방사선의 종류에 따른 차폐 방법

1. 방사선의 종류에 따른 차폐방법

방사선차폐의 목적은 어느 관심 지점, 지역, 영역에서의 방사선장의 세기를 감쇠시키는 것이라 할 수 있다. 방사선장의 세기는 어떤 물질을 통과하는 동안 그 물질의 구성원자와 상호작용하여 감쇠된다. 이러한 현상을 이용하여 방사선의 세기를 물리적으로 감쇠시키는 것을 방사선차폐라고 한다. 이때 사용된 물질이나 재료를 차폐체라고 한다.

(1) 중하전입자의 차폐

핵분열파편, α선, 중양자, 양성자 등의 중하전입자는 그 비정이 아주 짧기 때문에 종이나 고무장갑으로도 차폐가 가능하며, 비정식으로 계산하여 차폐두께를 알 수 있으나 일반적으로 그 차폐는 고려하지 않고 있다.

(2) β선의 차폐

β선의 비정은 중하전입자의 비정보다 크지만 조금만 주의하면 큰 문제가 없다. β선의 차폐시 가장 중요한 것은 제동복사의 발생 방지이다. 따라서 β선을 차폐하기 위해서는 제동복사의 비율을 줄이기 위해 원자번호가 낮은 물질(플라스틱, 알루미늄)로 1차차폐하고 제동복사를 줄이기 위해 원자번호가 높은 물질(납, 철, 콘크리트, 텅스텐, 감손우라늄)로 2차차폐하여야 한다.

(3) 광자의 차폐

X선이나 γ선의 차폐에는 두가지 측면에 대하여 고려하여야 한다. 그 하나는 방사선장이 균일하여 물리적 현상이 수식으로 쉽게 표현되는 협역빔에 대한 차폐이고, 다른 하나는 실제적으로 많이 발생하는 산란에 의한 현상이 복합되어 방사선장을 이루는 광역빔에 의한 차폐이다. 일반적으로 투과력이 강한 X선이나 γ선의 차폐에는 밀도가 크고 원자번호가 높은 물질(납, 철, 콘크리트, 텅스텐, 감손우라늄)로 차폐한다.

(4) 중성자의 차폐

일반적으로 중성자의 차폐는 혼합된 물질로 차폐할 수 있다. 중성자는 수소와 같이 가벼운 원자핵을 함유한 물질과 탄성산란하여 그 에너지를 잘 잃는다. 따라서 이의 조건을 만족하는 좋은 차폐체로 콘크리트를 들 수 있다.

2. γ선의 차폐

(1) 협역빔

어떤 차폐체에 Io의 강도를 가진 γ선이 입사한다고 가정할 때 차폐체를 투과한 γ선의 강도 I는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이때 t는 차폐체의 두께(cm)이며 μ는 선감쇠계수로서 어떤 γ선이 물질내의 단위길이당 어떤 상호작용을 일으킬 확률을 나타내며 단위는 cm-1을 가진다. 또한 e-μt무차원의 확률이다.

→ Io → →

μt

→ → I →

협역빔의 감쇠

여기에서 물질에 따라 선감쇠계수는 달라지므로 밀도에 독립적인 양인 질량감쇠계수(mass attenuation coefficient : μ/ρ(㎠/g))의 필요성이 생기는데 이는 밀도가 ρ(g/㎤)인 물질중에서 단위길이당 감쇠되는 γ선의 비율을 나타낸다. 선감쇠계수(μ)는 질량감쇠계수(μ/ρ)와 밀도(ρ)와의 곱으로 표시된다.

서로 다른 차폐체가 여러 겹 겹쳐있을 때에는 다음과 같이 구할 수 있다.

→ Io → →

μ1t1

→ → →

μ2t2

→ → →

μ3t3

→ → I →

중첩된 차폐체

또 방사선을 로 줄이는데 필요한 차폐두께를 반가층(Half Value Layer : HVL)이라고 하며에서 이므로 이에 필요한 차폐두께, 즉 반가층(t½)을 구하면 에서 다음의 식을 구할 수 있다.

또방사선의 강도를 으로 줄이는 데 필요한 두께를 십가층(Tenth Value Layer : TVL)이라고 하며 에서이므로 이에 필요한 차폐두께, 즉 십가층(t1/10 )을 구하면 에서 다음의 식을 구할 수 있다

(2) 광역빔(Build up effect)

일반적으로 감마선의 감쇠원칙은 협역빔을 가정하여 수립하였다. 협역빔에서는 일단 감마선이 물질과 상호작용을 하면 감마선속에서 제외되어 버리게 된다. 이는 단순히 감마선의 감쇠원칙을 수량화하기 위하여 편의상 그렇게 가정한 것이지 실제에 있어서는 그렇지 않다. 즉 광전효과를 일으킨 후 특성X선을 방출하게 되면 감마선은 줄어들지 않는다. 또한 컴퓨턴산란을 일으킨후 감마선이 제2의 컴퓨턴산란을 일으켜 다시 본래의 감마선장에 들어 올 수가 있다. 이때에도 감마선 속의 변화는 없다. 전자쌍생성도 마찬가지로 생성된 양전자 또는 전자에 의해 소멸광자가 발생할 수 있으며, 기타 새로 생성된 전자로 부터 발생되는 제동복사도 발생한다.

이처럼 광역빔에서는 일단 물질과 작용한 감마선은 원래의 감마선속에서 제외된다는 협역빔에서의 가정이 부합되지 않는다. 다시 말해 광역빔에서는 물질과 상호작용을 하고 난 후의 감마선속은 협역빔으로 감쇠원칙을 수립하고 적절하게 보정해 주어야 한다는 것이다. 협역빔의 감쇠원칙을 실제와 부합되도록 보정하기 위해 정의된 용어가 Build up factor (축적인자 : B)이다. 축적인자는 항상 1보다 크고 다음과 같이 정의된다.

축적인자는 감마선의 에너지, 감마선이 통과하는 흡수체의 종류 및 두께, 감마선원의 기하학적 구조에 따라 변한다. 따라서 빌드업을 고려한 경우의 감쇠식은 으로 된다.