방사선 외부피폭 선량 측정법

외부피폭 선량 측정

어떤 피폭 상황에 처한 사람이 얼마나 많은 방사선량을 피폭하는가를 평가하려면 어떻게 해야 할까? 방사선량을 평가하는 접근은 실측과 모델에 의한 계산으로 구분할 수 있다. 방사선량의 측정은 외부피폭 측정과 내부피폭 측정으로 구분하지만 외부피폭 선량을 측정하는 방법을 확인해보자.

방사선량이란 노출되는 물질 단위 질량 당 흡수된 에너지량 또는 방사선질의 효과로 이 양을 보정한 양이므로 방사선량을 측정하는 기본은 흡수된 방사선 에너지량을 측정하는 것이다. 흡수된 에너지량은 직접 측정하거나 에너지 흡수의 상호작용 과정에서 발생하는 물리화학적 변화량(예: 전리량, 화학 변화량, 여기량 등)을 측정하여 에너지로 환산하는 방법이 사용될 수 있다. 에너지를 직접 측정하는 예는 열량계를 사용하는 것이며 전리량을 측정하는 기기로는 전리함이 있다. 방사선량을 측정한다는 말은 실제로 어떤 물체가 피폭한 선량을 측정하는 경우를 의미하기도 하고 어떤 위치에서 피폭 가능한 정도 즉 공간에서 선량률을 측정하는 것을 의미하기도 한다. 어떤 선량을 측정할 것인가에 따라 사용하는 기기도 달라진다.

칼로리메트리

방사선에 노출되는 어떤 물체에 흡수된 에너지를 물질의 온도 상승을 측정해 평가하는 방법이다. 
1Gy라는 높은 수준의 방사선량도 열에너지로는 1J/Kg 또는 2.4X10^(-4)Cal/g에 불과하므로 비열이 1도/cal인 물이라면 온도 상승은 2.4X10^(-4)도로서 측정하기 어려울 정도로 작아 열량계 방법으로 낮은 선량을 측정하기는 어렵다. 따라서 열량계는 높은 선량을 조사하는 치료방사선이나 방사선 가공 분야에서 사용하는 선량계를 비교하는 기준 선량계 정도로 사용된다.
열량계로 비교적 낮은 선량을 측정하기 위해 비열이 절대온도^3에 비례 한다는 성질을 이용할 수 있다. 예를 들어 열량계의 주변 온도를 30K로 낮추면 상온(300K)에 비해 비열이 1/1000로 줄어들게 되므로 동일한 열량에서 온도변화가 1000배로 증폭된다. 이러한 기법을 극저온 마이크로 칼로리메트리라 부른다. 그러나 이때는 방사선 노출로 온도가 상승하면 비열도 함께 변하는 상호간섭효과를 보정하는 주의가 필요하다. 무엇보다 이 같은 극저온 열량계는 특수목적으로나 사용하는 기기이지 범용기기로 사용하기는 부적절하다.

전리량 측정

전리방사선에 의한 에너지 전달량을 비교적 용이하게 측정하는 방법은 방사선이 만든 전하량을 전리함으로 측정하는 것이다. 방사선이 관심 체적 내에 만든 이온쌍 수가 N이면 생성된 전하량 Q는 Q=eN이다. 
생성된 전하량은 적절한 인가전압의 전기장을 통해 수집하여 특정할 수 있다. 전하의 이동이 빠르고 자유로운 기체가 방사선 흡수 물질로 종종 사용되는데 이것이 전리함이다. 전리함에 축전기를 연결한다면 노출의 결과는 충전된 전하량의 변화로 나타나게 된다.

화학선량계

방사선의 작용에 의해 물질에 화학적 변화가 유발된다면 변화된 양(예를 들어 생성된 분자의 수 등)을 측정하여 선량을 평가할 수도 있다. 
일반적으로 방사선에 의해 유발되는 화학적 변화는 적으므로 높은 선량에서만 이러한 기법이 적용할 수 있다. 

상대 측정

목표로 하는 물리량에 대한 어떤 기준의 도움 없이 측정을 도모하는 것이 직접측정이지만, 상대 측정은 목표량의 값을 알고 있는 어떤 비교 기준(표준이라고도 한다.)이 있어 그 측정 결과와 비교를 통해 값을 결정한다. 예를 들어 어떤 물질은 방사선에 노출되면 내부 전자들이 여기상태로 변환된다. 적절한 방법으로 여기상태에 있는 전자의 양을 측정할 수 있다면 방사선 노출량 즉, 방사선량을 평가할 수 있게 된다. 들뜬상태가 된 전자의 양은 그러한 전자들이 다시 기저상태로 천이할 때 방출하는 빛을 측정함으로써 알 수 있는데 이를 위해 열 발광(TL) 또는 광 자극 발광(OSL)을 측정한다. 그러나 방출되는 빛의 양이나 빛을 검출하여 얻는 전류의 크기는 여러 인자에 의해 변화하므로 이러한 측정으로는 그 물질이 받은 방사선량을 알 수 없고 상대값만 의미를 가진다. 즉, 동일한 조건에서 노출량을 알고 있는 대상의 발광량 측정치와 비교를 통해서만 방사선량을 평가할 수 있다.
TL이나 OSL 외에 많은 종류의 세라믹 물질에서 전자스핀공명(ESR)을 측정하여 들뜬상태가 된 전자의 양을 평가할 수도 있다. 가시광선의 방출을 측정하는 물질은 투명해야 하지만 ESR은 불투명한 물질에서도 측정할 수 있다. 사고로 선량계 없이 피폭한 사람이 있을 때 치아나 시계의 진동자인 석영 등 고체 물질의 ESR을 계측하여 선량을 평가하기도 한다. 필름의 흑화도도 선량에 근사적으로 비례하는 것으로 볼 수 있으므로 흑화도를 측정하여 평가할 수 있다. 그러나 필름의 경우 선량 계수 K가 방사선의 종류나 에너지에 따라 차이가 크므로 정교한 교정이 요구된다.

고체 비적 선량계

CR-39와 같은 수지나 특정 유리는 중하전입자가 입사하는 경우에는 결정구조에 미세한 결함이 형성되는데 이를 화학적 또는 전기화학적으로 에칭하면 광학현미경으로 관찰할 수 있는 정도의 흔적이 형성된다. 현미경으로 단위 면적 당 형성된 비적구의 밀도를 계량하면 노출된 방사선 플루언스를 상대적 방법에 의해 평가할 수 있다. 공기 중 라돈 농도의 측정 또는 빠른 중성자 피폭량의 측정에 이러한 고체 비적 검출기가 활용된다.

겔 선량계

원론적으론 화학선량계이다. 크롬겔도 사용되며 특히 모노머 수지가 중합되는 특성을 이용한 폴리머 겔 선량계가 주목받고 있다.

생물학적 선량계

넓은 의미로는 화학적 변화를 측정하는 것과 동일하지만 방사선에 노출된 생물체의 세포에서 염색체나 미소 핵의 변화 수를 측정하여 선량을 평가하는 생물학적 선량계측 기법도 있다.