가이거 계수기
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1. 개요
가이거 계수기는 방사선을 감지하는 데 사용되는 장치로, 가이거-뮐러 계수관과 디스플레이 장치로 구성된다. 가이거-뮐러 계수관은 불활성 기체를 채운 금속 실린더로, 방사선이 들어오면 기체가 이온화되어 전류가 흐르는 원리를 이용한다. 이온화된 전류는 타운센드 방전을 통해 증폭되어 측정되며, 감마선, 알파선, 베타선, 중성자선 등 다양한 방사선을 검출할 수 있다. 가이거 계수기는 방사선량 측정과 입자 검출에 활용되며, 휴대용 기기, 지역 감마선 경보기, 난수 발생기 등 다양한 분야에서 사용된다.
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| 가이거 계수기 | |
|---|---|
| 측정기 정보 | |
| 이름 | 가이거-뮐러 계수기 |
| 다른 이름 | 가이거 계수기 |
| 발명가 | 한스 가이거, 발터 뮐러 |
| 관련 항목 | 가이거-뮐러 관 |
| 측정 정보 | |
| 측정 대상 | 이온화 방사선 |
| 기타 | |
| 로마자 표기 | Geiger–Müller counter |
| 영어 발음 | /ˈɡaɪɡər kaʊntər/ |
2. 측정 원리
가이거 계수기는 가이거-뮐러 계수관(GM관)과 디스플레이 장치로 구성된다. GM관은 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 비활성 기체를 낮은 압력으로 채운 금속 실린더 형태이며, 전극이 연결되어 있다. 방사선이 계수관 끝의 창을 통해 들어오면 방사선 에너지에 의해 불활성 기체가 이온화된다. 이때 타운센드 방전을 이용하여 전류를 증폭시켜 측정을 용이하게 한다.
가이거-뮐러 관에는 고전압이 인가되어 있는데, 고에너지 입자 또는 감마선이 이온화를 통해 기체를 전도성으로 만들면 관은 잠시 전하를 전도한다. 이 이온화는 관 내부에서 증폭되어 측정 가능한 검출 펄스를 생성하고, 이는 처리 및 표시 장치에 전달된다. 전자 장치는 가이거-뮐러 관 작동에 필요한 400~900볼트의 고전압을 생성하며, 이 전압은 너무 높으면 연속 방전이 발생하여 기기를 손상시킬 수 있고, 너무 낮으면 전류 펄스 생성이 어려워지므로 신중하게 선택해야 한다.[4]
2. 1. 가이거-뮐러 계수관 (GM관)
가이거-뮐러 계수관(GM관)은 방사선 측정 장치에 사용되는 핵심 부품이다. 이 관은 이온화 방사선을 감지하고 그 횟수를 세는 역할을 한다.[15][16]
GM관은 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 비활성 기체를 낮은 압력으로 채운 금속 실린더 형태이며, 중앙에 전극이 설치되어 있다. 일반적으로는 전류가 흐르지 않지만, 방사선이 관 내부를 통과하면 비활성 기체가 이온화되어 음극과 양극 사이에 펄스 전류가 흐르게 된다. 이 횟수를 세어 방사선의 양을 측정한다. 방사선이 가진 에너지는 타운센드 방전 효과를 통해 증폭되어 측정 가능한 신호로 변환된다. 하지만, 방사선 에너지와 출력 신호 강도 사이에는 비례 관계가 없으므로, 방사선의 에너지량을 측정하거나 핵종을 식별하는 데는 사용할 수 없다.[17] 방사선 에너지를 측정하려면 비례 계수관과 같은 다른 장치가 필요하다.
GM관은 주로 펄스 전류 횟수를 세는 데 사용되므로, 선량계에는 계측값을 붕괴수(Bq)나 선량(Sv)으로 변환하는 표가 함께 제공된다. 이 표에는 핵종별 고유 계수가 포함되어 있다.
GM관은 방사선 에너지를 직접 측정할 수는 없지만, 코발트 60이나 세슘 137과 같은 알려진 감마선원을 사용하여 교정할 수 있다. 동일 조건에서 측정하여 계측값과 선량 간의 대응 관계를 미리 파악해두면, 계측값을 선량으로 환산할 수 있다. 하지만, 이는 교정에 사용된 핵종에만 적용 가능하며, 다른 핵종에는 적용할 수 없다.
GM관은 저렴하고 구조와 취급이 간단하여 널리 사용되지만, 고선량 측정 시 계수 누락이 발생하고 전자기 방사선 검출 효율이 낮다는 한계가 있다.
GM 계수관의 작동 원리 및 구조GM 계수관은 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 비활성 기체 또는 페닝 혼합 기체를 채운 중공 원통과 그 중심에 부착된 전극으로 구성된다. 원통 내벽은 음극 역할을 하며 금속 또는 흑연으로 만들어지거나 코팅되어 있다. 원통 중심을 통과하는 선은 양극이 된다.
GM 계수관에 전압을 점차 높이면, 특정 전압 영역(플래토)에서는 입사하는 방사선에 대한 계수가 거의 일정하게 유지된다. 이 플래토 영역의 전압에서 GM 계수관을 사용해야 한다. 플래토의 기울기가 작은 GM 계수관일수록 성능이 좋으며, 100V당 방사선량이 일정할 때 계수 증가가 5% 이내인 것이 양호하다고 여겨진다.
전리 방사선이 원통을 통과하면, 채워진 비활성 기체 분자가 전리되어 양이온과 전자를 생성한다. 원통 내 고전장으로 인해 이온은 음극으로, 전자는 양극으로 가속된다. 이온 쌍은 가속으로 운동 에너지를 얻어 이동 중 충돌하는 기체 분자를 전리시킨다. 이로 인해 기체 속에 하전 입자의 사태가 발생한다.
결과적으로 음극에서 양극으로 짧고 강한 펄스 전류가 흐르고, 이 펄스를 측정하고 계수할 수 있다.
전류 켄칭 메커니즘전류가 연속적으로 흐르면 펄스 개수를 셀 수 없게 되므로, 이를 방지(켄치)하는 메커니즘이 있다.
- 외부 켄칭: 외부 전자 기기를 사용하여 전극 간 고전압을 제거하는 방식.
- 자체 켄칭 (내부 켄칭): 외부 보조 없이 전류를 멈추는 설계. 미량의 다원자 유기물 기체(부탄, 에탄올, 브롬, 염소 등 할로겐)를 내부에 첨가한다. 이온은 켄치 기체와 충돌하여 에너지를 잃고 해리된다.
불감 시간, 분해 시간, 회복 시간 및 질식 현상
- 불감 시간: GM 계수관에 방사선이 입사하면 이온 쌍이 생성되지만, 양이온이 무거워 전하가 반대 전극에 도달하는 속도에 차이가 발생한다. 펄스가 출력될 때까지 시간 지연이 발생하며, 이 시간 동안 다른 방사선이 입사해도 이온 쌍이 생성되지 않아 펄스가 출력되지 않는다.
- 분해 시간: 양이온이 양극에서 멀어졌을 때 방사선이 입사하면 미약한 펄스가 출력되지만, 검출 가능한 수준으로 커지는 데 걸리는 시간. 실용상 불감 시간과 분해 시간은 거의 같다. GM 계수관의 분해 시간은 약 10-4초 정도이다.
- 회복 시간: 분해 시간 내에 다른 방사선이 들어오면 펄스가 출력될 수 있을 때까지 회복하는 데 걸리는 시간.
- 질식 현상: 고선량 방사선을 측정할 때, 회복 시간 내에 계속 새로운 방사선이 들어오면 펄스 성장이 반복되어 방사선이 전혀 검출되지 않는 현상.
할로겐관현재 가장 보급된 유형은 1947년 시드니 H. 리프슨이 발명한 할로겐관이다. 할로겐 분자를 이온화하는 데 비활성 기체의 준안정 상태를 이용하여 효율적으로 전류를 발생시키므로, 훨씬 낮은 전압(400-600V)에서 작동한다. 유기 가스는 재결합하지 않고 분해되는 반면, 할로겐 이온은 재결합하므로 수명이 길다. 그러나 할로겐 가스를 사용한 GM 계수관은 플래토가 나빠지기 때문에 유기 가스를 사용한 것도 많다.
GM 계수관 직접 제작정확도가 낮다면 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료로 직접 만들 수도 있다. 플라스틱 용기와 알루미늄 호일로 만드는 YY(야노·요네무라)식 GM 계수관, 부탄 가스원으로 일회용 라이터 가스를 사용하는 것[22], 형광등 글로우 램프를 사용하는 예[23], 시판 GM 계수관을 사용하는 것[24] 등이 있지만, 위험을 수반하므로 주의해야 한다.
2. 2. 계측
가이거 계수기는 기본적으로 계수 측정 방식과 피폭량 측정 방식, 두 가지 방식으로 방사능을 측정한다.- 계수 측정: 불활성 기체가 이온화되는 비율을 측정하는 방식이다. 주로 알파 입자나 베타 입자 검출에 사용되며, 초당 계수(cps), 분당 계수(cpm), 또는 일정 기간 동안의 총 계수 등으로 표시된다.
- 피폭량 측정: 감마선이나 X-선의 피폭량을 시버트(Sv) 단위로 나타낸다. 가이거-뮐러 계수관은 현재 방사선량만 측정 가능하므로, 실제 피폭량은 검출된 방사선량을 바탕으로 소프트웨어가 계산한 값이다.[25]
계측값은 아날로그(지침, 소리) 또는 디지털(LCD) 방식으로 표시된다. 특히, 가이거 계수기는 방사능 검출 시 특유의 "딸깍" 소리(
| 방식 | 설명 | 단위 | 특징 |
|---|---|---|---|
| 계수 측정 | 불활성 기체의 이온화 비율 측정 | cps, cpm, 총 계수 | 알파 입자, 베타 입자 검출에 주로 사용 |
| 피폭량 측정 | 감마선, X-선의 피폭량 측정 | 시버트(Sv) | 소프트웨어 계산 값[25], 기기 조율에 따라 차이 발생 가능 |
2. 3. 한계
가이거 계수기는 두 가지 주요한 한계가 있다.첫째, 가이거-뮐러 계수관은 방사선의 종류를 구분하지 못한다.[25] 출력 펄스는 입사 방사선의 에너지와 관계없이 항상 같은 크기이기 때문에, 방사선 종류나 에너지를 측정할 수 없다.[5] 따라서 선량률을 정확하게 측정할 수 없다.
둘째, 높은 방사능 환경에서는 "무감응 시간"(dead time)이라는 현상 때문에 정확도가 떨어진다.[5] 무감응 시간 동안에는 추가적인 입사 방사선이 계수되지 않는다. 일반적으로 초당 104~105 회 이상의 계수율에서 무감응 시간으로 인해 계수율이 감소한다.[5] 이는 사용되는 계수관의 특성에 따라 달라진다.[5] 일부 계수기는 이를 보상하는 회로가 있지만, 매우 높은 선량률을 측정할 때는 전리함 기기를 사용하는 것이 좋다.
3. 종류
가이거 계수기는 방사선을 검출하는 방식에 따라 엔드윈도(end-window), 틴월드(thin-walled), 틱월드(thick-walled) 등으로 구분할 수 있다. 탐지기의 설계 방식에 따라 종류와 사용 방법이 다양하다.
3. 1. 입자 검출
한스 가이거가 처음 개발한 가이거 계수기는 알파 입자와 베타 입자를 검출하기 위한 것이었다. 엔드윈도 방식은 계수관 끝에 운모 재질의 얇은 창을 내어 입자가 잘 통과하게 하는 방식으로, 알파 입자와 낮은 에너지의 베타 입자 검출에 사용된다. 이 창은 밀도가 약 1.5 - 2.0 mg/cm2로, 대부분의 입자가 정지력을 거의 받지 않고 통과한다.[27] 알파 입자는 짧은 거리에서 급격히 감쇠하므로, 검출을 위해서는 엔드윈도를 소스에서 10mm 이내에 두어야 한다.[27]가이거-뮐러 계수관은 방사선량 검출에 같은 자기장을 이용하므로 알파 입자와 베타 입자를 구별할 수 없다.[25] 하지만, 큰 에너지를 가진 베타 입자는 알파 입자와 다른 양상을 보여 숙련된 조작자는 구별할 수 있다. 짧은 시간에 방사선량 측정을 위해 계수관 단면적을 크게 한 것이 팬케이크형 가이거 계수기이다.
높은 에너지의 베타 입자는 틴월드(thin-walled) 가이거-뮐러 계수관으로도 검출할 수 있다. 이 계수관은 벽을 통과하는 입자를 검출하여, 큰 정지력을 가진 입자만 계수관 내 불활성 기체에 도달하도록 한다.[27]
엔드윈도 방식 가이거 계수기는 저렴하고 작은 크기로 제작이 가능하여 이동식 방사능 검출기로 널리 사용된다.[26]
3. 2. 감마선 및 X-선의 검출
감마선 및 X-선(광자) 검출에는 윈도가 없는 가이거 계수관이 사용된다. 그러나 감마선은 알파 입자나 베타 입자에 비해 불활성 기체를 이온화시키는 효과가 작아 검출 효율이 좋지 않다.[27]고에너지 광자의 경우, 스테인리스강과 같이 원자 번호가 높은 재료(두께 1~2mm)로 된 관 벽과 방사선의 상호작용에 의존하여 광전 효과로 인해 관 벽 내부에 자유 전자를 생성한다. 이러한 전자가 관 벽에서 빠져나오면 관 내부로 들어가 충전 가스를 이온화한다.[5]
이 효과는 관 내부의 저압 가스가 강철 관보다 고에너지 광자와의 상호작용이 더 약하기 때문에 검출 효율을 높인다. 그러나 광자 에너지가 낮아짐에 따라 가스 상호작용이 커지고 직접적인 가스 상호작용의 기여도가 증가한다. 매우 낮은 에너지(25keV 미만)에서는 직접적인 가스 이온화가 우세하며, 강철 관은 입사 광자를 감쇠시킨다. 따라서 이러한 에너지에서 일반적인 관 설계는 입자와 충전 가스의 직접 상호작용 가능성을 높이기 위해 더 큰 가스 부피를 가진 얇은 벽의 긴 관이다.[7]
낮은 에너지 수준 이상에서는 동일한 세기의 서로 다른 광자 에너지에 대한 반응에 상당한 차이가 있으며, 강철 벽 가이거-뮬러 관은 벌거벗은 관 주위의 필터 링 형태로 "에너지 보상"을 사용하여 광범위한 에너지 범위에 걸쳐 이러한 변화를 보상하려고 시도한다.[7] 강철 벽 가이거-뮬러 관은 넓은 에너지 범위에서 약 1%의 효율을 가진다.[7]
3. 3. 중성자 검출
가이거 계수기는 중성자를 직접 검출할 수 없다. 중성자는 전하를 띠지 않아 기체를 이온화시키지 않기 때문이다. 따라서 중성자를 검출하기 위해 특수한 가이거-뮐러 계수관을 사용한다.
이러한 계수관에는 삼불화붕소(BF3)나 헬륨-3이 채워져 있다. 중성자가 계수관 내부의 물질과 반응하면 하전 입자가 생성된다. 예를 들어, 중성자가 플라스틱 제어자와 충돌하면 알파 입자가 발생한다. 또는, 중성자가 헬륨-3과 반응하면 수소와 삼중수소 이온, 그리고 전자가 생성된다. 이렇게 생성된 하전 입자는 비활성 기체를 이온화시키고, 이 이온화 과정을 통해 중성자를 간접적으로 검출한다.
4. 역사
1908년 한스 가이거는 어니스트 러더퍼드의 지도 아래 맨체스터 빅토리아 대학교에서 알파 입자를 검출할 수 있는 계수관을 개발하였다.[28] 이 초기 계수기는 알파 입자만을 검출할 수 있었다. 계수기의 측정 원리인 방사능에 의한 이온화 메커니즘은 1897년에서 1901년 사이에 존 실리 타운센드가 발견한 것으로[29], 타운센드 방전은 방사성 입자가 원자와 충돌하여 이온화할 때 튀어나온 자유 전자가 높은 전압의 전기장에 놓이면 연쇄 방전되는 현상이다. 이 현상을 이용하면 이온화 정도가 아주 작더라도 측정할 수 있게 된다.
1928년 가이거는 그의 박사후 과정 제자였던 발터 뮐러와 함께 보다 정교한 측정이 가능한 가이거-뮐러 계수관을 개발하였다.[30] 이로써 보다 값싸게 입자성 방사능을 측정할 수 있는 가이거-뮐러 계수기가 만들어졌다. 적은 비용과 작은 크기라는 장점 때문에 가이거-뮐러 계수기는 대표적인 휴대용 방사능 측정기가 되었다.
오늘날 쓰이는 가이거-뮐러 계수기는 1947년 미국의 과학자 시드니 리브슨에 의해 개량된 것이다.[31] 리브슨이 개량한 가이거-뮐러 계수관은 보다 오랫동안 사용할 수 있고, 작동 전압도 400-600 볼트로 기존의 것보다 낮다.[32]
5. 활용
가이거 계수기는 방사선을 감지하여 그 횟수를 계측하는 장치인 가이거-뮐러 계수관(GM관)을 활용한다.[15][16] 주로 방사선 측정 장치에 사용되며, 휴대용 기기뿐만 아니라 인원 보호를 위한 설치형 경보기, 공정 측정 및 인터록 응용 분야에도 널리 사용된다.
가이거 계수기는 알파선이나 베타선과 같은 하전 입자는 거의 100% 검출할 수 있지만, X선, 감마선과 같은 전자기 방사선에 대한 계수 효율(감도)은 0.1~1%에 불과하다.[17] 이는 가이거 계수관 내부의 기체 밀도가 낮아 투과력이 높은 감마선은 상호 작용을 하기 어렵기 때문이다. 따라서 감마선 측정에는 NaI 신틸레이션 검출기가 더 적합하다. 반면 신틸레이션 검출기는 창이 두꺼워 베타선을 투과할 수 없으므로 베타선 검출에는 가이거 계수기가 더 적합하다.
가이거 계수기는 구조가 간단하고 취급이 용이하여 다양한 분야에서 활용된다.
- 방사선 안전 관리: 원자력 발전소, 병원, 연구소 등에서 방사선 안전 관리를 위해 사용된다.
- 방사성 폐기물 처리: 방사성 폐기물의 방사능 준위를 측정하여 안전하게 처리하는 데 사용된다.
- 환경 방사능 감시: 환경 방사능 오염 여부를 감시하고, 방사능 누출 사고 발생 시 신속하게 대응하는 데 사용된다.
- 의료 영상: 양전자 방출 단층촬영(PET)과 같은 의료 영상 분야에서 방사성 동위원소를 추적하여 질병을 진단하는 데 사용된다.
- 비파괴 검사: 산업 현장에서 제품의 결함을 검사하는 비파괴 검사에 사용된다.
- 개인용 방사능 측정기: 최근에는 개인용 방사능 측정기로도 사용되며, 식품, 생활용품 등의 방사능 오염 여부를 확인하는 데 사용된다.
한편, GM 계수관은 하드웨어 난수 발생기로 사용되기도 한다.
6. 한국 내 현황
함마쓰 포토닉스에서 간편한 실험용으로 적합한 소형·경량 GM 계수기를 제조했으나, 현재는 생산을 중단했다.[18] 표면 오염 측정 관리 목적으로 사용되는 서베이미터는 국내에서 히타치 제작소(구・히타치 아로카메디컬) 등에서 판매하고 있다.[18] 측정 방사선은 "β(γ)선"이다.[19]
입사창에 매우 얇은 운모 막을 사용한 GM관식 서베이미터만이 α선을 검출할 수 있다.[20] α선용 서베이미터로 국내 제조사에서 시판되는 것은 황화아연(ZnS(Ag)) 신틸레이터를 사용한 신틸레이션식이다.[21]
정확도가 낮더라도 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료로 직접 가이거 계수기를 만들 수도 있다. 플라스틱 용기와 알루미늄 호일로 만드는 YY(야노·요네무라)식 GM 계수관, 부탄 가스원으로 일회용 라이터 가스를 사용하는 방법[22], 형광등 글로우 램프를 사용하는 예[23], 시판 GM 계수관을 사용하는 것[24] 등이 있지만, 어떤 경우든 위험을 수반하는 실험이므로 충분히 주의해야 한다.
최근 후쿠시마 원전 오염수 방류 문제로 인해 방사능 측정기 및 관련 상품에 대한 관심이 증가하고 있다. 시민단체 및 환경단체에서 자체적으로 방사능 측정을 실시하고, 관련 정보를 공개하는 사례가 늘고 있다.
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