비행시 승무원이나 승객은 우주방사선과 공기나 비행기 기체와 반응하여 발생한 2차 산란선 등에 의해 피폭을 받게 된다. 항공기 승무원의 경우 우주기상 환경 시뮬레이션을 이용하여 계산된 피폭선량으로 방사선 안전관리를 적용받고 있다. 하지만, 태양활동이나 고도, 비행경로 등에 따라 피폭선량이 가변적이어서 계산법보다는 항로별 측정하는 것이 권고되고 있다. 본 연구에서는 범용 Si 센서와 다중채널파고분석기를 이용하여 우주방사선 선량을 측정할 수 있는 선량계를 개발하였다. 선량계산은 미우주항공국의 우주방사선 측정장비인 CRaTER(Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation)의 알고리즘을 적용하였다. 표준교정시설에서 Cs-137 662 keV 감마선으로 에너지 및 선량교정을 시행하였으며, 실험 범위에서 선량률 의존성이 없음을 확인하였다. 제작된 선량계를 이용하여 2023년 5월 두바이 인천 구간의 국제선에서 직접 선량을 측정한 결과 국내 우주방사선 선량평가코드(KREAM; Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose)로 계산된 결과와 12% 이내로 비슷하게 나타났으며, 고도와 위도가 높아짐에 따라 계산 결과와 동일하게 선량이 증가하는 것을 확인하였다. 좀 더 많은 실증적 검증 실험이 요구되는 제한점은 있지만, 항공기 내 또는 개인 피폭선량 모니터링에 가성비가 우수한 선량계로 충분한 활용 가능성을 확인하였다.
The concrete is considered as an important radiation shielding material employed widely in nuclear reactors, particle accelerators, laboratory hot cells and other different radiation sources. The present research is dedicated to the shielding properties study of the ordinary concrete reinforced with different weight fractions of lead oxide micro/nano particles. Lead oxide particles were fabricated by chemical synthesis method and their properties including the average size, morphological structure, functional groups and thermal properties were characterized by XRD, FESEM-EDS, FTIR and TGA analysis. The gamma ray mass attenuation coefficient of concrete composites has been calculated and measured by means of the Monte Carlo simulation and experimental methods. The simulation process was based on the use of MCNP Monte Carlo code where the mass attenuation coefficient (μ/ρ) has been calculated as a function of different particle sizes and filler weight fractions. The simulation results showed that the employment of the lead oxide filler particles enhances the mass attenuation coefficient of the ordinary concrete, drastically. On the other hand, there are approximately no differences between micro and nano sized particles. The mass attenuation coefficient was increased by increasing the weight fraction of nanoparticles. However, a semi-saturation effect was observed at concentrations more than 10 wt%. The experimental process was based on the fabrication of concrete slabs filled by different weight fractions of nano lead oxide particles. The mass attenuation coefficients of these slabs were determined at different gamma ray energies using 22Na, 137Cs and 60Co sources and NaI (Tl) scintillation detector. The experimental results showed that the HVL parameter of the ordinary concrete reinforced with 5 wt% of nano PbO particles was reduced by 64% at 511 keV and 48% at 1332 keV. Reasonable agreement was obtained between simulation and experimental results and showed that the employment of nano PbO particles is more efficient at low gamma energies up to 1Mev. The proposed concrete is less toxic and could be prepared in block form instead of toxic lead blocks.
Use of SiPM has been considered as an alternative to PMT, because of its compact size, low-operating voltage, non-sensitive to electromagnetic, low costs and so on. The main limitation for the use of SiPM is due to its small sensitive area compared to PMT that limits the light collection, and therefore the sensor energy resolution. In this article we studied the effect of increasing the number of SiPM by connecting them in parallel to increase the active detection area. This allowed us to compare the different energy resolution measurements. 137Cs has been selected as reference to study the energy resolution for 662 keV gamma-rays. Another investigation was to compare the minimum detectable gamma energy under various SiPM configurations. It has been found that the use of 4 SiPM arrays can greatly improve the energy resolution up to 4% than only one SiPM array, meanwhile use of more than 2 SiPM arrays does not increase the energy resolution significantly. Thus we can conclude that for a large area of cylindrical scintillator (3 × 3 inches), the use of SiPMs are limited to a certain number or certai active area depending on the commercial SiPMs, and its cost should be less than traditional PMT for the cost-effective and compact size considerations. It is well known that the gain of SiPM varies with temperature. In this article, we also calibrated gain to guarantee the same position of photoelectric peak in response of different temperatures.
Allam, Elhassan A.;El-Sharkawy, Rehab M.;El-Taher, Atef;Shaaban, E.R.;RedaElsaman, RedaElsaman;Massoud, E. El Sayed;Mahmoud, Mohamed E.
Nuclear Engineering and Technology
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제54권6호
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pp.2253-2261
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2022
In this study, nano-scaled shielding materials were assembled and fabricated by doping different weight percentages of Nano-mercuric oxide (N-HgO) into Nano-Bentonite (N-Bent) based on using (100-x% N-Bent + x% N-HgO, x = 10, 20, 30, and 40 wt %). The fabricated N-HgO/N-Bent nanocomposites were characterized by FT-IR, XRD, and SEM and evaluated to evaluate their shielding properties toward gamma radiation by using four different γ-ray energies form three point sources; 356 keV from 133Ba, 662 keV from 137Cs as well as 1173, and 1332 keV from 60Co. The γ-rays mass attenuation coefficients were plotted as a function of the doped N-HgO concentrations into N-HgO/N-Bent nanocomposites. The computed values of mass attenuation coefficients (µm), effective atomic number (Zeff) and electron density (Nel) by the as-prepared samples were found to increase, while the half value layer (HVL) and mean free path (MFP) were identified to decrease upon increasing the N-HgO contents. It was concluded also that the increase in N-HgO concentration led to a direct increase in the mass attenuation coefficient from 0.10 to 0.17 cm2/g at 356 keV and from 0.08 to 0.09 cm2/g at 662 keV. However, a slight increase was observed in the identified mass attenuation coefficients at (1172 and 1332 keV).
Gamma spectroscopy analysis is widely used for radioactivity analysis, and various factors are required for radioactivity calculations. Among the factors, K3 for each sample significantly influences the results. The previous methods of correcting the self-absorption effect include a computational simulation method and a method that requires making a CRM(certified reference material) identical to the sample medium. However, the above methods have limitations when used in small institutions because they require specialized program utilization skills or high manufacturing costs and large facilities. The aim of this study is to develop a method that can be easily and rapidly applied to radioactivity analysis. After filling the beaker with water, we placed the radiation source in a uniform position and used the measured value as the benchmark. Next, a correction factor was derived based on the difference in the radiation source count of the benchmark and the identically measured sample. For the radiation source, Eu-152, which emits a broad range of energy within the measurement range of gamma rays, and Cs-134 and Cs-137, which are indicator nuclides in environmental radiation analysis, were used. The sample was selected within the density range of 0.26-2.11 g/cm3, and the correction factor was derived by calculating the count difference of each sample compared to the reference value of water. This study presents a faster and more convenient method than the existing research methods for determining the self-absorption effect correction, which has become increasingly necessary.
Dam, Roos Sophia de Freitas;dos Santos, Marcelo Carvalho;do Desterro, Filipe Santana Moreira;Salgado, William Luna;Schirru, Roberto;Salgado, Cesar Marques
Nuclear Engineering and Technology
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제53권7호
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pp.2334-2340
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2021
Radioactive particle tracking (RPT) is a minimally invasive nuclear technique that tracks a radioactive particle inside a volume of interest by means of a mathematical location algorithm. During the past decades, many algorithms have been developed including ones based on artificial intelligence techniques. In this study, RPT technique is applied in a simulated test section that employs a simplified mixer filled with concrete, six scintillator detectors and a137Cs radioactive particle emitting gamma rays of 662 keV. The test section was developed using MCNPX code, which is a mathematical code based on Monte Carlo simulation, and 3516 different radioactive particle positions (x,y,z) were simulated. Novelty of this paper is the use of a location algorithm based on a deep learning model, more specifically a 6-layers deep rectifier neural network (DRNN), in which hyperparameters were defined using a Bayesian optimization method. DRNN is a type of deep feedforward neural network that substitutes the usual sigmoid based activation functions, traditionally used in vanilla Multilayer Perceptron Networks, for rectified activation functions. Results show the great accuracy of the DRNN in a RPT tracking system. Root mean squared error for x, y and coordinates of the radioactive particle is, respectively, 0.03064, 0.02523 and 0.07653.
As a microimaging device detecting gamma rays emitted from small lesions or tumors during operation, the intraoperative surgical probe has been proposed and is now under development. We have designed a multipurpose portable gamma prove system and evaluated the performance both for the absolute counting purpose of residual radioactivities and for the localizing capability of gamma events using the NaI(Tl) crystal and two types of photomultiplier tubes(PMTs). Counting efficiencies in the range of routine clinical use of radiation dose were measured using the assembly of single channel PMTs and 0.5 inch thick NaI(Tl) crystal of 1 inch diameter. The positioning of gamma events for imaging purpose requires the multiple channel PMTs with appropriate positioning electronics. We have designed a simple and reliable positioning circuit based on the concept of modified Anger. In preliminary experiments using the multiple channel PMT of 3 inch diameter and the dim lighth source, we were able to trace and localize the correct position with reduced positioning error by the use of two multiplier/divider chipset and simplified peripherals. The energy resolutions for the counting gamma probe measured as full width at half maximum(FWHM) for Cs-137, F-18, Tc-99m were 12%, 13%, and 36%, respectively. The spatial resolution for the imaging gamma probe measured as FWHM for green LED was 2.9 mm. The results indicate that the currently developing probe is very promising and could be very useful for many applications in nuclear medicine. Future studies will include developing collimators, improving interface hardwares, and evaluating the system with clinical data.
Mitochondrial DNA (mtDNA) deletion is a well-known marker for oxidative stress and aging and also contributes to their unfavorable effects in cultured cells and animal tissues. This study was conducted to investigate the effect of ionizing radiation (IR) on mtDNA deletion and the involvement of reactive oxygen species (ROS) in this process in human lung fibroblast (IMR-90) cells. Young IMR-90 cells at population doubling (PD) 39 were irradiated with $^{137}Cs$$\gamma$-rays and the intracellular ROS level was determined by 2',7'-dichlorofluorescein diacetate (DCFH-DA) and mtDNA common deletion (4977bp) was detected by nested PCR. Old cells at PD 55 and $H_2O_2$-treated young cells were compared as the positive control. IR increased the intracellular ROS level and mtDNA 4977 bp deletion in IMR-90 cells dose-dependently. The increases of ROS level and mtDNA deletion were also observed in old cells and $H_2O_2$-treated young cells. To confirm the increased ROS level is essential for mtDNA deletion in irradiated cells, the effects of N-acetylcysteine (NAC) on IRinduced ROS and mtDNA deletion were examined. 5 mM NAC significantly attenuated the IR-induced ROS increase and mtDNA deletion. These results suggest that IR induces the mtDNA deletion and this process is mediated by ROS in IMR-90 cells.
Accidents at nuclear facilities and nuclear power plants led to leaks of large amounts of radioactive substances. Of the various radioactive nuclides released, 137Cs are radioactive substances generated during the fission of uranium. Therefore, due to the high fission yield (6.09%), strong gamma rays, and a relatively long half-life (30 years), a rapid and efficient removal method and a study of adsorbents are needed. Accordingly, an adsorbent was prepared using Prussian blue (PB), a material that selectively adsorbs radioactive cesium. As a result of evaluating the adsorption performance with the prepared adsorbent, it was confirmed that 82% of the removal efficiency was obtained, and most of the cesium was rapidly adsorbed within 10 to 15 minutes. The purpose of this study was to adsorb cesium using the Prussian blue alginate bead and to compare the change in detection efficiency according to the amount of adsorbent added for quantitative evaluation. However, in this case, it is difficult to determine the detection efficiency using a standard source with the same conditions as the measurement sample, so the efficiency change of the HPGe detector according to the different heights of Prussian blue was calculated through MCNP simulation using certified standard materials (1 L, Marinelli beaker) for radioactivity measurement. It is expected to derive a relational equation that can calculate detection efficiency through an efficiency curve according to the volume of Prussian blue, quantitatively evaluate the activity at the same time as the adsorption of radioactive nuclides in actual contaminated water and use it in the field of nuclear facility operation and dismantling in the future.
Investigations were conducted on the addition of barium's impact on the radiation shielding and physical attributes of five different glasses, designated S1-S5, with varying BaO contents. Using two point sources namely Co60 and Cs137 along with a scintillation detector [NaI(TL)], experimental measurements were made of the shielding parameters of γ-rays, namely the effective atomic number (Zeff), electron density (Nel), half-value layer (HVL), linear attenuation coefficient (μ), mass attenuation coefficient (μm), mean free path (λ), and radiation protection effectiveness at the energies of 0.664, 1.177, and 1.334 MeV, and comparisons made with recently considered glasses as well as frequently employed materials for γ-ray shielding. The results show that the examined glasses' physical and radiation shielding qualities are improved by the addition of BaO. The μ values increased from 0.245 to 0.275 cm-1 (0.662 MeV), from 0.174 to 0.198 cm-1 (1.173 MeV), and from 0.161 to 0.189 (1.332 MeV). The observed values of HVL decreased from 2.83, 3.98, and 4.3 cm to 2.5, 3.5, and 3.62 cm at 0.662, 1.173, and 1.332 MeV, respectively, for the samples S1 and S5. In addition, the S5 glass sample was determined to have the best protection against photon among all the samples that were evaluated, as well as against recently considered glasses and those materials often utilized for gamma-ray shielding purposes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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