14 차시,

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14 차시,

방사선 조사 및

공업적 이용

다. 방사선 조사 이용

전리(이온화) : AB → AB⁺ +

e

이온의 해리; AB⁺ → A + B⁺

이온의 중화에 의한 해리; AB⁺ +

e

들뜬 분자 해리(dissociation, 解離) : (AB)* → A + B 전자포획 : AB +

e

전리된 분자 반응 : AB⁺ + AB → AB* + A 전하이동 : AB⁺ + X → AB + X⁺

들뜸(여기)이동 : (AB*) → AB + X*

가. 할로겐화 반응(20~2000 Gy) 염화비닐의 내충격강도 향상, 폴리에틸렌의 내열성 향상, 목재-플라스틱 접합체 제조

나. 중합반응(polymerization, 10~50 kGy) 다. 가교반응(cross linkage)

20~100 kGy : 강화 플라스틱 제조, 도장 0.3~1 MGy : 자동차 타이어의 강화

방사선조사 이용산업

라. 화학공업 이용

- 전기 피복재료의 내열성 강화

- 방사선조사를 통한 형상 기억 효과 :

자동차 타이어 고무나 생고무 시트, 슬리퍼, 라이프 자켓, 냉장고 단열재,

전자부품 피복에 전자선 조사로 형상 기억

- 제품 착색시 시너, 가열등 없이 전자선을 이용한

경화 도장

마. 방사선 멸균

- 고 선량의 10만 Ci 이상의 Co-60의 감마선 조사 - 인공신장, 주사침, 수술용 칼등 의료용구,

검사용구, 실험동물사료 등에 대한 멸균 또는 소독

※ 감마선 멸균의 단점 : 설비 비용 고가,

피폭되는 재료의 방사선 손상, 재료 변질 ☞ 이의 보완을 위해

적정 수준의 조사선량 선정 : 25,000 Gy

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바. 발아방지

- 감자, 양파 등에 10 kGy 미만의 감마선 조사

사. 방사선 치료

- Co-60, Cs-137, Ir-192 등 감마선 이용, 악성종양의 원격조사 치료,

근접 조사 치료

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요약 : 방사선조사(照射, irradiation)

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투과, 흡수, 산란 작용 1. 계측제어 : 두께, 액면, 밀도, 농도, 수분, 지하수감지계 2. 비파괴검사(NDT)

3. 의료 진단, 치료 전리, 들뜸(여기) 작용

1. 이온 발생 : 연기감지기, 형광등 방전관, 진공계, 피뢰침, 정전제 거 등

2. 빛의 발생: 자체 발광도료, 야광물질 등 3. 분석 : 형광 X선분석, 유황계

화학적 작용 1. 품질 개선

내열성 전선, 發泡(polyolefine), 열수축성 튜브, 경화(硬化) 도장, 강화, 강화목재 등

생물학적 작용

1. 살균, 살충, 방충 : 의료용구 멸균, 검사용구, 실험동물 사료, 식 품멸균, 해충방제

2. 보존 : 발아방지, 숙성도 조절 3. 육종 : 품종개량, 생육조절

원자핵 반응 방사화 분석(원자로 방사성물질의 거동 분석), 뇌종양 치료 등

방사선에 의해 물분자가 분해,

화학적 변화를 거치는 반응으로 생성된 기단(radicals)

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H∙, e^-_aq, OH∙, H₃O⁺, H₂, OH^-, HO₂∙, O₂, H₂O₂, O₂^-

H₂O*

수소와 산소로 구성되는 다양한 기단 또는 물질들 생성.

생성되는 양은 반응의 종류에 좌우.

※ 유리기(H∙) , 들뜬상태(H₂O^* ), 이온(H⁺)

라. 물과 용액의 방사선화학, 직접작용과 간접작용

수화전자

물분자의 전기적 극성으로 인해 정지상태에 가까운 자유전자를 중심으로 물분자들이 에워싼 형태

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1. 전자가 분극한 물분자에 둘러싸여 일 시적 안정 상태

2. 물의 방사선 분해시 2차전자가 물분자에 구속된 상태

3. 수화전자는 강한 전자기 복사로 폭넓은 흡수스펙트럼을 보이고, 매우 짧은 반감기로 물분자와 반응

e^-_aq + H₃O⁺ → H∙ + H₂O

바. 화학선량계

- 고선량 측정용이며 누적형이다

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

G값(G-Value)

- 방사선에너지 100eV 흡수당 생성되는 원자나 분자의 수

- G값이 클수록 방사선에 대한 감도가 좋다

프리케선량계

(Fricke Dosimeter)

Fe⁺² + OH  Fe⁺³ + OH^- - G(Fe⁺³) = 15.5

- 측정 용이한 선량 범위 1~10⁴Gy 세륨선량계

(Ce Dosimeter)

- 환원반응 이용

Ce⁺⁴  Ce⁺³ - G(Ce⁺³) = 2.34

- 측정범위 : 400 ~ 10⁶ Gy

※ 안전관리 목적 선량계는 아니며,

방사선멸균, 방사선조사, 방사선가공

가. 방사선의 흡수, 산란 이용 - 두께계

- 준위계(level gauge) - 중성자 수분계

- 밀도계 - 유황계

나. 방사선의 전류나 전하를 이용 - 진공계

- 연기감지기

- 가스크로마토그래피 - 정전제거장치

- 형광 X선 분석

- 라디오그래피(방사선투과 촬영) 다. 방사성추적자

전 자 선 원

핵 종 반감기 최대에너지(MeV) 핵 종 반감기 최대에너지(MeV)

3H 12.26년 0.0186 ⁴⁵Ca 165일 0.252

14C 5730년 0.156 ⁶³Ni 92년 0.067

32P 14.28일 1.710 ⁹⁰Sr 27.7년 0.546

33P 24.4일 0.248 ⁹⁰Y 64시간 2.27

35S 87.9일 0.167 ⁹⁹Tc 2.12×10⁵년 0.292

36Cl 3.08×10⁵년 0.714 ²⁰⁴Tl 3.81년 0.766 순수 베타핵종

나. 방사선의 전류, 전하 이용

 연기 감지기

- Am-241 (반감기 432년, 알파입자의 전리작용, 전리 전류가 항시 흐름, 연기가 들어오면 전기전류 감소 원리, 연기 감지)

 유기화합물 혼합체 분석기(gaschromatography)

- 환경중 유해물질 분석(유기수은, 염소계 잔류농약 등), 화학반응 생성물 연구, 시약과 약품의 불순물 결정

- Ni-63에서 방출하는 베타 전리작용으로 생성된 이온쌍이 기체 시료 분자의 전자를 포획하여 전리전류가 감소하는 현상 이용,

 정전 제거 장치

- 인쇄기, 방적기 등에서 마찰로 발생하는 정전기 제거

- α선이나 β선이 이용되나 대표적으로 Po-210 이 이용됨.

분석시료에 광자를 조사⇒ 시료중의 원자를 들뜨게 하여, 발생되는 특성 X선의 에너지 강도 측정, 원소 분석

- 사용 방사선원 : X선, 저에너지의 감마선

(Fe-55, Am-241, Pu-239, Gd-153, Co-57 등) - 공업재료, 원료의 원소 분석, 광석이나 시멘트원료의 온라인

분석, 대기 중 부유분진 등 환경오염물질을 비파괴적으로

여러원소 동시분석, 도금두께측정, 그림 재료의 분석에 의한 미술품 진위 감정 등

- 특성 X선으로 유황원자를 들뜨게하고, 유황으로부터 방출되는 형광 X선 강도로 유황 정량분석

 형광 X선 분석법

• 방사선을 피사체에 투과하여 필름의 사진 농도 (흑화도), 즉, 필름에 방사선으로 하여금 결함이 발생하는 정도를 측정하는 방법

• 감마선을 이용하면 감마 라디오그래피

• 중성자를 이용하면 중성자 라디오그래피

 라디오그래피(방사선투과촬영)

감마 라디오그래피에 사용되는 선원으로서 필요 조건.

① 소형이며 방사능이 강한 γ선원이어야 함.

② 피사체의 종류나 두께에 따라

적당한 에너지를 갖는γ선이어야 함.

③ 반감기가 충분히 길어야 함.

④ 제조방법이 쉽고, 값이 저렴해야 함.

⑤ 선원의 강도는 수Ci～수십 Ci정도가 좋음.

(Co-60, Cs-137, Ir-192 등)

 야광도료

- 야광시계(Pm-147, 저에너지 베타선, 반감기 2.6년)

 형광등의 방전관(starter)

- Pm-147 베타선의 전리작용, 스위치 넣으면 방전, 점등

 표시용 방전관

- 카메라, 금전등록기 계기판 표시

(Ni-63, Pm-147 베타선 전리작용)

15주차,

원자력의 의료적 이용 등

가. 방사성 의약품

- 방사성의약품의 체내 장기 집적 원리

- 진단용 체내 투여 방사성의약품의 필요 조건 - 핵의학 검사

나. 방사면역측정(Radioimmunoassay) 다. 신약 개발

라. 싸이클로트론을 이용한 RI 생산

의료적 이용

가. 방사성의약품

- 체내투여진단/치료, 체외진단 등에 쓰이는 RI 총칭

 방사성의약품의 체내 장기 집적 이론 - 식균 작용

- 세포의 격리작용 - 이온교환

- 단순 확산

- 생화학적 과정

- 약리학적 작용

 진단용 체내투여 방사성의약품 필요조건

- 단반감기

- 순수 감마선 방출(α, β선 방출 없을 것) ※ 치료용 : β선 방출핵종 흔히 사용

- 적당한 감마선 에너지 - 비방사능이 높을 것 - 저렴



𝑇𝑐

- 반감기 : 6시간

- α, β선 방출 없이 감마에너지(140keV)

- 비방사능 : 10

~10

𝐶𝑖/𝑔

 핵의학 검사

-

in-vivo 검사

RI를 표지한 의약품을 인체에 투여, 방출되는 방사선에 의해 진단 검사.

예) 인체 특정부위(간, 신장,폐, 담낭, 뼈 등)에 Tc-99m을 표지, 장기에 섭취된 RI에서 방출되는 감마선 검출(감마카메라)

※

인체 영향 적고, 반감기가 짧고, 체내에서 급속히 감소

※

C-11, N-13, O-15, F-18등 양전자 방출 핵종의 소멸방사선을 체내 RI이동 분포를 단층 상 묘사

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- in-vitro 검사

- 혈액중에 함유된 미량의 호르몬, 암 표지자에 대해 정상 수치와 비교 진단.

예) 갑상샘호르몬, 인슐린, 성장호르몬 등과 같은 호르몬 양 이나 간암에서 증가되는 αFP, CEA(대장암), PSA(전립선암) 등의 분비물 측정

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나. 방사면역측정법(Radioimmunoassay, RIA)

- 방사성추적자를 이용하여, 혈중, 뇨중 미량의 물질을 측정, 진단. 항체와 항원의 결합반응을 이용하므로 면역측정이라함.

- RI를 사용하여 내분비학 영역에서 인슐린, 성장호르몬 등 단백성호르몬 측정.

- 혈청속에 존재하는 미량의 약제 측정, 바이러스 효소 측정등

- 대표적인 RI : I-125

방사면역측정(RIA) 방법이 가능하기 위한 보편 적이고 필수적인 조건

① 특이성이 있는 항체가 얻어질 수 있을 것

② 목적물질을 RI로 표지한 표지화합물이 있을 것

③ 항체와 결합한 부분과 비결합 부분의

분리가 가능할 것

다. 신약 개발

• 신약개발시 효능과 안전성에 관한 다각적인 조사 필요

• 추적자(H-3, C-14, P-32, S-35, I-125 등) 활용, 쥐 등 실험동물에 RI를 투여한 후, 얇게 절편을 만들어 필름에 밀착하여 방사선 사진작용에 의한 감광시켜, 체내의 RI 분포상태 감지(autoradiography, 방사선자 동사진법)

• 실험동물의 장기나 배설물 중에 포함되어 있는 방사능을 측정하여 RI의 축적비율, 배설속도 예측하여, 신약물질의 체내 작용, 약품효과 파악

• 농약의 개발이나 안전성 평가에서도 미생물이나 곤충, 동식물에 대 하여도 실험 연구 진행 중

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라. 사이클로트론을 이용한 RI 생산

사이클로트론을 이용해 생산된 RI는

양성자 과다 핵종 ☞ 양전자방출, 전자포획으로 붕괴

p  n  

 

𝑝 + 𝑒 ⁻ → 𝑛 + 𝑣

Cf. 원자로에서 생산된 RI : 중성자 과다 핵종

☞

n  p  

 

수산업, 농업 분야 이용

 어류의 回遊

어류의 먹이에 Eu를 섞으면, 어류의 耳石, 지느러미, 비늘에 집적됨.

어류내의 Eu를 방사화분석, 방류한 치어가 어떤 비율로 회귀하는 지 파악.

 작물의 생리 생태연구

다수확, 우량작물 개발을 위해 RI 추적자로 작물의 생리 생태 작용 파악

예) 녹색식물의 광합성 작용을 연구한 결과 광합성 반응에서 방출되는 산 소는 CO₂에서 유래된 것이 아니라 물로부터 유래됨을 밝힘.

(O-18로 표지한 물을 사용하여 식물에 투여)

- 식물체의 영양이 되는 원소를 추적자로 사용하면, 어느 부위에 흡수되는 지, 영양 결핍되면 그 부위가 어떤 생장효과를 나타내는 지 알 수 있음

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병충해 방제에 이용

- 해충에 X선을 조사, 생식기능을 억제시켜, 조사된 해충은 정상적인 암수 교미 기회를 잃게 하면, 결국 무정란만 낳게 되어 해충 멸종

예) 가축에 기생하는 나사벌레에 25-30Gy 방사선 조사후 방사하여 미국남부에서 완전 박멸,

과실에 피해를 주는 광대파리에 응용하여 완전 근절, 면화재배 목화해충 방제, 인도(모기구제),

아프리카(체체파리 박멸 등)

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 식품학적 이용

- 식품 보존: 생산 못지않게 보존, 가공도 중요

- 저장 중에 미생물, 해충, 효소 등으로 약 15% 손실발생

따라서 식품저장방법의 개발은 15% 이상의 간접 증산 효과

- 기존의 저장방법은 저온저장, 가스저장, 약제저장이 있으나 약제성분 잔류 - 식품에 방사선 조사시 살균, 살충, 발아·발근 억제 등 효과가 있으나, 조사 식품의 안전성, 소비자의 수용성 등의 문제점으로 실용화 지연

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< 농산물이나 식품의 저장 또는 가공에 대한 방사선의 효과 >

1. 식품의 보존기간 연장(방사선조사시 식품에 열이 발생하지 않아 고열로 인한 식품변성 없음)

2. 낮은 조사선량으로도 보존성을 일시적으로 연장 효과 3. 방사선처리로 기생충 등 해충 구제

4. 방사선조사에 의하여 과실의 숙성, 착색증진, 품질개선

5. 방사선 처리로 생장점에 장해를 유발시켜 야채류의 발아 억제 6. 포도주 숙성 등

• 식품저장시 베타선 이용 이유:

알파선은 비정이 짧아 조사 중 공기분자에 흡수되어 목적물에 도달못함.

식품 저장시 물질의 심부조사 보다 표면 살균이 주 목적이므로

감마선 등의 높은 투과력 보다는

전리능력이 크기 때문에 살균효과 우수

• 방사선 조사 식품

투과력이 높은 광자의 경우, 너무 많은 양을 조사하여 살균 하게되면 식품 냄새, 변색 등 부작용 초래

* KAERI에서 방사선조사로 한국우주식품 개발

- 김치, 라면, 수정과, 불고기, 전주비빔밥, 미역국, 짬뽕, 음료 등 * 미국에서는 1960년대부터 우주인용 식품 개발

※ 사용 방사선 선원 및 선종은 Co-60의 감마선으로 한다.

 토양비료

- 농작물 재배시 합리적인 시비관리법 연구

- RI표지 비료를 시비했을 때와 토양에 존재했던 것인지 비교 하여 시비 시기, 시비량, 시비 위치 파악

 농업토목분야

- 지하수 개발 및 지하수 연령, 용수량 조사, 저수지 누수위치 파악, 관개수 이동과 속도 측정 등

- 종래 누수 탐지는 물감을 이용했으나, Na-24 등 반감기가 짧고, 흡착성이 적은 RI의 방사능 검출

※ 반감기가 길고 세기가 강한 RI는 방사능 오염 우려 감안

 임업

- 수목의 영양 생리, 임산물 목재 강도 강화, 목재 내부의 부패 정도의 비파괴 검사, 합판 접착제의 접착력을 방사선 조사 로 성능 향상

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유전공학

• 방사선의 염색체 변이작용을 이용하여 DNA의 인위적 조작

• 이용분야 : 농작물, 가축의 우량 품종 개발, 난치병 치료 등 생명공학분야 발전 기여

• H-3, P-32, S-35, I-125등으로 DNA염기서열 방사선 조사, 특정 DNA 염색체상 위치 결정

• 인슐린, 성장호르몬, 인터페론 등 의약품개발 등

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탄소(C-14) 연대 측정

• 원리 : 모든 생물 조직속에 특정 탄소 성분이 일정비율로 유 지

※ C-14는 불안정 핵종으로 쉽게 붕괴하지만 광합성이나 대기 로부터 지속적으로 공급받아 생물체에 C-14의 체내비율 유지됨, 생명이 끝난 것은 붕괴로 C-14(반감기 5730년) 농도 줄어듬

𝑁 + 중성자→ 𝐶

+ 양자

☞ 고고학 연대 측정 대표기술로 유적, 패총, 지층에서 발견된 목탄, 곡물, 나무열매, 목재, 조개껍질 등 수백년에서 수만년까지 측정

• 암석이나 지층연대 특정을 위해 U, Th등 장반감기의 RI 이용 하여, 수십억년된 시료의 연대 측정 가능

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