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방사선기초 및 계측이론

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  • 방사선의 기초
  • 방사선 계측

관련용어

1) 원자(Atom)

모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 원자의 구성을 살펴보면 중심에 전기적으로 양성(+)인 원자핵(nucleus)이 있고 그 주위를 전기적으로 음성(-)인 전자(electron)들이 원자핵과의 전기적인 힘에 의해서 일정한 궤도를 그리며 돌고 있다. 원자핵은 전기적으로 양성(+)인 양성자(proton)와 전기적 성질을 가지고 있지 않는 중성자(neutron)로 구성되어 있으며 이와 같은 양성자와 중성자를 핵자(nucleons)라 한다.

그림 1-1. 원자의 구조

2) 방사선(Radiation)

방사성 물질의 원자핵이나 외부로부터 에너지를 받은 방사선발생장치의 방사선 발생부위에 있는 원자핵은 상태가 불안정해서 에너지를 원자 밖으로 내 보내고 안정된 상태로 가려는 성질을 가지고 있다. 이때 원자 밖으로 전자파 또는 입자의 형태로 나오는 에너지를 방사선이라 한다.

3) 방사성 또는 방사능(Radio-)

어떤 물질이 외부의 영향을 받지 않고 자발적으로 방사선을 방출하는 성질을 말하며 이러한 성질을 가지고 있는 물질을 방사성핵종(Radionuclide) 또는 방사성 물질이라 한다. 방사능은 방사능량을 나타내는데도 사용한다.

4) 방사성동위원소(Radioisotope)

동위원소란 동일한 원자번호로 같은 원소이면서 질량수가 서로 다른 핵종을 말하며 이중에서 방사선을 방출하는 핵종을 방사성 동위원소라 한다. 예를 들어 수소(1H), 이중수소(2H) 및 삼중수소(3H)는 원자번호가 1로 같은 동위원소이나 이 중 삼중수소만이 방사성동위원소이다. 동위원소의 화학적 성질은 같은 원자번호를 가지고 있어 동일하다.

그림 1-2. 방사성동위원소

5) 이온화(ionization) 및 들뜸(excitation)

방사선이 물질을 통과하면 통과하는 물질의 원자에 에너지를 전달하게 된다. 이때 주어진 에너지가 원자의 궤도 전자에 작용하여 궤도 전자가 원자핵이 당기고 있는 힘보다 큰 에너지를 얻게 되면 전자가 원자로부터 밖으로 이탈되어 음(-)이온인 전자와 전자가 이탈된 양(+)이온 원자가 만들어 진다. 이것을 이온화라고 한다. 이때 궤도 전자에 주어진 에너지가 적어 궤도전자가 원자 밖으로 나가지 못하는 경우가 생기는데 이를 들뜸이라 한다.

6) 반감기(half-life) 및 반가층(half-value layer)

반감기는 방사능량이 절반으로 감소하는데 걸리는 시간으로 정의된다. 반감기에는 두가지 종류가 있는데 방사성핵종이 자발적인 핵변환에 의해서 방사능량이 절반으로 줄어드는 시간을 물리적 반감기라 하고 방사성핵종이 생체 내에 투여되었을 때 소변이나 땀 등과 같은 생리적인 과정에 의해서 생체 내에 남아 있는 방사능량이 절반으로 줄어드는 시간을 생물학적 반감기라 한다. 반가층이란 방사선의 진행방향에 어떤 물질이 놓여 있을 때 그 물질에 의해서 방사선량이 절반으로 줄어드는 물질의 두께로 정의된다.

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방사선의 종류

방사선은 크게 세 가지 방법으로 분류할 수 있다. 첫 번째는 방사선이 가지고 있는 에너지에 따른 분류로 방사선이 가지고 있는 에너지가 커서 방사선이 통과하는 물질을 이온화시키는 방사선을 ‘이온화 방사선’ 이라하고 에너지가 작아서 이온화 능력이 없는 방사선을 ‘비이온화 방사선’ 이라 부른다.

이온화 방사선에는 알파선, 베타선(전자선), 감마선, 중성자선, 우주선 등이 있으며 비이온화 방사선에는 전파, 마이크로파, 빛, 적외선, 자외선 등이 있다. 일반적으로 방사선이라 하면 이온화 방사선을 의미한다. 두 번째는 방사선의 형태에 따른 분류로 알파선, 베타선 및 중성자선과 같이 질량을 가지고 있는 입자방사선과 파동 형태의 X-선과 감마선과 같은 전자파 방사선으로 나눈다. 세 번째는 생성에 따른 분류로 시멘트에서 미량 방출되는 가스 형태의 라돈과 같이 자연계에 존재하고 있는 방사선을 ‘자연방사선’ 이라 하고 인공적으로 만들어 내는 방사선을 ‘인공방사선’ 이라 한다.

의료기관에서 환자의 진단에 이용되는 X-선은 대표적인 인공방사선이다.

그림 1-2. 방사성동위원소

1) 알파선(입자)

알파선은 원자핵으로부터 방출되는 고속의 헬륨 원자핵으로 중성자 2개와 양성자 2개로 구성되어 있어 질량수는 4 AMU(Atomic Mass Unit : 원자질량단위, 1 AMU=1.66×10-27 Kg)이며, 전기적인 전하량(Charge=1.6×10-19 C)은 +2이다. 알파선은 상대적으로 매우 큰 질량과 전하량을 가지고 있어 알파선이 조사되는 물질을 이온화 시키는 능력이 매우 크기 때문에 공기 중에서는 수 cm, 조직 내에서는 수 십분의 일 mm 정도 투과한다. 따라서 종이 한 장 정도로도 차단할 수 있어 알파선을 방출하는 방사성핵종이 인체 외부에 존재할 때에는 위험성이 크지 않지만 피부나 인체 내부에 오염이 발생하면 알파선이 가지고 있는 모든 에너지를 인체에 전달하게 되므로 위험성이 커지게 된다.

2) 베타선(입자)

베타선은 질량이 1/1836 AMU인 전자로 알파선에 비하여 매우 가벼워 빛의 속도에 가깝게 움직이지만 전기적으로 -1의 전하를 가지고 있어 물질을 이온화 시키는 능력은 상대적으로 중간정도로 공기 중에서 수 m, 조직 내에서 수 mm 정도 투과한다. 알루미늄판 정도로 차폐할 수 있다.

3) 중성자선

중성자선은 질량이 1 AMU 로 베타선에 비하여 무거운 질량을 가지고 있지만 전기적으로 중성이기 때문에 물질을 이온화 시키는 능력은 매우 작다. 따라서 수 cm의 철판이나 수 m의 콘크리트를 투과할 수도 있다. 일반적으로 에너지가 낮은 중성자선을 효과적으로 차폐하기 위해서는 수소가 다량으로 함유된 물, 파라핀 및 합성수지 등을 사용한다.

4) 광자

감마선이나 X-선을 묶어서 광자라고도 부른다. 감마선이나 X-선은 발생하는 곳만 다를 뿐 성질은 동일하여 발생된 후에는 전혀 구분이 불가능하다. 원자핵으로부터 나온 광자를 감마선이라 부르고 전자궤도로부터 나오는 광자를 X-선이라 부른다.
광자는 질량을 가지고 있지 않고 전기적인 성질을 가지고 있지 않기 때문에 물질을 이온화 시키는 능력이 매우 작다.
따라서 에너지에 따라 수 mm - 수 cm의 납판이나 수 m의 콘크리트를 투과할 수도 있다. 광자를 효과적으로 차폐하기 위해서는 납과 같은 원자번호가 높은 물질이 사용된다.

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방사선의 일반적 성질

모든 방사선은 다음과 같은 네 가지의 일반적인 성질을 가지고 있다. 첫 번째가 앞에서 기술한 물질을 이온화 시키는 성질이다. 두 번째는 일정한 물질에 방사선을 조사하면 물질로부터 형광을 방출시키는 형광작용이다. 세 번째는 필름이나 사진건판을 흑화 시키는 사진작용이다. 이 작용을 이용하여 의료기관이나 비파괴검사기관에서 방사선사진을 촬영한다. 마지막으로 투명하거나 불투명한 물질을 투과하는 투과성이다. 이 외에 중성자선은 특이한 성질을 가지고 있는데 중성자선이 조사된 물질을 방사성 물질로 만드는 방사화작용이다.

방사선량의 단위

방사선량은 매우 다양한 종류가 있으나 일반적으로 많이 사용되는 방사선량으로는 조사선량, 흡수선량, 등가선량 및 유효선량이 있다. 다음은 이들 네가지 선량 및 단위에 대하여 간단히 설명한 것이다.

1) 조사선량

조사선량은 단순히 공간상의 어떤 위치에서의 방사선의 세기를 나타내는 것으로 가장 오래전부터 전통적으로 사용되어온 선량으로 지금도 실무에서 널리 쓰이고 있다. 단위로는 뢴트겐(X 또는 R)을 사용한다. 1 R은 표준상태의 공기 1 kg당 2.58×10-4 C(쿨롱)의 전하를 만드는 방사선의 양으로 정의되며 감마선이나 X-선에서만 사용한다. 이는 전자의 전하량이 1.6×10-19 C 이므로 1015개 정도의 전자를 만들어 내는 방사선의 세기로 매우 큰 양이다. 따라서 일반적으로 사용되는 단위는 1/1000 크기인 mR이 많이 사용된다. 또한 공기 중에서의 방사선의 강도를 나태내기 위하여 대부분의 방사선 측정기에서는 단위시간당 선량인 선량률(mR/h) 형태로 주로 사용된다. 따라서 공기가 받은 전체 선량을 계산하려면 선량률에 시간을 곱하면 된다.

2) 흡수선량

방사선이 물질을 통과할 때 에너지를 물질에 전달하는 것은 앞에서 설명하였다. 이와 같이 방사선에 의해서 어떤 물질에 에너지가 전달되었을 때 이것을 나타내는 것이 흡수선량이다. 흡수선량은 물질의 단위질량당 흡수된 방사선의 에너지로 정의된다. 단위는 그레이(Gy)를 사용한다. 1 Gy는 1 kg의 물질에 1 J(약0.24 cal)의 에너지가 흡수된 것을 말한다. 예전에는 단위로 라드(rad) 를 사용하였으며 1 Gy=100 rad 이다.

3) 등가선량

등가선량은 방사선방어의 입장에서 도입된 선량으로 방사선에 의해서 인체에 전달된 에너지가 흡수선량의 에너지와 같다고 할지라도 방사선의 종류나 에너지 크기, 즉 방사선 가중치에 따라 인체에서 나타나는 생물학적 영향이 다르다. 예를 들면 인체에 감마선과 중성자선이 같은 양의 흡수선량이 피폭되었을 때 감마선 보다는 중성자선에 의한 생물학적 효과가 크게 나타난다. 따라서 이러한 방사선의 종류나 에너지와 같은 방사선의 질에 따른 상대적 효과를 방사선 가중치로 보정한 것이 등가선량(H) 이다.

아래 표는 방사선의 종류와 에너지에 따른 방사선 가중치를 나타낸 것이다. 단위는 시버트(Sv)를 사용한다. 1 Sv는 흡수선량과 마찬가지로 1 kg의 물질에 1 J(약0.24 cal)의 에너지가 흡수된 것을 말한다. 예전에는 단위로 렘(rem) 을 사용하였으며 1 Sv=100 rem 이다.

등가선량(H) = 흡수선량(D)*방사선가중치(WR)

[ 표 1-1. 방사선종류 및 에너지에 따른 방사선가중치 ]
방사선 종류 에너지 방사선가중치
광자 전에너지 1
전자 전에너지 1
중성자 10 keV
10 keV - 100 keV
100 keV - 2 MeV
2 MeV - 20 MeV
20 MeV
5
10
20
10
5
양성자 2 MeV 5
알파 입자   20

[ 표 1-1. 방사선종류 및 에너지에 따른 방사선가중치 ]

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4) 유효선량

유효선량도 등가선량과 마찬가지로 방사선방어의 입장에서 도입된 선량으로 인체 내의 여러 장기나 조직들이 같은 등가선량을 받았을 경우라도 조직에 따라서 나타나는 증상과 위험도가 서로 다르다. 따라서 이와 같이 인체 내 조직의 위험도를 고려한 선량이 유효선량이다. 단위는 등가선량 단위와 같은 시버트(Sv)를 사용한다. 유효선량은 등가선량에 조직의 상대적 위험도를 나타내는 조직가중치를 곱하여 구한다. 아래에 있는 표는 조직별 가중치를 나타낸 것이며 조직가중치를 전부 합하면 1이 된다.

유효선량(E) = [조직가중치(WT)*등가선량(H)]

[ 표 1-2. 조직 가중치 ]
조직가중치 0.2 0.12 0.05 0.01
장기ㆍ조직 생식선 결장

적색골수
방광
유방

식도
갑상선
기타 조직
뼈표면
피부

[ 표 1-2. 조직 가중치 ]

방사능량의 단위

방사능은 원자핵에서 방사선을 방출하는 성질을 의미하기도 하지만 단위시간당 자발적으로 변환되는 핵자의 수(변환율)를 나타내기도 한다. 방사능은 계속해서 자발적으로 변환되므로 각각의 시각에 따른 방사능량이 변한다. 따라서 일정시간 후의 방사능량은 다음 식으로 구할 수 있다.

X=X0e 0.693/T1/2*시간 X0: 초기 방사능 T1/2: 반감기

방사능의 단위는 베크렐(Bq)로 1초당 1개의 핵자가 변환하는 것을 말한다. 예전에는 단위로 큐리(Ci)를 사용하였다.
1 Ci 란 라듐 1 g에서 1초당 변환하는 핵자의 수로 3.7×1010 Bq 와 같다.

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최종수정일 :2017/11/14
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