감마선 에너지 스펙트럼

감마선 에너지와 강도 측정에는 MCA와 함께 섬광검출기나 HPGe가 주로 사용된다. 낮은 에너지 X선에 대해서는 Ge 검출기보다 Si 검출기를 사용한다. 광자 방사선이 검출기에 들어와 일으키는 주된 반응은 광전효과, 콤프턴 산란 및 쌍생성인데 이에 따라 검출기의 반응은 다르게 나타난다. 그 원리와 특성을 이해하는 것이 측정된 스펙트럼으로부터 감마선의 에너지나 강도를 해석하는 데 중요하다. 특히 방사선 에너지가 검출기에 흡수되는 과정은 입사 광자와 검출기 물질의 상호작용 결과로 2차 전자가 생성되고 이들 전자의 운동에너지의 전부 또는 일부가 검출기에 흡수되어 신호를 만듦을 이해하는 것이 중요하다.

광전효과

감마선이 광전효과를 일으켜 흡수되면 광전자를 방출한다. 이때 방출 광전자의 운동에너지는 입사 감마선 에너지에서 상호작용을 일으킨 원자에서 그 전자의 결합에너지를 뺀 값이다. 상호작용을 일으킨 원자에서 그 전자의 결합에너지는 K 각 전자라면 10keV정도(주된 검출기 물질인 Ge의 경우), 외곽 전자라면 이보다 훨씬 낮다. 내각 전자의 광전효과로 공백이 생기면 곧바로 외곽 전자가 천이하여 채우면서 특성 X선 또는 오제전자를 낸다. 특성 X선은 기껏 10keV로 에너지가 낮기 때문에 거의 검출기에 다시 흡수된다. 결국은 입사에너지 거의 전체가 검출기 내에 전자 에너지 형태로 흡수되는 셈이 된다. 즉, 에너지 E인 감마선이 검출기에서 광전효과를 일으키면 출력 펄스는 E에 해당하는 크기가 되므로 펄스 크기를 분석을 통해 분포를 구하면 광전피크가 나타난다. 이 피크는 입사된 광자의 에너지 전부가 흡수되어 나타나는 것이기에 '전 에너지 흡수 피크'라고도 불린다. 검출기 물질의 원자번호가 증가하면 발생하는 특성 X선 에너지도 증가한다. 예를 들어 NaI 섬광검출기의 옥소(I)의 K 특성 X선은 약 28keV인데 이 정도 에너지가 되면 그 일부는 검출기에 흡수되지 않고 탈출하기도 한다. 그러면 흡수된 에너지는 전 에너지 흡수 피크 위치인 E 주변보다 앞쪽에 피크가 하나 더 나타날 수 있다. 이 피크를 탈출 피크라 부르는데 E가 낮을 때 분명해진다. 

컴프턴 산란

에너지 E인 감마선이 검출기에서 컴프턴 산란을 일으키면 산란각에 따라 그 에너지 일부가 컴프턴 전자에게 전달된다. 에너지가 높으면 0에서 최대 에너지까지 거의 균등한 연속분포를 보이지만 입사 광자 에너지가 낮으면 전방산란(컴프턴 전자 에너지 ~0)과 후방산란 빈도가 높아진다. 따라서 검출기에 흡수되는 에너지도 유사한 모양을 갖게 되어 연속 분포하게 된다. 측정 스펙트럼에서 이 연속 분포를 컴프톤컨티넘이라 부른다. 컨티넘의 우측 끝은 치솟는 모양이 된다. 이를 컴프턴 단애라 부른다. 컴프턴 단애와 광전피크 사이에 보이는 낮은 계수들은 감마선이 검출기 안에서 2회 이상 산란한 결과로 나타난 것이다.

쌍생성

입사 감마선 에너지가 1.02MeV보다 클 때 쌍생성이 일어난다. 감마선 에너지 E는 전자와 양전자 쌍의 질량을 생성하고 잉여에너지는 전자쌍의 운동에너지로 배분된다. 음전자는 결정 내에서 에너지를 소진하고 정지되나, 양전자는 주위의 전자들과 결합하여 소멸하면서 다시 광자의 에너지로 변환되어 0.511MeV 광자 두 개를 서로 반대 방향으로 낸다. 두 광자는 투과력이 상당하여 검출기를 탈출할 확률이 높다. 둘 다 탈출하거나 둘 중 하나가 탈출할 수도 있다. 두 광자 모두가 다시 흡수된다면 결국 모든 에너지가 검출기에 흡수되어 E에 전 에너지흡수 피크로 나타난다. 둘 중 하나가 탈출하면 0.511MeV만큼 작은 E-0.511 위치에 단일 탈출 피크가 나타나며, 둘 다 탈출하면 E-1.022 위치에 또 다른 피크인 이중 탈출 피크를 보이게 된다. 탈출 피크는 검출기 크기가 작으면 더 현저하게 나타난다. 실제 그래프에는 0.511keV 피크가 생기는데 이 피크는 검출기 밖에서 쌍생성을 일으킨 다음 소멸하는 양전자로부터 나온 511keV 광자가 검출기로 들어와 흡수됨으로써 나타나는 피크이다. 시료의 방사성핵종이 여러 에너지 감마선을 내면 이처럼 서로 다른 상호작용과 결합하여 매우 복잡한 스펙트럼을 형성한다. 

감마선 스펙트럼 해석

실제 시료의 감마 스펙트로메트리 결과 얻는 스펙트럼은 백그라운드와 복수 핵종의 존재로 인해 종종 매우 복잡한 양상이 된다. 이러한 스펙트럼의 해석은 전문 소프트웨어의 도움을 받는데 이러한 소프트웨어는 기기 제작사마다 각자 버전들이 있는데 예를 들면 Gamma Vision-7(ORTEC 2013), Genie 2000(CANBERRA 2013)등이다. 스펙트럼 해석은 피크 탐색, 피크 에너지 결정, 핵종 결정, 피크 면적 산출, 방사능 산출의 순서로 진행된다.

피크 탐색

스펙트럼 데이터에서 피크 탐색에는 해석기하학적 기법이 이용되며 채널 번호 변화에 대한 계수 변화 정도를 분석한다. 2차 차분 값을 이용하는 방법, 전형적 피크 형상을 갖는 비교 데이터와 상관계수를 이용하는 방법 등이 이용된다. 또, 여러 에너지의 감마선을 내는 핵종의 한 에너지에서 피크가 탐색 되었을 때 다른 에너지에 해당하는 위치에 피크가 있는가를 확인하는 라이브러리 지시 탐색도 필요에 따라 수행된다.

에너지 결정

탐색 된 관전 피크의 에너지를 결정하기 위해서는 감마선 스펙트럼을 분석하기 전에 에너지 교정을 해야 한다. 즉, 채널 번호를 감마선 에너지로 연계하는 에너지 교정이 필요하다. 에너지 교정에는 에너지값을 알고 있는 감마 참조 선원을 사용한다.

핵종 결정

스펙트럼에 나타난 각 피크들의 에너지가 결정되면 그 에너지 감마선을 방출하는 핵종을 소프트웨어의 핵종별 감마선 에너지 데이터베이스에서 탐색한다.

피크 면적 산출

확인된 방사성핵종의 방사능을 결정하기 위해서는 해당 피크의 면적을 산출해야 한다.

방사능 평가

산출된 피크 면적으로부터 시료 중 해당 핵종의 방사능을 산출하기 위해서는 먼저 표준선원을 이용하여 스펙트로미터를 교정하여 에너지의 함수로서 그리고 계측조건별로 광전피크 계수효율을 평가해 두어야 한다.