Development of Underground HPGe Detector Systems and Measurement of 137Cs in Ice Samples from Antarctica

Abstract

The activity concentrations of radioisotopes in environmental and biological samples have provided important scientic results in many elds of study. To measure the environmental and biological samples, we constructed an underground laboratory called Cheongpyeong Underground Radiation Laboratory (CURL) to measure theradioactivity levels of various samples by using high-purity Germanium (HPGe) detectors. CURL is located underground at a depth of 1,000 meter of water equivalent (m.w.e.) in the Cheongpyeong Pumped Storage Power Plant. There are two detector systems consisting of the shield and the HPGe detector, which we call System 1 and System 2. For System 1, we developed a shielding system, which consists of 15-cm-thick Pb blocks and 5-cm-thick Cu blocks that completely surrounds a 100% coaxial HPGe detector. We measured the background radiations and the gamma peaks from sources with and without the top shield. Furthermore, we estimated the shielding efficiencies by using Monte Carlo N-Particle Transport Code (MCNP5) simulations and compared the obtained results with our measured data. The shielding systemfor System 1 blocked more than 99.99% of gamma rays with energies up to 3.0 MeV. The HPGe detector with the shielding system at CURL blocked both high-energy cosmic rays and background radiation from surrounding rocks and building materials. Our CURL detector systems were optimized for gamma-ray measurements of materials, also called low-level radioactivity measurement. By using System 1, we measured radioisotopes in Antarctic ice samples. Three different ice core samples from Antarctica were analyzed for identifying the contents of radioactive isotopes such as 137Cs, 228Ac, and 226Ra. We were particularly interested in 137Cs, which has a relatively long half-life of 30.17±0.03 years, because it is closely related to nuclear bomb tests and nuclear power plants. The ice samples used in this study were known to be from three dierent time periods; the Tarn8 sample is expected to be formed before around the year 1000 AD (≤1000 AD), the Styx27 sample is approximately from the year 1945 (~1945 AD), and the H25 sample isfrom end the second half of the year 2011 (2011 AD). Radioactive isotope measurements in the ice samples were performed using System 1. We did not nd any 137Cs activity in the Tarn8 sample, as expected because the sample should be free from the man-made 137Cs contamination in .1000 AD. We could not neither prove nor disprove that 137Cs exists in the Styx27 sample. We identied statistically meaningful amounts of 137Cs from the H25 sample. The activity concentration of 137Cs in the Antarctica ice samples was measured for the rst time in Korea. Our future measurements of more samples from dierent time periods can be used to monitor environmental radiation and help understanding radiation transport process of artificial radioisotopes such as 137Cs in Antarctica.;환경 및 생물학적 시료에 존재하는 방사선 동위원소를 측정하는 것은 환경 또는 생명체가 얼마나 방사선에의해 오염 되었는지를 알 수 있는 중요한 척도이다. 주변 방사선 백그라운드의 양을 줄여 환경 및 생물학적 시료에 존재하는 방사선 동위원소를 정밀하게 분석하고자 청평 지하 방사선 실험실 (Cheongpyeong Underground Radiation Laboratory, 이하 CURL)을 구축하였다. CURL은 경기도 가평군에 있는 청평 양수 발전소의 지하 발전소 터널 내에 위치하고 있으며 그 깊이는 약 1000 m.w.e (meter of water equivalent)이다. 지하에 위치한 CURL을 둘러싸고 있는 암석들은 우주로부터 오는 배경 방사선인 우주선을 지형적으로 차폐하여 고순도 게르마늄 검출기를 배경 방사선으로 부터 보호 해 줄 수 있는 큰 이점이 있다. CURL에는 검출기와 차폐체를 아우르는 시스템 1과 시스템 2가 설치되어있다. 시스템 1의 차폐체는 자체적으로 디자인 및 설계되었으며 15cm 두께의 납과 5cm 두께의 구리로 이루어져 있다. 몬테카를로 시뮬레이션인 MCNP5 (Monte Carlo N-Particle transport code)를 이용하여 계산된 차폐체의 차폐효율과 실험을 통하여 얻어진 차폐효율이 감마선의 에너지가 3.0MeV 이하일 때 약 99% 이상으로 매우 좋았다. 지형적 이점과 높은 차폐효율을 갖는 차폐체의 구축으로 CURL의 System 1과 System 2는 저준위 방사선 측정에 최적화되어 있다. 저준위 방사선 측정에 최적화된 시스템 1을 이용하여 남극의 빙하 시료에 존재하는 방사선 동위 원소를 측정하였다. 생성 년도가 각기 다른 세 개의 빙하 시료를 측정하였는데, 최소 1000년 이전에 생성되었을 것이라고 추정되는 Tarn8, 1945년도 전후에 생성되었을 것이라고 추정되는 Styx27, 2011년 말에 생성되었을 것이라 추정되는 H25가 그것이다. 이 빙하 시료에 존재하는 방사선 동위원소인 137Cs, 228Ac, 226Ra등을 분석하였는데, 특히 1945년도를 기점으로 시작된 핵무기 실험에 의해 인공적으로 만들어진 137Cs을 중점적으로 분석하였다. 이는 137Cs은 반감기가 30.17±0.03년으로 긴 편이라 시료에 남아 있을 가능성이 크며 1945년도 이전에는 존재하지 않았던 방사성 동위원소이기 때문에 핵무기 실험이 남극에 미쳤을 영향을 유추 할 수 있게 해 주기 때문이다. 2011년도 말의 시료인 H25에서는 137Cs이 검출되었으며 예상대로 1000년 전 시료인 Tarn8에서는 검출되지 않았다. 1945년도 전후 시료인 Styx27에서는 측정값이 측정 오차보다 작은 값을 갖게 되어 137Cs의 존재를 통계상으로 확신 할 수 없었다. 본 실험을 통해 H25에서 137Cs이 측정됨으로써 핵무기 실험에 의해 생성된 방사선 낙진들이 남극까지 흘러들어왔을 가능성을 제시할 수 있었다. 또한 Styx27에 137Cs이 존재하지 않는다는 결론으로, Styx27의 생성 년도를 1945년도 이전으로 분류하면서 빙하시료의 연대측정에도 도움을 줄 수 있었다. 이 실험을 바탕으로 후에 통계적으로 더욱 의미 있는 결과를 얻기 위하여 시료의 양과 종류를 증가시켜 남극 얼음의 방사선 데이터베이스를 구축하고 측정 오차를 줄이고자 한다.