방사선장에서의 입자나 에너지의 흐름과 상호작용 계수

방사선 측정을 위해서는 방사선의 양과 단위에 대해 정확하게 알아야 합니다. 그렇지 않으면 단위의 혼동으로 어느 정도 피폭되어야 인체에 유해한지 정확하게 알 수 없기 때문입니다. 이번 글에선 방사선장에서의 입자나 에너지의 흐름에 대해 알아보고 또한 방사선방호에서 사용되는 양의 개념을 알아봅니다.

 

방사선장에서의 입자나 에너지의 흐름과 상호작용 계수

 

방사선 입자의 수

 

 

단위시간 동안에 입사된 입자 수를 입자 선속이라고 합니다. 즉, 입자 선속은 시간에 대한 입자 수의 변화율입니다. 입자의 흐름에 대해서 수직인 단면적의 구로 들어오는 입자 수를 입자 플루언스라고 합니다. 또한 시간에 대한 입자 플루언스의 변화율을 입자 플루언스 올 또는 입자 선속 밀도라 합니다.

 

 

방사선 에너지

 

 

방사선 에너지의 흐름에 대해서 수직인 단면적의 구로 들어오는 에너지를 에너지 플루언스라 하고 시간에 대한 에너지 플루언스의 변화율을 에너지 플루언스 율 또는 에너지 선속 밀도라 합니다.

 

 

상호작용 계수

 

 

방사선 분야에서 상호작용은 방사선이 물질에 조사되었을 때 일어나는 현상을 이해하는 데 기본적 개념이 되며, 이때 상호작용 계수는 작용의 정도를 나타내는 데 중요한 인자입니다.

 

 

감쇠계수

 

 

광자나 중성자와 같이 전하를 띠지 않은 방사선이 물질을 통과할 때 다양한 상호작용으로 흡수나 산란 현상이 발생하여 감소합니다. 이 같은 방사선의 감쇠 정도를 나타내는 것이 감쇠계수입니다.

 

동일한 에너지를 가진 입자가 물질에 입사하여 단위 두께를 통과했을 때 단위 입자 수만큼 감소하였다면 선 감쇠계수는 입자 수에 반비례하고 단위 두께당 단위 입자 수에 비례합니다. 즉, 선 감쇠계수는 물질의 단위 두께당 방사선의 감쇠율을 나타내며, 입사입자의 에너지, 물질의 원자번호, 밀도 등에 의존합니다.

 

선 감쇠계수를 물질의 밀도로 나누어준 값을 질량 감쇠계수라고 합니다. 이외에도 원자 1개당 상호작용의 단면적으로 나타내는 원자 감쇠계수와 전자 1개당 상호작용하는 단면적으로 나타내는 전자 감쇠계수가 있습니다.

 

 

에너지 전이계수

 

 

비 하전입자가 물질 내를 통과하는 동안 물질과 상호작용을 해서 2차 하전입자를 방출합니다. 즉 에너지 전이계수는 1회의 상호작용으로 입사입자 에너지의 일부가 방출된 2차 하전입자의 평균 운동에너지로 전환되는 비율로 표현할 수도 있습니다.

 

입사입자의 에너지가 같더라도 물질과의 상호작용으로 발생한 2차 하전입자 운동에너지의 크기는 제각기 다르므로 평균치를 이용합니다. 이때 에너지 전이계수를 물질의 밀도로 나눈 값을 질량 에너지 전이계수라 합니다. 다른 에너지 전이계수와 구분 짓기 위해서 에너지 전이계수를 선 에너지 전이계수라고도 합니다.

 

 

에너지 흡수계수

 

 

방사선이 물질과 상호작용하여 생성된 2차 하전입자의 운동에너지는 모두 물질에 흡수되지 않고 일부는 제동복사로 물질 밖으로 방출되기도 합니다. 따라서 물질에 흡수되는 에너지는 2차 하전입자의 운동에너지로 전환된 에너지 중 제동복사로 손실된 에너지는 제외합니다.

 

에너지 흡수계수란 입사일지의 총에너지에 대한 물질 내에서 확실히 흡수되는 2차 하전입자의 에너지의 비율을 말합니다. 따라서 이것을 진 흡수계수라고도 합니다. 입사입자의 에너지가 클수록 흡수 물질의 원자번호가 높을수록 제동복사의 효율이 높아집니다. 에너지 흡수계수는 1회의 상호작용으로 입사입자 에너지의 일부가 물질에 순수하게 흡수된 에너지의 비율로 나타낼 수 있습니다.

 

 

질량 에너지 흡수계수

 

 

입사입자가 물질에 조사되면 입사입자의 에너지 전부가 물질에 흡수되는 건 아닙니다. 이때 일반적으로 방사선 분야에서 주로 사용하는 것이 질량 에너지 흡수계수입니다. 이는 에너지 흡수계수를 밀도로 나눈 값입니다.

 

 

저지능

 

 

하전입자의 물질을 투과하는 능력을 나타내는 물리량 중의 하나가 저지능입니다. 저지능은 하전입자가 물질 속을 통과할 때 단위 거리당 잃는 평균 운동에너지로 정의됩니다. 저지능은 일반적으로 물질의 원자번호, 밀도와 입사입자의 종류, 속도에 따라 다릅니다. 속도가 느려지면 저지능은 큰 폭으로 증가하며, 입사입자의 종류에 따라 물질 속에서 일어나는 반응이 다르므로 저지능에 차이가 있습니다.

 

전자의 저지능에 기여되는 에너지의 손실은 대부분 전리 현상에 의해 생깁니다. 전리에 의한 입사입자의 에너지손실은 그 속도의 제곱에 반비례하는데, 입사입자의 질량과는 관계없습니다. 또한 원자핵에 전기력이 작용해서 입사 전자는 음의 가속도를 받게 되며 그 결과 제동복사 선을 방출합니다.

 

제동복사에 의한 전자의 에너지손실은 입사 에너지와 물질의 원자번호에 비례하고, 입사입자 질량의 제곱에 반비례합니다. 따라서 입사 전자의 에너지가 커지면 제동복사가 증가해서 저지능에 큰 영향을 미치게 됩니다. 전자 이외의 질량이 큰 다른 하전입자들은 제동복사가 거의 생기지 않기 때문입니다.

 

질량저지능은 저지능을 물질의 밀도로 나눈 값입니다. 저지능은 입사입자의 속도에 따라 변하므로 동일 입자일지라도 물질에 따라 다르므로 측정 물질에서의 저지능과 표준물질에서의 저지능의 비를 고려한 상대 저지능을 사용하기도 합니다.

 

 

선 에너지 전달

 

 

하전입자가 물질을 통과할 때 단위 길이당 물질에 주는 평균 에너지를 선 에너지 전달( LET )이라고 합니다. LET는 제동복사와 델타선으로 손실되는 에너지를 포함하지 않습니다. 저지능은 하 전입자가 잃은 에너지 전부와 관계되지만, LET'는 단지 국소적으로 전달된 에너지만 연관이 있습니다. 따라서 LET를 한정된 충돌 선저지능이라고도 합니다. 중하전입자에서는 LET와 저지능이 거의 같으나, 베타입자의 LET는 델타선과 제동복사 선이 제외됩니다.

 

LET는 입자가 가진 전하의 제곱에 비례하고 속도의 제곱에 반비례합니다. LET는 생물학적 손상과 관련이 있습니다. 약 100kV 이상의 X선, 감마선 및 전자선은 저 LET 방사선에 속하고, 양성자선, 알파선, 중성자선, 중이온 선, 중간자선 등은 고 LET 방사선에 속합니다. 저 LET 방사선은 물질의 단위 길이당 생성되는 전리입자가 적기 때문에 저전리 방사선이라고 하며 전리 밀도가 큰 고 LET 방사선은 고전리 방사선이라 합니다.