방사선 차폐

방사선은 어떤 물질과 반응하여 통과하는 동안 그 물질의 구성 원자와 충동 및 산란 등의 반응으로 에너지가 감쇠된다. 이러한 감쇠현상을 이용하여 방사선의 세기 또는 방사선량을 물리적으로 감쇠시키는 것을 방사선 차폐라 하며, 이때 방사선의 감쇠를 위하여 사용되는 재료를 차폐체라 한다. 방사선 차폐는 외부 방사선 피폭을 방호하는 데 매우 중요한 요소이므로 방사선 차폐 방법과 차폐 기술을 잘 숙지할 필요가 있다.

하전입자 차폐

알파입자는 에너지가 높지만(4MeV 이상) 공기 중에서 질량저지능이 매우 커서 단거리에서 에너지의 대부분을 상실하기 때문에 비정이 수 cm 이내로 짧다. 그러므로 외부피폭을 방지하기 위한 차폐가 불필요하다.
베타입자는 알파입자보다 가볍고 비정이 크고 공기 중에서 에너지를 상실하기 전까지 수 m를 진행할 수 있어서 피부 또는 차폐체로는 원자번호가 낮은 비금속 물질이 선호된다. 그 이유는 에너지가 높은 베타입자는 금속 물질과 반응하면 충돌 정지되는 과정에서 제동복사 X선을 방출할 수 있기 때문이다. 따라서 베타입자를 차폐하기 위해서는 원자번호가 낮은 비금속성 물질로 1차 차폐 후 베타입자의 차폐과정에서 발생하는 제동복사 X선을 차폐하는 것이 필요하다. 

광자 차폐

광자는 전자파인 감마선과 X선으로 구분되는데 감마선과 X선은 발생원이 각각 다르다. 감마선은 불안정한 원자핵의 에너지 준위 변화과정에서 방출되는 전자파이며 고유한 에너지 준위를 가지고 있다. X선은 크게 특성 X선과 제동복사 X선으로 구분되는데 특성 X선은 전자가 원자핵에 포획되는 경우에 주로 발생하며 단일에너지 피크를 가지고 있다. 제동복사 X선은 앞에서도 설명한 바와 같이 고에너지의 전자(베타 입자)가 금속 물질과 충돌반응 시에 발생하며 연속 스펙트럼을 보인다. 광자의 차폐는 고유한 에너지를 가지고 있는 광자와 특성 X선에 대한 차폐와 연속 에너지 스펙트럼을 가지고 있는 제동복사 X선에 대한 차폐로 구분된다.

감마선 차폐

감마선 차폐는 감마선이 차폐물질과 반응하여 에너지가 감쇠하는 것으로부터 설명할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 방사선이 차폐물질의 단위 거리에서 충돌, 산란 등의 반응을 통해 에너지를 잃어버릴 확률은 차폐물질의 선형에너지 감쇠계수로 나타낼 수 있다.
선형에너지 감쇠계수는 차폐 물질마다 고유한 값을 갖는다. 어떤 차폐체의 선형에너지 감쇠 계수값이 0.1/cm이라는 것은 감마선이 동 차폐체에서 1cm를 진행하는 동안 에너지를 잃어버릴 확률이 0.1(10%)이라는 의미이다. 즉, 100개의 입자가 들어왔을 경우 100개의 입자는 에너지가 소멸(감쇠)하는 것을 의미한다. 차폐계산에서는 같은 차폐물질이라도 재료의 조성에 따라 밀도가 달라질 수 있으므로 밀도 차와 관계없는 방사선 감쇠를 나타내기 위하여 차폐재료의 밀도로 선형 감쇠계수를 나눈 질량에너지 감쇠계수와 밀도두께를 도입하여 활용하고 있다. 방사선이 차폐체에 입사될 때는 차폐체 외부는 물론 차폐체 내부에서도 방사선의 산란으로 인한 감쇠가 일어나며, 이렇게 산란된 방사선 중의 일부는 인체로 들어올 수 있다. 따라서 실제로 인체를 피폭하는 방사선의 수는 차폐체를 통과한 방사선보다 더 커질 수 있는데, 이렇게 산란되어 들어오는 방사선에 의한 방사선 세기의 증가 효과를 축적 효과라 한다. 따라서 산란 방사선의 축적인자를 고려하여 보정하여야 한다. 축적 효과의 계산은 간단치 않으며 상당히 복잡한 방사선 수송방정식을 전산프로그램으로 풀어야 근사해법으로 구할 수 있다. 그러므로 사전에 정밀한 계산을 통해 발표되는 감쇠계수와 차폐체의 두께함수로 나타낸 축적인자 표를 사용한다. 그러나 일상의 간단한 차폐계산에서는 보수적인 관점에서 차폐계산 결과에 안전여유를 고려하여 계산된 차폐체 두께보다 조금 더 두껍게 차폐하고 있다. 경우에 따라서는 여러 개의 차폐체를 중첩하여 방사선의 세기를 감쇠할 경우가 생길 수 있다. 감마선 차폐에서는 방사선 세기를 절반으로 줄여주는 차폐체의 두께인 반가층(HVL)이나 1/10로 줄여주는 십가층(TVL)을 알면 외부 방사선의 피폭 방호에 매우 유용하다.

X선 차폐

X선은 감마선과 같은 전자파이므로 감마선과 동일하게 물질과 상호작용을 하여 에너지를 소명한다. 일반적으로 X선은 제동복사 X선을 말하는데, 제동복사 X선은 연속에너지 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 단일 에너지를 가지고 있는 감마선처럼 이론적인 수식으로 에너지 감쇠를 설명하기가 곤란하다. X선의 차폐에서는 사전에 정의된 주당 선량 제한치를 넘지 않도록 X선 발생장치의 주당 가동하중
, X선 발생장치의 가동인자 그리고 X선 발생장치 가동 중의 인체점유인자의 함수로 주어지는 X선 투과인자를 계산하여 이를 만족하는 납이나 콘크리트의 두께를 구한다. 그러나 이 과정은 상당히 복잡하기 때문에 미국 방사선 방호위원회(NCRP)에서 발간한 간행물 49를 사용해 왔으며, ICRP 권고 60에 따른 개인 선량한도의 변화 등을 반영하여 2004년도에 NCRP는 새로운 간행물 147을 발간하였다.

중성자 차폐

중성자를 차폐하기 위해서는 중성자 에너지가 매질 내에서 감속되고 흡수되는 과정을 정확히 알아야 하며, 복잡한 중성자 수송 및 확산 방정식을 풀어야 정확한 차폐가 가능하다. 기본적으로 중성자 차폐는 고에너지의 고속중성자를 저에너지의 열중성자로 감속하는 과정이다. 중성자는 주로 탄성산란에 의해 에너지가 감속되며 결국에는 반응매들에 흡수된다. 중성자를 차폐하는데 즉, 중성자 에너지를 감속하는 데에는 원자번호가 작은 원소가 효과적인데 특히 수소가 가장 효과적이다. 물이나 파라핀 등 수소가 많이 포함된 물질은 중성자 차폐에 아주 효과적이지만 물은 증발 상실에 따른 차폐성능의 저하와 유지관리의 어려움 그리고 파라핀은 인화성 물질이라 화재위험이 있어서 실용적인 중성자 차폐로는 콘크리트나 흙 등이 사용되고 있다.