섬광 계수기

Scintillation counter
입사 고에너지 광자가 섬광 결정과 충돌하여 저에너지 광자의 방출을 촉발하고 광전자 증배기에서 광전자

섬광 계수기는 섬광 물질에 대한 입사 방사선의 흥분 효과를 이용하여 전리방사선을 검출하고 측정하고 그 결과 광 펄스를 검출하는 기구다.

입사 방사선에 반응하여 광자를 생성하는 섬광기, 민감한 광전자 검출기(일반적으로 PMT), 충전결합장치(CCD) 카메라 또는 광다이오드 등으로 구성되며, 빛을 전기 신호로 변환하여 이 신호를 처리한다.

섬광 계수기는 우수한 양자 효율로 저렴하게 만들 수 있고 입사 방사선의 강도와 에너지를 모두 측정할 수 있기 때문에 방사선 방호, 방사성 물질 분석 및 물리학 연구에 널리 사용된다.

역사

현대의 전자 섬광 카운터는 사무엘 커런[1][2] 경이 1944년 버클리 캘리포니아 대학에서 맨해튼 프로젝트를 연구하던 중에 발명되었다. 소량의 우라늄에서 나오는 방사선을 측정해야 하는 요건이 있었고 그의 혁신은 방사선에 노출되는 섬광기에서 나오는 빛의 섬광을 정확하게 계산하기 위해 미국 라디오 주식회사가 새로이 사용할 수 있는 고도로 민감한 광전자 증배관 중 하나를 사용하는 것이었다. 이것은 1896년 우라늄 염의 인광에 대한 연구를 하던 중 방사능을 발견한 앙투안 앙리 베크렐과 같은 초기 연구자들의 연구를 바탕으로 만들어졌다. 이전의 섬광 이벤트는 섬광기의 빛 섬광을 관찰할 수 있는 간단한 현미경인 스핀타리스코프를 사용하여 눈으로 열심히 탐지해야 했다.

작전

섬광 결정, 광전자 증배 및 데이터 획득 구성 요소가 있는 장치.
광전자 증배관을 사용한 방사선 섬광 계수기의 애니메이션.

이온화 입자가 섬광기 물질로 들어갈 때, 원자는 트랙을 따라 흥분한다. 충전된 입자의 경우 트랙은 입자 자체의 경로다. 감마선(무충전)의 경우, 광전 효과, 콤프턴 산란 또는 쌍 생성을 통해 에너지가 에너지로 변환된다.

섬광기 내 원자 방출 화학은 다수의 저에너지 광자를 생성하며, 일반적으로 가시 스펙트럼의 청색 끝 부근에 있다. 양은 이온화 입자에 의해 축적된 에너지에 비례한다. 이것들은 광전 효과로 인해 도착하는 광자당 최대 1개의 전자를 방출하는 광전자 증배관의 복사판으로 향할 수 있다. 이 일차 전자의 그룹은 정전기적으로 가속되고 전기 전위에 의해 집중되어 튜브의 첫 번째 다이노드를 타격한다. 다이노드에 대한 단일 전자의 충격은 두 번째 다이노드를 타격하기 위해 차례로 가속되는 많은 이차 전자를 방출한다. 이후의 각 다이노드 충격은 추가 전자를 방출하므로 각 다이노드 단계에서 전류 증폭 효과가 있다. 각 단계는 가속 필드를 제공하기 위해 이전 단계보다 높은 잠재력에 있다.

양극의 결과 출력 신호는 광 모드에 도착하여 원래 입사 방사선의 에너지에 대한 정보를 전달하는 섬광기의 원래 이온화 이벤트에서 각 광자 그룹에 대해 측정할 수 있는 펄스다. 에너지 정보를 통합하는 충전 증폭기에 공급되면 입자의 에너지에 비례하는 출력 펄스가 섬광기를 흥분시킨다.

단위 시간당 그러한 펄스 수는 방사선 강도에 대한 정보도 제공한다. 일부 애플리케이션에서는 개별 펄스가 계산되지 않고 오히려 양극의 평균 전류만 방사선 강도의 측정으로 사용된다.

외부 광자가 입사 방사선에 의해 야기되는 이온화 이벤트를 방해하지 않도록 섬광기를 모든 주변 광선으로부터 보호해야 한다. 이를 달성하기 위해 알루미늄으로 도금된 mylar와 같은 얇은 불투명 포일이 종종 사용되지만, 측정되는 입사 방사선의 과도한 감쇠를 최소화하기에 충분한 질량을 가지고 있어야 한다.

광전자 증배관에 실린 글에는 튜브의 작동에 대한 자세한 설명이 실려 있다.

검출재료

섬광기는 투명 결정, 보통 인광, 플라스틱(일반적으로 무연산 포함) 또는 이온화 방사선에 의해 형광 처리되는 유기 액체(액체 섬광 계수 참조)로 구성된다.

결정 형태의 요오드화 세슘(CsI)은 양성자와 알파 입자 검출용 섬광기로 사용된다. 소량의 탈륨을 함유한 요오드화나트륨(NaI)은 감마파 탐지를 위한 섬광기로, 황화아연(ZnS)은 알파 입자의 검출기로 널리 사용된다. 황화 아연은 러더포드가 산란 실험을 할 때 사용한 물질이다. 중성자 검출기에는 요오드화 리튬(LiI)이 사용된다.

검출기 효율성

참고 항목: 계수효율

감마

감마선 검출기(단위 부피당)의 양자 효율성은 검출기 내 전자 밀도에 따라 달라지며, 요오드화 나트륨과 비스무트 게르마네이트와 같은 특정 섬광 물질은 구성된 일부 원소의 높은 원자 숫자의 결과로 높은 전자 밀도를 달성한다. 그러나 반도체를 기반으로 한 검출기(특히 고순도 게르마늄)는 섬광기보다 내인성 에너지 분해능이 우수하며 감마선 분광 분석이 가능한 경우에 선호된다.

중성자

중성자 검출기의 경우 중성자를 효율적으로 산란시키는 수소가 풍부한 섬광 물질을 사용해 고효율성을 얻는다. 액체 섬광 카운터는 베타 방사선을 계량하는 효율적이고 실용적인 수단이다.

적용들

표면 방사능 오염을 측정하기 위해 사용되는 섬광 프로브. 탐침은 가능한 한 물체에 가깝게 고정된다.

섬광 카운터는 방사선 측정기, 방사선 오염에 대한 인력 및 환경 모니터링, 의료 영상, 방사선 측정, 원자력 보안 및 원자력 발전소 안전성 등 다양한 애플리케이션에서 방사선을 측정하기 위해 사용된다.

운송 중 잠재적으로 위험한 감마 방출 물질의 검출에 섬광 카운터를 사용하는 여러 제품이 시장에 출시되었다. 여기에는 화물 터미널, 국경 보안, 항구, 중량 교량 애플리케이션, 고철 야드 및 핵 폐기물의 오염 모니터링을 위해 설계된 섬광 카운터가 포함된다. 더러운 폭탄이나 방사성 폐기물로 인한 보안 상황 발생 시 신속한 대응을 위해 픽업 트럭과 헬리콥터에 탑재된 섬광 계수기 종류가 있다.[3][failed verification][4][failed verification] 휴대용 장치도 흔히 사용된다.[5]

핸드헬드 사용을 위한 선택 지침

영국에서는 보건안전관리국(HSE)이 관련 애플리케이션에 적합한 방사선 측정 기구를 선택하기 위한 사용자 지침서를 발행했다. 이는 모든 방사선 기기 기술을 다루며 섬광 검출기 사용에 대한 유용한 비교 지침이다.[6]

방사선방호

알파 및 베타 오염

벤치 보정 지그의 플레이트 소스를 사용하여 보정 중인 휴대용 대형 면적 알파 섬광 프로브.
주변 감마선량을 판독하는 휴대용 섬광 카운터. 내부 검출기(Detector)의 위치는 십자 기호로 표시됨

지역 또는 개인 조사를 위한 방사능 오염 감시기는 감시된 표면의 효율적이고 신속한 커버리지를 보장하기 위해 넓은 탐지 영역을 필요로 한다. 이를 위해 대형 면적 창과 통합된 광전자 증배관이 있는 얇은 섬광기가 이상적으로 적합하다. 그들은 인력과 환경에 대한 방사능 오염 감시 분야에서 광범위한 응용을 발견한다. 검출기는 용도에 따라 하나 또는 두 개의 섬광 물질을 갖도록 설계된다. "단일 인광 검출기"는 알파 또는 베타 중 하나에 사용되며, "이중 인광 검출기"는 둘 다 검출하는데 사용된다.[7]

알파 입자 검출에는 황화아연과 같은 섬광기가, 베타 검출에는 플라스틱 섬광기가 사용된다. 결과 섬광 에너지는 알파와 베타 계수를 동일한 검출기로 별도로 측정할 수 있도록 구별할 수 있다.[7] 이 기법은 핸드헬드 및 고정 모니터링 장비 모두에서 사용되며, 그러한 기기는 가스 비례 검출기에 비해 상대적으로 저렴하다.

감마

주변 감마선량 측정에는 섬광 물질이 사용되지만, 얇은 창이 필요하지 않으므로 오염을 감지하는 데는 다른 구조가 사용된다.

분광계로서

주요기사 : 감마분광법
섬광 카운터를 사용한 감마선 스펙트럼 측정. 고전압은 다중 채널 분석기(MCA)와 컴퓨터에 신호를 공급하는 카운터를 구동한다.

섬광기는 높은 에너지 방사선의 단일 광자를 높은 수의 낮은 에너지 광자로 변환하는 경우가 많으며, 여기서 입력 에너지의 메그레트론볼트당 광자의 수는 상당히 일정하다. 따라서 플래시의 강도(x선 또는 감마광자에 의해 생성된 광자의 수)를 측정함으로써 원래의 광자의 에너지를 식별할 수 있다.

분광계는 적절한 섬광기 결정, 광전자 증배관 및 광전자 증배기에서 생성되는 펄스의 높이 측정을 위한 회로로 구성된다. 펄스는 높이에 따라 계산 및 정렬되며, 일부 추가 아티팩트와 함께 입사 방사선의 에너지 스펙트럼에 근접한 섬광기 플래시 밝기 대 플래시 수의 x-y 플롯을 생성한다. 단색 감마선은 에너지에서 광각(光 phot)을 생성된다. 또한 검출기는 콤프턴 산란으로 인한 낮은 에너지에서의 반응, 한쪽 또는 양쪽의 전멸 광자가 탈출할 때 전자-양전자 쌍의 생성을 위한 광각 아래 0.511 및 1.022 MeV의 작은 탈출 피크와 백스캐터 피크의 반응을 보여준다. 두 개 이상의 광자가 검출기를 거의 동시에 타격할 때(데이터 수집 체인의 시간 분해능 내에서), 두 개 이상의 광자 값에 이르는[7] 에너지의 총 피크로 나타날 때 더 높은 에너지를 측정할 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Curran, Samuel C. (1949). Counting tubes, theory and applications. Academic Press (New York). p. 235.
  2. ^ 옥스퍼드 국립 전기 사전
  3. ^ "Automatic Radiation Detection and Monitoring System". Archived from the original on 2014-08-14.
  4. ^ "Automatic Radiation Detection Vehicles". Archived from the original on 2014-08-14.
  5. ^ Wayback Machine에 보관된 휴대용 MicroR 측량기 2009-12-07
  6. ^ "Selection, use and maintenance of portable monitoring instruments" (PDF). Health & Safety Executive. 2001. Archived from the original (PDF) on 8 January 2018.
  7. ^ a b c 글렌 F 크놀. 방사선 검출 및 측정, 제3판 2000. ISBN 0-471-07338-5