폭발 물질 검색을 위한 다각도 컴프턴 산란 엑스선을 활용한 유효원자번호 결정 방법 연구

Abstract

항공산업에 있어 수하물 검색은 항공기 운항의 안전을 위해 반드시 수행되어야 하는 작업이다. 특히, 폭발물에 의한 테러 방지를 위해 수하물 속 숨겨진 폭발물을 비파괴 검사 방법으로 찾아내는 것이 중요하며, 현대의 폭발물들은 급조폭발물, 사제폭발물로서 특정한 형태로 정의되지 않아, 유효원자번호 추정을 통한 물성 분석이 필요하다. 엑스선을 활용한 유효원자번호 추정 방법은 이중에너지 이중빔을 활용한 90도 컴프턴 산란 방법이 있으며, 이 방법에서 유효원자번호 추정은 두 에너지에서의 총 감쇄계수 비를 통해 이루어진다. 하지만 폭발물을 포함한 대부분의 유기물들은 대부분 5에서 7 사이의 낮은 유효원자번호를 가지며, 이 원자번호 영역과 상용 검색용 엑스선 에너지 영역인 100 keV 정도의 광자 에너지에서는 컴프턴 산란이 광자 상호작용의 대부분을 차지하고 있어 총 감쇄계수 비의 차이가 작다. 이로 인해 유효원자번호 추정 시 낮은 변별력을 보인다. 이에 본 연구에서는 90도 컴프턴 산란 신호 측정에 더해 특정 각도로 산란하는 광자 신호를 측정하여 컴프턴 산란 감쇄계수 비를 획득하고, 총 감쇄계수로부터 컴프턴 산란 감쇄계수를 제외시켜 원자번호에 대해 고차 상관관계를 가지는 함수를 통해 유효원자번호를 추정하는 방법을 제안한다. 엑스선을 이용한 새로운 유효원자번호 획득을 위한 신호 계측 구성과 수학적 과정을 도출하였으며, MCNP6 코드 전산 모사를 통하여 제안된 방법론의 검증을 수행하였다. 3가지 무해한 물질, 4가지 폭발물과 3가지 마약류 물질에 대해 유효원자번호 추정 전산 모사를 수행하였고, 실제 엑스선 발생장치를 묘사하기 위해 연속 에너지 스펙트럼을 사용하였다. 검증 연구 수행을 통해 폭발물에 대해서는 모두 실제 값 대비 6% 이내의 오차로 유효원자번호를 추정하였으며, 기존 방법에 의한 추정 결과 대비 매우 높은 정확도임을 확인하였다. 실제 엑스선 발생장치를 고려하여 1 mm 와 1.5 mm의 엑스선 빔 너비에 대한 연구를 수행하였고, 이 경우에도 폭발물에 대해 최대 11% 이내의 오차로 폭발물들의 유효원자번호를 추정할 수 있음을 보였다. 이는 원자번호 7의 질소 원소를 대부분의 폭발물이 포함하고 있고, 본 방법론에서 제안된 유효원자번호 상관관계가 원자번호 7 이상부터 특히 더 큰 분별력을 가지기 때문이다. 본 연구의 결과는 엑스선 컴프턴 산란을 이용한 수하물 검색 시 폭발물을 찾는 데 있어 기존 방법보다 정확한 유효원자번호 추정이 가능함을 보여준다.|A luggage inspection is a key process in the aviation industry for aircraft safety. It is important to detect explosive materials in baggage to prevent terrorism by an explosion. The type of explosives in recent years are improvised explosive devices (IED) and homemade explosives (HME), which do not have typical shapes. Therefore, an effective atomic number must be estimated to find the hidden explosive materials. An existing method to determine the effective atomic number of materials is the dual-energy dual-beam 90˚ Compton scattering method. This method uses a ratio of total attenuation coefficients for two different energies in the target material, which is a function of the atomic number. However, most organic materials including explosives have effective atomic numbers of 5 to 7. In this atomic number region and energy range of commercial X-ray generator for inspection, the most dominant photon interaction is the Compton scattering, which is nearly constant to the atomic number. For this reason, the ratio of the total attenuation coefficients has a low correlation to the atomic number. In this study, using an additional detector in the certain angle to measure the scattered signals to obtain the ratio of the Compton scattering attenuation coefficients for two different energies and by excluding the Compton scattering attenuation coefficient from the total attenuation coefficient, a new method to determine the effective atomic number by a function of a high order correlation with the atomic number is suggested. The X-ray inspection method to determine the effective atomic number, including the measurement configurations and the theoretical process, is presented, and the method is verified using MCNP6 simulations. The simulations for three innocuous materials, four explosive materials, and three narcotic substances were performed using polychromatic X-ray spectra. The results of the verification show that effective atomic number of the explosives can be estimated with relative errors within 6% of the reference value. It was confirmed that the accuracy was high compared to the estimation results of the existing method. The simulations for the effective focal spot sizes of 1 mm and 1.5 mm were performed with the X-ray beam width of realistic X-ray generators. In the case that effective focal spot size was considered, the estimation of the effective atomic number of the explosives shows a good agreement with the reference values within 11% relative error. It is because most explosives contain many nitrogen elements and the effective atomic number correlation proposed in this study has a higher resolution from the atomic number 7 or higher. The results of this study show that the effective atomic number of the explosive materials can be estimated more accurately than the existing luggage inspection methods using the Compton scattering.