 반감기를 가지고 붕괴하여 다른 핵종으로 변하는데, 이 붕괴 과정에서 여러 가지 종류의 방사선이 방출된다. 이들 방사선은 알파 입자, 베타선(전자 또는 양전자), 중성미자, 감마선, x-선 등이다. 이들 입자는 원자핵의 붕괴로부터 방출되거나 핵 주위에 여기된 전자들의 천이에 의해 방출된다. 붕괴 시 발생하는 이들 입자는 고유 에너지 스펙트럼을 가지는데, 이들 에너지 스펙트럼을 측정함으로써 붕괴 핵종을 판별할 수 있다.
Radionuclides decay with a certain half-life and turn into other nuclides, which release various types of radiation. These are alpha particles, beta rays (electrons or positron), neutrinos, gamma rays, x-rays, and the like. These particles are emitted by the decay of nuclei or by the transitions of electrons excited around the nucleus. These particles, which occur during decay, have an intrinsic energy spectrum that can be determined by measuring these energy spectra.
방사성 핵종의 질량과 붕괴 후 발생한 모든 입자들의 질량의 합에는 차이가 발생하는데, 붕괴 전후 질량 차이 즉 손실된 질량은 에너지로 전환되어 붕괴 시 발생한 개개 입자의 운동에너지 및 광자의 에너지로 분배된다. 방사성 핵종의 원자에 따라서 붕괴 후 질량 손실은 고유의 하나의 값으로 정해지는데, 통상 이를 핵종의 고유 Q-값이라고 한다. 물론 Q-값이 고정되어 있다 하더라도 붕괴 채널이 다양하여 발생한 알파 혹은 감마선 등은 매우 다양한 에너지 스펙트럼을 가진다. 알파 붕괴의 Q-값의 범위는 약 2 MeV에서 11 MeV 사이이다.
The difference between the mass of the radionuclide and the mass of all the particles generated after the collapse occurs. The mass difference before and after the collapse, ie, the lost mass, is converted into energy and distributed to the kinetic energy and photon energy of the individual particles generated at the time of collapse. Depending on the atoms of the radionuclide, the mass loss after collapse is set to a unique value, usually called the intrinsic Q-value of the nuclide. Of course, even if the Q-value is fixed, the alpha or gamma rays generated by various decay channels have a wide spectrum of energy. The Q-value range of alpha decay is between about 2 MeV and 11 MeV.
모든 방사성 핵종은 방사성 붕괴에 대해 고유 Q-값을 가지므로, 붕괴 과정에서 발생하는 모든 에너지 합 즉 Q-값을 측정하게 되면 핵종을 결정할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 핵물질(U 등)의 측정에 적용하면, 알파 붕괴의 Q-값을 측정하여 핵 활동 탐지, 핵물질 불법거래 및 테러 감시, 고준위 방사성 폐기물 처분장 환경 감시, 핵물질 처리시설 (핵연료 가공 및 생산시설)의 오염 감시, 환경 중 우라늄 측정 등에 활용할 수 있다.
Since all radionuclides have a unique Q-value for radioactive decay, the nuclides can be determined by measuring all the energy sums, or Q-values, occurring during the decay process. When applied to the measurement of nuclear material (U, etc.) using this principle, the Q-value of alpha decay can be measured to detect the nuclear activity, illegal transaction of nuclear material and terrorism surveillance, environment monitoring of high level radioactive waste repository, Nuclear fuel processing and production facilities), and uranium in the environment.
열이온화 질량 분석 방법(TI-MS, Thermal ionization-mass spectrometry)은 핵물질 측정을 위한 현존 최고의 기술로써, 필라멘트에 시료를 얹고 전류를 흘려 발생하는 열로 시료를 이온화시킨 후 질량/전하량(m/z) 분석을 통해 동위원소의 함량을 결정하는 기술이다. 분해능 및 감도가 매우 뛰어난 장점을 갖는다. 핵분열 트랙 검출기(fission track detector) 기법과 이온수지를 이용한 농축기술을 함께 적용할 경우 U을 ng (10-9 g) 수준까지 측정가능하다. 그러나 상기 방법에 따르면 이와 같은 전처리 공정이 반드시 수행되어야 한다는 문제점이 있다.
Thermal ionization mass spectrometry (TI-MS) is the best available technology for measuring nuclear materials. It is a method of measuring the mass / charge ( m / z ) Analysis to determine the content of isotopes. Resolution and sensitivity. When the fission track detector technique and the enrichment technique using ionized water are applied together, U can be measured up to ng (10 -9 g). However, according to the above method, there is a problem that such a pretreatment process must be performed.
중성자를 이용하여 핵물질을 검출할 수 있는데, 일례로 핵분열 트랙 검출기 (fission track detector) 기법이 사용될 수 있다. 상기 방법은 극미량의 핵물질이 포함된 미량의 시료를 플라스틱 사이에 두고 중성자속(neutron flux)이 높은 원자로에 넣었다가 꺼내면, 핵물질이 있는 시료는 플라스틱에 강한 상흔(fission track)을 남기는 방식이다. 이는 미량의 시료 중 핵물질 존재 여부 확인에 탁월하다는 장점이 있다. 그러나 상기 방식에 따르면 존재하는 핵물질의 정량(quantification)은 할 수 없다는 문제점이 있다.
Neutrons can be used to detect nuclear material, for example, a fission track detector technique can be used. This method is a method in which a sample having a nuclear material leaves a fission track on a plastic when a small amount of a sample containing a very small amount of nuclear material is placed between plastics and put into a reactor having a high neutron flux, . This has the advantage that it is excellent in confirming the presence of a nuclear substance in a trace amount of a sample. However, there is a problem in that the above method can not quantify the existing nuclear material.
또한, 중성자 방사화 분석법이 사용될 수 있다. 중성자속 (neutron flux)이 높은 연구용 원자로의 노심부근으로 시료를 보내 중성자를 조사시킨 후, 시료로부터 방출되는 감마선 또는 지발 중성자(delayed neutron)의 측정을 통해 핵물질을 측정한다. 상기 방식에 따르면 존재하는 핵물질의 정량(quantification)을 수행할 수 있다. 또한 지발 중성자를 측정하는 경우 측정의 감도 및 S/N 비(signal to noise ratio)가 감마선을 측정하는 경우에 비해 향상된다.
Neutron activation analysis can also be used. After neutrons are irradiated by sending a sample to the vicinity of the core of a research reactor with a high neutron flux, the nuclear material is measured by measuring gamma rays or delayed neutrons emitted from the sample. According to the above method, quantification of an existing nuclear material can be performed. In addition, the sensitivity of the measurement and the signal to noise ratio (S / N ratio) are improved when measuring the spurious neutron.
알파 분광을 이용하여 핵물질을 측정하는 방법을 사용할 수 있다. 이는 핵물질로부터 방출되는 알파 입자의 분광을 통해 핵물질의 양을 측정하는 기술이다. 이때 알파 입자의 측정에는 알파 입자에 의한 물질의 이온화(ionization)를 이용하는 반도체 검출기가 주로 사용된다. 알파 입자 측정에서 검출기는 도 1(a)에서와 같이 시료 외부에 놓이고, 시료를 빠져나와 검출기에 입사한 알파 입자를 측정한다. 그러나 이 방식에 따르면 검출기가 시료에 대해 일정한 입체각만을 차지하기 때문에 방출된 알파 입자의 일부분만을 측정할 수 있다. 또한 알파 입자는 투과력이 낮기 때문에 알파 입자가 충분히 탈출할 수 있을 만큼 시료를 얇게 만드는 노력이 필요하다. 이를 위해서는 시료의 산분해 후 전착 등의 전처리가 필요하다. A method of measuring a nuclear material using alpha spectroscopy can be used. This is a technique for measuring the amount of nuclear material through the spectroscopy of alpha particles emitted from nuclear material. At this time, a semiconductor detector using ionization of a substance by alpha particles is mainly used for measurement of alpha particles. In the alpha particle measurement, the detector is placed outside the sample as in FIG. 1 (a), and the alpha particles that exit the sample and enter the detector are measured. However, according to this method, only a part of the released alpha particles can be measured because the detector occupies a certain solid angle with respect to the sample. In addition, since the alpha particles have low permeability, efforts are needed to make the sample thin enough to allow the alpha particles to escape sufficiently. This requires pretreatment such as electrodeposition after acid decomposition of the sample.
이와 같이, 종래의 방식에 따르면 핵 하나가 붕괴할 때 발생하는 입자의 모든 에너지를 원하는 정확도로 측정하는 것은 쉽지 않고, 전처리 공정이 필요하다는 문제점이 있다. Thus, according to the conventional method, it is not easy to measure all the energy of particles generated when one nucleus collapses with a desired accuracy, and there is a problem that a pretreatment process is required.
이에 반해 앞서 기술한 저온검출기를 이용한 Q-분광학 기술은 에너지 스펙트럼의 해상도가 높고, 전처리 공정을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
On the other hand, the Q-spectroscopic technique using the low-temperature detector described above has a high resolution of energy spectrum and does not require a pre-processing step.
이에, 본 발명의 발명자들은 저온검출기를 이용한 Q-분광학 기술에서 알파 붕괴에 따르는 알파 입자를 측정하던 것을 중성자에 의한 핵분열에 따르는 핵분열 생성물을 측정하는 것으로 대체하면 측정의 감도 및 신호대비 잡음비를 향상시켜 더 적은 양의 핵물질에 대한 측정을 보다 용이하고 빠르게 수행할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention have found that, by replacing the measurement of alpha particles due to alpha decay in the Q-spectroscopic technique using a low-temperature detector by measuring the fission products by neutron fission, the sensitivity and the signal- The present inventors have found that measurement of a smaller amount of nuclear material can be performed more easily and quickly, thus completing the present invention.
본 발명의 목적은 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a method of measuring a nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and a low-temperature detector, and a device used therefor.
이를 위하여, 본 발명은To this end,
시료에 중성자를 조사하는 단계(단계 1); Irradiating the sample with a neutron (step 1);
상기 단계 1에서 중성자 조사로 인한 핵분열 반응에 의한 온도변화에 따른 온도신호를 얻는 단계(단계 2); 및Obtaining a temperature signal according to a temperature change due to a fission reaction due to neutron irradiation in the step 1 (step 2); And
상기 단계 2의 온도신호로부터 핵분열 반응 발생률을 측정하고, 핵물질을 판별하는 단계(단계 3);Measuring the rate of occurrence of the fission reaction from the temperature signal of step 2 and discriminating the nuclear material (step 3);
를 포함하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법을 제공한다.
And a nuclear material measurement method using a low temperature detector.
또한, 본 발명은 In addition,
시료가 봉입된 금박 포일;A foil foil filled with a sample;
상기 금박 포일의 일면에 부착되는 저온검출기;A low temperature detector attached to one surface of the foil foil;
상기 저온검출기로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단; Amplifying means for amplifying a signal detected from the low temperature detector;
상기 금박 포일, 저온검출기 및 증폭수단을 내부로 수용하여 밀폐된 계를 형성시키는 쳄버; 및A chamber for receiving the gold foil, the low-temperature detector and the amplifying means therein to form a closed system; And
중성자를 상기 쳄버로 유출시키는 중성자 원;A neutron source for discharging neutrons into the chamber;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치를 제공한다.
And a nuclear material measurement device using the neutron-induced fission reaction and the low-temperature detector.
본 발명에 따르면, 저온검출기를 이용한 Q-분광학 기술에서 알파 붕괴에 따르는 알파 입자를 측정하던 것을 중성자에 의한 핵분열에 따르는 핵분열 생성물을 측정하는 것으로 대체하여 측정의 감도 및 신호대비 잡음비를 향상시켜 더 적은 양의 핵물질에 대한 측정을 보다 용이하고 빠르게 수행할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 기존의 열이온화 질량 분석기를 사용하는 경우와 다르게 특별한 전처리 공정이 없이 수행될 수 있다. 이는 핵활동 탐지, 핵물질 불법거래 및 테러 감시, 고준위 방사성 폐기물 처분장 환경 감시, 핵물질 처리시설(핵연료 가공 및 생산시설)의 오염 감시, 환경 중 우라늄 측정 등에 활용될 수 있고, 학술적으로는 핵분열 단면적 측정 및 핵분열 생성물 연구에 활용할 수 있다.
According to the present invention, the measurement of alpha particles following alpha decay in the Q-spectroscopic technique using a low-temperature detector can be replaced by measuring the fission products resulting from neutron fission, thereby improving the sensitivity of the measurement and the signal- The measurement of positive nuclear material can be performed more easily and quickly. Unlike the case of using a conventional thermal ionization mass spectrometer, it can be performed without any special pretreatment process. This can be used for nuclear activity detection, illegal trading of nuclear materials and terrorism, environmental monitoring of high-level radioactive waste repository, monitoring of pollution in nuclear material processing facilities (nuclear fuel processing and production facilities), uranium measurement in the environment, Measurement and fission product research.
도 1(a)는 알파 분광을 이용한 기술의 개념도이고; (b)는 저온검출기를 이용한 Q-분광학 기술의 개념도이고;
도 2는 본 발명에 따른 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법의 개념도이고;
도 3은 중성자 빔 시설별 중성자속(neutron flux) 현황을 나타낸 표이고;
도 4는 본 발명에 따른 초전도상전이센서를 사용하는 경우의 측정계통 구성에 대한 개념도이다. FIG. 1 (a) is a conceptual view of the technique using alpha spectroscopy; (b) is a conceptual diagram of a Q-spectroscopic technique using a low-temperature detector;
FIG. 2 is a conceptual diagram of a nuclear material measurement method using a neutron-assisted fission reaction and a low-temperature detector according to the present invention;
FIG. 3 is a table showing the state of neutron flux according to a neutron beam facility;
4 is a conceptual diagram of a measurement system configuration in the case of using the superconducting phase transition sensor according to the present invention.
본 발명의 목적은 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 데 있다. 이를 위하여 본 발명은 저온검출기를 이용한 Q-분광학 기술에서 알파 붕괴에 따르는 알파 입자를 측정하던 것을 중성자에 의한 핵분열에 따르는 핵분열 생성물을 측정하는 것으로 대체하면 측정의 감도 및 신호대비 잡음비를 향상시켜 더 적은 양의 핵물질에 대한 측정을 보다 용이하고 빠르게 수행할 수 있는 핵물질의 측정방법을 제공한다.
An object of the present invention is to provide a method of measuring a nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and a low-temperature detector, and a device used therefor. For this purpose, the present invention is based on the fact that in the Q-spectroscopic technique using a low-temperature detector, the measurement of alpha particles following alpha decay is replaced with the measurement of fission products following neutron fission, thereby improving the sensitivity of measurement and the signal- It provides a method of measuring nuclear material that can more easily and quickly measure positive nuclear material.
이에, 본 발명은Therefore,
시료에 중성자를 조사하는 단계(단계 1); Irradiating the sample with a neutron (step 1);
상기 단계 1에서 중성자 조사로 인한 핵분열 반응에 의한 온도변화에 따른 온도신호를 얻는 단계(단계 2); 및Obtaining a temperature signal according to a temperature change due to a fission reaction due to neutron irradiation in the step 1 (step 2); And
상기 단계 2의 온도신호로부터 핵분열 반응 발생률을 측정하고, 핵물질을 판별하는 단계(단계 3);Measuring the rate of occurrence of the fission reaction from the temperature signal of step 2 and discriminating the nuclear material (step 3);
를 포함하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법을 제공한다.
And a nuclear material measurement method using a low temperature detector.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 단계 1은 시료에 중성자를 조사하는 단계이다.
In the nuclear material measurement method according to the present invention, the step 1 is a step of irradiating a sample with neutrons.
본 발명에 따른 방법에서는 종래의 알파 붕괴에 의한 알파 입자를 측정하는 방법이 아니라, 중성자 조사를 통한 핵분열 단계를 추가하여 핵분열 생성물의 운동에너지에 의한 온도 변화를 측정하는 방법을 사용함으로써, 종래의 알파 붕괴에 의한 Q-분광에서와 마찬가지로 시료의 전처리 과정을 필요로 하지 않고, 종래의 방법에서의 에너지보다 신호 대비 잡음비(S/N ratio, signal to noise ratio)가 향상된다.
In the method according to the present invention, by using a method of measuring the temperature change due to the kinetic energy of the fission products by adding a fission step through neutron irradiation instead of the conventional method of measuring alpha particles by alpha decay, As in the case of Q-spectroscopy by collapse, the preprocessing process of the sample is not required, and the signal to noise ratio (S / N ratio) is improved more than the energy in the conventional method.
구체적으로는, 핵물질(U 등)은 중성자와 핵분열 반응을 통해 2 개 또는 3 개의 핵(핵분열 생성물)으로 분열하면서 중성자, 감마선, 베타선, 중성미자 등의 방사선을 함께 방출한다. 핵분열 반응 또한 방사성 붕괴와 마찬가지로 반응 전후 반응에 참여한 모든 입자의 질량 합에 손실이 발생하며, 이를 핵분열 반응의 Q-값이라 한다. 핵분열 반응의 Q-값 또한 핵분열 생성에 의해 얻어진 핵분열 생성물, 중성자 등 개개 입자의 운동에너지와 광자의 에너지로 분배된다. 핵분열 반응은 방사성 핵종의 붕괴와 달리 핵분열 반응의 Q-값이 특정한 하나의 값을 갖지 않으나 고유한 분포를 갖는다. 핵분열 반응의 Q-값이 고유한 분포를 갖기 때문에 핵분열 과정에서 발생하는 모든 에너지 합을 측정하게 되면 핵분열 반응을 일으킨 핵물질을 결정할 수 있다. 핵분열 반응의 Q-값은 약 200 MeV 정도이다. 핵분열 반응의 Q-값은 약 200 MeV 이고, 이중 약 160 MeV가 핵분열 생성물의 운동에너지로 방출된다. 핵분열 생성물은 투과율이 매우 낮기(5 MeV 알파입자의 절반 수준) 때문에 이들의 운동에너지는 금박 포일 흡수체에 모두 흡수된다. Specifically, the nuclear material (U, etc.) releases neutrons, gamma rays, beta rays, neutrinos, and the like together while breaking into two or three nuclei (fission products) through a fission reaction with a neutron. Fissile reactions Like radioactive decay, there is a loss in the mass sum of all particles involved in the reaction before and after the reaction, which is called the Q-value of the fission reaction. The Q-value of the fission reaction is also distributed to the kinetic energy and photon energy of individual particles such as fission products, neutrons, etc., obtained by fission generation. Unlike the decay of radionuclides, the fission reaction does not have a single value for the Q-value of the fission reaction, but has a unique distribution. Since the Q-value of the fission reaction has a unique distribution, it is possible to determine the nuclear material that caused the fission reaction by measuring all the energy sum generated in the fission process. The Q-value of the fission reaction is about 200 MeV. The Q-value of the fission reaction is about 200 MeV, about 160 MeV being released as the kinetic energy of the fission product. Since the fission products are very low in transmittance (half of the 5 MeV alpha particles) their kinetic energy is absorbed by all of the gold foil absorbers.
핵분열 반응의 Q-값의 나머지(약 40 MeV)는 중성자, 감마선, 베타선, 중성미자의 운동에너지로 방출되는데, 이들 입자는 투과력이 매우 크기 때문에 금박 포일 흡수체에는 에너지 전달을 거의 하지 않는다. The remainder of the Q-value of the fission reaction (about 40 MeV) is released as the kinetic energy of neutrons, gamma rays, beta rays and neutrinos. These particles have very high permeability and therefore have little energy transfer to the gold foil absorber.
알파 입자의 Q-값은 약 5 MeV 정도이나 핵분열 생성물의 Q-값은 약 160 MeV이므로, 본 발명에 따르면 알파입자에 비해 30 배 이상 강한 신호를 얻을 수 있기 때문으로, 이를 통해 본 발명에 따른 방법을 사용하면 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 커서 더욱 우수한 측정감도를 가지는 것을 알 수 있다.
Since the Q-value of the alpha particle is about 5 MeV but the Q-value of the fission product is about 160 MeV, according to the present invention, a signal 30 times stronger than that of the alpha particle can be obtained. Method is used, the signal to noise ratio is large, so that the measurement sensitivity is better.
이러한 측정방법은 핵 활동 탐지, 핵물질 불법거래 및 테러 감시, 고준위 방사성 폐기물 처분장 환경 감시, 핵물질 처리시설 (핵연료 가공 및 생산시설)의 오염 감시, 환경 중 우라늄 측정 등에 활용될 수 있고, 학술적으로는 핵분열 단면적 측정 및 핵분열 생성물 연구에 활용할 수 있다.
These measurement methods can be used for nuclear activity detection, illegal trading of nuclear material and terrorism, environmental monitoring of high level radioactive waste repository, monitoring of pollution of nuclear material processing facility (nuclear fuel processing and production facility), uranium measurement in the environment, Can be used for fission cross-sectional area measurement and fission product research.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 시료는 금박 포일로 전체를 감싸도록 봉입되는 것이 바람직하다. 이는 금박 포일의 내부에서 방출된 핵분열 생성물의 운동에너지가 금박 포일에 전부 흡수되게 하여 온도신호로 변환될 수 있도록 하기 위함이다. 봉입하는 방법으로는 다양한 방법을 이용할 수 있으나, 대상물에 열을 가하면서 롤러로 가압하여 봉입하는 기술인 확산 용접 방식으로 봉입할 수 있다.
In the method of measuring nuclear material according to the present invention, it is preferable that the sample is enclosed with a foil foil. This is to allow the kinetic energy of the fission product released from the inside of the foil foil to be completely absorbed into the foil foil and converted to a temperature signal. Various methods can be used for sealing, but they can be sealed by a diffusion welding method, which is a technique of pressing and sealing the object with a roller while applying heat.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 금박 포일의 두께는 15 ㎛내지 40 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 금박 포일의 두께가 15 ㎛ 미만인 경우 핵분열 생성물의 일부가 금박 포일의 외부로 빠져나가 버리기 때문에 정확한 핵분열 반응률을 측정할 수 없다는 문제가 있고, 40 ㎛를 초과하는 경우 금박 포일의 온도 변화가 크지 않기 때문에 그만큼 측정 에너지의 분해능이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
In the method of measuring nuclear material according to the present invention, it is preferable that the thickness of the foil foil is 15 mu m to 40 mu m. When the thickness of the foil foil is less than 15 탆, a part of the fission products is drained to the outside of the foil foil. Therefore, there is a problem in that it is impossible to measure an accurate fission reaction rate. When the thickness exceeds 40 탆, Therefore, there is a problem that the resolution of measured energy may be lowered.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 단계 1의 중성자 조사는 106 cm-2s- 1내지 109 cm-2s-1의 열중성자 또는 냉중성자 빔을 조사하여 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 장치의 감도는 중성자 빔의 세기에 의존한다. 하기 도 3은 각 기관별 중성자 빔 시설에서의 중성자속을 나타내는데, 이와 같이 연구용 원자로는 약 106 cm-2s- 1 의 중성자속인 장치를 주로 사용한다. 상기 중성자원이 106 cm-2s-1 미만의 중성자 빔을 조사하는 경우 감도가 낮아지는 문제점이 있고, 중성자속이 109 cm-2s-1을 초과하는 열중성자 또는 냉중성자 빔을 얻기는 현실적으로 어렵다.
In the nuclear measurement process according to the invention, the neutron irradiation in the step 1 10 6 cm -2 s - is preferably performed by irradiating the thermal neutrons or cold neutron beam of 1 to 10 9 cm -2 s -1 . The sensitivity of the device according to the invention depends on the intensity of the neutron beam. 3 is to represent the neutron flux at each institution neutron beam facility, and thus research reactors, from about 10 6 cm -2 s - used mainly neutrons lay apparatus of Fig. The neutron source is less than 10 6 cm -2 s -1, and the problem that the sensitivity is lowered when irradiating a neutron beam, neutron trick obtain thermal neutron or cold neutron beam exceeding 10 9 cm -2 s -1 is It is realistically difficult.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 중성자 조사된 시료로부터 온도변화에 따른 온도신호를 얻는 단계이다. 상기 시료는 금박 포일 내에 완전히 봉입되므로, 핵분열 생성물의 운동에너지가 금박 포일 내에 모두 흡수될 수 있다. 이를 통해 금박 포일 상에서 온도 변화가 일어나게 되는데, 이러한 온도변화를 에너지 분해능이 우수한 저온검출기를 통해 검출할 수 있다.
In the nuclear material measuring method according to the present invention, the step 2 is a step of obtaining a temperature signal according to a temperature change from the neutron irradiated sample in the step 1. Since the sample is completely enclosed within the foil foil, the kinetic energy of the fission product can be absorbed into the foil foil altogether. This results in a temperature change on the foil foil, which can be detected by a low-temperature detector with excellent energy resolution.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 단계 2의 온도신호는 초전도상전이센서(TES, transition edge sensor), 자기양자센서(MMC, metalic magnetic calorimeter) 및 초전도 터널 접합(STJ, superconduction tunnel junction)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 통해 얻는 것이 바람직하다.In the method of measuring a nuclear material according to the present invention, the temperature signal of the step 2 may include a transition edge sensor (TES), a metalic magnetic calorimeter (MMC) and a superconduction tunnel junction (STJ) Is preferably obtained through one kind selected from the group consisting of
상기 초전도상전이센서(TES, transition edge sensor)는 초전도체의 전기저항이 금속과 초전도 전이온도 부근에서 급격히 변하는 현상과 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)의 고감도 특성을 이용한 열량계이다(도 4 참조). 중성자 조사를 통한 핵분열로 발생한 에너지를 금박 포일이 흡수하여 센서에서 저항이 증가하면, 흡수된 에너지에 비례하는 전류 변화가 회로에 발생한다. 이 미세한 전류의 변화를 SQUID로 측정함으로써 발생한 에너지의 정밀측정이 가능하며 에너지 스펙트럼을 분석할 수 있다. The TES (Transition Edge Sensor) is a calorimeter that uses a high sensitivity characteristic of a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) and a phenomenon in which electrical resistance of a superconductor rapidly changes near a metal and a superconducting transition temperature (see FIG. 4). As the gold foil absorbs the energy generated by fission through neutron irradiation and the resistance increases in the sensor, a current change proportional to the absorbed energy occurs in the circuit. By measuring the change of the minute current with the SQUID, it is possible to precisely measure the generated energy and analyze the energy spectrum.
상기 자기양자센서(MMC, metalic magnetic calorimeter)는 중성자 조사를 통한 핵분열로 발생하는 에너지를 금박 포일에서 흡수하여 온도가 상승하면 센서의 자화율(magnetic susceptibility)이 변화하여 이 변화를 SQUID로 측정하는 방식이다. The MMC (metalic magnetic calorimeter) absorbs energy generated by fission through neutron irradiation from the foil foil, and when the temperature rises, the magnetic susceptibility of the sensor changes, and the change is measured by the SQUID .
상기 초전도 터널 접합(STJ, superconduction tunnel junction)은 초전도-절연체-금속의 접합시 장벽의 두께에 따라 나타나는 터널링 현상을 이용하는 것으로, 상기 초전도 터널 접합을 이용하면, 중성자 조사를 통한 핵분열로 발생한 에너지를 금박 포일이 흡수하고, 이에 따른 온도변화로 인해 접합부에 전류가 발생한다. 이 미세한 전류의 변화를 SQUID로 측정함으로써 발생한 에너지의 정밀측정이 가능하며 에너지 스펙트럼을 분석할 수 있다.
The superconducting tunnel junction (STJ) utilizes the tunneling phenomenon depending on the thickness of the barrier in the superconducting-insulator-metal junction. When the superconducting tunnel junction is used, energy generated by fission through neutron irradiation The foil absorbs and current is generated at the junction due to the temperature change. By measuring the change of the minute current with the SQUID, it is possible to precisely measure the generated energy and analyze the energy spectrum.
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2의 온도신호로부터 핵분열 발생율을 측정하고, 핵물질을 판별하는 단계이다. 상기 단계 2에서 저온검출기로부터 얻은 온도신호는 펄스 및 그 계수에 따른 에너지 스펙트럼을 제공하고, 이로부터 핵분열 발생률을 측정하고 해당 핵종을 판별할 수 있다.
In the nuclear material measurement method according to the present invention, the
본 발명에 따른 핵물질 측정방법에 있어서, 상기 단계 3은 온도변화에 따른 상기 온도신호의 펄스를 계수하여 핵분열 발생율을 측정하고, 각 펄스의 크기를 통해 핵종을 판별하는 것이 바람직하다.
In the nuclear material measurement method according to the present invention, it is preferable that the
또한, 본 발명은 In addition,
시료가 봉입된 금박 포일;A foil foil filled with a sample;
상기 금박 포일의 일면에 부착되는 저온검출기;A low temperature detector attached to one surface of the foil foil;
상기 저온검출기로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단; Amplifying means for amplifying a signal detected from the low temperature detector;
상기 금박 포일, 저온검출기 및 증폭수단을 내부로 수용하여 밀폐된 계를 형성시키는 쳄버; 및A chamber for receiving the gold foil, the low-temperature detector and the amplifying means therein to form a closed system; And
중성자를 상기 쳄버로 유출시키는 중성자 원;A neutron source for discharging neutrons into the chamber;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치를 제공한다.
And a nuclear material measurement device using the neutron-induced fission reaction and the low-temperature detector.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 본 발명은 시료가 봉입된 금박 포일을 포함한다. 상기 금박 포일은 시료 전체를 감싸도록 이중막 형태로 봉입하여 사용한다. 이는 금박 포일의 내부에서 방출된 핵분열 생성물의 운동에너지가 금박 포일에 전부 흡수되게 하여 온도신호로 변환될 수 있도록 하기 위함이다. 봉입하는 방법으로는 다양한 방법을 이용할 수 있으나, 대상물에 열을 가하면서 롤러로 가압하여 봉입하는 기술인 확산 용접 방식으로 봉입할 수 있다.
In the nuclear material measuring apparatus according to the present invention, the present invention includes a foil foil in which a sample is enclosed. The foil foil is sealed in a double-layered form so as to surround the entire sample. This is to allow the kinetic energy of the fission product released from the inside of the foil foil to be completely absorbed into the foil foil and converted to a temperature signal. Various methods can be used for sealing, but they can be sealed by a diffusion welding method, which is a technique of pressing and sealing the object with a roller while applying heat.
이때, 상기 금박 포일은 시료를 감싸 핵분열 생성물이 빠져나가지 못하게 하고 금박 포일 흡수체의 질량을 줄여 가능한 온도 증가를 최대화하기 위해 두께가 15 ㎛ 내지 40 ㎛으로 시료 전체를 감싸도록 봉입하는 것이 바람직하다. 상기 금박 포일의 두께가 15 ㎛ 미만인 경우 핵분열 생성물의 일부가 금박 포일의 외부로 빠져나가 버리기 때문에 정확한 핵분열 발생률을 측정할 수 없다는 문제가 있고, 40 ㎛를 초과하는 경우 금박 포일의 온도 변화가 크지 않기 때문에 그만큼 측정 에너지의 분해능이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
Preferably, the gold foil foil is sealed so as to cover the entire sample with a thickness of 15 μm to 40 μm in order to prevent the fission products from escaping by wrapping the sample and to reduce the mass of the gold foil absorber to maximize possible temperature increase. When the thickness of the foil foil is less than 15 탆, a part of the fission products is discharged to the outside of the foil foil. Therefore, there is a problem that the rate of occurrence of fission can not be accurately measured. Therefore, there is a problem that the resolution of measured energy may be lowered.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 본 발명은 상기 금박 포일의 일면에 부착되는 저온검출기를 포함한다. 이때, 상기 저온검출기는 초전도상전이센서(TES, transition edge sensor), 자기양자센서(MMC, metalic magnetic calorimeter) 및 초전도 터널 접합(STJ, superconduction tunnel junction)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것이 바람직하다.In the nuclear material measuring apparatus according to the present invention, the present invention includes a low temperature detector attached to one surface of the foil foil. The low temperature detector may be one selected from the group consisting of a transition edge sensor (TES), a metalic magnetic calorimeter (MMC), and a superconduction tunnel junction (STJ).
상기 초전도상전이센서(TES, transition edge sensor)는 초전도체의 전기저항이 금속과 초전도 전이온도 부근에서 급격히 변하는 현상과 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)의 고감도 특성을 이용한 열량계이다(도 4 참조). 중성자 조사를 통한 핵분열로 발생한 에너지를 금박 포일이 흡수하여 센서에서 저항이 증가하면, 흡수된 에너지에 비례하는 전류 변화가 회로에 발생한다. 이 미세한 전류의 변화를 SQUID로 측정함으로써 발생한 에너지의 정밀측정이 가능하며 에너지 스펙트럼을 분석할 수 있다. The TES (Transition Edge Sensor) is a calorimeter that uses a high sensitivity characteristic of a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) and a phenomenon in which electrical resistance of a superconductor rapidly changes near a metal and a superconducting transition temperature (see FIG. 4). As the gold foil absorbs the energy generated by fission through neutron irradiation and the resistance increases in the sensor, a current change proportional to the absorbed energy occurs in the circuit. By measuring the change of the minute current with the SQUID, it is possible to precisely measure the generated energy and analyze the energy spectrum.
상기 자기양자센서(MMC, metalic magnetic calorimeter)는 중성자 조사를 통한 핵분열로 발생하는 에너지를 금박 포일에서 흡수하여 온도가 상승하면 센서의 자화율(magnetic susceptibility)이 변화하여 이 변화를 SQUID로 측정하는 방식이다. The MMC (metalic magnetic calorimeter) absorbs energy generated by fission through neutron irradiation from the foil foil, and when the temperature rises, the magnetic susceptibility of the sensor changes, and the change is measured by the SQUID .
상기 초전도 터널 접합(STJ, superconduction tunnel junction)은 초전도-절연체-금속의 접합시 장벽의 두께에 따라 나타나는 터널링 현상을 이용하는 것으로, 상기 초전도 터널 접합을 이용하면, 중성자 조사를 통한 핵분열로 발생한 에너지를 금박 포일이 흡수하고, 이에 따른 온도변화로 인해 접합부에 전류가 발생한다. 이 미세한 전류의 변화를 SQUID로 측정함으로써 발생한 에너지의 정밀측정이 가능하며 에너지 스펙트럼을 분석할 수 있다.
The superconducting tunnel junction (STJ) utilizes the tunneling phenomenon depending on the thickness of the barrier in the superconducting-insulator-metal junction. When the superconducting tunnel junction is used, energy generated by fission through neutron irradiation The foil absorbs and current is generated at the junction due to the temperature change. By measuring the change of the minute current with the SQUID, it is possible to precisely measure the generated energy and analyze the energy spectrum.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 본 발명은 상기 저온검출기로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단을 포함한다. In the nuclear material measuring apparatus according to the present invention, the present invention includes an amplifying means for amplifying a signal detected from the low temperature detector.
이때, 상기 증폭 수단은 SQIID(Superconducting Quantum Interference Device) 칩인 것이 바람직하다. 상기 증폭수단은 저온검출기로부터 검출된 신호를 증폭하여 이를 출력하기 위한 것으로서, 상기 SQUID 칩은,At this time, it is preferable that the amplifying means is a Superconducting Quantum Interference Device (SQIID) chip. Wherein the amplifying means amplifies a signal detected from the low temperature detector and outputs the amplified signal,
상기 저온검출기로부터 신호를 검출하는 SQUID 센서;A SQUID sensor for detecting a signal from the low temperature detector;
상기 SQUID 센서로부터 검출된 신호를 증폭시켜주는 SQUID 어레이; 및A SQUID array for amplifying a signal detected from the SQUID sensor; And
증폭된 상기 신호를 비교하여 적분하는 FLL(Flux-locked loop) 회로를 포함하는 2단 SQUID 시스템인 것이 바람직하다.
Stage SQUID system including an FLL (Flux-locked loop) circuit for comparing and integrating the amplified signals.
상기 SQUID 칩은 초전도 양자 간섭 디바이스(Superconductini quantum interference device)로서, 자장 변화를 매우 민감하게 측정할 수 있다. The SQUID chip is a superconducting quantum interference device, and it can measure the magnetic field change very sensitively.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 본 발명은 상기 금박 포일, 저온검출기 및 증폭수단을 내부로 수용하여 밀폐된 계를 형성시키는 쳄버(chamber)를 포함한다. 상기 쳄버는 밀폐된 계의 내부 온도를 극저온(일반적으로 1 K 이하)으로 유지하여 저온에서 얻을 수 있는 초전도 성질, 적은 열용량 또는 적은 열적 잡음 등을 활용할 수 있는 자기 차폐 기능을 갖는 일종의 저온항온조이다. 또한, 쳄버에는 냉각수단을 구비하여 내부 밀폐계를 냉각시켜 주게 된다. 상기 쳄버는 듀어일 수 있으며 이 듀어 내에 냉각수단을 구비하는 구성도 가능하다.
In the nuclear material measuring apparatus according to the present invention, the present invention includes a chamber for receiving the gold foil, the low temperature detector and the amplifying means to form a closed system. The chamber is a kind of low-temperature thermostat having a magnetic shielding function capable of utilizing superconducting property, low heat capacity or low thermal noise which can be obtained at a low temperature by keeping the internal temperature of a closed system at a very low temperature (generally 1 K or less). In addition, the chamber is provided with cooling means to cool the internal airtightness system. The chamber may be a dewar, and the cooling unit may be provided in the dewar.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 상기 쳄버는 1 K 미만의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 장치는 핵분열 물질의 운동에너지로부터 발생한 온도변화를 통해 핵물질을 검출하기 위한 것으로, 온도가 낮을수록 열용량이 감소하여 신호 대 잡음비(S/N ratio, signal to noise ratio)를 크게 얻을 수 있다. 따라서 금박 포일, 저온검출기, SQUID를 포함하는 쳄버는 그 내부 온도가 1K 이하의 극저온으로 유지되는 것이 바람직하다.
In the nuclear material measurement apparatus according to the present invention, it is preferable that the chamber is maintained at a temperature of less than 1 K. The apparatus according to the present invention is for detecting a nuclear material through a temperature change caused by a kinetic energy of a fission material. As the temperature is lower, the thermal capacity is decreased and the signal to noise ratio (S / N ratio) . Therefore, it is preferable that the chamber including the gold leaf foil, the low temperature detector, and the SQUID is maintained at a cryogenic temperature of 1 K or less.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 상기 장치는 극저온 유지를 위한 냉각수단을 더 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면 매 측정 사건(event)마다 핵분열에 의한 발열이 발생하므로, 이를 냉각수단(heat sink)을 통해 사건 이전의 온도로 재냉각시킨 후 다음 사건을 수행할 수 있다.
In the nuclear material measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the apparatus further includes a cooling means for maintaining a cryogenic temperature. According to the present invention, since fissure due to fission occurs in every measurement event, it can be re-cooled through the heat sink to the temperature before the event and then the next event can be performed.
본 발명에 따른 핵물질 측정 장치에 있어서, 본 발명은 중성자를 상기 쳄버로 유출시키는 중성자 원을 포함한다. 상기 중성자원은 시료에 중성자 빔을 조사할 수 있도록 원자로를 사용할 수 있다.
In the nuclear material measuring apparatus according to the present invention, the present invention includes a neutron source for discharging a neutron to the chamber. The neutron source can use a reactor to irradiate the sample with a neutron beam.
이때, 상기 중성자원은 106 cm-2s-1 내지 109 cm-2s-1의 열중성자 또는 냉중성자 빔을 상기 금박 포일에 조사하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 장치의 감도는 중성자 빔의 세기에 의존한다. 하기 도 3은 각 기관별 중성자 빔 시설에서의 중성자속을 나타내는데, 이와 같이 연구용 원자로를 이용하면 약 106 cm-2s- 1 에서 109 cm-2s-1 범위의 중성자속을 얻을 수 있다. 상기 중성자원이 106 cm-2s-1 미만의 중성자 빔을 조사하는 경우 측정의 감도가 낮아지는 문제점이 있고, 109 cm-2s-1을 초과하는 열중성자 또는 냉중성자 빔은 현실적으로 얻기 어렵다는 문제점이 있다.
Preferably, the neutron source is irradiated with a thermal neutron or a cold neutron beam of 10 6 cm -2 s -1 to 10 9 cm -2 s -1 onto the foil foil. The sensitivity of the device according to the invention depends on the intensity of the neutron beam. It is possible to obtain a neutron flux at 1 10 9 cm -2 s -1 range to Figure 3, each institution neutron beam represent the neutron flux at the facility, and thus by using the research reactor of about 10 6 cm -2 s. The neutron if the source is irradiated with a neutron beam of less than 10 6 cm -2 s -1, and a problem that the sensitivity of the measurement is lowered, 10 9 cm -2 s -1 or cold thermal neutrons a neutron beam that exceeds the gain is realistically There is a problem that it is difficult.
중성자속 108 cm-2s- 1 의 중성자 빔 시설을 사용하는 경우의 본 발명에 따른 핵물질 검출 감도는 종래의 저온검출기를 이용한 Q-분광학에서의 감도보다 우수한 효과를 나타낸다. 종래의 저온검출기를 이용한 Q-분광학에서의 감도와 본 발명에 따른 핵물질 검출 감도를 기대되는 초당 계수율을 비교하여, 본 발명에 따른 효과를 확인할 수 있다.
The nuclear material detection sensitivity according to the present invention when neutron beam facility of neutron flux of 10 < 8 & gt ; cm < -2 & gt ; s & lt; -1 is used exhibits an effect superior to sensitivity in Q-spectroscopy using a conventional low temperature detector. The effect according to the present invention can be confirmed by comparing the sensitivity in the Q-spectroscopy using the conventional low-temperature detector with the expected counting rate per second in the nuclear material detection sensitivity according to the present invention.
이하, 초당 계수율을 측정하는 방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of measuring the counting rate per second will be described in detail.
종래의 저온검출기를 이용한 Q-분광학에서의 감도 계산법은 다음과 같다. 효율이 ε인 검출기로 해당 시료를 t (s) 시간 동안 측정하면 하기 수학식 1의 Na 만큼의 알파 붕괴 횟수를 구할 수 있다.
The sensitivity calculation method in Q-spectroscopy using a conventional low-temperature detector is as follows. When the sample is measured for a time of t (s) with a detector having an efficiency of?, N a The number of times of alpha collapse can be obtained.
<수학식 1>&Quot; (1) "
상기 수학식 1에서, A는 알파 붕괴하는 동위원소(핵물질)의 방사능(시간당 붕괴율)으로, 하기 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
In Equation (1), A is a radioactivity (decay rate per hour) of an alpha-decaying isotope (nuclear material), and can be obtained by the following equation (2).
<수학식 2>&Quot; (2) "
상기 수학식 2에서, T1 /2 (s)는 해당 동위원소(핵물질)의 반감기이고, n은 해당 방사성 동위원소(핵물질)의 개수이다.
In Equation 2, T 1/2 (s ) is the half-life of the isotope (nuclear material), n is the number of the radioisotope (nuclear material).
일반적으로, 저온검출기를 이용한 Q-분광학에서는 시료 전체를 샌드위치형으로 둘러싼 금박 포일 흡수체를 사용하므로 전방향(4π)으로 방출되는 모든 입자가 검출되므로 상기 수학식 1에서 ε은 100 %에 해당한다. 또한, 각 핵물질별 반감기는 하기 표 1과 같다.
Generally, Q-spectroscopy using a low-temperature detector uses a gold foil absorber encircling the entire sample in a sandwich form, so that all particles emitted in all directions (4?) Are detected, so that? The half-life of each nuclear material is shown in Table 1 below.
또한, 본 발명에 따른 측정방법에서의 감도 계산법은 다음과 같다. 효율이 ε인 검출기로 해당 시료를 t (s) 시간 동안 측정하면 하기 수학식 3의 Nf 만큼의 핵분열 사건 횟수를 구할 수 있다. The sensitivity calculation method in the measuring method according to the present invention is as follows. When the sample is measured for a time t (s) with a detector having an efficiency of?, Nf The number of fission events can be obtained.
<수학식 3>&Quot; (3) "
상기 수학식 3에서, F는 핵분열 발생률로, 하기 수학식 4를 통해 구할 수 있다. In the above equation (3), F is the fission generation rate and can be obtained by the following equation (4).
<수학식 4>&Quot; (4) "
상기 수학식 4에서, n은 해당 핵물질(동위원소)의 개수이고, φth (cm-2·s-1)는 열중성자속(Flux)이고, σf (cm2)는 열중성자에 대한 핵분열 단면적이다.
In Equation (4), n is the number of the corresponding nuclear material (isotope), and? Th (cm -2 · s -1 ) is the thermal neutron flux (flux), and σ f (cm 2 ) is the fission cross section for the thermal neutron.
본 발명에서는 시료 전체를 샌드위치형으로 둘러싼 금박 포일 흡수체를 사용하므로 전방향(4π)에서 핵물질이 검출되므로 상기 수학식 3에서 ε은 100 %에 해당한다. 또한, 각 핵 물질별열중성자 핵분열 단면적(σ f )은 하기 표 2와 같다. 이때, σ f 의 단위 [b]는 핵반응 반응 단면적을 기술할 때 통용되는 단위로서 1 b = 1×10-24 cm2에 해당한다.
In the present invention, since a nuclear material is detected in all directions (4 pi) because a gold leaf foil absorber encircling the entirety of the sample is used in sandwich form, ε in Equation (3) corresponds to 100%. The cross-sectional area (σ f ) of the neutron fission neutrons for each nuclear material is shown in Table 2 below. At this time, The unit [b] of σ f corresponds to 1 b = 1 × 10 -24 cm 2 , the unit commonly used when describing the nuclear reaction cross-section.
(σf),
단위:bThermal neutron fission cross-sectional area
(? f ),
Unit: b
585.081
585.081
2807.93
2807.93
94.744
94.744
상기의 방법들을 통해 각 핵물질별 초당 계수율(s-1)을 계산하였다. 초당 계수율은 단위 검출기가 단위시간당 핵물질의 입자를 감지하는 정도로서, 측정감도를 나타낸다. The counting rate per second (s -1 ) for each nuclear material was calculated by the above methods. The counting rate per second is the degree to which the unit detector perceives particles of nuclear material per unit time, indicating the measurement sensitivity.
종래의 Q-분광학 및 본 발명에 따른 시료 1 mg 당 계수율을 상기의 방법을 사용하여 계산하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 본 발명에 따른 계수율은 1×108 cm-2·s-1의 열중성자 빔을 조사시키는 경우에 대하여 구하였다.
Conventional Q-spectroscopy and the counting rate per mg of the sample according to the present invention were calculated using the method described above, and the results are shown in Table 3 below. At this time, the counting rate according to the present invention was obtained in the case of irradiating a thermal neutron beam of 1 × 10 8 cm -2 · s -1 .
Q-분광학
(단위:counts/s/mg)
Q-spectroscopy
(Unit: counts / s / mg)
80
80
2400
2400
3400
3400
본 발명
(단위:counts/s/mg)
Invention
(Unit: counts / s / mg)
1.5×105
1.5 × 10 5
7.2×105
7.2 x 10 5
2.3×104
2.3 x 10 4
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법을 사용하면, 종래의 Q-분광학에서의 핵물질 측정방법에서보다 측정감도가 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있다. As shown in Table 3, using the neutron-assisted fission reaction and the method for measuring nuclear material using a low-temperature detector according to the present invention, the measurement sensitivity is significantly increased as compared with the conventional nuclear material measurement method using Q-spectroscopy Can be confirmed.
이는 본 발명에 따른 방법에서는 종래의 알파붕괴에 의한 알파입자의 측정이 아니라, 중성자 조사를 통한 핵분열 단계를 추가함으로써 핵분열 생성물의 운동에너지에 의한 온도 변화를 측정하는 방법을 사용함으로써 종래의 알파 붕괴에 의한 에너지보다 신호 대비 잡음비(S/N ratio, signal to noise ratio) 및 감도가 향상된다. 구체적으로는, 핵물질이 핵분열을 일으키면 높은 운동에너지를 갖는 2 개 또는 3 개의 핵으로 쪼개져 핵분열 생성물이 형성된다. 알파 입자의 에너지는 평균 약 5 MeV 정도이나 핵분열 생성물의 에너지는 약 160 MeV이므로, 본 발명에 따르면 알파입자에 비해 30 배 이상 강한 신호를 얻을 수 있기 때문으로, 이를 통해 본 발명에 따른 방법을 사용하면 더욱 우수한 측정감도를 가지는 것을 알 수 있다.
This is because the method according to the present invention uses a method of measuring the temperature change due to the kinetic energy of the fission product by adding a fission step through neutron irradiation instead of the conventional measurement of alpha particles by alpha decay, The signal-to-noise ratio (S / N ratio) and the sensitivity are improved. Specifically, when a nuclear material generates fission, it is split into two or three nuclei having high kinetic energy, and a fission product is formed. Since the energy of the alpha particle is about 5 MeV on the average but the energy of the fission product is about 160 MeV, according to the present invention, a signal 30 times stronger than that of the alpha particle can be obtained. It can be seen that the measurement sensitivity is further improved.
또한, 본 발명에 따른 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법에서 상대표준편차 0.1 %의 범위에서 핵물질 검출 결과를 얻기 위한 시료량 mreq ,f 을 종래의 Q-분광학에서의 상대표준편차 0.1 %의 범위에서 핵물질 검출 결과를 얻기 위한 시료량 mreq ,Q 과 비교하면 본 발명에 따른 핵물질 측정방법의 효과를 확인할 수 있다.
Also, in the method of measuring the nuclear material using the neutron-assisted fission reaction and the low temperature detector according to the present invention, the sample amount m req , f for obtaining the nuclear material detection result in the range of the relative standard deviation of 0.1% The effect of the method for measuring nuclear material according to the present invention can be confirmed by comparing the amount of sample m req , Q for obtaining the nuclear material detection result in the range of the standard deviation of 0.1%.
이하, 예상 시료 요구량을 측정하는 방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of measuring the expected sample amount will be described in detail.
방사성 붕괴나 핵반응은 발생 확률이 매우 낮기 때문에 관련된 측정의 통계는 포아송 통계(Poison statistics)를 따르는 것으로 알려져 있다. 따라서 측정한 사건의 계수가 N 일때, 해당 측정의 표준편차(SD) 및 상대표준편차(RSD)는 하기 수학식 5 및 수학식 6을 따라 구할 수 있다.
Since radioactive decay or nuclear reactions are unlikely to occur, statistics of related measurements are known to follow Poison statistics. Therefore, when the coefficient of the event to be measured is N, the standard deviation (SD) and the relative standard deviation (RSD) of the measurement can be obtained by the following equations (5) and (6).
<수학식 5>&Quot; (5) "
<수학식 6>&Quot; (6) "
상기 수학식 5에 의해 상대표준편차 0.1 %의 결과를 얻기 위해 필요한 계수 N은 1×106 개임을 알 수 있다.The coefficient N needed to obtain the result of the relative standard deviation of 0.1% by the above equation (5) is 1 × 10 6 .
따라서, 종래의 저온검출기를 이용한 Q-분광학에서는 상대표준편차 0.1 %의 결과를 얻기 위해 필요한 시료량 m req ,Q(㎍)를 하기 수학식 7과 같이 계산한다.
Therefore, in the Q-spectroscopy using the conventional low-temperature detector, the amount of sample m req , Q (㎍) required to obtain the result of relative standard deviation of 0.1% is calculated as shown in Equation (7).
<수학식 7>&Quot; (7) "
상기 수학식 7에서, T1 /2 (s)는 반감기, t (s)는 측정시간, ma는 해당 핵물질의 atomic mass (g/mol), NA는 아보가드로 수 (mol-1)이다. 이때, 각 핵물질별 원자량은 하기 표 4와 같고, 각 핵물질별 반감기는 상기 표 1과 같다.
In Equation 7, T 1/2 (s ) is the half-life, t (s) is the measured time, m is a atomic mass (g / mol), N A is (mol -1) Avogadro's number of the nuclear material . At this time, the atomic weight of each nuclear material is shown in Table 4, and the half-life period of each nuclear material is shown in Table 1 above.
(단위: g/mol)Atomic weight
(Unit: g / mol)
235.0439
235.0439
236.0465
236.0465
247.0703
247.0703
본 발명에 따른 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법에서는 상대표준편차 0.1 %의 범위에서 핵물질 검출 결과를 얻기 위해 필요한 시료량 mreq ,f(㎍)을 하기 수학식 8과 같이 계산한다.
In the method of measuring the nuclear material using the neutron-assisted fission reaction and the low temperature detector according to the present invention, the amount of sample m req , f (㎍) necessary for obtaining the nuclear material detection result in the range of relative standard deviation of 0.1% .
<수학식 8>&Quot; (8) "
상기 수학식 8에서, φth (cm-2·s-1)는 열중성자속, σf (cm2)는 열중성자에 대한 핵분열 단면적, t (s)는 측정시간이고, ma는 해당 핵물질의 원자량 (g/mol)이고, NA는 아보가드로 수 (mol-1)이다. 이때, 각 핵물질별 원자량은 상기 표 4와 같고, 열중성자에 대한 핵분열 단면적은 상기 표 2와 같다.
In Equation (8),? Th (cm -2 s -1 ) is the thermal neutron flux, σ f (cm 2 ) is the fission cross section for the thermal neutron, t (s) is the measurement time, m a is the atomic weight (g / mol) , And N A is the number of Avogadro's (mol -1 ). At this time, the atomic weight of each nuclear material is as shown in Table 4, and the cross-sectional area of fission for thermal neutron is as shown in Table 2 above.
상기의 방법들을 통해 상대표준편차 0.1 %의 범위에서 핵물질 검출 결과를 얻기 위한 예상 시료 요구량을 계산하였다. 이때, 상기 수학식 7 및 수학식 8에서 측정시간 t 가 늘어나면, 상대표준편차 (RSD) 0.1 %의 결과를 얻기 위해 필요한 시료량이 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나 너무 오랜 시간 동안 측정을 하는 것은 비용이 증가하는 문제점이 있다. 따라서 표 5에 측정시간을 2 시간으로 할 때, 0.1 %의 상대표준편차(RSD)를 갖는 측정결과를 얻기 위한 예상 시료 요구량을 제시하였다. 또한, 본 발명에 따른 방법에서는 1×108 cm-2·s-1의 열중성자 빔을 조사시키는 경우에 대하여 예상 시료 요구량을 구하였다.
The expected sample requirements to obtain nuclear material detection results were calculated through the above methods in the range of relative standard deviation of 0.1%. At this time, when the measurement time t is increased in Equations (7) and (8), it can be seen that the amount of sample required to obtain the result of relative standard deviation (RSD) of 0.1% decreases. However, it takes a long time to measure, which increases the cost. Therefore, the expected sample requirement for obtaining the measurement result with the relative standard deviation (RSD) of 0.1% is presented in Table 5 when the measurement time is 2 hours. Further, in the method according to the present invention, the expected sample amount was calculated in the case of irradiating a thermal neutron beam of 1 × 10 8 cm -2 · s -1 .
(단위:㎍)Q-spectroscopy
(Unit: ㎍)
1700
1700
60
60
40
40
(단위:㎍)Invention
(Unit: ㎍)
0.9
0.9
0.2
0.2
6
6
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법을 사용하면, 종래의 Q-분광학에서의 핵물질 측정방법에서보다 상대표준편차 0.1 %의 범위에서 핵물질 검출 결과를 얻기 위한 예상 시료 요구량이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. As shown in Table 5, using the neutron-assisted fission reaction and the nuclear material measurement method using a low-temperature detector according to the present invention, the relative standard deviation of 0.1% The expected sample requirement for obtaining the nuclear material detection result is remarkably reduced.
이는 본 발명에 따른 방법에서는 종래의 알파붕괴에 의한 알파입자의 측정이 아니라, 중성자 조사를 통한 핵분열 단계를 도입함으로써 핵분열 생성물의 운동에너지에 의한 온도 변화를 측정하는 방법을 사용함으로써 종래의 알파 붕괴에 의한 에너지보다 신호 대비 잡음비(S/N ratio, signal to noise ratio)가 향상된다. 구체적으로는, 핵물질이 핵분열을 일으키면 높은 운동에너지를 갖는 2 개 또는 3 개의 핵으로 쪼개져 핵분열 생성물이 형성된다. 알파 입자의 에너지는 약 5 MeV 정도이나 핵분열 생성물의 에너지는 약 160 MeV이므로, 본 발명에 따르면 알파입자에 비해 30 배 이상 강한 신호를 얻을 수 있다. This is because the method according to the present invention uses a method of measuring the temperature change due to the kinetic energy of the fission products by introducing the fission step through the neutron irradiation instead of the conventional measurement of alpha particles by alpha decay, The signal to noise ratio (S / N ratio) and the signal to noise ratio are improved. Specifically, when a nuclear material generates fission, it is split into two or three nuclei having high kinetic energy, and a fission product is formed. Since the energy of the alpha particle is about 5 MeV but the energy of the fission product is about 160 MeV, a signal 30 times stronger than the alpha particle can be obtained according to the present invention.
이를 통해, 본 발명에 따르면 종래의 Q-분광학에 따른 방법을 사용하는 경우보다 현저하게 적은 양의 시료를 사용하여 핵물질을 검출할 수 있음을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that according to the present invention, a nuclear material can be detected using a significantly smaller amount of sample than in the case of using the method according to the conventional Q-spectroscopy.
Claims (14)
상기 단계 1에서 중성자 조사로 인한 핵분열 반응에 의한 온도변화에 따른 온도신호를 얻는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 온도신호로부터 핵분열 반응 발생률을 측정하고, 핵물질을 판별하는 단계(단계 3);
를 포함하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법.
Irradiating the sample with a neutron (step 1);
Obtaining a temperature signal according to a temperature change due to a fission reaction due to neutron irradiation in the step 1 (step 2); And
Measuring the rate of occurrence of the fission reaction from the temperature signal of step 2 and discriminating the nuclear material (step 3);
And a nuclear material measurement method using a low temperature detector.
상기 시료는 금박 포일로 전체가 감싸지도록 봉입된 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sample is enclosed with a foil foil so that the entire sample is enclosed by the foil.
상기 금박 포일의 두께는 15 ㎛ 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the thickness of the foil foil is from 15 占 퐉 to 40 占 퐉. A method of measuring nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and a low-temperature detector.
상기 단계 2의 온도신호는 초전도상전이센서(TES, transition edge sensor), 자기양자센서(MMC, metalic magnetic calorimeter) 및 초전도 터널 접합(STJ, superconduction tunnel junction)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 통해 얻는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법.
The method according to claim 1,
The temperature signal of step 2 is obtained through one kind selected from the group consisting of a superconducting tunnel junction (STJ), a transition edge sensor (TES), a metalic magnetic calorimeter (MMC) And a method of measuring a nuclear material using a low temperature detector.
상기 단계 1의 중성자 조사는 106 cm-2s-1 내지 109 cm-2s-1의 열중성자 또는 냉중성자 빔을 조사하여 수행되는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법.
The method according to claim 1,
Wherein the neutron irradiation in step 1 is performed by irradiating a thermal neutron or a cold neutron beam having a wavelength of 10 6 cm -2 s -1 to 10 9 cm -2 s -1 . Method of measuring nuclear material.
상기 단계 3은 온도변화에 따른 상기 온도신호의 펄스를 계수하여 핵분열 반응 발생률을 측정하고, 각 펄스의 크기를 통해 핵종을 판별하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step 3 counts the pulse of the temperature signal according to the temperature change to measure the rate of occurrence of the fission reaction, and discriminates the nuclides through the magnitude of each pulse. The nuclear fission reaction by the neutron and the nuclear material measurement using the low temperature detector Way.
상기 금박 포일의 일면에 부착되는 저온검출기;
상기 저온검출기로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단;
상기 금박 포일, 저온검출기 및 증폭수단을 내부로 수용하여 밀폐된 계를 형성시키는 쳄버; 및
중성자를 상기 쳄버로 유출시키는 중성자 원;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
A foil foil filled with a sample;
A low temperature detector attached to one surface of the foil foil;
Amplifying means for amplifying a signal detected from the low temperature detector;
A chamber for receiving the gold foil, the low-temperature detector and the amplifying means therein to form a closed system; And
A neutron source for discharging neutrons into the chamber;
And a neutron-induced fission reaction and a low-temperature detector.
상기 금박 포일의 두께는 15 ㎛ 내지 40 ㎛으로 시편 전체를 감싸도록 봉입한 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the thickness of the gold foil foil is 15 占 퐉 to 40 占 퐉 to enclose the entire specimen. The apparatus for measuring nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and a low temperature detector.
상기 저온검출기는 초전도상전이센서(TES, transition edge sensor), 자기양자센서(MMC, metalic magnetic calorimeter) 및 초전도 터널 접합(STJ, superconduction tunnel junction)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the low temperature detector is one selected from the group consisting of a transition edge sensor (TES), a metalic magnetic calorimeter (MMC), and a superconduction tunnel junction (STJ) And a nuclear material measuring device using a low temperature detector.
상기 중성자원은 107 내지 109 cm-2s-1의 열중성자 또는 냉중성자 빔을 상기 금박 포일에 조사하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the neutron source irradiates the gold foil with a thermal neutron or a cold neutron beam having a density of 10 7 to 10 9 cm -2 s -1 and a nuclear material reaction using the neutron and a low temperature detector.
상기 증폭 수단은 SQIID(Superconductini quantum interference device) 칩인 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the amplifying means is a Superconductini quantum interference device (SQIID) chip.
상기 SQUID(Superconductini quantum interference device) 칩은,
상기 저온검출기로부터 신호를 검출하는 SQUID 센서;
상기 SQUID 센서로부터 검출된 신호를 증폭시켜주는 SQUID 어레이; 및
증폭된 상기 신호를 비교하여 적분하는 FLL회로를 포함하는 2단 SQUID 시스템인 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
12. The method of claim 11,
The Superconductini quantum interference device (SQUID)
A SQUID sensor for detecting a signal from the low temperature detector;
A SQUID array for amplifying a signal detected from the SQUID sensor; And
Stage SQUID system including an FLL circuit for comparing and integrating the amplified signals. The apparatus for measuring nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and low-temperature detector.
상기 쳄버는 1 K 미만의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the chamber is maintained at a temperature of less than 1 K. The apparatus for measuring nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and low temperature detector.
상기 장치는 극저온 유지를 위한 냉각수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자에 의한 핵분열 반응 및 저온검출기를 이용한 핵물질 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the apparatus further comprises a cooling means for maintaining the cryogenic temperature. The apparatus for measuring nuclear material using a neutron-assisted fission reaction and a low temperature detector.
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