방사선 측정

이론
	'방사능'은 이제 우리의 일상 생활에서 그렇게 생소한 단어가 아니다. 그러나 그 정확한 개념이나 위험성 등에 대하여 잘 인식하고 있지는 못하고 있다. 우리 주변에는 병원의 진찰, 치료등에 방사능을 이용하고 있고, 또한 외국의 핵실험에서 방출되는 방사능 물질의 낙진이 빗물에 녹아 떨어지기도 한다. 뿐만 아니라 지구 반대편에서 일어난 방사능 오염이 과일속에 들어간 채로 수입되어 우리의 입으로 들어가기도 한다. 또한 멀지 않은 곳에 원자력 발전소가 있어 우리 나라의 전력의 상당부분을 발전하고 있고, 세계 전역에 엄청난 양의 핵탄두가 배치되어 폭발되기만을 기다리고 있는 형편이다. 이렇게 이로움과 해로움을 같이 가지고 있는 방사능을 잘 이용하기 위해서는 우리 모두가 그것의 실체를 명확히 알아야 할 필요가 있다. 일반적으로 방사능(radioactivity)은 어떤 원자핵이 붕괴(decay)하여 원자핵의 구성물질의 일부를 방출하는 현상을 말한다. 그리고 그렇게 자발적으로 붕괴할 수 있는 원자핵을 함유한 물질을 방사성 물질이라 한다. 이러한 현상은 1896년 프랑스의 물리학자 베끄렐(Becquerel)에 의하여 최초로 발견된 이래 끊임없이 연구되어 왔다. 한편 이렇게 원자핵의 변화에서 발생되는 모든 것들을 방사선(radioactive ray)이라 하는데, 일반적으로 자연 방사능 물질에서 나오는 것으로는 α선, β선, γ선이 주종을 이루기 때문에 이들만을 말하기도 한다. 또한 원자로에서 주로 방출되는 중성자선도 현대에 이르러서는 중요한 방사선의 하나라 할 수 있다. α선은 핵의 α붕괴에서 방출되는 헬륨의 원자핵으로서 양성자 두개와 중성자 두개가 강한 핵력에 의해 결합되어 있는 복합입자이다. 양성자와 중성자는 바로 원자핵의 구성 물질이므로 α선은 붕괴하는 원자핵의 파편이라 할 수 있다. α선은, 양성자가 가지고 있는 +2 단위의 전하를 가지고 있기 때문에 전기장, 자기장의 영향을 받고, 또한 질량도 큰 편이기 때문에 물질 속에서 에너지를 쉽게 잃어 잘 투과되지 못한다. 그러나 붕괴를 주로하는 물질은 반감기가 긴 것이 많아서 이러한 물질을 섭취하면 인체에 지속적인 영향을 미치게 된다. β선은 핵의 중성자가 양성자로 변하면서 β붕괴에서 중성미자(neutrino)와 함께 방출되는 전자선(혹은 양전자선)을 일컫는다. β붕괴의 β선은 에너지의 분포가 거의 균일하나 β붕괴의 경우에는 중성미자가 에너지를 일부분을 가지고 사라져 버리기 때문에(거의 상호작용을 하지 않는다) β선의 에너지의 분포가 넓은 범위에 걸쳐 있다. 전자는 -1 단위전하를 가지고 있기 때문에 역시 전기장, 자기장에서 운동방향이 변하므로 투과성은 약하다. 그러나 이 -선의 에너지 분포가 넓은 관계로 에너지가 높은 것들이 있어 공기중에서 몇 m 를 운동하는 것도 있다. γ선은 물질이 아니고 원자핵의 상태 변화에서 발생되는 막대한 에너지에 의하여 생겨나는 전자기파이다. 파장이 10^-9∼10^-10cm 정도로서 X 선 보다 짧다. 전자기파의 에너지는 파장에 반비례하므로, γ선은 현재 만들거나 관측할 수 있는 전자기파 중에서는 가장 큰 에너지를 가지고 있다. 이 γ선은 전하나 질량이 없기 때문에 직접적으로 물질에 잘 흡수되지 않고 잘 투과한다. 그러나 γ선은 물질과 광전효과, 콤프턴 효과, 전자의 쌍생성 등의 상호 작용을 하여 높은 에너지의 전자를 발생시키거나 물질을 전리시킨다.
	<방사선 검출> 방사능의 측정은 기본적으로 방사선이 물질과 상호작용을 하는 것을 이용하게 된다. 방사선이 기체를 지날 때 기체를 이온화시키는 것을 이용한 가이거 관, 안개상자 등이 있고, 또 방사선이 형광물질에 충돌하여 내는 형광을 관측하는 섬광계수기, 사진건판을 감광시키는 것을 이용한 원자핵건판 등이 있다. 이러한 장치들은 방사선이 가지고 있는 에너지, 개수 등을 측정하는 것이다. 한편 방사선에 피폭된 생체나 물질에 흡수된 에너지의 양을 방사선량(radiation dose)이라 한다. 인체에 방사선이 흡수되면 방사선량의 정도에 따라 폐해가 나타나므로 실제로 원자력 관련 기관에 종사하는 사람은 방사선량계(radiation dosimetry)를 부착하고 있다. 방사선량계는 플라스틱 용기 안에 집전용 전극과 이온화가 잘 되는 원통 용기로 되어 방사선에 노출된 정도에 따라 대전량이 달라지는 구조로 되어 있는 포켓형, 사진건판을 빛에 노출되지 않게 검은 카드 속에 밀폐시킨 형태, 고체로 되어 있어 장시간에 걸쳐서 노출된 선량이 그 고체의 내부적인 구조상의 결함을 만들어 내고 이 정도를 측정하는 것 등이 있다. < 가이거 계수기 > 가이거 관은 1928년 독일의 가이거(Geiger)와 뮐러(M ller)가 고안한 방전관으로서 α, β, γ선을 측정할 수 있는 장치이다. 이를 가이거-뮐러 관, 혹은 가이거 관, GM 관이라 한다. 그림 1에 나타나 있는 것처럼 원통에 기체를 넣어 두고 음극과 양극을 통하여 고전압을 건다. 원통의 바닥에 있는 얇은 절연체 창을 통하여 방사선이 들어오면 기체가 이온화되어 순간적으로 방전되어 전류가 통한다. 이 전류를 증폭하여 신호가 들어오는 개수를 세거나 스피커를 연결하여 '틱'하는 소리를 듣게 한다. 이 펄스의 발생은 양단에 걸어주는 전압의 크기에 민감하게 변하는데, 이 특성을 나타내는 그래프를 정체기 곡선(plateau curve)이라 한다. 보통 상업적인 용도의 가이거 관의 경우에는 이 특성 그래프를 미리 조사하여 작동전압을 표기해 두고 있다. 그러나 보통 가이거 관들은 특성이 각각 조금씩 차이가 있고 고전압의 전원공급장치도 표시 전압에 오차가 있기 때문에, 측정을 할 때마다 특성곡선을 그려서 적정의 동작전압을 구한다. 계수기(counter)는 주어진 시간동안에 관으로부터 발생되는 펄스 형태의 신호를 세어서 숫자판에 표시하는 장치이다. 가이거 관에 따라 걸어주는 적정전압이 다르므로 전압을 0∼1000V 범위에서 조절할 수 있게 되어 있다.
	그림 1. 가이거 관의 구조. 왼쪽 그림은 관의 외관으로, 끝 부분에 방사선을 받아들일 수 있는 창이 있다. 이런 형태의 것을 end-window 형이라 부른다. 관 내부에는 소량의 아르곤, 알콜등의 액체를 넣어 봉인했다. 가운데에 가느다란 텅스텐의 선을 세워서 양극(anode)으로 하고, 원통부분은 금속벽으로 만들어 음극(cathode)으로 하여 고전압을 걸어 준다.
	< 가이거 관의 적정전압 > 방사선 시료를 가이거 관 밑에 두고, 계수기에서 가이거 관에 걸리는 전압을 0V에서부터 서서히 증가시키면 관은 시작전위(starting potential)가 되어서야 계수가 되기 시작한다. 이 전압으로부터는 전압을 약간만 증가시켜도 계수량은 급격히 증가하는데 이 전압을 문턱(threshold)전압이라고 한다. 문턱을 지나 전압을 좀 더 증가시키면 계수비가 거의 증가하지 않은 전압에 이른다. 이 영역을 정체기(plateau)라 한다. 동작전압은 정체기 범위 내에서 정해진다. 관의 수명을 연장하기 위해 동작전압은 항상 정체기의 25%인 문턱근방에서 선택하도록 한다. 전압을 정체기를 지나 더 증가시키면 또다시 계수량이 급격하게 증가하는데, 이는 관속의 기체가 전리되어 연속적으로 방전이 일어나기 때문이다. 가이거 관을 이 상태로 동작 시키면 쉽게 망가진다. 본 실험에서는 전압값을 바꾸어 가며 1∼5분당 계수되는 개수의 그래프(정체기 곡선)를 작성한 후 동작을 위한 적정전압을 구하도록 한다. 가이거 관과 함께 계수기(scaler)를 사용한다.
	그림 2. 가이거 관의 정체기곡선
	< 자연방사선 > 대부분의 사람들은 자연방사선에 광범위하게 노출되어 있다는 것을 종종 깨닫지 못한다. 이 자연방사선은 우주선(cosmic ray), 우리 몸이나 흙에 있는 방사능 원소, 집을 이루고 있는 벽돌 등 많은 물질로부터 나온다. 실제 실험에서 배경으로 항상 계수되는 자연방사선을 제외하기 위하여 시료와 가이거 관 등 실험 기구 전체를 납 등으로 차폐시켜야 하지만, 완전한 차폐는 어려우므로 실험시 실험실의 배경 계수량을 측정해 놓고 이를 실험과정에서 측정한 계수량에서 빼어 주어야 한다. 특히 방사선이 미약한 시료를 쓰는 경우에는 이 두 절차가 다 필요하다.

실험방법

< 가이거 관의 정체기곡선과 적정전압 결정 >

(1) 전원의 전압조절 스위치를 가장 낮은 곳에 맞춘 후, 전원 스위치를 켠다. 또한 계수기의 전원 스위치를 켜고, 약 3분 정도 기다린다.

(2) -선 동위원소를 시료 받침대의 두번째 선반에 놓는다.

(3) 계수량을 0으로 리셋시킨다.

(4) 계수시간을 1∼5분에 맞춘다. (실험 상황에 따라서 측정 시간은 적당히 택할 것. 측정시간이 길어지더라도 1분당의 계수량으로 환산할 것)

(5) 계수 시작 스위치를 누르면 계수가 시작되고, (4)에서 맞춘 시간이 경과하면 계수가 끝난다.

(6) 계수 정지 스위치를 누른다.

(8) 계수판의 표시 수를 읽어서 가이거 관에 걸어준 전원의 전압과 함께 기록한다.

(9) 계수량을 0으로 리셋시킨다.

(10) 전압을 10∼50V 씩 증가시켜서 (5)∼(9)의 과정을 되풀이 한다. 이때 연속적 방전으로 인한 관의 파괴를 막기 위하여, 계수량이 정체기의 계수량의 10%를 넘지 않도록 주의하여야 한다. (전압에 따른 계수량의 변화가 심한 데에서는 측정 전압 간격을 줄인다.)

(11) 전압에 대한 분당 계수량의 그래프를 그린다.

(12) 그려진 그래프로 가이거 관의 적정전압을 결정한다.

(12) 계수기를 사용한 후 항상 전압은 가장 낮은 위치에 있는지 확인하고, 계수기를 끄도록 한다.

< 자연방사선 측정 >

(1) 가이거 관과 관 지지대 주위를 차폐시키지 않고 5분 동안 3번 자연방사선을 측정한다. (이때 앞 실험에서 구한 가이거 관의 적정전압을 관에 걸어주고 계수량을 측정한다.)

(2) 납으로 관과 관 지지대를 주위로부터 차폐시켜 들어오는 방사선으로부터 차폐시키고 (2)와 같은 방법으로 자연방사선을 측정한다.

< 방사선원의 거리에 따른 계수량 측정 >

(1) 주어진 방사선원과 계수기(창 부분)와의 거리를 변화시켜서 계수량을 측정하여 거리에 따른 계수량 그래프를 그린다. 이러한 측정에서 항상 자연방사선을 빼 주어 순수한 시료의 방사선반을 계수량으로 삼도록 해야 한다. 자연방사선은 시시각각 변하므로 실험 시작과 끝에 따로 측정하여 이의 평균으로 삼는 것이 좋다.

실험장치
		그림 3. 계수기와 전원. 이 모델은 계수기와 전원을 일체형으로 만든 것이다. 전압조절 스위치(voltage control sw.)는 10V 단계로 전압을 조절해 준다. 그외 펄스의 갯수를 세어주는 시간 간격을 조절하는 로터리 스위치, 계수량을 0으로 해주는 리셋 스위치(reset sw.) 등이 있고 계수량을 LED 계수판에 표시해 준다.
	(1) 가이거 관 : 정체기곡선을 측정하여 최적의 조건을 찾기 위한 것. (2) 계수기 : 주어진 시간에 가이거 관에서 입력되는 펄스의 개수를 세어서 계수판에 숫자로 표시해 준다. 펄스가 입력될 때마다 스피커에 '틱'하는 소리가 나게 되어 있는 것도 있다. (3) 전원 : 가이거 관의 음극-양극간에 0∼1000V 범위의 전압을 걸어주는 직류전원. 계수기와 일체형으로 되어 있는 것도 있다. (4) 방사선 방출 동위원소 : α, β, γ선방출용 (5) 시료 받침대 : 가이거 관을 그림 4 처럼 고정시키는 지지대로서 아래 부분에는 동위원소를 놓고, 또한 실험에 따라서 투과 물체나 산란 물체를 놓는다. (6) 납 차폐물
	그림 4. 시료 받침대

방사선 측정

실험목적

이론

실험장치

실험방법

질문

참고도서

실험목적
	α, β, γ선 등 방사선의 특징을 이해하고 이를 측정하기 위한 가이거 계수기의 최적조건을 구한다. 또한 우리 주위를 지나 다니고 있는 자연방사선을 측정하고 이를 차폐할 수 있는 방법을 연구한다.