휴대용 감마선 분광 측정기 기술 검토

학위 과정에서 방사선 계측을 다룬 경험이 있어, 사내에서 준비하던 휴대형 감마선 측정기의 원리 정리와 교육을 맡았습니다.

차폐체·섬광체·광검출기로 이어지는 구조를 따라, 입사한 방사선의 에너지가 빛의 세기로 바뀌고 다시 전류 신호가 되어 에너지별 계수로 쌓이는 과정을 정리했습니다. 스펙트럼에 나타나는 봉우리의 위치가 핵종마다 고유하다는 점이 분석의 근거입니다.

측정 조건도 함께 적었습니다. 계수 시간과 계수량은 방사능의 양을 얼마나 정밀하게 재는지를, 채널의 수와 간격은 핵종을 구별하는 능력을 결정합니다. 지역마다 다른 자연 방사선과 우주 방사선이 배경으로 깔리므로 이를 감안해 조정해야 한다는 점도 짚었습니다.

검출 방식은 세 가지를 견주었습니다. 기체 검출관은 작고 전력이 적지만 핵종을 구별하지 못하고, 섬광체와 광전자증배관 방식은 핵종을 구별하지만 측정 시간이 길고 무겁고 전력이 많이 듭니다. 섬광체와 광검출기를 쓰는 방식은 핵종 구별이 되면서 작고 전력이 적어 휴대형에 맞는 쪽으로 정리했습니다. 섬광체는 두께에 따라 흡수하는 비율이 달라 에너지가 높을수록 일부가 그대로 통과하며 고에너지 감지의 민감도에 영향을 주고, 얇은 광다이오드만으로는 감마선이 거의 흡수되지 않아 섬광체에서 빛으로 바꿔 읽는 구성을 택합니다.

핵종 판별의 예로 세슘-137 을 들었습니다. 베타 붕괴로 생긴 바륨-137 의 들뜬 상태가 내는 661.7 keV 감마선이 붕괴의 약 85% 에서 나와 스펙트럼의 봉우리로 감지되므로, 봉우리 위치를 보면 어떤 핵종인지 알 수 있습니다. 설명에 쓴 예시 스펙트럼은 제가 학부 졸업논문에서 섬광검출기로 다섯 종의 동위원소를 구분했을 때의 결과입니다.

자료는 단계적으로 다듬었습니다. 2020년 3월 말 광전 변환 원리를 중심으로 한 첫 자료를 만들고, 4월에 흡수율과 측정 조건(정밀도·구별 능력·배경 방사선)을 보강한 개정판을 냈으며, 5월에는 차폐체·섬광체·광검출기의 센서 구조 중심으로 다시 구성했습니다. 10월에는 휴대형 장비의 소개 자료로 이어졌고, 소개 자료의 활용처는 방사능 오염 검출과 원인 분석, 근무자 피폭 선량 감시, 방사능 재해 감시, 환경 감시 네 가지였습니다.

정리한 내용은 사내 세미나 자료와, 블루투스 저전력 통신으로 측정값을 내보내는 휴대형 장비의 소개 자료로 이어졌습니다.

그림

구조와 흐름