자유 공기 표준전리함과 공동전리함

방사선은 의료나 산업체 등 여러 분야에서 사용합니다. 이에 따라 이를 활용하는 사람들은 방사선에 피폭됩니다. 이 피폭은 인체에 악영향을 줄 수 있기에 방사선으로 인한 악영향을 최소화하도록 피폭을 제어해야 합니다. 따라서 제어하기 위해선 피폭량을 알아야 하기에 조사 도구가 필요합니다. 이번 글에선 조사 도구인 자유 공기 표준전리함의 구조, 전리 체적, 포화 조건, 자유 공기 표준전리함에서 기온과 기압의 영향, 공동 전리함의 구조, 벽의 재료에 대해 알아봅시다.

 

자유 공기 표준전리함과 공동전리함

 

자유 공기 표준전리함

 

 

자유 공기 표준전리함은 X선, 감마선의 조사선량을 측정이 가능하게 만들어진 직류전리함이며, 표준 측정기로 사용하고 있는 표준전리함입니다.

 

 

자유 공기 표준전리함의 구조

 

 

자유 공기 표준전리함의 일반적인 구조는 상부에는 고압 전극을, 하부에는 collector, 보호전극을 배치하였고, X선이 들어가는 입사 창과 방출되는 부위를 제외하고는 모두 납 등의 중금속으로 X선을 차폐하고 있습니다. X선 입사 창에는 물질로 된 벽이 없어서 전리함 내부의 공기가 외부와 통하고 있기에 자유 공기가 됩니다. 따라서 어떤 벽 물질에 의한 흡수가 없는 상태에서 측정할 수 있습니다.

 

전리함 내에 입사된 X선은 콜리메이터(collimator)와 전리 체적 사이에서 전자평형이 이루어지고, 전리 체적에서 생긴 이온쌍은 고압 전극과 전극에 각각 수집됩니다. 고압 전극에서 음 전압을 가하여 양이온을 수집함과 동시에, 전극은 전위가 0이 되어 전자가 모입니다. 보호전극은 접지전위로 두고 전극과의 사이에 전위차가 생기도록 함과 동시에, 고압 전극과는 보호 전선을 설치하여 전기장의 분포를 균등하게 하고, 동시에 전기장을 수직으로 하여 전리 체적을 명확하게 하는 역할을 수행하고 있습니다.

 

 

자유 공기 표준전리함의 전리 체적

 

 

자유 공기 표준전리함에서 입사 콜리메이터로부터 전리 체적까지의 거리에 의해 전자평형이 이루어지고 있다면, 체적 V의 공기질량과 그 체적 중의 전리 전하량의 측정을 통해 조사선량 측정이 가능합니다. 하지만 공기질량의 직접 측정은 가능하지 않으므로 전리 체적을 측정하여 공기질량의 추정이 가능합니다. 공기질량은 표준상태의 공기밀도와 전리 체적에 비례합니다.

X 선량을 측정하기 위한 체적을 유효 전리 체적이라 합니다. 유효 전리 체적은 X선 입사 콜리메이터 단면적과 전극의 길이 곱이고 이것은 실제로 측정이 가능합니다. 이때 전기장이 수직이 아니면 유효 전리 체적을 특정할 수 없습니다. 그 이유는 전기장이 수직이 아닐 때 전하 중 일부가 빠져나갈 수 있기 때문입니다.

 

따라서 전극 단독으로는 외계의 영향 때문에 전기장이 구부러질 수 있기에 전기장을 수직으로 만들기 위해서 전극 양측에 보호전극을 두고 이것을 접지전위로 하여 전극의 전위를 0으로 만듭니다. 이 방법을 영위법이라고 합니다. 또한, 보호전극은 전기장을 수직으로 하는 일 외에도 고압 전극으로부터 누설전류가 전극으로 흐르는 것을 방지함과 동시에 전자평형을 유지하는 역할도 하고 있습니다.

 

 

자유 공기 표준전리함의 포화 조건

 

 

전리함의 양 전극 사이에 생긴 전자와 양이온들은 전기장의 강도가 크지 않을 때는 서로의 재결합에 의하여 소실되기 때문에 정확한 조사선량의 측정이 불가능하게 됩니다. 전기장의 강도는 양 전극 사이에 가해지는 인가 전압을 전극 사이의 거리로 나눈 값이 됩니다. 예를 들면 1차 표준전리함에서 비교적 적은 조사성장률인 경우에는 약 250V/cm 정도의 전기장이 필요합니다. 인가 전압을 전극 사이의 전압과 전리전류 측정값과의 관계에서 조사선량 율이 다른 3가지 경우를 나타내고 있는데, 조사선량 율이 높으면 높을수록 포화치를 얻는 전극 간의 전압은 비례하여 높아지고 있음을 볼 수 있습니다.

 

 

자유 공기 표준전리함에서 기온과 기압의 영향

 

 

개방형 전리함의 경우, 기온과 기압이 변하면 동일 전리 체적 내에서 공기의 질량이 변하므로 전리되는 양이 달라진다. 그러므로 이에 대한 보정이 필요하며, 일반적인 기준으로서 표준상태를 기준으로 교정을 합니다.

 

 

공동전리함

 

 

1차 표준전리함인 자유 공기 표준전리함은 조사선량의 표준 측정을 할 수 있는 검출기지만, 규모가 비교적 크기 때문에 일정한 장소에서 거치형으로 사용되고 있습니다. 이에 대해서 2차 표준전리함은 실용 선량계로 사용되기 때문에 전리함이 소형으로 그 지시 값은 1차 표준전리함에 의해서 교정을 하고 있습니다.

 

 

공동전리함의 구조

 

 

자유 공기 표준전리함의 유효 전리 체적과 전자평형에 필요한 주위의 공기층과 전리 체적의 공기만 두고 전자평형에 필요한 주위의 공기층을 공기가 아니면서 공기와 구성이 같은 밀도의 고체 물질로 바꾸어 보면, 이 고체 물질의 두께는 공기층의 두께와 고체 물질에 대한 공기층 밀도의 비율의 곱이 됩니다. 이것을 Fano의 원리라고 하며, 바꿔 말하면 같은 원자로 구성되어 있다면 단위 단면적에서 공기층의 두께와 공기 등가 물질 층의 두께 속에 포함된 원자 수는 같아서 밀도와는 관계없이 방출 전자 개수는 같게 됩니다. 공동전리함의 구조는 지두 형을 갖는 것이 많다. 외측은 공기 등가 물질로서, 벽을 형성하고 그 내부에는 전도성 피막을 만들어 이온 수집에 필요한 포화 전압에 상당하는 음의 고전압을 인가합니다.

 

 

공동전리함 벽의 재료

 

 

공동전리함의 벽의 재료로 공기와 같은 원자 조성을 갖는 고체 물질이 필요하지만 이와 같은 고체 물질은 존재하지 않습니다. 원자 조성을 갖는 고체 물질은 존재하지 않기에 X선 감쇠량이 공기와 유사한 물질은 존재하며, 이것을 공기 등가 물질이라고 합니다.

X선의 감쇠량이 같기 위해서는 광전효과와 전자쌍 생성을 고려해 원자번호가 같을 필요가 있고, Compton 효과를 고려해 전자밀도가 같아야 합니다. 물질의 전자밀도는 원자번호가 낮으면 거의 일정하나, 특히 높은 원자번호의 물질에서는 크게 변환되기 때문에 공기 유효원자번호의 부근 물질을 벽 재료로 해야 합니다.

 

광전 흡수의 질량에너지 흡수계수는 원자번호의 세제곱에 비례하고 에너지의 세제곱에 비례하며 전자쌍 생성 흡수는 원자번호에 비례합니다. X선 광자의 벽에 의한 감쇠량은 크기 때문에 결과적으로 낮은 에너지에서는 감도가 저하되며, 광자에너지가 비교적 높은 Compton 흡수 영역에서는 Compton 효과가 원자번호와 광자에너지에서는 의존하지 않기에 감도는 일정합니다.