감마선
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1. 개요
감마선은 1900년 폴 빌라르에 의해 발견된 전자기파의 일종으로, 알파선이나 베타선보다 투과력이 강하다. 감마선은 방사성 붕괴, 입자 물리학 과정, 천문학적 현상 등 다양한 곳에서 발생하며, 의료, 산업, 과학 연구 등 여러 분야에서 활용된다. 감마선은 세포 손상을 유발하여 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로, 차폐, 거리, 시간 등의 안전 관리 원칙을 준수해야 한다.
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| 감마선 | |
|---|---|
| 감마선 | |
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| 개요 | |
| 종류 | 전자기파 |
| 파장 | 1×10⁻¹¹ m |
| 주파수 | 3×10¹⁹ Hz 이상 |
| 에너지 | 매우 높음 |
| 생성 원인 | 방사성 붕괴, 핵반응, 입자 소멸 |
| 발견 | 폴 빌라르 (1900년) |
| 특징 | |
| 투과력 | 매우 강함 |
| 전리 능력 | 매우 높음 |
| 생체 영향 | DNA 손상, 세포 파괴, 돌연변이 유발 |
| 활용 | |
| 의료 | 방사선 치료, 의료 영상 |
| 산업 | 멸균, 재료 검사 |
| 과학 | 천문학 관측, 물리 연구 |
| 추가 정보 | |
| 방사선 | 전리 방사선 |
| 핵물리학 | 핵물리학의 주요 연구 대상 |
| 위험성 | 방사선 피폭 위험 |
2. 역사
1900년 프랑스의 화학자이자 물리학자인 폴 빌라르가 우라늄 연구 중에 감마선을 발견했다. 빌라르는 자기장에 의해 휘지 않는 선을 발견했는데, 이는 기존에 알려진 알파선이나 베타선과는 다른 특성이었다.
1910년 영국의 물리학자인 윌리엄 헨리 브래그는 감마선이 X선과 마찬가지로 가스를 이온화시킨다는 것을 보여, 감마선이 입자가 아닌 선이라는 사실을 입증했다.
1914년 어니스트 러더퍼드와 에드워드 안드라데는 산란을 통해 감마선의 파장을 측정하여, 감마선이 전자기복사의 한 형태임을 밝혀냈다. 감마선의 파장은 X선과 비슷하게 아주 짧았으며, 10−11m - 10−14m 범위였다. 러더퍼드는 알파선, 베타선에 이어 감마선이라는 이름을 붙였다.
감마선 천문학은 기구 및 인공위성 등을 이용하여 검출기를 완전히 대기 밖으로 올려보내고 나서야 발전하기 시작했다. 최초의 감마선 망원경은 1961년 익스플로러 11호에 실려 궤도에 올라갔으며, 100개 미만의 감마선 광자를 측정하였다. 1960년대 후반과 1970년대 초반, 원래 군사 위성이었던 벨라 위성들에 탑재된 검출기는 지구가 아닌 깊은 우주로부터의 감마선 폭발을 기록했다.
2. 1. 발견
폴 빌라르는 1900년 라듐에서 방출되는 방사선을 연구하던 중 감마선을 발견했다.[2][3] 빌라르는 자신이 발견한 방사선이 이전에 앙리 베크렐이 발견한 베타선과 어니스트 러더퍼드가 발견한 알파선보다 투과력이 더 강하다는 것을 알았다. 그러나 빌라르는 이것을 별개의 기본적인 유형으로 명명하는 것을 고려하지 않았다.[2][3]1903년, 어니스트 러더퍼드는 빌라르의 방사선이 이전에 명명된 방사선과 근본적으로 다른 유형임을 인식하고, 1899년에 러더퍼드가 구분한 베타선과 알파선에 유추하여 빌라르의 방사선을 "감마선"이라고 명명했다.[4] 러더퍼드는 또한 감마선이 자기장에 의해 굴절되지 않는다는 점을 언급했는데, 이는 알파선과 베타선과 다른 또 다른 특징이었다.
처음에 러더퍼드는 감마선이 매우 빠른 베타 입자일 것이라고 믿었지만, 자기장에 의해 굴절되지 않는다는 사실은 그것들이 전하를 띠지 않는다는 것을 나타냈다.[5] 1914년, 러더퍼드와 에드워드 안드라데는 감마선이 결정 표면에서 반사되는 것을 관찰하여, 감마선이 X선과 유사하지만 파장이 더 짧고 주파수가 더 높은 전자기파의 일종임을 증명했다.[5]
2. 2. 감마선원 연구
최초로 발견된 감마선의 원천은 방사성 붕괴의 한 과정인 감마 붕괴였다. 이 붕괴 과정에서, 여기된 원자핵은 생성 직후 거의 즉시 감마선을 방출한다.[1] 1900년 프랑스의 화학자이자 물리학자인 폴 빌라르는 라듐에서 방출되는 방사선을 연구하던 중 감마선을 발견했다. 빌라르는 자신이 기술한 방사선이 이전에 라듐에서 기술된 베타선 (1896년 베크렐이 "방사능"으로 처음 언급)과 알파선 (1899년 러더퍼드가 덜 투과력이 있는 방사선 형태로 발견)을 포함한 기존의 방사선보다 더 강력하다는 것을 알고 있었다. 그러나 빌라르는 이를 별개의 기본적인 유형으로 명명하는 것을 고려하지 않았다.[2][3] 1903년, 어니스트 러더퍼드는 빌라르의 방사선이 이전에 명명된 방사선과 근본적으로 다른 유형임을 인식하고, 러더퍼드가 1899년에 구분한 베타선과 알파선과 유추하여 빌라르의 방사선을 "감마선"이라고 명명했다.[4] 방사성 원소에서 방출되는 "선"은 그리스 알파벳의 처음 세 글자를 사용하여 다양한 물질을 투과하는 능력 순서대로 명명되었는데, 알파선이 가장 투과력이 약하고, 다음으로 베타선, 그리고 감마선이 가장 투과력이 강했다. 러더퍼드는 또한 감마선이 자기장에 의해 굴절되지 않는다는 점을 언급했는데, 이는 알파선과 베타선과 다른 또 다른 특징이었다.감마선은 처음에는 알파선과 베타선과 같이 질량을 가진 입자로 여겨졌다. 러더퍼드는 처음에 그것들이 매우 빠른 베타 입자일 것이라고 믿었지만, 자기장에 의해 굴절되지 않는다는 사실은 그것들이 전하를 띠지 않는다는 것을 나타냈다.[5] 1914년, 감마선이 결정 표면에서 반사되는 것이 관찰되어 감마선이 전자기 방사선임이 증명되었다.[5] 러더퍼드와 그의 동료 에드워드 안드라데는 라듐에서 나오는 감마선의 파장을 측정하여 X선과 유사하지만 파장이 더 짧고 따라서 주파수가 더 높다는 것을 발견했다. "광자"라는 용어가 일반적으로 받아들여지자, 감마선이 광자당 더 많은 에너지를 갖는다는 것을 의미하는 것으로 인식되었다. 그 후 감마 붕괴는 일반적으로 감마 광자를 방출하는 것으로 이해되었다.
3. 성질
감마선은 처음 발견되었을 때, 알파선이나 베타선과 같이 질량을 가진 입자로 생각되었다. 어니스트 러더퍼드는 처음에는 감마선이 매우 빠른 베타 입자일 것이라고 믿었지만, 자기장에 의해 굴절되지 않는다는 사실을 통해 전하를 띠지 않는다는 것을 알아냈다.[5] 1914년, 결정 표면에서 감마선이 반사되는 현상이 관찰되면서 감마선이 전자기파임이 증명되었다.[5] 러더퍼드와 그의 동료 에드워드 안드라데는 라듐에서 나오는 감마선의 파장을 측정했고, 그 결과 감마선이 X선과 유사하지만 파장이 더 짧고 주파수가 더 높다는 것을 발견했다. 이는 감마선이 광자당 더 많은 에너지를 가진다는 것을 의미한다.
감마선은 파장 영역(에너지 영역)의 일부가 X선과 겹쳐서 파장에 의한 명확한 경계선은 없다. 10nm부터 1 또는 10pm까지를 X선, 이보다 짧은 파장(높은 에너지 영역)을 감마선으로 간주하기도 하지만, 명확한 기준은 없다. 감마선과 X선의 구별은 파장 범위가 아니라 발생 기구에 있으며, 감마선은 원자핵의 에너지 준위가 전이(불안정 상태에서 에너지를 방출하여 안정)하는 현상을 기원으로 하고, X선은 궤도 전자의 전자 전이(특성 X선)나, 자유 전자의 운동 에너지(제동 X선)를 기원으로 하며, 스펙트럼에서도 제동 X선의 유무로 구별할 수 있다.
감마선은 전자기파 중에서 가장 에너지가 큰 영역에 해당한다. 1.022MeV 이상의 에너지를 가진 감마선이 소멸할 때, 전자와 양전자가 쌍생성될 수 있다. 반대로, 전자와 양전자가 쌍소멸할 때에는 0.511 MeV의 감마선 2개가 반대 방향으로 방출된다.
3. 1. 물질과의 상호작용
감마선은 광전효과, 콤프턴 산란, 쌍생성이라는 세 가지 주요 과정을 통해 물질과 상호작용한다.[1]- '''광전 효과''': 감마선이 원자 궤도 전자와 상호작용하여 모든 에너지를 전달하고, 그 전자를 원자로부터 분리시키는 현상이다. 생성되는 광전자의 운동 에너지는 원래 감마선의 에너지에서 전자의 결합 에너지를 뺀 값과 같다. 광전 효과는 50keV 이하의 X선 및 감마선에서 주로 나타나지만, 높은 에너지에서는 덜 중요하다.
- '''콤프턴 산란''': 입사 감마선이 궤도 전자를 방출시키면서 에너지를 잃고, 남은 에너지는 다른 방향으로 방출되는 새로운, 낮은 에너지의 감마선으로 나타난다. 콤프턴 산란의 발생 확률은 감마선의 에너지가 증가함에 따라 감소한다. 100keV에서 10MeV 사이의 중간 에너지 감마선에서 가장 중요한 에너지 흡수 방식이며, 흡수 물질의 원자 번호에 크게 영향을 받지 않는다.
- '''쌍생성''': 원자핵의 쿨롱 힘과의 작용으로, 입사 광자의 에너지가 전자-양전자 쌍으로 변환된다. 두 입자의 질량(1.02MeV)을 초과하는 에너지는 전자-양전자 쌍과 반동하는 원자핵의 운동 에너지로 나타난다. 양전자는 짧은 시간(10−8 초) 내에 자유 전자와 결합하여 소멸하고, 두 입자의 전체 질량은 각각 0.51MeV의 에너지를 갖는 두 개의 감마선으로 변환된다.
감마선이 물질을 통과할 때 흡수 확률은 층의 두께, 물질의 밀도, 그리고 물질의 흡수 단면적에 비례한다. 총 흡수는 입사면으로부터의 거리에 따라 지수적으로 감소한다.
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여기서 x는 입사면으로부터의 물질 두께, μ = ''n''σ는 흡수 계수(cm−1), ''n''은 물질의 cm3당 원자 수(원자 밀도), σ는 흡수 단면적(cm2)이다.
다음은 알루미늄과 납의 감마선 흡수 계수를 나타낸 그래프이다.
고에너지 감마선은 원자핵과 상호 작용하여 광붕괴에서 입자를 방출하거나, 광핵분열을 일으킬 수 있다.
3. 2. 차폐
감마선을 효과적으로 차폐하기 위해서는 많은 양의 물질이 필요하다. 이때 사용되는 물질은 높은 원자번호와 높은 밀도를 가지는 것이 좋다. 감마선의 에너지가 높을수록 더 두꺼운 차폐물이 필요하다. 감마선 차폐 물질의 효율은 감마선의 강도를 반으로 줄이는 데 필요한 두께(반가층, HVL)로 정의된다.[1]
예를 들어, 납 1 cm(0.4 in), 콘크리트 6 cm (2.5 인치), 흙(진흙 기준) 9 cm (3.5 인치)는 모두 감마선의 강도를 반으로 줄여준다. 투과력이 강한 감마선은 생체 세포에 해롭지 않은 수준으로 감쇄시키려면 많은 양의 차폐 물질이 필요하다. 이는 종이 또는 피부로 차단할 수 있는 알파 입자나 얇은 알루미늄으로 차폐할 수 있는 베타 입자와는 대조적이다. 감마선은 높은 원자 번호(''Z'')와 높은 밀도를 가진 물질에 의해 가장 잘 흡수된다. 따라서 납(높은 ''Z'') 차폐체는 알루미늄, 콘크리트, 물 또는 토양과 같은 다른 낮은 ''Z'' 차폐 물질과 동일한 질량에 비해 감마선 차폐체로서 20~30% 더 효과적이다. 납의 주요 장점은 밀도가 높기 때문에 콤팩트하다는 것이다.
감마선의 에너지가 높을수록 동일한 차폐재로 만든 차폐체가 더 두꺼워야 한다. 세기를 50% 줄이려면 1cm의 납이 필요한 감마선은 4.1cm의 화강암 암석, 6cm의 콘크리트 또는 9cm의 다진 토양에서도 세기가 절반으로 감소한다. 그러나 이 정도의 콘크리트 또는 토양의 질량은 동일한 흡수 능력을 가진 납보다 20~30% 더 클 뿐이다.
결핍 우라늄은 휴대용 감마선 광원의 차폐에 때때로 사용되는데, 이는 납에 비해 반가층이 더 작기 때문이다(일반적인 감마선 광원, 즉 이리듐-192 및 코발트-60의 경우 두께의 약 0.6배).[13] 원자력 발전소에서는 압력 용기 및 입자 포함 용기의 강철과 콘크리트가 차폐 역할을 할 수 있으며, 물은 저장 중이거나 원자로 심장으로 수송되는 동안 연료봉의 방사선 차폐 역할을 한다.
- 알파 입자·베타 입자와 비교하면 투과 능력은 높지만, 전리 작용은 약하다.
- 감마선 차폐에는 비중이 무거운 물질(납, 철, 콘크리트 등)이 사용된다. 일반적으로 많이 사용되는 납(11.3 g/cm3)의 경우, 10 cm 두께에서 약 1/100 – 1/1000으로 감쇠된다. 감마선은 비행거리가 길고, 전하를 갖지 않으므로 전자기력을 이용하여 방향을 바꿀 수 없기 때문에, 감마선으로부터의 방호는 다른 방사선과 비교하여 어렵다.
3. 3. 방사성 붕괴
원자핵이 알파 입자나 베타 입자를 방출하는 알파 붕괴 또는 베타 붕괴를 거친 후, 생성된 딸핵은 종종 들뜬 상태에 놓이게 된다. 이 들뜬 상태의 딸핵은 감마선을 방출하며 더 낮은 에너지 상태, 즉 바닥 상태로 전이한다. 이를 감마 붕괴라고 한다.[1]예를 들어, 코발트-60()은 베타 붕괴를 통해 들뜬 상태의 니켈-60()으로 붕괴한다. 이어서 들뜬 상태의 니켈-60은 1.17 MeV와 1.33 MeV의 감마선을 방출하며 바닥 상태로 전이한다.[42]
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아메리슘-241()은 알파 붕괴를 통해 넵투늄-237()이 되는데, 이 과정에서 감마선 방출이 동반된다. 코발트-60/니켈-60의 경우 감마선 방출 스펙트럼이 단순하지만, 아메리슘-241/넵투늄-237의 경우에는 여러 에너지 준위가 존재함을 보여주는 복잡한 스펙트럼을 나타낸다.
3. 4. 입자 물리학
감마선은 많은 입자 물리학 과정에서 생성된다. 일반적으로 감마선은 중성 시스템이 전자기 상호작용(약한 상호작용이나 강한 상호작용이 아닌)을 통해 붕괴될 때 생성된다. 예를 들어, 전자-양전자 쌍소멸에서 일반적인 생성물은 두 개의 감마선 광자이다. 쌍소멸하는 전자와 양전자가 정지해 있으면, 생성되는 각 감마선의 에너지는 약 511 keV이고 주파수는 약 1.24×1020 Hz이다. 마찬가지로, 중성 파이온은 대부분 두 개의 광자로 붕괴된다. 다른 많은 하드론과 질량이 큰 보손도 전자기적으로 붕괴한다. 거대 강입자 충돌기와 같은 고에너지 물리학 실험은 따라서 상당한 방사선 차폐를 사용한다.[8] 소립자는 대부분 원자핵보다 훨씬 더 짧은 파장을 가지므로, 입자 물리학 감마선은 일반적으로 핵 붕괴 감마선보다 몇 배나 더 높은 에너지를 가진다. 감마선은 에너지 측면에서 전자기 스펙트럼의 최상단에 있으므로, 모든 극도로 높은 에너지 광자는 감마선이다. 예를 들어, 플랑크 에너지를 가진 광자는 감마선일 것이다.3. 5. 기타 발생원
감마선을 방출하는 천체에는 초신성 잔해, 펄서, 활동 은하핵 등이 있다.[41] 발생 기전은 아직 밝혀지지 않았지만 감마선 폭발 현상을 일으키는 천체도 발견되었다.[41]
감마선 하늘(오른쪽 그림 참조)은 우리 은하 내에 있는 펄서에서 나오는 감마선 생성이 지배적이다. 나머지 하늘의 광원은 대부분 퀘이사이다. 펄서는 자기장을 가진 중성자별로, 퀘이사나 감마선 폭발보다 에너지가 낮고, 더 흔하며, 가까운 광원(우리 은하에서만 관측됨)이다. 펄서는 상대론적 속도의 하전 입자의 집중된 빔을 생성하는 자기장을 가지고 있으며, 이 입자가 근처 매질의 기체나 먼지와 충돌하여 감속될 때 감마선(제동복사)을 방출한다. 이는 메가볼트 방사선 치료 기기에서 고에너지 광자를 생성하는 메커니즘과 유사하다(제동복사 참조).[12] 역 컴프턴 산란도 감마선 생성의 또 다른 가능한 메커니즘이다. 상대론적 하전 입자 빔에 광자가 충돌하는 것도 감마선 생성의 또 다른 가능한 메커니즘이다. 매우 강한 자기장을 가진 중성자별(마그네타)은 천문학적 소규모 감마선 반복체를 생성하는 것으로 여겨지는 감마선의 또 다른 비교적 오래 지속되는 별 기반 광원이다.
퀘이사와 활동 은하에서 방출되는 강력한 감마선은 입자 가속기와 유사한 감마선 생성 원천을 갖는 것으로 생각된다. 퀘이사에서 생성되고 역 컴프턴 산란, 싱크로트론 복사 또는 제동 복사를 받는 고에너지 전자들이 이러한 천체에서 감마선의 원천일 가능성이 높다. 이러한 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀이 별을 주기적으로 파괴하고 그 결과 생성된 하전 입자들을 회전축에서 나오는 제트로 집중시키는 에너지원을 제공하는 것으로 생각된다. 이 제트가 기체, 먼지 및 저에너지 광자와 상호 작용하면 X선과 감마선이 생성된다. 이러한 천체는 몇 주라는 지속 시간으로 변동하는 것으로 알려져 있으며, 이는 비교적 작은 크기(몇 광주일 미만)를 시사한다. 이러한 감마선 및 X선 원천은 우리 은하계 외부에서 가장 일반적으로 관측되는 고강도 천체이다. 감마선 망원경으로 관측하면 폭발이 아닌 비교적 연속적으로 빛을 낸다. 일반적인 퀘이사의 출력은 약 1040 와트이며, 그중 일부만 감마선이다. 나머지 대부분은 전파를 포함한 모든 주파수의 전자기파로 방출된다.
감마선의 가장 강력한 원천은 현재 알려진 어떤 종류의 전자기 복사보다도 가장 강력한 원천이다. 이들은 천문학에서 감마선의 "장기간 지속 버스트" 원천이며(이 문맥에서 "장기간"은 수십 초를 의미함), 위에서 논의된 원천에 비해 드물다. 반대로, 초신성과 관련이 없는 2초 이하의 "단기간" 감마선 폭발은 중성자별 쌍의 충돌 또는 중성자별과 블랙홀의 충돌 동안 감마선을 생성하는 것으로 여겨진다.[12]
소위 "장기간 지속" 감마선 폭발은 약 1044줄(태양이 평생 동안 생성할 에너지와 같음)의 총 에너지를 생성하지만 단 20~40초 만에 발생한다. 감마선은 총 에너지 출력의 약 50%를 차지한다. 이러한 가장 강력한 방사선 빔 생성 메커니즘에 대한 주요 가설은 고에너지 하전 입자로부터의 역 컴프턴 산란과 싱크로트론 복사이다. 이러한 과정은 상대론적 하전 입자가 초신성 폭발 동안 생성된 새로 형성된 블랙홀의 사건 지평선 영역을 떠날 때 발생한다. 상대론적 속도로 움직이는 입자 빔은 폭발하는 초신성의 자기장에 의해 수십 초 동안 집중된다. 초신성의 핵융합 폭발이 이 과정의 에너지를 발생시킨다. 좁게 방향이 지정된 빔이 지구를 향하게 되면, 감마선 주파수에서 그러한 강도로 빛을 발하기 때문에 최대 100억 광년(관측 가능한 우주의 가장자리에 가까움)의 거리에서도 감지될 수 있다.
외계 고에너지 감마선에는 우주선(고속 전자 또는 양성자)이 일반 물질과 충돌할 때 생성되는 감마선 배경이 포함된다. 이때 511keV의 쌍생성 감마선이 생성된다. 또는 우주선 전자가 원자 번호가 충분히 높은 원자핵과 상호 작용할 때 수십 MeV 이상의 에너지에서 제동복사가 생성된다.
뇌우는 지상 감마선 섬광(Terrestrial gamma-ray flash)이라 불리는 짧은 감마선 펄스를 생성할 수 있다. 이 감마선은 고강도 정전기장이 전자를 가속시켜 생성되는 것으로 여겨지는데, 전자는 대기 중의 원자와 충돌하여 속도가 느려지면서 제동복사에 의해 감마선을 생성한다. 지상 뇌우는 최대 100MeV에 이르는 감마선을 방출할 수 있으며, 우주 기반 관측소에 의해 발견되었다. 이는 뇌운 안이나 근처를 비행하는 항공기의 승객과 승무원의 건강 위험 가능성을 제기한다.[10]
가장 강력한 태양 플레어는 감마선을 포함한 모든 전자기 스펙트럼에 걸쳐 방출된다. 감마선 방출을 확실하게 관측한 최초의 사례는 1972년 8월 태양 폭풍에서였다.[11]
리켄(理化学研究所)에 따르면, 겨울철 일본 본토 및 일본해 연안 지역에서 뇌운 활동과 함께 자연 방사선이 증가하는 현상을 조사하던 중, 뇌운에서 10 MeV(10-9 mSv)의 감마선을 40초 동안 관측하여 뇌운이 입자 가속기 역할을 하고 있음을 알아냈다. 참고로, 뇌운에서 방출되는 감마선량은 1회 흉부 X선 촬영 시 받는 방사선량의 2억 분의 1 정도로 계산되었다.[46] 번개는 광핵반응의 트리거가 될 수 있다.[47]
2017년 10월, 여러 유럽 대학의 과학자들은 캐스케이드와 비정상적인 방사 가두기 사이의 제어된 상호 작용을 통해 레이저를 여기자로 사용하는 GeV 광자원을 얻는 방법을 제안했다.[9]
4. 활용
감마선은 다양한 분야에서 활용된다. 감마선은 조사(irradiation)라는 과정을 통해 생명체를 죽이는 데 사용될 수 있다. 이러한 특성은 의료 장비 멸균, 식품의 부패를 유발하는 박테리아 제거, 과일 및 채소의 발아 방지 등에 활용된다. 또한 감마선은 반귀석의 특성을 변경하는 데에도 사용될 수 있으며, 흔히 흰색 토파즈를 블루 토파즈로 변화시키는 데 사용된다. 비접촉식 산업용 센서는 정제, 광업, 화학, 식품, 비누 및 세제, 펄프 및 제지 산업에서 레벨, 밀도 및 두께 측정을 위해 일반적으로 감마선 방사선원을 사용하며, 수자원 및 석유 산업에서 유체 레벨 측정에도 사용된다.[17][18]
미국에서는 감마선 검출기가 컨테이너 보안 계획(Container Security Initiative, CSI)의 일부로 사용되기 시작했다. 이 기계는 시간당 30개의 컨테이너를 스캔할 수 있다고 광고된다.
4. 1. 의료 분야
감마선은 의료기기의 박테리아 제거 및 살균에 유용하게 쓰인다.[50] 암 유발의 위험성이 있지만, 특정 종류의 암을 치료하는 데 사용되기도 한다. 감마 나이프 수술에서는 다수의 감마선이 암세포를 죽이기 위해 종양에 조사(照射)된다. 각각의 감마선은 다른 각도에서 들어와 종양 부위에 초점을 형성하는데, 이는 주변 조직의 피해를 최소화하기 위해서이다.감마선은 핵의학에서 진단 목적으로도 사용된다. 감마선을 방출하는 여러 종류의 방사성 동위원소가 사용되는데, 그중 하나는 테크네튬-99m이다. 환자에게 투여되었을 때, 감마 카메라를 이용하여 방출되는 감마선을 측정함으로써 방사선 동위원소의 분포를 영상화한다.
일반적인 감마선원으로는 코발트의 방사성 동위원소인 코발트-60(60Co)이 사용된다. 이것은 안정 동위원소인 코발트-59(59Co)를 원자로 내에서 중성자선에 노출시켜 방사화하여 생성되며, 의약품, 의료 폐기물, 식품 등의 감마선 멸균, 뇌종양 제거 등의 감마나이프에 사용된다.
4. 2. 산업 분야
감마선은 투과력이 강해, 제품 내부를 파괴하지 않고 결함이나 구조를 검사하는 비파괴 검사에 사용된다.[17] 또한, 정유, 광업, 화학, 식품, 제지 산업 등에서 물질의 밀도, 두께, 수위 등을 측정하고 공정을 제어하는 데에도 활용된다.[17]싱가포르와 파키스탄에서는 컨테이너 보안을 위해 감마선 측정기를 사용한다.[50] 이 기계는 컨테이너 내부를 검사하여 밀수품 등을 탐지하며, 시간당 30개의 컨테이너를 조사할 수 있다.[50] 미국에서도 컨테이너 보안 계획(Container Security Initiative, CSI)의 일환으로 감마선 검출기를 활용한다.
일반적인 감마선원으로는 코발트의 방사성 동위원소인 코발트-60(60Co)이 사용된다. 이것은 안정 동위원소인 코발트-59(59Co)를 원자로 내에서 중성자선에 노출시켜 방사화하여 생성되며, 의약품, 의료 폐기물, 식품 등의 감마선 멸균, 산업용 X선 사진(용접부 X선 사진), 뇌종양 제거 등에 사용된다.
4. 3. 과학 연구
감마 분광법은 원자핵의 에너지 전이를 연구하는 분야로, 일반적으로 감마선의 흡수 또는 방출과 관련이 있다. 뫼스바우어 분광법 기법에서 핵 감마 흡수에 대한 좁은 공명 흡수는 원자핵을 결정체 내에 물리적으로 고정함으로써 성공적으로 달성할 수 있다. 감마 공명 상호 작용의 양쪽 끝에서 핵을 고정해야 감마 전이의 방출 또는 흡수 끝에서 핵의 반동 운동 에너지로 감마 에너지가 손실되지 않는다. 이러한 에너지 손실은 감마선 공명 흡수를 실패하게 만든다. 그러나 방출된 감마선이 그것을 생성하는 원자핵 탈여기의 에너지를 거의 모두 가지고 있을 때, 이 에너지는 동일한 유형의 두 번째 고정된 핵에서 동일한 에너지 상태를 여기시키기에 충분하다.[1]감마선은 우주에서 가장 에너지가 높은 현상에 대한 정보를 제공하지만, 대부분 지구 대기에 흡수된다. 페르미 감마선 우주망원경과 같은 위성 관측 장비는 감마선으로 우주를 관측하는 유일한 수단을 제공한다.[15][16]
감마선에 의한 분자 변화는 반귀석의 특성을 변경하는 데에도 사용될 수 있으며, 흔히 흰색 토파즈를 블루 토파즈로 변화시키는 데 사용된다. 비접촉식 산업용 센서는 정제, 광업, 화학, 식품, 비누 및 세제, 펄프 및 제지 산업에서 레벨, 밀도 및 두께 측정을 위해 일반적으로 감마선 방사선원을 사용한다.[17] 감마선 센서는 수자원 및 석유 산업에서 유체 레벨 측정에도 사용된다.[18]
일반적인 감마선원으로는 코발트의 방사성 동위원소인 코발트-60(60Co영어)이 사용된다. 이것은 안정 동위원소인 코발트-59(59Co영어)를 원자로 내에서 중성자선에 노출시켜 방사화하여 생성되며, 의약품, 의료 폐기물, 식품 등의 감마선 멸균, 산업용 X선 사진(용접부 X선 사진), 뇌종양 제거 등의 감마나이프에 사용된다.
5. 건강 영향 및 안전
감마선은 세포 수준에서 손상을 일으키며 투과력이 강해 신체 전체에 확산 손상을 일으킨다. 그러나 감마선은 투과력이 약한 알파 입자나 베타 입자보다 이온화 능력은 낮다.[19]
낮은 수준의 감마선은 확률적 건강 위험을 초래하며, 방사선량 평가에서는 암 유발 및 유전적 손상의 ''확률''로 정의된다. 국제방사선방호위원회(ICRP)는 약 100mSv 이하의 저선량 범위에서는 관련 기관 및 조직의 등가선량 증가에 비례하여 암 또는 유전적 영향의 발생률이 증가한다고 추정한다.[19] 고선량은 결정적 효과를 생성하며, 이는 발생이 확실한 급성 조직 손상의 ''심각도''이다. 이러한 효과는 흡수선량이라는 물리량과 비교되며, 단위는 그레이(Gy)이다.[19]
| 방사선 노출 유형 | 방사선량 (mSv) |
|---|---|
| 흉부 X선 촬영 | 0.06[26] |
| 흉부 CT | 5~8[27] |
| 전신 PET/CT 스캔 | 14~32[27] |
| 위장 투시 촬영 | 50 (연간 자연 방사선량의 14배)[27] |
| 급성 전신 피폭 (경증 증상) | 1000 (1 Sv) |
| 급성 전신 피폭 (심각 증상, 의료 치료 없이 10~35% 사망) | 2000~3500 (2.0~3.5 Sv) |
| 급성 전신 피폭 (LD50) | 3000~5000 (3~5 Sv)[28][29] |
| 급성 전신 피폭 (사망 확률 50% 초과) | 5000 (5 Sv) 이상 |
| 급성 전신 피폭 (특수 치료 불가능) | 7500~10000 (7.5~10 Sv)[30] |
| 원자력 노동자 평균 연간 방사선량 | 19 (백혈병 제외 암 사망 위험 2% 증가)[31] |
| 100 mSv 피폭 | 암 사망 위험 10% 증가[31] |
| 히로시마와 나가사키 원자 폭격 생존자 | 암 사망 위험 32% 증가[31] |
저선량 방사선 피폭의 영향은 정량화하기 어렵지만, 미국립과학원회보(PNAS)에 발표된 연구에 따르면 급성 피폭의 경우 10~50 mSv, 장기 피폭의 경우 50~100 mSv에서 암 위험 증가의 증거가 존재한다.[49]
5. 1. 건강 영향
감마선은 세포 수준에서 손상을 일으키며 투과력이 강하여 신체 전체에 손상을 줄 수 있다. 그러나 감마선은 투과력이 약한 알파 입자나 베타 입자보다 이온화 능력은 낮다.[19]낮은 수준의 감마선 노출은 확률적 건강 위험을 초래하는데, 이는 암 유발 및 유전적 손상의 ''확률''로 정의된다. 국제방사선방호위원회는 약 100mSv 이하의 저선량 범위에서는 암 또는 유전적 영향의 발생률이 등가선량 증가에 비례하여 증가한다고 추정한다.[19] 고선량 노출은 결정적 효과를 생성하는데, 이는 급성 조직 손상의 ''심각도''를 의미하며, 흡수선량의 단위인 그레이(Gy)로 측정된다.[19]
감마선이 DNA 분자를 파괴하면 세포는 손상된 유전 물질을 복구할 수 있다. 그러나 Rothkamm과 Lobrich의 연구에 따르면 이 복구 과정은 고선량 노출 후에는 잘 작동하지만, 저선량 노출의 경우에는 훨씬 느리게 진행된다.[20]
연구에 따르면 저선량 감마선만으로도 암을 유발할 수 있다.[21] 쥐를 대상으로 한 연구에서는 지속적인 저선량 감마선 조사 45일 후 혈구에서 염색체 손상, DNA 손상 및 표현형 돌연변이가 유의미하게 증가하는 유전독성 효과가 나타났다.[21] 또 다른 연구에서는 최대 10 Gy까지 급성 이온화 감마선에 노출된 쥐에서 급성 산화적 단백질 손상, DNA 손상, 심장 트로포닌 T 카르보닐화 및 장기적인 심근병증이 나타났다.[22]
영국의 자연 방사선량은 시간당 0.1μSv~0.5μSv이며, 원자력 시설 및 오염 지역 주변에서는 상당히 증가한다.[23] 자연 방사선에 의한 감마선 노출량은 연간 약 1mSv~2mSv이며, 미국 주민 1인당 1년에 받는 평균 방사선량은 3.6mSv이다.[24]
비교하자면, 흉부 X선 촬영에 의한 방사선량(약 0.06mSv)은 자연 방사선량의 일부에 불과하다.[26] 흉부 CT는 5mSv~8mSv의 방사선량을 방출한다. 전신 PET/CT 스캔은 프로토콜에 따라 14mSv~32mSv의 방사선량을 방출할 수 있다.[27] 위장 투시 촬영의 방사선량은 약 50mSv(연간 자연 방사선량의 14배)로 훨씬 높다.
급성 전신 피폭에 의한 단일 노출량 1Sv(1000mSv) 또는 1Gy는 급성 방사선 질환의 경증 증상(예: 메스꺼움, 구토)을 유발하며, 2Sv~3.5Sv(2Gy~3.5Gy)의 선량은 더 심각한 증상(예: 메스꺼움, 설사, 탈모, 출혈, 감염에 대한 저항력 감소)을 유발하며, 의료 치료 없이 상당수(약 10%~35%)의 사망을 초래한다. 3Sv~5Sv(3Gy~5Gy)의 선량은 표준 의료 치료를 받더라도 급성 방사선 피폭에 대한 LD50(또는 노출된 인구의 50%에 대한 치사량)으로 간주된다.[28][29] 5Sv(5Gy) 이상의 선량은 사망 확률이 50%를 넘는다. 전신에 7.5Sv~10Sv(7.5Gy~10Gy) 이상의 선량이 조사되면 골수 이식과 같은 특별한 치료를 하더라도 피폭된 개인의 사망을 막을 수 없다(방사선 중독 참조).[30]
저선량 피폭의 경우, 예를 들어 평균 연간 방사선량 19mSv를 받는 원자력 노동자의 경우, 백혈병을 제외한 암으로 사망할 위험이 2% 증가한다. 100mSv의 선량의 경우 위험 증가는 10%이다. 비교하자면, 히로시마와 나가사키 원자 폭격 생존자의 경우 암으로 사망할 위험이 32% 증가했다.[31]
방사선의 영향에는, 역치 선량 이상에서 발생하는 결정적 영향과 그 이하의 선량에서도 발생하는 확률적 영향이 있다. 저선량 방사선 피폭의 영향을 정량화하기는 어렵고, 명확하지 않다. 2003년 미국립과학원회보(PNAS)에 발표된 논문에 따르면, 역학적 데이터에 따른 사람의 암 위험 증가의 충분한 증거가 존재하는 X선과 감마선의 피폭 선량의 최저값은, 급성 피폭의 경우 10mSv~50mSv, 장기 피폭의 경우 50mSv~100mSv이다.[49]
5. 2. 안전 관리
감마선은 세포 수준에서 손상을 일으키는 투과성이 강한 방사선이다. 낮은 수준의 감마선 노출은 암 유발 및 유전적 손상의 확률을 높이는 확률적 건강 위험을 초래한다. 국제방사선방호위원회(ICRP)는 약 100mSv 이하의 저선량 범위에서 암 또는 유전적 영향의 발생률이 선량 증가에 비례하여 증가한다고 추정한다.[19]고선량 감마선 노출은 급성 조직 손상의 심각도를 나타내는 결정적 효과를 유발하며, 이는 흡수선량 단위인 그레이(Gy)로 측정된다.[19] 영국의 자연 방사선량은 시간당 0.1~0.5 μSv이며, 원자력 시설 및 오염 지역 주변에서는 상당히 증가한다.[23] 자연 방사선에 의한 연간 감마선 노출량은 약 1~2 mSv이며, 미국 주민 1인당 평균 연간 방사선량은 3.6 mSv이다.[24]
| 방사선 노출 유형 | 방사선량 (mSv) |
| :----------------------------------- | :---------------------------------------------- |
| 흉부 X선 촬영 | 0.06[26] |
| 흉부 CT | 5~8[27] |
| 전신 PET/CT 스캔 | 14~32[27] |
| 위장 투시 촬영 | 50 (연간 자연 방사선량의 14배)[27] |
| 급성 전신 피폭 (경증 증상) | 1000 (1 Sv) |
| 급성 전신 피폭 (심각 증상, 의료 치료 없이 10~35% 사망) | 2000~3500 (2.0~3.5 Sv) |
| 급성 전신 피폭 (LD50) | 3000~5000 (3~5 Sv)[28][29] |
| 급성 전신 피폭 (사망 확률 50% 초과) | 5000 (5 Sv) 이상 |
| 급성 전신 피폭 (특수 치료 불가능) | 7500~10000 (7.5~10 Sv)[30] |
| 원자력 노동자 평균 연간 방사선량 | 19 (백혈병 제외 암 사망 위험 2% 증가)[31] |
| 100 mSv 피폭 | 암 사망 위험 10% 증가[31] |
| 히로시마와 나가사키 원자 폭격 생존자 | 암 사망 위험 32% 증가[31] |
저선량 방사선 피폭의 영향은 정량화하기 어렵지만, 미국립과학원회보(PNAS)에 발표된 연구에 따르면 급성 피폭의 경우 10~50 mSv, 장기 피폭의 경우 50~100 mSv에서 암 위험 증가의 증거가 존재한다.[49]
참조
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본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
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