SRI 합격노트 | 측정 중 붕괴한 방사능을 시작 시각으로 보정하기

이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는 지는 확인되지 않았습니다.

1. 문제

반감기가 짧은 단일 핵종을 일정 시간 계측하였다. 측정 중 붕괴를 무시하고 순계수율을 방사능으로 환산하면 어느 시각의 방사능을 얻는가? 측정 시작 시각의 방사능을 구하는 보정계수를 유도하고, 측정 전에 기다린 시간에 대한 보정과 구분하시오.

단일 지수감쇠를 가정하고 측정 중 검출효율과 방출확률은 일정하다. 배경은 적절히 차감했으며 불감시간·펄스 중첩·딸핵종의 성장에 따른 영향은 무시한다.

2. 모범답안

① 순계수를 측정시간으로 나누고 검출효율·방출확률로 환산한 값은 측정 구간의 평균 방사능이다. 이를 시작 시각의 방사능과 같다고 두면 과소평가한다.

② 측정 시작을 t=0, 측정시간을 τ, 붕괴상수를 λ=ln2/T₁/₂라 두면 A(t)=A₀e^(−λt)이다. 시간 평균은 다음과 같다.

Ā = (1/τ)∫₀^τ A₀e^(−λt)dt = A₀(1−e^(−λτ))/(λτ)

③ 따라서 시작 시각으로 환산하는 보정계수 f는 다음과 같다.

A₀ = Āf, f = λτ/(1−e^(−λτ))

④ 시료채취부터 측정 시작까지 Δ만큼 기다렸다면, 채취 시각의 방사능은 A채취=A₀e^(λΔ)이다. 측정 구간의 평균을 시작값으로 바꾸는 f와, 서로 다른 두 시각을 연결하는 지수 보정은 구별한다.

3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용

3.1. 계수기는 한 시각이 아니라 구간 전체를 센다

순계수의 기대값을 N, 검출효율을 ε, 해당 방사선의 붕괴당 방출확률을 p라고 하면, 주어진 조건에서 다음 관계가 성립한다.

N = εp∫₀^τ A(t)dt, Ā = N/(εpτ)

관측한 순계수를 대입하면 Ā의 추정값을 얻는다. N을 단순히 εp로 나눈 것은 누적 붕괴수에 해당하며 방사능이 아니다. 시간을 나누어야 방사능이 되며, Bq로 나타내려면 시간을 초 단위로 사용한다. 한편 λτ를 계산할 때에는 λ의 시간 단위와 τ의 시간 단위를 일치시킨다.

수기의 ‘측정시간 동안의 방사성 붕괴’ 항목은 이 적분과 보정계수를 함께 적고 있다. 여기서는 계수율과 방사능, 시간 평균과 시작값이 섞이지 않도록 기호를 나누었다.

출처: 사용자 수기 취급.pdf 물리적 41쪽, 110번. 이 항목에는 별도 참고 쪽수 표기가 없다.

3.2. 보정 방향은 항상 먼저 확인한다

감쇠만 하는 시료에서 A₀>Ā>A(τ)이므로 f>1이다. 평균값에 1보다 작은 계수를 곱해 시작값을 구했다면 방향을 잘못 잡은 것이다.

λτ가 매우 작을 때 f≈1+λτ/2이므로 보정은 작아진다. 반대로 측정시간이 반감기와 비슷하면 단순히 ‘짧게 측정했다’고 보고 생략할 수 없다. 필요한 보정 여부는 목표 정확도와 함께 판단한다.

IAEA TRS 295(1989), 부록 I의 I-9.2절, 인쇄 64쪽(PDF 물리적 75쪽), 식 (I-9)~(I-12)도 측정 구간 보정과 채취 시각 보정을 따로 제시한다. 원문은 방사능 농도(Bq/kg)를 다루며, 같은 시료의 질량이 일정하면 방사능에도 같은 보정계수가 적용된다. 원문의 Aₙ은 측정 구간 평균, Aₛ는 측정 시작 시각에 대응한다. Aₛ의 설명에도 mean이라는 단어가 있지만, 식의 기준은 측정 시작 시각이므로 이 글에서는 Ā와 A₀를 구분한다.

아래 예제는 그 책의 수치 예제가 아니라 수기 공식을 확인하기 위해 새로 구성한 계산이다.

3.3. 한 반감기 동안 측정한 계산 예

반감기가 10.0분인 가상 핵종을 10.0분 동안 측정하여 평균 방사능 Ā=100 Bq를 얻었다고 하자. 이 예제에서 반감기와 측정시간은 같으므로 λτ=ln2이다.

f = ln2/(1−1/2) = 2ln2 ≈ 1.386

A₀ = 200ln2 Bq ≈ 138.629 Bq ≈ 139 Bq

A(τ) = A₀/2 = 100ln2 Bq ≈ 69.3 Bq

종료값은 반올림한 139 Bq를 2로 나눈 값이 아니라, 중간 반올림 없이 원식으로 계산한 값이다.

평균값 100 Bq를 시작값이라고 보고하면 실제 시작값을 분모로 한 과소평가율 (A₀−Ā)/A₀는 약 27.9%다. 한편 평균값에 곱하는 보정계수는 약 1.386, 즉 평균값을 약 38.6% 높이는 것이다. 두 백분율은 분모가 다르므로 같은 수가 아니다.

측정 구간 평균값과 시작·종료 방사능
그림 1. 반감기와 측정시간이 같은 가상 예제. 시간축의 분을 초로 환산하여 적분한 곡선 아래 면적은 누적 붕괴수이며, 같은 면적을 갖는 직사각형의 높이가 평균 방사능이다. 이 예제의 누적 붕괴수는 100 Bq×600 s=60,000이다. 곡선과 계산값을 이용한 자체 제작 그림이다.

3.4. 기다린 시간과 실제 측정시간을 섞지 않는다

같은 예제에서 채취 후 10.0분을 기다렸다가 측정을 시작했다면, 채취 시각의 방사능은 시작값의 2배인 약 277 Bq다. 먼저 평균 100 Bq를 시작값 약 139 Bq로 바꾸고, 다시 채취 시각으로 거슬러 올라간다. 중간 반올림 없이 계산하면 약 277 Bq다.

측정 구간 전체를 대표하는 평균값에 ‘측정시간만큼 역붕괴’하는 e^(λτ)를 곧바로 곱하면 틀린다. 이 예제에서 100×2=200 Bq는 시작값이 아니다.

또한 이 글의 τ는 시료가 실제로 붕괴한 경과시간이다. 불감시간이 큰 장비에서 유효계측시간(live time)을 아무 설명 없이 대입하면 안 된다. 시간에 따라 계수 손실이 변하는 경우는 별도 측정모델이 필요하다. 여러 핵종의 신호나 딸핵종의 성장이 섞인 경우에도 단일 지수식 하나로 전체 신호를 보정하지 않는다.

4. 답안 마무리

‘평균값 → 측정 시작값 → 필요한 기준시각’의 순서를 적고, 각 시간의 정의와 보정 방향을 표시한다. 보정계수만 외우는 것보다 무엇을 어느 시각으로 옮기는지를 먼저 쓰는 것이 핵심이다.

SRI 합격노트 | 전체 목차

댓글