광 자극 형광의 원리, 측정 방법, 구성 및 특성

앞서 설명한 열 형광 선량계 외에도 광 자극 형광을 이용해 흡수 선량을 측정할 수 있습니다. 그 예로 광 자극 형광은 물질의 연대 측정에 사용하며, 또한 지질학 등에서 환경방사선 흡수 선량 측정에도 사용합니다. 따라서 이 글에선 광 자극 형광을 이용한 선량계에 대해 알아보겠습니다.

 

광 자극 형광의 원리, 측정 방법, 구성 및 특성

 

광 자극 형광의 원리 및 측정 방법

 

 

광 자극 형광의 원리는 형광물질에 방사선을 조사하면 원자가띠(valence band)에 있던 전자는 들뜬 전도띠(conduction band)로 이동하여 전자 포획 중심에, 양공은 양공 포획 중심에 있게 됩니다. 이러한 상태는 지속되는데, 이때 형광물질에 빛을 조사하면 포획 중심에 있던 전자와 양공이 재결합하여 가시광이 발생하는데 이것을 광전자 증배관(PM-tube)을 이용해서 방사선의 양을 측정합니다.

 

광 자극 형광의 측정은 기본적으로 방사선에 조사된 물질을 자극하는 빛의 파장과 이때 방출되는 빛의 파장은 서로 다른 것을 원칙으로 합니다. 보편적인 자극 방법에는 연속파장 광 자극 형광(continuous wave optically luminescence, CW-OSL), 선형 변조 광 자극 형광(linear modulation optically stimulated luminescence, LM-OSL)과 펄스광 자극 형광 (pulsed optically stimulated luminescence, POSL)의 3가지 방법이 있습니다.

 

 

연속파장 광 자극 형광(CW-OSL)

 

 

물질에 일정한 강도로 빛이 조사되어 자극되는 동안 방출하는 빛을 측정하는 방법입니다. 조사되는 빛은 분광기 또는 필터를 통해 레이저 또는 넓은 파장의 광원을 일정 파장으로 변화시켜 사용합니다. 가시광이 방출되는 동안 조사되는 빛과 방출되는 빛을 구분하여 연속적으로 측정하며, 조사되는 빛이 산란하면 측정되지 않게 합니다. 방출된 가시광의 합은 흡수된 방사선량에 비례하며, 연속파장 광 자극 형광의 방출 파형은 감소하면서 단순한 형태를 이룹니다. 방출 파형은 OSL 물질의 종류와 온도, 흡수 선량, 조사되는 빛의 파장 및 강도에 의해 결정됩니다.

 

 

선형 변조 광 자극 형광(LM-OSL)

 

 

일정한 강도로 조사되는 빛을 사용하지 않고 시간이 지날수록 조사되는 빛의 강도를 증가시키는 방법을 LM-OSL이라고 합니다. 조사되는 빛의 강도가 증가하면서 방출되는 빛의 강도가 비례적으로 증가하다가 포획 중심이 감소하면서 방출되는 빛의 강도가 지속해서 감소합니다. 방출 파형의 최대 강도는 여기광의 증가율에 의해 결정되는데, 최대 강도의 값을 광전리 단면적 값이라고 부르며, 이 지점에서는 포획 중심 값은 0이 됩니다.

 

 

펄스광 자극 형광(POSL)

 

 

조사되는 빛의 펄스폭은 원래의 발광시간보다 짧은 시간을 선택합니다. 일정 시간 동안 광전자 증배관(PM-Tube)은 게이트(gate)를 닫아 여기광이 측정되지 않게 한 후 특정 시간 동안은 광전자 증배관이 게이트를 열어 발생하는 OSL을 측정하게 됩니다. 이러한 원리로 CW-OSL 또는 LM-OSL 방법보다 광학필터가 수가 적게 필요하며, 주요 발광 파장의 검출 효율이 높습니다. 펄스광 자극 형광은 방사선에 조사된 OSL을 판독(reading)하는 횟수에 따른 OSL 신호강도가 일정하게 감소하는 형태를 이루고 있습니다.

 

특정 OSL 물질의 판독횟수에 따른 강도 변화 곡선을 알고 있으면, 여러 번의 판독이 가능해서 한 번의 판독만 가능한 TLD에 비해 우수한 특성을 가지고 있습니다.

 

 

광 자극 형광 선량계의 구성 및 특징

 

 

광 자극 형광 선량계 (OSLD)는 방사선 계측용으로 개인 피폭선량 측정, 환경방사선 측정, 개인이 받은 피폭선량에 대한 부족한 정보를 사고 발생 시점 후에 평가하는 추측 선량 측정 등 세 가지 용도로 많이 사용됩니다.

 

 

광 자극 형광 선량계의 구성

 

 

방사선에 조사된 형광물질에 광원을 조사하면 가시광이 발생하며, 이때 적합한 파장의 가시광을 선별한 후 광전자 증배관을 이용하여 흡수된 방사선의 양을 측정합니다. 광 자극 형광 선량계 은 소자, 판독기, 소거기 등으로 구성되어 있습니다.

 

 

소자

 

형광물질을 사용 용도에 따라 여러 종류의 필터를 가지고 있는 곳에 놓습니다. 소자의 용도에 따라 개인 피폭선량을 측정하는 전신용, 작은 부위의 흡수 선량을 측정하는 nano dot, 환경방사선을 측정하는 환경 방사선용이 있습니다.

 

 

판독기(Reader)

 

방사선에 조사된 소자에게 빛을 조사하여 발생하는 가시광을 광전자 증배관을 통해 측정한 후 흡수 선량으로 표시합니다.

 

 

소거기(Annealer)

 

OSL은 측정값을 판독한 후에도 두 번째 판독이 가능하며, 이때 처음 판독한 값과 다르지만, 형광물질마다 일정한 감약 비율을 가지고 있기에 소자를 재사용할 때 기존 선량값을 기록하여, 재사용 시 기존 선량값을 배제하는 방법 또는 처음 상태로 소거하는 방법을 사용합니다.

 

 

광 자극 형광 선량계의 특징

 

1. TL 물질은 판독 또는 수거 작업 시 고온 가열로 열 손실이 발생하기에 특성이 변하게 되지만 OSL 물질은 광원으로 레이저광 또는 가시광을 이용하기 때문에, 판독에 따른 소자의 특성 변화가 적습니다.

 

2. TL 측정에서는 가열시간이 길어 판독 시간이 길지만, OSL 측정에서의 판독 시간은 레이저광 사용 시에는 수 ns, 레이저다이오드 사용 시에 100ms, 발광다이오드 또는 적외선램프 이용 시 1~10초 정도로 비교적 짧은 편입니다.

 

3. TL 물질은 한번 판독한 소자는 다시 한번 판독에 사용할 수 없지만, OSL 물질은 다시 한번 판독에 사용할 수 있습니다.

 

4. TL 측정은 특정 부분에 열 자극을 가해도 전도 때문에 분해능이 떨어지지만, OSL 측정은 여기광을 특정 부분에 접속할 수 있어 분해능이 높은 편입니다. 여기서 여기광이란 전자가 들떴다가 돌아옴으로써 발생하는 빛을 의미합니다.

 

5. 퇴행 현상이 적고 안정적인 신호를 검출할 수 있습니다.

 

6. 소자를 얇고 작게 만들어 작은 부위의 흡수 선량 측정에 유용합니다.

 

7. 선량의 측정 범위가 감도가 높아서 매우 좁은 범위의 측정도 가능합니다.