흡수 선량과 Bragg-Gray 공동이론, 형광물질의 특성 및 구비 조건

방사선은 그 자체로 인체에 영향을 주는 것이 아니라 인체에 흡수되어야지 인체에 악영향을 줍니다. 인체에 악영향을 주는 것을 최소화하기 위해선 흡수 선량에 대해 알아야 합니다. 흡수 선량을 측정하기 위해선 Bragg-Gray 공동이론을 알아야 하며 흡수 선량 측정에 사용되는 물질인 형광물질의 특성 및 구비 조건도 알아야 합니다. 이번 글에선 흡수 선량과 Bragg-Gray 공동이론, 형광물질의 특성 및 구비 조건이 무엇인지 알아보겠습니다.

 

4흡수 선량과 Bragg-Gray 공동이론, 형광물질의 특성 및 구비 조건

 

흡수 선량의 측정

 

 

흡수 선량이란, 방사선이 물질에 조사될 때 그 물질의 단위 질량당 흡수된 방사선 에너지로서, 모든 종류의 조사 물질과 모든 방사선에 적용됩니다. 따라서 생물체에 미치는 방사선의 효과를 알기 위한 가장 중요한 인자는 흡수 선량입니다.

 

 

Bragg-Gray 공동이론

 

 

Bragg-Gray 공동이론은 Bragg-Gray에 의해서 완성되었으며 방사선 흡수선량을 측정하는 데 가장 기본이 되는 원리입니다. 물질에 있는 작은 공동 내에 기체가 있을 때 2차 전자의 일부가 이곳을 지나면서 공동 내에서 전리에 의한 이온쌍을 만듭니다.

 

Bragg-Gray 공동이론은 공동 내에서 생긴 이온쌍의 수와 방사선에 대한 조사 물질의 흡수에너지의 관계식으로서, 물질 속의 공동은 극히 작아서 공동이 존재해도 조사 물질의 2차 전자의 분포 상태가 공동이 존재하지 않는 것으로 간주합니다.

 

공동 속의 단위 질량당 기체에서 생긴 전리량(전자 개수)과 공동기체에서 한 쌍의 이온을 만드는 데 소모되는 평균 에너지의 곱이 공동기체의 단위 질량당 흡수된 에너지가 됩니다. 또한 기체 공동이 존재할 때와 존재하지 않을 때의 물질 상태에는 같은 2차 전자 속이 지나게 되고, 전자에 의한 물질의 흡수에너지는 저지능(stopping power)에 좌우되기 때문에 공동 속의 기체와 공동 밖의 물질에 대한 단위 질량당 흡수에너지의 비는 각각의 질량저지능의 관계비와 같습니다.

 

이 질량저지능의 관계비를 공동기체의 단위 질량당 흡수된 에너지에 곱하면 물질의 단위질량 당 흡수에너지가 됩니다. 이것을 Bragg-Gray 공동이론(Bragg-Gray cavity theory)이라고 합니다.

 

 

형광물질의 특성

 

발광 곡선

 

포획 중심에 포획된 전자의 방출 확률은 온도에 의존합니다. 그러므로 방사성 조사 후의 결정은 가열속도를 일정하게 천천히 가열하면 특정의 에너지 준위에 포획된 전자의 방출 확률이 증가하고 발광량도 이에 비례하여 증가합니다. 그러나 발광량이 최대에 도달한 후에는 결정 내에 남아 있는 포획 전자 개수의 감소에 따라서 발광량도 감소하고, 모든 전자가 방출되면 발광량도 0이 됩니다. 이같이 온도 또는 시간과 발광량과의 관계를 나타낸 곡선을 발광 곡선이라 합니다. 가열속도를 일정하게 상승시키면 발광 곡선의 모양은 여러 소자마다 매우 비슷하게 나타납니다.

한 개 또는 여러 개의 발광 피크는 포획된 전자의 에너지 준위에 해당합니다. 또한 최대 발광 피크에 해당하는 온도를 발광 피크 온도라고 합니다. 이때 각 에너지 준위 사이의 에너지 차가 대단히 작거나 가열속도가 빠를 때 모든 발광 피크를 하나하나 검출하기는 불가능합니다. 그러므로 이들 발광 피크의 크기는 몇 개의 에너지 준위인 중심의 전자가 집합된 것으로 생각할 수 있습니다. 따라서 가열속도가 빠를 때에 발광 피크는 커지며, 최대 피크(peak)도 높은 온도 부분으로 이동하기 때문에 발광강도를 온도의 함수로 표시한 곡선에서 피크 아래의 면적은 커집니다.

 

 

감도

 

단위 선량당 형광의 양을 감도라 합니다. 이는 형광 소자의 특성과 형광의 양 검출 장치의 합성으로 결정되고, 측정량의 하한치는 형광체의 배경(background)과 형광체 소자 사이의 변동에 의존하게 됩니다.

 

 

선량 의존성

 

형광 소자에서 방출하는 형광의 양은 조사된 방사선량에 비례하는 것이 바람직합니다. 실제 저선량에서는 발생 형광이 선량에 거의 비례(직선성)하나 어느 정도의 선량 이상이 되면 비 직선성이 됩니다.

 

 

에너지 의존성

 

단위 조사 선량당 형광 소자의 응답(TL양)은 광자의 에너지에 의해 변화합니다. 보통 60 코발트 감마선의 일정한 양의 응답을 기준으로 하여 다른 광자에너지의 응답을 구하고 있습니다. 그러나 비교적 낮은 에너지인 100keV 이하의 에너지에서는 광자의 상호작용이 주로 광전효과이기 때문에 형광물질의 원소 조성 기준에 의하여 크게 영향을 받습니다. 그러므로 형광체의 유효원자번호가 공기의 유효원자번호인 7.64 부근일 때 형광체의 에너지 의존성은 가장 작아집니다.

 

 

안정성

 

형광 방출의 안정성은 측정의 정확도에 가장 중요한 요인으로 작용합니다. 안정성에 영향을 주는 요소는 여러 가지가 있습니다.

첫 번째로 퇴행(fading)은 열형광선량계 소자에 방사선 조사한 후부터 측정할 때까지의 경과시간에 따라서 형광체의 발광량이 감소하는 현상입니다. 낮은 온도에서 형광의 강도가 피크(peak)를 나타나는 형광체는 방사선 조사 직후에 퇴행이 급격히 일어납니다. 그러므로 적당한 시간이 지난 후에 형광의 양을 측정할 수 있습니다.

두 번째는 빛의 영향이 있습니다. 형광체가 강한 가시광선에 노출되면 열형광선량계 소자의 형광 양이 감소합니다. 따라서 방사선을 조사한 후에는 가시광에 노출되지 않도록 주의해야 합니다.

세 번째는 열형광선량계 소자는 방사선이 아닌 것의 자극에도 열 형광을 발생한다는 사실이 있습니다. 방사선 조사 이외에 의한 발광 요인으로서는 크게 형광체에 방사 유도, 기계적인 것에 의한 것, 진동에 의한 것, 그리고 가스 흡수 등에 의한 것의 4종류가 있습니다.

 

 

형광체의 구비 조건

 

 

형광체의 구비 조건은 감도가 좋아야 하며 퇴행 현상이 적고 thermoluminescence 피크(peak)가 적외선 방사 이전의 온도(200~300℃)에 있어야 하고 thermoluminescence의 피크(peak)는 복합 피크(peak)가 아니어야 합니다. 또한 에너지 의존성이 높지 않아야 하며 단위 시간당 선량 의존성은 고려되지 않는 것이 좋습니다. 선량 의존성도 크지 않아야 하며 조직 등가 물질이고 반복 사용하여도 재현성이 좋아야 하며 장기간 사용하여도 안정이 유지되어야 합니다.