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1. 실험 목적 및 이론적 배경
1.1. 실험 목적
실험의 목적은 계측장비를 사용하여 방사선의 특징을 파악하는 것이다. 방사선 계측기기인 GM Tube와 HPGe 검출기를 활용하여 방사선의 거리와 차폐체에 따른 방호 효과를 알아보고, 커피 원두의 방사능과 방사성 핵종을 분석하고자 함이다. 이를 통해 방사선에 대한 오해를 바로잡고 올바른 개념과 특성을 이해하는 것이 실험의 목적이다.
1.2. 방사선과 방사능
방사선과 방사능은 서로 다른 개념이지만 밀접한 관련이 있다. 방사선은 불안정한 물질이 안정화되면서 방출되는 에너지이고, 방사능은 물질이 방사선을 내뿜는 능력을 의미한다.
방사선은 전자기파 또는 입자의 형태로 나타나며, 그 중에서도 감마선은 빠른 속도로 진행하는 전자가 금속 원자의 영향으로 급속하게 감속되거나 정지하면서 발생하는 전자기파이다. 방사선은 물질을 통과하면서 다양한 과정을 거치게 되는데, 이를 통해 방사선의 특성과 물질과의 상호작용을 이해할 수 있다.
방사능은 핵종이 붕괴하면서 방출되는 방사선의 정도를 나타내는 것으로, 단위 시간당 붕괴하는 원자 수로 측정된다. 방사능은 자연적으로 존재하거나 인공적으로 생성될 수 있으며, 핵종의 종류와 반감기에 따라 다양한 세기로 나타난다.
방사선의 세기와 방사능의 크기는 방사성 물질의 특성과 환경적 요인에 따라 변화하게 된다. 방사선량, 거리, 차폐체 등이 변화하면 방사선의 세기와 방사능이 달라지게 되는 것이다. 따라서 방사선과 방사능에 대한 정확한 이해와 측정이 중요하며, 이를 바탕으로 방사선 방호와 안전 관리가 이루어져야 한다.
1.3. Gamma 선
Gamma 선은 불안정한 원자핵이 안정한 상태로 변환되면서 방출되는 전자기파이다. 이는 빠른 속도로 진행하는 전자가 금속 원자의 영향으로 급속하게 감속되거나 정지하는 경우 전자가 가지고 있던 운동 에너지가 전자기파의 형태로 변환되어 방출되는 것이다.
Gamma 선의 특징은 다음과 같다. 첫째, 파장은 10^-12 ~ 10^-14 m로 매우 짧다. 둘째, 에너지는 10 keV ~ 10 MeV 범위로 매우 높다. 셋째, 투과력이 강해 물질을 투과할 수 있다. 넷째, 물질과 상호 작용하면서 그 물질의 원자나 분자를 이온화시킬 수 있다. 다섯째, 전하를 띠지 않아 전기장이나 자기장의 영향을 받지 않는다.
Gamma 선은 방사선 계측에 중요한 역할을 한다. Gamma 선을 검출하고 분석하면 방사성 물질의 종류와 농도를 확인할 수 있기 때문이다. 따라서 Gamma 선 검출기인 반도체 검출기(HPGe 검출기)를 이용하면 방사성 물질의 정량 분석이 가능하다. 또한 Gamma 선의 세기 변화를 측정하여 방사선 차폐 효과 및 방사선 피폭 선량을 평가할 수 있다.
1.4. 방사선 검출기
방사선 검출기는 불안정한 물질이 방출하는 방사선을 검출하여 방사선의 특성을 파악하는 장치이다. 대표적인 방사선 검출기에는 기체 전리 검출기와 반도체 검출기가 있다.
기체 전리 검출기인 GM(Geiger-Müller) Tube는 방사선이 검출기 내부의 기체를 전리시켜 발생한 전하를 증폭하여 검출한다. 이 방식은 비교적 간단하고 저렴하지만 에너지 정보를 제공하지 못하며, 연속적인 측정이 어렵다는 단점이 있다.
반도체 검출기인 HPGe(High Purity Germanium) 검출기는 반도체 물질인 게르마늄 결정체에 전압을 가해 생성된 전자-정공쌍을 통해 방사선 에너지를 측정한다. HPGe 검출기는 에너지 분해능이 우수하여 방사성 핵종을 정밀하게 식별할 수 있지만, 액화질소를 이용해 냉각해야 하는 등 더 복잡한 구조와 운용 방식을 가진다.
이처럼 방사선 검출기는 방사선의 특성을 파악하는 데 중요한 역할을 하며, 기체 전리 검출기와 반도체 검출기는 각각의 장단점을 가지고 있다. 방사선 측정 목적과 환경에 따라 적절한 검출기를 선택하여 활용할 수 있다.
1.5. 스펙트럼
스펙트럼이란 에너지의 함수로 주어지는 방사선의 세기로 도표를 나타낸 것이다"" 방사성 핵종별로 고유의 에너지 피크를 가지고 있어 이를 통해 물질의 방사성 핵종을 분석할 수 있다"" 즉, 방사선의 에너지 분포를 나타내는 그래프로, 방사선 검출기를 이용해 측정된 결과를 도시한 것이다""
스펙트럼에서는 물질의 열운동으로 인해 피크가 종모양으로 퍼지는데, 일정 구간의 피크 면적은 해당 핵종의 방사능 세기를 나타낸다"" 따라서 스펙트럼 분석을 통해 물질 내 존재하는 방사성 핵종의 종류와 세기를 파악할 수 있다""
1.6. 방사선 방호 3원칙
방사선 방호 3원칙이란 시간, 거리, 차폐의 3가지 기본 원칙을 말한다.
첫째, 시간 원칙은 필요한 만큼의 시간만 방사선원 및 조사장치 인근에 머무르는 것이다. 방사선 피폭 시간을 최소화하여 방사선량을 줄일 수 있다.
둘째, 거리 원칙은 방사선원으로부터 가능한 한 거리를 유지하는 것이다. 방사선원으로부터의 거리가 멀수록 선량률은 ...
