신호 모양 분석을 이용한 BF3 검출기에서의 중성자 신호 식별

Abstract

He-3 기체 수급 부족으로 인해 He-3 검출기에 대한 대안의 필요성이 증가하고 있다. 이를 대체할 수 있는 BF3 검출기를 낮은 세기의 중성자선장에 적용할 때 발생 가능한 백그라운드 신호에 의한 중성자 계수치의 과대평가를 방지할 수 있는 방법을 개발하였다. 기존 1차원 신호 높이 스펙트럼 측정에서의 백그라운드 신호 제거 방법의 문제점인 중성자 측정과 백그라운드 측정의 비동시성을 해결하기 위해 2차원 신호 높이-모양 분포 측정 방법을 개발하였다. 2차원 신호 높이-모양 분포 측정 시스템은 CAMAC 시스템의 ADC와 메모리 모듈을 이용하여 구성하였으며 시스템 제어, 측정 결과 분석, 출력 프로그램을 개발하였다. BF3 검출기에 대해서 이론적 전하 파형의 식으로부터 성형 계통을 거친 신호의 모양을 예상하였고, 측정을 통해 확인하였다. 전치증폭기를 거친 검출기 신호의 상승시간은 분광용 증폭기의 이극(bipolar) 출력 신호의 시작 시점과 부호 변경 시점 사이의 시간 간격을 통해 측정하였다. 2차원 신호 높이-모양 분포 측정을 통해 중성자 신호와 비슷한 높이로 나타나는 빠른 상승 시간의 백그라운드 신호를 식별하고 제거하였다. 백그라운드 모니터링 수행 결과, 1차원 신호 높이 분포의 중성자 영역에서의 해당 신호 계수율은 시간당 0.01 ~ 1.79 cps 범위에서 크게 변동하였으며, 이는 2차원 신호 높이-모양 분포를 통한 한 번의 측정에서의 식별이 필요함을 의미한다. 백그라운드 신호의 모양은 비례계수기의 이론적인 전하 신호 모양과 달랐기 때문에 불요 신호로 추정하였다. 2차원 신호 높이-모양 분포 측정 방법의 적용 전후의 측정의 정확도와 검출 한계를 비교하여 성능을 평가하였다. 정확도 비교에서는 중성자 계수율이 10 cps 미만일 때 기존 방법을 사용할 경우, 중성자 계수율이 최대 28% 과대평가 되는 것을 확인하였고, 1시간 측정 시의 중성자 검출 한계는 2차원 분포를 적용함으로써 기존 방법에 비해 10배 더 낮출 수 있었다. 이를 통해 낮은 중성자선장에서 본 연구에서 개발한 2차원 분포 측정 방법이 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다. 고감마선장에서 발생 가능한 감마선 중첩 신호에 의한 영향과 식별 능력은 최대 감마선량률 7.5 mSv/h에서 실험하고 확인하였다. 중첩된 감마선 신호는 상승 시간과 높이가 증가하였으나, 그 높이는 중성자 신호보다 낮았기 때문에 식별 가능하였다. 더 높은 감마선장에서의 중첩 신호의 식별 능력에 대한 검증은 추후에 이루어져야 한다. 개발된 2차원 분포 측정 방법을 보편적으로 적용할 수 있는지 검토해 보기 위해 BF3 검출기 이외의 He-3 검출기의 대안으로 고려한 액체 섬광검출기에 적용해 보았다. 2.5 MeV 중성자와 감마선을 식별하였으며, FOM (Figure Of Merit)은 1.1로 선행 연구에 비해 다소 낮게 측정되었지만, 2차원 분포 측정을 통하여 1차원 신호 모양 분포를 통한 방법보다 더 낮은 에너지 영역까지 중성자 영역을 설정할 수 있어서 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 액체 섬광검출기의 낮은 세기의 중성자선장에서의 적용 가능성을 효율과 백그라운드 식별 능력 측면에서 평가하였다. 2.5 MeV 속중성자 측정에 대해 효율 측면에서 입체각이 등가한 경우에는 BF3 검출기에 비해 더 유리하지만, 가격으로 인해 대면적이 요구되는 활용 분야에는 적용이 어려운 것으로 평가되었다. 중성자 영역의 백그라운드 계수율은 BF3 검출기에 비해 148배, 1시간 측정 시의 검출 한계는 5배 더 높게 나타남으로 낮은 중성자 선장에서의 활용에 한계가 있음을 확인하였다.

The alternative of the He-3 detector is required due to the shortage of He-3 gas. When the BF3 detector which can be alternative for the 3He detector will be applied in low intense neutron field, the neutron counts will be overestimated due to background pulses. Hence the method to prevent the overestimation of neutron counts was developed. The problem of previous discrimination method of background pulses is that the neutron measurement and the background measurement are performed at the different time. To solve this problem, the method measuring the two-dimensional pulse height-shape distribution was developed. The system to acquire the distribution of pulse height-shape over two-dimension was composed using ADC and memory modules of CAMAC system. The control program of the system and the program for analysis and display of the result were developed. For the BF3 detector, the signal shape through the system for pulse shape measurement was estimated from the theoretical formula of charge pulse shape and identified by measurement. The rise-time of the detector pulse after passing a preamplifier was measured by time difference between the start time and zero-amplitude crossing time of the bipolar pulse from the shaping amplifier. Fast rise background pulses of about the similar magnitude as the neutron pulses were discriminated through two-dimensional pulse height-shape measurement. From background monitoring result, the count rate of the fast rise background pulse at the neutron region is changed with the range of 0.01 to 1.79 cps. This means the discrimination should be performed during one measurement using two-dimensional pulse height-shape distribution. The shape of the background pulse was different with the shape of theoretical charge pulse of proportional counter. Hence the background pulse was estimated as spurious pulse. From the comparision of accuracy and detection limit before and after the two-dimensional pulse height-shape distribution measurement, the performance was evaluated. From the accuracy comparision, neutron count rate is overestimated by 28% (maximum) when neutron count rate is below the 10 cps. The detection limit of neutron for 1 hr counting time was 10 times lower than after the two-dimensional distribution measurement. Hence, two-dimensional pulse height-shape distribution measurement developed in this study will be useful in low intense neutron field. The effect and discrimination ability in gamma fields of high intensity were checked at the maximum gamma dose rate of 7.5 mSv/h. The rise-time and height of gamma ray pile-up pulse were increased but the height was smaller than that of neutron, and neutron pulse could be identified. The verification about the ability of neutron identification at more intensive gamma fields will be achieved. In order to check the application possibility of the method of two-dimensional pulse height-shape measurement, the method was applied to the liquid scintillation detector that was considered as alternative of He-3 detector. 2.5 MeV fast neutron and gamma ray were discriminated and the FOM(Figure Of Merit) is 1.1 which is lower than previous researches. But higher efficiency can be obtained using two-dimensional distribution by the setting of the neutron region to lower energy region than using one-dimensional pulse shape spectrum. The possibility of the liquid scintillation detector applied to low intense neutron field was evaluated in an aspect of efficiency and discrimination ability of background. When 2.5 MeV fast neutron is measured, the liquid scintillation detector has good efficiency than BF3 detector if the solid angle is same, But the liquid scintillation detector is restricted to application field requiring large size of detector due to its high cost. Background count rate at the neutron region is 148 times larger than the BF3 detector and the detection limit of neutron for 1 hr counting time is 5 times larger than the BF3 detector. Hence the liquid scintillation detector is limited to the application in low intense neutron field.