방사선에 강한 파장변환 섬유의 빛 수율 및 전송 특성 비교

초록

본 연구는 방사성 α, β, γ 소스로 조사한 파장변환(WLS) 섬유 BCF‑91A와 새롭게 개발된 스칸디나비아형 Sci‑WLS 섬유 EJ‑160I·II의 빛 수율과 감쇠 길이를 비교한다. EJ‑160I·II는 각각 BCF‑91A 대비 약 5배·7배 높은 광자를 검출했으며, 장거리 전송에서는 EJ‑160I가 4.00 m, EJ‑160II가 2.50 m의 감쇠 길이를 보였다.

상세 분석

이 논문은 플라스틱 파장변환(WLS) 섬유와 스칸디나비아형 스키-파장변환(Sci‑WLS) 섬유의 방사선 감응 특성을 정량적으로 평가한다. 실험에 사용된 BCF‑91A는 Saint‑Gobain의 기존 제품이며, EJ‑160I·II는 Eljen Technology가 개발한 두 종류의 플루오르 혼합물로 구성된 새로운 Sci‑WLS 섬유이다. 섬유는 1.4 m 길이로 제작되었으며, 양쪽 끝을 Hamamatsu S13360‑3050CS SiPM에 광그리스(BC‑630)로 접합하였다. β(90Sr), γ(22Na), α(241Am) 방사원으로부터 다양한 거리에서 조사한 뒤, SiPM에서 기록된 펄스 높이를 포톤 수(p.e.)로 변환하였다. 데이터는 거리 의존성을 설명하기 위해 이중 지수 함수 I=I_long e^{‑x/λ_long}+I_short e^{‑x/λ_short} 로 피팅했으며, 여기서 λ_long은 코어 전파, λ_short는 클래딩 전파에 해당한다. 결과적으로 BCF‑91A는 λ_long = 3.80 m, λ_short ≈ 0.10 m를 보였고, EJ‑160I는 λ_long = 4.00 m, λ_short ≈ 0.11 m, EJ‑160II는 λ_long = 2.50 m, λ_short ≈ 0.12 m를 나타냈다. 빛 수율 측면에서는 β와 γ 조사에서 EJ‑160I·II가 각각 BCF‑91A 대비 5.0배·6.9배, 5.6배·7.7배 높은 p.e.를 기록했으며, α 조사에서는 2.9배·3.6배 수준으로 감소하였다. 이는 알파 입자에 의한 강한 퀜칭 효과가 폴리스티렌 기반의 Sci‑WLS 섬유에서 더 크게 나타나기 때문이다. 실험적 불확실성은 소스·섬유·SiPM 재배치를 10회 반복해 시스템적 오차를 추정했으며, 통계적 오차는 무시할 수준이었다. 논문은 이러한 결과가 LEGEND‑1000과 같은 대형 저배경 실험에서 고감도 방사선 검출 및 자체 방사능 태깅에 유리함을 강조한다. 또한, λ_long 값이 짧은 섬유(EJ‑160II)의 경우 전송 손실이 커질 수 있으므로, 설계 시 섬유 길이와 광전 변환 효율을 균형 있게 고려해야 함을 제시한다.