고순도 저마늄 (HPGe – High Purity Germanium) 검출기는 반도체검출기로 주로 방사선 동위원소에서 나오는 감마선을 측정하여 물질 속에 있는 동위원소의 양을 분석하는데 사용됩니다. 지하실험연구단 (Center for Underground Physics) 에서 사용하는 고순도 저마늄 검출기로는 Canberra 회사에서 제작한 상대효율 100%의 HPGe crystal 1개로 구성되어 있는 single 검출기 2개 (CC1,CC2 – Canberra Coaxial 1 & 2) 와 상대효율 70%의 HPGe crystal 14개로 구성되어있는 Array 검출기가 양양실험실에 구축되어 있습니다.
HPGe 검출기로는 지하실험연구단에서의 주 실험인 중성미자미방출 이중베타붕괴실험(AMoRE)와 암흑물질탐색실험(COSINE)에서 사용하고 있는 검출기 시스템을 구성하는 대부분의 물질들과 실험에 필요한 재료들 안에 들어있는 방사선 동위원소의 양을 측정하고 있습니다.
- (왼쪽) 그림 1 CC1 HPGE 검출기, (중간) 그림 2 CC2 HPGe 검출기, (오른쪽) 그림 3 Array HPGe 검출기
양양실험실은 양양양수발전소 내 지하에 위치해 있기 때문에 암석으로 둘러싸여 있어 많은 양의 배경방사선이 나오고 있어 이 배경 방사선을 차단하기 위해 HPGe 검출기 외부에 적정량의 납과 구리로 차폐체가 구축되어 있습니다.
CC1은 2010년도에 설치된 검출기시스템으로 15 cm 두께의 납 안쪽에 10cm 두께의 구리로 차폐체를 설치하였고 2015년도에는 반감기가 22.2년인 210Pb에서 나오는 β-붕괴 와 제동복사로부터의 배경방사선을 줄이기 위해 HPGe 검출기 주위에 5 cm 두께의 고대납을 설치하였습니다. CC1의 50 ~ 4000 keV 에너지 범위에서의 배경방사선 계수율은 0.0079 Hz 입니다.
CC2는 2016년도에 설치된 검출기시스템으로 10 cm 두께의 납과 그 안쪽에 다시 10 cm 두께의 J. L. Goslar 회사의 납, 10 cm 두께의 구리로 차폐체를 설치하였습니다. CC2의 50 ~ 3200 keV 에너지 범위에서의 배경방사선 계수율은 0.0073 Hz 입니다.
CC1과 CC2 두 검출기의 측정 한계 값은 226Rn과 228Th의 경우 1 mBq/kg, 40K의 경우 5 mBq/kg 정도 됩니다. 단 이 값들은 아주 정확한 값들은 아니며 샘플들에 따라서 변화하는 변수들에 관계가 있습니다.
- 그림 4 차폐되어 있는 CC1 검출기(좌), 배경스펙트럼(우)
- 그림 5 차폐되어 있는 CC2 검출기(좌), 배경스펙트럼(우)
2017년 초에 설치된 Array HPGe 검출기는 상대효율이 70%인 HPGe crystal 14개가 위에 7개, 아래에 7개가 배치된 검출기로 드물게 발생하는 핵자의 붕괴에 대한 연구(예를 들면 180mTa의 붕괴)와 중요한 검출기 재료들의 정밀한 방사선량 측정을 주 목적으로 하고 있습니다. Array HPGe 검출기는 기존 HPGe 검출기를 이용하여 들어가는 모든 부품들을 측정하여 검출기 자체 내의 배경방사선을 최소화할 수 있는 부품들로 구성하였고 측정 효율을 최대화 할 수 있고 동시 발생하는 감마선을 측정하여 구분할 수 있도록 Canberra 회사와 공동 연구하여 구축한 검출기입니다. Array 검출기 역시 암석에서 오는 배경방사선을 차단시키기 위해 20 cm 두께의 일반납, 10 cm 두께의 Goslar 납, 10 cm 두께의 구리로 차폐체를 구축하였고 양 옆에서 미닫이문을 통해 샘플을 넣고 뺄 수 있는 구조입니다. 외부 먼지가 검출기 시스템 안쪽으로 들어가지 않도록 공기청정기로 관리하고 문과 연결된 부분은 Vikuiti film으로 닫고 질소가스를 내부에 흘려주어 라돈 오염을 최소화 하고 있습니다. 현재 Array 검출기 전체의 배경방사선 계수율은 50 ~ 4000 keV 에너지 범위에서 0.062 Hz 정도이고 CC1(상대효율 100%)과 비교할 때 약 25% 정도가 적은 배경방사선 값을 가지고 있어 CC1 검출기 보다 더 정밀하게 측정할 수 있습니다.
- 그림 6 Array 검출기와 차폐체
- 그림 7 Array 검출기의 구조
Reference)
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