8 차시
방사선 검출기(1)
방사선 검출기 란?
• 방사선을 계측하는 센서
• 방사선 계측은
직접관측이나, 전통적인 계량방법으로 측정 어려움
- 전리방사선을 방사선과 물질과의 상호 작용
☞ 측정가능한 신호로 변환하는 장치
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방사선과 물질과의 상호작용
• 전리작용 : 전하 측정
• 여기작용 : 가시광선 측정
• 형광/발광 작용
• 감광작용, 화학작용
• 구조결함 유발작용 : 비적 측정
• 생물학적 작용
• 핵반응
검출기 출력 유형
• 직접 출력형 :
전리함. 비례계수관, GM관, 섬광검출기 등
• 누적 출력형 :
TLD, 필름배지, 유리선량계, 고체 비적 검출기 등
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방사선검출기의 종류
검출원리 물질특성 검출기 명칭 주 요 용 도 비 고
전리작용
기체전리 전리함 베타/감마 선량(률)측정 주로 선량률 측정에 적합 비례계수관 알파/베타 계수 중성자용 BF3 계수관
GM관 베타/감마 에너지 분해능이 없음
고체전리
HPGe 엑스선, 감마선 에너지 분해능 탁월 Si(Li) 엑스선, 감마선 저에너지 엑스선 측정
표면장벽형 알파
CdTe, HgI2, GaAs 엑스선, 감마선 상온에서 냉각 불필요 에너지 분해능 좋지 않음
여기작용
고체섬광 NaI(Tl), CsI(Tl) 엑스선, 감마선
ZnS(Ag) 알파
LiI(Eu) 중성자
액체섬광 액체섬광계수관(LSC) 알파, 저에너지 베타 3H, 14C 측정에 적합
열형광 TLD 베타/감마선량측정
화학작용 물질분해 프리케선량계 선량측정 고선량 측정에 적합
DNA손상 생체시료 선량측정 사고피폭선량측정
감광작용 필름감광 필름뱃지 선량측정
• 전리함(Ion Chamber)
• 비례계수관(Proportional Counter)
• GM계수관(Geiger Muller Counter)
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기체 충전형
검출기
방사선검출시스템의 일반적 구조
계수기 증
전치 폭 검출기 증폭기
신호처리장치 - 검출기 : 방사선에 대해 센서 역할
- 신호처리장치 : 검출기에서 발생한 신호를 사용자가 인식할 수 있는 형태로 변환하여 표시하는 전기장치
검출기의 동작 모드
전류형과 펄스형: 출력신호의 형태에 따라 구분[전류 또는 전압]
I
+ - 양극
음극
+ - 양극
음극
V
- 일정 시간동안 생성된 전하를 평균하므로 입사방사선의 선질을 구분할 수 없다.
- 방사선의 강도가 매우 높은 환경에서 사용 - 방사선량의 측정에 이용
- 생성된 전하량이 단일 방사선의 에너지에 비례하므로 입사방사선의 선질(펄스의 크기)을 구분할 수 있다.
- 핵종분석시스템에서 주로 사용
전류형 검출기 펄스형 검출기
펄스가 하나의 방사선이 계측됨을 의미
※ 펄스 : 짧은 시간 동안만 흐르는 전류 방사선이 입사하는 빈도가 높아
하나의 펄스가 종료되기 전에 다음펄스로 이어 지는 연속전류의 형태, 전류를 각각 측정 곤란
☞ 전류의 평균치로 측정
방사선에 의해 충전기체를 전리시키면, 생성된 전자와 이온을 각각 양극과 음극에 끌어 모아 전기적 출력신호를 얻음
기체전리를 이용한 검출기
11 음 극
양 극 H.V.
E
기체충전형 검출기의 일반적인 구조
• 전리함(Ion Chamber)
• 비례계수관(Proportional Counter)
• GM계수관(Geiger Muller Counter)
기체 전리를 이용한 검출기 종류
기체전리를 이용한 검출기
Ⅰ
재결합 영역
Ⅱ
전리함 영역
Ⅲ
비례 계수 영역
Ⅳ
GM 영역
Ⅴ
연속 방전 영역
인 가 전 압 (V) 양극에 포집되는 전자의 수
Ⅲ’
한정비례 계수 영역
α
β
기체전리를 이용한 검출기
Ⅰ 재결합영역(recombination region) : 검출기 사용 불가영역
검출기에 걸어준 전압이 낮기 때문에 검출기 내부의 전장이 약해, 전하의 이동이 늦어, 생성된 전자와 이온이 양극에 수집되지 못하고, 대부분을 재결합하여 일부분만 전극에 모인다.
Ⅱ 전리함영역(Ionization region)
생성된 1차이온 전체가 전극에 수집되고 전압을 증가하여도 집적된 이온 쌍의 수 는 증가하지 않으므로 전하량은 전하에 관계없이 거의 일정하다.
- 넓은 전압 범위에서 전류의 크기가 일정
(인가전압 크기와 상관없이 일차적으로 생성된 전자들만 포집되기 때문) Ⅲ 비례계수영역(proportional region)
- 전극에 모이는 전하량이 1차전리에 의한 원래의 전하량보다 크며 - 전압의 증가에 따라 전하량도 비례하여 증가한다.
기체에서 증식적인 연쇄전리 발생. 즉, 기체증폭에 의한 전자사태 Ⅲ’ 한정비례계수영역((limited proportional region)
- 전극에 집적된 전하량이 1차이온수에 비례하지 않음 - 검출기로 사용할 수 없음
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Ⅳ GM영역(Geiger Müller region)
한계비례영역에서 전압을 증가시키면 1차이온수에 관계없이
(전자증폭도가 극심하게 커지면, 양극주변의 기체 모두 전리, 증폭률 현저히 둔화, 수집되는 전자수가 더 이상 초기 이온쌍 생성 기여도 저하)
일정량의 2차이온수 가 생기는 영역
- 따라서, 출력신호의 크기는 GM관의 크기, 기체의 밀도에 종속됨
- 전자사태를 통제하기 어려운 상황이 되어 연속방전을 방지하기 위해 “소멸기체” 또는 “외부 소멸” 기법 적용
- 방사선의 종류에 따른 차이 없음
- 신호가 충분히 크고 민감성이 높아 실용검출기로 많이 사용.
Ⅴ 연속방전영역 (Continuous discharge region)
방사선 입사의 유무에 관계없이 관내에서 연속 방전 - 검출기로 사용할 수 없음
전리함의 종류
1. 공동전리함(Cavity Ion Chamber)
- 원통형 또는 구형 空洞에 전극 설치
- 조사선량측정위해 공기등가물질로 벽을 만들어 벽과 공동간에 전자평형 유도
- 폴리에틸렌 등 수지 내벽에 흑연피막을 입힌 것 2. 조직등가 전리함
- 전리함 벽을 인체조직과 유사한 재질로 구성한 전리함 선량(흡수선량)평가 3. 외삽형 전리함 : 전자평형이 성립하지 않는 곳의 흡수선량 측정
4. 펄스 전리함 : 펄스크기가 적으므로 α선과 같은 무거운 하전입자 측정에 이용 5. 콘덴서형 전리함 : 축전지에 일정량의 전하를 충전해두고 방사선에 의한
생성된 전하가 이를 중화함으로 전위가 변하는 양 측정 (포켓전리함)
☞환경방사선 측정 : 전리함은 감마 방사선 감도가 낮아 전리함 기체 압력을 높여 감도를 높인 가압형전리함 사용
전위차계
Dosimeter
비례계수관
기체증폭 발생
- 입사방사선으로 생성된 전자가 양극으로 포집되는 과정에서 또 다른 전리를 일으키는 현상
- 전자사태: 전자의 증배과정
전자사태 증배율
≅ 105 V/m
• 전자사태 :
여기된 원자⇒ 자외선⇒ 광전효과⇒ 전자⇒ 전자 사태
• 소멸기체(Quenching gas) :
전자사태를 방지하여, 알파, 베타 계수 목적
☞ 자외선은 잘 흡수하되, 전자는 방출하지 않음 알파, 베타를 계수할 목적
전자사태와 소멸기체
GM 관
GM 관은 비례계수관과 달리 전자사태를 이용(M=109 V/m)
: 전자에 의한 것과 여기된 원자에서 발생한 자외선에 의한 광전자의 전자사태 -양극주변 모든 영역에서 기체증폭 발생
생성되는 1차 이온쌍의 수에 관계없이 동일한 출력펄스 생성
-펄스의 크기가 크므로 계측시스템의 단순화가 가능. 에너지 선별력이 없다.
방사능 측정용으로 사용.
- 음극
- 양극 -
- -
-
전자증폭
충전기체 : 불활성기체(He, Ar, Ne) + 소멸기체
GM관의 유형
- 원통형 GM관의 한쪽 면이 알파 또는 베타입자가 투과할 수 있도록 얇은 막 설치 - α,β의 방사능 측정
- 주로 100 keV 이상의 베타입자의 방사능 측정 또는 오염감시에 사용
계수율의 단위로 주로 사용(cpm, cps 등)
1. 단창형 GM (End-window GM)
검출기의 외벽을 Pb, Sn 등으로 적절히 차폐하여 200 keV 이하의 저에너지 광자에 대한 반응도를 반응도를 낮추어 줌으로써 100 keV에서 수 MeV 까지 영역에서의 반 응도를 일정하게하여 선량을 근사적으로 얻을 수 있는 GM
광자의 선량률 측정
다양한 형태의 GM 관
2. 보상형 GM(Compensated GM)
Module Medical V - 23
Geiger-Mueller (GM) instruments
Close-up view of probe Top: shield open
Bottom: shield closed
Module Medical V - 24
Determination of contamination
level
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오염측정기
+ =
프리스커를 휴대용 계수율계에 연결하여 방사능 오염검사
(frisker)
표면오염도는 100 cm2 당 방사능으로 표기 : Bq/100cm2
오염도 측정절차
• 검출기를 측정할 표면에 가능한 가까이 접근(약 1.5
cm 이하)
• 표면 위를 5
cm/s 이하의 속도로 천천히 이동하면서 측정
• 측정기의 지시치중 최대치를 읽음
• 오염된 물체와 접촉하기 쉬운 부위는 주위를 기울여 측정
- 손, 팔꿈치, 무릎, 발
• 검출기를 멈추어서 5초 이상 측정해야 하는 경우
- 내부오염 여부 파악을 위한
코와 입의 오염검사
- 계수율이 증가하는 부위
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서베이미터 취급방법
• 취급방법
– 밧데리 점검
– 단자위치조절(0.1,1,10) – 반응시간 조절버튼 : F/S – Audio Switch : ON/OFF – Check background level – 검교정 유무 확인
• 단위:cpm, cps, mR/hr
Battery Compartment
방사선(능) 측정시 주의사항
√배터리 충전상태 확인(Battery Check)
√전원 ON 후 지침이 안정될 때까지 기다릴 것
√ 백그라운드 측정하여 기록할 것
√ 지시치 및 단위에 주의
방사선량율 측정기 종류와 바른 측정 방향(화살표)
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고선량율 측정용 텔레텍터
Survey Meter Face Plate
• Top scale : 0~70 cps on X 0.1, 1
