기체전리를 이용한 검출기 GM계수관 작동원리, 장단점

GM 계수관(Geiger-Müller counter)은 방사선을 감지하고 측정하는 장치로, 알파, 베타, 감마 방사선과 같은 이온화 방사선의 존재와 강도를 검출하기 위해 사용됩니다. GM 계수관은 무직접 검출방식을 사용하여 방사선 입자를 감지하며, 개별 입자를 세는 기능을 제공합니다.

 

 

 

 

｜GM계수관의 작동원리

 

GM 계수관은 실린더형 외부 하우징(음극) 안에 중앙 선형 전극(양극)을 가지고 있는 구조입니다. 이 구조 내부에는 특별한 혼합 기체(예: 아르곤, 할로겐 기체)가 채워져 있어 방사선 입자(알파, 베타, 감마)의 수를 감지하는데 사용되는데 GM계수관의 주요 작동원리는 다음과 같습니다.

 

1. 고전압 인가: 중앙 선형 전극(양극)과 외부 실린더형 하우징(음극) 사이에 고전압을 인가합니다. 이 고전압 인가로 인해 두 전극 사이에 전기장이 생성됩니다.

 

2. 방사선 통과 및 이온화: 방사선 입자(알파, 베타, 감마)가 GM 계수관을 통과하면서 내부 기체와 상호작용하여 이온 쌍(긍정 이온과 자유 전자)이 생성됩니다. 이렇게 생성된 이온 쌍은 전기장의 영향을 받게 됩니다.

 

3. 전자와 이온의 이동: 전자들은 전기장의 영향으로 양극으로 빠르게 이동하게 되고, 긍정 이온들은 음극 쪽으로 이동하게 됩니다. 전자들이 양극에 도달하기 전에 가속되어 큰 속도로 이동하면서 추가 기체 분자들과 충돌해 가스 전위 현상을 일으킵니다. 이 가스 전위 과정에서 급속한 전하 증폭이 발생하고, 분자들의 방향을 뒤바꿉니다.

 

4. 전류 펄스: 가스 전위를 통해 전하가 급속히 증폭되면 검출된 방사선의 개수를 나타내는 전류 펄스가 생성됩니다. 이 전류 펄스는 약 1ms 동안 발생하며, 그 사이에 계수관은 다른 입자를 검출할 수 없습니다. 이 시간을 '무감작 기간' 또는 '마비 시간'이라고 합니다.

 

｜GM계수관의 장점

 

1. 다목적 감지: GM 계수관은 알파, 베타, 감마 방사선과 같은 여러 종류의 이온화 방사선을 동시에 감지할 수 있습니다. 이 특징은 연구, 의료, 산업 및 환경 모니터링과 같은 다양한 분야에서 광범위한 애플리케이션에서 사용할 수 있다는 이점을 제공합니다.

 

2. 간단한 구조 및 사용법: GM 계수관은 비교적 간단한 구조로 되어 있어 설치, 사용, 유지 관리가 쉽습니다. 또한 보편적으로 사용되는 전자 요소로 구성되어 있어 교체 및 수리가 편리합니다.

 

3. 낮은 비용: GM 계수관은 다른 방사선 검출기에 비해 저렴한 가격으로 제공됩니다. 이로 인해 교육, 연구, 산업 및 다양한 응용 분야에서 기초적인 방사선 측정용으로 널리 사용되고 있습니다.

 

4. 견고한 내구성: GM 계수관은 견고한 구조와 오래 지속되는 충전기체를 사용하여 만들어지기 때문에, 수명이 길고 안정적인 성능을 제공합니다.

 

5. 포터블: GM 계수관은 일반적으로 크기가 작고 경량이기 때문에 이동이 가능하며, 이 기능은 환경 모니터링, 응급 상황 등 다양한 상황에서 휴대용 유용한 도구로 활용될 수 있습니다.

 

｜GM계수관의 단점

 

GM 계수관(Geiger-Müller counter)은 여러 종류의 이온화 방사선을 감지하고 측정하기 위해 사용되는 검출기로 앞에서 언급한 장점에도 불구하고 몇 가지 단점이 존재합니다.

 

1. 에너지 분별 능력 부족: GM 계수관은 방사선 입자의 개수를 검출하고 세기는 할 수 있지만, 각각의 입자에 대한 에너지 정보를 제공하지 않습니다. 따라서, 다양한 에너지 수준의 방사선 입자를 구분하는데 어려움이 있습니다.

 

2. 방사선 구분 불가: GM 계수관은 알파, 베타, 감마 방사선을 구분하지 못합니다. 이러한 구분이 필요한 응용에서 GM 계수관이 독립적으로 사용하는 것은 제한적입니다.

 

3. 무감작 기간: 각 전류 펄스를 생성한 후 GM 계수관은 일정 시간 동안 다른 방사선 입자를 감지할 수 없는 무감작 기간이 발생합니다. 이 때문에 빠르게 변하는 입자 플럭스를 정확하게 측정하는데 어려움이 있습니다.

 

4. 감도의 한계: GM 계수관의 감도는 검출기 내부의 가스 압력에 크게 의존하며, 낮은 에너지 방사선에 대한 최소 감지 성능이 제한될 수 있습니다.

 

5. 양자 효율: GM 계수관은 양자 효율이 높지 않기 때문에, 모든 방사선 입자의 횟수를 정확하게 측정하는데 어려움이 있습니다.

 

｜GM계수관의 충전기체

 

GM 계수관(Geiger-Müller counter)은 충전기체로 이용되는 가스가 내부에서 존재합니다. 이 충전기체는 방사선 입자가 통과하면서 이온화가 일어나는데 적합한 성질을 갖고 있어야 합니다. 충전기체의 선택은 GM 계수관의 전하 증폭 및 회복 특성, 민감도 그리고 방사선 입자를 검출할 수 있는 능력에 영향을 주며, GM 계수관에서 일반적으로 사용되는 충전기체는 다음과 같습니다:

 

1. 아르곤(Argon): 아르곤 가스는 GM 계수관에 널리 사용되는 충전기체 중 하나입니다. 아르곤은 방사선 입자가 출입을 할 때 이온화되어 전하를 만들 때 비교적 낮은 전압이 필요합니다. 또한 아르곤은 원자번호가 높아 방사선 입자에 대한 검출 효율이 우수하며, 무독성이고 관리하기 쉽습니다.

 

2. 헬륨(Helium): 헬륨은 무거운 입자를 감지하기에 적합한 가스입니다. 헬륨은 원자번호가 낮고 투과력이 크기 때문에 알파 입자를 포함한 상대적으로 낮은 에너지의 방사선 입자를 검출하는 데 좋습니다.

 

3. 할로겐 기체(Xenon, Krypton, Neon 등): 할로겐 계열 기체들은 아르곤과 같은 특성을 가지고 있지만, 전압 요구 사양이나 민감도에 차이가 있을 수 있습니다. 이러한 기체들은 특정 사양의 GM 계수관에 적합한 충전기체로 사용됩니다.

 

4. 혼합 가스: 아르곤-할로겐 가스 혼합물(예: 아르곤-메탄 혼합물, 아르곤-크립토, 아르곤-제논, 헬륨-메탄 등)은 전하 증폭과 회복 특성을 개선하기 위해 사용되기도 합니다. 혼합 가스는 계수관에서의 전하 회복 시간을 감소시키고, 마비 시간이 줄어들어 계수관의 민감도와 성능이 개선됩니다.

 

GM 계수관에서 사용되는 충전기체의 선택은 계수관의 성능 및 적합한 응용에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 응용 분야의 요구사항에 따라 적절한 충전기체를 선택하는 것이 중요합니다.