기체전리를 이용한 검출기 비례계수관 작동원리 / 특징

비례 계수관(proportional counter)은 방사선 검출기의 일종으로, 게이거-뮐러(GM) 계수관과 유사한 구조를 가지고 있으나 방사선 입자의 에너지를 측정할 수 있는 능력이 더 뛰어납니다. 비례 계수관은 알파, 베타, 감마 방사선과 같은 이온화 방사선의 에너지 수준과 방사선 입자의 수를 측정하는 데 사용됩니다.  이러한 특징을 가지고 있는 비례계수관의 작동원리 및 장점과 단점에 대하여 확인하고, 비례계수관이 가지고 있는 단점을 극복하기 위하여 사용되고 있는 충전기체 대하여 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

│비례계수관의 작동원리

 

비례 계수관은 감지 하우징(음극)으로 둘러싸인 중앙 선형 전극(양극)을 포함하는 구조를 가지고 있습니다. 계수관 내부에는 특수 기체가 채워져 있습니다. 이렇게 구성된 비례 계수관을 통해 이온화 방사선이 통과하면서 작동 과정이 시작됩니다.

 

1. 이온화 방사선 통과: 이온화 방사선(알파, 베타 또는 감마)이 계수관을 통과할 때, 계수관 내부의 기체 원자와 상호작용해 이온 쌍(긍정 이온과 자유 전자)이 생성됩니다.

 

2. 전압 인가 및 이온 이동: 중앙 선형 전극(양극)과 외부 하우징(음극) 사이에 전압이 인가됩니다. 이 전압으로 인해 전기장이 생성되며, 이 전기장의 영향으로 자유 전자들은 양극 방향으로 가속되고 긍정 이온들은 음극 방향으로 이동합니다.

 

3. 전자 이동과 충돌: 가속되는 전자들은 서로 또는 기체 분자와 충돌하며 추가적인 이온 쌍을 생성합니다. 이 때 주목할 점은 GM 계수관과 달리 전자들이 적당한 거리를 이동하며 생성하는 전하 증폭이 '비례적'으로 발생한다는 점입니다. 즉, 감지된 방사선파 입자의 에너지에 비례하는 전하 증폭이 일어납니다.

 

4. 전형적인 전류 펄스 생성: 최종적으로 검출기에서 감지되는 전류 펄스는 방사선파 입자의 에너지와 비례합니다. 이러한 전류 펄스를 분석하면 방사선파 입자의 에너지 수준을 알 수 있습니다.

 

│비례계수관의 장점

 

비례 계수관(proportional counter)은 이온화 방사선 입자(알파, 베타, 감마)의 검출에 활용되는 검출기로써, 다음과 같은 장점을 가집니다.

 

1. 에너지 분별 능력: 비례 계수관은 검출된 방사선 입자의 에너지에 비례하는 전류 펄스를 생성해 내어, 방사선 입자의 에너지스펙트럼을 분석할 수 있는 에너지 분별 능력을 갖습니다. 이를 통해 입자의 에너지 수준과 종류를 구분해 낼 수 있습니다.

 

2. 선형 응답 특성: 비례계수관은 감지된 방사선 입자의 에너지와 비례하는 선형적인 응답 특성을 가지고 있습니다. 이러한 선형 응답 특성은 입자의 에너지를 정확하게 측정하고 분석하는데 도움이 됩니다.

 

3. 높은 효율: 비례 계수관은 알파, 베타, 감마 방사선과 같은 다양한 이온화 방사선을 검출할 수 있어 다목적으로 사용할 수 있습니다. 이 검출기는 방사선 입자를 효과적으로 감지하고 계수할 수 있어서 높은 검출 효율을 갖습니다.

 

4. 신뢰성: 비례 계수관은 다양한 응용 분야에서 검증된 기술로, 연구, 의료, 산업, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 비록 완벽하지는 않지만 이 검출기는 성능과 신뢰성이 검증되어 오랜 기간 동안 사용되어 왔습니다.

 

│비례계수관의 단점

 

비례 계수관의 주요 단점은 다음과 같습니다.

 

1. 무감작 기간: 비례 계수관의 작동 과정 중 전류 펄스를 생성한 후 일정 시간 동안 다른 방사선 입자를 감지할 수 없는 현  상이 발생합니다. 이러한 무감작 기간 동안에는 검출기가 다른 분자를 검출할 수 없기 때문에, 높은 방사선 조사율을 처리하는 데 한계가 있습니다.

 

2. 크기 및 복잡성: 비례 계수관은 전극과 내부 기체, 인가전압 조절 회로 등 복잡한 구조를 요구하며, 일부 소형 응용 분야에서는 크기가 큰 단점이 될 수 있습니다. 따라서, 공간이 제한된 응용 분야에는 덜 적합할 수 있습니다.

 

3. 가스 누설 및 고장: 비례 계수관은 내부에 가스를 채워 사용하기 때문에, 오랜 시간 사용하거나 마모되면 가스가 누설될 수 있습니다. 이로 인해 검출기의 성능이 저하되거나 고장 나게 됩니다.

 

4. 에너지 분별능력의 한계: 비례 계수관은 방사선 입자의 에너지를 측정할 수 있지만, 에너지 분별능력이 극한 성능을 발휘하기 어렵습니다. 다양한 에너지의 방사선을 정확하게 분석하는 동시에 높은 분해능을 요구하는 응용 분야에는 다른 유형의 검출기(예: 격자 방출기, 스펙트로스코피 등)가 더 적합할 수 있습니다.

 

5. 외부 영향: 비례 계수관의 성능은 검출기 내부의 전압, 기체 종류 및 작동 온도 등 외부 요인에 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 외부 요인 때문에 검출기의 성능이 일관성이 없을 수 있어 주의해야 합니다.

 

│비례계수관 충전기체

 

비례계수관에서 충전기체로 차용되는 가스는 검출기의 에너지 분별 능력 및 선형 응답을 개선하고, 전하 증폭을 가능케 하기 위해 중요한 역할을 합니다. 충전기체의 선택은 검출기의 민감도, 초기 전자 생성률, 전하 증폭 효율 등 여러 요인에 영향을 주기 때문에 중요합니다. 비례 계수관에서 일반적으로 사용되는 충전기체는 다음과 같습니다.

 

1. 아르곤(Argon): 아르곤 가스는 안정적이고 대부분의 비례 계수관에 사용할 수 있는 충전기체로, 높은 원자번호로 인해 입자 검출 효율이 좋습니다. 또한 아르곤은 비교적 낮은 전압에서 전하 증폭을 충분히 얻을 수 있으며, 안정된 성능을 제공합니다.

 

2. 헬륨(Helium): 헬륨 가스는 낮은 원자번호와 높은 전자 이동성을 갖기 때문에 낮은 전압에서도 사용할 수 있습니다. 그러나 헬륨의 검출 효율은 아르곤보다 낮아 일반적으로 알파 입자 검출에 주로 사용됩니다.

 

3. 메탄(Methane): 메탄은 헬륨과 아르곤과 혼합되어 사용되는 경우가 많으며, 전자 충돌 중의 이온화 확률을 감소시켜 전하 증폭을 안정화하고, 무감작 시간을 단축합니다. 하지만 메탄 자체로만 사용되면 검출 효율이 낮아질 수 있습니다.

 

4. 기타 혼합 가스: 아르곤-메탄 혼합 가스(포칼 가스, P-10 가스), 파벌(P-5) 가스와 같은 혼합 가스들은 위치 센서나 큰 면적의 계수관에서 선형 응답 특성과 전자 수송을 개선하는 데 사용됩니다.

 

충전기체의 선택은 결과적으로 비례 계수관의 성능, 에너지 분별 능력 및 방사선 검출 능력에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 응용 분야의 목적과 요구사항에 따라 적절한 충전기체를 선택해야 합니다.