초록 |
연구개요 가스전자증배기(GEM, Gas Electron Multiplier)를 활용한 중성자 검출기를 제작하는 것이 목표이며, 가돌리늄을 중성자 흡수체 및 검출기의 캐소드 층으로 사용하여 중성자에 반응하는 검출기를 제작하고자 한다. 열중성자와의 산란단면적이 높은 가돌리늄은 중성자 포획이후 감마와 전자를 방출하며 모두 신호를 남긴다. 본 연구의 주된 목표는 가돌리늄을 이 중성자 포획 이후 방출되는 감마, 전자에 의한 신호를 분석하여 중성자검출을 성공하는 것이다. 목표를 달성하기 위해 가돌리늄-GEM 검출기 제작, 중성자 검출기 GEANT4 시뮬레이션 수행, 중성자 테스트빔을 통한 검출성능 입증을 통해 연구를 수행하였다. 연구 목표대비 연구결과 250um 두께의 가돌리늄 플레이트를 cathode layer로 사용하여 검출기를 제작하고 기존의 검출기와 성능을 비교하기위해 Fe55를 이용하여 신호를 분석하여 동일한 결과를 얻었다. 제작, 검증과정은 모두 주관기관의 시설을 이용하여 진행하였다. GEANT4를 사용하여 가돌리늄에서 나오는 감마, 전자의 반응도를 시뮬레이션 해 보았으며, 투과율이 낮은 전자에 초점을 맞췄다. 감마의 경우 고에너지 감마가 많으며 이는 초기전자가 생길 수 있는 두께가 10mm인 가스검출기로 피크를 보기는 힘든 에너지이나 전자의 경우 방출되는 특정한 에너지의 픽 중 저에너지 전자의 경우는 검출기에 눈에 보이는 피크를 남길 수 있는 것으로 시뮬레이션이 진행되었다. 이를 토대로 한국표준과학연구원에서 제공하는 AmBe 열중성자 이용시설에서 실험을 진행하였다. 한국표준과학연구소에서 제공한 헬륨3 중성자 검출기로 초당 약 4000개의 열중성자가 GEM검출기로 들어오며 가돌리늄-GEM검출기로 약 200개의 신호를 측정하여 약 5%의 검출효율을 얻었다. 기존의 GEM검출기로는 중성자를 검출할 수 없으나, 본 연구에서 가돌리늄과 드리프트 갭의 두께를 조절하여 중성자 검출에 성공하였다. 연구개발결과의 중요성 원자로 계측용 중성자모니터, 핵의학용 중성자모니터 특히 최근 떠오르고있는 BNCT용 중성자치료의 중성자빔 선량계 및 빔 모니터로 활용될 수 있다. 기존의 헬륨, 중성자 전용 형광체-PMT검출기와 달리 GEM 검출기는 대면적 제작이 가능하고 리드아웃의 구조에 따라 선량계, 빔모니터로 활용이 가능하다. 또한 우주선이 대기와 부딪혀 생성하는 2차 우주선 속의 중성자 양 측정은 우주선을 기반으로하는 모든 천체입자물리 실험에 중요한 정보를 줄 것이며 GEM foil이 구조적으로 내방사성을 가지고 있기 때문에 ISS등에 설치된 AMS와 같은 실험처럼 우주 공간속에 들어있는 중성자 플럭스를 측정하는 것에도 활용될 수 있다. (출처 : 요약문 2p) |