원자력기사 실기, 작업형에서 반드시 숙지해야 할 5가지 이론

"이 글은 2022년도 원자력기사 시험까지만 유효함을 알려드립니다."

 

GM 계수관은 전리함 및 비례계수관과 더불어 방사선에 의한 기체 전리 현상을 이용한 계측기이다. 인가되는 전압의 크기에 따라 양극에 수집되는 전자의 수(=출력신호 크기)가 변하는데, GM 계수관은 GM 영역에서 계측이 가능하다. 인가전압이 일정 수준을 벗어나면 양극 주변의 기체가 모두 전리되어 전압 증가에 따른 증폭률의 증가가 둔화되는데, 이 영역이 바로 GM 영역이다. GM 영역에서는 양극 주변의 기체가 모두 전리되어 수집 전자 수는 입사 방사선에 의해 발생된 초기 전하 전달자(이온쌍) 수를 반영할 수 없다. 계수관의 크기와 충전기체 밀도가 일정하다면, 초기 이온쌍이 100개이든, 1,000개이든 출력신호의 크기는 일정하다. 즉 GM 계수관의 출력펄스는 방사선의 선질(방사선 종류, 에너지)을 구분할 수 없다.* 하지만 출력신호가 충분히 크고 민감하므로  계측시스템을 단순화할 수 있다는 장점이 있다. GM 계수관의 특징은 작업형 시험에 직접적인 연관은 없으므로 설명은 여기까지 하도록 하고, 시험에 나오는 계측이론 몇 가지를 정리하도록 하자.

*목적에 따라 단창형, 보상형 GM 계수관은 일정 수준 선질 구별이 가능하다.

 

원자력기사 작업형 시험에서 반드시 숙지해야 할 5가지 이론
1. 플래토우(Plateau)
2. 불감시간(τ)
3. 2선원법
4. 계수효율(ε)
5. 차폐/선형감쇄계수/반가층

 

 

1. 플래토우(Plateau)

인가전압은 방사선에 의해 검출기 내에 생성된 전하전달자(ex. 이온)의 이동을 가속시킨다. 일반적으로 인가전압이 증가하면 더 빠르게 전하전달자가 수집된다. 다시말해 인가전압이 증가하면 계수율이 증가한다. 하지만 특정 전압 범위에서는 인가전압이 변하더라도 계수율이 일정해지는데, 이를 플래토우라고 한다.

GM 계수관의 플래토우 곡선을 살펴보면, 계수가 시작되는 전압값이 있는데 이를 발단전압(Starting voltage; Vs)이라고 한다. 발단전압을 시작으로 인가전압이 증가함에 따라 계수율은 높은 기울기로 증가하다가 특정 전압에서 기울기가 감소하는 어깨가 생기는데 이 문턱전압(Threshold voltage; V1)부터 플래토우가 시작된다. 인가전압을 더욱 증가시키면 플래토우 구간의 기울기에서 갑자기 기울기가 증가하는데 이때 전압을 V2(Breakdown voltage)라고 한다면, V1에서 V2까지의 전압 범위가 플래토우 구간이 되고, 이 구간에서 GM 계수관의 사용전압이 결정된다. 통상 최적사용전압(Vo)은 V1로부터 플래토우 길이의 1/2~1/3 정도가 적당하다.

○ 플래토우 길이 < 300V: Vo = V1 + 1/2 × (V2 - V1)
○ 플래토우 길이 > 300V: Vo = V2 + 1/3 × (V2 - V1)
○ 플래토우 기울기(α) = 100 × (n2 - n1) ÷ n1 ÷ (V2 - V1) × 100 [%/100V]

사용전압은 절대적으로 준수해야 하는 값이 아니다. 조정의 편의성을 고려하여 플래토우 구간 내 설정해도 무방하다. 플래토우 기울기(경사)는 작을수록 좋지만 5%/100V 이내이면 사용에 지장이 없다.

좋은 플래토우의 조건
1. 플래토우 길이가 길다. (300V 이상)
2. 플래토우 기울기가 작다. (5%/100V 이하)
3. 계수 개시전압이 일정하다.

 

2. 불감시간(τ)

GM 계수관에 전자사태가 발생하면 전위가 매우 떨어져 계측을 하지 못한다. 시간이 경과하면서 전위가 증가하는데, 정상전위로 돌아오기 전까지는 펄스가 발생하더라도 크기가 작아 선별기에서 차단되어 계수되지 못한다. 전위가 급감하여 정상적인 계수가 불가능한 시간을 불감시간이라고 한다.** GM 계수관의 경우 불감시간은 100~200μs이다.

**엄밀하게 전위가 최소작동전압 미만으로 유지되는 시간을 불감시간, 전위가 급감하여 정상전위로 돌아올 때까지 걸리는 시간을 회복시간이라고 한다. 회복시간에는 정상계수가 불가능하므로 통상 회복시간을 불감시간으로 간주하기도 한다.

불감시간은 보통 계측기 공급사에서 정보를 제공한다. 선원의 방사능을 측정하여 측정계수율(R_obs)을 구하면, 불감시간을 이용하여 선원의 참계수율(또는 순계수율, R_true)을 계산할 수 있다.

 

 

3. 2선원법

공급사에서 불감시간을 제공하지 않거나, 공급사에서 제공한 불감시간을 신뢰할 수 없을 경우, 직접 측정하여 불감시간을 결정할 수 있다. 불감시간 측정에 사용되는 방법은 '2선원법'이다. 2선원법은 두 개의 선원을 각각 측정한 계수율과 동시에 측정한 계수율, 그리고 백그라운드 계수율을 계산하고 비교함으로써 불감시간을 계산한다.

4. 계수효율(ε)

계측기로 측정한 선원의 방사능은 실제 방사능과 다소 차이가 있다. 시료에서 방출된 방사선의 일부만이 검출기의 감응부로 입사하기 떄문이다. 설령 검출기로 입사하더라도 방사선이 입사하는 동안 공기나 기체에 흡수될 수 있으며, 선원 자체가 방사선을 흡수하거나 주변 공기에 산란된 방사선이 추가로 입사하여 계수될 수 있다. 검출기 자체 특성에 따라 차이가 발생하는 경우도 생긴다. 고유의 분해시간이나 전하전달자 생성 메커니즘에 따라 달라질 수 있다. 계수효율은 선원의 방사능에 대한 순계수율의 비율로 계산할 수 있으며, 이때 선원의 방사능은 선원의 방사성붕괴에 따라 감소된 방사능을 고려해야 한다.

5. 차폐, 선형감쇄계수, 반가층

방사선 차폐 원리는 간단하다. 방사선이 차폐체를 통과하면서 차폐체를 구성하는 원자와 상호작용하면서 그 양(방사선속, 에너지 등)이 감소한다. 차폐체가 없을 때의 방사능을 측정하고, 차폐체를 통과하고 난 뒤의 방사능을 측정한다면, 차폐능을 의미하는 선형감쇄계수를 계산할 수 있다. 반가층은 방사선의 양이 절반이 되는 차폐체의 두께를 의미한다. 선형감쇄계수 식을 정리하면 반가층의 계산식을 쉽게 얻을 수 있다.

 

정확한 측정 데이터를 얻기 위해서는 측정값을 통계처리하여 오차로 표시하는 것이 마땅하다. 여기에 더해 χ^2 시험(Kai square test)와 같은 통계적 검정을 수행한다면 계측의 신뢰성까지 확보할 수 있다. 하지만 원자력기사 시험은 대학교 실험이나 논문을 위한 것이 아니기 때문에 통계처리는 선택적으로 수행하면 된다. 경험상 통계처리까지 한 경우는 없었으니 굳이 하지 않더라도 큰 걱정은 안 해도 된다.

 

 

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1. 최초작성(2021.10. 7.)

2. 1차 수정(2022. 7.13.) : 그림자료 추가

3. 2차 수정(2022. 7.15.) : 출제기준 변경에 따른 문구 삽입