방사선 검출기(2)

9 차시

방사선 검출기(2)

2

- 섬광물질(scintillator) : 흡수된 방사선에너지의 일부를

가시광선 영역의 빛으로 변환하여 방출하는 성질을 지닌 물질 - 형태: 고체, 액체, 기체

- 무기질, 유기질

방사선장의 세기 ∝ ^{가시광선의 세기}

e

e e

자유전자

여기

전도대(conduction band)

충만대(Valence band) 가시광선

천이

e

e

밴드간격 (3~4 eV) hν

방사선에 의해 여기 된 전자가 기저상태로 천이 할 때 빛을 발광

섬광 물질과 발광 원리

Tl

Tl 불순물 :

활성물질(activator)

무기섬광물질

종 류 특 성 용 도

NaI(Tl) • 대표적인 섬광물질, 발광효율이 좋다

• 기계적, 열적 충격에 약하다

• 조해성(흡습성)이 있다 감마선, 엑스선

CsI(Tl) CsI(Na)

• NaI(Tl) 보다 전자밀도(원자번호)가 높아 감마선 검출효율이 높다

• 충격이나 진동 등 기계적 우수성과 내수성이

• 방사선의 종류에 따라 방출되는 섬광의 감쇠 강하다 기간 차이로 방사선 종류 식별 가능

• 펄스형성이 느리다

- 계수율이 높은 환경에서 부적합

감마선, 엑스선

-BGO (Bismuth Germanium Oxide, Bi₄Ge₃O₁₂)

^:

감마선, 엑스선 측정

• 조해성이 없고, 견고,

• 기계적 강도와 화학적 특성이 우수하다

• 발광의 감쇄시간이 매우 짧아, 신호출력이 지연되는 일이

없어, 빨리 반응해야 하는 X선, CT, PET 등의 검출기로 사용

유기섬광물질

특징 : 알파, 베타 측정에 주로 이용

- C, H, O 가 주 성분이므로 광전효과를 발생할 확률이 낮아 감마선 측정에는

부적합

LSC

액체섬광계수기(LSC: Liquid Scintillation Counter)

7 [액체섬광검출기]

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열형광

선량계(TLD)

: 개인선량계

- 방사선에너지를 흡수한 물질에 열을 가하면 형광을 방출하는 성질을 지닌 물질 - 충만대에 있는 전자가 방사선에너지를 받아 전도대로 올라가 자유전자 형성 - 자유전자가 물질 내에서 이동하다 활성물질 함정에 갇힘

- 섬광물질에서는 함정의 전자가 즉시 천이하는 반면

열형광물질은 외부에서 에너지(가열)를 추가로 공급할 때 천이

방사선장의 세기 ∝ ^{가시광선의 세기}

e e

전도대

충만대 가 시 광 선 천

이

e

e e

e e

자유전자

여 기

전도대

e 충만대

e

hν

e

가열과정 여기 과정

열형광 (Thermoluminiscent) 물질

열형광 선량계 판독 시스템

- 판독기: TLD가열 장치 + 신호처리장치

- 가열 방법 : 고온질소가스 가열, 레이저 가열, 마이크로 웨이브 가열법 등

Preamp AMP ADC Scaler

H. V.

TLD

가열

HARSHAW TLD AUTOMATIC SYSTEM

ICN Panasonic-

UD802

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선량계 필터

필터의 밀도와 두께를 조정 하여 조직별 선량 측정

1. 피부(H(0.07)) 2. 심부선량(H(10) 3. 수정체(H(3)

Module Medical V - 12

수족 TLD

열형광 물질의 종류 및 특성

구 분 열형광물질 Z_eff 상품명

측정방사선

조직등가

LiF:Mg,Ti ^8.3

TLD-100, TLD-700 감마선, 베타선

개인선량측정

TLD-600 중성자

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Li(n,α)

H

LiF:Mg,Cu,P ^8.3

TLD-100H, TLD-700H

GR-207(⁷LiF:Mg,Cu,P) 감마선, 베타선

TLD-600H

GR-206(⁶LiF:Mg,Cu,P) 중성자 Li₂B₄O₇:Cu,Mn 7.3 감마선, 베타선

조직 비등가

CaSO₄:Dy,Mn ^14~15 감마선, 베타선

개인선량측정 환경감시

CaF₂:Dy, Mn ^16.3 감마선, 베타선

원자번호가 높은 물질일수록 광전효과 확률이 커지므로 저에너지의 엑스선, 감마선에 응답반응이 높아 환경용으로 사용

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반도체 검출기

 방사선 조사시 열운동에 의해 전자가 도전대로 올라가면서

전류를 흘릴 수 있는 물질로, 불순물을 첨가하여 반도체 특성 조절

 반도체는 밀도가 기체에 비해 밀도가 1000배정도 이므로 충만대와 전도대의 간격(Eg)을 최대한 낮게(1eV)하여, 크기를 최소화시켜 계측 효율을 극대화 할 수 있음.

 측정원리는 기체충전형과 유사하나, 고체의 전리작용에 의해

기체의 이온쌍에 해당하는 전자와 정공을 생산하여 전극에 모아서 측정

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반도체의 정의

√ p형반도체 : 4족원소(Si, Ge)에 불순물(3족 원소 B) 첨가

√ n형반도체 : 4족원소(Si, Ge)에 불순물(5족 원소 P) 첨가

E_g > 5eV

절 연 체

E_g ≅ 1eV

반 도 체 전 도 대

충 만 대

전 도 대

충 만 대

광자

공핍층

+

_

P 형 N 형

+

+ + +

+ + +

- + -

- - +

+

+ +

+ - + +

+ + + - -

- + - - - - - - -

- -

+ ^{- - -} + + + + - - +

전자의 운동

정공의 운동

Ge(Z=32) : E_g = 0.67eV Si(Z=14) : E_g = 1.106eV

Ⅳ족 (Si, Ge)

+ Ⅲ족(B)  ^{P형 반도체} + Ⅴ족(P)  ^{N형 반도체}

※ P-N 접합

[반도체 검출기의 원리]

- 입사방사선의 전리작용에 의해 전자와 정공 쌍 생성 - 전자와 정공은 결정내부를 이동

정공의 이동속도는 전자의 1/3

- 하나의 전자/정공쌍을 생성하는데 필요한 에너지 • Ge: 2.96eV • Si: 3.65eV • 기체: 34eV ☞ 동일한 에너지의 입사방사선에 대한 출력신호가 기체보다 약 10배 정도 큼을 의미(Wair=34eV) - 밀도가 기체보다 1000배 가량 크므로 감마선에 대한 계측효율이 우수함

반도체 검출기 원리(전리 작용)

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반도체 검출기 구성

Scaler

• 방사선원에서 발생한 방사선의 파고 분포 를 기록하여 에너지 스펙트럼을 측정

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MCA(Multi Channel Analyzer)

-다중파고 분석기

고순도 게르마늄 반도체 검출기

(HPGe: High Purity Germanium)

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20

기타 검출기

필름배지(감광작용)

- 필름의 흑화도가 피폭량에 비례

- 방사선에 필름의 반응 원리

방사선 + 필름  ^e-

e^- + Ag⁺  ^Ag

Ag+ e^-  ^Ag-

Ag^- + Ag⁺  ^2Ag

2Ag+ e^-  ^{Ag Ag-}

AgAg^- + Ag⁺  ^3Ag

4~6 Ag = 잠상의 중심

1. 화학작용을 이용한 검출기

필름의 판독시스템

밀도계(Xrite 301) AMP

광 검출기

광원

계수기

필름

- 필름의 흑화도

I₀ : 필름에 입사하는 빛의 강도 I : 필름을 투과한 빛의 강도

2. 화학선량계 : 프리케선량계, 세륨선량계

- 고선량 측정용이며 누적형이다

- 방사선의 조사 결과 발생한 화학변화량을 측정 - 수 십 ~ 수 천 Gy 정도의 대선량 측정에 이용

프리케선량계(Fricke Dosimeter)

- 산화반응 이용

Fe

+ OH  Fe

+ OH

- G(Fe

) = 15.5

- 측정 용이한 선량 범위 1~10

Gy

- 환원반응 이용

Ce

 Ce

- G(Ce

) = 2.34

- 측정범위 : 400 ~ 10

Gy

※ 안전관리 목적 선량계는 아니며,

방사선멸균, 방사선조사, 방사선가공

고체비적검출기 (알파선 검출)

피폭에 의한 비적형성 화학적 에칭 효과 전기화학적 에칭효과

에칭전 표면 에칭후 표면

라돈측정

OSL(Optically stimulated luminescence) : Al₂O₃

OSL 판독기

형광유리선량계 : TLD, OSL과 유사

- 유리 재료의 안정성 뛰어나며,

- 판독후에도 피폭정보 잔류, 재판독 가능 - 열에 의한 손상없어 안정성,

- 재 판독 가능

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거품검출기 :

중성자를 조사하여 거품이 형성된 것, 아래는 노출하지 않은 검출기

중성자 검출기

10B(n,α)⁷Li, ⁶Li(n,α)³H, ³He(n,p)³H 반응

개인 선량계

개인선량계(법적; 열형광선량계)

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손목선량계 ICN

Panasonic-UD802

손가락선량계

개인선량계(법적; 필름뱃지)

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Proxtronics

ICN

ICN(Wrist)

개인선량계(법적; 유리선량계)

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개인선량계(보조; 포켓선량계)

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개인선량계(보조; 전자개인선량계)

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개인선량계 착용위치

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