선량 측정 : (eXpsure dose and Absrobed dose)

• $X$ : 전리함 계수기(Free air Ionization Chamber, 공기등가벽전리함)
• $D$ : 전리함 계수기(벽물질을 대상물질의 등가물질로), 화학선량계, 열량계(Calorimeter)

1. 조사선량 (e_X_posure dose)

1.1 정의

• X-ray 또는 $\gamma$-ray 가 공기에 조사되어 광자가 가진 모든 에너지를 전달하는 과정에서 발생된 단위질량 공기 당 전하량.
• 해당 전하량은 모든 2차 전자에 의해 생성된 이온쌍 중 + 또는 – 부호 한쪽 전체의 전하량으로 구함.

어떤 질량을 가지는 공기 단위체적(unit volumn) 내에서 X선 또는 γ선이 조사되고 광자가 가진 모든 에너지를 전달함으로서 생성된 전자 또는 양이온 중 어느 한 쪽의 전하량의 총합.
1R = $1$esu/$1$㎤ = $1$ esu/$0.001293$g = $3 x 10^{-9}$ C /$0.001293$ g = $2.58 \times 10^{-4}$ C/kg

• 정의에서 photon에 국한하여 사용됨 (입자방사선 제외)을 알 수 있다. 즉, X-ray 또는 $\gamma$-ray에만 적용된다.
• 정의에서 대상이 공기에 국한됨을 명심할 것. (조사선량은 공간의 방사선장의 세기를 말함)
• 측정시 $E$ 제한을 받는다. (3MeV 이상의 광자는 1차전자의 _비정(,range ~도달거리)_이 커서 조사선량 측정이 불가능함)
  • 2차 전자들에 의해 생성되는 전하량 $Q$까지 모두 측정하기 위해서는 타겟이 되는 공기의 유효체적이 광자에 의해 생성된 2차 전자들을 모두 수집할 수 있을만큼 충분히 커야 하는데 이같은 장비를 만드는게 현실적으로 어려움.
  • 때문에 측정 Energy의 크기가 제한됨.
  • 실제 전리함에선 공기의 유효원자번호가 같은 물질(공기등가물질)을 밀도가 높게 하여 전리함의 벽재로 사용하여 측정.
    • 공기의 등가물질로는 폴리에틸렌, 베이크라이트, 루사이트 등이 사용됨.
    • 공기와 유효원자번호가 같아 전리함내 공기와 벽재의 전자평형을 성립시킴

• 하전입자평형(전자평형)을 가정함.
  • 전자평형이란 단위체적 내에서 일정한 에너지를 가진 전자들이 체적을 이탈하지만 다른 하전입자들이 체적으로 유입되어 Energy 평형상태가 해당 체적(volume) 내에서 이루어지는 것을 의미.
  • 공동(Cavity) 전리함의 경우, 전자평형이 일어나기 위해 벽의 두께가 2차 전자의 최대비정보다 커야함.(너무 두꺼울 경우, 감쇠의한 손실발생하니 적절히)

1.2 조사선량률

단위시간당 조사선량

주로 감마상수 와 방사능 그리고 선원으로부터 거리를 이용하여 구한다.

$$X^\prime= \gamma \frac{A}{r^2 }$$

• $X^\prime$ : 조사선량률
• $\gamma$ : 감마상수. 감마상수는 핵종마다 고유하며 $1$Ci의 점선원으로부터 $1$m 거리에 떨어진 곳에서 $1$시간동안의 조사선량(R)을 의미.
  • $\text{Co-60}$ : 1.32 R·㎡/Ci·h
  • $\text{Cs-137}$ : 0.33 R·㎡/Ci·h

 

1.3 측정

주로, 전리함 계수기(Free air Ionization Chamber, 공기등가벽전리함) 이용됨.

공동(Cavity) 기체와 벽물질 사이에서 2차전자평형이 이루어진다는 가정 아래

• 전리함을 이용하여,
• 단위체적당 생성된 전하량 or 흐르는 전류를 측정하여
• 조사선량과 조사선량률 을 측정.

1.3.1 공기 등가벽 전리함 (조사선량 측정용)

공기등가 물질(방사선 흡수능력이 공기와 같은 재료)로 벽을 구성한 전리함

• 전자평형 조건을 고려하여 벽의 두께는 2차 하전입자의 최대 비정보다 두꺼워야 함.
• 단 너무 두꺼운 경우 입사 방사선의 감쇠가 일어나므로 최적 두께는 2차전자 최대 비정에 해당되는 두께가 된다

1.3.2 자유 공기 전리함.

• 주변 방사선의 간섭을 최대한 배제한 전리함.
• 조사선량 정의를 기초로 2차전자평형(CPE)을 사용하여 전리를 일으키는 공기질량과 거기에서 생성된 전리전하를 측정
• 방사선의 절대 측정 및 방사선량 측정의 1차 표준기기로 사용됨.

 

검출부의 유효체적이 주변공기에 노출된 자유공기전리함의 경우,

• 표준상태의 공기로 보정( 밀도 및 온도)해야
• 표준상태의 공기에서 정의된 조사선량을 구할 수 있음.

<고압전극>
이온쌍 수집을 위한 음의 고전압(50~100V/cm) 인가

<집전극>
전리전하 측정을 위해 전위계에 접속됨. 0위법으로 전하량 측정.

<보호전극의 역할>
체적 결정,전장의 왜곡 ( Distortion ) 방지, 전계의 분포 균등화, 누설전류가 집전극으로 흐르는것 방지, 2차 전자 평형 유지

<유효전리체적>
이온쌍을 수집하기 위한 하전입자평형상태인 공기영역.
입사콜리메터면적 x 집전극길이.

<기타>
재결합확률은 조사선량률이 높고, 인가전압이 낮고, 이온밀도 높을 시 증가.
때문에 전리함 영역을 유지하려면, 인가전압(혹은 포화전압)이
조사선량률에 따라 증가해야함.

1atm = 760mmHg = 101.3kPa

2. 흡수선량 (absorbed Dose)

2.1 정의

방사선에 의해 물질 1kg당 흡수된 에너지(J).
1Gy = 1J/kg = 100 rad = 10,000 erg/g

• 공기의 조사선량을 구하고,
• 이를 이용하여 공기의 흡수선량을 구한 후,
• 물질과 공기의 질량에너지흡수계수 나, 질량저지능의 비를 이용하여
• 해당 물질의 흡수선량을 구할 수 있음.

2.2 흡수선량률

단위시간당 흡수선량.

2.3 측정

2.3.1 전리함 이용

• Bragg-Gray의 공동이론을 근거로 전리함을 이용하여 측정.
  • 인체등가의 벽물질 사용시 인체의 흡수선량을,
  • 공기등가의 벽물질 사용시 공기에서의 흡수선량을 측정.

2.3.2 화학선량계

• G-value(방사화학적 수율)을 알고 있는 물질에 방사선을 조사하여
• 산화 혹은 환원 등의 화학적 변화를 측정하여 흡수선량을 측정.
  • G-value : 100eV 의 에너지에 의해 변화된 원자(혹은 분자)수

주로, 대선량의 흡수선량에 이용됨.

	반응	측정범위
Fe 선량계	$\text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+}$ (산화)	1~104 Gy (G-value : 15.5)
Ce 선량계	$\text{Ce}^{4+} \rightarrow \text{Ce}^{3+}$ (환원)	400~106 Gy (G-value : 2.34)

2.3.3 Calorimeter

• 물질이 방사선을 흡수하면 온도가 상승함.
• 이를 이용하여, 해당 온도상승분을 측정하여 흡수선량을 구함.

역시 대선량의 흡수선량에 이용됨.

• 이를 위해선, 물질의 비열(ex> 물에선 1 $\frac{\text{cal}}{g \cdot ^\dot C}$ (cal/g·℃)을 알아야 한다.

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R to rad (조사선량으로부터 흡수선량 구하기)

조사선량 (eXposure)을 공기에서의 흡수선량(Absorbed dose)로 변환하기 위해선 다음 공식을 따름.

• 물에서는 0.877 rad/R 대신 0.93~0.96 rad/R을 사용하여 간단히 rad를 구하기도 함.
• 엄밀히는 물의 질량에너지 흡수계수와 밀도를 이용해야 하지만 간단하게 구할 때 많이 이용되는 방식임.

조사선량을 물질에서의 흡수선량으로 변환

• 질량에너지흡수계수의 비를 사용할 수 있는 이유는 바로 Bragg-gray의 cavity theory에 기반을 둔 것임.

전리함에서 사용되는 조직등가물질

• 폴리에틸렌 등의 수지내벽에 탄소피막을 입힌것.
• 공기의 등가물질로는 폴리에틸렌, 베이크라이트(Bakelite), 루사이트(Lucite), Aluminm, Plastic, Nylon
• 밀도는 상관없음.