열형광선량계의 구조, 응용 및 주의 사항

앞선 글에선 흡수 선량 측정에 사용되는 열형광선량계에서 열 형광을 발생하는 형광체의 특성에 대해 알아봤습니다. 이번 글에선 열형광선량계의 구조와 응용, 주의 사항에 대해 알아보겠습니다.

 

열형광선량계의 구조, 응용 및 주의 사항

 

열형광선량계는 방사선을 흡수하는 형광물질과 방사선이 조사된 형광물질을 가열할 때 그때 발생하는 형광의 양을 측정하는 장치(TL reader)로 구성되어 있습니다. 형석이나 석회석에 열을 가하면 담청색의 빛을 냅니다. 이러한 현상을 열 형광 현상이라 합니다. 이러한 성질을 가지고 있는 물질에 방사선을 조사한 후 가열하면 조사선량에 거의 비례하는 가시광이 발생하는데, 이 현상을 방사선 측정에 이용한 것이 열형광선량계입니다.

 

열형광선량계의 물리화학적 원리는 방사선 조사를 받은 물질의 결정안에서 전리작용에 의하여 원자가띠의 전자가 전도띠로 올라감과 동시에 그 자리에서 양공(hole)이 생겨 들뜬 전자와 양공이 결정 속을 자유롭게 운동하면서 서로 재결합하거나 결정 속의 격자결함과 불순물 원자의 특정 에너지 준위에 포획됩니다.

 

포획 중심(trap)에 포획된 전자와 양공은 열적으로 불안정한 상태이기 때문에 외부로부터 열을 받으면 다시 들뜬 상태가 되어 자유롭게 되고, 이들이 재결합할 때 가시광을 방출합니다. 가시광은 외부 가열로 전도띠에 올라갈 수 있는 충분한 에너지를 받은 전자가 전도띠를 통과하여 양공과 재결합할 때 가시광을 방출하거나, 포획 전자보다 열적으로 불안정한 상태에 있는 포획 양공이 포획 중심으로부터 방출되어 결정 속을 자유로이 이동할 때 포획 전자와 재결합하여 방출하게 됩니다.

 

열형광선량계의 구조

 

Heating System

 

 

형광체 소자를 가열하는 방법에는 직접 가열법과 간접 가열법이 있습니다. 직접 가열법은 직접 형광체 소자를 가열하는 방법으로서 유도가열이나 적외선 가열을 이용합니다. 간접 가열법은 가열된 부분으로부터 나오는 열을 이용해 형광체를 가열하는 방법으로서 가열 판 또는 열 바람에 의한 것이 있습니다.

 

직접 가열법은 급속 가열이나 형광체를 고르게 가열하는 데에는 좋지만, 특정 형광체만을 사용해야 점과 장치가 복잡해지는 등의 결점이 있어 간접 가열법을 더 많이 사용합니다.

 

간접 가열법은 형광체를 일정하게 가열하기가 어렵고 가열 판 자체가 가시광이나 적외선에 의한 열 형광 발생의 문제가 있습니다. 그러나 가열을 일정 속도로 할 수 있고, 예정 최고온도에서 가열이 자동으로 정지될 수 있는 점, 장치에 의해 온도 신호를 얻을 수 있습니다. 또 열형광선량계 강도, 온도의 발광 곡선을 측정할 수 있는 것도 있습니다.

 

 

Light Detection System

 

 

열 형광의 검출에는 광전자 증배관이 사용됩니다. 전면에는 열을 차단하고 측정에 유효한 열 형광만이 통과하도록 필터를 설치합니다. 광전자 증배관에서 얻어진 신호는 신호 측정부로 보내집니다.

 

 

신호 측정부(signal measurement system)

 

 

신호 측정부는 광전자 증배관에서 나온 신호를 각각의 목적에 따라서 측정하는 장치입니다.

 

 

기록부(display and recording system)

 

 

기록부에선 열 형광의 양을 실온으로부터 가열 최고온도까지의 열 형광의 강도 적산 값으로 기록합니다. 장치에 따라서는 필요한 온도 범위 내의 열 형광의 강도 적산 값의 기록이 가능한 것도 있고, 온도에 의한 열 형광의 강도 변화를 표시하는 발광 곡선을 기록하는 장치도 있습니다

 

 

열형광선량계의 응용

 

 

열형광선량계 소자는 다른 선량계에 비하여 크기가 작고 고감도입니다. 또 적산 형으로서 재사용이 가능하므로 여러 분야에서 선량 측정에 응용되고 있습니다. 열형광선량계는 대표적으로 의료분야나 보건물리학에서 응용할 수 있습니다.

 

 

의료분야에 응용

 

 

형광체 소자가 작고 조직 등가인 것이 있으므로, 팬텀 내의 여러 곳에 형광체 소자를 배치하면 한 번의 방사선 조사로서 선량 분포의 측정이 가능합니다. 조사할 때 발생하는 선량의 변동이나 조사선의 단면에 대한 변화의 보정은 필요하지 않고, 구강, 식도, 위, 직장, 자궁 등에서 흡수 선량의 측정에 의한 치료 선량의 모니터나 그 부분의 피폭선량 측정이 가능합니다. 여기서 모니터란 방사능을 관리하는 데 쓰는 감시 장치를 의미합니다.

 

 

보건물리학 분야의 응용

 

 

열형광선량계의 감도가 좋기에 개인 피폭선량의 측정이나 환경방사선의 측정에 사용되고 있습니다. 또한 의료피폭이나 사고피폭 등에 의한 장기의 흡수 선량 측정 실험에도 사용할 수 있습니다. 에너지 의존성이 서로 다른 2종의 형광체 소자를 동시에 사용함으로써 체내의 방사선 평균 에너지를 측정할 수 있으며, 감마선과 중성자선이 공존하고 있는 곳의 방사선을 분리 측정할 수도 있습니다.

 

 

측정 시 주의 사항

 

 

형광체에서의 열처리(annealing)

 

 

형광체는 적당한 온도까지 가열하면 방사선 피폭의 기록이 소실되기 때문에 재사용이 가능합니다. 이같이 재사용을 위한 열처리는 형광체에 있어서 매우 중요합니다.

 

열처리 온도는 형광체에 따라 모두 다르고, 발광 곡선을 보면 대부분의 형광체에서 주 피크(peak) 발생 온도보다 고온에서 발생하는 작은 피크가 있는데, 이 고온 피크를 열처리하지 않으면 이후의 형광체 감도에 영향을 줍니다. 즉, 주 피크보다 고온 쪽에 있는 작은 피크는 열처리가 불충분하면 실제의 조사량보다 결과가 크게 나타납니다. 또 온도 피크의 영향이 있기에 큰 선량이 피폭될 때 사용한 형광체는 저선량의 측정을 피하는 것이 좋다.

 

덮개와 밀착돼 있지 않은 형광체의 열처리 시에는 대기의 영향에 주의할 필요가 있고, 열처리 후 냉각은 가열로 내에서의 냉각이나 액체 질소에 의한 냉각과 같은 극단적인 취급 이외에는 문제가 없습니다.

 

 

형광체의 안전성

 

 

측정 시 형광체의 안전성에 영향을 주는 요소는 첫째로 퇴행입니다. 대부분의 형광체는 주 피크보다 낮은 온도에 몇 개의 부 피크가 있습니다. 낮은 온도에서의 피크는 실온에서 몇 시간이 지나면 퇴행을 일으키기 때문에 어떤 형광체는 조사 후 측정할 때까지 대기시간을 가지도록 하는 경우도 있습니다. 또 저온 피크의 영향을 제거하는 한 방법으로 측정 전에 저온 열처리를 하는 경우가 있습니다.

 

둘째, 방사선 이외의 열 형광으로 형광체에 따라서는 방사선 이외의 열 형광이 강하게 나타나는 경우가 있습니다. 저선량 측정이나 진동 등의 영향을 받는 조건에서 선량 측정은 형광체의 종류를 고려할 필요가 있고, 덮개와 밀착되어 있지 않은 형광체에서는 가스 등의 영향도 배제할 수 없습니다.

 

셋째, 안전성에 영향을 주는 요소는 빛의 영향이 있습니다. 형광체에는 빛의 영향을 강하게 받는 것도 있으므로 태양의 직사광, 밝은 창가나 강한 조명 아래서 형광체의 취급은 가급적 피하는 것이 좋다. 또 열처리하여 열 형광을 측정할 때까지 조사 시 이외에는 알루미늄 포일 등으로 차광하는 것이 좋습니다.

 

넷째, 측정값의 변동 때문에 열형광선량계 선량 측정의 정도를 올리기 위해서는 보통 한 부위에 5~10개의 형광체 소자를 사용하는 것이 바람직합니다. 형광체 소자는 가급적 생산 일자 등이 같은 것을 입수하여 열처리, 조사 등을 동일하게 행하는 것이 바람직합니다. 그러나 형광체 소자는 일반적으로 사용 횟수가 많아지면 측정값의 변동이 커진다.

 

 

선량 교정

 

 

열형광선량계 측정장치의 계기 눈금에 표기된 수치는 그 자체로는 선량으로 취급할 수 없습니다. 따라서 형광체를 구입할 때마다 선량 교정을 해야 합니다. 형광체에 따라서는 고선량 또는 저선량에 대해서 선량과 응답의 비례관계가 성립되지 않는 경우도 있습니다. 그러므로 그때마다 매번 교정하여야 하고, 후방산란 선에 대해서도 감도의 차이가 나타나므로 이에 대한 사전 준비가 필요합니다. 특히, 진단용 X선과 같은 저에너지 방사선에 있어서 부가 필터에 의한 평균 에너지의 변화 시에는 형광체 소자의 교정이 필요합니다.