공부하고 정리하고

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.

 오늘은 방사성동위원소가 진단 분야에서 활용이 되는 PET에 대해서 알아보겠습니다.

양전자란?

양전자라는 말이 익숙하신가요?
제가 예전에 소개했던 반물질에 대해 아시나요? 를 읽어보신 분이라면 익숙하시겠지만 그래도 한 번 더 설명하도록 하겠습니다.

양전자는 흔히 우리가 아는 전자와 부호가 반대인 전자입니다. 그래서 반입자라고도 합니다.
이 반입자는 입자와 만나 소멸하는 반응을 굉장히 잘합니다. 그런데 우리의 우주는 입자와 반입자의 균형이 깨져 입자가 가득한 세상을 이루고 있습니다. 그래서 반입자가 생겨나면 바로 주변의 입자들과 반응하여 소멸하게 됩니다. 이러한 현상은 전자와 양전자 사이에서도 일어납니다.
이를 쌍소멸이라고 하는데 전자와 양전자가 만나서 사라지고 감마선 또는 다른 입자의 형태로 변환됩니다.

이라는 식에 따라서 말입니다.

이때 조건이 있습니다. 이 반응 시 전하량과 운동량, 에너지가 보존이 되어야 합니다.
전하량이 보존이 되기 위해서는 전하량의 합이 0이 되어야 합니다. 그런데 양전자와 전자는 부호만 다르고 양 자체는 같으니까 합하면 0이되어 전하량이 보존이 됩니다.
운동량과 에너지를 보존하기 위해서는 우선 에너지의 경우는 반응 전 후의 에너지 합이 같아야 합니다. 하나의 전자가 가지는 정지질량에 해당하는 에너지는 0.511MeV이고 두 개가 만나 대략 1.1MeV의 에너지가 반응 후의 에너지입니다.
그리고 운동량의 경우는 두개의 입자가 만나서 생기는 결과인 감마선이 반응 전 입자와 운동량 보존을 이루기 위해서는 충돌해서 반응 전 운동량의 합이 0임을 고려해서 반응 후 감마선의 운동량도 0이 되어야 합니다.
이를 위해서는 에너지를 반으로 나눠서 반대 방향으로 방출된다면 운동량의 합을 0으로 만들 수 있습니다.

그래서 결론은 다음과 같습니다.

양전자는 전자와 만나서 쌍소멸을 한다.

쌍소멸시 생성되는 감마선은 두 개로 나뉘어 반대방향으로 방출된다.

자 이제 본론으로 이제 들어가 보겠습니다.

PET?

PET는 Positron Emission Tomography라 하여 양전자 방출 단층 촬영을 말합니다.
양전자를 방출하는 물질을 사용한 단층 촬영법입니다.

그렇다면 왜 양전자를 방출하는 물질을 사용할까요?

양전자는 쌍소멸이라는 반응을 통해 반대 방향으로 나아가는 감마선을 방출하는 특징을 가졌습니다. 즉, 검출기에서 감지가 되었을 때 이 감마선이 어디서 왔는지 역으로 예측이 가능합니다.
위치를 확인할 때 우리는 종양이 있는 곳을 찾아내고 싶습니다. 그래서 이 양전자를 내는 물질을 종양에 보내야 합니다. 종양이 없는 데서 이 양전자를 내고 있으면 PET라는 장비는 무쓸모가 되버리니까요.
그렇다면 한 번 생각해봅시다. 인체 내부에 종양과 같은 것을 찾아내기 위해서 우리가 어떤 방사성동위원소를 사용해야 할까요.? 두가지 정도의 조건이 필요할 것으로 생각이 됩니다.

1. 인체와 거부반응이 없어야 한다.
   거부반응이 없으려면 최대한 화학적 물리적으로 비슷한 물질을 사용해야 합니다. 그래서 우리 몸을 이루고 있는 주요 구성 성분인 산소(O), 질소(N), 탄소(C), 불소(F)의 방사성 동위원소를 활용한다고 합니다.
2. 인체보다는 암과 활발한 반응이 일어나야 한다.
   1번 조건을 통과해서 인체에 들어왔지만 말 그대로 반응이 없이 몸밖으로 배출이 된다면 의미가 없습니다. 그래서 투여되는 방사성 동위원소가 암세포에 모이도록 만들어 줄 필요가 있습니다.

그래서 보통 사용하는게 방사성 의약품인 F-18-불화디옥시포도당이라는 물질이라는데 포도당 유사물질이라고 합니다. 종양이 포도당을 많이 사용하는 특징이 있어 이 물질을 투여하면 종양에 많이 모이게 되고 검출기에서도 이부분이 더 많이 검출되게 됩니다.

영상을 어떻게..?

자 이제 CT에서와 유사합니다. 의료분야에서의 활용2 CT
감마선을 검출하는 검출기가 둘러쌓여있고 이를 검출했을 때 나오는 위치를 데이터화해서 이를 영상화하게 됩니다.
CT와 다른점은 CT는 외부에서 방사선을 조사시켜 감쇠된 정도의 차로 영상을 얻은 반면 PET는 암세포의 존재여부로 영상이 달라지게 됩니다.
그래서 PET의 경우는 암세포와 같은 곳에 모여서 검출되는 특징이 있는것처럼 몸안의 구조를 분별있게 영상화해주지는 못합니다. 이를 보완하기위해 CT의 해부학적 영상을 같이 보도록 보통 PET-CT로 같이 사용하게 됩니다.

PET 말고도 SPECT라는 감마카메라도 존재하는데 양전자를 사용하는 PET과 달리 감마선을 내는 물질을 사용하는 차이가 있지만 영상을 얻어내는 기본적인 원리는 동일한 것으로 알고 있습니다. 그래서 생략하도록 하고 진단 분야에서의 활용은 끝을 맺겠습니다.

X-ray 촬영의 업그레이드 버전인 CT에 대해서 알아보겠습니다.
저는 아직까지 CT를 찍어본 적이 한번밖에 없어서 실제로 본적은 한번뿐이지만 여러분들은 보신적이 있으신가요?

이렇게 생겼습니다. 링모양의 기계가 웅~ 소리를 내면서 몸을 스캔하게 됩니다. 왜 이렇게 작동을 할까요?
오늘 그 원리를 알아보고 CT와 일반 X-ray 촬영기의 차이점에 대해서 설명하겠습니다.

CT

Computed Tomography라고 하며 컴퓨터 단층 촬영을 말합니다. 하지만 앞에 엑스선 전산화라는 말이 붙습니다. 앞에 이 말이 붙는다는 것은 X-ray 촬영의 원리와 비슷할 것이라고 생각할 수 있습니다.
네, 비슷합니다. 다시 저번 포스팅을 회상해보겠습니다. (의료분야에서의 활용1)
X선이 인체를 지나가면서 감쇠되는 정도를 우리의 몸 뒤에 있는 검출기를 통해 검출해내고 이를 디지털화해서 컴퓨터로 이미지를 얻어낸다고 했었습니다.
기억이 나시나요? 안나신다면 한번 읽어보고 오시는 것을 추천해 드립니다.

그런데 이 X-ray 촬영법은 이미지를 2D로 얻어냅니다. 즉, 3차원인 우리의 몸을 그저 종이에 붙였다가 때면 남는 흔적처럼 2차원으로 얻어내게 되는 것이죠. 그래서 정밀한 환부를 찾아내야 할 때는 X-ray 촬영은 한계가 있습니다. 이러한 한계를 보완하는 장비가 CT입니다.

CT는 2D를 3D로 얻어내도록 설계가 되어 있습니다. 어떻게 하는지 개념만 알아보겠습니다.
우리 인체의 가로 단면을 봅시다. 만약 X-ray라면 이 가로 길이만큼 우리는 정보를 얻겠죠. 하지만 그림에서와같이 두께라는 것이 존재하고 그사이에는 많은 장기와 뼈가 존재할 것입니다. 우리는 여기서 정확한 정보를 얻고자 합니다. 그래서 source가 나오는 즉, x-ray가 나오는 부분을 여러 곳에서 조사시켜주게 됩니다. 이렇게 하면 어떻게 달라질까요?

우리 몸의 가로 단면을 특정 크기로 구역화하여 가상으로 쪼개어 줍니다. 그럼 우리의 몸의 국소부위들은 행렬처럼 자리값을 부여받았습니다.
그리고 X선은 한 바퀴를 돌며 조사가 됩니다.
몸을 투과한 X선은 감쇠가 되었을 겁니다. 이 데이터는 검출기에 저장이 됩니다. 여기서 감쇠된 정도를 모든 방향에서 다 얻었기 때문에 우리는 각각의 자리값의 감쇠되는 정도를 알 수 있습니다. 어떻게요? 간단합니다. 간단한 3ⅹ3 행렬로 예를 들어보죠.

위에 써진 영문자는 각각의 자리가 가지는 감쇠된 정도를 나타내는 미지수입니다.
우리는 모든 방향에서 감쇠된 정도를 구한다고 했습니다.
즉, b,e,h를 지나는 경우 b부위와 e부위와 h부위를 지나며 감쇠된 결과 값을 알게 됩니다.
예로 b+e+h=7과 같이 말이죠.

이런식으로 모든 방향 이 경우 적어도 12개의 식을 얻게 됩니다. 그런데 미지수는 9개죠.

이 경우 연립방정식을 통해 결과값을 구할 수 있게 되고 미지수를 구할 수 있게 됩니다.

이 미지수들은 각각의 부위들이 가지는 감쇠정도를 말하며 우리 인체의 뼈나 특정 장기는 감쇠되는 정도가 밀도차, 구성 원소의 차이에 의해 다르게 됩니다. 그리고 이를 파악해놓았습니다.
즉, 각각의 부위가 어떤 물질로 이루어졌는지 알게 된다는 뜻입니다.

이런식의 방법을 적용하여 더 많은 미지수를 가진 우리의 몸을 컴퓨터가 계산하여 3차원 이미지 영상을 만들어 냅니다.
그런데 실제 우리 몸에 적용할 때는 더 많은 미지수가 있는 만큼 하나하나 소스를 옮겨가며 촬영하기는 어렵기 때문에 같은 선원 같은 검출기를 링에 서로 반대 방향에 넣고 이를 360도 돌려가며 촬영을 하는 것입니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

오늘은 방사성동위원소의 이용 분야에서 마지막인 의료분야에 대해서 알아보려고 합니다.
하지만 소개하고자 하는 글이 길기 때문에 이 또한 몇 번에 걸쳐 소개하겠습니다.
앞으로 X-ray를 시작으로 CT, PET, 그리고 radiotherapy까지 소개하겠습니다.
그래서 X선을 통한 진단을 오늘 소개할 예정입니다.
그런데 사실, 이에 관한 포스팅은 예전에 한 적이 있습니다.
삼성전자: X선 피폭량 1/10로 줄여드립니다~ 에서 말이죠.
하지만 RI시리즈로 포스팅하고 있는 만큼 한번 더 소개하도록 하겠습니다.

X-ray란?

X선은 미지수 X에서 따온 말로 처음에 알 수 없는 빛이라 하여 X선이라는 말로 지었습니다.
X선은 원자핵 주위를 돌고 있는 전자가 여기되었다가 떨어지며 안정화가 되면서 에너지를 빛으로 방출한 결과물입니다.

조금 더 자세히 이야기하자면

양자역학 혹은 화학에서 핵의 주위를 돌고 있는 전자는 한 궤도가 아닌 여러 궤도를 가지며 이 궤도가 연속적이지 않고 불연속적으로 특정 궤도를 가진다고 합니다. 나무의 나이테를 떠올려보시면 원들이 동심을 가지고 있죠? 그런 것처럼 여러 원들이 각각의 궤도를 뜻합니다. 이를 반지름이 큰 원이 높은 에너지를 가졌다 하고 핵과 가장 가까운 궤도가 낮은 에너지를 가졌다고 합니다. 즉, 가까울수록 더 큰 지배를 받는다는 말입니다. 이를 가장 가까운 궤도부터 K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질이라고 합니다.

그렇다면 이 껍질들 사이 전자들은 어떻게 이동할까요? 양자역학에 근거하여 확률적으로 양자도약을 하게 됩니다.
그런데 우리가 반지름이 작은 안쪽 전자들에게 에너지를 준다고 보면 에너지가 높아진 전자는 높은 확률로 높은 에너지의 궤도로 전이가 됩니다. 하지만, 이 상태는 불안정합니다. 자연계는 외부의 힘이 없다면 안정한 상태로 돌아가려고 합니다. 이 전자도 마찬가지입니다. 다시 원래의 안정된 상태로 돌아가려고 합니다. 이 안정된 상태로 돌아가려면 어떻게 해야 할까요? 먹은 걸 다시 돌려줘야 합니다. 그래서 전자는 에너지를 방출시키고 떨어집니다. 이때 에너지를 방출하는 방법은 경쟁 관계에 의해 오제전자 혹은 X선으로 방출을 합니다. 이때의 X선을 특성X선이라 합니다.
우리는 이 X선을 사용하게 되는것이구요.

그리고 한 가지 다른 방법은 전자가 클롱힘을 통해 궤도가 휘게 될 때 전자기파를 방출하는데 이때의 전자기파를 연속 엑스선이라고 합니다. 연속인 이유는 다양한 에너지를 가진 빛이 방출이 되기 때문입니다.

이 X선을 평소 사진 찍는 취미가 있던 뢴트겐이 부인의 손을 찍어내는 결과를 만들어 내었고 의료분야의 진단 분야에서 유용하게 활용이 되기 시작합니다.

원리

원리는 단순합니다.
X선은 우리의 눈이 보는데 사용하는 가시광선보다 투과성이 높습니다. 그렇기에 인체를 투과하여 그 결과물을 받아낼 수 있습니다.

그런데 투과를 하면서 X선은 상호작용을 합니다. 왜냐하면 물질과 상호작용을 하면 광전효과 혹은 컴프턴산란 또는 쌍소멸의 방법으로 에너지를 내주게 됩니다. 그럼 투과를 못 하게 되거나 하더라도 에너지가 낮은 X선이 나오게 됩니다. 그럼 X선 다발을 생각해보죠. 수천만 개가 지나간다고 생각해봅시다.
그렇다면 X선 다발은 상호작용으로 에너지 밀도가 줄어듭니다.
그런데 줄어드는 정도가 물질에 따라 다릅니다. 물질마다 밀한정도가 다르고 각각의 물질을 이루고 있는 원자들 또한 다르기 때문입니다.
따라서 물질이 밀할수록 그리고 주기율표상에서 원자번호가 클수록 통과하기 힘든 물질이 됩니다.

활용

우리가 해야 할 일이 무엇일까요? 이 줄어든 결과물을 분석하면 됩니다.

과거 우리는 필름지를 활용해 이 결과물을 분석했습니다.

이 부분은 의료분야 전공이 아니기 때문에 지금도 사용하는지는 잘 모르겠습니다. 허나 제가 본최근 병원들은 다들 이 방법을 사용하지는 않는 것 같았습니다.

X선을 흡수한 물질이 감광하여 흔적이 나타나는데 뼈와 살 중에 뼈가 더 많은 상호작용을 통해 투과성이 더 낮습니다. 그래서 흔적에 차이가 생기게 되고 이를 분석하는데 사용하게 됩니다.

최근에는 검출기를 사용합니다. 디지털 검출기로 투과한 X선을 검출기를 통해 전자를 방출시키게 해서 이 전자를 계측하여 감쇠된 정도를 비교하게 됩니다. 그 결과를 이미지화해서 컴퓨터로 보게 되는 겁니다. 이 방법은 방사선 검출기에서도 동일하게 사용되는 방법이기도 합니다. 의료용은 시각적인 분석을 위해 이미지화를 한 차이가 있지만요.

X선을 얻는 방법?

얻는 방법은 방사성동위원소 중에 X선을 방출하는 동위원소를 밀봉시켜 보관하고 적절한 필터를 활용해 X선만 방출하도록 만든 장치를 활용할수 있습니다. 하지만 이 방법을 활용하면 보관이나 관리에 있어 까다로운 단점이 있습니다.

또 다른 방법은 전자를 가속시켜 금속판(텅스텐)으로 보내 부딪히면 위에서 언급한 특성 X선이 방출이 되는데 이 X선을 활용하는 방법이 있습니다. 이 장치는 가동을 하지 않는다면 방사선이 안나오는 장점이 있습니다.

마치며..

X선을 이용한 가장 기본적인 이 진단 방법은 뼈가 부러지거나 금이 갔을 때 정확하게 진단하는데 도움을 줍니다. 정말 현대 인류에 없어서는 안될 장비 중 하나입니다. 그렇기에 X선을 발견한 뢴트겐과 장치를 개발한 공학자들과 이 장치를 가지고 분석해 아픈 곳을 진단해주는 영상의학과 의사분들에게 감사하게 됩니다.
다음시간에는 CT장비에 대해서 간략하게 소개하도록 하겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

생수병에 물이 2/3이상 차있다고 생각해보겠습니다. 이때 위에 남은 공간에 물을 부었습니다. 그때 생수병 하단에 구멍을 뚫어보세요. 물이 나올 겁니다. 그럼 이때 새로 넣은 물이 이 구멍으로 나오기까지 얼마나 걸릴까요? 방법은 여러 방법이 있겠죠. 색소를 사용한다던가 물과 밀도가 비슷한 물질을 첨가하던가 말이죠. 즉, 구별이 가능한 물질이 유입되는 물과 섞일 필요가 있습니다. 이러한 이유로 방사성동위원소가 머무르는 시간을 파악하는데 사용될 수 있습니다.

방법?

방법은 제가 전에 소개한 tracer dilution과 비슷합니다. RI의 이용 : Tracer
Sampling한 방사성동위원소가 첨가된 물을 계측하고자 하는 탱크 같은 곳에 넣어주고 탱크의 물이 나오는 출구에 검출기를 설치합니다. 그리고 처음 넣어주었을 때부터 검출기에서 검출될 때까지의 시간을 기록합니다. 이렇게 여러 번 검출하다 보면 평균적으로 머무는 시간을 예상하게 됩니다.

Why?

그럼 왜 이 거주시간이라는 것이 궁금할까요?
산업에서 화학공정과정이 있을 때 이 화학공정의 성공 여부가 탱크 내부의 유체가 얼마나 효과적으로 교반 및 혼합이 되는가에 크게 의존한다고 합니다. 그래서 이 내부 유체들의 흐름을 분석하기 위해서 RDT(Residence time distribution)와 CFD(Computational fluid dynamics)를 이용해 분석한다고 합니다. 그렇기에 RDT에 충분한 정보를 제공하기 위해서는 방사성 동위원소를 활용한 거주시간 분석이 필요한 것이지요.

다른 산업에서의 이용

그리고 이와 비슷한 방식인 tracer로써 사용은 정말 많은 분야에서 사용이 됩니다. 전에 소개했듯이 누수나 누유를 감시하거나 바다의 흐름을 분석하거나 하는데 사용이 가능합니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

방사선 동위원소 이용중에 우리의 삶과 또한 밀접한 관계를 가지고 있는 분야가 하나 있습니다. 

바로 대단위조사시설인데요. 들어보셨나요? 우리나라에는 그린피아라는 업체가 이 분야에서 일을 하고 있습니다. 과연 어떤 일을 어떻게 하는 걸까요?

방사선을 맞으면 위험하다는 것은 누구나 알고 있습니다. 만약 고선량의 방사선이 인체에 들어오면 세포사(세포 수준에서의 기능 상실)를 유발하여 사망한다고 예전에 말씀드린 적이 있지요? 이처럼 세포 수준에서 죽여버릴 만큼 고에너지를 가진 방사선을 식품에 조사시켜준다면 어떻게 될까요? 식품 안에 있는 세균들이 다 죽어버릴 겁니다.
기존의 식품처리방법은 어떤가요? 전 식품공학을 전공하지 않아서 잘은 모르지만 방부제 같은 화학적 처리로 이 세균이 자랄수 없는 환경을 만들어준다고 알고 있습니다. 그렇기 때문에 방부제가 많이 들어간 음식을 먹게 된다면 몸에 좋을 리가 없죠.

하지만 방사선을 통해 멸균한다면 어떻게 될까요? 일단 세균들은 다 죽어버릴 겁니다. 살 수가 없죠. 하지만 방사선을 맞은것이지 방사성 오염이 된 것은 아닙니다. 이 부분이 중요합니다. 사람들은 흔히 방사선에 피폭이 되었다고 하면 그 사람이 방사선을 낼 것으로 생각하는데 이는 잘못된 생각입니다. 방사선을 내려면 오염구역에서 피폭이 되야합니다. 즉, 제가 예전에 소개한 고이아니아 사건처럼 직접 방사선을 내는 물질들이 있는 곳에서 그것들이 인체에 흡입되어야만 그 사람 근처에 가는 게 위험해지는 겁니다.

하지만 X-ray 맞았다고 맞은 사람이 방사선을 맞고 나서도 내고 있지는 않죠? 이것은 방사선만 맞았기 때문입니다. 방사선을 내는 물질은 여전히 X-ray발생기안에 그대로 들어있기 때문이죠.
어쨌든, 결론은 방사선을 맞은 식품은 방사선을 내지 않는다 입니다. 그렇기에 세균은 죽었고 그 뒤로 유해한 물질이 나오지 않으므로 식품의 보관 장거리 운송에 정말 좋은 식품 처리방법이 됩니다.

방사선은 무엇으로?

일단 source로 가장 많이 사용하는 선원은 Co-60으로 감마선을 방출하는 방사성 동위원소입니다.
여기서 사용하는 Co-60의 방사능은 감자와 같은 농작물 발아 억제, 해충제거의 경우는 10만큐리를 사용하고 한번에 많은 제품을 생산하거나 무균품을 제작할때는 백만큐리에 이르는 방사능을 가진 선원을 사용합니다.

100만큐리라고 하니까 어느정도인지 감이 오나요? 조금 더 설명해보죠.
Co-60하나당 붕괴시 대략 2.5MeV정도의 감마선이 방출됩니다. 100만큐리를 기준으로 말씀을 드리면 1Ci=3.71010Bq입니다. Bq은 초당 붕괴량을 말합니다. 그럼 계산을 해보죠.
초당 3.71016개가 붕괴를 하고 하나당 2.5MeV가 나옵니다. 이두값을 곱하면 초당 나오는 에너지량이 됩니다. 계산해보니 9.25TeV입니다.
이 백만 큐리에 해당하는 에너지를 사람이 정통으로 맞게 된다면 즉사할 수도 있다고 합니다. 그만큼 조심해야 하죠.

어떻게..?

그럼 어떻게 이를 보관하고 처리할까요? 평상시에는 이 선원은 깊고 물이 가득 차 있는 수조에 넣어둡니다. 밖에 놔두면 아무도 못 돌아다니니까요. 밀봉은 되어있기에 오염은 걱정이 없습니다. 그래도 혹시 모를 누설을 대비하여 이 수조의 물을 채취하여 오염정도를 확인합니다.
그리고 사용할 때는 식품에 조사하기 위해 조사시설로 끌어올립니다. 물론 주변에는 사람이 있으면 안 됩니다. 끌어올려 방사선을 수초에서 수분을 조사하여 세균을 죽이면 다시 수조로 집어넣습니다.

그럼 마지막으로 우리나라에서 이러한 작업을 하는 그린피아에 대해 조금 알아보겠습니다.
하고 있는 사업은 감마선조사사업, 전자선조사사업, 시험분석서비스, 지시계판매, EtO 멸균사업, 창고보관업이라고 나오네요. 이중에 감마선조사사업이 제가 소개해준 사업이고 전자선조사사업은 감마선이 아닌 베타선을 이용한 시설입니다. 그런데 이시설은 제가 기존에 알던 식품말고도 폴리머 기능 향상 및 재료의 성능 향상을 위해서도 사용을 한다고 합니다. 그리고 나머지 사업들도 읽어보니 이 멸균사업과 관련된 사업을 진행하고 있습니다.

"해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글이미지임을 알립니다."

RI의 이용 분야 중에 산업에서는 비파괴검사가 주를 이룬다고 소개했었습니다. 그런데 이에 준하여 방사성동위원소가 많이 사용되는 분야가 있습니다. Tracer로의 사용입니다. 뭔지 한 번 알아보겠습니다.

Tracer?

해석하면 추적자라는 뜻을 가지고 있습니다. 하는 역할은 말 그대로 추적을 하기 위해 사용하죠. 산업에서는 규모가 크기 때문에 육안으로 모든 것을 계측하기 힘들기 때문에 누설하는 부위를 찾기 위해서 압력을 감시하는 누설율을 시험하기도 합니다. 그런데 이런 방식말고도 방사선을 이용한 방식으로도 제어를 할 수 있습니다. 비슷한 방식으로 부피를 측정하는데도 사용할 수 있습니다. 오늘은 이 부피를 측정하는 방식에 대해서 소개하려고 합니다.

기존의 부피측정

기존의 부피측정 방식은 어떻게 측정할까요? 유체를 담는 통이 규격화가 되어있다면 부피를 바로 계산이 가능하지만 불규칙하고 계산하기에 부적합하다면 유체를 담았다가 유체의 양을 측정을 하죠. 하지만 호수나 연못의 부피를 이렇게 측정하기에는 한계가 있겠죠. 이럴 때 방사성동위원소를 사용하면 손쉽게 부피를 알아낼 수 있습니다.

Tracer Dilution

알아내는 방법은 간단합니다. 부피를 알아내고자 하는 곳에 방사능 감시기를 설치합니다. 예를 들어 동굴에 집어넣습니다. 그리고 샘플화된 방사성 동위원소가 들어있는 용액을 동굴에 넣습니다. 예를들어 1L의 방사성 물질이 든 용액을 넣는 것입니다. 이렇게 넣고 시간에 흐를 때까지 기다려야 합니다. 시간이 충분히 흘러 자연순환으로 이 용액이 충분히 섞이게 되면 이때의 방사능을 감시합니다. 그럼 기존에 넣은 방사성 물질의 반감기를 고려하여 감소됬을 방사능과 비교를 하게 됩니다. 이때 부피를 V, 방사능을 C라고 표현하면 계측했을때의 sample의 부피를 V1, 방사능이 C1(t)이고 알고자 하는 곳의 부피를 V2, 방사능을 C2라합니다. 여기서의 V2는 다음의 관계를 가집니다.

C1∙V1=C2∙V2

이러한 관계를 이요하여 부피를 측정합니다.
이를 위해서 사용 방사성 핵종은 반감기가 충분히 길어야하고 용매와 잘 섞이는 물질이어야 합니다.
그런데 방사성 물질을 사용하면 위험하다고 생각하실 수 있습니다. 하지만 여기서 사용하는 양은 아주 극소량입니다. 사용하는 검출기의 검출 효율에 따라 다르겠지만 검출에 필요한 양은 극소량으로 자연계에 존재하는 양 이상으로 월등히 높거나 하는 양은 아니니까 걱정할 필요는 없습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지임을 알립니다”

소개할 사건의 이름은 고이아니아 사건입니다.

사건의 배경은 브라질의 고이아니아 지방에서 일어납니다. 시기는 1987년 9월이군요. 이 지방의한 보건소에서 의료기기 도난사고가 발생합니다. 이 의료기 안에는 불행히도 Cs-137이 보관되어 있었습니다. 세슘-137은 반감기 30년을 가졌고 베타선과 감마선을 방출하는데 제가 저번시간에 소개한 비파괴검사용 선원으로도 사용이 됩니다. 어쨌든 위험하기 때문에 관리 대상입니다.

그런데 이 Cs-137이 든 의료기기를 훔친 도둑들은 분해를 하다가 이 세슘이 든 캡슐을 깨뜨리게 되었고 이를 고물상에다가 팔아 버렸습니다. 이것이 비극의 시작입니다.

이 고물상의 주인은 방사선이라는 것을 모르는 상태이며 설사 알았다 하더라도 인지하지 못한 상태입니다. 이때 고물상의 주인은 어두울 때 이 캡슐을 보고 맙니다. 이 캡슐에서는 세슘이 붕괴를 하며 감마선을 내고 있었고 푸른빛이 나고 있었죠. (이 푸른빛은 체렌코프효과라 하여 원자로에서 나는 푸른빛과 동일한 원리로 발생합니다.) 이를 본 주인은 가족과 친구들에게 이 푸른빛이나는 세슘 분말 가루를 선물로 나눠주었습니다.
이것을 선물 받은 사람들은 밤에 빛이 나라고 얼굴이나 팔에 발랐으며 어린아이는 이 푸른 빛이 범벅된 손으로 간식을 집어 먹기도 했습니다.
그 후 며칠이 지나자 위장장애를 호소하는 증상이 나타나기 시작하였습니다.
이러한 증세를 보이자 결국 9월 28일 병원을 찾아갔고 의사는 피폭 증세임을 알아차립니다.
9월 29일 브라질 당국은 비상대책위원회를 구성하여 방사능 물질 유출과정을 조사를 하였으며 오염상태를 확인하였습니다.
10월 3일 약 11만명을 대상으로 올림픽 스타디움에서 오염검사를 실시합니다.
이 사건은 IAEA에 복구를 지원할 정도의 대규모 재해로 판단되었습니다.

이 사건으로 3500제곱미터의 토양을 제거하고 하수의 오염을 통제하게 됩니다. 그리고 2천만 달러라는 금액이 복구비로 사용이 되게 됩니다. 이 정도로 끝났을까요? 아닙니다. 가장 중요한 사람들이 있습니다. 249명이 내외부가 오염이 되었고 이 중 20명이 급성방사선증후군에 걸립니다. 이 급성방사선증후군은 매우 위험한 상태를 나타냅니다.
(여기서 자세히 설명해놓았습니다-> https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/4-3)
그리고 28명이 국소피폭을 받았고 4명이 신체 절단을 하였으며 적어도 5000명이 급성 스트레스 증후군을 호소했습니다.
피폭된 사람들은 그저 방사선을 맞은 것으로 끝난 것이 아니라 온몸이 오염되었기 때문에 이 피폭으로 사망한 사람들 또한 자체적으로 방사선을 내는 선원이 되어버렸습니다. 그래서 사람들이 사망하여 장례식을 치룰 때 600kg이 넘는 납으로 관을 차폐하여 매장을 하였고 생존한 사람들은 패닉에 걸렸다고 합니다. 상업의 판매량은 60% 감소하였고 이 도시에서 생산한 물건은 피폭이 두려워 팔리지 않았다고 합니다.

이 당시에 브라질 당국 또한 이 오염된 구역에 대한 대책이 안되어 있었으며 사람들또한 오염에 대한 이해가 부족하여 추가 피폭자도 발생시켰다고 합니다. 이 사례를 읽으면서 느낀 것이 정말 교육이라는 것이 중요하구나라는 생각을 하였습니다. 그래서 정부입장에서 안전에 대한 교육, 방사선에 대한 교육, 방사선을 떠나서 지진에 대한 교육이라던가 등 사회전반적으로 위험성이 있는 부분에 대해서는 교육이 절실하게 필요하구나를 느꼈습니다.

-이미지 출처-

1. https://www.psychologytoday.com/blog/conceptual-revolution/201408/how-do-you-deal-despair
2. http://operationmeditation.com/discover/8-things-you-can-do-to-increase-your-intelligence/
3. https://namu.wiki/w/
4. http://m.cafe.daum.net/gentlemoon/IiRj/934?q=D_2ahpwu1huOo0&
5. http://tachisme.blogspot.kr/2011/06/cesium-137-and-bitter-harvest.html
6. http://unicpress.com/2017/09/18/61st-iaea-general-conference-kickoff-vienna/
7. https://namu.wiki/w/

방사성동위원소의 산업적 이용방법이라고 하면 아무래도 가장 많이 활용되는 방법은 비파괴검사방법인 것 같습니다. 그래서 오늘은 비파괴검사에 대해 소개하려고 합니다. 비파괴검사는 음향, 초음파, 와전류, 액체 침상, 자기 탐상 등등 많지만 RI 이용에 관한 소개인 만큼 방사선투과법만 소개하겠습니다. 그리고 산업 현장에서도 방사선투과법을 가장 많이 사용하기도 한답니다.

비파괴검사

우선 비파괴검사란 무엇일까요? 검사라는 것은 물질 내부를 들여다보고 결함이 있는지를 확인하고자 하는 것인데 이를 온전히 나두고 검사를 하는 방법입니다. 즉 파괴를 하지 않는 검사법입니다. 당연히 검사만 할 것인데 파괴를 하면 검사할 필요가 없겠죠? 그래서 비파괴검사방법은 다양한 산업현장에서 많이 쓰이게 됩니다.

혹시 X-ray 안 찍어보신 분 계신가요? 아마도 다 찍어보셨겠지만 X-ray와 방법은 동일합니다. 방사선을 우리몸에 쏘아주고 뼈가 금이 간 것인지 부러진 것인지 확인하는 것처럼 확인하고자 하는 물체에 방사선을 쏘아주고 내부구조에서의 결함을 찾아 냅니다.

원리

알파선 베타선은 투과율이 나쁘기 때문에 X-선 발생장치를 이용하여 만든 X-선 또는 감마선을 내는 물질을 소스로 사용합니다.
대표적인 사용 동위원소로는 이리듐-192, 세슘-137, 코발트-60 등이 있습니다.
이 소스를 사용해서 방사선을 물체에 투과시키면 물체를 투과하면서 방사선의 세기가 감쇠하게 됩니다. 이 감쇠된 방사선은 필터 또는 디지털 탐지기로 수신을 하게 됩니다.
필터의 경우는 이 방사선을 맞으면 형광을 하는 물질이 발라져 있고 형광 하는 정도의 차이에 따라 2D 영상이 얻어집니다.
디지털 탐지기는 들어온 방사선을 전자로 바꾸어 개수를 카운트하여 들어온 차이로 영상을 표현해냅니다.

자세한 탐상 방법에 대한 소개는 생략하겠습니다.

선원 보관

비파괴 검사에 사용될 정도면 높은 방사능을 내야 합니다. 그래서 옆에 있다가는 고선량에 피폭이 될 수도 있습니다. 그래서 소스를 넣어서 들고 다닐 차페함이 필요합니다. 이 차폐함에 넣어놓고 사용시에 앞에 나와 있는 노즐로 선원을 내보내 탐상 대상 방향으로만 방사선을 조사하도록 하고 검사 후에 다시 노즐에서 함안으로 이동시켜서 안전하게 보관합니다. 이때 근처에 가는 것은 위험하기 때문에 조작원을 비롯한 모든 사람은 뒤쪽으로 떨어져 있어야 하며 멀리서 이 모든 것을 조작합니다.

이 방법의 장점은 모든 재질에 사용이 가능하며 검사결과를 영구적으로 기록을 보존할 수 있습니다. 그리고 명확하게 영상으로 결함 형상을 볼 수 있어 분석 능력이 우수합니다.
하지만 방사선 안전관리를 엄격히 해야 하며 나타난 현상을 판독해야 하며 방사선 조사 방향에 대해 15도 이상 기울어져 있는 균열은 검출이 안되는 단점이 있습니다.

-이미지 출처-

1. http://www.customlaseraccents.com/
2. https://www.nde-ed.org/GeneralResources/MethodSummary/MethodSummary.htm
3. https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Radiography/
4. http://www.techcorr.com/radiography.php
5. http://www.wndti.gr/en/training-of-ndt/viomixaniki-radiografia-rt/

사용 원소

241Am이라는 원자 번호 95인 초우라늄원소를 사용합니다. 우라늄의 원자 번호가 92이고 이보다 양성자가 우라늄보다 3개 더 많은 상태입니다. 생성되는 방식은 플로토늄에 중성자 두 개를 받은 상태에서 베타 마이너스 붕괴를 하면 생성이 됩니다.

반감기는 432.2년으로 한 번 제작해서 넣으면 방사능이 떨어져서 교체할 일은 죽을때까지는 없습니다.

원리

241Am이 붕괴 시 알파입자가 발생합니다. 이 알파입자는 두 전극 사이의 공기를 지나게 되는데 지나가면서 주변 공기에 산란을 하며 공기를 이온화 시키게 됩니다. 이온화가 되면서 생긴 전자는 전극에 의해 이동하게 되며 전기가 흐르게 됩니다. 그래서 알파선에 의해 연기감지기에는 지속적으로 전류가 흐르는 상태입니다. 하지만 만약 연기가 들어오게 된다면 이 알파선의 이온화를 방해하게 되고 흐르는 전류 값이 줄어들게 됩니다. 이러한 변화가 생기면 경보를 울리는 방식을 사용합니다.

아메리슘을 사용한 방식은 가격이 저렴한 편이며 감도도 좋다고 합니다. 그래서 실제 가정 연기감지기중에 가장 많이 사용된다고 합니다.

위험한가요?

아메리슘-241은 아마 가정용으로 사용된 방사성동위원소 중에 유일한 존재일 겁니다. 사용을 하고 있다는 점은 그만큼 무해하다는 것인데요. 실제로 아메리슘 자체의 방사능은 높지만 사용하는 소스 자체의 양이 매우 적습니다. 대략 1g의 산화 아메리슘-241로 300만대를 만들 수 있다고 하니 들어가는 양이 얼마나 작은지 생각되실 겁니다. 게다가 사용되는 동위원소 자체가 적절하게 차폐되어 밀봉된 상태로 연기감지기에 들어가 있다고 합니다. 또한 가정내에 있지만 알파선은 종이로 막아질 만큼 멀리 가지 못하기 때문에 걱정안해도 될 것 같습니다.
한 사례로 미국에서 어떤 사람이 이 연기감지기에 들어가는 소스가 방사성동위원소인지 어떻게 알고는 이것을 먹고 자살을 시도했었다고 하는데요. 병원에 실려 가서 이것을 빼내고 살았다고 합니다. 만약 정말 심각하게 위험했다면 아마 죽었겠죠?
하지만!!! 알파소스인 만큼 섭취는 정말 조심해야 합니다. 섭취시에 가장 위험한 방사선원이 알파선을 내는 물질이기 때문이죠. 알파선은 멀리 가지 못하는 만큼 그 이동한 짧은 거리에 자신의 모든 에너지를 다 잃어버립니다. 이를 저지능이 크다고 하는데요.
어쨌든 밖에 있으면 무섭지 않지만 먹게 된다면 알파선은 정말 무섭다는 것을 알아두시길 바랍니다.!!

-이미지 출처-

1. http://www.solutionsunlimited.co.ke/smoke-detectors-in-kenya/
2. http://www.chemistrylearner.com/americium-241.html
3. https://physics.stackexchange.com/questions/318397/
4. 
5. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/eason1/
6. http://atomstory.or.kr/p/43681/?print=1