방사선 검출기의 전리 원리에 따른 분류

방사선은 인체에 흡수되면 경우에 따라 인체에 해로운 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 피해를 최소화하기 위해선 방사선의 흡수 선량을 알아야 합니다. 또한 흡수 선량을 알기 위해선 조사선량을 알아야 합니다. 그렇기에 방사선의 조사선량, 흡수 선량 등을 조사하기 위해선 방사선 검출기가 필요합니다. 이때 사용하는 방사선 검출기를 전리 원리에 따라 분류해 보겠습니다.

 

방사선 검출기의 전리 원리에 따른 분류

 

기체 전리를 이용한 검출기

 

 

기체에 방사선이 조사되면 기체 원자는 전리시켜 전자와 양이온을 생성합니다. 이때 생성된 전자와 양이온은 외부 전기장을 이용해서 이온쌍을 전극에 모으면 외부 회로에 전리전류가 흐르는데, 이때 전기를 계측하면 전기량을 알 수 있습니다. 또한, 기체 중에서 한 쌍의 이온을 만드는 데 필요한 평균 에너지를 이용하여 기체 중에서의 방사선 흡수에너지를 알 수 있습니다.

 

평행평판 전극 간에 전압을 인가하고 여기에 전리방사선을 조사시키면, 전라에 의하여 이온쌍이 생겨서 전자는 양전극에, 양이온이 음 전극에 수집되어 전리전류가 외부 회로에 흐릅니다. 전압이 낮은 영역에서는 생성된 이온쌍들이 전극에 수집될 때까지 재결합하는 수가 많아서 전극에 수집되는 이온쌍 수는 매우 적습니다. 이와 같은 전압 범위를 재결합 영역이라 하고 방사선 측정에는 이용되지 않습니다.

 

전압이 증가하면 재결합 확률이 점차 줄어들어 생성된 모든 이은 쌍을 수집하게 되는 포화상태가 됩니다. 이 영역을 전리함 영역이라고 하는데, 이 영역에서는 방사선에 의해 생성된 1차 전리 수의 정확한 측정이 가능합니다.

 

한편, 간접전리방사선인 X선 등을 조사하면 공기 구성 원자와 상호작용으로 생성되는 광전자, 콤프턴 전자 등이 공기 원자를 다시 이온화하기 때문에 이들의 2차 전자가 만드는 이온쌍을 계수하면 공기에 흡수된 에너지를 측정할 수 있습니다. 인가 전압을 더 증가시키면 1차 전리에서 방출된 전자는 전기장에 의하여 큰 운동에너지를 얻어서 이동하는 동안 또다시 중성 원자를 전리시킬 수 있는 능력을 얻습니다. 이 결과 2차 전자를 급격히 증가, 생성하여 전극에 수집되는 이온쌍 수가 가해준 전압에 비례하므로, 인가 전압을 일정하게 하면 2차 전자의 증가율도 일정해져 1차 전자 개수에 비례한 이온쌍을 수집할 수 있습니다. 이러한 전자 증폭 현상이 일어나는 영역을 비례계수관 영역이라고도 합니다.

 

비례계수관은 작동전압을 정해서 사용하기 때문에 방사선이 공기에 흡수된 에너지보다는 계수관에 입사된 방사선 입자의 계수에 사용되며, 수집된 이온쌍 수는 1차 전리 수에 비례하기에 입사방사선의 에너지 측정이 가능합니다. 이 범위를 지나 인가 전압을 증가시키면 G-M 계수관 영역에 도달하게 됩니다. 여기에서는 1차 전리 수와는 전혀 관계가 없는 일정한 수의 이온쌍이 전극에 수집되어 외부 회로에 흐르는 전리 전류량이 일정해집니다. 즉, 전자 증폭에 의해 생성된 많은 2차 전자군 중에는 들뜬 원자가 존재할 수도 있으므로, 들뜬상태가 된 원자에서 방출된 특성 군과 높은 에너지를 가진 전자들이 수집될 때 방출되는 자외선에 의하여 새로운 2차 전자 군이 형성됩니다. 이 현상은 순식간에 전리 영역 전체에 파급되어 전리 체적 전역에서 발생하므로, 어떠한 방사선이 입사되더라도 최종적으로는 포화상태가 된 일정한 수의 이온쌍이 수집됩니다. 즉, 알파입자나 베타 입자가 입사되더라도 수집되는 이온쌍의 수는 동일합니다.

 

G-M 계수관도 비례계수관과 같이 방사선 입자의 계수에 목적이 있지만 방사선의 종류나 에너지와 관계없이 일정한 파고를 나타내기 때문에 방사선 에너지의 측정이 불가능합니다. 또 이 이상의 인가 전압이 증가하면 지속방전이 일어나기 때문에 방사선 검출기로서는 사용이 불가능하며, 이 범위를 방전영역이라 합니다. 기체 전리를 이용한 검출기로는 1차 전리 수만을 이용하는 전리함과 전자 증폭 수집을 이용하는 것으로는 G-M 계수관과 비례계수관이 있습니다.

 

한편, 전리함에는 X선, 감마선 등의 조사선량, 흡수 선량 또는 선량 분포 등을 측정할 수 있는 직류전리함과 무거운 하전입자선의 계수 측정이나 에너지를 측정할 수 있는 펄스전리함이 있으며, 전자 증폭 수집을 이용하는 것으로는 방사선의 계수 측정이나 베타 방사능 절대 측정에 이용하는 G-M 계수관과 알파선, 베타선 분리 측정, 에너지 측정, 알파, 베타 방사능 절대 측정과 중성자 등을 측정할 수 있는 비례계수관이 있습니다.

 

 

발광현상을 이용한 검출기

 

 

물질에 방사선이 조사되면 순간적으로 빛을 방출하는 것이 있는데, 이와 같은 물질을 형광체라 부르고, 방출된 빛을 형광이라고 합니다. 한편 잔광이 없는 형광을 섬광이라 하고, 이 섬광을 방출하는 형광체를 Scintillator라고 합니다. 이 형광을 광전자 증배관을 이용하여 증폭하고 전기적 펄스로 변환시키면 방사선의 양을 측정할 수 있고, 방사선 에너지의 소비가 형광의 크기에 비례하는 것을 이용하면 전기 펄스의 크기로부터 방사선 에너지를 검출할 수 있습니다. 이와 같은 검출기를 신틸레이션 검출기라고 합니다. 신틸레이션 검출기에서는 방사선의 종류에 따라 형광체의 특성이 다르게 나타나기 때문에 측정하고자 하는 방사선에 따라서 가장 효율이 좋은 형광체를 사용해야 합니다.

 

 

방사선의 화학작용을 이용한 검출기

 

 

방사선에 의한 화학변화,a 즉 방사선 화학을 응용한 선량 측정기를 화학선량계라고 합니다. 방사선조사에 의해서 물질이 화학변화를 일으키기 위해선 들뜸이나 전리에 의한 에너지 부여가 있어야 하기에 이런 원리를 이용하면 방사선의 흡수에너지 또는 선량을 측정할 수 있습니다.

 

전리나 들뜸을 일으키는 데에는 방사선의 종류, 화학물질 등에 따라서 각각 다르기에 측정할 때는 방사선의 종류나 화학물질을 알아야 합니다. 화학선량계에는 고체, 액체, gel 형 등이 있습니다.

 

선량계에 사용하는 물질은 조성, 온도, 시간, 조사된 방사선 에너지 등에 측정치의 변화폭이 적은 물질을 주로 사용합니다.

 

 

사진 유제를 이용한 검출기

 

 

사진 유제에 방사선이 조사되면 사진 유제가 흑화되기 때문에 방사선의 측정에 오래전부터 사용되고 있습니다. X선 필름은 맨눈으로 관찰이 가능한 흑화를 이용하여 X선 사진의 촬영, 방사선량, 선량 분포, 방사성 물질의 분포 등의 측정이 가능합니다. 그러나 단점으로 사진 유제를 현상해야만 측정이 가능한 점, 현상 조작 등이 불편한 점, 현미경 등으로 흑화 입자의 수를 계수해야 하는 번거로움이 있습니다.

 

 

고체 적산을 이용한 선량계

 

 

방사선을 고체에 조사해 물질 자체의 변화, 즉 에너지 준위의 변화를 유발하는 경우가 있는데, 이러한 변화를 가져오는 물질들을 방사선 측정에 이용하고 있습니다. 특수 제작한 유리에 방사선이 조사되면 방사선이 조사된 만큼 착색되는데, 착색의 정도를 이용하여 흡수된 방사선량을 측정하는 것을 유리선량계라고 하며, 이들은 선량 측정에 이용되고 있습니다.

 

물질에 방사선이 조사되면 방사선이 그 물질에 흡수되어 상당 기간 존재하며, 여기에 자외선이나 적외선을 조사하면 그 물질에서 형광(이 발생하는 경우가 있습니다. 이같이 방사선이 흡수된 물질에 자외선을 조사할 때 나오는 형광을 광 형광이라고 하며, 방사선이 흡수된 물질에 적외선을 조사할 때 발생하는 형광을 열 형광이라 합니다.

 

이렇게 발생한 형광을 증폭하고, 전기적 펄스로 변환시켜서 흡수된 방사선을 측정하는 방법이 많이 사용되고 있는데, 자외선을 조사하여 얻은 형광을 이용하는 측정기를 광 형광 선량계라 하고, 적외선 조사에 의해 얻어진 형광을 측정하는 방법을 열 형광 선량계라고 부릅니다. 이 두 선량계는 고체 물질이 서로 다르고, 형광을 얻는 방법 또한 다릅니다. 이와 같은 방법과는 또 다른 측정법으로, 어떤 형광물질에 방사선을 조사하였을 때 방사선이 그 물질에 흡수되어 있다가 방사선이 조사된 물질에 열이나 빛을 조사하는 경우 그 물질에서 전자가 발생하는 경우도 있는데, 이 전자를 엑조전자라고 하고 이것을 이용해 방사선량을 측정할 수 있는 선량계를 엑조전자선량계라고 부릅니다.

 

 

고체 전도를 이용한 선량계

 

 

고체의 전도체에 방사선을 조사하면 전리작용에 의해 전기전도도가 변화하는 원리를 이용하여 방사선의 양이나 에너지를 측정할 수 있습니다. 대표적인 예로는 반도체검출기와 황화 카드뮴(CdS)선량계가 있습니다. 반도체검출기에 흐르는 전류는 전리함에 비하여 10배 이상이 됩니다. 한편, CdS 검출기로서 CdS 결정은 전리방사선에 대하여 매우 감도가 높은 장점을 갖고 있는데, 이는 CdS에 방사선이 조사되면 결정 자체의 저항이 급격히 줄어드는 특성 때문입니다.

 

 

발열 현상을 이용한 검출기

 

 

방사선이 물질에 흡수되면 대부분의 에너지는 최종적으로 열에너지로 되어 흡수 물질의 온도를 상승시킵니다. 그러므로 물질의 온도 상승 정도를 계측하여 흡수에너지와 에너지 속을 측정하는 기기를 열량계라고 합니다. 에너지 속을 측정하는 열량계는 방사선 에너지를 전부 흡수할 필요가 있기에 흡수 물질로서 X선과 감마선에 대해서는 납이, 전자선에 대해서는 탄소나 알루미늄을 사용합니다. 보통은 온도의 상승치가 매우 근소하기에 서미스터 등을 이용하여 정밀한 온도 측정을 해야 합니다. 또 방사선 에너지의 전부가 열로 바뀌는 것이 아니고, 일부의 에너지는 화학 반응에너지로 소비되기 때문에 이것을 보정하여야 합니다.

 

 

핵반응을 이용한 검출기

 

 

원자핵반응을 일으키는 방사선 입자로는 중성자, 감마선과 같은 간접전리방사선과 양자, 중양자, 입자 등과 같은 중하전입자가 있습니다. 이 중에서도 중성자의 핵반응이 매우 뚜렷이 나타나기에 중성자 검출기를 주로 사용합니다. 또 감마선은 고에너지 X선의 에너지 측정에 임계 검출기로써 이용합니다. 중 하전입자선은 직접전리방사선이기 때문에 스스로 큰 전리 능력을 갖추고 있지만 핵반응을 이용하여 방사선을 검출하지는 않습니다. 핵반응에서도 흡열반응을 일으키려면 입자가 일정한 임계에너지 이상의 운동 에너지를 갖지 않으면 반응이 일어나지 않기 때문에, 이 임계치를 검출함으로써 입사입자 에너지의 측정이 행하여집니다. 이러한 원리를 이용한 검출기를 임계 검출기라고 합니다.