방사선 안전관리- 방사선의 종류와 물질과의 상호작용

방사선은 공기를 전리시킬 수 있는 전리방사선과 비전리 방사선으로 나누어진다. 

비전리의 경우는 자외선, 적외선, 가시광선과 같은 빛을 말하고 전리 방사선은 우리가 흔히 말하는 방사선으로 쓰인다. 

 

전리방사선에는 알파선, 베타선, 중하전입자선, 중성자선, 엑스선, 감마선 등이 있다. 

방사선은 비교적 높은 에너지를 가지고 나아가며 주변 매질과 상호작용해 에너지를 잃어 주변 매질이 피폭을 받게 된다. 

 

발생기전과 매질에서의 상호작용 등 기초적인 이론에 대해 알아보고자 한다. 

 

알파선 

헬륨의 형태로 무거운 원자핵으로 부터 방출되는 방사선. (보통 Z>83, 예외 존재)

알파붕괴를 하면서 모핵의 질량수는 4 원자번호는 2가 감소한다. 

대부분의 알파입자는 3~7MeV정도의 에너지를 가지고 방출한다. 

높은 에너지를 가졌지만 비교적 무거운 알파선은 비정이 작아서 별로 나아가지 못하고 방출한 지점 근처에서 가진 모든 에너지를 잃어버린다. (알파붕괴)

 

따라서 외부피폭에서는 크게 안 위험하지만 내부피폭에서는 심각하게 고려해야 하는 대상이 된다. 

 

 

베타선 

고에너지의 전자나 양전자 입자를 말함.

베타마이너스 붕괴, 베타 플러스 붕괴, 오제전자로 발생

 

- 베타마이너스 붕괴

중성자과잉핵종에서 보통 발생(핵분열성물질은 중성자과잉핵종)

원자핵에 있는 중성자가 음전자를 방출하며 양성자가 되며 원자번호가 증가함. 

 

- 베터플러스 붕괴

양성자과잉핵종에서 보통 발생

원자핵에 있는 양성자가 양전자를 방출하며 중성자가 되어 원자번호가 감소함.

 

- 오제전자

원자핵의 전자포획, 내부전환 또는 X선에 의해 K껍질 혹은 안쪽 껍질의 전자에 vacancy가 발생했을 때 바깥쪽의 전자가 vacancy로 떨어지면서

여분의 에너지를 방출함. 이때 X선 혹은 오제전자로 방출되는데 두가지는 경쟁적으로 발생.

 

- 내부전환전자 

들뜬 상태의 원자핵이 감마선을 방출해야 할 에너지가 궤도전자에 주어 감마선 대신 원자궤도의 전자를 원자 밖으로 때려냄. 감마선 방출과 경쟁.

 

 

엑스선

자외선보다 짧고 보통 감마선보다 긴 파장을 가진 방사선. (엑스선 : 전자에 의해 감마선 : 원자핵에 의해)

 

- 제동복사선

매질을 통과하는 전자선이 매질내에 있는 핵자의 전하가 형성하는 전기장의 영향으로 궤도의 방향이 바뀌게 되고 이때 제동복사선을 방출함. 

방출되는 X선은 연속스펙트럼을 가짐.  

 

- 특성 X선 

고에너지 전자가 매질과 충돌하면 원자는 들뜨게 되고 에너지 준위가 가장 낮은 K각 전자가 원자 바깥으로 때려져 나갔다면 에너지 준위가 높은 바같쪽 궤도전자가 vacancy인 k각 궤도로 전이함. 이때 그만큼 남는 에너지를 방출하는데 전자기파의 형태로 방출할 경우 특성 X선이라 함. 

 

- 전자포획 

양성자과잉핵종에서 발생함. 베타 플러스 붕괴를 하기에는 충분한 에너지가 없을 경우 K, L 껍질의 전자를 양성자가 포획하여 중성자 및 중성미자를 형성. 이후 내부 껍질이 비면서 외부 껍질 전자가 천이하고 이때 X선이 발생. 

 

- 내부전환효과 

내부전환전자가 방출된 후에 vacancy에 외부 껍질의 전자가 천이하면서 X선 발생.

 

감마선 

전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 레벨을 가짐. 원자핵 전이로 발생. 

 

- 베타마이너스 붕괴 / 베타 플러스 붕괴 

베타붕괴로 인해 들뜨게 된 핵자가 전자기파를 방출 하면서 감마선 발생. 

 

- 알파붕괴

알파선을 방출한 들뜬 원자핵이 감마선 방출 

 

 

 

 

물질과의 반응

 

하전입자

 

필요 개념 : 탄성산란, 비탄성산란, 비정, 저지능

 

-       비정

물질속에 방사선 입자가 입사하여 에너지를 전부 잃을 때까지 진행한 도달거리를 말함.

저지능이 클수록 비정은 짧아짐.

 

-       저지능과 LET

단위거리 당 방사선입자가 에너지를 잃는 비율을 저지능 단위거리 당 방사선입자로부터 물질에 전달되는 에너지

 

-       탄성산란

반응전후 운동에너지가 보존됨.

 

-       비탄성산란

충돌 후 원자핵에 되튐에너지를 주고 동시에 핵을 들뜨게 함.

 

 

 

알파선 및 중하전입자 

하전입자가 물질을 통과할 때, 물질 내 전자와의 비탄성산란 그리고 핵과의 탄성산란에 의해 에너지를 잃어버림.  

(이외에도 체렌코프 방사, 핵반응, 제동복사 등)

대부분의 에너지손실은 전자와의 비탄성산란으로 발생. 

비탄성산란 확률은 통계적 요동을 동반하지만 총 에너지 손실부분에서 요동은 매우 적음. (에너지 손실 정도가 비슷 -> 비정이 비슷)

단위길이 당 평균 에너지 손실 정도를 저지능이라 하며 이 저지능을 계산하는 식을 Bethe-Bloch 공식이라 함. 

 

 

베타선 

매질을 지나면서 제동복사를 함. 

연속스펙트럼 발생.

베타붕괴시 (오제전자 등은 발생기전에 차이가 존재. 즉, 여기서 말하는 베타붕괴와는 다름)

베타분열은 3체분열. (딸핵, 전자, 중성미자)

에너지의 대부분은 질량이 상대적으로 매우 작은 전자와 중성미자가 가져감. 그러나 배분율에는 여러가지 값으로 발생하므로 연속스펙트럼으로 발생.

평균 에너지 : 최대치의 1/3

물질과 상호작용

 

저지능 : 단위길이당 평균 에너지 손실[MeV/cm]

-       질량저지능 물질의 밀도 종속성을 배제하기 위해 저지능을 밀도로 나눈값

 

[비교해야하는 개념]

LET(선에너지전달)

물질에 전달되는 에너지중 2차 방사선과 같이 물질로부터 빠져 나가는 방사선을 제외하고 전달된 에너지로 정의.

저지능은 입자 중심/ 선에너지전달은 물질 중심의 해석

 

è  비정

입사한 방사선이 모든 에너지를 잃어버릴때까지 이동하는 거리를 말함.

알파선의 경우는 방출되었을 때 에너지가 균일하고 직진성이 있기 때문에 도달거리가 거의 비슷함. 하지만 통계적 요동현상에 의해 조금씩 차이가 나 평균도달거리와 외삽거리 두가지를 사용해 알파입자의 도달거리를 정의함.

하지만, 베타선의 경우 방출되는 입자(전자)가 질량이 가벼워 물질의 하전입자들과 상호작용이 크게 작용하고 탄성/비탄성산란을 하면서 지그재그 운동하여 직선이동을 하는 비정을 구하는 것은 무의미. 따라서 베타선의 비정은 물질층에 의한 전자 흡수 또는 투과정도를 실측하여 전자선의 외삽거리 및 최대도달 거리를 구한다.

실험식 :

 

탄성산란/비탄성산란

충돌과정에서 에너지를 잃어버리지 않으면 탄성산란 에너지를 잃으면 비탄성산란

 

 

X선과 감마선

발생기전의 차이가 있지만 물질과의 상호작용 특성은 동일하며 에너지 레벨 별로 반응의 차이가 발생

크게 광전효과/ 컴프턴산란/ 쌍생성/ 광핵반응 등이 있음.

 

-       광전효과

<0.5MeV 에서 발생.

발생 확률 : 원자번호의 5승에 비례하고 에너지의 3.5승에 반비례

원리 : 원자에 입사하여 원자내의 전자를 틔어나가게 하고 감마선은 소멸됨

 

-       컴프턴산란

0.5MeV~5MeV에서 발생

발생 확률 : 원자번호에 비례하고 에너지에 반비례

식 :

 

원리 : 광자가 원자의 최외각전자 또는 자유전자와 상호작용하여 에너지의 일부를 주고 자기 자신은 산란되어 나감

 

-       전자쌍생성

1.02MeV< 발생

발생 확률 : 원자번호 제곱에 비례하고 입사광의 에너지가 클수록 발생.  

원리 : 고에너지의 감마선이 원자의 근처를 지나가면서 방사선이 소멸하면서 양전자와 음전자를 생성, 양전자는 생성과 동시에 주변 전자와 상호작용하며 소멸. 양전자, 음전자는 에너지를 1/2로 나누어 가짐, 이때 양전자가 1.02 <MeV이상의 경우는 주변의 음전하와 반응하여 감마선 방출.