흡수선량, 조사선량, 선량당량

흡수선량

방사선량 또는 줄여서 선량이란 방사선에 노출되는 양을 나타내기 위한 척도이다. 노출이란 에너지 흐름인 방사선의 진로에 물체가 있어서 그 물체가 방사선 에너지의 일부 또는 전부를 흡수하는 현상이기 때문에 선량을 일반적인 개념으로 나타낸다면 물체 단위질량 당 흡수된 방사선 에너지량이 될 것이다. 이 양을 흡수선량이라 한다. 흡수선량은 가장 기본적 방사선량으로서 모든 방사선, 모든 피폭 물질에서 정의된다. 흡수선량의 기본단위 [J/kg]을 특별명칭으로 그레이(Gy)라 부른다. 즉, 1Gy=1J/kg이다. (흡수선량의 옛 단위로는 rad를 사용했다. 1rad는 물질 1g에 100 erg의 에너지가 흡수된 것을 말한다. 따라서 표준단위 Gy와 전통 단위 rad 사이에는 1Gy=100rad의 관계가 성립한다) 방사선 측정에 관한 권위기구인 ICRU가 정의하는 근본적 흡수선량은 한 점에서의 흡수션량 개념이다. 반면 방사선방호의 권위기구인 ICRP는 실용 목적상 어느 정도 큰 체적(예를 들면 인체 내 하나의 장기)까지 확장하는 것을 인정한다. 이렇게 흡수선량의 평가 대상 체적을 확장하면 그 결과로 얻는 값은 ICRU 정의에 따라 엄격한 양이 아니라 그 체적(장기)의 평균 흡수선량 개념이 된다. 이렇게 하나의 장기나 조직에 대해 평균한 흡수선량을 ICRP는 장기선량이라고 부르기도 한다. 이렇게 상당한 체적에 대해 평균 흡수선량 개념으로 접근하는 선량계측을 거시적 선량계측이라 부른다. 방사선장에 놓인 물체가 방사선에너지를 흡수하는 양은 그 위치에서 에너지 플루언스와 질량흡수계수의 곱으로 나타난다. 이 접근은 주로 광자 에너지 흡수량 산출에서 흔히 사용하고 베타 에너지 흡수에도 종종 사용한다. 중성자는 에너지 전달 방식이 복잡하여 이와 같은 흡수계수 개념보다는 전문 계산코드를 사용한다. 특히, 선형계수 대신 질량에너지 흡수계수를 적용하면 단위질량 당 흡수된 에너지 즉, 흡수선량이 된다. 전통적 개념의 선량은 방사선장에 있는 작은 물체를 대상으로 평가한다. 그런데 실제 사람이 피폭하는 상황에서는 상당한 크기를 갖는 인체로 인해 사람이 없을 때 비해 사람이 있을 때는 방사선장 자체가 교란되어 변동한다. 사람은 방사선장이 교란된 상태에서 피폭하는 것이므로 사람의 선량을 평가하기 위해서는 인체에 준하는 물체를 방사선장에 둔 상태에서 계측하는 것이 정확하다. 인체를 대신하는 이 물체를 모의체라 부르는데 초기에는 사람의 몸통과 유사한 원통을 사용했다. ICRU(1983)는 측정의 방향대칭성을 유지하기 위해 직경 30cm 구를 표준모의체로 설정하였다. 표준모의체는 H, C, N, O의 4종 원소로만 이루어진 밀도 1.0g/cm^3인 ICRU 기준조직으로 구성된다. ICRU 기준조직은 인체의 연조직 성분을 단순화하여 가상적으로 정한 것이므로 실제로 사용하는 재료에는 기준조직과 같은 조성을 갖는 물질을 찾기 어렵다. ICRU가 개인선량계 교정 등의 목적으로 인정하는 물질인 PMMA의 조성은 산소 32.0%, 수소 8.1%, 탄소 60%이며 밀도도 1.17g/cm^3으로 기준조성과 상당한 차이가 있다. 그래서 모의체 재료로 PMMA, 폴리에틸렌 수지, 또는 단순한 물 등을 실용 모의체 재료로 사용하되, 실용 모의체가 표준모의체와 다름으로 인한 차이는 계산을 통해 얻은 보정인자를 이용하여 맞춘다.

조사선량

조사선량은 가장 처음 사용된 선량으로 공기 중에서 방사선에 의해 생성된 전리 전하량으로 나타낸다. 조사선량의 기본단위는 C/kg이다. 전통적으로 공기 1kg당 만드는 전하량이 2.58X10^(-4) C이 되는 방사선 노출량을 1 뢴트겐(R)으로 정의하여 사용했다. (1R이 2.58X10^(-4)C/kg이라는 특별한 값을 갖게 된 것은 처음 1R이 표준상태 공기 1cm^3당 1esu의 전하를 만드는 것으로 정의한 것을 표준단위인 C과 kg으로 고쳤기 때문이다) 조사선량은 반드시 광자 방사선에 대해 공기를 대상으로 함에 주의해야 한다. 즉, 사람이 피폭한 선량은 R으로 나타내지 않는다. 그래서 R이란 선량의 형태보다 방사선장 강도를 표현하는 선량률 즉, 조사선량률의 형태로 주로 이용되며 그 통용 단위는 [R/h]이다. R으로 나타내는 조사선량은 광자 에너지가 3MeV보다 높으면 적용이 적절하지 않다. (광자 에너지 3MeV 이상에서는 그 측정의 전제인 전자평형을 달성하기가 어려워 조사선량을 정의하지 않는다)

선량당량

흡수선량이 가장 기본적인 방사선량이지만 흡수선량으로 방사선에 피폭한 인체를 위해 평가하기에는 부족한 점이 있다. 알파입자, 중성자가 수소 핵과 충돌하여 튀겨내는 양성자와 같은 중하전입자 방사선은 LET가 높은 방사선이다. 반면, 베타 입자나 감마선의 상호작용으로 방출되는 전자는 LET가 늦은 방사선이다. 방사선의 LET가 높고 낮다는 것은 방사선의 생물학적 영향의 측면에서 차이를 낸다. 동일한 작은 조직 체적이 LET가 높은 방사선과 낮은 방사선에 각각 피폭한다고 가정해 보자. 높은 LET 방사선의 경우 상호작용 밀도가 높기 때문에 소수의 방사선 입자로 많은 수의 상호작용, 즉 에너지 전달이 일어난다. 반대로 낮은 LET 방사선의 경우에는 하나의 방사선이 작용하는 수가 적으므로 많은 수의 방사선이 필요하다. 이는 같은 흡수선량이라도 그 흡수선량을 가져오는 방사선의 LET, 다른 말로 표현하면 방사선의 선질에 따라 생물학적 위해가 다르다는 결론을 내리게 한다. 따라서 방사선에 피폭하는 사람의 위험을 평가하기 위해서는 피폭한 방사선의 선질에 따라 흡수선량을 적절히 보정하는 과정이 필요함을 알 수 있다. 방사선 영향을 고려하여 흡수선량을 보정한 양을 선량당량이라 부른다. 선량당량은 측정 가능한 물리량으로서 인체조직 또는 이를 모사한 연조직 물질에 대해서만 의미를 가진다.