A Study on Non-proportionality of Phoswich Detector Using Monte Carlo Simulation

Using the Monte Carlo simulation, a study on the lion-proportionality of the prototype phoswich detector with $2 CSI(Tl) and plastic scintillator, which was made by KAERI, has been carried. The defector response functions (DRFs) calculated by simulations were compared with the experimental measurement on the $^{137}Cs\;and\;^{60}Co$. To precisely simulate the DRF for the phoswich, the CSI(Tl) non-proportionality was calculated using the electron response and the simplified electron cascade sequence for treating the photoelectric absorption event. The resulting DRFs of $^{137}Cs\;and\;^{60}Co$ sources obtained by simulations were compared with experiments for verification. For $^{137}Cs$, gamma-ray responses simulated by MCNP5 are generally good agreement with the measured ones. But the DRF of $^{60}Co$ does not match well with the results of experiment in the energy region below second peak due to the coincidence effect of two gamma-rays (1.17 MeV and 1.33 MeV). Through the analysis of the non-proportionality of CsI(Tl) in the prototype phoswich, the improved DRFs considering non-proportionality were produced and the simulation results were verified using the experimental measurements. However, to more precisely reproduce the DRF for the phoswich, further studies in relation to the electron channeling effect and the Doppler broadening effect of a scintillator are still needed as well as considering that effect of the transfer contribution.

몬테칼로 전산모사를 이용한 Phoswich 계측기의 비선형성 연구

한국원자력연구소에서 감마선과 전자를 동시측정하기 위한 목적으로 제작된 Prototype phowich를 이용하여 감마선에 대한 섬광체의 비선형성에 대한 연구를 수행하였다. 제작된 Prototype phoswich는 $2 CsI(Tl)와 Plastic scintillator 그리고 하나의 PMT로 구성되어 있다. 몬테칼로 방법을 이용하여 $^{137}Cs$과 $^{60}Co$ 선원의 Prototype phoswich 계측기의 반응함수(Detector Response Function, 이하 DRF)를 구하였으며 이를 점증하기 위하여 제작된 Prototype phoswich를 이용, 실험을 통하여 DRF를 구한 뒤 비교하였다. 계측기의 DRF를 정확하게 모사하기 위하여 CsI(Tl) 섬광체의 Electron response와 섬광체 내에서의 광전효과를 고려하는 Simplified elec윤on cascade sequence 정보를 이용하여 CsI(Tl) 섬광체의 감마선에 대한 비선형성을 계산하였다. $^{137}Cs$ 선원의 경우 전산모사를 통하여 구한 DRF 결과는 실험값과 비교적 잘 일치함을 알 수 있었으나 $^{60}Co$의 경우에는 선원의 결과와는 달리 전산모사 결과와 실험값에 약간의 차이가 남을 알 수 있었다. 이는 $^{137}Cs$ 선원과는 달리 $^{90}Co$은 1.17 MeV와 1.13 MeV 두 개의 광자를 동시에 방출하기 때문에 동시효과에 의한 불착실성 등이 그 외 다른 불확실성 등과 함께 증폭되어 나타나기 때문이다. 본 연구를 통해 Phoswich내 CsI(Tl)의 감마선 비선형성에 대한 분석을 수행하였으며 이를 통하여 비선형성이 고려된 개선된 Phoswich DRF를 생산하고 이를 실험값과 비교 검증할 수 있었다. 섬광체의 Electron channel운g effect, Doppler broadening effect 및 Transfer resolution 등과 같은 후속연구가 추가된다면 좀더 정확한 Phoswich의 DRF를 전산 모사하는 것이 가능해질 것이다.