1. 매 붕괴마다 2 MeV의 감마선을 1개씩 방출하는 1 Ci의 점 감마선원에 대해서 아래의 물음에 답하시오. 공기의 차폐효과는 무시하며, 2 MeV 감마선에 대한 공기의 질량흡수계수는 0.0238 ㎠/g이고 납의 질량감쇠계수는 0.0459㎠/g, 질량흡수계수는 0.0293㎠/g, 납의 밀도는 11.3g/㎤, 납에 대한 축적인자(buildup factor)는 아래표와 같다.
(1) 이 선원이 공기중에 놓여 있을 경우 선원으로부터 100cm 떨어진 곳의 조사선량률을 계산하시오.
1 Ci=37GBq
MeV 단위변환 1MeV = 1.6 X 10^-19J
2 MeV X 1.6 X 10^-19J = 3.2 X 10^-13J
100cm 단위변환 = 1m
공기의 질량흡수계수 0.0238 ㎠/g 단위변환 = 0.00238 m2/kg
[37GBq X 3.2 X 10^-13J X 1개/붕괴 X 0.00238 m2/kg] / 4 X 파이 X 1^2
= 2.243×10−6 Gy/s
시간으로 단위변경
2.243×10−6 Gy/s X 3600s/1h = 8.0748×10^−3 Gy/시간
1R = 0.00877Gy
[8.0748×10^−3 Gy/시간] / 0.00877Gy = 0.9218 R/시간
(2) 선원과 피폭지점 사이에 7.7cm 두께의 납을 차폐한 경우 선원으로부터 10cm 떨어진 피폭지점의 조사선량률을 계산하시오.
거리 단위 변환 10cm = 0.1m
납의 선감쇄계수 = 0.0459 cm^2/g×11.3 g/cm^3=0.5181 cm−1
선감쇄계수 X 납두께 = 0.5181 cm−1 X 7.7cm = 3.989
축적인자는 4와 가까우니까 2.51이된다
차폐체가 없을때 10cm 선량
[37GBq X 3.2 X 10^-13J X 1개/붕괴 X 0.00238 m2/kg] / 4 X 파이 X 0.1^2
=2.243×10−4 Gy/s
차폐후 선량률
2.243×10−4 Gy/s X 2.51 X e^-3.989 = 1.040×10−5 Gy/s
단위변경
1.040×10−5 Gy/s X 3600s/1h = 0.03744 Gy/시간
조사선량이니 단위변경
0.03744 Gy/시간 / 0.00877Gy = 4.269 R/시간
(3) 차폐체에서 생성되는 출력밀도(W/kg)를 계산하시오.
출력밀도() 또는 에너지 흡수율은 차폐체 내에서 단위 질량당 흡수되는 에너지율을 의미하며, 이는 흡수선량률과 동일한 개념
차폐체 바로 입사면에서의 흡수선량률을 계산하고, 이를 W/kg 단위로 표현합니다. 차폐체에 입사하는 지점의 방사선량률은 차폐체가 없을 때의 10cm 지점의 방사선량률()과 같습니다. (선원으로부터 10cm 떨어진 곳에 차폐체가 위치한다고 가정)
[37GBq X 3.2 X 10^-13J X 1개/붕괴 X 0.00293 m2/kg] / 4 X 파이 X 0.1^2
= 2.760×10−4 J/kg⋅s
이므로
2.760×10−4 W/kg
2. 감마선에 의한 공간선량률을 측정하는 surveymeter의 유형을 3가지 들고 특성을 비교 설명하시오.
- 전리함 서베이미터 (Ionization Chamber Survey Meter)
- 특성:
- 원리: 감마선이 전리함 내부의 기체(보통 공기)를 전리시켜 생성되는 이온 쌍을 측정하여 선량률을 결정합니다.
- 선량률 범위: 비교적 높은 선량률부터 낮은 선량률까지 넓은 범위의 선량률을 측정할 수 있습니다.
- 에너지 응답: 에너지 의존성이 적어 넓은 에너지 범위에서 비교적 정확한 선량률을 제공합니다.
- 장점: 넓은 선량률 범위와 좋은 에너지 응답 특성으로 인해 기준기로 많이 사용됩니다.
- 단점: 다른 유형에 비해 부피가 크고 무거워 휴대가 불편할 수 있습니다. 또한, 낮은 선량률에서는 감도가 떨어져 정확도가 낮아질 수 있습니다.
- 특성:
- GM 계수관 서베이미터 (Geiger-Müller Counter Survey Meter)
- 특성:
- 원리: GM 계수관 내부의 기체가 방사선에 의해 전리되면, 강한 전기장으로 인해 연쇄적인 전리가 일어나 큰 전기 펄스를 발생시킵니다. 이 펄스의 수를 계수하여 선량률을 간접적으로 측정합니다.
- 선량률 범위: 낮은 선량률에 매우 민감하여 미량의 방사선도 쉽게 검출할 수 있습니다. 그러나 높은 선량률에서는 계수 손실(dead time) 현상으로 인해 포화되어 정확한 측정이 어렵습니다.
- 에너지 응답: 에너지 의존성이 커서 감마선 에너지에 따라 측정값이 달라질 수 있습니다. 이는 주로 GM관의 벽 물질에 의해 발생합니다.
- 장점: 저선량에 대한 높은 민감도와 휴대성, 비교적 저렴한 가격이 장점입니다.
- 단점: 고선량에서 포화되며, 에너지 응답 특성이 좋지 않아 정확한 선량률 측정보다는 방사선 유무 확인에 더 적합합니다.
- 특성:
- 섬광 계수관 서베이미터 (Scintillation Counter Survey Meter)
- 특성:
- 원리: 감마선이 섬광 물질(예: NaI(Tl))에 흡수되면 가시광선을 방출하고, 이 빛을 광전자 증배관(PMT)이 전기 신호로 변환하여 측정합니다.
- 선량률 범위: 매우 낮은 선량률부터 비교적 높은 선량률까지 넓은 범위에서 사용할 수 있으며, 특히 저선량 측정에 매우 높은 민감도를 가집니다.
- 에너지 응답: 에너지 분해능이 뛰어나 감마선의 에너지를 구분하여 측정할 수 있습니다(에너지 스펙트럼 분석 가능).
- 장점: 높은 민감도와 우수한 에너지 분해능으로 핵종 분석 및 저준위 방사선 검출에 탁월합니다.
- 단점: 다른 서베이미터에 비해 장비가 고가이며, 온도 변화에 민감할 수 있습니다. 또한, 섬광체가 충격에 약하다는 단점이 있습니다.
- 특성:
3. 아래의 그림은 24Na의 붕괴도식과 NaI(Tl) 섬광검출기로 측정한 에너지스펙트럼을 나타낸 것이다. 이와 관련하여 아래의 물음에 답하시오.
(1) ①과 ②는 전에너지 Peak 이다. ③, ④, ⑤, ⑥의 명칭과 에너지를 쓰시오.
4.125 MeV 들뜬 상태에서 1.36 MeV 들뜬 상태로 전이할 때 방출 = 4.125 MeV−1.36 MeV=2.765 MeV
붕괴도식에서 Na-24는 두 개의 주요 감마선, 즉 1.36 MeV와 2.75 MeV 감마선을 방출
일반적으로 더 높은 에너지를 가진 감마선이 더 높은 채널 번호(오른쪽)에 나타남
②가 2.75 MeV 전 에너지 피크, ①이 1.36 MeV 전 에너지 피크
- 컴프턴 연속체 (Compton Continuum): 감마선이 검출기 물질 내에서 컴프턴 산란을 일으켜 에너지를 일부 잃고 산란되는 경우 발생합니다. 전 에너지 피크보다 낮은 에너지 영역에 넓게 분포합니다.
- 컴프턴 가장자리 (Compton Edge): 컴프턴 산란 시 감마선이 최대 에너지를 잃고 후방 산란되어 검출기를 빠져나갈 때 남기는 최대 에너지에 해당하는 가장자리입니다.
- 단일 탈출 피크 (Single Escape Peak): 감마선이 검출기 물질 내에서 쌍생성(Pair Production)을 일으킨 후, 생성된 두 개의 0.511 MeV 양전자-전자 쌍소멸 감마선 중 하나가 검출기를 빠져나갈 때 발생합니다. 입사 감마선 에너지에서 0.511 MeV를 뺀 에너지에 해당합니다.
- 이중 탈출 피크 (Double Escape Peak): 쌍생성 후, 두 개의 0.511 MeV 쌍소멸 감마선이 모두 검출기를 빠져나갈 때 발생합니다. 입사 감마선 에너지에서 2 × 0.511 MeV = 1.022 MeV를 뺀 에너지에 해당합니다.
- 후방 산란 피크 (Backscatter Peak): 검출기 주변 물질(차폐체 등)에서 컴프턴 산란을 일으킨 후, 후방 산란된 감마선이 검출기로 들어와 검출되는 피크입니다. 약 0.20~0.25 MeV 부근에 나타납니다.
- 소멸 피크 (Annihilation Peak): 검출기 외부나 내부에서 양전자-전자 쌍소멸에 의해 생성된 0.511 MeV 감마선이 검출되는 피크입니다.
여기에서 ②가 2.75 MeV 전 에너지 피크, ①이 1.36 MeV 전 에너지 피크 이니까
- ③ 피크 (에너지 약 2.2 MeV 부근): 2.75 MeV - 0.511 MeV = 2.239 MeV. 이는 2.75 MeV 감마선에 의한 단일 탈출 피크로 보입니다.
- ④ 피크 (에너지 약 1.7 MeV 부근): 2.75 MeV - 1.022 MeV = 1.728 MeV. 이는 2.75 MeV 감마선에 의한 이중 탈출 피크로 보입니다.
- ⑤ 피크 (에너지 약 0.8 MeV 부근): 1.36 MeV 감마선에 의한 컴프턴 가장자리나 후방 산란 피크보다는 높은 에너지입니다. 1.36 MeV 감마선이 컴프턴 산란 후 검출되는 에너지 중, 최대 에너지는 (컴프턴 가장자리)입니다. ⑤는 이보다 약간 낮은 영역에 위치하며, ①의 왼쪽 경사면 일부와 겹쳐져 있는 형태로 보입니다. 1.36 MeV 감마선에 의한 컴프턴 가장자리로 추정됩니다.
- ⑥ 피크 (에너지 약 0.5 MeV 부근): 이는 외부에서 발생한 쌍소멸 감마선()이 검출되거나, 2.75 MeV 감마선에 의한 컴프턴 산란 후 후방 산란된 감마선이 검출될 때 발생할 수 있습니다. 0.511 MeV는 전형적인 소멸 피크 에너지입니다. 또한, 2.75 MeV 감마선의 후방 산란 피크()는 ⑥보다 훨씬 낮습니다. 따라서 **소멸 피크 (0.511 MeV)**로 추정됩니다.
(2) 계측 계통의 주증폭기의 이득(gain)을 증가시키면 ①과 ②의 형태가 어떻게
변하겠는가 ?
주증폭기(Main Amplifier)의 이득(gain)은 검출기에서 들어오는 전기 신호의 크기를 증폭시키는 역할
- 피크의 위치 변화: 이득을 증가시키면 각 에너지에 해당하는 전기 펄스의 크기가 커집니다. 이는 다채널 분석기(Multi-Channel Analyzer, MCA)에서 더 높은 채널 번호로 피크가 이동하는 결과를 가져옵니다. 즉, 스펙트럼이 전체적으로 오른쪽(고에너지 방향)으로 이동합니다.
- 스펙트럼의 확장: 기존의 채널 범위 내에서 스펙트럼이 오른쪽으로 밀려나면서, 에너지 분해능이 좋아지는 것처럼 보일 수 있지만, 실제로는 더 넓은 채널 범위로 스펙트럼이 확장되어 나타납니다. 즉, 각 피크 사이의 간격이 벌어지고, 스펙트럼이 "늘어나는" 것처럼 보입니다.
- 총 계수율에는 영향 없음: 이득 조절은 단순히 신호의 크기를 변경하는 것이므로, 특정 시간 동안 검출되는 총 감마선의 수(총 계수율)에는 직접적인 영향을 미치지 않습니다.
- 피크의 높이: 동일한 에너지를 측정하더라도 채널당 계수율은 변할 수 있습니다. 스펙트럼이 확장되면서 특정 채널의 계수율은 낮아질 수 있지만, 피크 아래의 면적(총 계수)은 변하지 않습니다.
4. GM계수관과 비례계수관은 기체를 충전한 방사선 검출기이다. 아래의 물음에 간단히 답하시오.
(1) GM계수관의 불감시간이 비례계수관 보다 긴 이유는 ?
GM 계수관은 인가 전압이 매우 높아, 방사선에 의해 1차 전리가 발생하면 기체 증배 현상이 검출기 전체로 파급되어 하나의 큰 전기 펄스를 생성합니다. 이 과정에서 양이온이 음극 쪽으로 이동하면서 전압 강하를 일으켜, 그 짧은 시간 동안은 다른 방사선 입자가 들어와도 검출할 수 없는 상태가 됩니다. 즉, 한 번의 붕괴 이벤트가 검출기 전체를 포화시켜 다음 펄스를 준비하는 데 시간이 오래 걸리기 때문에 불감시간(Dead Time)이 길어짐
(2) 두 계수관의 형태를 주로 원통형으로 제작하는 이유는 ?
- 균일한 전기장 형성: 원통형 구조는 중심에 가는 양극선이 있고 그 주위를 원통형 음극이 감싸는 형태로, 전기장이 중심축을 따라 대칭적으로 형성되어 방사선에 의해 생성된 이온 쌍을 효과적으로 수집할 수 있습니다. 이는 특히 양극선 주변에서 발생하는 기체 증배 과정에서 균일한 증배가 일어나도록 돕습니다.
- 제작 용이성 및 견고성: 원통형은 구조적으로 안정적이고 제작하기 용이하며, 내부 압력을 견디는 데 유리하여 검출기의 견고성을 높일 수 있습니다.
(3) GM계수관으로는 방사선에너지 측정이 불가능한 이유는 ?
입사 방사선의 에너지에 관계없이 한 번의 전리 사건이 일어나면 검출기 전체가 방전되어 항상 동일한 크기의 전기 펄스를 생성하기 때문입니다. 즉, 펄스 크기가 입사 에너지에 비례하지 않고, 단순히 "방사선이 검출되었다"는 유무만 알려줄 뿐
(4) 비례계수관으로 열중성자를 측정하고자 할 때 봉입하는 기체를 한가지 쓰시오.
보론 트리플루오라이드()
생성된 알파 입자는 비교적 큰 에너지를 가지고 기체를 전리시키므로, 비례 계수관에서 이를 전기 펄스로 감지하여 중성자를 측정할 수 있습니다. 특히, 보론-10()은 열중성자를 흡수할 때 약 93.9%의 확률로 직접적으로 안정한 리튬-7()과 알파 입자()를 생성하고, 약 6.1%의 확률로 들뜬 상태의 리튬-7()과 알파 입자를 생성한 후 감마선을 방출하며 안정 상태로 붕괴합니다. 이러한 반응 메커니즘을 통해 중성자를 효율적으로 검출
(5) GM 계수관으로는 α-선이나 저에너지 β-선을 측정할 수 없는 이유는 ?
- 창(Window)의 두께: GM 계수관의 외부 케이스나 입구 부분에는 방사선이 내부의 기체로 들어갈 수 있도록 얇은 창(window)이 있습니다. 그러나 -선이나 저에너지 -선은 투과력이 매우 약하여 일반적으로 사용되는 GM 계수관의 창을 통과하지 못하고 외부에서 흡수되어 버리는 경우가 대부분입니다. 특히 -선은 종이 한 장도 통과하기 어려울 정도로 투과력이 낮습니다.
- 에너지 손실: 비록 매우 얇은 창을 사용하더라도, 저에너지 -선은 창을 통과하면서 에너지를 상당 부분 잃게 되어, 검출기 내부에 도달하더라도 충분한 전리를 일으키지 못해 검출 효율이 떨어질 수 있습니다.
따라서 -선이나 저에너지 -선을 측정하기 위해서는 매우 얇거나 창이 없는(windowless) 특별한 구조의 검출기(예: 가스 유동형 비례 계수관)가 필요
5. 저준위 환경방사능 측정과 관련하여 아래의 물음에 답하시오.
(1) 측정시 고려해야 할 사항을 3가지만 쓰시오.
- 배경 방사선(Background Radiation)의 최소화 및 제어:
- 환경방사능은 계측기가 검출하는 총 방사능에서 시료에서 나오는 방사능이 매우 작은 부분을 차지하므로, 외부에서 유입되는 자연 방사선 및 인공 방사선(우주선, 지각 방사선, 건축 자재의 방사능 등)의 영향을 최소화하는 것이 중요합니다.
- 이를 위해 납 등 고밀도 물질로 차폐된 저배경 계측 시스템을 사용하고, 계측기 주변의 오염원을 제거하며, 계측실 자체의 방사능 수준을 낮게 유지해야 합니다.
- 정기적인 배경 계수(Background Count) 측정을 통해 배경 수준의 변화를 모니터링하고, 시료 측정 시 배경 계수를 정확히 보정해야 합니다.
- 시료의 전처리 및 농축:
- 환경 시료(물, 토양, 공기, 생물 시료 등)에 포함된 방사성 핵종의 농도는 매우 낮기 때문에, 측정 전에 방사성 핵종을 물리적 또는 화학적으로 농축하는 과정이 필수적입니다.
- 농축 방법에는 증발, 침전, 이온 교환, 용매 추출 등이 있으며, 시료의 종류와 측정하고자 하는 핵종의 특성에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다.
- 이 과정에서 불순물에 의한 간섭이나 핵종의 손실이 발생하지 않도록 주의해야 합니다.
- 장시간 계수 측정:
- 저준위 방사능은 계수율이 낮으므로, 통계적 오차를 줄이고 유의미한 결과를 얻기 위해 매우 긴 시간 동안 계수를 수행해야 합니다.
- 계수 시간이 충분히 길어야만 방사성 붕괴의 무작위성으로 인한 계수율 변동을 상쇄하고, 시료의 순수한 방사능을 정확하게 추정할 수 있습니다.
- 계측 시스템의 안정성을 확보하고 외부 노이즈를 최소화하는 것도 장시간 측정의 신뢰성을 높이는 데 중요합니다.
(2) 시료(+자연계수)의 계수율이 100cpm이고 자연계수율이 25cpm이라면 전체 측정시간이 일정하게 제한된 경우 측정치의 오차를 최소화하기 위한 시료와 자연계수의 측정시간 관계를 나타내시오. (tT = 시료계수시간, tB = 자연계수시간)
순 시료의 계수율 = 100 cpm−25 cpm= 75 cpm
측정오차
6. 중성자 방사화 분석법의 특징에 대해서 아래의 물음에 답하시오.
(1) 장점 3가지만 쓰시오.
- 매우 높은 감도 (High Sensitivity): NAA는 극미량의 원소까지 검출할 수 있는 매우 높은 감도를 자랑합니다. 특히 희토류 원소, 금, 백금족 원소 등 특정 원소에 대해서는 다른 어떤 분석법보다 탁월한 감도를 가집니다. 이는 생성된 방사성 핵종의 반감기, 감마선 방출률, 중성자 흡수 단면적 등에 따라 달라집니다.
- 비파괴 분석 (Non-destructive Analysis): 시료를 파괴하거나 형태를 변형시키지 않고 분석할 수 있습니다. 이는 귀중하거나 희귀한 시료, 또는 반복적인 분석이 필요한 시료(예: 고고학 유물, 범죄 현장 증거물)에 매우 유용합니다.
- 매트릭스 효과로부터의 자유로움 (Freedom from Matrix Effects): 시료의 화학적 조성이나 물리적 상태(고체, 액체, 기체 등)에 크게 영향을 받지 않습니다. 분석 대상 원소가 방사성 동위원소로 변환된 후 방출하는 고유한 감마선을 측정하므로, 시료 매트릭스에 의한 간섭이 적습니다. 따라서 표준 물질과 시료의 매트릭스를 완벽하게 일치시킬 필요가 없습니다.
(2) 단점 2가지만 쓰시오.
- 대형 설비 및 고비용 (Large Scale Facility and High Cost): 중성자 방사화를 위해서는 원자로, 가속기 등 강력한 중성자원을 필요로 합니다. 이러한 중성자원은 매우 고가이며, 운영 및 유지보수에 막대한 비용이 소요됩니다. 따라서 NAA 분석은 전문적인 연구기관이나 대형 시설에서만 수행될 수 있습니다.
- 긴 분석 시간 및 잔류 방사능 (Long Analysis Time and Residual Radioactivity): 시료를 중성자에 조사한 후 방사성 핵종의 반감기에 따라 수십 분에서 수개월까지 기다려야 할 수 있으며, 계수 시간도 길게 필요할 수 있습니다. 또한, 분석 후 시료 자체에 방사능이 남아있게 되므로, 적절한 처리 및 폐기 절차가 필요하며 시료의 즉각적인 재사용이 어렵습니다. 모든 원소를 동시에 분석할 수 있는 것이 아니라 핵종별로 최적의 조사 및 계수 시간이 다를 수 있어 여러 번의 측정이 필요할 수도 있습니다.
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