Bo-Sean Kang Dept. of Radiological Science College of Medical Science Konyang University 학습목표 1. 방사선계측에사용되는여러가지섬광체의종류를나열할수있다. 2. 유기섬광체와무기섬광체의발광원리에대해설명할수있다. 3. 섬광검출기의구성에대해설명할수있다. 4. 광전자증배관 (PMT) 의구조와동작특성에대해설명할수있다. Structure of Atom 2 1
1. 동작원리 섬광체 + 방사선에너지 여기 빛발생 섬광체 : 격자구조의결정, 방사선에너지를빛 ( 섬광 ) 에너지로변환, 낮은에너지 band 간격 (3~4 ev) 섬광 (scintillation) : 방사선이섬광체에입사하여여기반응을통해발광 1947년 Coltman과 Marshal, PMT(photomultiplier tube) 를사용하여섬광측정짧은분해시간, 높은계수율방사선에너지분석가능 : 섬광세기 입사방사선의에너지 2. 섬광체검출기의구성 섬광체검출기의계측장치구성 : X 2
섬광체검출기 : 섬광체 + 광전자증배관 (photomultiplier tube; PMT) 섬광체 : 섬광물질 (NaI(Tl), CsI(Tl), ZnS(Ag)) & 반사체 (Al 2 O 3, MgO 등 ) 3. 섬광체의분류 좋은섬광체가갖추어야할조건 방사선에대한빛변환효율이높을것 빛의투과성이좋을것 발광의감쇄시간이짧을것 발광스펙트럼이 PMT의분광감도에적합할것 제작이용이하고기계적, 화학적내성이높을것 고에너지감마선계측용으로는원자번호와밀도가높고크기가클것 특성무기섬광체유기섬광체 종류 NaI(Tl), CsI(Tl), LiI(Eu), ZnS(Ag), BGO 안트라센, 플라스틱, 액체 발광효율높다낮다 천이속도 ( 잔광감쇄시간 ) 선형성 ( 입사방사선의에너지와발광량 ) 느리다 좋다 빠르다 ( 빠른계측에유용 ) 좋지않다 3
무기섬광체와유기섬광체의발광원리 Radiation Sources 7 4. 주요섬광체의특성 NaI(Tl) : 무기섬광체, 감마선측정용 미량 (~0.2%) 의 Tl을첨가 (Tl은독성이있어취급시주의 ) 감마선에대한검출효율이큼 (cf: 기체검출기는감마선에대한검출효율이 1% 미만임 ) 원통형또는우물형구조 NaI는조해성 (hygroscopic) 이있으므로 Al 용기에반드시밀봉하여사용베타선과같은하전입자측정에는사용할수없음기계적, 열적충격에약함 *NaI(Tl) 검출기를 Al case로 shilding 하는이유 : 조해성방지, 기계적및열적충격방지, 자연광에의한섬광방지 CsI(Tl) : 무기섬광체, X- 선또는감마선측정용 동일한크기일경우 NaI(Tl) 보다원자밀도가높아검출효율이더좋음 NaI(Tl) 보다발광강도가작고섬광의감쇄시간이길므로에너지분해능이떨어짐 펄스의형성이늦어높은계수율측정에는부적합 조해성은없음 4
Lil(Eu) : 무기섬광체, 중성자측정용 6 Li(n,a) 3 H 반응이용, 열중성자에대한감도우수 BGO(Bi 4 Ge 3 O 12 ) : 무기섬광체, 감마선측정용 밀도가매우높고원자번호가높은비스무스 (Bi) 성분이들어있어감마선에대한계수효율이매우높음. 신호출력이지연되는현상이없음. 에너지분해능은떨어짐. 다른무기섬광체와달리활성제를사용하지않음. ZnS(Ag) : 무기섬광체, 알파선측정용 큰결정을만들수없으며, powder 형태로사용 Powder 형태이므로빛산란등으로인해 resolution이좋지않음 안트라센 (anthracene; C 14 H 10 ) : 유기섬광체, 베타선측정용 부서지기쉬우나분해시간이짧음, 유기섬광체중가장높은발광효율을지님. 플라스틱섬광체 : 유기섬광체 가공성이우수 : 여러가지의크기와모양제작가능얇은것 : 하전입자측정용, 두꺼운것 : 우주선용, 감마선용반도양성자에의한속중성자측정 액체섬광체 (liquid scintillator) : 유기섬광체, 저에너지베타선측정용 ( 3 H 및 14 C 측정용 ) Xylene(CH 6 H 4 (CH 3 ) 2 ), toluene(c 6 H 5 (CH 3 ) 등의액체섬광체이용 Scintillation cocktail : [solute(ppo) + solvent(xylene 또는 toluene) + 시료 ] 의혼합물 scintillator : sample = 5 : 1 Wave-length shifter : 액체섬광체의방출파장이짧기때문에 PMT와의분광감도 coupling에문제가생김. 이를해결하기위해 PMT의감도에알맞은긴파장의섬광으로재방출할수있는물질을참가함. 이때첨가되는물질을용질 (solute) 이라하며 wave-length shifter 역할을함 PPO(dipheylacetylene), POPOP(henyloxazole-benzene) 사용장점 : sample self-absorption, 측정기의 window에의한감쇄등이발생하지않음. 소광 (Quenching) 현상 : 섬광이소멸되는현상 Chemical quenching : 섬광물질에포함된불순물에의해발광자체가줄어드는것, 섬광방출대신열로발산함. Color quenching : 같은 sample & scintillator라도 mixing ratio 등에따라방출빛의양이다름 5
5. 광전자증배관 (PMT) 광전자증배관 (PMT) 의구조 : 광음극 (photocathode) : 입사창의안쪽면에반투명한광전면이있음, 광전자를방출하는역할, 광음극재질 : low work function 물질인알칼리희토류금속 (K, Sb, Cs) 의혼합물 Dynode : 광전자를증폭하는역할, 10~14 단의 dynode로구성, dynode 재질 : BeO, MgO 등, dynode 간인가전압 : 50~250 V(anode 쪽 1-2 단의전압이높음 전자의 feed back 방지 ), 광전자증배율 : ~10 6 양극 (= 집전극 ) : 증폭된전자를수집하여전기적펄스로내보내는역할 6
지자기의영향을받기쉬우므로 PMT는 m-metal( 철과니켈의합금 ) 로자기장차폐함직사광선, 열등으로부터방사선과무관한 dark current가발생하기때문에 light shield 필요하고, 적정온도에서동작이요구됨 전압이걸려있는상태에서직사광선에노출시키면안됨펄스 V 0.7N 이므로안정적인 HV 공급장치필요, 여기서 V = 인가전압, N = dynode 수 섬광체검출기는동작전압에상당히민감 (cf: GM 계수기와대조적 ) 고전압안정회로의전원사용, 규정전원만사용 7