하나로의 PGAA용 냉중성자 유도관 CG2B에서의 중성자 공간분포 및 파장분포 분석

Abstract

1950년대에 높은 중성자속을 갖는 원자로의 출현 이후, 중성자의 사용 및 연구 도구로써의 수요는 점점 증가하게 되었고, 냉중성자의 사용이 주목받기 시작하였다. 냉중성자는 본질적으로 손실 없이 중성자 유도관에 의해 먼 거리에 의해 걸쳐 운반될 수 있으며, 측정에서 원하지 않는 배경을 상당히 줄일 수 있다는 장점이 있다. 냉중성자의 사용은 단백질, 아미노산, 바이러스와 같은 거대분자의 연구, 재료 내부에서의 침전물, 금속 균열 등의 조사연구 및 물질의 계면이나 표면 특성을 연구하는 수단으로 이르기까지 광대한 범위의 분야에 이른다. 냉중성자를 사용하는 분석 방법 중 하나인 PGAA는 광범위한 분야에서 재료의 원소 구성에 대한 정확한 정보를 제공 가능하다. 그러나 시료에서 발생하는 즉발 감마선 스펙트럼은 간단히 획득할 수 있지만, 정량적 분석은 매우 복잡하다. 즉발 감마선 스펙트럼의 정량적 분석을 위해선 금박, 섬광검출기 등을 이용한 실험 데이터와 전산모사를 통한 데이터 획득이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 PGAA를 이용하는 시설에서의 즉발 감마선 스펙트럼의 획득을 위하여 Monte Carlo ray-tracing 기반의 코드인 VITESS를 이용하여 전산모사를 실시하였다. 이의 대상으로 한국원자력연구원에 위치한 하나로의 냉중성자 방사화 분석 시설의 두 개의 냉중성자 빔 가이드 중 CN-PGAA용으로 사용되는 CG2B를 전산모사하였다. CG2B의 각 구성요소에서의 냉중성자 빔의 중성자속, 중성자 공간 분포 및 파장 분포를 평가하고 중력 유무에 따른 중성자의 공간 분포 변화를 분석하였다. CG2B의 구성요소 중 첫번째 유도관인 inpile guide를 통과한 중성자는 중성자 거울의 반사 원리에 따라 가장자리에 많이 분포하며, 단면적의 원점을 중심으로 둥그런 형태로 분포한다. Inpile guide에서는 선원과 가까이 위치해 있어 고속중성자가 제거되지 않아, 중성자의 파장 분포는 1.79 Ȧ 과 1.98 Ȧ 에서 최빈값을 갖으며 전반적으로 짧은 파장에서의 분포가 더 높게 나타났다. Curved guide를 통과한 중성자는 Garland reflection과 Zig-zag reflection이 발생하여 중성자가 한 쪽으로 치우치게 되었다. 이로 인해 수평 방향에서 중성자의 분포가 고르지 못하여 최대 약 4배의 차이가 나타났다. 중성자가 약 26m를 이동하면서 중력의 영향에 의해 수직 방향의 공간 분포가 변화하는 것을 확인하였다. Curved guide를 통과한 후에는 곡률에 의해 짧은 파장의 중성자가 많이 제거되어, 목표하는 파장을 가진 중성자인 약 5Ȧ 에서 최빈값을 가지는 것으로 나타났다. 마지막으로 end guide에서 중성자의 공간 분포는 균일한 값을 가지지만, 오른쪽에 약간 치우침을 확인하였다. Curved guide와 end guide를 통과하며, 긴 거리를 이동한 중성자는 중력의 영향을 받아 수직 방향으로 크게 변화하였다. End guide를 통과한 중성자의 파장 스펙트럼은 curved guide를 통과한 후와 같은 양상을 보이며 적은 양의 intensity 손실만이 발생하였다. 그러나, curved guide의 곡률이 열중성자를 완전히 제거하는 데 알맞지 못하여 end guide를 통과했을 때 열중성자가 포함되어있음을 확인하였다. 목표하는 파장을 최대한 얻어내고, 원하지 않는 파장의 중성자를 최대한 제거하기 위하여 CG2B guide의 운영, 설계 등에 개선이 필요하다고 판단된다.|Since the advent of reactors with high neutron fluxes in the 1950s, the use of neutrons and the demand for research tools have increased, and the use of cold neutrons has begun to draw attention. Cold neutrons have the advantage of being able to be transported over long distances by neutron guide essentially without loss, and significantly reducing undesired backgrounds in measurements. The use of cold neutrons covers a wide range of areas, ranging from the study of macromolecules such as proteins, amino acids, viruses, surveys of deposits, metal cracks inside materials, and means of studying the interface and surface properties of materials. As one of the analysis methods using cold neutrons, PGAA can provide accurate information on the composition of elements of materials in a wide range of fields. However, although prompt gamma-ray spectrum from samples can be obtained simply, quantitative analysis is highly complex. In other words, for quantitative analysis of the gamma-ray spectrum, it is necessary to obtain experimental data using gold foil and scintillator and data through simulation. Therefore, in this study, Monte Carlo simulation was conducted using VITESS, a Monte Carlo-tracing-based code, to obtain an prompt gamma-ray spectrum at a facility using PGAA. For this, CG2B used for CN-PGAA was simulated among the two cold neutron beam guides of HANARO's cold neutron activation station located at the Korea Atomic Energy Research Institute. Neutron flux, neutron spatial distribution, and wavelength distribution of cold neutron beams in each component of CG2B were evaluated, and changes in the spatial distribution of neutrons were analyzed according to the presence or absence of gravity. Neutrons passing through the inpile guide, the first induction tube of CG2B, are widely distributed at the edges according to the reflection principle of the neutron mirror, and are distributed in a round shape around the origin of the cross-sectional area. In the Inpile guide, the high-speed neutrons were not removed because they were located close to the source, so the wavelength distribution of the neutrons was the most frequent at 1.79 Ȧ and 1.98 Ȧ , and the overall short wavelength distribution was higher. Neutrons passing through the curved guide produced Garland reflection and Zig-zag reflection, causing the neutron to be biased to one side. As a result, the distribution of neutrons in the horizontal direction was uneven, resulting in a difference of up to about 4 times. It was confirmed that the space distribution in the vertical direction changed due to the influence of gravity as neutrons moved about 26m. After passing through the curved guide, neutrons with short wavelengths were removed by curvature, indicating that they had the most frequent value at about 5 Ȧ , a neutron with a target wavelength. Finally, in the end guide, the spatial distribution of neutrons has a uniform value, but a slight bias is confirmed to the right. Neutrons traveling a long distance through the curved guide and the end guide changed significantly in the vertical direction under the influence of gravity. The wavelength spectrum of neutrons passing through the end guide showed the same pattern as after passing through the curved guide, resulting in only a small amount of intensity loss. However, it was confirmed that the curvature of the curved guide was not suitable for complete removal of the thermal neutron, so it included the thermal neutron when passing through the end guide. It is judged that improvement is needed in the operation and design of the CG2B guide in order to obtain the target wavelength as much as possible and to remove neutrons of the undesired wavelength as much as possible.