플라스틱 섬광 검출기로 빠른 중성자·열 중성자·감마 3중 구분

초록

본 연구는 EJ200·EJ276 플라스틱 섬광체와 저감마 감도 EJ426 스크린을 결합한 두 가지 조합을 이용해, Am‑Be 중성자원과 ³⁷Cs·²²Na·⁶⁰Co 감마원을 통해 에너지 보정 후 펄스 형태 차이(PSD)를 적용해 빠른 중성자, 열 중성자, 감마선을 3σ 기준으로 명확히 구분한다. EJ200+EJ426은 열중성자와 감마를, EJ276+EJ426은 1 MeV 이상에서 세 종류를 모두 구분한다.

상세 분석

이 논문은 플라스틱 섬광 검출기의 다중 방사선 식별 능력을 실험적으로 검증한다. 사용된 재료는 고광출력 EJ200, 다중 감쇠 시간 특성을 갖는 EJ276, 그리고 ⁶LiF/ZnS(Ag) 기반 열중성자 전용 스크린인 EJ426이다. EJ426은 열중성자 포획 반응 ⁶Li(n,α)³H(4.78 MeV)를 통해 발생한 알파와 트리톤이 ZnS(Ag)에 에너지를 전달, 수백 나노초에 걸친 긴 파형을 만든다. 반면 EJ200·EJ276은 전자·양성자에 의한 빠른 섬광을 발생시켜 수 나노초 이내에 신호가 소멸한다.

시스템은 XP3232 PMT와 직접 결합하고, 신호는 1 GHz 대역폭 오실로스코프와 500 MHz/1 GS·s CAEN DT5751 디지털 변환기로 수집한다. 먼저 ¹³⁷Cs(0.662 MeV), ²²Na(0.511/1.275 MeV), ⁶⁰Co(1.173/1.333 MeV) 감마원을 이용해 콤프톤 에지(0.477, 0.341/1.062, 0.963/1.118 MeV)를 추출, SPE 적분값(24.15 mV·ns)으로 전환해 PE/MeV 선형 보정을 수행하였다. 두 조합 모두 p₀≈65–72 PE/MeV의 선형성을 보이며, χ²/ndf≈0.2, 확률 >0.9로 신뢰성을 확보한다.

PSD는 “long‑short” 적분 비(1‑Qshort/Qlong)로 정의하고, long 800 ns, short 75 ns 구간을 선택했다. EJ426+PMT만 사용했을 때는 열중성자 포획 파형이 감마 파형과 명확히 구분되어 FOM≈5.2를 기록한다. EJ200+EJ426 조합에서는 열중성자와 감마가 3σ 기준으로 구분 가능했으며, EJ276+EJ426에서는 빠른 중성자(주로 프로톤 재코일)와 감마가 PSD 값에서 서로 다른 클러스터를 형성한다. 특히 1 MeV 이상 γ‑등가 에너지에서 세 종류를 동시에 구분할 수 있는 FOM>1.27을 달성하였다.

핵심 인사이트는 (1) EJ426의 긴 디케이 타임이 열중성자와 감마를 물리적으로 분리, (2) EJ276의 다중 디케이 컴포넌트가 빠른 중성자와 감마를 구분, (3) 두 스크린을 병렬 연결함으로써 하나의 검출기에서 3종 방사선을 동시에 식별할 수 있다는 점이다. 또한 HDPE 중성자 감속판을 가변 두께로 삽입해 중성자 에너지 스펙트럼을 조절함으로써 실험적 재현성을 높였다.

이 시스템은 기존의 He‑3 튜브나 고가의 유기·무기 복합 검출기에 비해 저비용, 소형, 실시간 디지털 처리 가능성 등 실용적 장점을 제공한다. 특히 원자력 시설의 방사선 모니터링, 중성자 기반 핵물리 실험, 그리고 중성자 방출형 의료 이미지링 등에서 다중 방사선 환경을 간단히 구분할 수 있는 솔루션으로 활용 가능하다.