방사선 검출기란?
방사선 검출기는 방사선과 물질의 상호 작용에 의해 발생하는 물리적, 화학적 반응을 이용하여 간접적으로 방사선을 검출, 측정하는 장치입니다.
인간은 방사선을 오감으로 직접 느낄 수 없습니다. 따라서 방사선에 의해 발생하는 이온화나 여기현상을 이용하여 검출 및 계측을 합니다. 예를 들어, 이온이나 자유전자를 발생시키거나 형광과 같은 전자기파를 발생시켜 전류 신호로 변환합니다. 이 전류 신호를 바탕으로 방사선량을 미터에 표시하거나 소리로 들려주기도 합니다.
그 외에도 전자방사선을 응용한 것, 발열을 이용한 것, 중성자 물질의 방사화를 실용화한 것, 체렌코프 빛의 검출에 기반한 검출기 등 응용제품은 다양합니다.
방사선 검출기의 사용 용도
방사선 검출기는 방사능 제염 현장이나 야드, 공장 등에서 많이 사용되고 있습니다. 방사선에는 알파선, 감마선, 베타선, 엑스레이 등 종류가 있고, 방출하는 선량이 높은 것부터 낮은 것까지 다양하기 때문에 상황에 따라 검출기 자체를 신중하게 선택해야 합니다.
공간선량률을 측정하면 그 공간에 얼마나 많은 방사선이 날아다니고 있는지 상황을 파악할 수 있습니다. 또한, 물체 표면에서 나오는 방사선을 감지함으로써 물체가 오염되었는지 여부와 오염원을 파악할 수 있습니다. 이를 응용하여 사람이 어느 정도 방사선에 피폭되었는지 등 피폭량 측정에도 활용됩니다.
방사선 검출기의 원리
방사선을 검출하는 방법으로는 크게 방사선이 기체 분자를 이온화하는 작용을 이용하는 것과 주로 고체나 액체인 물질의 전자를 여기시키는 작용을 이용하는 두 가지를 들 수 있습니다.
전자를 기체 검출기, 후자를 섬광 검출기라고 합니다.
1. 가스 검출기
가스 검출기에서는 검출기에 불활성 가스나 공기 등의 가스를 채워놓고, 이 안에 방사선이 통과하면 분자가 이온화되어 양이온과 전자를 생성하도록 합니다. 이 기체 분자의 이온화를 이용하여 방사선의 양을 측정합니다. 기대 검출기에는 이온화 상자, GM 계수관, 비례 계수관 등의 종류가 있습니다.
- 이온화 상자
이온화 상자에서는 양이온과 전자를 각각 전극에 끌어당겨 전기 신호로 변환하여 측정합니다. 방사선의 에너지로 이온화된 양이온과 전자의 수가 그대로 전기 신호가 되기 때문에 방사선의 에너지에 거의 비례하는 신호 강도를 얻을 수 있습니다. 즉, 방사선의 에너지를 파악할 수 있습니다. 단, 전리현상을 직접 관찰하기 때문에 감도가 낮다는 단점이 있습니다. - GM 계수관
GM 계수관에서는 전리상자와 마찬가지로 기체를 채우지만, 전극 사이에 고전압을 가하여 전리에서 발생한 전자가 고속으로 이동하여 다른 기체 분자를 더 많이 이온화하도록 합니다. 이를 통해 강한 신호를 얻을 수 있도록 합니다.결과적으로 한 번의 이온화로 전극 사이에 한 번의 펄스가 발생합니다. 강한 신호를 얻을 수 있지만, 신호가 펄스이기 때문에 방사선의 에너지에 대한 정보를 얻을 수 없다는 단점이 있습니다.
- 비례 계수관
가스를 충전한 검출기에서 전극 사이에 인가하는 전압을 적당히 조절하면 방사선에 의한 이온화에 이어 다른 기체 분자의 이온화가 일어나 강한 신호를 얻을 수 있으며, 처음 이온화된 분자 수에 비례하는 신호도 얻을 수 있습니다. 이 조건에서 측정하는 유형이 비례 계수관입니다.
2. 신틸레이션 검출기
방사선이 원자핵의 주궤도에 있는 전자에 에너지를 주어 전자가 바깥쪽 궤도로 이동하는 ‘여기’라는 작용을 이용한 것이 신틸레이션 검출기입니다. 장치의 예로는 섬광식 서베이미터가 있습니다.
방사선에 의해 여기를 거쳐 발광하는 성질이 있는 물질을 신틸레이터라고 합니다. 고체 결정의 신틸레이터로 사용되는 물질이 요오드화나트륨(NaI) 결정입니다. 방사선이 신틸레이터에 흡수되면 전자 여기작용에 의해 원자가 불안정한 상태가 되었다가 다시 안정된 상태로 돌아갑니다. 이때 원자가 에너지를 빛으로 방출합니다.
이 미약한 빛(광자)을 광전자 증배관에 의해 증폭하여 전류로 변환하여 측정합니다. 방출되는 광자 수는 방사선의 에너지에 비례하기 때문에 신틸레이션 검출기에서는 방사선의 에너지를 알 수 있습니다.
NaI 결정은 흡습성이 있기 때문에 공기가 닿지 않도록 밀봉되어 있습니다. 한편, 방사선이 입사되는 장소로 입사창이 마련되어 있습니다. 입사창에는 100μm 정도의 매우 얇은 베릴륨이나 알루미늄 등 원자번호가 어린 금속이 사용됩니다.
방사선 검출기 선택 방법
방사선 검출기를 선택할 때 다음 항목을 확인하는 것이 중요합니다.
1. 방사선의 종류
방사선에는 알파선, 베타선, 중성자선, 감마선, 엑스레이 등 종류가 있습니다. 방사선 검출기는 구조와 원리에 따라 검출할 수 있는 방사선의 종류와 기대할 수 있는 감도가 정해지기 때문에 이를 이해하고 검출기를 선택하는 것이 중요합니다.
2. 표시되는 값
표시되는 값(단순한 카운트 수인지, 1cm 선량 당량인지 등)이 사용 목적에 적합한지를 고려하여 선정합니다.
3. 방사선의 투과성
방사선을 검출하기 위해서는 방사선이 전리되는 부위(기체 또는 고체 신틸레이터)에 도달해야 하므로, 방사선의 투과성을 이해하면 안심하고 운용할 수 있습니다. 예를 들어, NaI 섬광식 서베이미터는 감마선과 엑스레이 측정용입니다. 흡습성이 있는 신틸레이터를 둘러싸고 밀봉해야 하기 때문에 금속 박막 창을 투과할 수 없는 방사선(알파선이나 베타선)을 감지할 수 없기 때문입니다.
GM 계수관은 베타선 측정이 가능한 것과 불가능한 것이 있습니다. 베타선을 측정할 수 있는 것은 창이 크고 창에 아주 얇은 운모를 사용하는 타입입니다. 베타선은 이 운모 창을 통해 투과할 수 있습니다. 베타선과 감마선을 모두 측정할 수 있는 GM 계수관에는 금속 캡이 달려 있는데, 베타선 측정 시에는 금속 캡을 제거해야 합니다. 베타선은 금속 캡을 투과하지 않기 때문입니다.
방사선 검출기의 기타 정보
1. 방사선 측정의 목적
방사선 측정에는 크게 두 가지 목적이 있습니다.
방사선을 취급할 때 그 제어를 위해 방사선의 종류와 에너지 또는 입자 수 등 방사선장 고유의 방사선량을 측정하는 것입니다.
방사선에 의해 발생하는 물리적, 화학적, 생물학적 효과를 이해하거나 유효하게 이용하기 위해 방사선장 내 방사선량과 방사선과 물질의 상호작용에 의한 계수를 곱하여 나타내는 흡수선량을 측정합니다.
방사선 안전관리는 후자의 연장선상에 있습니다. 방사선이 인체에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 후자의 흡수선량을 바탕으로 방사선의 종류별 생물학적 영향과 방사선을 받는 신체 부위의 민감도 평가를 더해 실효선량을 산출합니다.
2. 신틸레이션에 의한 고에너지 엑스레이 검출기
고체 신틸레이터 결정을 이용한 신틸레이션 검출기는 고에너지 엑스레이나 그보다 더 높은 에너지의 감마선을 측정하는 데 사용됩니다. 엑스레이 검출기로서의 특징은 신틸레이터가 효율적으로 엑스레이를 받아 검출하기 때문에 엑스레이의 에너지에 비례하여 검출이 가능하다는 점입니다.
이는 고에너지 엑스레이를 받지 못하는 가스 검출기와는 다른 특징입니다. 또한, 검출기에 들어온 후 전기신호로 변환되어 출력되기까지의 시간이 매우 짧기 때문에 입사된 X선 광자가 많은 경우의 측정에 적합합니다. 연구 분야에서는 신틸레이션식의 장점을 살려 엑스레이의 2차원 영상을 획득하는 위치 검출형 고에너지 엑스레이 검출기도 개발되고 있습니다.