1. 측정기술의 개요

1. 측정기술의 개요 방사선의 검출원리 방사선 검출 방사선 검출로 얻게 되는 정보 방사선과 방사선 검출부의 상호작용에 의한 물리∙화학적 변화를 이용하여 정보를 얻는 일련의 과정 방사선 검출로 얻게 되는 정보 방사선의 종류 방사능의 세기 방사선 에너지 분포 조사선량 및 흡수선량 인체의 피폭선량 2 2

1. 측정기술의 개요 방사선 측정 시 고려할 사항 방사선 및 방사성 핵종 정보 방사선측정장치의 선정 방사선 종류와 에너지 핵종의 붕괴 특성 방사선장의 세기 방사선측정장치의 선정 백그라운드(background) 자연방사선 주변의 방사선원 방사선 이외의 영향 검출(계수)효율 및 계수치의 통계적 처리 계수 중의 방사능 감소 3 3

1. 측정기술의 개요 방사선 측정 시 고려할 사항 백그라운드(Background)의 영향 자연방사선 자연에 존재하는 지각 및 우주방사선 계측기 구성 재료물질에 함유된 방사성 물질 2차선 및 기타 fall out 주변의 방사선원 부근에 있는 다른 선원 검출기의 오염 방사선 이외의 효과 계기의 전기적 noise 4 4

1. 측정기술의 개요 방사선 검출 원리 하전입자와 물질의 상호작용 탄성산란 비탄성산란을 통한 원자의 이온화 및 들뜸 체렌코프현상(Cerenkov effect) 소멸복사 제동복사 5 5

1. 측정기술의 개요 방사선 검출 원리 전자기파(γ선)와 물질의 상호작용 광전효과 : γ선과 원자가 충돌하여 전에너지를 궤도전자 에 주고 전자를 방출 컴프턴산란 : γ선이 전자와 충돌하여 에너지 일부를 전 자에 주고 감소된 에너지 만큼 산란선으로 방출 전자쌍생성 : 1.022MeV 이상의 γ선이 원자핵의 쿨롱장 의 영향을 받아 소멸하며 양전자와 음전자 쌍을 만드는 현상 6 6

1. 측정기술의 개요 방사선 검출 원리 중성자와 물질의 상호작용 물질 내 핵과의 탄성, 비탄성산란을 일으키고 포획, 핵변환, 핵분열 발생 7 7

1. 측정기술의 개요 이온화 작용 검출원리에 따른 방사선 검출기의 분류 기체전리 고체전리 전리함 : 직류형(베타, 감마), 펄스형(중하전입자) 비례계수관 : 알파/베타(분리 측정), 중성자 GM검출기 : 베타, 감마 고체전리 HPGe : 감마(에너지 분해능 탁월) Ge(Li), Si(Li) : 감마 표면장벽형 : 알파 CdTe, HgI2, GaAs : 감마선 측정 시 냉각 8 8

1. 측정기술의 개요 검출원리에 따른 방사선 검출기의 분류 여기작용 무기물질섬광 유기물질섬광 열형광 유리형광 NaI(Tl), CsI(Tl) : 감마 ZnS(Ag) : 알파 LiI(Eu) : 중성자 유기물질섬광 액체섬광계수기 : 저에너지 베타, 알파 플라스틱 : 베타 열형광 TLD : 선량평가(개인/환경) 유리형광 유리형광선량계 : 선량평가(개인/환경) 9 9

1. 측정기술의 개요 검출원리에 따른 방사선 검출기의 분류 기타 검출 원리 화학작용 : 프리케선량계, 세륨선량계 감광작용 : 필름배지 결함유발 : CR-39, LR115 핵반응 : 핵분열함, 되튐양성자 검출기 10 10

1. 측정기술의 개요 방사선 측정 시스템 검출기 :방사선과 물질과 상호작용을 통해 정보를 발생시키는 센서 장치 방사선측정시스템 = 검출기 + 신호처리 장치 검출기 :방사선과 물질과 상호작용을 통해 정보를 발생시키는 센서 장치 신호처리장치 : 방사선 정보를 사람이 감지할 수 있는 전기적 신호로 변환하는 장치 전치증폭기(Pre Amplifier) 주증폭기(Amplifier) PHA (Pulse Height Analyzer) : MCA, SCA 11 11

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 개요 방사성 붕괴는 확률적 과정 통계적 요동 발생 (오차의 원인) 방사선계측기 정상 동작 유무 확인 계수치의 신빙성 확인 계수통계의 목적 12 12

1. 측정기술의 개요 방사선계측의 통계 처리 정확도(Accuracy)와 정밀도(Precision) 정확도 : 기기의 잘못된 교정, 관측오차, 환경간섭 정밀도 : 방사성붕괴의 통계적 현상, 방사선과 물질과의 상호작용의 통계적 현상 참값 정확도 정밀도 13 13

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 계수치(N)와 계수율(n) 검출효율(ε) 계수치(N) : 계측기가 일정시간(t)동안 측정한 값(count) 계수율 (n): 단위시간당 계수값 검출효율(ε) 시료에서 방출된 방사선이 검출기 속에 입사하며 얼마만큼의 비율로 검출되는가를 나타내는 효율 14 14

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 포아송 분포(Poisson distribution) 표준편차(σ) 단위시간당의 계수값의 확률 분포 표준편차(σ) 자료의 분포도를 나타내는 수치 P(n) 계수치N의 표준편차 : 계수율n의 표준편차 : 15 15

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 상대오차 계수치(율)에 대한 표준편차의 상대적인 비 16 16

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 신뢰도 계측값이 표준편차의 범위 내에 존재하는 확률 신뢰도 범위 68 % σ 96 % 2 σ 99 % 2.58 σ 99.7% 3 σ 참값 17 17

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 오차의 합성 오차를 갖는 변수 u의 분산 18 18

<ex> 참계수(Nn) = 총계수(Nt) - 백그라운드 계수(Nb) 1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 오차의 합성 합 또는 차의 분산 (u=A+B 또는 u=A-B) <ex> 참계수(Nn) = 총계수(Nt) - 백그라운드 계수(Nb) 예제 시료 총계수(t): 20분간 1600 counts 백그라운드(b) : 10분간 100 counts 일때 시료의 계수율은? 19 19

1. 측정기술의 개요 방사선 계수 통계 오차의 합성 곱하기 또는 나누기의 분산 (u=AⅹB 또는 u=A/B) 예제 시료 무게 10mg, 무게 계량오차 10% 시료 방사능이 762+24 dpm 일 때 비방사능과 오차는? 20 20

1. 측정기술의 개요 측정 시간의 배분 시료와 백그라운드 계수시간의 배분 총 계수 시간이 한정되어 있을 때 오차를 최소화 하기 위해 시료와 백그라운드 측정에 할당할 수 있는 시간배분 예제 시료의 계수율 500cpm, 백그라운드 계수율 100cpm 총 측정시간 30분인 경우 효율적인 측정을 위한 측정시간을 분배하시오. 21 21

1. 측정기술의 개요 측정값의 검정 Test of goodness fit (χ2 test) 측정값의 요동이 통계법칙에 따라 분포되어 있는지 평가 측정기의 정상적인 동작 여부를 확인하는 시험 측정기 정상 기준 측정 10회 이상 : χ2 이 3.33~16.92 측정 20회 이상 : χ2 이 10.12~30.1 또는 χ2 분포표에서 χ2값의분포확률(p)이 0.1~0.9 ⇒ 위 범위를 벗어난 경우 측정기를 점검하여 사용 : 평균치 Mi : i번째 측정치 n : 측정 횟수 22 22

1. 측정기술의 개요 측정값의 검정 Test of goodness fit (χ2 test) 예제 어떤 측정기로 측정한 계수값이 10, 12, 8, 13, 7 count인 경우 이 측정기의 상태가 양호한가를 χ2 분포표를 참고하여 확인하여라 자유도 (N-1) 확 률(p) 0.99 0.975 0.95 0.90 0.75 0.50 0.25 0.10 0.05 1 0.0157 0.0982 0.03 0.0158 0.102 0.456 1.323 2.71 3.84 2 0.0201 0.0506 0.103 0.211 0.575 1.386 2.77 4.61 5.99 4 0.297 0.484 0.711 1.064 1.923 3.36 5.39 7.78 9.49 5 0.554 0.831 1.145 1.601 2.67 4.35 6.63 9.24 11.07 6 0.872 1.237 1.635 2.20 3.45 5.35 7.84 10.64 12.59 23 23

1. 측정기술의 개요 최소검출한도 최소검출한계(Minimum Detection Level; MLD) 시료의 방사능이 극히 미미한 경우 시료와 백그라운드 신호를 구분하기 어려우므로 실제 얻은 계수와 백그라운드가 구분될 수 있는 한계 최소검출방사능(Minimum Detectable Activity; MDA) MDL로부터 계수효율 계수시간 등을 반영하여 계수시간 등을 반영하여 방사능으로 환산한 값 24 24

2. 기체전리를 이용한 검출기

2. 기체전리를 이용한 검출기 전리와 관련한 단위와 물리량 W값 입사 방사선에 의한 생성 이온쌍 수 참고 이온화에너지와 W치의 차이점 W값 방사선이 물질 내 진행 시 1개의 이온쌍(ion pair)을 생성하는데 필요한 평균 에너지 기체의 종류에 따라 결정(방사선 종류나 에너지에 거의 무관) 공기의 W치 : 약 34 eV 입사 방사선에 의한 생성 이온쌍 수 N : 생성되는 이온쌍 수 E : 입사 방사선 에너지 W : 1개 이온쌍 생성에 필요한 평균 에너지 26 26

2. 기체전리를 이용한 검출기 물리량의 유도 입사 방사선에 의한 총 생성 전하량(Q) 전하량에 따른 발생 전압(V) 및 전류량(I) Q : 전하량 (C; coulomb) e : 전자 1개의 전하량(1.6ⅹ10-19C) W : 1개 이온쌍 생성에 필요한 평균 에너지 V : 전압 (V) C : 정전용량(F; Farad) I : 전류 (A) t : 시간 (s) 27 27

2. 기체전리를 이용한 검출기 물리량의 유도 예제 정전용량이 10pF인 공기를 내장하고 있는 전리함에 100keV 베타선이 입사할 때 공기 중에서 생성되는 이온쌍의 수와 전하량, 전압은? 또한 전리함의 신호포집 시간이 1㎲일 때 전류량은? (단, w치는 33.7eV) 28 28

2. 기체전리를 이용한 검출기 기체충전형 검출기 원리 기체충전형 검출기 동작 원리 + - 음극 검출기 고전압 방사선 양극 29

2. 기체전리를 이용한 검출기 기체충전형 검출기 원리 인가전압과 수집 이온쌍수에 의한 출력펄스 크기 관계 양극 포집 전자 수 양극 포집 전자 수 Ⅲ 비례계수관 영역 Ⅴ 연속 방전 영역 Ⅳ GM 영역 Ⅱ 전리함 영역 Ⅰ 재결합 영역 인 가 전 압 (V) 30 30

2. 기체전리를 이용한 검출기 인가전압과 수집 이온쌍수와의 관계 재결합 영역 인가전압이 낮은 영역 Ⅰ 재 결 합 영 역 인 가 전 압 (V) 양극 포집 전자 수 인가전압이 낮은 영역 방사선에 의해 생성된 이온쌍이 수집 전 일부 재결합으로 손실됨 검출기 사용이 불가능 31 31

2. 기체전리를 이용한 검출기 인가전압과 수집 이온쌍수와의 관계 전리함 영역 재결합 현상 억제 기체 증폭없이 일차적으로 생성된 이온쌍 포집 인가 전압 증가시켜도 포집 이온쌍 수 증가하지 않음 ⇒ 방사선장 강도 ∝ 출력신호 검출기 사용 가능 (조사선량 측정 가능) ⇒ 직류전리함, 펄스전리함 포켓선량계 인 가 전 압 (V) 양극 포집 전자 수 Ⅱ 전리함 영역 32 32

2. 기체전리를 이용한 검출기 인가전압과 수집 이온쌍수와의 관계 비례계수 영역 기체 증폭 발생 인 가 전 압 (V) 양극 포집 전자 수 Ⅲ 비례 계수 영역 기체 증폭 발생 1차 전리에 비례하여 증폭된 2차 전자 수집 에너지 분해능 좋음 (α와 β 분리 측정) 검출기 사용 가능 ⇒ 밀봉형, 기체유입형 33 33

2. 기체전리를 이용한 검출기 인가전압과 수집 이온쌍수와의 관계 GM 영역 양극 주변 모든 기체에서 증폭 발생 인 가 전 압 (V) 양극 포집 전자 수 양극 주변 모든 기체에서 증폭 발생 1차 이온쌍 수에 무관 에너지 분해능 떨어짐 방사능 검출기로 사용 Ⅳ GM 영역 34 34

2. 기체전리를 이용한 검출기 인가전압과 수집 이온쌍수와의 관계 연속방전 영역 방전이 연속적으로 발생 검출기 사용이 불가능 인 가 전 압 (V) 양극 포집 전자 수 Ⅴ 연속 방전 영역 35 35

2. 기체전리를 이용한 검출기 인가전압과 수집 이온쌍수와의 관계 입사 방사선과 출력신호의 관계 검출기 전리함 비례계수관 GM [W치 : 34eV] 검출기 전리함 비례계수관 GM 방사선 에너지 340eV 3400eV 초기에 생성되는 전자수 10 102 증배율 1 105 비례성 없음 양극에 포집되는 전자수 106 107 양극전체에서 방전 출력펄스 36 36

2. 기체전리를 이용한 검출기 전리함 검출기(Ionization Chamber) 전리함 검출기의 특성 간단한 형태 작동원리 : 직접 전리로 생성된 전하 모두 수집 종류 : 직류형, 펄스형 직류형 : 전극에 포집된 이온쌍의 전류 직접 측정 펄스형 : 전류 펄스의 계수치로 입사한 하전입자 계수(핵종분석) 선량률 측정 가능(특히 조사선량) 출력 전류 미약 ⇒ 감도 나쁨 1차 전리에 의한 전류 측정(증폭도 = 1) 37 37

2. 기체전리를 이용한 검출기 전리함 검출기(Ionization Chamber) + + + + - - - - 검출기 고전압 방사선 38 38

2. 기체전리를 이용한 검출기 전리함 검출기(Ionization Chamber) 전리함 검출기의 구성물질 공기등가물질 : 조사선량 측정 조직등가물질 : 인체 흡수선량 측정 (전리함의 벽을 인체조직과 유사한 재질로 구성) 39 39

2. 기체전리를 이용한 검출기 비례계수관(Proportional Counter) 비례계수관의 특성 이온함보다 높은 전압 영역에서 작동 최초의 전자증폭 발생 (가스증폭도 : 약106배) ⇒ 기체 종류, 압력, 인가전압, 계수관 구조에 의존 비정이 짧은 α, β, 저에너지 X선 측정에 적합 (특히 α선, β선 계수) 출력신호 크기∝입사방사선 에너지 (에너지 선별 가능) 충전기체(P-10 gas) 사용 불감시간 존재(수 μsec) 참고 불감시간 검출기 내에 입사하는 잇따른 방사선에 의한 출력펄스를 구분하는데 걸리는 시간 40 40

2. 기체전리를 이용한 검출기 비례계수관(Proportional Counter) 비례계수관의 검출 원리 + - + - + - 참고 방전(放電) : 기체 등 전기가 거의 통하지 않는 것들이 강한 전기장 속에 있을 때, 절연성을 잃고 전류가 흐르는 현상 비례계수관의 검출 원리 검출기 + - + - + - + - + - + - 고전압 방사선 41 41

2. 기체전리를 이용한 검출기 비례계수관(Proportional Counter) 충전기체 충전기체 : 검출가스 +소멸가스 ⇒소멸가스 (quenching gas) : 전자에 의해 여기된 원자 에서 방출되는 자외선을 흡수하여 부가적인 전자사 태 방지 P-10가스 : P-10 gas (Ar 90% + CH4 10%) 42 42

2. 기체전리를 이용한 검출기 비례계수관(Proportional Counter) α선과 β선의 분리 측정 α선과 β선의 비전리도 차를 이용 α: 단일에너지 스펙트럼 (약 4 MeV) β: 연속에너지 스펙트럼 (0~Emax) 파고 선별기를 통한 동시 계수  플래토우 α+ 플래토우 인가전압 V 계 수 율  channel  channel Discriminator LLD 43 43

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) GM검출기의 특성 양극 주변 모든 영역에서 기체 증폭(자외선에 의한 이온화형성 용인) 펄스 증폭을 위한 전기장치 불필요 생성되는 1차 이온쌍의 수에 무관하게 동일한 출력펄스 생성 ⇒ 에너지 선별력 없음 (방사능만 측정 가능) 출력신호크고, 계측회로 단순 → 휴대 용이 불감시간이 길다(수 백 μsec) 44 44

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) GM검출기의 검출 원리 + + + + + + 고전압 방사선 45 45

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) GM검출기의 소멸기체(Quenching gas) 양이온이 음극과 충돌해 발생하는 2차 전자 생성 방지 양이온이 소멸기체 분자에 양전하를 주어 양이온은 중성이 됨 → 소멸기체는 양이온이 된 후 스스로 분해 참고 비례계수관의 소멸기체 전자가 양극과 충돌하여 여기된 원자에서 방출되는 자외선이나 가시광선 흡수 46 46

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) GM검출기의 종류 단창형 GM계수관 : 방사능 측정 원통형 GM관 한쪽 면이 알파 또는 베타 입자가 투과할 수 있도록 얇은막(운모, Al)으로 닫혀 있는 GM 보상형 GM계수관 : 광자 측정 검출기의 외벽을 Pb, Sn 등으로 적절히 차폐해 저에너지 광자에 대한 감응도를 얻을 수 있음 →선량(률)을 근사적으로 얻을 수 있음 47 47

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) 전극전압과 계수율의 특성곡선 Plateau 구간 : 인가전압 증가에 따른 계수율의 증가가 거의 없는 영역으로 안정적인 계 수가 가능한 영역 Plateau 경사(%/100 V) 개시(사용)전압 계수율 (cpm) n2 n1 V1 (동작개시전압) v2 Plateau 인가전압 48 48

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) GM계수관의 plateau 기울기 증가 충전된 기체의 미시적 누설 소멸 기체의 성능 저하 방사선 검출기와 방사선의 상호작용으로 인하여 생성된 불순물에 의한 계수관 내 전기장 변화 49 49

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) 불감시간(Dead time) 원인 : 전자사태 후 양극부근 에서 양이온이 형성한 공간 전하에 의한 전압강하 발생 시간 : 약 수 백 μs 정도 영향을 미치는 인자 GM관 내 가스의 종류 및 압력 전기장의 강도(계측기의 형태) 파고선별기 설정 위치 불감시간 회복시간 파고선별기 시간(μsec) 펄스크기 분해시간 50 50

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) 분해시간의 보정 m : 측정한 계수율 τ : 분해시간(불감시간) 계수손실율 51 51

2. 기체전리를 이용한 검출기 GM검출기(Geiger-Müller Counter) 분해시간(τ)의 보정 2선원법 : 2개의 선원을 이용하여 분해시간 측정 “1”번 선원 계수(“1”과 그 백그라운드 측정됨) : m1 “2”번 선원 계수(“2”와 그 백그라운드 측정됨 ) : m2 “1”, “2” 동시 계수(“1”, “2”와 백그라운드 측정 ) : m12 선원없이 백그라운드만 계수 : mb 붕괴선원법 오실로스코프에 의한 직접측정법 n=참계수 (∴ 계수손실 = n-m) n=m(1+mτ), n1+n2=n12+nb m1 : 첫번째 선원 실측계수 m2 : 두번째 선원 실측계수 m12 : 두선원 동시 실측계수 mb : 백그라운드 실측계수 52 52

2. 기체전리를 이용한 검출기 비례계수관 vs. GM계수관 구분 비례계수관 GM계수관 충전 가스 P-10 가스 (Ar 90% + 메탄 10%) Q 가스 (He 99.5% + 이소부탄 0.5%) 에너지 판별 출력펄스 파고가 1차 전리량에 비례하고 α선, β선의 에너지 판별이 가능 출력펄스의 파고가 1차 전리량에 관계 없이 거의 일정하여 방사선의 종류나 에너지 분별 어려움 전압 범위 수 mV 수 V 불감시간 수 μs 수백 μs 수명 수명 제한 없음 수명 제한 있음 53 53

3. 고체전리를 이용한 검출기

3. 고체전리를 이용한 검출기 반도체검출기의 검출원리 작동원리 : 기체충전형 검출기와 동일(전리작용) Ⅳ족 (Si,Ge) Ⅲ족  P형 반도체 Ⅴ족  N형 반도체 작동원리 : 기체충전형 검출기와 동일(전리작용) 방사선의 검출에 이용되는 매개체 : 고체(공핍층) 전하 운반체 : 전자 (electron), 정공 (hole) P N + - 공핍층 hν

3. 고체전리를 이용한 검출기 반도체검출기의 특성 정보전달자 : 전자와 정공쌍 에너지분해능 우수 정공은 결정내부에서 양이온과 같은 거동을 함 에너지분해능 우수 전자/정공쌍 생성 일함수가 작다. Ge: 2.96eV, Si: 3.65eV ⇒ 기체: 34eV 동일 에너지의 입사방사선에 대한 출력신호가 기체의 약 10배 이동도 우수 : 정공의 이동속도는 전자의 1/3 고밀도 : 감마선 계측효율이 우수

3. 고체전리를 이용한 검출기 반도체검출기의 특성 입사방사선 에너지와 출력 펄스와 비례성 우수 응답속도 우수 검출부 소형 유효계수면적이 작다. 방사선손상(radiation damage)이 크다. 액체질소 냉각 필요 : Li-drift형, HPGe 검출기 ⇒ 운반이 불편, 고가의 유지 비용

3. 고체전리를 이용한 검출기 반도체검출기의 종류 P-N접합형 반도체 검출기 표면장벽형 반도체 검출기 Li-drift형 반도체 검출기 : Si(Li), Ge(Li) 고순도형 반도체 검출기 기타 : GaAs, CdTe, HgI2

3. 고체전리를 이용한 검출기 P-N 접합형 검출기 반도체 방사선검출기의 기본적인 방법 구조가 간단 분해능이 다소 떨어짐 공핍층의 두께는 10 - 500 ㎛ 용도 : 주로 α선 측정

3. 고체전리를 이용한 검출기 표면장벽형 검출기(surface barrier detector) N형 반도체(Si)의 표면 부식한 후 산화하여 표면을 p형으로 제작 후 Au 증착하여 음극 반대쪽은 Al 증 착으로 양극으로 전극을 제작 표면~공핍층이 매우 얇음 α선, 중하전입자 검출 검출부 소형 : 백그라운드 γ선의 영향이 작다 Au (negative electrode) insulator P-type N-type Si Al (negative electrode)

3. 고체전리를 이용한 검출기 Li 드리프트형 검출기 공핍층의 확대를 위해 p형 반도체에 Li을 열확산 종류 : Ge(Li), Si(Li) 검출기 액체질소(77˚K)로 냉각 Si(Li) 검출기 : 사용 시 냉각 Ge(Li)검출기 : 사용 및 보관시 냉각 검출특성 Si(Li)검출기 : 저에너지 X선, 고에너지 β선 Ge(Li) 검출기 : γ선 측정 Ge의 원자번호(Z)가 Si보다 커 광전효과가 더 잘 일어나므로 γ선 검출에 유리함

3. 고체전리를 이용한 검출기 고순도 방사선 검출기 HPGe (High purity Ge) 검출기 상온 보관 가능 방사선 측정 시에만 액체질소로 냉각 ⇒ Li 드리프트형(Si(Li), Ge(Li))에 비해 유지가 편리 에너지분해능이 탁월 매우 높은 가격

3. 고체전리를 이용한 검출기 기타 반도체검출기 CdZnTe, HgI2, GaAs 검출기 γ선 측정 장점 : 에너지 갭의 간격이 커 상온에서 사용 가능 단점 : 에너지 분해능이 좋지 않음 결정을 키우는데 한계 (최대 길이 1cm 정도) 고에너지 γ선 측정 부적합

3. 고체전리를 이용한 검출기 반도체형 중성자 검출기 반도체와 리튬 결합형 검출기 Li화합물 + 반도체검출기 다이아몬드를 이용한 검출기 에너지 분해능이 낮아 선속이 높고 고방사선 환경에서 사용 Si을 이용한 검출기 Li을 이용한 검출기

4. 섬광작용을 이용한 검출기

4. 섬광작용를 이용한 검출기 검출원리 방사선조사로 인한 발광작용 여기작용을 이용한 검출기 (여기상태에서 기저상태로 천이를 수반하므로) 섬광 : 작용과 동시에 빛을 빠르게 내는 것 형광 : 작용이 일이난 후 빛을 느리게 내는 것 spark

4. 섬광작용를 이용한 검출기 검출원리 검출기 특성 발광에 이르는 시간이 짧다 (10-9~10-5 s) 섬광체 종류에 의존 발광량 ∝입사 방사선 에너지 타 검출기에 비해 분해시간 짧음 계수효율이 높음

4. 섬광작용를 이용한 검출기 섬광체의 요건 방사선의 발광 변환율 높고, 비례성 우수할 것 빛의 투과성 좋고, 섬광의 감쇄시간 짧을 것 발광스펙트럼이 PMT의 분광감도에 적합할 것 제작 쉽고 기계적, 화학적으로 내성이 높아 크게 제작할 수 있을 것 섬광체를 PMT에 효율적 접속토록 유리의 굴절률(약 1.5)과 유사할 것 고에너지 γ선용 : 원자번호 및 밀도가 높은 물질

4. 섬광작용를 이용한 검출기 검출기의 구성 섬광체(Scintillator) PC based MCA AMP Pre. amp PC Oscilloscope H. V. PMT Scintillator Optical coupling 섬광체(Scintillator) 광증배관(PMT; Photomultiplier Tube) : 광전자 증배 전치증폭기(pre. amp) : 전류 증폭 및 펄스화 주증폭기(amp) : 펄스의 2차성형 및 증폭 다중채널분석기(MCA, Multi Channel Analyzer ): 검출기에 흡수된 에너지와 비례하는 펄스를 크기에 따라 해당 채널에 기록저장

4. 섬광작용를 이용한 검출기 PMT(Photomultiplier Tube)의 정의 섬광체에서 생성된 광전자를 수집 및 증폭 구조 Cathod (광음극) : 빛을 수집하여 만들어진 광전자를 방출 (Cs-Sb, Ag-Mn 등) Dynode : 2차 전자 증폭기구 (증배도 : 약 106배) 광전면에서 방출된 광전자를 증폭하는 부분 10~14단으로 구성(인가전압: 약 100V) 1, 2단 dynode는 나머지 dynode에 비해 고전압 재질 : BeO, MgO 등

4. 섬광작용를 이용한 검출기 PMT(Photomultiplier Tube)의 정의 Anode (양극; 집전극) 증배된 전자를 수집하여 전기적 펄스로 보내는 역할 hν Cathod Dynode Anode

4. 섬광작용를 이용한 검출기 PMT 사용 시 주의사항 규정 전압 이상의 고전압 걸지 말 것 고전압안정회로(HIV)의 전원 사용 측정 전 동작 안정 시간 필요 입사광 약할 시 냉각시켜 열 잡음 줄일 것 μ metal(철과 니켈 합금)으로 지자기 차폐 전압이 걸린 상태에서 직사광선 노출 금지 암전류(dark current) 발생 방지 위한 광차폐와 적정 실내 온도 동작 요구

4. 섬광작용를 이용한 검출기 증폭기(amplifier) 전치증폭기(Preamplifier) 주증폭기(Amplifier) PMT에서 보낸 전류를 펄스로 정형 임피던스 정합 전류펄스 ⇒ 전압펄스 검출기와 30cm이내의 짧은 거리에 위치, 전치증폭기의 출력은 30m이상의 거리에 있는 주증폭기에 신호 전달 주증폭기(Amplifier) 펄스 정형 및 증폭

4. 섬광작용를 이용한 검출기 파고분석기(PHA : Pulse Height Analyzer) 입사하는 여러가지 크기의 펄스 분석하여 파고치 와 펄스수의 관계를 구하는 장치 종류 Single channel 파고분석기(SCA) : 1회에 1개 펄스 계수 Multi channel 파고분석기(MCA) : 동시에 다수 펄스 계수

4. 섬광작용를 이용한 검출기 섬광체의 분류 : 무기섬광체, 유기섬광체 고체 무기결정 NaI(Tl), LiI(Eu), ZnS(Ag), BGO, CWO, GSO, LSO 유기결정 안트라센, 스틸벤 플라스틱 폴리스틸렌에 파라․터피닐을 분산시켜, POPOP를 미량 첨가한 것 액체 톨루엔이나 자일렌의 용매에 파라․터피닐이나 POP을 약 5g/ℓ 녹이고, POPOP을 미량 첨가한 것 기체 He, Ar, Xr, Xe

4. 섬광작용를 이용한 검출기 섬광체의 특성 C(탄소) 유무 무기 유기 발광효율 높다 낮다 천이속도(잔광감쇠시간) 늦다(길다) 빠르다(짧다) 선형성 좋다 좋지 않다 종류 NaI(Tl) CsI(Tl) ZnS(Ag) LiI(Eu) BGO 액체 섬광체 Plastic 안트라센

4. 섬광작용를 이용한 검출기 무기섬광체 NaI(Tl) 섬광체 γ선 측정에 가장 많이 사용되는 섬광물질 발광 효율 우수 기계적, 열적 충격이 약함 조해성 (∴Al 또는 Be 용기 밀봉 후 사용 : α, β, 저에너지 X-선 측 정 불가)

4. 섬광작용를 이용한 검출기 Ge(Li)반도체 검출기와 NaI(Tl)섬광계수기 비교

4. 섬광작용를 이용한 검출기 무기섬광체 CsI(Tl) 섬광체 NaI(Tl)보다 원자번호가 높아 γ 검출 효율 우수 결정의 기계적 강도가 좋음 조해성 없음 펄스의 형성이 늦어 높은 계수율 측정에 부적합

4. 섬광작용를 이용한 검출기 무기섬광체 BGO(Bi4Ge3O12)섬광체 원자번호 높고(Bi) 밀도가 높아 검출효율이 우수 발광량 작고 에너지분해능 떨어짐 기계적 강도와 화학적 특성이 우수하여 안정적 결정 발광의 감쇄시간이 매우 짧아 빨리 반응해야 하는 X선 CT, PET 등의 검출기로 사용 다른 무기섬광체와 달리 활성제(불순물; Tl) 사용하지 않음

4. 섬광작용를 이용한 검출기 무기섬광체 LiI(Eu) 섬광체 ZnS(Ag) 섬광체 6Li( n,α )3H 반응 열중성자 측정 α선 측정 큰 결정을 얻을 수 없다 (미세한 백색 분말 형태) 백그라운드의 영향이 적음 <ZnS 검출기>

4. 섬광작용를 이용한 검출기 유기섬광체 유기섬광체 특성 원자번호 낮아(C, H, O가 주성분) 주로 α, β선 측정 이용 기계적 강도 낮아 결정 형태 사용 어려움 종류 : 순수 유기결정: 안트라센(ansthracene), 스틸벤(stilbene) 액체유기섬광물질 플라스틱 유기섬광물질 장전 유기섬광물질

4. 섬광작용를 이용한 검출기 유기섬광체 안트라센 섬광체 플라스틱 섬광체 β선 측정 유기 섬광체 중 가장 높은 섬광효율을 지님 Liquid scintillator → 중합반응 → plastic scintillator로 제작 가공성 우수 β선 측정에 주로 이용 반도양성자에 의한 속중성자 측정(수소함유)

4. 섬광작용를 이용한 검출기 유기섬광체 액체 섬광체 유기섬광물질을 적절한 용매(톨루엔 등)녹여 사용 대용량 검출기 제작 용이 저에너지의 β방출체 및 α선 측정에 적합(4π 계수 가능)

4. 섬광작용를 이용한 검출기 저에너지 광자의 검출 Phoswich(Phosphor Sandwich) Detector 한 개의 PMT에 두 개의 섬광물질을 접합한 검출기 γ선 백그라운드 환경에서 저에너지 X선 등을 측정할 목적 전방의 얇은 섬광체: 저에너지 광자 후방의 두꺼운 섬광체: 고에너지 광자+저에너지 광자 → 두 펄스 붕괴시간 이용한 분리 우물형 섬광검출기 검출효율 우수(저에너지 광자의 경우 약100%에 이름) 시료를 섬광체 내부(우물형)에 직접 끼워 측정

4. 섬광작용를 이용한 검출기 저에너지 광자의 검출 장전(Loaded) 유기섬광체 원자번호 낮은 유기섬광물질의 광전효과 발생효율을 높 이기 위함 원자번호 높은 Pb, Sn 등의 물질을 유기섬광물질에 첨가 하여 γ선 핵종 분석

4. 섬광작용를 이용한 검출기 소광현상(Quenching) 액체섬광물질에서 발생한 빛에너지 감소현상 소광현상 발생 이유 섬광체에 포함된 불순물 Mixing ratio로 인해 용매에 녹지 않는 시료 Vial 재질에 의한 굴절

4. 섬광작용를 이용한 검출기 소광현상(Quenching)의 종류 화학 소광현상 (Chemical Quenching) 방사선 에너지가 섬광물질에 첨가된 화학물질(불순물)에 흡 수되어 감쇠 빛을 방출하는 대신 열(적외선)로 소실되는 현상 색소광현상 (Color Quenching) 섬광(빛) 일부가 혼합물이 띠는 색에 의해 흡수되어 PMT에 도달하지 못하는 소광 물리적 소광(Physical Quenching) 방사선 에너지가 용매 내의 침전물이나 vial 재질에 의한 굴절 로 감쇠되는 현상

5. 방사선량의 측정

5. 방사선량의 측정 조사선량 조사선량(Exposure; X) X선 또는 γ선이 표준상태(STP, 0℃, 1기압) 공기의 단위질량당 생성하는 한쪽(양이온 또는 전자) 전하량의 총합 공간의 방사선장의 세기를 나타내는 양으로 방사선 흡수량을 에너지(J)로 표현하지 않고 전리에 의한 전기량으로 표현 단위 : R, C/kg 90 90

5. 방사선량의 측정 조사선량 입사방사선 에너지와 생성되는 전하량(Q) Q = C ∙ V = I ∙ t 공기의 W value : 약 34 eV ⇒ 물질 내 입사하는 방사선의 에너지를 알면 생성되는 전하량을 알 수 있다! Q = C ∙ V = I ∙ t Q : 전하량[C] C : 정전용량[F] V : 전압[V] I : 전류[A] t : 수집시간[s] 91 91

5. 방사선량의 측정 조사선량 압력과 온도 변화 따른 조사선량 산출 검출기 내부의 체적은 일정 참고 0℃⇒273°K 1기압(atm)⇒760mmHg 조사선량 압력과 온도 변화 따른 조사선량 산출 검출기 내부의 체적은 일정 조사선량 정의의 조건은 STP상태 측정 조건이 STP와 다른 경우 온도 및 압력 조건을 보정 (검출기 내 충진기체의 밀도 보정) 92 92

5. 방사선량의 측정 조사선량 압력과 온도 변화 따른 조사선량률 산출 전류(A) : 단위시간당 흐른 전하의 양(C/s) 전류를 알면 조사선량률을 구할 수 있다. 93 93

5. 방사선량의 측정 조사선량 예제 25℃, 750mmHg 일 때 200cc 전리함에서 15pA의 전류가 측정되었다. 노출된 방사선장의 조사선량률(R/h)은? 답: 0.896 R/h 94 94

5. 방사선량의 측정 방사성동위원소의 감마상수 (Γ상수) 감마상수 (Γ상수) 정의 : 1Ci의 방사능을 갖는 점선원에서 1m거리에서 1시 간 동안 머물렀을 때 받는 선량 핵종에 따라 고유한 값을 가짐 선원으로부터의 거리와 선원의 방사능을 알면 시간당 받는 선량을 쉽게 구할 수 있다. 단위 : 참고 대표적 핵종의 감마상수 60Co : 1.32 R∙m2/Ci∙h 137Cs : 0.34 R∙m2/Ci∙h 192Ir : 0.50 R∙m2/Ci∙h 95 95

5. 방사선량의 측정 방사성동위원소의 감마상수 (Γ상수) 감마상수 (Γ상수)의 근사 산출 핵종 고유에너지에 0.5를 곱하여 Γ상수를 근사하게 산출 가능 예) Γ(60Co) ⇒ (1.17+1.33) MeVⅹ0.5 = 1.25 Γ(137Cs) ⇒ 0.662 MeVⅹ0.5 = 0.331 96 96

5. 방사선량의 측정 방사성동위원소의 감마상수 (Γ상수) 방사능과 거리에 따른 선량율의 변화 방사능을 일정(1Ci)하게 한 후 거리를 변화시킨 경우 1m 선량 ∝ 1/(거리)2 2m 137Cs 3m 97 97

5. 방사선량의 측정 방사성동위원소의 감마상수 (Γ상수) 방사능의 세기 따른 선량율의 변화 거리를 일정(1m)하게 한 후 방사능 세기를 변화시킨 경우 1m 선량 ∝ 방사능 137Cs 98 98

5. 방사선량의 측정 흡수선량 흡수선량 (Absorbed dose ; D) 피폭량을 정량적으로 나타내는 물리량 물체의 단위질량당 흡수된 방사선의 에너지양 (모든 물체, 모든 방사선에 관하여 적용함) 단위 : Gy, J/kg 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad = 104 erg/g 99 99

5. 방사선량의 측정 조사선량의 흡수선량 산출 1R이 공기 중 조사시 흡수선량의 계산 100 100

5. 방사선량의 측정 Bragg-Gray cavity theory Bragg-Gray 공동 이론 전리함 벽과 계측기 내부 충진기체(공동기체)에서의 흡수선량비는 질량저지능비와 같다. 조건 : 하전입자 평형 101 101

5. 방사선량의 측정 Bragg-Gray cavity theory 참고 하전입자 평형 방사선이 검출기 벽물질과 반응을 일으켜 생성된 하전입자가 검출기 내부의 기체가 충진된 공간에서 에너지를 잃게 되는 양과 방사선이 검출기 내부 공간의 기체와 반응을 일으켜 생성된 하전입자가 검출기 벽물질에서 잃는 에너지양이 평형을 이루는 상태 102 102

5. 방사선량의 측정 Bragg-Gray cavity theory 참고 하전입자 평형의 조건 일차방사선장이 균질해야한다. 관심체적의 두께가 생성된 하전입자의 최대비정보다 조금 큰 경우 성립 3MeV 이하의 광자에 대하여 성립 103 103

5. 방사선량의 측정 Bragg-Gray cavity theory 답: 4 예제 선량측정을 위한 공동전리함에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 공동전리함에서 전자평형이란 공동과 벽물질에서의 전자의 평형상 태를 의미한다. ② 상용 공동전리함의 조직등가물질은 폴리에틸렌 등의 수지내벽에 탄소피막을 입힌것이 사용된다. ③ 전자평형이 일어나기 위해서는 공동벽의 두께가 2차전자의 최대비정 보다 커야한다. ④ 상용되는 전리함은 7MeV까지의 감마선에 대한 선량을 측정할 수 있 도록 제작된다. 답: 4 104 104

5. 방사선량의 측정 Bragg-Gray cavity theory 답: 16.8mGy/h 예제 조직등가의 벽물질로 구성된 공기 전리함이 광자 방사선장에 노출되었 을 때 20 pA의 전류가 흘렀다면 조직에서의 흡수선량률은 얼마인가? (단, 전리함 내 공기의 질량은 0.15g, Stissue/Sair=1.03 이다) 답: 16.8mGy/h 105 105

6. 방사능의 측정

6. 방사능의 측정 방사능 측정의 개요 정의 계수율 ≠ 방사능 (보정필요) 방출하는 방사선의 수를 계수하여 방사능을 구하는 것 주의! 계수율 ≠ 방사능 (보정필요) 정의 방출하는 방사선의 수를 계수하여 방사능을 구하는 것 시간당 붕괴 수 ≠ 시간당 방출하는 방사선수 참조 60Co : 1붕괴당 감마선 2개 방출 (1.17 MeV(100%), 1.33 MeV(100%)) 137Cs : 1붕괴당 감마선 0.85개 방출 (0.662 MeV(85%)) 107 107

6. 방사능의 측정 방사능 측정 방법 직접측정법(절대측정법) 준직접측정법 간접측정법(상대측정법) : 액체섬광계수법 정입체각법 동시계수법, 역동시계수법 2π 및 4π 계수법 준직접측정법 동위원소 시료의 질량측정법 열량측정법 전리량측정법 생성자료 이용법 간접측정법(상대측정법) : 액체섬광계수법 108 108

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 정입체각법 고려될 수 있는 모든 보정인자들에 대하여 직접적으로 보정을 행하여 방사능을 측정하는 방법 고려될 수 있는 보정인자 검출기의 고유검출효율(ε) 검출기 입사창의 흡수 및 산란 보정인자(fw) 기하학적 보정인자(fg) 공기의 흡수 및 산란 보정인자(fa) 선원의 매붕괴당 방사선방출률(fη) 선원의 자기흡수 보정인자(fs) 검출기의 분해시간 보정인자(fτ) 기타 보정인자 : 백그라운드, 계수 중 방사능 감쇠 등 109 109

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 정입체각법 보정인자를 고려한 선원의 방사능 ε fw fa Fg (2π:0.5, 4π:1) fs fb S 110 110

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 동시계수법 1붕괴당 2종류의 방사선 동시 방출 선원의 방사능 측정 β – γ 동시계수 : 선원의 β 방출과 동시에 γ선을 방출하는 핵종 측정 방법(예: 60Co) β선의 측정 : GM 검출기 γ선의 측정 : NaI(Tl) 검출기 효율을 알지 못해도 방사능의 절대 측정이 가능 111 111

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 동시계수법 감마 검출기 증폭기 파고선별기 4 베타 동시계수회로 112 112

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 동시계수법 방사능 측정 및 산출 β만의 계수율(nβ) = εβ∙A 방사능 측정 및 산출 β만의 계수율(nβ) = εβ∙A γ만의 계수율(nγ) = εγ∙A β γ 동시계수율(nβγ) = εβ∙εγ∙A εβ : 베타검출기(GM)의 검출효율 εγ : 감마검출기(NaI(Tl))의 검출효율 A: 방사능(Bq) 113 113

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 2π 및 4π 계수법 2π 계수관 : 반구로 이루어진 구간에서 방사선 검출 기하학적 효율 “0.5” ☞ α선 측정 gas in gas out anode window sample sample slide 114 114

6. 방사능의 측정 직접측정(절대측정)법 2π 및 4π 계수법 4π 계수관 : 선원이 검출기 내부에 위치해 방사선 검출 기하학적 효율이 거의 “1” ☞ β선 측정 gas in gas out bottom anode top anode sample 115 115

6. 방사능의 측정 준직접측정법 방사능을 직접 계수하지 않고, 유도되는 물리량을 직접 측정해 방사능 계수 동위원소 시료의 질량 측정법 열량측정법 방사능이 붕괴 시 발생하는 열량을 측정해 방사능을 측정 대선량 측정 A = λN = (η : 핵종의 존재비) 1 J = 0.24 cal 116 116

6. 방사능의 측정 준직접측정법 방사능을 직접 계수하지 않고, 유도되는 물리량을 직접 측정해 방사능 계수 전리량 측정법 117

6. 방사능의 측정 상대측정(간접측정)법 표준선원을 이용한 방사능 측정 방사능 정보를 사전에 알 수 있는 표준선원과 동일한 형상의 시료를 동일한 기하학적 조건으로 배치하여 측정 표준선원을 사용하여 측정기의 계수효율을 알 수 있음 미지의 시료와 표준시료의 계수값을 비교하여 시료의 방사능 측정 가능 118 118

7. 광자의 에너지 측정

7. 광자의 에너지 측정 γ선 에너지 측정 에너지 측정의 목적 : 핵종 분석 원리 : 검출기에서 수집한 정보를 이용하여 펄스 분 석하여 펄스 파고치와 펄스수 관계를 구함 Peak 형태로 표현된 정보 분석 ⇒ 측정기의 우수한 에너지분해능 요구됨

7. 광자의 에너지 측정 에너지 분해능 (R : resolution power) γ선의 에너지를 측정할 때 인접하는 peak를 구별할 수 있는 능력 반치폭(FWHM; Full Width at Half Maximum) 에너지분해능 평가 척도 peak 높이의 ½되는 지점에서의 폭 FWHM = 2.35σ FWHM 크면 에너지분해능 나쁘고, FWHM 작으면 에너지분해능 좋다. 계수율 n no FWHM Eγ 에너지

7. 광자의 에너지 측정 에너지 분해능 (R : resolution power) 에너지분해능의 평가 에너지 분해능(R) = 에너지분해능은 에너지의 제곱근에 반비례 에너지 분해능(R) =

7. 광자의 에너지 측정 에너지 분해능 (R : resolution power) 참조 실제 측정 결과는 에너지분해능이 더 좋게 나타난다

7. 광자의 에너지 측정 에너지 분해능 (R : resolution power) 에너지 분해능을 좌우하는 인자 정보전달자의 수(생성 이온쌍의 수)의 통계적 요동 검출기의 동작 특성의 변화 전자회로의 잡음 전하수집 효율의 변동 참조 일반적으로 1MeV의 γ선에 대하여 Ge(Li) 반도체검출기는 0.15%, NaI(Tl) 섬광계수기는 7~8% 이다.

7. 광자의 에너지 측정 펄스파고분석법 원자번호와 밀도가 크고, 용적이 큰 물질과 상호작 용 시 검출효율이 높다. γ선 에너지 측정 시 비교 검출기 : NaI(Tl) 섬광 계수기 HPGe 반도체 검출기

7. 광자의 에너지 측정 계측기와 γ선의 상호작용 입사 γ선과 계측기의 주요 상호작용 광전효과(Photoelectric effect) 컴프턴 산란(Compton scattering) 전자쌍 생성(Pair production)

7. 광자의 에너지 측정 주변차폐체와 γ선의 상호작용 입사한 γ은 계측기 주변의 차폐 체와도 계측기와 동일한 상호 작용을 일으킨다 e- e+ 검출기 후방 산란선 광전효과 PP 특성엑스선 ① ② ③ 차폐체 S 소멸복사선

7. 광자의 에너지 측정 주변차폐체와 γ선의 상호작용 입사한 γ은 계측기 주변의 차폐체와도 계측기와 동 일한 상호작용을 일으킨다 e- e+ 검출기 후방 산란선 광전효과 PP 특성엑스선 ① ② ③ 차폐체 S 소멸복사선 E [MeV] ① ~0.2 0.511 ② ③ 제동 복사선

7. 광자의 에너지 측정 에너지스펙트럼 분석 후방산란 peak 소멸γ선 peak Double escape peak Single escape peak Compton edge 전에너지 흡수 peak ⑥ ① ② ⑤ ③ ④ 참조 입사γ선의 에너지가 1.022MeV 이상일 때는 Single, Double escape peak이 나타나지만 에너지가 그 보다 작을때는 두 peak가 나타나지 않는다.

7. 광자의 에너지 측정 에너지스펙트럼 분석 기타 나타나는 peak 후방산란 peak Sum peak 150~300keV부근에서 나타남 Sum peak 방사성 핵종이 붕괴할 때 두 개 이상의 γ선을 방출하는 경우 여 러 개의 γ선 에너지가 합쳐서 나타나는 peak

7. 광자의 에너지 측정 에너지스펙트럼 분석 좋은 에너지 스펙트럼 분포도 전에너지흡수 peak의 높이가 클 것 에너지분해능이 작을 것 Compton 연속분포영역이 작을 것