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흡수선량

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목차

1. 개요

흡수선량은 방사선이 물질에 전달한 에너지의 양을 나타내는 척도이며, 물질의 단위 질량당 흡수된 에너지로 정의된다. 흡수선량은 방사선 방호, 방사선 치료, 부품 생존성 평가, 방사선 경화, 식품 조사 등 다양한 분야에서 활용된다. 국제 표준 단위는 그레이(Gy)이며, 1Gy는 물질 1kg당 1Joule의 에너지가 흡수된 양을 의미한다. 흡수선량은 급성 방사선 피폭의 결정적 영향과 장기간의 확률적 영향 평가에도 사용되며, 이를 위해 등가 선량과 유효 선량으로 변환되기도 한다.

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흡수선량

2. 정의

방사성 동위 원소가 안정화되는 과정에서 방출되는 방사선은 물질과 만나면 그 구성 원자에 에너지를 전달하며 전리현상을 일으킨다. 이때 방사선이 물질과 상호작용하여 단위 질량당 흡수된 에너지의 양을 방사선 흡수선량으로 정의한다.[16]

물질이 방사선에 노출되면 상호작용을 통해 방사선의 에너지를 흡수한다. 단위 질량당 흡수되는 에너지의 양을 '''흡수 선량'''이라고 하며, 단위로는 J/kg 대신 그레이(Gy)를 사용한다.

방사선은 인체에 해로울 수 있지만, 건강에 미치는 영향은 주로 방사선 피폭으로 인체 장기에 주어진 흡수 선량(장기 흡수 선량)에 의해 결정된다. 흡수 선량이 같더라도 방사선의 종류나 중성자선의 에너지에 따라 생체에 미치는 영향은 달라진다. 따라서 방사선 방호 분야에서는 흡수 선량에 방사선 가중 계수를 곱한 등가 선량을 사용한다.

흡수 선량(장기 흡수 선량)은 주로 확정적 영향을 다루거나, 의료 분야에서 방사선 진단 및 치료로 인한 의료 피폭 선량을 나타낼 때 사용된다.

2. 1. 흡수선량 (Absorbed dose)

방사선이 물질과 만나면 에너지를 전달하며 이온화(ionization) 또는 여기화(excitation) 과정과 같은 전리현상을 일으킨다. 방사선이 물질과 상호작용하여 물질의 단위질량당 흡수된 에너지의 양을 방사선 흡수선량으로 정의한다.[16]

질량 ''m''의 물질이 흡수하는 평균 에너지량이 \bar{\epsilon}일 때, 흡수선량 ''D''는 다음과 같이 정의된다.

:D = \frac{\mathrm{d} \bar{\epsilon} }{\mathrm{d} m}

미분 형태로 정의된 것은 물질의 일정한 부피가 아닌, 점으로 정의할 수 있음을 나타낸다. 또한 평균 에너지 \bar{\epsilon}로 나타낸 것은 방사선 하나하나의 거동은 무작위적이어서 평균 에너지로밖에 생각할 수 없기 때문이다.

3. 단위

방사선량의 수를 나타내는 양은 '''플루엔스'''(fluence, 특정 시간에 단위면적을 통과하는 입자 수)이고, 방사선이 운반하는 에너지 양은 '''커마'''(Kerma)로 부른다. 커마와 흡수선량은 피폭 물질의 단위 질량당 흡수된 평균 에너지 양으로, 기본 단위는 Joule/kg이며 SI 단위로는 그레이(Gy)이다.[14][15]

흡수선량의 국제표준단위인 1Gy는 물질 1kg당 1Joule(J)의 에너지가 흡수된 양을 뜻한다.


  • 1Gy = 1J/kg


구 단위는 rad이며, 1rad는 100erg/g으로 정의된다.

  • 1Gy = 100rad

4. 결정적 영향 (Deterministic effects)

방사선 방호에서 수정되지 않은 흡수 선량은 고선량 급성 선량으로 인한 즉각적인 건강 영향을 나타내는 데에만 사용된다. 이러한 영향은 급성 방사선 증후군과 같은 조직 영향으로, 단시간 내에 반드시 발생하며 결정적 영향이라고도 한다.[1] 노출과 구토 사이의 시간은 더 정확한 검사 수단이 없을 때 선량을 정량화하기 위한 발견적 방법으로 사용될 수 있다.[1]

4. 1. 급성 방사선 피폭의 영향

피로
쇠약중등증~심각한 백혈구 감소증
자반병
출혈
감염
3 Gy 이후 탈모증심각한 백혈구 감소증
고열
설사
구토
어지럼증 및 방향 감각 상실
저혈압
전해질 불균형메스꺼움
구토
심한 설사
고열
전해질 불균형
쇼크(환자는 < 48시간 이내 사망)사망률치료 없을 시0–5%5–95%95–100%100%100%치료 시0–5%5–50%50–100%99–100%100%사망6–8 주4–6 주2–4 주2 일 – 2 주1–2 일표 출처[2]


5. 확률적 영향 - 등가 선량으로의 변환

확률적 방사선 위험은 장기간에 걸쳐 발생하는 암 유발 및 유전적 영향의 ''확률''로 정의되며, 방사선 종류와 조사된 조직의 민감도를 고려해야 한다. 이를 위해 등가 선량 ''HT'' 및 유효 선량 ''E''가 사용되며, 흡수 선량으로부터 이를 계산하기 위해 적절한 선량 인자와 계수가 사용된다.[4][5] 등가 및 유효 선량 수량은 시버트 또는 렘 단위로 표시되며, 이는 생물학적 영향이 고려되었음을 의미한다.

6. 방사선 치료

방사선은 인체에 일반적으로 유해하지만, 방사선 피폭으로 인체의 장기에 주어진 흡수 선량(장기 흡수 선량)이 건강 영향을 결정하는 가장 큰 요소이다. 흡수 선량이 같더라도 방사선의 종류나 에너지에 따라 생체에 미치는 영향은 다르다.

의료 분야에서는 방사선 진단·치료에 의한 의료 피폭 선량을 나타내는 경우에 흡수 선량이 주로 사용된다. 의사는 일반적으로 방사선 치료를 Gy 또는 mGy 단위로 처방한다. 의료에서 사용되는 방사선은 대부분 방사선 가중 계수가 1.0인 X선, 감마선, 베타선이다. 또한, 의료 분야에서는 진단에 사용되는 수 mGy의 피폭부터 방사선 치료에 사용되는 수십 Gy까지 폭넓은 선량 영역의 피폭을 다루는데, 이러한 폭넓은 선량 영역에서 공통적으로 사용할 수 있는 기본적인 선량은 흡수 선량이다.

6. 1. 선량 계산

흡수 선량은 방사선 빔의 방사선 조사량(C/kg)에 이온화될 매질의 이온화 에너지를 곱한 값과 같다.[16]

예를 들어, 20 °C 및 101.325 kPa의 건조 공기의 이온화 에너지는 33.97 J/C이다.[3] 따라서 2.58E-4 (1 뢴트겐)의 조사는 해당 조건에서 건조 공기에 8.76E-3 (0.00876 Gy 또는 0.876 rad)의 흡수 선량을 축적한다.

흡수 선량이 균일하지 않거나 신체 또는 물체의 일부에만 적용되는 경우, 각 지점에서 흡수 선량의 질량 가중 평균을 취하여 전체 항목을 나타내는 흡수 선량을 계산할 수 있다.

7. 흡수선량 개념과 그레이(Gray) 단위의 발전

빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Röntgen)은 1895년 11월 8일에 X선을 처음 발견했으며, 이는 의료 진단, 특히 골절과 이물질을 확인하는 데 널리 사용되었다.[6] X선의 광범위한 사용과 이온화 방사선의 위험성에 대한 인식이 커지면서, 방사선 강도에 대한 측정 표준이 필요하게 되었다. 1925년 런던에서 열린 제1차 국제 방사선 의학회(ICR)는 측정 단위를 고려하기 위한 별도의 기구인 국제 방사선 단위 및 측정 위원회(ICRU)를 제안했다.[6][7]

X선 강도를 측정하는 초기 기술 중 하나는 공기로 채워진 이온 전리함을 사용하여 공기 중의 이온화 효과를 측정하는 것이었다. 제1차 ICRU 회의에서 X선 선량의 한 단위를 0 °C 및 1 표준 대기압의 건조 공기 1 세제곱센티미터에서 1 esu의 전하를 생성하는 X선의 양으로 정의하는 것이 제안되었고, 이 방사선 피폭 단위는 빌헬름 콘라트 뢴트겐을 기리기 위해 뢴트겐으로 명명되었다. 1937년 ICRU 회의에서 이 정의는 감마선에 적용되도록 확대되었다.[8] 그러나 이 방식은 인체 조직을 포함한 다양한 물질의 방사선 흡수를 직접 측정하는 것이 아니라는 단점이 있었다.[9]

1940년, 루이스 해럴드 그레이(Louis Harold Gray)는 중성자 손상이 인체 조직에 미치는 영향을 연구하면서, 새로운 측정 단위인 ''"그람 뢴트겐"''을 제안했다.[10] 이 단위는 공기 중에서 88 erg와 동일하다는 것을 알게 되었으며, 이후 흡수 선량으로 알려지게 되었다. 1953년 ICRU는 흡수 방사선의 새로운 측정 단위로 100 erg/g과 같은 래드를 권장했다.[8]

1950년대 후반, CGPM은 ICRU에 다른 과학 단체들과 협력하여 국제 단위계(SI)를 개발하도록 요청했다.[11] 흡수 방사선의 SI 단위를 단위 질량당 침착된 에너지로 정의하기로 결정했고, MKS 단위에서는 J/kg이 되었다. 이것은 1975년 제15차 CGPM에서 확인되었고, 이 단위는 루이스 해럴드 그레이를 기리기 위해 "그레이"로 명명되었다. 그레이는 cgs 단위인 100 래드와 같았다.

8. 기타 용도

흡수선량은 다양한 분야에서 무생물에 대한 전리 방사선의 조사를 관리하고 그 영향을 측정하는 데 사용된다.[16]

8. 1. 부품 생존성

흡수선량은 전리 방사선 환경에서 전자 부품과 같은 장치의 생존성을 평가하는 데 사용된다.[16]

8. 2. 방사선 경화

무생물질에 흡수된 흡수 선량의 측정은 방사선 경화 과정에서 매우 중요한데, 이는 전자 장치의 방사선에 대한 내성을 향상시킨다.[16]

8. 3. 식품 조사

흡수선량은 식품 조사가 유효성을 보장하기 위해 정확한 선량을 받았는지 확인하는 데 사용되는 물리적 선량 척도이다.[16] 응용 분야에 따라 다양한 선량이 사용되며 최대 70 kGy까지 높을 수 있다.

참조

[1] 웹사이트 Radiation Exposure and Contamination - Injuries; Poisoning https://www.merckman[...] 2023-05-20
[2] 뉴스 Radiation Exposure and Contamination - Injuries; Poisoning - Merck Manuals Professional Edition http://www.merckmanu[...] 2017-09-06
[3] 간행물 Re-evaluation of the W value for electrons in dry air http://stacks.iop.or[...] 1987-02-01
[4] 간행물 The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection http://www.icrp.org/[...] 2012-05-17
[5] 문서
[6] 간행물 Recommendations of the International X-ray Unit Committee http://radiology.rsn[...] 1929-10
[7] 웹사이트 About ICRU - History http://www.icru.org/[...] International Commission on Radiation Units & Measures 2012-05-20
[8] 간행물 Dosimetry in Europe and the USSR https://books.google[...] ASTM International 1960-06
[9] 서적 An introduction to Radiation Dosimetry Cambridge University Press 2012-05-15
[10] 서적 Units of Measurement: Past, Present and Future : International System of Units Springer 2009-11-19
[11] 웹사이트 CCU: Consultative Committee for Units http://www.bipm.org/[...] International Bureau of Weights and Measures 2012-05-18
[12] 서적 10 CFR 20.1004 https://www.nrc.gov/[...] US Nuclear Regulatory Commission
[13] 웹사이트 Council Directive 80/181/EEC of 20 December 1979 on the approximation of the laws of the Member States relating to Unit of measurement and on the repeal of Directive 71/354/EEC http://eur-lex.europ[...] 1979-12-21
[14] 웹인용 방사선 단위 http://soar.kins.re.[...] null 2013-12-18
[15] 저널 방사선 측정의 기본 null 2013-12-16
[16] 저널 방사선 내부흡수선량의 의학적 적용 null 2013-12-13


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