매질속에서 하전입자의 비적을 알기 위한 기본개념들

chosungyun (59)in #kr-science • 7 years ago

안녕하세요 @chosungyun입니다.
약 두달전에 방사성동위원소의 여러 응용 분야를 소개하다가 중단을 했었습니다.
그 이유는 다음 소개할 내용이 가속기를 통한 방사성동위원소를 생산하여 이를 치료에 사용하는 분야였습니다.
그런데 가속기에 관한 설명이 필요했죠.
그래서 약 두달에 걸쳐 기본적인 가속원리와 여러 가속 방법을 소개했습니다.
이해가 되는 부분도 있을거고 잘 이해가 안 되는 부분도 많았으리라 생각됩니다.

하지만 지금 와서는 하나만이라도 기억을 하고 가겠습니다.
가속기는 가속을 통해 입자를 가속시켜 고에너지를 가진 입자를 생산하고 이 입자들은 동일한 방향으로 가속됨으로써 원자로와 달리 빔의 형태로 생성된다는 겁니다.

그럼 오늘은 가속기를 사용한 치료 분야를 소개하기 앞서 브래그피크라는 개념을 소개하려고 합니다.
이 개념은 방사선 치료의 핵심 내용이니 간단하게 오늘은 이 개념만 다루고 다음 시간부터 가속기와 더불어 소개하도록 하겠습니다.

방사선은 크게 베타선과 감마선 그리고 알파선이 있습니다.
이 각각의 방사선은 매질과 상호작용을 하는데 각각 상호작용이 다르게 나타납니다.

우리가 주로 다루는 양성자를 포함한 중이온들은 하전입자의 매질과 상호작용을 알아보아야 합니다.
이는 마찬가지로 알파선과 비슷하게 상호작용을 합니다.

고에너지를 가진 하전입자는 물질 내에서 탄성산란을 하며 운동 방향을 바꾸고 비탄성산란을 하며 에너지를 잃어버리게 됩니다.
이 비탄성산란을 함으로서 입자는 에너지를 잃어버리는데 다 잃어버린다면 방사성을 결국에는 잃어버리게 됩니다.

비정

방사성 입자가 물질 내에서 비탄성산란으로 에너지를 계속 잃어버리다 보면 결국에는 도달할 수 있는 거리에 한계가 생기게 됩니다. 이 도달거리를 비정이라고 합니다.

그럼 이제 비탄성산란이라는 원인에 의해 도달할 수 있는 거리의 한계를 서술하는 개념을 알아봐야 하는데 이 개념이 핵심입니다.

저지능

Stopping power라고 합니다.
이 개념은 단위길이당 방사성을 가진 하전입자들이 잃는 에너지를 말합니다.
수식으로 적으면 다음과 같습니다.

어렵게 생각할 필요 없이 균일한 매질에서 100cm의 거리만큼 100MeV의 에너지를 가진 입자들이 들어왔다면 1cm 약 1MeV의 에너지를 잃는다고 볼 수 있을 겁니다.

LET(Linear Energy Transfer)

선에너지전달이라는 개념으로 저지능과 똑같습니다.
다만, 기준이 다릅니다.
저지능은 방사선이 잃어버리는 에너지였습니다.
즉, 기준이 에너지를 잃어버리는 입자들이었는데 LET는 반대로 에너지를 받는 입장인 매질의 입장에서 얻는 에너지를 말합니다.

저지능의 수식에서 보면 에너지를 잃기 때문에 -가 붙어 있는데 LET의 경우는 +로 바꿔주면 되겠습니다.

그럼 간단히… 정리가 되겠…

으로 생각하면 좋겠지만 사실은 안됩니다…!!

왜냐하면 LET의 값이 저지능보다 작기 때문이죠.
입자가 잃어버리는 모든 에너지를 매질은 다 흡수할 수가 없기에 손실에너지는 생기게 됩니다.

정리하자면 저지능은 방사선 측면에서 잃어버린 에너지고 LET는 물질의 측면에서 에너지를 얻은 겁니다. 다만, 모든 에너지가 흡수되는 것은 아니니 LET는 절대로 저지능보다 클 수가 없습니다.

브래그 피크

마지막으로 브래그 피크를 살펴보겠습니다.
위에서 단위길이당 잃어버리는 에너지를 쭉 설명했습니다.
우리에게는 이 단위길이당 잃어버리는 에너지가 매우 중요하기 때문입니다.

그림을 먼저 보면 y축이 선량이고 x축이 침투깊이임을 볼 수 있습니다.
그럼 왜 중요할까요?
y축의 선량은 그 지점에서의 선량으로 그 지점에서 방사선이 잃어버리는 에너지를 말하기 때문입니다.
그런데 양성자나 탄소 같은 경우에는 이 선량이 침투함에 따라 변함이 없다가 특정 지점에서 매우 커지고 모든 에너지를 거기서 다 잃어버리게 됩니다.

이러한 그래프상에서의 피크를 브래그 피크라고 부릅니다.

그러면… 여기서 이 피크가 나타나는 이유는 무엇이며 이 피크가 왜 방사선 치료에 쓰이는 핵심인 것인 것 혹시 궁금하시나요..?

궁금하시길 바라면서…ㅎㅎ 그 궁금증은 다음 시간으로 넘기기로 하고 양성자가속기와 함께 설명하도록 하겠습니다.

오늘의 포스팅은 개인적으로는 마음에 들지가 않네요…ㅠㅠ 원래는 하나하나 자세히 살펴볼만한 중요한 내용인데 소개만 하고 넘어가려니 글을 매끄럽게 쓰는 게 너무 힘드네요. 조금 더 글쓰기를 연습해야겠다는 마음이 듭니다.ㅎㅎ

어쨌든, 모두들 주말 잘 보내시고 오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!