방사선의 측정

방사선은 에너지를 가진 입자나 전자기파로 물질과 상호작용을 통해 에너지를 물질에 전달하여 물질의 특성을 변화시킬 수 있다. 방사선의 에너지가 클수록 물질에 주는 영향은 커진다. 특히 방사선에 인체가 노출(피폭)되면 세포가 변형 또는 손상되어 위해를 받을 수 있으므로 산업·의료·연구시설 등의 방사선 환경에서 방사선의 종류, 양, 세기 등은 정확하게 측정되고 관리되어야 한다. 방사선의 종류와 에너지에 따라 방사선을 검출·측정하는 방법 및 장치는 매우 다양하다.

방사선 측정원리

측정·관리해야 하는 주요 대상 방사선은 하전입자(α선, β선), 전자기파(γ선, X선) 및 중성자이다. 그러나 이들 방사선을 직접 측정(검출)해서 식별할 수 있는 계측기(검출기)는 없다. 측정방법으로 계측기에 걸린 전기장과 방사선의 전리작용으로 발생하는 전류를 측정하는 간접적인 방법이 대표적이며, 일부 특정 방사선 경우 필름을 감광시키는 현상을 이용하기도 한다.

전리현상을 이용한 방사선 측정법 및 계측기

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  전리를 이용하는 계측기 원리

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  계측기 전압과 전류신호와의 관계

위 그림에서 보듯이 하전입자(중성자 핵반응로 발생된 하전입자와 γ선의 물질과 반응으로 발생한 하전인자 포함)가 기체를 전자(-)와 이온 원자핵(+)으로 전리시키면 전기장이 걸린 계측기에 전류가 흐른다. 전압이 낮으면 일부 전자와 이온만이 전극에 도달하지만(불포화상태) 전압크기가 어느 정도를 초과하면 전리작용으로 발생한 모든 전자와 이온이 전극에 도달한다(포화상태). 반면에 전압이 아주 낮으면 전리된 이온과 전자가 다시 결합한다. 계측기의 전압과 측정된 전류(이온과 전자의 이온쌍 수)와의 관계 그림의 전리상태 영역에 대한 계측기를 보면 다음과 같다.

• 전리상자(電離箱子, Ion Chamber) 계측기 : 전압이 낮아 불포화상태로 출력상태가 낮은, 즉 가스증폭이 없는 영역에서 사용되는 계측기를 전리상자라고 한다. 측정하고자 하는 방사선(α선, β선, γ선) 종류에 따라 해당 방사선의 이름을 딴 전리상자로 부른다. 전리상자 계측기는 전류전리상자와 펄스전리상자로 구분하는데 전류상자는 전리된 이온쌍의 수에 비례하는 신호를 측정하고, 펄스상자는 방사선 각각에 대응하는 전기펄스를 검출한다,
• 비례계수관(Proportional Counter) : 전리량과 비례해서 출력이 커지는 전압의 범위를 비례계수관 영역이라 하며 출력신호의 크기는 처음 전리된 이온쌍(전자와 이온핵)의 수에 비례한다. 이 영역에서 사용되는 계측기를 비례계수관이라 한다. 비례계수관은 방사선 각각에 의한 전리현상을 측정할 수 있으며, 계측기 내에서 가스증폭이 일어나기 때문에 전리상자에 비해 큰 신호를 얻을 수 있다. 중성자선, β선, X선을 측정하는데 사용된다.
• 가이거뮬러계수관(GM, Geiger-Mueller Counter) : 전리된 이온쌍이 모두 전극에 모이는 포화상태를 넘어서 더욱 전압을 올리면 양극(+) 부근에 형성된 강한 전기장으로 전자가 가속되고 가속된 전자가 다시 기체분자를 이온화 시키는 전자사태(electron avalanche)가 양극(+) 전체에서 발생해 계측은 최대가 되고 크기는 초기에 발생한 이온쌍 수와는 상관이 없어진다. 이러한 전압범위를 GM계수관영역이라 하고 이 영역에 사용되는 계측기가 GM계수관이다.

반도체를 이용한 방사선 검출 및 계측기

방사선을 반도체에 조사하면 반도체를 전리시켜 전자와 전자가 빠져나온 Hole(양전하 입자와 같은 작용을 함)이 생기며, 반도체 내부에 전압을 걸어두면 방사선의 입사에너지에 비례하여 전류펄스가 발생한다. 이 펄스를 증폭하여 크기에 따라 분류하면 방사선의 에너지 및 개수를 알 수 있다. 이러한 원리를 이용한 검출기를 반도체검출기라 한다. 검출기에 사용되는 대표적인 반도체로 규소(Si)와 게르마늄(Ge)이 있다. α선, 양자선, β선 및 X선 검출에 사용된다.

빛을 이용한 방사선 검출 및 계측기

NaI 와 CsI 결정, 형광물질을 첨가한 투명한 플라스틱 등은 방사선을 받으면 에너지의 일부를 빛으로 방출한다. 이 빛을 진공관에서 증폭하면 방사선이 이들 물질에 전달한 에너지의 크기에 비례하는 전기적 펄스를 출력신호로 나타낼 수 있다. 이러한 원리로 작동하는 방사선 측정기를 Scintillation Counter라 하며, 방사선 에너지를 빛으로 바꾸는 물질을 scintillator라고 한다. NaI 결정은 선 측정용으로 많이 사용되고, CsI 결정 및 플라스틱 scintillator는 하전입자 및 중성자선의 검출에 이용된다. 또한 방사선을 조사한 후 열을 가하면 빛을 내는 물질이 있는데 이를 방사선 측정에 응용한 것이 TLD(Thermoluminescence Dosimeter)이다.

중성자 검출 및 계측기

전기적으로 중성인 중성자는 직접 측정 또는 계측이 안 된다. 따라서 중성자계측기는 중성자와 물질의 원자핵과 반응으로 생성된 입자들의 전리작용을 이용한다. 측정 기본원리는 전리현상을 이용하는 방사선 측정방법과 같으며, 열중성자 측정을 위한 다음과 같은 계측기가 있다.

• 핵분열계수관(Fission Counter 또는 Fission Chamber) : 위 그림 계수관의 양전극(+, -)에 농축우라늄 얇은 막을 입히면 열중성에 의해 핵분열이 일어나고, 생성된 핵분열파편이 계수관 내의 기체를 전리시켜 이온쌍(전자 및 이온핵)이 전극으로 이동하면서 순간적으로 전류(펄스)를 발생시킨다. 이를 증폭해서 계산해보면 중성자선의 세기를 구할 수 있다.
• BF₃ 계수관(BF₃ Counter) : 계수관 내에 ¹⁰B이 농축된 BF₃ 기체를 계수가스로 밀봉한 계수관이다. 열중성자가 ¹⁰B과 반응하여(¹⁰B + ¹n → ⁴He + ⁷Li) 생성된 입자(⁴He)와 ⁷Li입자는 BF₃ 기체를 전리시켜 전자와 BF₃⁺ 이온을 발생시킨다. 이들 이온쌍이 전류(펄스)를 발생시킨다. BF₃ 계수관은 비례계수관이므로 중성자선의 세기에 따라 계수율이 커진다.
• 붕소피복비례계수관(Boron-covered Proportional Counter) : 농축된 붕소(B)로 계수관 음전극(-)을, 또는 양전극(+, -) 모두를, 도포하고 계수기체로 He 등 불활성기체를 사용하는 계측기이다. 열중성자와 반응으로 붕소피막에서 방출된 α입자 또는 ⁷Li입자에 의해 계수기체가 전리되며 계측 원리는 BF₃ 계수관과 같다.