공개문제 방사선관리기술사 73회 2004년도 4교시

1. 자유공기 이온함을 이용한 계수율계(count rate meter : CRM)로써 어느 감마선장(gamma-ray field) 내에서 측정한 평균전류는 0.1pA이었다. 이 CRM의 입력단 시상수(time constant)는 4.5sec이며, 이온함을 통과하는 이차전자의 평균에너지 손실은 500eV이다. 이 CRM의 반응시간(response time)은 입력단 시상수의 2배로 간주한다. 이 CRM으로써 측정한 감마선장의 전류값을 1회 측정으로써 구한 경우 전류값의 표준 상대오차(%)를 구하시오.

 

평균전류 = 0.1pA

CRM 입력단 시상수 = 4.5sec

이차전자의 평균에너지 손실 = 500eV

 CRM의 반응시간 = 입력단 시상수의 2배 ( 4.5sec X 2 = 9 sec)

전하량 = 전류 X 시간 = 0.1pA X 9 sec = 9 X 10^-13 C

1e = 1.602 x 10^-19C

9 X 10^-13 C / 1.602 x 10^-19C = 5.617×10^6개 = 전자수

전자 개수의 표준편차 = 루트( 5.617×10^6개) = 2370

방사선 측정에서 생성되는 전자의 개수(N)는 통계적 변동성(랜덤성)을 가집니다.

일반적으로 포아송 분포를 따른다고 가정하며, 이 경우 N의 표준편차 루트(N)

전류(I)는 이 N에 비례하므로, I도 통계적 변동성

I의 표준편차는 N의 표준편차에 비례

[전자 개수의 표준편차 2370] x [ 1.602 x 10^-19C/개 ] / 9초 = 4.2186×10^−17A = 전류의 표준편차

전류값의 표준 상대오차 = 4.2186×10^−17 A  / 0.1pA = 0.00042186 x 100% = 0.042186%

 

2. 방사선 작업관리에 사용하는 휴대용 방사선 측정기(survey meter)에 대한 다음의 물음에 답하시오.

 

1) 사용할 휴대용 방사선 측정기를 선정할 때 고려해야 할 사항 5가지를 쓰시오.

 

 

• 측정 대상 방사선의 종류 및 에너지 범위: 측정하고자 하는 방사선(알파, 베타, 감마, 중성자 등)의 종류와 예상 에너지 범위에 적합한 검출기(GM tube, 섬광 검출기, 반도체 검출기 등)가 장착된 모델을 선택해야 합니다. 예를 들어, 알파선이나 저에너지 베타선 측정을 위해서는 얇은 창(window)을 가진 GM 검출기나 별도의 프로브가 필요할 수 있습니다.
• 측정 범위(Measurement Range) 및 감도(Sensitivity): 예상되는 방사선량률 또는 오염 수준을 측정할 수 있는 충분한 측정 범위와 필요한 감도를 가지고 있는지 확인해야 합니다. 너무 낮은 범위의 측정기는 고선량 환경에서 포화될 수 있고, 너무 낮은 감도의 측정기는 미미한 오염을 감지하지 못할 수 있습니다.
• 환경 요인에 대한 내구성 및 신뢰성: 방사선 작업 환경은 습기, 온도 변화, 충격 등 다양한 외부 요인에 노출될 수 있습니다. 이러한 환경에서도 안정적으로 작동하고 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하는 견고한 구조와 방수/방진 기능을 갖춘 모델을 고려해야 합니다.
• 휴대성 및 사용 편의성: 현장에서 쉽게 휴대하고 조작할 수 있는 크기, 무게, 직관적인 인터페이스를 가진 모델을 선택하는 것이 중요합니다. 백라이트 기능, 데이터 저장 및 전송 기능 등 부가적인 사용자 편의 기능도 고려할 수 있습니다.
• 교정 및 유지보수의 용이성: 정기적인 교정이 필수적이므로, 교정 절차가 간편하고 국내외 관련 표준에 따라 교정 서비스를 받을 수 있는지 확인해야 합니다. 또한, 배터리 교체, 소모품 교체 등 유지보수가 용이한지도 고려 사항입니다.

 

 

 

2) 휴대용 방사선 측정기를 사용하기 전 점검해야 할 사항 3가지를 쓰시오.

 

 

• 배터리 잔량 확인: 측정기 작동에 필요한 충분한 배터리 잔량이 있는지 확인합니다. 배터리 부족은 측정 오류를 유발하거나 측정 중 작동이 중단될 수 있습니다.
• 외관 손상 여부 확인: 측정기 본체, 케이블, 검출기 창(window) 등 외관에 균열, 파손, 오염 등 손상된 부분이 없는지 육안으로 확인합니다. 특히 검출기 창은 매우 얇고 민감하므로 주의 깊게 살펴봐야 합니다.
• 자체 점검(Self-Test) 및 배경 방사선 확인: 대부분의 휴대용 측정기는 전원을 켰을 때 자체 점검 기능을 수행합니다. 이 기능이 정상적으로 작동하는지 확인하고, 방사선원이 없는 안전한 장소에서 배경 방사선 수준을 측정하여 측정기가 정상적으로 작동하는지 확인합니다. 이는 측정기가 0점을 잘 잡고 민감하게 반응하는지를 확인하는 중요한 절차입니다

 

 

 

3) 장착된 GM검출기에 창(window)이 있는 모델인 경우 창의 용도는 무엇인가 ?

 

창의 주된 용도는 저에너지 방사선(알파선 및 저에너지 베타선)의 검출을 가능하게 하기 위함

일반적인 GM 검출기는 금속 또는 유리관으로 되어 있어 벽의 두께로 인해 저에너지 방사선이 검출기 내부로 도달하기 어렵습니다. 하지만 창이 있는 GM 검출기는 주로 운모(mica)나 얇은 플라스틱 재질로 만들어진 매우 얇은 창을 가지고 있어, 투과력이 약한 알파선이나 저에너지 베타선도 이 창을 통과하여 검출기 내부의 가스와 상호작용할 수 있도록 합니다

 

 

3. 감마 핵종분석을 위한 다중파고 분석기(MCA) 에 대한 다음 물음에 답하시오.

 

1) MCA시스템의 구성 개요를 도시(圖示) 하시오.

 

방사선 검출기 (Scintillation      Detector) - NaI(Tl) - HPGe	------->	전치 증폭기 (Pre-Amplifier)	------>	주 증폭기 (Main-Amplifier)	------>	아날로그-디지털 변환기 (ADC)	------>	컴퓨터 (PC/Workstation) MCA 소프트웨어
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고전압 전원 (HV Power Supply)

 

• 방사선 검출기 (Radiation Detector): 감마선을 검출하여 전기적 신호(전하 펄스)로 변환하는 장치입니다. 주로 NaI(Tl) 섬광 검출기나 HPGe(고순도 게르마늄) 반도체 검출기가 사용됩니다. HPGe 검출기는 에너지 분해능이 뛰어나 정밀 핵종분석에 유리합니다.
• 고전압 전원 (HV Power Supply): 검출기(특히 반도체 검출기)가 작동하는 데 필요한 고전압을 공급합니다.
• 전치 증폭기 (Pre-Amplifier): 검출기에서 발생한 미약한 전하 펄스를 증폭하여 노이즈에 강한 전압 펄스로 변환합니다. 주 증폭기로 신호를 안정적으로 전달하는 역할을 합니다. 일반적으로 검출기에 가깝게 위치합니다.
• 주 증폭기 (Main-Amplifier): 전치 증폭기에서 넘어온 전압 펄스를 추가로 증폭하고, 파형을 형성하여 ADC가 처리하기 적합한 형태로 만듭니다. 증폭률(gain) 조절을 통해 신호의 크기를 조절할 수 있습니다.
• 아날로그-디지털 변환기 (Analog-to-Digital Converter, ADC): 주 증폭기에서 전달된 아날로그 전압 펄스(각 감마선 에너지에 비례하는 크기)를 디지털 값으로 변환합니다. 각 펄스의 높이(에너지)에 해당하는 채널(channel)에 계수 값을 할당합니다.
• 컴퓨터 (PC/Workstation) 및 MCA 소프트웨어: ADC에서 전송된 디지털 데이터를 수집, 저장, 표시, 분석하는 역할을 합니다. MCA 소프트웨어는 감마선 스펙트럼을 화면에 표시하고, 피크 탐색, 핵종 식별, 활성도 계산 등 다양한 분석 기능을 제공합니다.

 

 

 

2) 측정된 스펙트럼에서 피크탐색 방법중 라이브러리 참조탐색(library guided search)이란 무엇인지 간단히 설명하시오.

 

감마선 스펙트럼에서 핵종을 식별하기 위한 피크 탐색 방법 중 하나

이 방법은 스펙트럼 자체에서 피크를 독립적으로 찾는 것(예: 미분법, 퓨리에 변환법 등)이 아니라, 미리 구축된 핵종 라이브러리 정보를 활용하여 특정 핵종의 예상 피크 위치를 중심으로 탐색을 수행하는 방식

1. 핵종 라이브러리: 각 핵종이 방출하는 특유의 감마선 에너지(피크 위치)와 상대 강도(intensity) 정보가 데이터베이스 형태로 구축되어 있습니다.
2. 사용자 입력 또는 사전 정보: 분석하고자 하는 시료에 포함될 것으로 예상되는 핵종에 대한 사전 정보가 있거나, 사용자가 몇 가지 예상 핵종을 지정할 수 있습니다.
3. 예상 피크 위치 예측: MCA 소프트웨어는 핵종 라이브러리 정보와 시스템의 에너지 교정 데이터를 이용하여, 지정된 핵종의 감마선 에너지가 스펙트럼의 어느 채널에 나타날 것인지 예측합니다.
4. 예측 위치 주변 탐색: 소프트웨어는 예측된 채널(에너지)을 중심으로 일정 범위 내에서 실제 피크가 존재하는지 여부를 집중적으로 탐색합니다. 이를 통해 노이즈나 낮은 강도의 피크를 오인할 가능성을 줄이고, 특정 핵종의 존재 여부를 효율적으로 확인할 수 있습니다.

이 방법은 알려진 핵종을 확인하거나, 특정 핵종의 오염 여부를 신속하게 판단할 때 유용하며, 미지의 피크를 무분별하게 찾는 것보다 빠르고 정확하게 핵종을 식별할 수 있는 장점이 있습니다.

 

3) MCA시스템의 에너지 교정 방법에 대해 설명하시오.

 

스펙트럼의 각 채널(channel)이 특정 감마선 에너지(keV)에 정확하게 대응하도록 설정하는 과정

채널 번호와 에너지 값 사이의 선형 관계를 확립하는 것

스펙트럼에서 관측된 피크의 채널 번호를 통해 해당 피크를 생성한 감마선의 에너지를 정확히 파악하여 핵종을 식별하는 데 필수적

 

• 표준 방사선원 선택: 에너지가 정확하게 알려진 하나 이상의 표준 감마선 방출 핵종
• (예: 137-Cs (661.7 keV), 60-Co (1173.2 keV, 1332.5 keV), 241-Am (59.5 keV), 133-Ba (356.0 keV) 등)을 선택합니다. 선택하는 표준선원은 측정하고자 하는 에너지 범위 전반에 걸쳐 분포하는 것이 좋습니다. 일반적으로 2개 이상의 표준 방사선원을 사용합니다.
• 스펙트럼 측정: 선택된 표준 방사선원을 검출기 앞에 놓고 MCA 시스템을 이용하여 감마선 스펙트럼을 측정합니다. 각 표준선원에서 방출되는 감마선 에너지에 해당하는 피크가 스펙트럼에 나타날 것입니다.
• 피크 중심 채널 결정: 측정된 스펙트럼에서 각 표준 감마선 에너지에 해당하는 피크의 중심 채널 번호를 정확히 결정합니다. 이는 MCA 소프트웨어의 피크 분석 기능을 사용하여 수행할 수 있습니다.
• 에너지-채널 관계식 도출: 각 표준 핵종의 알려진 감마선 에너지 값(E)과 해당 피크의 중심 채널 번호(C)를 이용하여 관계식(calibration equation)을 도출합니다. 대부분의 경우 이 관계는 선형적이며, 다음과 같은 형태로 표현될 수 있습니다. E=mC+b 여기서 E는 에너지(keV), C는 채널 번호, m은 기울기(keV/채널), b는 절편(keV)입니다. 2개 이상의 표준선원을 사용하면 최소제곱법 등을 이용하여 m과 b를 구할 수 있습니다. 더 넓은 에너지 범위에서는 2차 함수 등 비선형 관계식(E=aC2+bC+c)을 사용할 수도 있습니다.
• 교정 적용 및 확인: 도출된 에너지-채널 관계식을 MCA 시스템에 적용합니다. 이후 다른 표준 방사선원이나 미지 시료를 측정하여 피크의 에너지가 정확하게 계산되는지 확인합니다. 교정의 정확도를 나타내는 지표(예: 교정 곡선의 R2 값)를 확인하는 것도 중요합니다.

 

 

4. 저준위 방사능 계측에 관한 다음의 물음에 답하시오.

 

1) 방사능 계측에서 최소검출 한계(LLD)가 존재하는 원인은 무엇인가 ?

 

방사능 계측에서 최소검출 한계(Lower Limit of Detection, LLD)가 존재하는 주된 원인은 배경 방사선(Background Radiation)의 존재와 이로 인한 계측 시스템의 통계적 변동성 때문

 

• 배경 방사선 (Background Radiation):
  • 자연적으로 존재하는 방사선(우주선, 지각 방사선, 인체 내 방사성 핵종 등)과 계측기 주변 환경에 존재하는 미량의 인공 방사선으로부터 기인합니다.
  • 방사능 시료가 존재하지 않아도 계측기는 이 배경 방사선으로 인해 항상 일정 수준의 계수(counts)를 기록합니다. 이 계수들을 배경 계수(background counts)라고 합니다.
  • 배경 계수는 무작위적인 통계적 분포를 따르며, 이는 계측 시스템 자체의 노이즈와 함께 '신호'와 '노이즈'를 구분하기 어렵게 만듭니다.
• 통계적 변동성 (Statistical Fluctuations):
  • 방사성 붕괴는 본질적으로 무작위적인(stochastic) 과정이므로, 단위 시간당 발생하는 붕괴 수(계수율)는 항상 어느 정도의 통계적 변동성을 가집니다. 이는 푸아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 경향이 있습니다.
  • 즉, 동일한 시료를 동일한 시간 동안 여러 번 측정하더라도 매번 정확히 동일한 계수 값을 얻기 어렵습니다.
  • 이러한 통계적 변동성은 시료에서 오는 순수한 신호(net counts)와 배경 계수 모두에서 발생합니다.

LLD는 "측정된 신호가 배경 방사선의 통계적 변동성으로부터 유의미하게 구별될 수 있는 최소한의 방사능 값"을 의미합니다. 만약 시료에서 방출되는 방사능이 배경 방사선의 변동폭보다 작다면, 해당 신호가 실제로 시료에서 온 것인지 아니면 단순히 배경 방사선의 무작위적인 변동에 불과한 것인지 판단하기 어렵습니다. 따라서 LLD는 통계적으로 유의미한 검출을 보장하기 위한 최소 기준

 

 

2) 특정계측의 최소 검출 방사능(MDA)값을 결정하는 인자가 무엇인지를 설명하고 MDA를 낮추기 위한 방법을 쓰시오.

 

MDA 값을 결정하는 주요 인자

 

• 배경 계수율 (Background Count Rate, Rb​): 단위 시간당 측정되는 배경 방사선의 계수율입니다. 배경 계수율이 높을수록 시료 신호를 구분하기 어려워 MDA가 높아집니다.
• 측정 시간 (Measurement Time, T): 시료 측정 시간(Ts​)과 배경 측정 시간(Tb​)입니다. 측정 시간이 길수록 통계적 변동성이 감소하여 신호와 배경을 더 잘 구분할 수 있으므로 MDA가 낮아집니다.
• 계측 효율 (Detector Efficiency, ϵ): 검출기가 방사성 붕괴 이벤트 중 실제로 검출하여 계수하는 비율입니다. 효율이 높을수록 동일한 방사능에 대해 더 많은 계수를 얻으므로 MDA가 낮아집니다.
• 시료의 크기/질량 (Sample Size/Mass): 액체 시료의 부피(L) 또는 고체 시료의 질량(g) 등입니다. 시료의 양이 많을수록 동일한 농도에서도 더 많은 방사능을 포함하므로 MDA가 낮아집니다. (이 경우 농도 단위로 MDA를 표현할 때 영향을 미칩니다.)
• 통계적 신뢰 수준 (Statistical Confidence Level): 일반적으로 95% 신뢰 수준이 사용됩니다. 이는 위음성(False Negative, β) 및 위양성(False Positive, α) 오류의 허용 수준과 관련이 있습니다. 이러한 통계적 인자(Zα​, Zβ​)가 MDA 계산식에 반영됩니다.

 

MDA를 낮춘다는 것은 더 적은 양의 방사능도 유의미하게 검출할 수 있도록 계측 민감도를 높이는 것을 의미

 

• 배경 계수율 감소:
  • 차폐 (Shielding) 강화: 납, 철, 물 등 적절한 차폐 물질을 사용하여 외부 배경 방사선이 검출기로 들어오는 것을 최소화합니다.
  • 저배경 계측기 사용: 검출기 및 주변 구성 재료 자체의 방사능 함량이 매우 낮은 '저배경' 검출기를 사용합니다.
  • 우주선 차폐 (Anti-coincidence shielding): 섬광 검출기 등을 이용하여 우주선으로부터 오는 뮤온 등을 제거하는 기법을 사용합니다.
• 측정 시간 증가:
  • 시료 및 배경 측정 시간 연장: 시료와 배경을 측정하는 시간을 최대한 늘려 계수 값의 통계적 불확실성을 줄입니다. 이는 가장 직접적이고 효과적인 방법 중 하나이지만, 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다.
• 계측 효율 증대:
  • 고효율 검출기 사용: 시료의 방사선을 더 효율적으로 검출할 수 있는 검출기(예: 크기가 큰 검출기, 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기 등)를 사용합니다.
  • 시료-검출기 기하학적 배치 최적화: 시료와 검출기 간의 거리를 최소화하고, 시료의 형태를 검출기에 맞춰 효율적으로 방사선이 입사되도록 합니다 (예: Marinelli Beaker 사용).
  • 시료 전처리 (Sample Pre-treatment): 시료를 농축하거나 불순물을 제거하여 방사성 핵종의 농도를 높이고, 자기 흡수(self-absorption) 효과를 줄여 실제 검출되는 방사선량을 늘립니다.
• 시료량 증가 (농도 단위 MDA의 경우):
  • 더 많은 시료 채취 및 측정: 가능한 한 많은 양의 시료를 채취하여 측정함으로써, 동일한 농도에서도 절대 방사능량을 늘려 계수를 증가시킵니다.

 

3) 어떤 환경시료를 측정한 결과 0.12Bq/L의 방사능 농도를 얻었다. 이 계측의 MDA가 0.15Bq/L이라면 위 측정결과를 어떻게 해석할 것인가 ?

 

측정된 0.12 Bq/L의 방사능 농도는 통계적으로 유의미하게 검출되었다고 볼 수 없습니다

• MDA의 의미: MDA는 해당 계측 시스템과 조건하에서 "통계적으로 유의미하게 검출되었다고 확신할 수 있는 최소한의 방사능 농도"를 의미합니다. 즉, 측정 결과가 이 값보다 높아야만 "방사능이 존재한다"고 결론 내릴 수 있습니다.
• 측정 결과의 불확실성: 0.12 Bq/L이라는 값은 얻었지만, 이 값이 MDA(0.15 Bq/L)보다 낮기 때문에, 이 0.12 Bq/L이 실제 시료에 존재하는 방사능에서 기인한 것인지 아니면 배경 방사선의 통계적 변동성이나 계측 오차에 의한 것인지 명확하게 구분할 수 없습니다.
• 결론: 따라서 이 측정 결과는 측정 대상 핵종이 MDA 미만으로 존재하며, 통계적으로 검출되지 않았다(Not Detected) 또는 계측 한계 미만 (Less Than MDA)으로 해석해야 합니다. 0.12 Bq/L이라는 수치가 나타났더라도, 이는 유의미한 검출로 간주되지 않습니다.

이러한 경우, 보고서에는 0.12 Bq/L (MDA 0.15 Bq/L)과 같이 측정값과 함께 MDA를 명시하여, 측정 결과가 계측 한계 미만임을 명확히 밝히는 것이 일반적입니다.

 

5. 다음 물음에 답하시오.

 

1) 3“×3” NaI(Tℓ) 섬광검출기와 파고분석기를 이용하여 1.8MeV 감마선을 방출하는 시료를 측정할 경우 얻게 될 스펙트럼의 개요를 스케치하고 중요한 특성에 관한 설명을 포함시키시오.

 

 

1. 1.8 MeV 광전 피크 (전 에너지 피크)

가장 높은 에너지에 위치한 주된 피크입니다. 1.8 MeV 감마선이 검출기 내에서 모든 에너지를 전달했을 때 나타납니다. 핵종 식별의 핵심

2. 1.576MeV 콤프턴 단애 (Compton Edge)

검출기가 콤프턴 산란으로 인해 전자에 전달되는 최대 에너지를 흡수했을 때 형성되는 스펙트럼의 한계점입니다. 이 최대 에너지는 입사 감마선이 전자와 180도(후방)로 산란될 때 발생합니다. 즉, 감마선이 뒤로 완전히 꺾이면서 전자에 가장 많은 에너지를 전달하는 경우

1.8MeV - {1.8MeV / [1+ (2 x 1.8MeV) / 0.511MeV]} = 1.576MeV

3. 0.788MeV 이중 이탈 피크 (Double Escape Peak)

1.8 MeV 감마선이 쌍생성을 일으킨 후, 생성된 두 개의 0.511 MeV 소멸 감마선이 모두 검출기를 벗어날 때 나타남

검출기는 본래 에너지에서 두 개의 소멸 감마선 에너지 합인 1.022 MeV가 빠진 에너지를 흡수한 것으로 기록

1.8 MeV−1.022 MeV=0.788 MeV

4. 1.289MeV 단일 이탈 피크 (Single Escape Peak)

1.8 MeV 감마선이 검출기 내에서 쌍생성(Pair Production)을 일으킨 후, 생성된 두 개의 0.511 MeV 소멸 감마선 중 하나만 검출기를 벗어나고 나머지 하나(0.511 MeV)는 검출기 내에 흡수될 때 나타남

검출기는 본래 에너지에서 0.511 MeV가 빠진 에너지를 흡수한 것으로 기록

1.8 MeV−0.511 MeV=1.289 MeV

5. 소멸 방사선 피크 (Annihilation Radiation Peak)

검출기 외부(주변 물질)에서 발생한 양전자가 전자와 소멸하여 방출되는 0.511 MeV 감마선이 검출기로 입사될 때 나타남

1.8 MeV 감마선 자체는 양전자를 방출하지 않지만, 고에너지 감마선이 차폐재 등에 부딪혀 쌍생성을 일으키고 거기서 나온 소멸 감마선이 검출될 수도 있음

0.511 MeV

6. 후방 산란 피크 (Backscatter Peak)

0.2237 MeV  정도의 낮은 에너지 영역에 나타나는 작은 피크입니다. 검출기 주변의 차폐 물질이나 환경에서 감마선이 콤프턴 후방 산란을 일으킨 후 검출기로 재입사하여 검출될 때 형성

(스케치 상의 가장 낮은 에너지 부분에 작은 언덕으로 나타날 수 있습니다.)

{1.8MeV / [1+ (2 x 1.8MeV) / 0.511MeV]} = 0.2237 MeV

7. 배경 (Background)

스펙트럼 전체에 걸쳐 나타나는 기저선

스펙트럼에서 콤프턴 단애를 지나 전 에너지 피크가 나타나기 전, 그리고 피크가 없는 다른 모든 영역에서 카운트(계수)가 0이 아닌 상태로 유지되는 부분

 

참조:

콤프턴 단애(ECompton Edge​):

입사 감마선이 180도로 후방 산란되어 전자에 최대 에너지를 전달했을 때, 검출기가 흡수한 에너지

E(콤프턴단애) = E(감마선) - E(산란된감마선)

후방 산란 피크(E​):

입사 감마선이 외부 물질에서 180도로 후방 산란되어 검출기로 재입사했을 때, 검출기가 흡수한 에너지

E(후방산란피크) = E(산란된감마선)

 

2) 검출기의 크기가 1“×1”로 작아질 경우 위 1) 문항의 스펙트럼과 차이가 나는 특성에 대해 설명하시오.

 

 

• 광전 피크의 상대적 감소 (Full Energy Peak Fraction 감소):
  • 원인: 검출기의 부피가 작아지면 입사 감마선(1.8 MeV)이 검출기 내에서 광전 효과(Photoelectric Effect)를 일으켜 자신의 모든 에너지를 검출기에 전달할 확률이 현저히 줄어듭니다. 상대적으로 감마선이 검출기를 완전히 통과하거나, 콤프턴 산란 후 검출기를 벗어날 확률이 높아집니다.
  • 결과: 스펙트럼에서 1.8 MeV 광전 피크의 상대적인 높이가 낮아집니다. 즉, 전체 계수 중 광전 피크에 해당하는 계수의 비율(Peak Fraction)이 감소합니다. 이는 분석하고자 하는 핵종의 순수한 신호가 약해지는 것을 의미합니다.
• 콤프턴 연속 스펙트럼의 상대적 증가 및 피크 대 콤프턴 비율 악화:
  • 원인: 위에서 설명했듯이, 감마선이 검출기를 빠져나가기 전에 부분적으로 에너지를 전달하는 콤프턴 산란(Compton Scattering)의 비중이 상대적으로 커집니다. 감마선이 검출기 내에서 콤프턴 산란을 한 번만 하고 에너지를 잃은 채 검출기를 빠져나갈 가능성이 높아지기 때문입니다.
  • 결과: 스펙트럼의 전반적인 모양이 광전 피크보다는 콤프턴 연속 스펙트럼이 지배적인 형태로 변하며, 피크 대 콤프턴 비율(Peak-to-Compton Ratio)이 낮아집니다. 이 비율이 낮다는 것은 피크가 배경(콤프턴 연속 스펙트럼)에 묻히기 쉬워져 스펙트럼의 해독 및 피크 분석이 더 어려워짐을 의미합니다.
• 이탈 피크(단일/이중 이탈 피크)의 상대적 증가:
  • 원인: 1.8 MeV와 같은 고에너지 감마선은 검출기 내에서 쌍생성(Pair Production)을 일으킬 수 있습니다. 이때 생성된 0.511 MeV 소멸 감마선들이 검출기를 빠져나갈 확률은 검출기가 작아질수록 높아집니다.
  • 결과: 검출기 내에서 발생한 0.511 MeV 감마선이 검출기를 탈출할 확률이 높아지므로, 본래 1.8 MeV 광전 피크에서 기대되는 에너지가 아닌, 1.8 MeV−0.511 MeV 또는 1.8 MeV−1.022 MeV 지점에 해당하는 이탈 피크들의 상대적인 비중이 커질 수 있습니다. 즉, 탈출 확률이 높아져 이탈 피크가 더 뚜렷하게 관측될 가능성이 있습니다.
• 전체 검출 효율의 감소:
  • 원인: 검출기의 물리적 크기가 작아지면 시료에서 방출되는 감마선이 검출기 내에서 어떤 형태로든 상호작용할 수 있는 전체 확률(Total Efficiency)도 감소합니다. 단순히 검출기에 들어오는 감마선 수가 줄어들고, 들어왔더라도 상호작용할 수 있는 부피가 줄어들기 때문입니다.
  • 결과: 동일한 시료를 동일한 시간 동안 측정하더라도 전체 계수율이 낮아집니다. 이는 전반적인 측정 통계의 저하로 이어져, 특히 저준위 방사능 측정에서 검출 한계(MDA)가 높아지는 원인이 됩니다.
• 에너지 분해능의 미미한 변화 또는 악화 (Resolution):
  • NaI(Tl) 검출기의 에너지 분해능 자체는 주로 결정의 품질, 광전자 증배관(PMT)의 특성, 광전자 수집 효율 등에 의해 결정됩니다. 검출기 크기 변화가 분해능에 직접적으로 큰 영향을 주지는 않지만, 작은 검출기는 상대적으로 PMT의 영향을 더 많이 받거나 빛 수집 효율이 달라져 미미하게 분해능이 악화될 가능성도 있습니다. 또한, 콤프턴 연속 스펙트럼의 상대적 증가로 인해 피크가 배경에 더욱 "묻혀서" 실제 분해능이 더 나빠진 것처럼 보일 수 있습니다.

1"x1" NaI(Tl) 검출기는 3"x3" 검출기에 비해 1.8 MeV와 같은 고에너지 감마선을 측정할 때 광전 피크의 민감도가 떨어지고 콤프턴 및 이탈 피크의 상대적 비중이 커져 스펙트럼의 질이 저하되며, 핵종 식별 및 정량 분석의 정확도와 검출 한계 측면에서 불리해집니다

 

 

6. 방사성 물질 사용실의 표면오염을 간접법으로 측정하려 한다. 측정에는 GM계수기를 사용한다.

 

1) 간접법에 의한 표면오염 측정법에 대해 설명하시오.

 

주로 GM 계수기와 같은 방사선 측정기를 이용하여 직접 측정하기 어려운 표면(예: 복잡한 형상, 오염이 넓게 퍼진 표면, 또는 방사선 배경이 높은 곳)의 오염을 평가할 때 사용

오염된 표면을 직접 측정하는 것이 아니라, 표면의 오염 물질을 다른 매개체를 통해 채취하여 측정하는 방식

 

• 시료 채취 (Sampling):
  • 스미어법(Smear Method) 또는 스왑법(Swipe Method): 가장 일반적인 간접법입니다.
    • 일정 면적(예: 100 cm²)의 표면을 건조한 필터 페이퍼(스미어 페이퍼)나 솜(스왑) 등으로 일정한 압력을 가하며 닦아냅니다.
    • 닦아내는 방법은 'S'자 또는 'Z'자 형태로, 한 방향으로만 겹치지 않게 닦아내는 것이 일반적입니다.
    • 오염이 의심되는 지점뿐만 아니라, 오염되지 않았다고 예상되는 주변 영역도 닦아내어 배경 수준을 파악하는 데 활용할 수 있습니다.
  • 기타 채취 방법: 진공청소기를 이용한 먼지 채취, 용액으로 헹궈내는 린스법 등이 있으나, 표면오염 평가 시에는 스미어법이 가장 흔히 사용됩니다.
• 시료 측정 준비:
  • 채취된 스미어 페이퍼는 접어서 오염 물질이 안쪽으로 오도록 한 후, 측정 접시(planchette) 위에 놓거나 적절한 시료 용기에 담습니다.
  • 필요에 따라 시료의 습기를 제거하거나 건조 과정을 거치기도 합니다.
• 방사능 측정 (Counting):
  • 준비된 스미어 페이퍼 시료를 GM 계수기(알파/베타 측정용)에 넣고 일정 시간 동안 방사능을 측정합니다.
  • 측정 전, 동일한 조건에서 배경 방사능(Blank smear)을 충분히 측정하여 순수한 시료의 계수율(Net counts)을 얻을 수 있도록 합니다.
  • 측정값 기록: 총 계수(Gross counts), 측정 시간, 배경 계수(Background counts) 등을 기록합니다.
• 표면오염 밀도 평가 (Evaluation):
  • 측정된 순 계수율(Net counts/min)을 검출기의 효율, 시료 채취 면적, 기타 보정 계수 등을 이용하여 **단위 면적당 방사능 밀도(예: Bq/cm² 또는 dpm/100 cm²)**로 환산합니다.
  • 계산식 예시: 표면오염 밀도= (시료 총 계수율−배경 계수율) / 계측 효율×스미어 채취 효율×채취 면적​
  • 평가된 오염 밀도를 규제 기준(예: 원자력안전법의 표면오염 기준)과 비교하여 오염 여부 및 정도를 판단합니다.

 

 

2) 평가된 표면오염 밀도의 신뢰도에 영향을 미치는 인자는 무엇인가 ?

 

 

• 스미어 채취 효율 (Smear Efficiency / Pickup Efficiency):
  • 스미어법은 표면의 모든 오염 물질을 채취하지 못하며, 채취되는 비율은 표면의 재질, 오염 물질의 형태(고착/비고착), 스미어 압력, 스미어 매체의 종류 등에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로 10% 미만의 낮은 효율을 보이며, 심지어 1% 미만인 경우도 있습니다.
  • 이 효율을 정확히 알기 어렵기 때문에 평가 결과의 가장 큰 불확실성 요인이 됩니다.
• 계측 효율 (Detector Efficiency):
  • GM 계수기가 채취된 방사능 중 실제로 검출하여 계수하는 비율입니다. 이는 방사선 종류(알파/베타), 에너지, 시료와 검출기 간의 거리(기하학적 효율), 시료 자체 흡수, 검출기 창 흡수 등에 따라 달라집니다.
  • 정확한 계측 효율을 모르면 측정값의 오차가 커집니다.
• 측정 시간 및 배경 방사능 (Counting Time & Background Radiation):
  • 오염도가 낮을수록 측정 시간을 충분히 길게 하여 통계적 불확실성을 줄여야 합니다. 짧은 측정 시간이나 높은 배경 방사능은 신호 대 잡음비(SNR)를 낮추어 측정값의 신뢰도를 저하시키고 최소검출 한계(MDA)를 높입니다.
• 시료 자체 흡수 (Self-Absorption):
  • 채취된 오염 물질의 양이 많거나 오염 물질의 두께가 두꺼울 경우, 오염 물질 내부에서 방사선(특히 알파선이나 저에너지 베타선)이 흡수되어 검출기까지 도달하지 못하는 현상입니다. 이로 인해 실제 방사능보다 낮게 측정될 수 있습니다.
• 표면의 상태 (Surface Condition):
  • 표면의 거칠기, 다공성 여부, 습기, 기름기 등은 스미어 채취 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 거친 표면이나 다공성 표면은 오염 물질이 깊이 침투하여 스미어 효율이 매우 낮아질 수 있습니다.
• 사용된 GM 계수기의 특성:
  • GM 계수기의 종류(엔드윈도우, 팬케이크형 등), 창 두께, 작동 전압 안정성, 불감 시간(Dead Time) 등이 측정값의 정확도와 신뢰도에 영향을 미칩니다

 

 

 

3) 이 방법으로 삼중수소 오염의 측정에 적용할 수 없는 이유를 설명하시오.

 

매우 어렵거나 사실상 불가능

이유는 삼중수소의 방사선 특성 때문

 

• 매우 낮은 베타선 에너지:
  • 삼중수소는 순수 베타(Pure Beta) 붕괴를 하며, 이때 방출되는 베타선의 최대 에너지는 약 18.6 keV로 매우 낮습니다. (평균 에너지는 약 5.7 keV에 불과합니다.)
  • 이처럼 낮은 에너지는 베타선이 매질을 투과하는 능력이 극히 약하다는 것을 의미합니다.
• GM 계수기 창의 투과 불가:
  • 일반적인 GM 계수기는 방사선을 검출하기 위해 얇은 창(window)을 가지고 있습니다(엔드윈도우 GM 튜브). 이 창은 보통 마일라(Mylar)나 운모(Mica) 등의 재질로 되어 있습니다.
  • 삼중수소에서 나오는 극히 낮은 에너지의 베타선은 이러한 GM 계수기의 창을 투과하지 못합니다. 심지어 공기층 몇 밀리미터도 투과하기 어렵습니다. 따라서 GM 계수기 내부의 감지원까지 도달하지 못하므로 검출이 불가능합니다.
• 시료 자체 흡수 및 스미어 페이퍼 흡수:
  • 설령 창이 없는 GM 계수기(Windowless GM)를 사용하더라도, 스미어 페이퍼 자체의 두께나 채취된 오염 물질 층에서 삼중수소 베타선이 대부분 흡수(Self-absorption)됩니다. 특히 삼중수소는 물 형태(H2​O)로 오염되어 있는 경우가 많아 증발 또는 흡수로 인한 손실도 고려해야 합니다.

GM 계수기는 삼중수소의 매우 낮은 에너지 베타선을 검출할 수 없기 때문에, 삼중수소 오염 측정에는 간접법이든 직접법이든 효과적으로 적용할 수 없습니다

 

 

삼중수소 측정 방법: 삼중수소와 같이 저에너지 베타선을 방출하는 핵종의 오염은 일반적으로 다음과 같은 방법을 사용합니다.

• 액체 섬광 계수기 (Liquid Scintillation Counter, LSC): 오염된 표면을 스미어 등으로 채취한 후, 이를 액체 섬광 용액에 녹여 시료 자체가 검출기 역할을 하는 섬광 용액과 직접적으로 접촉하도록 하여 측정합니다. 베타선이 용액 내에서 직접 빛을 발생시키므로 효율적인 측정이 가능합니다.
• 비례 계수기 (Proportional Counter) - Windowless Type: 창이 없는 비례 계수기를 사용하여 시료를 직접 계수기 내부에 넣고 측정하는 방법도 사용될 수 있습니다.