이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는지는 확인되지 않았습니다.
1. 문제
기체의 W값을 정의하고 전리 에너지와의 차이를 설명하라.
2. 모범답안
1) W값은 기체에서 이온쌍 하나를 만드는 데 평균적으로 소비되는 에너지이다. 하전입자의 초기 운동에너지 E가 기체에서 완전히 소모되어 평균 N개의 이온쌍을 만들었다면 W = E/N으로 나타낸다.
출처: IAEA, Dosimetric Principles, Quantities and Units, 2.7.4
https://recherche-expertise.asnr.fr/sites/default/files/documents/professionnels_sante/documentation/dosimetric_principles.pdf#page=46
2) 전리 에너지는 원자나 분자에서 전자를 떼어 내는 데 필요한 에너지이다. W값은 전리뿐 아니라 여기 등 이온쌍을 직접 만들지 않는 과정의 에너지 소비까지 반영한 평균값이므로 전리 에너지와 같지 않다.
출처: INFN·GSSI, Ionization yield and W-value, 3~5쪽
https://agenda.infn.it/event/25766/contributions/129858/attachments/78771/101966/Ionization_Yield.pdf#page=3
3) W값은 매질과 입자의 종류·에너지에 따라 달라질 수 있다. 건조 공기에서 충분히 높은 에너지의 전자에 쓰는 대표값은 약 33.97 eV이며, 모든 기체와 방사선에 공통인 상수는 아니다.
출처: IAEA, TRS-398 Rev.1, 1.4절
https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/p15048-DOC-010-398-Rev1_web.pdf
3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용
3.1. ‘하나를 만드는 최소 에너지’가 아니라 ‘하나당 평균 소비 에너지’
수기의 ‘하나의 이온쌍을 생성하는 데 필요한 에너지’는 평균값이라는 말을 덧붙여 이해한다. 입자가 잃은 에너지가 모두 전리에만 쓰이는 것은 아니다. 여기처럼 이온쌍 생성으로 바로 이어지지 않는 과정도 있으므로, 전체 소비 에너지를 생성된 이온쌍 수로 나눈 값이 W값이다.
그림 1. W값의 개념. 에너지 소비 경로를 단순화한 자체 제작 개념도이며, 화살표의 굵기는 에너지 비율을 뜻하지 않는다.
출처: IAEA 2.7.4의 정의와 INFN·GSSI의 에너지 분배 설명을 바탕으로 재구성.
https://recherche-expertise.asnr.fr/sites/default/files/documents/professionnels_sante/documentation/dosimetric_principles.pdf#page=46
https://agenda.infn.it/event/25766/contributions/129858/attachments/78771/101966/Ionization_Yield.pdf#page=5
3.2. 식에 넣는 에너지와 이온쌍 수
W = E/N
E는 이 정의에서 기체 내에 완전히 소모된 하전입자의 초기 운동에너지, N은 그 과정에서 생성된 이온쌍 수의 평균이다. W는 eV 또는 J로 표시하며, 뜻을 분명히 하려고 eV/이온쌍으로 적기도 한다.
입자의 에너지 일부가 검출기 밖으로 빠져나간 경우에는 입사 에너지 전체를 그대로 넣어 검출기 안의 이온쌍 수를 계산하면 안 된다. 또한 생성된 이온쌍 수와 실제 수집된 전하를 구분한다. 재결합으로 전하가 손실되면 수집 전하만으로 최초에 생성된 이온쌍 수를 그대로 판단할 수 없다.
출처: IAEA 2.7.4의 완전 에너지 소모 정의 및 INFN·GSSI의 재결합 설명.
https://recherche-expertise.asnr.fr/sites/default/files/documents/professionnels_sante/documentation/dosimetric_principles.pdf#page=46
https://agenda.infn.it/event/25766/contributions/129858/attachments/78771/101966/Ionization_Yield.pdf#page=5
3.3. 건조 공기 33.97 eV의 적용 범위
IAEA TRS-398 Rev.1은 전자에 대한 건조 공기의 W값으로 33.97 eV를 제시하며, 약 10 keV 이상에서 일정하다고 설명한다. 같은 문헌의 양성자 값은 34.44 eV로 다르다. 따라서 ‘공기는 어떤 입자·에너지에서도 무조건 33.97 eV’라고 외우지 않는다.
출처: IAEA, TRS-398 Rev.1, 1.4절
https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/p15048-DOC-010-398-Rev1_web.pdf
건조 공기 및 W/e 구분 참고: IAEA TRS-469, 4.1.1절
https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/trs469_web.pdf
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