이온화 방사선용 차폐물{SHIELDING FOR IONIZING RADIATION}
본 발명은, 이온화 방사선용 차폐물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 적어도 하나의 이동 가능한 부분을 구비한 차폐물에 관한 것이고, 상기 부분은 상기 차폐물을 개방하기 위해 배열되어 있다.
입자 가속기, 타깃(target), 방사능원(radioactive source) 또는 폐기물과 같은 방사선 방출원은, 양성자, 중성자, 전자 및 광자와 같이 바람직하지 않은 이온화 방사선을 방출한다. 사람들을 방사 질병(irradiation disease)으로부터 보호하기 위해, 이러한 방사원은 일반적으로 차폐물 내에 위치한다. 차폐물은 차폐물을 통한 투과가 법이나 회사 명세서에 의해 명시된 임계값(threshold level) 이하가 되도록 방출된 대부분의 방사선을 흡수해야만 한다. 차폐를 위한 기초적인 해법은, 예를 들어 사이클로트론(cyclotron)과 같은 상기 방사원을 콘크리트 및/또는 다른 화합물의 벽 안에 밀봉시켜 이루어진다. 이러한 구성은 문헌 GB 2358415호에 공지되어 있다. 이 문헌은 차폐벽을 구성하기 위해 건축 블록(building block)을 사용하는 것을 개시한다. 이러한 블록은 서로 딱 맞게 끼워지는 암수형 측면을 구비한다. 수형 측면(male-type side)은 동일 평면상의 쇼울더(coplanar shoulder)에 의해 한정된 텅부(tongue)를 갖는다. 쇼울더는 블 록의 전체 폭의 적어도 20%를 점유한다. 그러나, 이 해법은 다음과 같은 단점을 갖는다. 즉, 방사원 둘레에 이러한 벽의 설치가 완성되면, 하나 이상의 블록이 벽으로부터 제거되지 않는 한 방사원에 대한 접근이 더 이상 불가능하다. 이 작업은 블록의 중량 또는 개수 때문에 비교적 길고 복잡할 수 있다. 다른 해법이 문헌 US 2005/0218347호에 설명되어 있고, 이 문헌에서 입자 가속기의 타깃 조립체(targeting assembly)에 선택적으로 접근하기 위해 하나 이상의 문이 제공된다. 벽에서 접한 문의 측면은 방사선의 투과를 감소시키기 위해 계단 모양을 갖는다. 그러나, 문의 간극을 통한 투과를 감소시키기 위해 추가 차폐가 흔히 필요하다.
본 발명의 목적은, 개폐될 수 있는 적어도 하나의 부분을 포함하는 차폐물을 제공하는 것으로, 이는 차폐물 안으로 방사선의 진입 및/또는 상기 차폐물로부터 방사선이 나가는 것을 방지 또는 제한하는데 있어 종래 기술의 차폐물보다 효과적이다. 본 발명에 따라 차폐물을 통과하는 방사선의 양을 감소시키기 위한 차폐물이 제공된다. 차폐물은 제 1 부분과 제 2 부분을 포함하고, 제 1 부분은 제 2 부분으로부터 들어가도록 배치되고, 상기 제 1 부분과 제 2 부분은 접합부(abutment)를 포함한다. 상기 제 1 부분과 제 2 부분의 적어도 한 쌍의 대응 접합부는, 적어도 한 부분의 일부를 따라, 바람직하게는 횡단부의 절반을 따라 곡선 모양인 횡단부(transverse section)를 갖는다. 정상 작동 조건에서, 차폐물의 제 1 부분과 제 2 부분은 서로 마주하게 위치하고 서로 접할 수 있다. 차폐물로 덮인 것에 접근하고자 할 때, 차폐물을 개방하고 차폐물에 의해 덮인 것에 접근하기 위해서는, 적어도 제 1 부분이 제 2 부분으로부터 들어가도록 배치되어 있다. 본 발명에서 "곡선(curvilinear)"이라는 용어는, 그 모든 지점에서 유한한 곡률 반경을 갖는 선의 의미를 갖고, "유한(finite)"이라는 용어는 0을 포함하지 않는다. 횡단부의 곡선 형상부는 상기 횡단부 길이의 50, 60, 70, 80, 90, 또는 심지어 100%를 따라 연장할 수 있다. 바람직하게, 곡선부는 C자형 또는 S자형을 가질 수 있다. 다른 곡선부는, 전체 곡선부가 전체 직선부보다 실질적으로 더 큰 한, 동일하게 사용될 수 있다. 보다 바람직하게, 곡선부는 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다. 바람직하게, 대응하는 접합부의 곡선부는 서로 일치한다. 바람직하게, 상기 횡단부의 적어도 일부는 0과 다른 곡률 반경의 역을 위한 값을 나타낸다. 본 발명은 입자 가속기, 타깃, 방사능원 또는 방사선 폐기물과 같은 방사원에 의해 생성된 방사선을 차폐하는데 유용하다. 방사원은 사이클로트론인 것이 유리하다. 차폐물은 방사선 흡수재로 충전될 수 있는 외관(shell)을 포함하는 것이 유리하다. 상기 외관은 높은 Z 화합물로 충전될 수 있는 외부 영역과 낮은 Z 화합물로 충전될 수 있는 내부 영역을 포함하는 것이 유리하다. 상기 높은 Z 화합물은 납 또는 철을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 낮은 Z 화합물은 폴리에틸렌 및/또는 파라핀 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명이 타깃을 포함하는 사이클로트론에 의해 생성된 방사선을 차폐하는데 사용될 때, 사이클로트론은 상기 타깃 앞에 추가의 높은 Z 재료 차폐물을 포함하는 것이 바람직하다. 차폐물은 상기 제 1 부분을 변위시키기 위한 휠(wheel)을 포함하는 것이 유리하다. 차폐물은 상기 제 2 부분도 변위시키기 위한 휠을 포함하는 것이 더 유리하다. 차폐물은 상기 휠을 위한 리프팅 메커니즘(lifting mechanism)을 포함하는 것이 유리하다. 본 발명의 일 실시예에서, 제 2 부분은 방사원로부터 외부로 방사선이 나가는 것을 제한하기 위한 컨테이너이다. 이러한 컨테이너는 예를 들어, 방사능원, 방사능 폐기물 등을 수송 및/또는 차폐하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 보다 바람직한 일 실시예에서, 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분의 개구에 맞추도록 조절된 덮개(lid) 또는 문이다. 어떠한 제한도 없이, 상기 개구는 챔버의 천장 벽, 또는 차폐실 문(shielding vault door)을 가리킨다. 본 발명의 제 2 양상에 따라, 차폐물을 통과하는 방사선의 양을 감소시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 접합부를 포함하는 제 1 부분과 제 2 부분을 포함하는 차폐물을 제공하는 단계와, 상기 접합부의 횡단부의 주부(major portion)를 따라 상기 제 1 부분과 제 2 부분의 대응 접합부를 곡선으로 성형하는 단계를 포함한다. 이 방법은 방사선의 진입 및/또는 차폐물 밖으로 방사선이 나가는 것을 방지 또는 제한한다. 본 발명에 따른 방법은 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 이동시키기 위한 휠을 제공하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 본 발명에 따른 방법은 제 1 부분과 상기 제 2 부분이 개별적으로 움직이거나 정지하도록 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 들어올리고 내리기 위한 리프팅 메커니즘을 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 방사선 흡수 재료로 충전된 외관을 제공하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 제 2 양상에 따라, 상기 외관은 높은 Z 화합물로 충전될 수 있는 외부 영역과 낮은 Z 화합물로 충전될 수 있는 내부 영역을 포함하는 것이 더 바람직하다. 본 발명의 제 2 양상에 따라, 상기 높은 Z 화합물은 납 또는 철을 포함하는 것이 유리하다. 본 발명의 제 2 양상에 따라, 상기 낮은 Z 화합물은 폴리에틸렌 및/또는 파라핀 화합물을 포함하는 것이 유리하다. 본 발명의 제 2 양상에 따라, 상기 방사선은 방사원에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 제 2 양상에 따라, 상기 방사원은 사이클로트론인 것이 더 바람직하다. 상기 사이클로트론이 타깃을 포함하는 경우 본 발명에 따른 방법은 상기 타깃 앞에서 추가의 높은 Z 재료 차폐물을 제공하는 단계를 포함하는 것이 유리하다.
도 1은, 본 발명에 따른 차폐물에 밀봉된 사이클로트론을 나타내고, 차폐물의 단면도가 제공된, 도면. 도 2는, 도 1에 한정된 바와 같은 CC의 단면도를 나타내고, 사이클로트론은 분할되지 않은, 도면. 도 3은, 도 1에 한정된 바와 같은 BB의 단면도를 나타내고, 사이클로트론은 분할되지 않은, 도면. 도 4는, 개방된 차폐물을 나타내는 도면. 도 5는, 닫힌 차폐물을 나타내는 도면. 도 6은, S자형 간극을 나타내는 도면. 도 7은, 닫힌 상태의 차폐물의 측면도를 나타내는 도면. 도 8은, 개방 상태의 차폐물의 측면도를 나타내는 도면. 도 9는, 개방 상태의 차폐물의 평면도를 나타내는 도면. 도 10은, 몬테 카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)에 사용된 임의의 간극이 없는 차폐물의 개략적인 단면도를 나타내는 도면. 도 11은, 몬테 카를로 시뮬레이션에 사용된 직선 간극(32a)을 갖는 차폐물의 개략적인 단면도를 나타내는 도면. 도 12는, 몬테 카를로 시뮬레이션에 사용된 계단형 직선 간극(32b)을 갖는 차폐물의 개략적인 단면도를 나타내는 도면. 도 13은, 몬테 카를로 시뮬레이션에 사용된 C자형 간극(32c)을 갖는 차폐물의 개략적인 단면도를 나타내는 도면. 도 14는, 도 10의 구성을 위한 몬테 카를로 시뮬레이션화 투과 조사량(transmission dose)을 나타내는 도면. 도 15는, 도 11의 구성을 위한 몬테 카를로 시뮬레이션화 투과 조사량을 나타내는 도면. 도 16은, 도 12의 구성을 위한 몬테 카를로 시뮬레이션화 투과 조사량을 나타내는 도면. 도 17은, 도 13의 구성을 위한 몬테 카를로 시뮬레이션화 투과 조사량을 나타내는 도면. 도 18a는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 나타내는 도면. 도 18b는, 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예를 나타내는 도면.
도 1은 차폐물(11) 안에 들어 있고, 다음에 사이클로트론으로 구현된 방사원(10)을 도시한다. 사이클로트론(10)은 콘크리트 바닥(13) 위에 설치된 기부(feet)(12) 위에 놓인다. 사이클로트론으로 통하는 파이프는 바닥(13)에 묻혀있을 수 있다. 사이클로트론이 설치된 바닥 레벨(131)은 차폐물(11)이 놓인 레벨(132)보다 더 낮다. 차폐물(11)은 강철로 제조된 것이 바람직한 외관(113)을 포함한다. 이 외관은 방사선 흡수 재료로 충전될 수 있다. 현재, 적절한 재료에는, 예를 들어, 납, 철, 폴리에틸렌 또는 파라핀 화합물이 있다. 납은 1차 및 2차 감마선을 막기 위해 차폐물(11)의 외부 영역(114)에 제공된다. 차폐물(11)의 내부 영역(115)은 폴리에틸렌 또는 파라핀 화합물과 같은 중성자 흡수 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게, 추가 납 차폐물(116)은 소스로부터 방출된 광자를 늦추거나 막기 위해 사이클로트론의 각 타깃 앞에 제공된다. 이러한 추가 납 필터(116)는 지정된 필요 투과선량에 대해 이러한 위치에서 차폐물(11)의 두께를 감소시킬 수 있게 한다. 차폐물(11)은 2개의 부분인, 수부(male part)(111)와, 암부(female part)(112)를 포함하고, 이 모두는 휠(14)을 구비한다. 그러므로, 수부(111)와 암부(112)는 차폐물(11)을 개폐하기 위해 이동 가능하다. 도 4는 열린 상태의 차폐물(11)을 도시한다. 이 상태에서, 사이클로트론에 접근할 수 있다. 바람직하게, 각각의 이동부(111,112)는 3개의 휠에 놓인다. 이러한 차폐물의 질량이 10톤을 초과할 수 있기 때문에, 휠은 무거운 하중을 견딜 수 있도록 설계된다. 휠(14)은 레일 트랙(15)을 활주한다. 바닥과 이동하는 차폐부(111,112) 사이의 간극은 상기 부분이 이동하도록 제공되어야만 한다. 도 5에 예시된 바와 같이 닫힌 구성에서, 이 간극은 사이클로트론에 의해 방출된 방사선에 대한 바닥 누설 경로(bottom leakage path)를 구성할 수 있다. 이 누설 경로에 따른 방사선의 투과를 감소시키는 방법은, 휠에 대한 리프팅 메커니즘을 제공하는 단계를 포함한다. 이동부(111,112)가 움직이면, 이 메커니즘은 이동할 수 있도록 상기 부분을 들어올린다. 차폐물이 닫히면, 임의의 간극 없이 바닥에 놓이도록 상기 이동부를 내려놓을 수 있다. 그러나, 이 방법은, 특히, 차폐물의 질량이 크다는 점을 고려하면 다소 불편하다. 또한, 큰 질량으로 인한 차폐물 구조의 변형은 모든 곳에서 간극이 사라지지 않게 할 수 있다. 대안적인 방법은, 도 1에 도시한 바와 같이, 차폐물의 이동부가 위치하는 레벨(132)에 대해 더 낮은 바닥 레벨(131)에 사이클로트론을 배치하는 단계를 포함한다. 그 다음에, 차폐물(11)과 바닥(13) 사이의 간극(133)이 차폐물 내부에서 방사선 흡수 재료 조각(16)을 제공하여 밀봉될 수 있다. 이러한 방식으로, 간극 안으로 들어오는 방사선은 간극에 들어가기 전에 먼저 흡수 재료를 통과해야만 한다. 조각(strip)(16)은 간극(133)의 입구를 커버하고 폴리에틸렌 또는 파라핀 화합물들로 구성될 수 있다. 추가 단계가 이동부(111,112) 하면에서 흡수 재료 조각(17)을 제공하여 간극을 따라 방사선 투과를 더 감소시킬 수 있다. 도 1, 2, 3, 및 5에 예시된 바와 같이, 차폐물(11)이 닫히면, 이동부(111,112) 중 하나가 서로 인접하는 어느 곳에서나 간극이 발생한다. 현재 요약되고 도 4를 참조하는 특정 실시예에서, 이는 각각 수부(111)와 암부(112)의 측방향 접합부(abutment)(18과 19; 즉, 두 구조물 또는 물체가 접하는 지점) 사이와, 각각 수부와 암부의 상부 접합부(20,21) 사이에서 발생한다. 보다 일반적인 경우에, 임의의 두 개의 이동부 사이와, 차폐물의 임의의 이동부와 고정부 사이에서 간극(즉, 두 물체 사이의 빈 공간 또는 거리의 양)이 발생한다. 간극은 가능한 한 작게 유지되어야 하지만, 회피될 수 없다. 간극은 기계적인 공차 한계를 구성한다. 사실상, 차폐물의 큰 질량은 차폐물 구조를 변형시키고, 일 부분이 다른 부분과 가능한 한 꼭 맞게 인접하도록 간극이 지정되어야 한다. 그러나, 이러한 간극 발생에도 불구하고, 이러한 간극을 통한 방사선의 투과는 간극들을 커버하기 위해 추가 차폐를 제공할 필요 없이 접합부(18,19,20,21)의 적절한 설계에 의해 상당히 감소될 수 있다. 접합부(18,20)는 수형(male type)이고, 암형 접합부(19,21) 안으로 끼워지도록 배치된다. 이러한 접합부의 횡단부는 섹션의 실질부를 따라 곡선 모양을 이룬다. 도 3을 참조하면, 접합부(18,19)는 전체적으로 곡선 모양이다. 양 접합부(18,19)의 횡단부는 일정 반경을 갖는다. 설계 간극을 일정하게 유지하기 위해 접합부(19)의 반경은 접합부(18)의 반경보다 약간 더 크다. 도 1을 참조하면, 상부 접합부(20,21)는 섹션의 실질부를 따라 곡선 모양의 횡단부를 특징으로 한다. 도 10 내지 도 17은 서로 상이한 간극 구성에 대한 방사선 투과의 몬테 카를로 시뮬레이션 결과를 제공한다. 도 10은 간극이 없이 전체적으로 닫힌 차폐물의 경우를 나타낸다. 도 11은 하나의 직선 간극(32a)을 갖는 차폐물의 경우를 나타낸다. 도 12는 계단형 간극(32b)을 갖는 차폐물의 경우를 나타낸다. 도 13은 C자형 간극(32c)을 갖는 차폐물의 경우를 나타낸다. 차폐물 내에서, 차폐물의 외부를 따라, 다수의 규칙적으로 이격된 위치에서, 타깃(31)으로부터 방출된 입사선이 중성자 및 광자 조사량으로 가상 선량계(virtual dosimeter)에 의해 측정되었다. 이러한 위치는 도 10 내지 13의 중공 원으로 표시되었다. 간극이 그 길이의 실질부를 따라 곡선 경로를 따른다는 사실은, 간극을 통해 이동하는 방사선(광자, 중성자 등)이 큰 직선부를 갖는 간극에 비해 훨씬 더 여러 번 반사되게 한다. 입사 방사선의 일부만이 반사되므로, 전자와 같은 종류의 간극은 감소된 방사선 투과를 제공한다. 도 1 내지 도 5는 실질적으로 C자형 횡단부를 특징으로 하는 접합부를 보여준다. 곡선부 전체가 직선부 전체보다 실질적으로 더 큰 한, 다른 곡선부도 동일하게 유효하다. 도 6은 예를 들어 S자형 간극을 예시한다. 또한, 도 13을 참조하면, 차폐물을 통해 이동시 방사선이 부딪히는 차폐물의 총 두께는, 타깃(31)으로부터 방출되는 방사선의 방향과는 무관하게, 대략적으로 차폐물의 두께에서 간극(32c)의 갭 두께의 2배를 뺀 값임을 관찰할 수 있다. 대조적으로, 도 11 또는 12를 참조하면, 상기 총 두께 값은 방사선의 방향에 다소 의존함을 관찰할 수 있다. 후자의 경우, 도 13의 경우에 따른 것보다 훨씬 더 낮은 방사선에 의해 충족된 전체 두께 값을 이루기 때문에, 몇몇 방향이 유리함을 쉽게 알 수 있다. 도 10 내지 도 13에 예시된 경우들에 대해 이러한 몬테 카를로 시뮬레이션의 결과는 도 14 내지 도 17에 도시되어 있다. 도 14는 도 10의 경우에 대한 시뮬레이션 입사 조사량을 나타낸다. 좌측의 그래프는 차폐물에서 직선 경로를 따른 조사량을 도시한다. 수평축에서, 0cm는 차폐물의 내부 경계를 나타내고, 60cm는 외부 경계를 나타낸다. 점선형 수직선은 폴리에틸렌 또는 파라핀 화합물과 납 또는 철 사이의 경계를 표시한다. 조사량은 제 1 계산값을 참조하여 정규화된다. 우측의 그래프는 차폐물 외부에서 원호(가상 선량계)(30)를 따른 조사량을 도시한다. 수평축에서, 0cm는 원호의 중심을 나타낸다. 조사량은 제 1 계산값(그래프의 가장 좌측 값) 을 참조하여 정규화된다. 이와 유사하게, 도 15 내지 도 17은 도 11 내지 도 13에 각각 예시된 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 11의 직선 간극의 경우에 대해, 도 15에 도시된 바와 같이, 매우 큰 조사량이 간극(32a)을 통해 투과된다. 도 12의 계단형 간극의 경우에 대해, 도 16에 도시된 바와 같이, 원호 중심에서 상대 조사량의 최대값은 중성자에 대해 50이고 광자에 대해서는 20이다. 이러한 최대값은 도 17에 도시한 바와 같이, 도 13의 C자형 간극을 사용하여 크게 감소된다. 이러한 최대값은 각각 2.3과 2.2로 감소한다. 최대값의 발생 위치는 또한 (더 이상 중심이 아닌) 원호를 따라 이동된다. 도 14의 결과와 도 17의 결과를 비교하면, C자형 간극의 값은 완전히 닫힌 차폐물의 경우에 대한 값과 동일한 크기 자리수(order of magnitude)임이 명백하다. 그러므로, 추가 차폐물은 필요하지 않다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 차폐물(11)은 강철 외관(113)을 포함한다. 차폐물의 총 두께는 사이클로트론 둘레에서는 850mm이고 그 위에서는 600mm이다. 차폐물의 바깥 직경은 3.3m이다. 닫힌 상태에서 사이클로트론과 차폐물 사이의 갭은 약 5cm이다. 이 바람직한 실시예에서 접합부는 필수적으로 C자형 또는 S자형의 횡단부를 갖고, 서로 인접하며, 각각의 접합부는 서로 상보적인 모양을 갖는다. 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 부분(182)은 컨테이너이다. 부분(181)과 부분(182)이 닫힌 구성이면, 접합부(18,19)의 C자형은 방사원(10)으로부터 외부로 방사선이 나가는 것을 제한한다. 이러한 컨테이너는, 예를 들어, 방사능원, 방사능 폐기물 등을 수송 및/또는 차폐하는데 사 용될 수 있다. 도 18b에 도시된 본 발명에 따른 바람직한 다른 실시예에서, C자형 접합부(19)를 갖는 부분(184)은 개구(9)를 갖고, 이 개구는 역시 C자형 접합부(18)를 갖는 이동 가능한 부분(183)으로 닫힐 수 있다. 임의의 제한 없이, 부분(184)은 챔버의 천장 벽이거나, 단순히 차폐실 문일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 적어도 하나의 이동 가능한 부분을 구비한 이온화 방사선용 차폐물을 제공하는데 사용된다. |
