High quality radiation dosimetry is essential for workers who rely upon personal dosimeters to record the amount of radiation to which they are exposed. Radiation physicists have been exploring thermoluminescence dosimeter (TLD) for personal monitoring since the mid 1960s, although, widespread use has only occurred in the last 20 years as automated analytical systems and high quality TLD crystals became commercially available. Nowadays, multiple TLD (thermoluminescence dosimeter) chips with appropriate physical filters are generally used for measurements of the personal dose equivalent quantities, $H_p$(d). Though the TLD offers several advantages not possessed by radiological film, it does not offer the some type of advantages as films, re-analysis of an exposure situation is prohibited because the analysis process clears all of the useful dosimetric traps and a record of the luminescence intensity in the form of a glow curve is all that is available after analysis. In addition, the high heating temperatures restrict packaging methods and prevent competitively priced thin films of TLD crystal powders.
Optically stimulated luminescence (OSL) technology avoids many engineering limitations imposed by the high heating temperatures used for TLD technology. OSL crystalline powders can be dispersed in various plastics unable to withstand the TLD heating regimen. With uniform dispersion in the plastic, mass-manufacturing techniques can produce large quantities of identically performing detectors. The first proposal conducted by Markey et al. for applications and potentials of α-$Al_2O_3$:C for OSL dosimetry opened a new era for this phosphor. Pulsed and continuous wave OSL studies carried out on α-$Al_2O_3$:C have shown that the material seems to be the most promising for routine application of 05L for dosimetric puroises
The main objective of this study is to develop a multi-area personal OSL dosimetry system using α-$Al_2O_3$:C by taking advantage of its optical properties and energy dependencies. This was done by designing a multi-element filter system for powder layered α-$Al_2O_3$:C material and an optical reader system based on ultra bright blue LEDs. The main feature of the proposed OSL dosimetry system is that with an appropriate pulsed stimulating scheme and dose assessment algorithm, the personal dose equivalents, $H_p$(d) can be determined more efficiently and precisely.
This dissertation includes various numerical and experimental methods used to design and optimize the performance of the proposed OSL dosimetry system. The idea is based on the fact that the energy deposition profiles in an OSL dosimeter may be unfolded from a collection of OSL light emissions following a sequence of optical scanning and dose assessment algorithm. Since the main objective of this work is to obtain the optimum dosimeter system that allows successful measurement of deposited energy distribution, the element' s response given as a function of incident photon energy was simulated using a particle transport model, which is calculated using electron/photon Monte Carlo code, MCNP4A. The filtered element responses thus obtained were then used together with angular dependences to design a prototype of the OSL dosimeter. Finally, the experimental response of the designed OSL dosimeter is compared with the original exposure, with good agreement indicating an appropriate dosimetry scheme. Based on the experimental response test of the proposed dosimeter design, it was demonstrated that a multi-area dosimeter system with an LED technology based on α-$Al_2O_3$:C is suitable to obtain personal dose equivalent information on the mixed radiation fields. With the experimental conditions, the minimum measurable dose was obtained to be 0.1 mGy and that is smaller than the values reported previously. Furthermore, The pulsed blue-LED reader system seems to be quite convenient for OSL measurements from α-$Al_2O_3$:C and the luminescent output per absorbed dose is larger than the green-LED based system. Therefore, the OSL dosimetry system developed in this study can be considered as a compact, reliable and inexpensive system for personal dosimetry.
Another work scope of this study is to propose a new dose assessment algorithm for developed multi-area OSL dosimetry system. The use of multi-element dosimeters is necessarily required of a dose assessment algorithm that weights the reading of each element for the evaluation of the personal dose equivalent. In this study, a feed forward neural network using the error back-propagation method was applied for the response unfolding procedure. To replace the simplistic decision tree algorithms by the more sophisticated neural networks, the Bayesian algorithm was introduced to optimize theMLBP (Multi-Layer Back Propagation) neural network. The validation of the proposed algorithm was investigated by unfolding the measured responses of the OSL dosiemter for arbitrary mixed photon field range from 20 keV to 662 keV. Results show that the determined dose values are reproduced with an accuracy better than 80%. With these validation results, it was demonstrated that a multi-element dosimeter system with an unfolding algorithm based on artificial neural intelligence is suitable to obtain spectral information on the incident gamma photons. It was also found that the Bayesian’s approach was helpful to optimize the connective weights to solve the abnormal function overfitting.For the unfolding of the multi-element response, merely these weights were applied without carrying out further optimizations. In consequence, the unfolding step requires less than onesecond, i.e. several orders of magnitude less of computational time in comparison to the optimization step. Therefore, the response unfolding can be carried out frequently and can be implemented either as hardware or as software into the measuring instrument in this topology.
The novel approach presented in this study enables the development of the next generation personal dosimetry system using a pulsed optically stimulated luminescence technology.
개인 방사선 도시메트리 (Personal Radiation Dosimetry) 는 전리 방사선 환경에서 작업자가 피폭된 선량을 측정 및 평가하는 기술이다. 방사선 도시메트리에 사용되는 개인 선량계는 개인에게 피폭된 조사선량을 측정하게 되며 , 특정한 선량계산 알고리즘을 이용하여 개인의 선량당량값, $H_P$(d), 을 평가하게 된다. 따라서 방사선 작업 종사자의 피폭 감시에 있어서 개인 선량계의 정밀·정확도는 매우 중요한 역할을 차지하고 있으며 국가적인 성능기준에 따라 관리되고 있다.현재의 개인 방사선 피폭 감시체계에서는 주로 방사선 감응 x-선 필름 또는 열형광 소자를 사용하여 피부선량과 심부선량을 평가하고 있으며, 필름 선량계와 열형광 선량계는 각각의 장단점을 지니고 있으나 열형광 선량계 (TLD) 의 사용이점차 증가하고 있다.
현재의 열형광 선량계 시스템은 기존의 필름 선량계 시스템에 비해 방사선민감도와 복합 방사선장에서의 평가 정확도 등에서 다수의 우수한 특성을 지니고 있는 반면, 필름 선량계가 지닌 유용한 특성을 제공하지는 못하고 있다. 즉, 선량계의 판독 기법이 가열 형광 측정법이므로 유용한 선량학적 포획 전자들의 재결합이 단일 판독 단계에서 대부분 발생되며, 판독 후에 획득 가능한 피폭 정보는 글로우 콕선의 형태로만 나타난다. 따라서 , 필름 선량계 시스템과 같이 선량평가 결과에 대한 재평가 작업이 불가능하며 필름 이미지의 분석에 따른 피폭환경의 추정 작업도 불가능하다. 또한, 고온의 가열 장치를 사용해야만 하는 자극 기법의 적용으로 인해 형광 결합 소자의 재질 및 선량계 형태의 설계에 있어서 제한적이며 형광소자의 제조에 있어서도 필름에 비해 고가인 단점이 었다.
본 논문에서는 기존의 열형광 선량계 시스템의 기술적 한계점을 극복하면서 필름 선량계 시스템의 장점을 활용할 수 있는 광형광 개인 선량계 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 새로운 접근 방법은, 기존의 열형광 소자에 비해 월등한 방사선 감응도 특성을 나타내는 반면 광학적인 잠상 퇴행 특성으로인해 열형광 소자로서의 사용이 불가능한 것으로 알려진 α-$Al_2O_3$:C 를 광학적으로 자극하여 형광을 측정하는 것이다. 또한, 기존의 유효에너지 판별 기법에 근거한 선량 평가 개념의 단점을 극복하기 위해, 인공 지능적으로 학습된 신경망(neural network) 알고리즘을 이용하여 측정된 다중 소자의 방사선 반응으로부터 선량계가 피폭된 방사선장의 에너지 분포를 재현하는 것이다. 이러한 광형광 개인 선량계 시스템의 주된 장점은 적절한 펄스 광 자극 기법과 신경망 선량계산 알고리즘을 이용하여 기존의 개인 선량계 시스템에 비해 더욱 효율적으로 개인선량당량값을 정확히 평가할 수 있다는데 있다.
본 논문은 광형광 선량계 (OSLO) 시스템의 설계와 성능을 최적화하기 위한 다수의 수학적·실험적 연구 내용을 포함하고 있다. 본 연구에서는 우선적으로 광형광 선량계의 필터 설계를 위해 몬테칼로 입자 수송 코드인 MCNP4A 를 이용하여 다중 영역 선량계를 설계하였다. 또한, 이러한 필터 시스템을 이용하여 혼합방사선장에서의 소자 반응도와 방향 의존성을 모사하였으며 이 결과를 통해 최적의 선량계 시스템을 설계·제작하였다. 이와 같이 전산모사에 의해 최적 설계·제작된 광형광 선량계의 영역별 에너지 반응을 측정하기 위해, 국가교정 기관인 한국원자력 연구소에 재현되어 있는 20 keV - 662 keV 의 단일에너지 x- 선 및 감마선장을 이용하여 방사선 조사 실험을 실시하였다. ANSI M 시리즈와 ISO N 시리즈의 x-선장을 이용한 실험결과, 주 관심 에너지 영역인 20 keV - 1 MeV 에서, 선량계 주영역인 A3 의 반응과 심부선량 Hp(lO) 의 비율이 개인 선량계의 설계 기준인 ±30% 를 만족하고 있는 것으로 평가되었으며, 각 영역의 반응도가 설계 요건에 부합하는 것으로 분석되었다.
개발된 개인 광형광 선량계의 판독을 위해 본 연구에서는, 고 강도 (1800mcd) 및 고 직진성 (5°) 의 청색 발광다이오드 (LED)를 채용한 광 형광측정 장치를 설계·제작하였다. 측정장처는 28 개의 발광 다이오드를 2 열 원형으로 배열하여 자극광이 선량계의 표면에 집중되도록 하였으며 광증배관 및 광학적 필터조합을 이용하여 선량계로부터의 형광을 10 msec 단위로 1 초간 측정하도록 하였다. 이상과 같이 본 연구에 개발된 광 형광 측정장치를 이용하여 α-$Al_2O_3$:C소자의 특성을 실험적으로 측정한 결과, 최저검출한계치는 약 0.1 mGy 정도인것으로 분석되어 기존의 녹색 LED 시스템(~ 1 mGy) 에 비해 향상되었으며 재 측정성에서는 65% 이상의 재현성으로 10 회까지 재 측정이 가능한 것으로 분석되었다.
다중 영역 소자를 이용한 개인 선량계 시스템으로 선량계에 피폭된 조사선량을 개인의 선량당량으로 평가하기 위해서는 필수적으로 선량평가 알고리즘이 요구된다. 유효 에너지 평가에 의한 선량환산인자의 적용 기법을 채택하고 있는기존의 결정수목형 (decision tree) 선량 평가 알고리즘에서는 혼합 방사선장의 에너지 분포 특성을 완벽히 반영하지 못하는 한계점이 었다. 또한, 선량계 시스템과 관련된 우연 오차에 의해 소자 측정 결과의 불확실성이 증대될 수 있으며, 이를 통해 피폭 선량을 평가하는 경우 심각한 선량 평가 오류를 나타낼 가능성이 있는 단점이 었다. 따라서 , 본 연구에서는 개발된 광형광 선량계에 조사된 방사선 에너지의 분포를 효율적으로 정확히 재현한 후, 이를 통해 선량계를 착용한 개인의 피폭선량을 평가하기 위해 기존의 결정수목 알고려즘을 대체할 수있는 신경망 선량평가 알고리즘을 개발하였다.
본 연구에서 개발한 신경망 선량평가 알고리즘의 기본적인 개념은, 기준방사선장에서의 다중소자 시스템의 각 반응도와 이에 따른 에너지 스펙트럼을 이용하여 신경망을 학습시킨 후, 이를 선량계 반응 분석에 적용하면 혼합 방사선장의 에너지 스펙트럼 정보를 획득할 수 있다는 것이다. 본 연구에서는 ANSI의 기준 x- 선 스펙트럼과 Cs-137 에 대한 선량계의 각 소자에서의 반응도를 측정하였으며, 이 반응도를 활용하여 시스템의 전체적인 오차를 최소화하도록 신경망을 학습시켰다. 또한, 임의 혼합비로 이루어진 x-선과 감마선의 스펙트럼을 선량계에 조사되는 것으로 모델링하고 이에 의한 선량계의 실험적 반응도와 학습된 신경망을 이용하여 선량계에 조사된 미지의 감마 에너지 스펙트럼을 재현하도록 하였다. 본 연구에서 개발된 신경망 선량평가 알고리즘의 성능 평가를 위해 10 개의 혼합 감마 방사선장에 대한 개인 선량계 시스템의 선량 평가 실험을 진행한 결과, 오차범위 ±20% 이내에서 실질적인 혼합방사선장에서의 스펙트럼을 재현할 수 있는 것으로 평가되었다. 또한 이러한 결과는 기존의 유효 에너지 기법에 비해 정확도 변에서 최대 15% 의 성능 향상을 이룬 것으로 분석되었다.
본 논문은 개인 방사선 도시메트리 분야에서 기존의 열형광 선량계와 필름선량계의 한계를 극복하고 선량평가 시스템의 신뢰성 향상을 위해 크게 세 분야의 기술 개선을 시도하였다. 첫째, 선량계 소자에 있어서 높은 방사선 감도와 상대적으로 낮은 에너지 의존성을 가지는 α-$Al_2O_3$:C 의 형광필름을 제작·적용함으렝?선량계에 비해 선량 측정 범위가 개선되었으며, 배지 시스템에 사용되는 에너지 보상 필터의 사용을 최소화하였다. 둘째, 펄스형의 청색 LED광원을 사용하여 소자를 자극하는 기법을 적용함으로써 소자의 판독 효율을 향상시켰으며 소자의 재 판독이 가능하도록 하였다. 셋째, 기존의 결정수목 알고리즘의 한계점을 극복할 수 있는 신경망 선량평가 알고리즘을 개발하였으며, 이를 통해 기존의 알고리즘에서는 분석이 불가능한 방사선장에서의 에너지 스펙트럼 재현이 가능하도록 하였고 선량 평가 결과의 신뢰성을 향상시켰다.
본 연구에서 개발된 $\alpha-Al_2O_3:C$를 이용한 다중 영역 광형광 선량계 시스템은, 향후 개인 방사선 도시메트리 분야에서 효율적이면서도 신뢰성 있는 차세대 개인 선량계 시스템으로 발전 및 적용이 가능할 것으로 판단된다.
