베타(β)선 흡수법

목차

・ 베타선 흡수법이란?
・ 베타선 흡수법을 이용한 질량 농도 측정 원리
・ 대기 중 미세먼지 분석 장비의 구조 및 동작 원리
・ 측정에 영향을 미치는 요인의 감소 방안
・ 관련 제품

측정 원리

베타선 흡수법이란 무엇인가요?

베타선 흡수법은 방사선의 일종인 베타선을 물질에 조사하면, 베타선이 물질의 질량에 비례하여 감쇠되는 원리를 이용한 측정 방법입니다.

베타선은 불안정한 원자핵의 붕괴 과정에서 방출되는 고속 전자(전하를 가진 입자)입니다. 베타선이 물질을 통과할 때, 물질의 원자와 충돌하여 원자의 이온화 및 여기(전자 궤도가 더 높은 에너지 수준으로 상승하는 현상)를 일으키고, 베타선 궤도 변화에 따라 전자기파(X선)가 방출됩니다. 결과적으로 흡수 및 방출로 인해 베타선의 세기가 감쇠하며,  이러한 베타선의 감쇠 정도는 통과하는 물질의 질량(두께)에 비례합니다.

이 원리를 이용하여 대기 중 미세먼지^＊2의 질량 농도^＊1를 측정할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 베타선 흡수법을 활용한 대기 중 미세먼지 측정 방법에 대해 설명합니다.

*1 : 질량농도 : 대기 중 미세먼지의 단위 부피당 입자물질의 질량을 의미. (단위: μg/m3)

*2 : 미세먼지 : 대기 중에 부유하는 입자상 물질.

대기 중 미세먼지를 필터(여과지)에 포집합니다.

포집된 주변 미세먼지에 베타선을 조사하여 필터를 통과한 베타선의 강도를 측정합니다. (그림 1)

베타선은 물질을 통과할 때, 그 질량(두께)이 증가할수록 지수적으로 감쇠하는 특성을 가집니다. 따라서 식(1)을 이용하여 필터에 포집된 대기 중 미세먼지의 질량을 계산할 수 있습니다. 질량 흡수 계수(μm)는 거의 일정하므로, 필터상의 미세먼지 질량 Xm은 베타선 강도(I)와 초기 베타선 강도(I0)의 비율에서 얻을 수 있습니다.

* 식(1): Xm = ln(I0/I)/μm

Xm: 필터에 포집된 대기 중 미세먼지의 질량
I: 미세먼지가 포집된 후 필터와 미세먼지를 통과한 베타선의 강도
I0: 미세먼지가 없는 상태에서 필터만을 통과한 베타선 강도
μm : 질량 흡수 계수

식(1): 베타선 흡수법을 이용한 대기 중 미세먼지 질량 계산식

대기 중 미세먼지의 질량 농도는 포집된 미세먼지의 질량(Xm)과 포집된 공기 부피를 이용하여 계산됩니다.

미세먼지 분석 장비의 전체 구조

주변 입자 모니터는 종이(필터)에 지속적으로 수집된 입자 물질에 의해 감쇠된 베타선을 사용하여 질량 농도를 자동으로 측정합니다. 주변 입자 모니터는 공기 흡입구, 입자 크기 분리기(예: 임팩터, 사이클론), 필터 수집 메커니즘, 베타선 소스, 섬광 검출기, 유량 센서 및 신호 처리 섹션으로 구성됩니다. (그림 2)

수집 효율은 입자 크기 분리기의 중요한 성능 지표이며 수집된 주어진 직경의 입자 백분율을 나타냅니다. 그래프 1은 직경 입자 물질과 수집 효율 간의 관계를 보여줍니다.

예를 들어, 위에서 설명한 50% 포집 효율 PM2.5 입자 크기 분리기는 2.5µm 직경의 입자를 장치에 주입하면 절반은 포집되고 나머지 절반은 포집되지 않는 성능을 가지고 있습니다. PM2.5 이외의 입자는 그래프 1의 PM2.5 곡선(빨간색 곡선)에서 자체 직경(공기 역학적 입자 물질의 직경에 해당)과 포집 효율(함유율에 해당)에 따라 포집됩니다.

입자 크기 분리기 유형 및 작동 원리

일반적인 입자 크기 분리기 유형은 임팩터, 사이클론, 다단 체입니다. 입자 크기의 경우 직경과 질량 사이에 상관 관계가 있으며 이러한 입자 크기 분리기는 입자 크기의 질량에 다양한 힘을 사용하여 동일한 직경의 입자를 수집합니다. 임팩터는 관성력을 사용하고 사이클론은 원심력을 사용하고 다단 체질은 중력 침전을 사용합니다. 임팩터와 사이클론은 주변 입자 크기를 측정하는 데 사용되는 주요 입자 크기 분리기입니다. 임팩터(그림 3)와 사이클론(그림 4)의 간단한 원리는 다음과 같습니다.

사이클론의 원리 (그림 4)

사이클론 입구에서 유입된 샘플 공기 흐름은 사이클론의 원뿔을 따라가면서 가속되어 소용돌이 흐름(파란색 화살표)과 역류(빨간색 화살표)를 형성합니다. 원심력과 항력의 상호 작용으로 인해 샘플 공기의 무거운 입자 물질은 소용돌이 흐름에 의해 원뿔을 따라 운반되어 수집되고, 가벼운 입자 물질은 역류에 의해 분리됩니다.

HORIBA 임팩터와 사이클론을 결합하여 주변 공기의 PM2.5를 수집합니다. (사진 1)
곤충, 큰 먼지 및 비는 공기 흡입구에서 제거되고, 샘플 공기의 PM10은 임팩터에 의해 분리되며, PM2.5는 임팩터에 의해 PM10에서 사이클론에 의해 추가로 분리 및 포집됩니다.

입자 크기 분리기에 의해 분리된 입자상 물질이 포함된 샘플 공기는 필터를 통과하고, 분리된 입자상 물질만이 필터에 포집됩니다. (사진 2) 입자상 물질의 연속 자동 측정을 위해서는 테이프와 같은 필터(필터 테이프)의 롤을 감는 메커니즘이나, 여러 개의 필터를 준비하고 자동으로 교환하는 메커니즘이 필요합니다. HORIBA 필터 테이프를 사용하여 주변 공기의 입자상 물질을 포집합니다. (사진 2)

필터의 메시 크기는 입자 물질의 선택된 직경보다 작아야 하며 공기가 필터를 통해 원활하게 통과할 수 있어야 합니다. 필터의 입자 물질 수집 효율은 필터의 메시 크기에 따라 변경됩니다. 주변 입자 물질의 수집 효율은 최소 99.7%여야 합니다. 필터는 일반적으로 유리 섬유 또는 PolyTetraFluoroEthylene(PTFE) 기반 재료로 만들어집니다.

（2）측정부의 구조 및 동작원리

베타선원

HORIBA 베타선원으로 ¹⁴C*를 사용합니다. 이는 선원강도가 10MBq 이하인 안전한 밀봉 방사선원이며, 특별한 취급 자격이나 통지 없이 사용할 수 있습니다.

*¹⁴C는 자연적으로 발생하며, 반감기가 5,700년으로 길어 방사성탄소 연대 측정과 같은 용도로도 사용됩니다.

디텍터 (scintillation detector)

디텍터는 섬광체와 PMT(광전 증배관)로 구성되어 있습니다. 섬광체는 방사선을 흡수하고 즉시 빛을 방출하는 형광 물질입니다. 수집된 입자상 물질과 함께 필터 테이프를 통과한 베타선은 섬광체에 들어가 빛을 방출하고 PMT에 의해 검출됩니다. 이 PMT 검출값은 수식 1에서 수집된 입자상 물질의 질량을 계산하는 데 사용됩니다. 그런 다음 계산된 질량 값과 유량 센서의 측정값으로부터 수집된 입자상 물질의 질량 농도(μg/m³)를 계산합니다.

필터 테이프에 실제로 포집된 입자상 물질을 사용하여 측정부의 감도를 확인하는 것은 어렵기 때문에 필터 테이프에 포집된 입자상 물질과 동일한 베타선을 감쇠시키는 박막을 사용한다. 이 박막(표준 감쇠막)은 마일라, 폴리이미드 또는 기타 소재로 만든다. (사진 4)

주변 미세먼지 변화 감소

• 응축과 높은 습도의 샘플링을 방지하면 샘플 공기 중 주변 입자 물질의 용해가 줄어듭니다.
• 흡습성이 낮은 필터 테이프를 사용하면 수집된 주변 입자 물질의 구성 변화가 줄어듭니다.

측정 대기 중 필터 테이프 충전으로 인한 주변 입자의 접착

측정을 기다리는 동안 모니터 내부 공기 중의 입자상 물질은 얇고 전기적으로 대전된 PTFE 기반 필터 테이프에 부착될 수 있습니다. 이는 가능한 가장 낮은 전하를 가진 필터 테이프를 사용하면 줄일 수 있습니다. HORIBA PTFE 기반 소재와 부직포를 결합한 독점 필터 테이프를 개발했습니다. 이 필터 테이프는 PTFE 전용 필터 테이프에 비해 흡습성이 낮고 정전기 전하가 낮아 측정에 영향을 미치는 요인을 줄입니다. (표 1 및 2)

주변 미세먼지는 무기 유기 원소 등 다양한 물질로 구성되며, 미세먼지의 직경에 따라 SPM, PM2.5, PM10 등으로 구분된다. 미세먼지가 작을수록 체내 깊숙이 침투해 호흡기 질환을 일으킬 가능성이 크다. 베타선 흡수법을 이용한 모니터는 사용이 편리해 다양한 환경에서 주변 공기 중의 미세먼지를 측정하는 데 활용된다.