파이로 공정 모니터링용 대면적 고효율콤프턴 카메라 성능 예측

Abstract

콤프턴 카메라는 검출 신호의 동시성 판단을 기반으로 한 전자적 집속방식을 이용하기 때문에, 기존의 물리적 집속기를 이용하는 감마선 영상 장비의 가시영역이 좁고 투과력이 높은 고에너지 감마선에 적용하기 어렵다는 한계를 극복할 수 있다. 특히 대면적의 콤프턴 카메라는 절대 검출 효율이 높아 영상 장비의 운반이 요구되지 않는 대규모 공정 시설 내 핵물질의 모니터링용으로 매우 적합하다. 본 연구팀은 한국원자력연구원에서 개발 중인 파이로 시험 공정 시설에서의 안전조치 수립을 위해 대면적 콤프턴 카메라를 적용하고자 한다. 대면적 콤프턴 카메라를 구성하는 대면적의 검출기는 그 형태나 구성 방식에 따라 에너지 분해능이나 위치 분해능이 달라질 수 있다. 이는 콤프턴 영상의 질에 직접적으로 영향을 미치므로, 본 연구에서는 전산모사를 통해 그 영향을 예측하여 대면적 검출기의 설계 방향을 결정하였다. 또한 한국원자력연구원으로부터 파이로 시험 공정 시설의 정보를 전달받아 전산모사를 수행하였고, 여러 계측 환경에 대해 대면적 콤프턴 카메라의 성능을 예측하여 보았다. 그 결과 대면적 검출기는 에너지 분해능 측면에서의 손실을 최소화 할 수 있도록 구성하여야 한다는 결론을 얻었으며, 에너지 분해능 10%, 위치 분해능 7 mm 정도 성능의 검출기를 이용하여 콤프턴 카메라를 구성할 경우 1 m 거리에 위치한 감손우라늄 선원을 영상 해상도 16.3 cm(각도 분해능 9.26°)으로 영상화할 수 있음을 확인하였다. Compton cameras overcome several limitations of conventional mechanical collimation based gamma imaging devices, such as pin-hole imaging devices, due to its electronic collimation based on coincidence logic. Especially large-scale Compton camera has wide field of view and high imaging sensitivity. Those merits suggest that a large-scale Compton camera might be applicable to monitoring nuclear materials in large facilities without necessity of portability. To that end, our research group have made an effort to design a large-scale Compton camera for safeguard application. Energy resolution or position resolution of large-area detectors vary with configuration style of the detectors. Those performances directly affect the image quality of the large-scale Compton camera. In the present study, a series of Geant4 Monte Carlo simulations were performed in order to examine the effect of those detector parameters. Performance of the designed large-scale Compton camera was also estimated for various monitoring condition with realistic modeling. The conclusion of the present study indicates that the energy resolution of the component detector is the limiting factor of imaging resolution rather than the position resolution. Also, the designed large-scale Compton camera provides the 16.3 cm image resolution in full width at half maximum (angular resolution: 9.26°) for the depleted uranium source considered in this study located at the 1 m from the system when the component detectors have 10% energy resolution and 7 mm position resolution.