[원자력기사 기출 풀이] 2022년 방사선이용 및 보건물리 11 ~ 15번

 

 

91. 다음 설명 중 올바른 것은?
    ① 오제전자의 에너지는 연속 스펙트럼을 나타낸다.
    ② 내부전환전자의 에너지는 연속 스펙트럼을 나타낸다.
    ③ 원자번호가 높은 물질일수록 내부전환이 잘 일어난다.
    ④ 내부전환 시 오제전자는 방출되지 않는다.

 

오제전자 : 전자 궤도의 안쪽 자리가 비어있는 경우, 바깥 궤도의 전자가 떨어지면서 특성 X 선을 방출한다. 오제전자는, 같은 상황에서 특성 X 선을 방출하는 대신, 다른 궤도전자 한개를 방출하는 현상이다.

우상단이 특성 X 선 방출, 우하단이 오제전자 방출

이렇게 빈 구멍을 메꿀때, 특성 X 선이 방출되는 비율을 형광수율이라고 하는데, 이 형광수율은 원자번호 Z 가 증가할수록 커진다.

특성 X 선의 에너지는 선스펙트럼이므로, 특성 X 선의 에너지에서 궤도결합에너지를 빼준 오제전자의 에너지도 선스펙트럼이다.

형광수율(y축) 은 Z 가 커질수록 커진다.

 

이와 유사하게, 여기되어 있는 원자핵이 바닥으로 천이하면서 전자기파 - 감마선을 방출한다. 이와 경쟁적으로, 감마선을 방출하는 대신 궤도전자 한개를 방출하는데 이를 내부전환전자라고 한다. 감마선의 에너지는 선스펙트럼이므로, 감마선의 에너지에서 전자의 결합에너지를 빼준 내부전환전자의 에너지도 선스펙트럼이다.

이 내부전환은, 방출되던 감마선이 곧바로 궤도전자에 광전흡수되는 현상으로 이해할 수 있다. 이렇게 이해한다면, 원자번호가 클수록, 감마의 에너지가 작을수록 내부전환의 발생이 많아지게 된다.

 

내부전환이 발생하면, 안쪽 궤도에 빈 구멍이 생기게 되고, 후속적으로 특성 X 선 또는 오제전자가 발생할 수 있다.

 

정답 : 3번

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92. 생애 처음으로 방사선 작업을 시작한 어떤 종사자가 1년 동안 C-14 선원을 취급하는 과정에서 피부에만 집중적으로 2.5 Gy의 흡수선량을 받았다. 이 방사선작업종사자의 피폭선량에 관한 설명으로 올바른 것은? (단, 베타선의 방사선 가중치는 1이고 피부의 조직가중치는 0.01이며 다른 방사선 피폭은 없다고 가정한다.)
    ① 등가선량한도, 유효선량한도를 모두 초과하지 않았다.
    ② 등가선량한도 초과하지 않았으나 유효선량한도를 초과하였다.
    ③ 등가선량한도를 초과하였으나 유효선량한도는 초과하지 않았다.
    ④ 등가선량한도, 유효선량한도를 모두 초과하였다.

 

피부의 등가선량 H = 2.5 * 1 = 2.5 Sv.

유효선량 E = 0.01 * 2.5 = 0.025 Sv = 25 mSv

 

원자력안전법상, 방사선작업종사자의 유효선량한도는 1년에 50 mSv, 5년에 100 mSv 이다. 즉 연간 20 mSv 이지만, 어떤 1년에 대해서는 50 mSv 까지 허용하고, 5년간 100 mSv를 넘지 않아야 한다.

 

이 작업자는 유효선량한도를 초과하지 않았다.

 

피부의 등가선량한도는 500 mSv = 0.5 Sv 이다. 이는 피부의 조직반응 문턱선량에 해당한다. 이 사람은 피부의 등가선량 한도를 초과하였다.

 

- 참고

* 1년에 50 mSv 한도를 따로 주는 이유 : ICRP 26 까지는 선량한도가 연간 50 mSv 였다. 이후 1990년, ICRP 60 권고에서 방사선의 생애위험평가치가 높아졌고, 이에 따라 유효선량한도가 연간 20 mSv 로 하향되었다. 그런데 곧바로 20 mSv를 적용하면 산업계에 충격을 줄 것으로 예상되어, 완충을 주기 위해 1년간 50 mSv, 5년간 100 mSv 라는 유효선량한도가 탄생한 것이다.

 

* 피부의 선량한도가 등가선량으로 제시되는 이유

피부등가선량한도인 0.5 Sv는 피부의 조직반응 문턱선량에 해당한다. 더 정확히는 0.5 Sv가 아니라, 0.5 Gy로 표현하는 것이 옳다. 등가선량에 쓰인 방사선가중치는 확률적 영향을 고려하여 부여된 값이기 때문에, 등가선량은 낮은 선량에 피폭된 사람의 확률적 영향을 평가하기 위한 지표이다. 조직반응 같은 결정적 영향에는 RBE를 가중한 흡수선량을 사용하는 것이 옳다. 그래서 정확히는 등가선량한도가 아닌 흡수선량한도가 주어져야 한다. 하지만, 최대 RBE를 참조한 방사선가중치는 결정적영향에 대한 RBE보다 항상 크므로, 등가선량이 0.5 Sv를 넘지 않았다면, RBE를 가중한 흡수선량 또한 0.5 Gy를 넘지 않는다는 판단 하에 등가선량한도를 제시한다. 다음 주권고에서는 등가선량한도 대신 흡수선량한도를 제시할 것이라고 ICRP는 의견을 밝혔다.

 

정답 : 3번

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93. ICRP-103 권고에 따라 피폭상황 및 피폭자별로 적용되는 선량제약치 또는 참조준위를 올바르게 짝지은 것은?
    ① 계획피폭상황 – 일반인 – 참조준위
    ② 계획피폭상황 – 환자의 간병인 – 선량제약치
    ③ 비상피폭상황 – 방사선작업종사자 – 선량제약치
    ④ 비상피폭상황 – 환자 – 참조준위

 

피폭범주별 제한수단은 다음과 같다.

 

선량제약치와 참조준위 모두 선원 중심의 제한치이다.

개인중심 제한치인 선량한도가 20 mSv로 정해져있긴 하지만, 얻어가는 이득이 적은 미약한 선원에 의한 피폭을 20 mSv까지 허용하는 것은 방호의 최적화에 부합하지 않는다. 방호의 최적화를 위해, 개인 중심이 아닌, 선원 중심의 제한치를 도입하였고 이를 선량제약치와 참조준위라고 한다. 이들은 선량한도보다는 강제성이 낮은 것으로, 선량제약치를 초과했다고 바로 규제를 위반한 것은 아니다. 다시 방호계획을 세워 선량제약치 아래로 낮추려는 시도를 하면 된다. 참조준위는 선량제약치보다도 경직성이 약한 용어로, 비상피폭이나 기존피폭, 치료를 위한 의료피폭 등 불가피하게 높은 피폭을 받아야하는 경우에 적용된다. 

 

정답 : 2번

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94. H-3 10 MBq에 오염된 갑상선의 흡수선량률은 몇 mGy/hr인가?
     (단, 갑상선 질량은 20 g, H-3의 최대 에너지는 18 keV이다.)
    ① 1.12    ② 1.73    ③ 3.26    ④ 5.18

 

베타선의 평균에너지는 최대에너지의 1/3으로 근사하면 적절하다.

이 문제에서 삼중수소 베타의 평균에너지는 6 keV로 하겠다.

 

흡수선량은 단위질량당 흡수된 에너지를 의미한다. 저에너지 베타선은 작은 갑상선의 체적에 모두 흡수된다고 가정한다.

(감마선같이 투과력이 강한 방사선은 갑상선에 전부 흡수되지 않고 밖으로 일부 빠져나갈 것이다.)

 

흡수선량률

$$D = \frac{10*10^6 decay/sec * 6 keV / decay * 1.602*10^-16 J/keV * 3600 sec/hr}{0.02 kg} = 1.73 Gy/hr $$

 

정답 : 2번

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95. 다음 설명 중 올바르지 않은 것은?
    ① 보상형 GM 계수관은 고에너지 감마선의 에너지 의존성을 보정해 준 검출기이다.
    ② 동일한 에너지의 감마선을 측정하더라도 측정기의 크기에 따라 나타나는 스펙트럼에 차이가 발생할 수 있다.
    ③ LSC는 감마핵종분석에 적합하지 않다.
    ④ 다중파고분석기는 미분형 검출기이다.

 

 

1 : GM 계수관은 입사방사선의 에너지에 관계없이 검출기 체적 전체에서 전리가 일어나, 방사선의 에너지를 구분할 수 없다. 기체전리를 이용하는 검출기는 방사선의 에너지에 따라 감응도가 크게 변한다. 낮은 에너지 광자에 더 자주 반응하고, 높은 에너지 광자에 더 가끔씩 반응한다. GM 계수관의 외부를 얇은 물질로 둘러싸면 저에너지 광자만 선택적으로 감쇠될 것이고, 넓은 에너지범위에 대하여 평탄한 응답 특성을 얻을 수 있다.

예를들어, 방사선장이 초당 20개의 광자가 지나가는데, 그 에너지 구성이 (10 keV 감마 10개 + 1 MeV 감마 10개) / sec 이라면,

통상적인 GM 계수기는 10 keV 감마 5개, 1 MeV 감마 1개와 반응한다.

보상형 GM 계수기는 저에너지 감마를 더 많이 차폐시켜주어 10 KeV 감마 1개, 1 MeV 감마와 반응하도록 만들 수 있다.

이러면 보상형 GM 계수기의 계수값인 2 counts 에 적절한 비례상수를 곱하여 선량률로 환산해 줄 수 있다.

 

 

2 : 감마선과 같이 다양한 상호작용을 하는 방사선은 계측기의 크기에 스펙트럼이 영향을 받는다.

검출기가 너무 작으면, 쌍생성 후 생기는 2개의 소멸감마가 모두 이탈하여 이중이탈피크만 나타난다. 또 다중컴프턴산란은 일어나지 않는다. 컴프턴 산란이 2번 일어나기는 너무 공간이 좁기 때문이다.

반대로 검출기가 너무 크면, 2개의 소멸감마선 모두 검출기에 흡수될 것이고, 컴프턴산란이 반복되어 결과적으로 모든 에너지가 전부 흡수될 것이다.

검출기 크기에 따른 감마스펙트럼

 

3 : LSC는 액체섬광계수기로, 유기섬광체를 용매에 녹여만든 것이다. 시료를 이 액체섬광물질과 섞어서 PMT로 계측을 하기 때문에, 시료와 섬광물질이 균질하게 혼합되어 있어 낮은 에너지의 베타선이라도 섬광체까지 도달할 수 있다. 즉 LSC는 저에너지베타선, 알파선같이 투과력이 매우 약한 방사선 측정에 좋다. 하지만 유기섬광체는 낮은 원자번호로 이루어져 있으므로, 감마선과는 잘 반응하지 않아 사용되지 않는다. 이 LSC는 삼중수소를 측정할 수 있는 거의 유일한 방법이다.

 

정답 : 1번