Study of n/γ discrimination method of 3He proportional chamber for precise neutron measurement

Abstract

원자력발전소, 가속기 등의 중성자 발생시설에서는 항상 감마선이 수반된다. 중성자는 계측물질과 반응을 통해 생성된 2차 하전입자를 간접 측정하여 계측할 수 있는데 감마선 또한 측정 원리가 동일하기 때문에 이러한 환경에서 중성자 측정 시 감마선이 잡음으로 작용한다. 따라서 정밀한 중성자 측정을 위해서는 중성자와 감마선 신호를 분리하는 것이 필수적이다. 3He 기체검출기는 높은 중성자 계측효율과 감마선에 대한 낮은 민감도로 인해 중성자 선량계에 주로 사용된다. 또한 감마선에 의한 신호가 측정되더라도 파고분석법(pulse height analysis method)을 통해 쉽게 중성자 신호로 부터 분리 될 수 있다. 하지만 선량계를 구성하는 회로의 작동전압이나 신호 성형시간 같은 동작조건에 따라 계측효율, 분해도, 감마선 분리 성능 등의 검츨 특성이 바뀔 수 있기 때문에 적절한 동작조건을 결정하는 것이 필요하다. 또한 높은 감마선이 존재하는 환경에서 선량계로 사용하는 경우 감마선 신호의 중첩으로 인해 파고분석법으로 감마선 신호를 분리하기 어렵다는 단점이 있으며 이를 해결할 수 있는 개선된 알고리즘의 도입이 필요하다. 본 연구에서는 252Cf 선원을 이용한 플래토 실험을 통해 1400 V의 작동전압을 결정하고 137Cs 선원과 252Cf 선원을 이용한 실험을 통해 신호성형시간에 따른 검출특성 변화를 관찰하여 2 μs의 최적의 신호성형시간을 도출하였다. 또한 감마선 조사시설에서의 실험을 통해 100 mR/h부터 5 R/h의 높은 감마선 환경에서 중성자와 감마선 신호의 에너지 분포를 확인하고 신호의 파형을 저장하였으며 파형 분석을 통해 rise-time-to-pulse-height ratio를 이용하여 신호를 분리하는 개선된 알고리즘을 개발하고 적용하였다. 신호 분리 성능은 감마선 제거 비율 (gamma elimination ratio)을 기존의 분리방법과 비교하여 평가하였으며 100 mR/h의 감마선 환경에서는 1.7 %p의 성능개선이 있었고 감마선량이 높아질수록 그 차이가 증가하여 5 R/h에서는 70 %p의 성능개선을 보였다. 또한 실시간 신호분리 가능성 확인을 위해 개발된 알고리즘을 적용한 실시간 신호분리 시스템을 제작하고 동일한 실험과 중성자 응답실험을 진행하여 성능을 확인하였다. 실시간 분리 결과에서도 기존 분리방법과 비교하여 성능개선을 확인하였으며 중성자 계수 값의 경우 기존의 분리방법은 최대 약 10배까지 과대평가 하였지만 제작한 시스템에서는 비슷한 수준의 계수 값을 얻을 수 있었다. 추후 다양한 배경감마선이 존재하는 원자력발전소에서 사용하기 위한 선량계와 사용후핵연료 분석에 사용하기 위한 중성자 계측기 등의 개발 시 본 연구를 통해 도출한 최적의 회로 작동조건과 실시간 신호분리 시스템을 적용한다면 정밀한 신호분리를 통한 중성자 정밀계측이 가능해질 것으로 기대한다.