방사선 계측기를 이용한 베타선(beta-ray) 및 감마선(gamma-ray)의 측정은 의료계와 산업계를 비롯한 기초 및 응용분야에서 널리 사용되고 있다. 특히 방사선의 에너지 분광(energy spectroscopy)을 통해 획득한 스펙트럼(spectrum)을 분석할 경우, 방사성 핵종(radioactive nuclide)의 확인과 동시에 방사능(radioactivity)을 측정할 수 있다는 장점을 가지므로, 에너지 분광을 위한 여러 종류의 방사선 계측기와 측정기술의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 하지만 방사성 물질의 측정 및 감시를 하기 위한 기존의 측정방법들은 측정환경 내 또는 근거리에서 방사선원의 유무 확인 및 계수(counting)만을 하는 것이 대부분이며, 이 경우 인체의 방사능 피폭(radiation exposure)이 불가피하다는 단점을 가진다. 또한, 기존의 방사선 에너지의 분광을 위한 계측기의 경우, 감지부(sensing part)의 부피가 크기 때문에 협소한 장소에서의 사용이 불가능하다. 이에 따라 베타선 및 감마선의 실시간 계수 및 에너지 분광을 원거리에서 수행할 수 있고, 감지부의 크기가 작은 새로운 방사선 계측기의 개발이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 베타선 및 감마선을 분광하기 위한 소형 광섬유 방사선 센서(compact fiber-optic radiation sensor)를 제작하였다. 일반적으로 광섬유 방사선 센서는 신호 전송을 위하여 광섬유(optical fiber)를 사용하기 때문에 감지부의 크기가 작고, 유연하므로 기존의 계측기를 이용할 경우 방사선의 측정이 어려운 협소한 공간에서 사용할 수 있고, 실시간 원거리 계측이 가능하다. 또한 공간분해능(spatial resolution)이 높고, 주위 온도, 압력 및 전자기파(electromagnetic wave)의 영향을 받지 않으므로, 이러한 특성들은 방사선 계측에 있어서 큰 장점으로 작용한다. 본 연구에서는 원거리에서 방사선을 실시간 모니터링 할 수 있음과 동시에 핵종판별이 가능한 소형 광섬유 방사선 센서의 개발을 위한 연구의 일환으로 두 가지 형태의 방사선 센서를 제작하였다.
첫 번째로, 섬광체(scintillator)와 플라스틱 광섬유를 이용하여 감마선 분광(gamma spectroscopy)을 위한 소형 광섬유 방사선 센서를 제작하였으며, 파고분석기(multi-channel analyzer, MCA)를 이용하여 감마선원에서 방출되는 감마선의 에너지를 분광하였다. 또한 서로 다른 방사능을 가지는 감마선원을 이용하여 방사능에 대한 센서의 선형성(linearity)을 측정하였고, 혼합선원에 대한 감마선 에너지 스펙트럼을 측정하였다.
두 번째로, 베타선에 의해 발생되는 체렌코프 방사선(Cerenkov radiation)의 측정을 위하여 소형 광섬유 체렌코프 방사선 센서(compact fiber-optic Cerenkov radiation sensor)를 제작하였다. 체렌코프 방사선은 투명한 매질 내에서 하전입자(charged particle)가 그 매질 내에서의 빛의 속도보다 빠르게 투과할 때 발생되며, 체렌코프 방사선은 투명한 매질, 즉 체렌코프 라디에이터(Cerenkov radiator)의 굴절률(refractive index)에 따라 체렌코프 방사선이 발생하는 체렌코프 역치에너지(Cerenkov threshold energy)가 결정되는 특성을 가지고 있다. 이러한 체렌코프 방사선의 특성을 이용하여 베타선원에서 방출되는 베타선에 대한 체렌코프 방사선의 계수율(counting rate)을 측정하였다. 센서의 감지부 내에 위치하는 체렌코프 라디에이터로는 굴절률이 서로 다른 굴절률 정합 오일(index matching oil)을 사용하였고, 체렌코프 라디에이터의 굴절률에 의해 결정되는 체렌코프 역치에너지에 따라 발생하는 체렌코프 방사선의 양을 측정 및 비교하였다.

Nowadays, radioactive wastes and environmental contaminations are interested due to frequent uses of radioisotopes in nuclear facilities, industrial and medical applications. In the view of radiation safety controls, measurements of radioactive contaminations are very important, and thus constant observation and supervision are required. To observe the environmental contaminations, analysis of the radiation emitted from radioactive isotopes is needed. Normally, the existing methods for detecting radioactive contamination using a conventional radiation detector have been performed on site. In this case, there is a critical disadvantage in that radiation exposure of the human body is inevitable. To overcome this problem, compact fiber-optic radiation sensors (CFORSs), which consist of scintillators and optical fibers, have been developed. The CFORS has many advantages such as high flexibility and spatial resolution, remote sensing, no interference from electromagnetic fields and independences of temperature and pressure. In addition, this sensor can be designed in various shapes.
In this study, we developed CFORS using an inorganic scintillator and a plastic optical fiber for gamma-ray energy spectroscopy. Using a CFORS, we measured gamma-rays generated from radioactive isotopes using a photo-multiplier tube(PMT). Energy spectra of gamma-rays were also obtained to discriminate the species of radioactive isotopes through the multi-channel analyzer(MCA). Specially, we obtained linear relationship between the responses of CFORS and the activities of radioactive isotopes. A compact fiber-optic Cerenkov radiation sensor(CFOCRS) using Cerenkov radiator also developed to measure Cerenkov radiations which are induced by beta isotopes. With this sensor we measured various kinds of beta-particles which have different energy spectra, using the transparent liquids having various refractive indices around from 1.33 to 1.50. The Cerenkov radiation due to the interactions between the beta-particle and the Cerenkov radiator that is sealed in a sensing probe is guided to a photomultiplier tube through a plastic optical fiber. In this study, we demonstrated that the proposed sensor based on a Cerenkov counting technique and light-measuring method using a fiber-optic sensor makes it possible to detect low-energy beta-particles with energy spectroscopy.