감마선 분광법
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1. 개요
감마선 분광법은 감마선의 에너지를 측정하여 방사성 물질을 분석하는 기술이다. 감마선은 가장 높은 에너지를 가진 전자기파로, 감마선 분광기는 감마선의 에너지에 따라 검출하고 분석한다. 주요 구성 요소는 에너지에 민감한 검출기와 분석 전자 장치이며, 검출기는 광전 효과, 컴프턴 효과, 쌍생성 등의 상호 작용을 통해 감마선을 감지한다. 감마선 분광법은 검출기의 에너지 분해능과 검출 효율에 따라 성능이 결정되며, 섬광 검출기, 반도체 검출기 등이 사용된다. 측정값 해석을 통해 후방 산란 피크, 단일 및 이중 탈출 피크 등을 분석하며, 교정 및 배경 방사선 보정을 통해 정확한 측정을 수행한다.
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| 감마선 분광법 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 방사성 측정 |
| 탐지 대상 | 감마선 |
| 관련 학문 | 핵물리학 |
| 적용 분야 | 핵의학 재료 과학 천문학 |
| 설명 | |
| 감마선 분광법 | 감마선의 에너지 스펙트럼을 정량적으로 연구하는 것임. |
| 감마선 | 방사성 붕괴 시 방출되는 것임. |
| 감마선 에너지 | 핵종을 식별하는 데 사용되는 특정 에너지임. |
| 감마선 분광기 | 다양한 감마선 에너지를 측정하고 표시하는 데 사용됨. |
| 방법 | |
| 감마선원 연구 | 에너지 스펙트럼을 정량적으로 연구함. |
| 방사성 붕괴 | 감마선 방출을 동반함. |
| 핵종 식별 | 감마선의 특정 에너지를 사용하여 식별함. |
| 감마선 분광기 사용 | 감마선 에너지를 측정하고 표시함. |
| 검출기 종류 | |
| 섬광 검출기 | 섬광 물질을 사용하여 감마선을 검출함. |
| 반도체 검출기 | 반도체 물질을 사용하여 감마선을 검출함. |
| 핵종 | |
| 예시 | 라듐 226 납 214 비스무트 214 |
2. 감마선의 특징
감마선은 가장 높은 에너지를 가진 전자기파의 형태이다. 전자기 스펙트럼의 X선, 가시광선, 적외선, 전파와 같은 다른 모든 형태와 물리적으로 동일하지만, 짧은 파장으로 인해 (일반적으로) 더 높은 광자 에너지를 갖는다. 이 때문에 감마선 광자의 에너지를 개별적으로 분해할 수 있으며, 감마선 분광기는 감지된 감마선 광자의 에너지를 측정하고 표시할 수 있다.
방사성 핵종(방사성 핵종)은 일반적으로 몇 keV에서 ~10 MeV에 이르는 에너지 범위의 감마선을 방출하며, 이는 비교적 긴 수명을 가진 핵의 전형적인 에너지 준위에 해당한다. 이러한 소스는 일반적으로 감마선 선 스펙트럼 (즉, 이산적인 에너지에서 방출되는 많은 광자)을 생성하는 반면, 천체 물리학 및 기본 입자 물리학에서 관찰되는 연속 스펙트럼에서는 훨씬 더 높은 에너지(1 TeV 이상)가 발생할 수 있다.[3]
2. 1. 전자기 스펙트럼에서의 위치
감마선은 전자기파의 한 형태로, 전자기 스펙트럼에서 X선보다 높은 에너지 영역에 위치한다. 감마선은 X선, 가시광선, 적외선, 전파와 물리적으로 동일하지만, 파장이 짧아 광자 에너지가 더 높다.[3]감마선과 X선은 명확히 구분하기 어렵다. 감마선은 핵 껍질 에너지 준위 간 전이에서 발생하며 단일 에너지(monoenergetic)를 갖는다. 반면 X선은 원자 에너지 준위 간 전이와 관련되거나( 특성 X선, 단일 에너지를 가짐), 전기적으로 생성되어(X선관, 선형 가속기) 넓은 에너지 범위를 가진다.[3]
2. 2. 감마선과 X선의 차이
감마선은 핵 껍질 에너지 준위 간의 전이에서 발생하며 단일 에너지(monoenergetic)를 갖는 반면, X선은 원자 에너지 준위 간의 전이와 관련되거나 (특성 X선, 즉 단일 에너지를 가짐) 전기적으로 생성되며(X선관, 선형 가속기) 넓은 에너지 범위를 갖는다.[3]3. 감마선 분광기의 구성 요소
감마선 분광기는 감마선을 검출하는 검출기와, 검출된 신호를 분석하는 전자 장치로 구성된다. 신호 증폭기, 속도 측정기, 피크 위치 안정기 및 데이터 처리 장치도 추가로 사용될 수 있다.[4]
3. 1. 검출기 (Detector)
감마선 분광기는 에너지에 민감한 방사선 검출기와 검출기 출력 신호를 분석하는 다채널 분석기 등의 전자 장치로 구성된다. 검출기는 입사하는 감마선과 상호 작용하여 에너지를 흡수하고, 그 차이를 감지하여 전압 신호로 변환한다. 주로 요오드화 나트륨 (NaI) 섬광 계수기와 고순도 게르마늄 검출기가 사용된다.
컴프턴 억제 차폐나 애드백(add-back)이 있는 분할 검출기(예: 클로버 검출기)를 사용하면 컴프턴 효과나 쌍생성으로 인해 흡수되지 않는 에너지를 줄일 수 있다.[4]
3. 1. 1. 광전 효과, 컴프턴 효과, 쌍생성
감마선 분광법 검출기에서 가장 중요한 상호 작용 메커니즘은 광전 효과, 컴프턴 효과, 쌍 생성이다. 이러한 과정을 통해 감마선의 에너지가 흡수되고, 상호 작용 전후의 에너지 차이를 감지하여 전압 신호로 변환한다. 생성된 전압 신호는 감지된 감마선의 에너지에 비례한다.감마선의 에너지를 정확하게 결정하려면, 입사 광선의 모든 에너지를 흡수하는 광전 효과가 발생하는 것이 유리하다. 컴프턴 상호 작용이나 쌍 생성의 경우, 에너지 일부가 흡수되지 않고 검출기 부피에서 빠져나갈 수 있다. 따라서 흡수된 에너지는 낮은 에너지의 광선에서 오는 신호처럼 작용하는 신호를 발생시킨다. 이는 낮은 에너지 영역과 겹치는 스펙트럼 특징을 초래한다. 더 큰 검출기 부피를 사용하면 이러한 효과를 줄일 수 있다.[4]
3. 2. 데이터 획득 (Data Acquisition)
감마선 분광기의 주요 구성 요소는 에너지에 민감한 방사선 검출기와 검출기 출력 신호를 분석하는 전자 장치(예: 다채널 분석기)이다. 신호 증폭기, 속도 측정기, 피크 위치 안정기, 데이터 처리 장치 등이 추가 구성 요소로 사용될 수 있다.
3. 2. 1. 다중 채널 분석기 (MCA)
전류 전압 펄스는 검출기 내에서 상호작용하는 모든 감마선에 대해 생성되며, 이후 다중 채널 분석기(MCA)에 의해 분석된다. MCA에서 펄스 성형 증폭기는 과도 전압 신호를 받아 가우시안 또는 사다리꼴 모양으로 재형성한다. 이 모양으로부터, 신호는 빠른 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 디지털 형태로 변환된다. 매우 높은 샘플링 속도의 ADC를 갖춘 새로운 시스템에서는 재형성 없이 아날로그-디지털 변환을 수행할 수 있다.MCA의 추가 논리는 펄스 높이 분석을 수행하여 펄스를 높이에 따라 특정 빈 또는 "채널"로 정렬한다. 각 채널은 스펙트럼에서 특정 에너지 범위를 나타내며, 각 채널에 대해 감지된 신호의 수는 이 에너지 범위에서 방사선의 스펙트럼 강도를 나타낸다. 채널 수를 변경하면 스펙트럼 분해능과 감도를 미세 조정할 수 있다.[5]
MCA는 데이터를 컴퓨터로 전송할 수 있으며, 컴퓨터는 데이터를 저장, 표시 및 추가 분석한다. 다양한 소프트웨어 패키지가 여러 제조업체에서 제공되며, 일반적으로 에너지 보정(빈을 에너지로 변환), 피크 면적 및 순 면적 계산, 분해능 계산과 같은 스펙트럼 분석 도구가 포함되어 있다.[6]
USB 사운드 카드는 저렴한 기성품 ADC 역할을 할 수 있으며, 이는 마렉 돌라이저가 개척한 기술이다. 특수 컴퓨터 소프트웨어는 디지털화된 파형에 대해 펄스 높이 분석을 수행하여 완전한 MCA를 형성한다.[7] 사운드 카드는 고속이지만 저해상도(최대 192kHz) ADC 칩을 가지고 있어, 낮거나 중간 정도의 계수율에 대해 적절한 품질을 제공한다.[8] "사운드 카드 분광기"는 아마추어 및 전문가 사이에서 더욱 개선되었다.[9][10]
3. 2. 2. 아날로그-디지털 변환기 (ADC)
다중 채널 분석기(MCA)에서 펄스 성형 증폭기는 과도 전압 신호를 받아 가우시안 또는 사다리꼴 모양으로 재형성한다. 이 모양으로부터, 신호는 빠른 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 디지털 형태로 변환된다. 매우 높은 샘플링 속도의 ADC를 갖춘 새로운 시스템에서는 재형성 없이 아날로그-디지털 변환을 수행할 수 있다.[5]USB 사운드 카드는 저렴한 기성품 ADC 역할을 할 수 있는데, 이는 마렉 돌라이저가 개척한 기술이다. 특수 컴퓨터 소프트웨어는 디지털화된 파형에 대해 펄스 높이 분석을 수행하여 완전한 MCA를 형성한다.[7] 사운드 카드는 고속이지만 저해상도(최대 192kHz) ADC 칩을 가지고 있어, 낮거나 중간 정도의 계수율에 대해 적절한 품질을 제공한다.[8] "사운드 카드 분광기"는 아마추어 및 전문가 사이에서 더욱 개선되었다.[9][10]
4. 검출기 성능
감마선 분광 시스템의 성능은 주로 검출기의 에너지 분해능과 효율로 평가된다.
4. 1. 에너지 분해능 (Energy Resolution)
감마선 분광 시스템에서 감마선이 감지되면 스펙트럼에 피크가 생성되는데, 이 피크의 폭은 검출기의 분해능에 의해 결정된다. 고분해능을 통해 분광학자는 서로 가까이 있는 두 개의 감마선을 분리할 수 있다.[1] 감마선 분광 시스템은 가능한 최고의 분해능으로 대칭적인 피크를 생성하도록 설계 및 조정되며, 피크 모양은 일반적으로 가우스 분포를 따른다.[1]검출기 분해능을 나타내는 데 사용되는 가장 일반적인 수치는 반치폭(FWHM)이다. 이는 피크 분포에서 가장 높은 지점의 절반 지점에서의 감마선 피크 폭이다.[1] 에너지 분해능 수치는 지정된 감마선 에너지에 대해 제공된다.[1] 분해능은 절대값(예: eV 또는 MeV) 또는 상대값으로 표현할 수 있다.[1] 예를 들어, 요오드화 나트륨(NaI) 검출기는 122 keV에서 9.15keV, 662 keV에서 82.75keV의 FWHM을 가질 수 있다.[1] 이러한 분해능 값은 절대값으로 표현된다.[1] 에너지 분해능을 상대값으로 표현하려면 eV 또는 MeV 단위의 FWHM을 감마선의 에너지로 나누고 일반적으로 백분율로 표시한다.[1] 앞의 예를 사용하면, 검출기의 분해능은 122 keV에서 7.5%, 662 keV에서 12.5%이다.[1] 동축형 게르마늄 검출기의 일반적인 분해능은 1332 keV에서 약 2keV로, 0.15%의 상대 분해능을 나타낸다.[1]
4. 2. 검출 효율 (Detector Efficiency)
검출 효율은 방출된 감마선이 검출기와 상호 작용하여 계수(count)를 생성할 확률을 의미한다. 효율이 높은 검출기는 효율이 낮은 검출기보다 더 짧은 시간에 스펙트럼을 생성한다. 일반적으로 검출기가 클수록 효율이 높지만, 검출기 재료의 차폐 특성도 중요하다. 검출 효율은 알려진 방사능 소스의 스펙트럼과 각 피크의 계수율을 각 감마선의 알려진 세기와 비교하여 측정한다.효율은 절대 효율과 상대 효율로 표현할 수 있다.[1]
- 절대 효율: 검출기를 통과하는 특정 에너지의 감마선이 상호 작용하여 감지될 확률을 나타낸다.[1]
- 상대 효율: 주로 게르마늄 검출기에 사용되며, 1332 keV에서 검출기의 효율을 3 in × 3 in NaI 검출기 (25 cm에서 1.2×10−3 cps/Bq)의 효율과 비교한다.[1] 따라서 매우 큰 게르마늄 검출기를 사용하면 100%보다 큰 상대 효율 값을 얻을 수 있다.[1]
감지되는 감마선의 에너지는 검출기 효율에 중요한 요소이다.[1] 다양한 에너지에서 효율을 표시하여 효율 곡선을 얻을 수 있으며, 이 곡선을 통해 다른 에너지에서 검출기의 효율을 결정할 수 있다.[1] 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기는 일반적으로 더 높은 감도를 가진다.[1]
5. 섬광 검출기 (Scintillation Detectors)
섬광 검출기는 감마선이 결정 내의 원자와 상호 작용할 때 빛을 방출하는 결정을 이용한다. 생성된 빛의 강도는 일반적으로 감마선이 결정에 축적한 에너지에 비례한다. 200keV 미만의 방사선을 흡수하는 요오드화 나트륨 검출기의 경우 이 관계가 성립하지 않는 경우가 있는데, 이는 열형광 선량계의 메커니즘과 유사하다. 섬광 검출기는 광전자 증배관에 연결된다. 광음극은 빛을 전자로 변환하고, 다이노드를 사용하여 델타선 생성을 통해 전자 캐스케이드를 생성하여 신호를 증폭시킨다. 일반적인 섬광체에는 탈륨이 도핑된 요오드화 나트륨 (NaI(Tl)) 및 게르마늄산 비스무트 (BGO)가 있다. 광전자 증배관은 주변광에도 민감하므로 섬광체는 빛을 차단하는 덮개에 넣어진다.
섬광 검출기는 알파선 및 베타선 방사선을 감지하는 데에도 사용할 수 있다.
5. 1. 요오드화 나트륨 검출기 (NaI(Tl) Detectors)
섬광 검출기는 감마선이 결정 내의 원자와 상호 작용할 때 빛을 방출하는 결정을 이용한다. 생성된 빛의 강도는 감마선이 결정에 축적한 에너지에 비례하는 것이 일반적이다. 그러나 요오드화 나트륨 검출기의 경우 200 keV 미만의 방사선을 흡수할 때는 이 관계가 성립하지 않는다. 이 메커니즘은 열형광 선량계의 메커니즘과 유사하다. 검출기는 광전자 증배관에 연결되어 빛을 전자로 변환하고, 다이노드를 사용하여 델타선 생성을 통해 전자 캐스케이드를 생성하여 신호를 증폭시킨다. 일반적인 섬광체에는 탈륨-도핑된 요오드화 나트륨 (NaI(Tl))— "요오드화 나트륨 (NaI)" 검출기로 불림 — 및 게르마늄산 비스무트 (BGO)가 있다. 광전자 증배관은 주변광에도 민감하므로 섬광체는 빛을 차단하는 덮개 안에 설치된다.탈륨이 도핑된 요오드화 나트륨(NaI(Tl))은 다음과 같은 두 가지 주요 장점을 갖는다.
# 큰 결정을 생산할 수 있어 효율이 좋다.
# 다른 분광 형광체에 비해 강렬한 빛을 발생시킨다.
NaI(Tl)은 사용하기에도 편리하여 법 집행 목적으로 미지의 물질을 식별하는 등 현장 적용에 널리 사용된다.
전자-정공 재결합은 순수한 섬광 결정체를 재여기 시킬 수 있는 빛을 방출한다. 그러나 NaI(Tl)의 탈륨 도펀트는 전도대와 원자가대 사이의 밴드 갭 내에 에너지 상태를 제공한다. 도핑된 섬광 결정체에서 여기된 후, 전도대 내의 일부 전자는 활성제 상태로 이동한다. 활성제 상태로부터의 하향 전이는 도핑된 결정체를 재여기 시키지 않으므로, 결정체는 이 방사선에 투명하다.
NaI 스펙트럼의 예시는 세슘 동위원소 의 감마 스펙트럼이다. (''그림 1 참조'') 는 662 keV의 단일 감마선을 방출한다. 표시된 662 keV 선은 실제로 과 방사평형을 이루는 에서 생성된다. 의 붕괴 생성물이다.
그림 1의 스펙트럼은 광전자 증배관, 증폭기 및 다중 채널 분석기에 있는 NaI 결정체를 사용하여 측정되었다. 그림은 측정 기간 동안 채널 번호에 따른 카운트 수를 보여준다. 스펙트럼은 다음 피크를 나타낸다 (왼쪽에서 오른쪽으로).
- 저에너지 X선 (감마선의 내부 변환으로 인해 발생)
- 후방 산란은 콤프턴 분포의 저에너지 끝에 위치
- 662 keV 에너지의 광전자 피크 (전체 에너지 피크)
콤프턴 분포는 그림 1에서 채널 150까지 존재하는 연속 분포이다. 이 분포는 1차 감마선이 결정체 내에서 콤프턴 산란을 겪기 때문에 발생한다. 산란각에 따라 콤프턴 전자는 다른 에너지를 가지므로 다른 에너지 채널에서 펄스를 생성한다.
스펙트럼에 많은 감마선이 존재하면 콤프턴 분포가 분석 과제를 제시할 수 있다. 감마선을 줄이기 위해 반감지 차폐를 사용할 수 있다. (''콤프턴 억제 참조'') 감마선 감소 기술은 특히 작은 리튬 도핑된 게르마늄 (Ge(Li)) 검출기에 유용하다.
그림 2에 표시된 감마 스펙트럼은 코발트 동위원소 의 스펙트럼으로, 각각 1.17 MeV 및 1.33 MeV의 두 개의 감마선을 갖는다. (''붕괴 도식 문서에서 코발트-60의 붕괴 도식을 참조.'') 두 개의 감마선은 잘 분리되어 볼 수 있다. 채널 200의 왼쪽에 있는 피크는 빼지 않은 강한 배경 방사선 소스를 나타낼 가능성이 높다. 그림 1의 두 번째 피크와 유사하게, 채널 150 근처에서 후방 산란 피크를 볼 수 있다.
모든 섬광 시스템과 마찬가지로 요오드화 나트륨 시스템은 온도 변화에 민감하다. 환경 온도 변화로 인한 작동 온도의 변화는 수평 축에서 스펙트럼을 이동시킨다. 수십 개의 채널 이상으로 피크가 이동하는 것이 일반적으로 관찰된다. 이러한 이동은 스펙트럼 안정화기를 사용하여 방지할 수 있다.
NaI 기반 검출기는 해상도가 좋지 않기 때문에 감마선 생성 물질의 복잡한 혼합물을 식별하는 데는 적합하지 않다. 이러한 분석이 필요한 시나리오에서는 더 높은 해상도의 검출기가 필요하다.
5. 2. 기타 섬광 검출기
게르마늄산 비스무트 (BGO)도 섬광 물질로 사용된다. 광전자 증배관은 주변광에도 민감하므로 섬광체는 빛을 차단하는 덮개에 넣어진다. 섬광 검출기는 알파선 및 베타선 방사선을 감지하는 데에도 사용할 수 있다.6. 반도체 검출기 (Semiconductor-based Detectors)
반도체 검출기는 섬광 검출기와 달리, 감마선에 의해 생성된 전하 운반체(전자-정공 쌍)를 검출한다.
반도체 검출기에 전기장이 가해지면, 감마선과 상호작용한 전자가 원자가띠에서 전도띠로 이동한다. 전도띠의 전자는 양극으로, 전자가 빠져나간 자리(정공)는 음극으로 이동한다. 이는 전리함의 이온 이동과 유사하다. 전자와 정공이 각각 양극과 음극에 도착하면 전기 신호가 발생하고, 이는 전치 증폭기와 MCA를 거쳐 분석된다.
주요 반도체 검출기 물질로는 게르마늄, 텔루르화 카드뮴, 텔루르화 아연 카드뮴이 있다.
게르마늄 검출기는 요오드화 나트륨 검출기보다 에너지 분해능이 뛰어나 현재 최고 수준이다. 하지만 액체 질소를 이용한 극저온 냉각이 필요하다.
6. 1. 게르마늄 검출기 (Germanium Detectors)
반도체 검출기는 고체 검출기라고도 하며, 섬광 검출기와는 근본적으로 다르다. 반도체 검출기는 감마선 광자가 증착한 에너지에 의해 반도체에서 생성된 전하 운반체(전자 및 정공)의 검출에 의존한다.반도체 검출기에서는 전기장이 검출기 부피에 가해진다. 반도체의 전자는 감마선 상호 작용으로 전자가 원자가띠에서 전도띠로 이동할 수 있는 충분한 에너지를 얻을 때까지 결정 내에 고정된다. 전도띠에 있는 전자는 검출기의 전기장에 반응하여 전기장을 생성하는 양극 접점으로 이동한다. 움직이는 전자에 의해 생성된 틈새를 "정공"이라고 하며, 인접한 전자에 의해 채워진다. 이러한 정공의 이동은 효과적으로 양전하를 음극 접점으로 이동시킨다. 양극 접점에 전자가 도착하고 음극 접점에 정공이 도착하면 전치 증폭기, MCA로 전송되고 분석을 위해 시스템을 통과하는 전기 신호가 생성된다.
일반적인 반도체 기반 검출기로는 게르마늄, 텔루르화 카드뮴, 텔루르화 아연 카드뮴이 있다.
게르마늄 검출기는 요오드화 나트륨 검출기에 비해 훨씬 향상된 에너지 분해능을 제공한다. 게르마늄 검출기는 오늘날 일반적으로 사용할 수 있는 최고 분해능을 생성한다. 그러나 단점은 게르마늄 검출기의 작동에 극저온 온도가 필요하다는 것이다. 이는 일반적으로 액체 질소로 냉각한다.[1]
6. 2. 기타 반도체 검출기
반도체 검출기는 고체 검출기라고도 하며, 섬광 검출기와 근본적으로 다르다. 반도체 검출기는 감마선 광자가 증착한 에너지에 의해 반도체에서 생성된 전하 운반체(전자 및 정공)를 검출한다.
반도체 검출기에서는 전기장이 검출기 부피에 가해진다. 반도체의 전자는 감마선 상호 작용으로 원자가띠에서 전도띠로 이동할 수 있는 충분한 에너지를 얻을 때까지 결정 내에 고정된다. 전도띠에 있는 전자는 검출기의 전기장에 반응하여 전기장을 생성하는 양극 접점으로 이동한다. 움직이는 전자에 의해 생성된 틈새를 "정공"이라고 하며, 인접한 전자에 의해 채워진다. 이러한 정공의 이동은 효과적으로 양전하를 음극 접점으로 이동시킨다. 양극 접점에 전자가 도착하고 음극 접점에 정공이 도착하면 전치 증폭기, MCA로 전송되고 분석을 위해 시스템을 통과하는 전기 신호가 생성된다. 고체 검출기 내에서 전자와 정공의 이동은 전리함과 같은 가스 충전 검출기의 감지 부피 내에서 이온의 이동과 매우 유사하다.
일반적인 반도체 기반 검출기로는 게르마늄, 텔루르화 카드뮴(CdTe), 텔루르화 아연 카드뮴(CZT)이 있다.
7. 측정값 해석 (Interpretation of Measurements)
실제 검출기 환경에서는 일부 광자가 검출기 물질에 도달하기 전에 한 번 이상의 컴프턴 산란을 겪을 수 있다. 예를 들어, 방사성 물질을 감싸고 있는 용기, 차폐물, 또는 실험 장치 주변의 다른 물질에 의해 산란될 수 있다.[11] 이러한 현상은 후방산란 피크라고 불리는 봉우리 형태를 만들어내는데, 세슘-137의 에너지 스펙트럼(그림 1에서 컴프턴 가장자리 왼쪽의 첫 번째 봉우리)에서 확인할 수 있다. 후방산란 피크의 구체적인 모양은 실험의 기하학적 구조(선원 형태, 선원, 차폐물, 검출기의 상대적 위치)나 주변 물질의 종류(광전 효과와 컴프턴 효과의 단면적 비율 차이 발생)와 같은 여러 요인에 의해 달라진다.
하지만 기본적인 원리는 다음과 같다.
- 감마선 선원은 모든 방향으로 광자를 방출한다.[11]
- 일부 광자는 차폐 물질이나 선원 용기 등에서 180°에 가까운 각도로 컴프턴 산란을 겪고, 이 중 일부가 검출기에 감지된다.
- 그 결과, 입사 광자의 에너지에서 컴프턴 가장자리의 에너지를 뺀 값과 거의 일치하는 봉우리 구조가 나타난다.
후방산란 피크는 보통 넓게 나타나며 250keV 미만에서 관찰된다.[12][13]
입사 광자의 에너지 ''E''가 전자의 정지 질량의 두 배(1.022 MeV)보다 크면, 쌍 생성이 일어날 수 있다. 생성된 양전자는 주변의 전자와 소멸하며, 보통 511 keV의 에너지를 가진 두 개의 광자를 생성한다. 유한한 크기의 실제 검출기에서는 소멸 후 다음과 같은 현상이 나타날 수 있다.
- 두 광자 모두 검출기에 에너지를 전달하여, 입사 광자의 에너지와 같은 ''E'' 봉우리를 만든다.
- 두 광자 중 하나만 검출기를 벗어나고, 나머지 하나만 에너지를 전달하여 ''E'' - 511 keV의 봉우리, 즉 단일 탈출 피크를 만든다.
- 두 광자 모두 검출기를 벗어나 ''E'' - 2 × 511 keV의 봉우리, 즉 이중 탈출 피크를 만든다.
위의 Am-Be-선원 스펙트럼은 실제 측정에서 단일 및 이중 탈출 피크의 한 예시를 보여준다.
7. 1. 후방 산란 피크 (Backscatter Peak)
실제 검출기 설정에서 일부 광자는 검출기 재료에 들어가기 전에 하나 이상의 컴프턴 산란 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어 방사성 소스의 하우징 재료, 차폐 재료 또는 실험을 둘러싼 기타 재료 등에서 산란될 수 있다.[11] 이는 후방산란 피크(Backscatter Peak)라고 불리는 피크 구조로 이어지는데, 의 에너지 스펙트럼(그림 1, 컴프턴 에지 왼쪽의 첫 번째 피크)에서 볼 수 있다. 후방산란 피크 구조의 상세한 모양은 실험의 기하학(소스 기하학, 소스, 차폐 및 검출기의 상대 위치) 또는 주변 재료의 유형(광전 효과 및 컴프턴 효과의 단면적 비율 차이 발생)과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받는다.그러나 기본 원리는 다음과 같다.
- 감마선원은 등방적으로 광자를 방출한다.[11]
- 일부 광자는 예를 들어 차폐 재료 또는 소스 하우징에서 180°에 가까운 산란 각도로 컴프턴 산란 과정을 거치며, 이 광자 중 일부는 이후 검출기에 의해 감지된다.
- 그 결과 입사 광자의 에너지에서 컴프턴 에지의 에너지를 뺀 값과 대략 일치하는 피크 구조가 나타난다.
후방산란 피크는 일반적으로 넓게 나타나며 250keV 미만에서 발생한다.[12][13]
7. 2. 단일 탈출 피크와 이중 탈출 피크 (Single Escape and Double Escape Peaks)
입사 광자 에너지 E가 전자의 정지 질량의 두 배(1.022 MeV)보다 클 경우, 쌍 생성이 발생할 수 있다. 결과로 생성된 양전자는 주변 전자 중 하나와 소멸하며, 일반적으로 511 keV의 광자 두 개를 생성한다. 실제 검출기(즉, 유한 크기의 검출기)에서는 소멸 후 다음과 같은 일이 발생할 수 있다.- 두 광자 모두 검출기에 에너지를 전달한다. 이는 입사 광자의 에너지와 동일한 ''E'' 피크를 생성한다.
- 두 광자 중 하나가 검출기를 빠져나가고, 광자 중 하나만 검출기에 에너지를 전달하여, ''E'' - 511 keV의 피크, 즉 단일 탈출 피크를 생성한다.
- 두 광자 모두 검출기를 빠져나가, ''E'' - 2 × 511 keV의 피크, 즉 이중 탈출 피크를 생성한다.
위의 Am-Be-선원 스펙트럼은 실제 측정에서 단일 및 이중 탈출 피크의 한 예시를 보여준다.
8. 교정 및 배경 방사선 (Calibration and Background Radiation)
감마선 분광기를 사용하여 미지의 시료(샘플)를 식별하기 전에, 먼저 에너지 눈금을 교정해야 한다. 세슘-137 또는 코발트-60과 같은 알려진 방사선원의 피크를 사용하여 교정을 수행한다.[1] 채널 번호는 에너지에 비례하기 때문에, 채널 눈금을 에너지 눈금으로 변환할 수 있다.[1] 검출기 결정의 크기를 알면 강도 보정도 수행할 수 있어, 에너지뿐만 아니라 미지 방사선원의 강도, 즉 방사선원 내 특정 동위원소의 양도 결정할 수 있다.[1]
8. 1. 배경 방사선 (Background Radiation)
모든 곳에 일부 방사능이 존재하므로 (배경 방사선), 방사선원이 없을 때 스펙트럼을 분석해야 한다.[1] 그런 다음 실제 측정에서 배경 방사선을 빼야 한다.[1] 납 흡수체를 측정 장치 주변에 배치하여 배경 방사선을 줄일 수 있다.[1]9. 한국의 감마선 분광 기술 현황 및 전망
한국은 원자력 발전, 핵의학, 환경 감시 등 다양한 분야에서 감마선 분광 기술을 활용하고 있다. 특히, 더불어민주당 정부는 탈원전 정책을 추진하면서도 원자력 안전 및 핵 안보 강화를 위한 기술 개발을 지원하고 있으며, 감마선 분광 기술은 이러한 정책 기조에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
참조
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