방사선량 측정기 측정원리 및 종류

방사선량 측정기는 방사선의 양과 종류를 측정하기 위해 사용되는 장비입니다. 방사선은 원자핵의 붕괴로 인해 방출되는 전자기파나 입자의 집합체로, 인체에 해로울 수 있기 때문에 방사선 작업 시 수시로 방사선을 측정하여 인체 건강에 대한 위험을 예방할 필요가 있습니다. 이러한 방사선을 측정하기 위해 방사선량 측정기가 사용하게 되는데, 방사선측정기의 측정원리 및 종류에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

방사선량 측정기는 기본적으로 방사선으로 인해 피복재와 발전회로가 전하를 발생시키게 되는데, 이렇게 발생된 전하를 측정기의 전극에서 측정하여 방사선의 양을 측정하며, 방사선의 양은 발생한 전하의 양에 비례합니다.

 

이 측정 원리를 좀 더 자세히 살펴보면, 방사선에 의해 방출된 입자는 물질과 상호 작용하면서 이온화되는데, 이때 생성된 이온들은 이동하면서 전기적으로 중립인 분자나 원자를 이온화시키거나 이온쌍을 생성하게 되며,  생성된 이온쌍은 방사선 에너지의 양과 비례하여 전기적인 신호를 생성합니다. 이러한 전기 신호는 측정기의 전극에 존재하는 전하를 증폭하여 측정기에 전압을 생성하게 되며, 이 전압은 방사선 에너지의 양과 비례하여, 방사선의 양을 측정하는 것입니다.

 

하지만 방사선의 종류에 따라 전하 생성 또는 전압 생성량이 달라지기 때문에 측정기의 종류에 따라 측정 가능한 방사선의 범위가 다릅니다. 따라서 측정 대상에 따라 적합한 방사선량 측정기가 필요하게 되며, 이러한 방사선량 측정기는 방사선을 측정하여 인체 건강에 대한 위험을 예방하고, 방사선을 사용하는 산업 및 의학 분야에서 중요한 역할을 합니다.

 

 

 

 

방사선측정기 종류

 

방사선측정기는 측정 대상 중 방사선의 종류, 에너지, 강도 등을 측정하여 방사선의 위험성을 예측하거나 방사선을 이용하는 분야에서 안전한 작업을 위해 사용되는 계측기입니다. 다양한 방사선측정기가 있으며, 대표적인 종류는 다음과 같습니다.

 

개인피폭선량측정기(Personal Dose Equivalent Meter)

 

개인피폭선량측정기(Personal Dose Equivalent Meter)는 개인이 방사선에 노출된 선량을 측정하여 측정된 방사선량에 대한 국제단위인 밀리시버트(mSv)로 나타내는 측정기입니다. 개인피폭선량측정기는 일상적으로 방사선에 노출될 수 있는 작업종사자, 핵의학개발 연구자, 방사선안전관리자 등, 방사선작업을 수행하는 개인들이 반드시 착용해야 하는 보호장비 중 하나입니다.

 

 

 

 

개인피폭선량측정기는 내장형 측정기와 외장형 측정기로 나눌 수 있습니다. 내장형 측정기는 센서가 내장되어 개인이 착용할 수 있는 형태로 되어 있습니다. 외장형 측정기는 개인이 주로 측정장소에 방사선측정기를 설치하거나, 휴대용 측정기로도 활용할 수 있는 형태로 되어 있습니다.

 

개인피폭선량측정기에서는 일반적으로 방사성 입자나 눈으로 볼 수 없는 감마선을 검출하기 위해 실리콘 센서(Silicon sensor)와 Scintillating detector 가 사용됩니다. 측정기에 사용하는 각 센서는 방사선과 상호작용하면서 일어나는 전하, 광자 및 가열 선량을 측정하여, 이를 이용하여 방사성 입자나 선이 노출된 크기와 양을 측정합니다. 개인피폭선량측정기는 개인의 방사선피폭에 대한 정보를 제공하기 위해 사용됩니다. 측정된 방사선량은 특별한 분야에서 필요한 방사선 측정치와 비교되며, 방사선 작업종사자가 현장에서 방사선 관련 작업 시 보호하기 위하여 반드시 착용하여야 합니다.

 

카운팅 개시계 (Counting Timer)

 

카운팅 개시계(Counting Timer)는 방사성 물질의 방출 입자(알파선, 베타선, 감마선 등)를 검출하여 그 수를 세는데 사용되는 측정기입니다. 이 측정기는 방사선 물질의 농도나 방사선을 검출하는 용도로 사용됩니다. 작동 원리는 측정 대상에 대한 방사선이 검출되면, 방출된 입자에 의해 전기 신호가 발생하고, 이 신호를 카운팅하여 방출 입자의 수를 계산하는 것입니다. 이 때, 방사선 물질은 방출입자를 발생시켜 매 순간적으로 전자를 생성하게 됩니다. 이전자 광저우튜브를 이용해 생성된 전자를 검출하는데, 검출기의 전극에 인가된 고전압에 의해 전자가 가속되며, 외부적 전기선을 통하여 검출기로 유입됩니다. 방출입자가 검출기를 통과하면, 그 사이에 전기적인 충돌이 일어나면서 전자들이 생성됩니다. 이 때, 생성된 전자들은 검출기의 전극에서 전하를 생성해 냅니다. 이 전하와 외부적 전원 혹은 시계에서 전압이 인가되면, 카운트마다 증가하는 전압이 발생하며, 시간과 전압의 변화를 통해 방사선의 양을 측정할 수 있습니다. 카운팅 개시계는 매우 민감하게 작동되며, 매우 작은 물질에 대해서도 감지할 수 있죠. 따라서 방사선 물질의 농도나 방사선의 검출 등 다양한 분야에서 사용됩니다.

 

가이거-뮬러 카운터 (Geiger-Muller Counter)

 

가이거-뮬러 카운터(Geiger-Muller Counter)는 방사선을 탐지하는데 사용되는 기기 중 가장 보편적으로 사용되는 것 중 하나입니다. 이 측정기는 방사선이 방출된 곳에서 방사선이 감지되면, 검출기 내의 기체에서 빛(Pulse) 신호를 생성함으로써 빛 신호를 측정하여 방사선을 탐지합니다. 방사선이 발생하면 방출 입자를 검출기 내부의 기체로 들어가게 되고, 이 때 전자를 산란시켜서 빛 신호를 생성합니다. 이때 측정기는 이 빛 신호를 세어서 방사선의 강도를 측정합니다. 가이거-뮬러 카운터의 검출기는 일반적으로 길이가 몇 cm 에 달하는 길고 얇은 금속 관으로 이루어져 있습니다. 이 금속 관은 일반 대기가 존재하는 공간을 둘러싸고 있으며, 이 공간이 감지기 내부와 연결된 작은 구멍들이 존재합니다. 구멍들을 통하여 방사선은 검출기 내부로 들어가게 되고, 이때 방사선은 기체와 상호작용하여 전하를 생성하게 됩니다. 이때 생성된 전하는 전극과 음극을 연결하여 전기 회로를 형성하게 되는데, 이전기 회로를 통해 감지된 전하를 감지하여 방사선의 세기를 측정합니다. 게이머-뮬러 카운터는 다양한 종류의 방사선에 민감하게 반응하여, 방사성 물질의 존재 여부를 신속하게 확인할 수 있습니다. 또한 무공간적으로 측정 가능하기 때문에, 방사선이 측정하기 힘든 곳에서도 사용될 수 있습니다. 그러나 방사선 물질의 종류나 방출 입자에 따라서 측정 가능 범위가 제한적이기 때문에, 적합한 측정기를 선택하여 사용하는 것이 중요합니다.

 

 

 

 

중성자 감지기

 

중성자 감지기는 핵을 구성하는 중성자를 검출하기 위한 측정기입니다. 중성자는 전하를 가지고 있지 않기 때문에 일반적인 검출기로는 검출하기가 어렵습니다. 중성자가 검출기와 상호작용할 때 발생하는 입자를 검출함으로써 중성자를 감지합니다. 중성자 감지기의 대표적인 종류로는 세미콘덕터 검출기(Silicon Detector)와 방사광 검출기(Scintillation Detector)가 있습니다. 세미콘덕터는 전하를 이용하여 중성자를 감지하며, 방사광 검출기는 방사선이 검출기 내부의 크리스탈에서 광자를 방출할 때, 이 광자를 검출하여 중성자를 감지합니다. 보편적으로는 방사광 검출기가 많이 사용되므로, 이 측정기의 작동 원리를 좀 더 자세히 설명하겠습니다. 방사광 검출기는 검출기 내부에 있는 물질이 방사선에 노출될 때, 노출된 에너지가 크리스탈 내부에서 광자로 변환됩니다. 이 광자가 광전지에 도달하면, 광전자에 연결된 전기 회로를 통해 신호가 생성되고, 이 신호를 분석하여 중성자의 존재를 확인합니다. 검출기에서 방사선이 검출되면 충돌을 일으키고, 이 때 생성된 전하에 의해 크리스탈의 원자가 활성화됩니다. 이 활성화된 원자가 다시 기초 상태로 돌아갈 때 광자를 방출하는데, 이 광자를 검출하여 중성자의 존재를 검출하는 것입니다. 중성자 감지기는 건설 현장, 핵발전소 및 핵화학 기상안전 관리 등에서 중요하게 사용되며, 방사선 관리 및 중성자 발생기기 개발 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

 

 

 

 

방사선 초량계

 

방사선초량계는 방사선을 측정하는데 사용되는 측정기 중 하나입니다. 방사선초량계는 방사성 물질에서 방출되는 입자나 에너지를 측정하여 방사선을 감지합니다. 방사선 초량계는 방사선측정 분야에서 가장 널리 사용되는 직관적인 분석 도구 중 하나입니다. 방사선 초량계의 작동 원리는 방사선이 감지기 내부의 물질과 상호작용하여 전하를 생성하게 되는데, 이때 생성된 전하는 검출기의 전극에 인가되어 전압이 발생하게 됩니다. 이전자와 외부적 전원 혹은 시계에서 전압이 인가되면, 카운트마다 증가하는 전압이 발생하며, 이것을 통해 방사선의 양을 측정합니다. 방사선 초량계에서는 알파, 베타, 감마선을 포함한 방사선을 모두 측정할 수 있습니다. 이때, 각각의 방사선에 대해 다른 감지기가 사용되는데, 감마선과 베타선을 감지하기 위해서는 슈미트-션크라우드 카운터를, 알파선을 감지하기 위해서는 알파선 플럭스 측정기를 사용합니다. 방사선 초량계는 핵발전소, 방사선 치료, 광물 및 지리적 조사, 방사선 방호 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 이러한 이유로, 방사선 초량계를 사용할 때는 보호장비를 착용하고 안전에 유의하여 작업해야 합니다.

 

 

 

 

전자현미경 (Electron Microscope)

 

전자현미경에서 방사선측정을 하는 방법은 주로 X-선 회절 분석 및 결정학적 입자 해석을 위해 사용되는 전자 빔 흑체 분석법(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)과 전자침탄분광법(Electron Energy-Loss Spectrometry, EELS)이 있습니다. EBSD는 전자 샘플과 상호 작용하여 발생하는 백산란(diffraction) 패턴을 측정하고, 이로부터 결정 구조 및 방향을 분석하는 방법입니다. 전자 샘플과 상호작용하여 산란되는 빛의 각도와 에너지를 측정하여 결정 방향과 격자 상수 등을 추정할 수 있습니다. EELS는 전자현미경에서 표본의 전자에너지 손실량 스펙트럼을 측정하는 분석기술로, 전자파의 주파수와 진폭 등의 성질을 사용하여 샘플의 화학 구성과 원자의 전자 구조 등을 분석할 수 있습니다. 또 다른 방법으로는 에너지 분산 X-선 분광(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)가 있습니다. EDX는 각각의 원자가 방출하는 고유 X-선 에너지를 측정하여 샘플의 화학 구성을 분석하는 방법입니다. 에너지 분산 X-선 분광은 전자 샘플과 상호작용하여 발생하는 X-선의 스펙트럼을 측정하여 샘플에서 방출되는 X-선의 에너지와 양을 분석합니다. 이러한 방사선측정 기술은 전자현미경을 활용하여 다양한 물질의 구조와 성질 등을 연구하는데 있어서 매우 유용합니다. 따라서, 전자현미경을 이용한 방사선 분석은 재료, 나노 기술, 생물학 등 다양한 분야에서 연구에 많이 활용됩니다.

 

이처럼 방사선측정기는 방사선의 종류, 에너지, 강도 등을 측정하여 방사선의 위험성을 예측하거나 방사선을 이용하는 분야에서 안전한 작업을 위해 사용됩니다. 이중에서도 측정 대상에 맞는 적합한 측정기를 선택하여 사용하는 것이 중요합니다.