KR200419992Y1 - 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 ｘ선 촬영 시설용 방사선차폐체 - Google Patents

후방 산란 방사선 감쇄를 위한 ｘ선 촬영 시설용 방사선차폐체 Download PDF

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Abstract

본 고안은 후방 산란 방사선을 감쇄시키기 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 X선 촬영 시설에 설치되는 X선 검출기의 후방에 납판을 구비하고, 납판의 전면에 납보다 가벼운 재질로 이루어진 감쇄 판넬을 X선이 입사되는 방향으로부터 원자 번호가 낮은 순서대로 순차적으로 구비하여, X선이 다수의 감쇄 판넬을 통과하는 동안 소량의 후방 산란을 일으키면서 점진적으로 흡수되도록 함으로써, 피사체 방향으로 산란되는 X선 후방 산란량을 대폭 감축시킨 방사선 차폐체에 관한 것이다.
본 고안에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체는, X선 검출기 후방에 구비되는 납판과; 상기 납판의 전면에 구비되는 다수의 감쇄 판넬;을 포함하여 구성되되, 상기 감쇄 판넬은 X선이 입사되는 방향으로부터 알루미늄, 철, 동으로 된 재질 순으로 구비되고, 상기 납판 및 각 감쇄 판넬은 각각 동일 재질의 1 mm 두께를 가지는 사각판 형태의 판넬이 적층된 구성을 갖는 점을 특징으로 한다.
본 고안에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체는 X선의 후방 산란 방사선 양을 대폭 감축시켜 방사선 피폭으로부터 피사체를 안전하게 보호할 수 있는 효과가 있다.
X선, 후방 산란, 감쇄, 차폐체

Description

후방 산란 방사선 감쇄를 위한 Ｘ선 촬영 시설용 방사선 차폐체{A sheilding device for reducing back-scatterred radiation in X-ray exposure room}
도 1은 방사선 차폐체가 설치되는 X선 촬영 시설을 나타내는 도면.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 후방 산란 방사선의 총량을 계산하는 과정을 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : X선원 20 : 피사체
30 : X선 검출기 50 : 제어실
100 : 1차 차폐체 110 : 납판
120 : 감쇄부 121,122,123 : 감쇄 판넬
200 : 2차 차폐체
본 고안은 후방 산란 방사선을 감쇄시키기 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 X선 촬영 시설에 설치되는 X선 검출기의 후방에 납판을 구비하고, 납판의 전면에 납보다 가벼운 재질로 이루어진 감쇄 판넬을 X선이 입사되는 방향으로부터 원자 번호가 낮은 순서대로 순차적으로 구비하여, X선이 다수의 감쇄 판넬을 통과하는 동안 소량의 후방 산란을 일으키면서 점진적으로 흡수되도록 함으로써, 피사체 방향으로 산란되는 X선 후방 산란량을 대폭 감축시킨 방사선 차폐체에 관한 것이다.
일반적으로 X선 촬영 장치는 피사체를 투과한 X선을 X선 검출기로 감지하여 피사체의 내부를 영상화하여 볼 수 있는 장치로서, 병원에서 환자의 진단이나 실험실에서 시험 재료의 비파괴 검사 등에 다양하게 이용되고 있다.
이러한 X선 촬영 장치를 내부에 구비하는 X선 촬영 시설은, 도 1에 도시된 바와 같이, X선원(10)에서 방출되어 피사체(20)와 X선 검출기(30)를 차례로 통과하는 직접 방사선이 외부로 누출되는 것을 방지하기 위하여 X선 검출기(30)의 후방에 위치하는 벽면에 1차 차폐체(100)를 구비하고, 직접 방사선과 1차 차폐체(100)의 충돌 후 발생하는 산란 방사선을 추가적으로 차폐하기 위하여 X선 검출기(30)의 후방을 제외한 모든 벽면과 천정 및 출입문에 2차 차폐체(200)를 구비하고 있다.
또한, 별도의 제어실(50)이 구비되어 그 내부에서 촬영기사가 X선원(10) 및 X선 검출기(30)를 포함하는 X선 발생장치를 원격으로 제어할 수 있다.
통상 종래의 1차 차폐체(이하, 1차 차폐체 만을 X선 차폐체라 지칭하기로 한다.)는 납판으로 구성되는데, 이는 납이 X선에 대한 차폐 효과가 뛰어나 대부분의 X선을 흡수하거나 산란 반사시키는 특성을 가지고 있기 때문이다.
그러나, 납으로만 이루어진 종래의 1차 차폐체는 차폐체에 도달한 X선 중에서 일부가 다시 전방의 피사체 측으로 산란되는 후방 산란이 발생하며, 이러한 후방 산란에 의해 피사체가 필요 이상으로 방사선에 과다하게 노출되는 문제점이 있다.
본 고안의 목적은 상기한 종래의 방사선 차폐체가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, X선 검출기의 후방에 납판을 구비하고, 납판의 전면에 납보다 가벼운 재질로 이루어진 감쇄 판넬을 X선이 입사되는 방향으로부터 원자 번호가 낮은 순서대로 순차적으로 구비하여, X선이 다수의 감쇄 판넬을 통과하는 동안 소량의 후방 산란을 일으키면서 점진적으로 흡수되고, 최후방의 납판에서 발생하여 피사체 방향으로 산란되는 후방 산란 방사선이 전면의 감쇄 판넬을 통과하는 동안 차례로 흡수되도록 함으로써, X선의 전체 후방 산란량을 감축시켜 피사체를 보호하는 데에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 고안은,
X선 검출기 후방에 구비되는 납판과;
상기 납판의 전면에 구비되는 다수의 감쇄 판넬;을 포함하여 구성되되,
상기 감쇄 판넬은 X선이 입사되는 방향으로부터 알루미늄, 철, 동으로 된 재질 순으로 구비되고, 상기 납판 및 각 감쇄 판넬은 각각 동일 재질의 1 mm 두께를 가지는 사각판 형태의 판넬이 적층된 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체를 제공한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 고안의 일실시예에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체는 X선을 차폐하여 외부로 누출되지 않도록 X선 검출기의 후방에 구비되는 납판(110)과, 산란 방사선 양을 감쇄시키기 위하여 납판(110)의 전면에 구비되는 감쇄부(120)로 구성된다.
감쇄부는 납보다 가벼운 재질로 이루어지고 사각판 형태인 감쇄 판넬을 다수 적층하여 구성하는데, 바람직하게는 감쇄 판넬을 납판측으로부터 다수의 동판(121), 철판(122) 및 알루미늄판(123)의 순으로 적층하여 입사되는 X선이 원자번호가 낮은 순서대로 감쇄 판넬을 통과하도록 구성하고, 입사 X선의 에너지에 따라 각 재질별 판넬의 개수를 조절하여 후방 산란 방사선을 효율적으로 감쇄하도록 하는 것이 좋다.
일반적으로 원자번호가 낮은 원소의 재질은 X선에 대한 차폐 능력이 떨어지나, 방사선을 소량 산란시킴으로써 투과되는 X선의 에너지를 감소시키는 특성이 있다.
따라서 본 고안의 일실시예에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체와 같이, X선이 입사되는 앞면부터 가벼운 재질 순 즉, 원자번호가 낮은 순으로 일정 개수의 알루미늄판, 철판 및 동판을 구비하고 최후방에 납판을 구비하여, 납판에 X선이 도달하기 전에 납판보다 가벼운 원소의 재질인 알루미늄판, 철판 및 동판에 X선을 통과시킴으로써 X선의 에너지를 점차 감소시키고, 에너지가 감소된 X선을 최후방에 구비된 납판에서 대부분 흡수할 수 있게 된다. 여기서, 최후방의 납판에서 흡수되지 않고 다시 전방으로 산란되는 낮은 에너지의 후방 산란 방사선은 납판의 전면에 구비된 동판, 철판, 알루미늄판을 차례로 통과하면서 흡수되어 그 양이 더욱 줄어들게 된다.
이와 같이 본 고안의 일실시예에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체를 이용하면, 후방 산란 방사선의 양을 감소시켜 후방 산란에 의한 환자의 X선 피폭을 방지할 수 있게 된다.
이하, 본 실시예에 따른 X선 촬영 시설의 후방 산란 방사선 감쇄용 차폐체를 통한 후방 산란 방사선 감쇄 효과를 보다 상세히 설명하기로 한다.
X선이나 감마선 등의 광자가 특정 물체에 조사되면, 광자는 물체를 구성하는 원자의 궤도전자와 광전 효과(photoelectric effect), 콤프턴 산란(compton scattering) 및 전자쌍 생성(pair production)의 3가지 상호 반응을 한다.
광전 효과 반응을 하는 방사선은 차폐체 원자의 궤도전자에 에너지를 모두 전달하고 소멸된다. 또한, 전자쌍 생성은 광자가 강한 전기장을 형성하는 핵 주위에서 소멸되고 음전자와 양전자를 생성하는 반응으로서, 입사광자의 에너지가 전자쌍의 정지질량 에너지인 1.02 MeV 이상인 경우에 발생한다. 끝으로 콤프턴 산란은 광자가 각 궤도전자와 충돌하여 불규칙적인 각도로 산란하는 반응으로서, 콤프턴 산란에 의하여 산란되는 광자의 양은 산란 단면적(scattering cross section)으로 표현될 수 있다. 산란 단면적은 단위 시간 동안 단위 면적으로 입사된 입자수 대비 단위 시간 동안 일정 산란각으로 산란된 입자수를 나타내는 값으로서, 입사 에너지, 원자 번호 및 산란각에 의존하는 함수로 표현된다.
콤프턴 산란은 실험식으로 널리 알려진 Klein-Nishina 공식에 의하여 결정되는데, Klein-Nishina 공식에 기초한 미분 산란 단면적은 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006018373686-utm00001
여기서,
σ : 산란 단면적
Ω : 입체각
Z : 원자 번호
r o : 전자의 반지름
α = E / (m o c 2)
E : X선 에너지
m o : 전자의 질량
θ : 산란각
상기 수학식 1에서 산란각(scattering angle) θ는 충돌 전 광자의 진행 방향과 충돌 후 광자의 진행 방향이 이루는 각이며, 입체각(solid angle) Ω은 특정 단위 산란각으로 산란되는 입자를 입사 방향의 축에 대하여 수직인 평면 상에서 고려하기 위한 가상의 각도로서 dΩ=2πsinθdθ로 표시된다. 여기서, 후방 산란은 산란각 θ가 90˚보다 큰 경우에 해당한다.
이와 같이 차폐체에 도달하는 X선은 차폐체의 원자와 상호 반응을 하게 되는데, 상호 반응을 하지 않고 그대로 투과되는 X선의 세기는 아래의 수학식 2와 같은 차폐식으로 산출될 수 있다.
I = I 0 exp(-μd)
여기서,
I : 차폐체를 투과한 후의 X선 세기
I 0 : 차폐체를 투과하기 전의 X선 세기
μ : 차폐체의 X선 투과 상수 [cm-1]
d : 차폐체의 두께 [cm]
상기 수학식 2에서 차폐체의 X선 투과 상수(μ)는 다음의 표 1에서와 같이, 차폐체의 재질과 입사 X 선의 에너지 세기에 따라 결정된다.
X선 에너지 및 차폐체의 재질에 대한 투과상수 비교 (단위 : cm-1)
차폐체 재질 X선 에너지
100 keV 300 keV 500 keV 1000 keV
폴리에틸렌 0.155 0.110 0.090 0.065
알루미늄판 0.462 0.281 0.228 0.166
철 판 2.908 0.865 0.660 0.471
동 판 4.121 1.001 0.747 0.527
납 판 61.290 4.585 1.827 0.804
표 1로부터 원소 번호가 작고 X선의 에너지 세기가 클 수록 차폐체에 의해 차폐되지 않고 투과하는 X선의 양이 증가하는 것을 알 수 있다.
본 실시예에 따른 X선 촬영 시설의 후방 산란 방사선 감쇄용 차폐체에 X선이 조사되면, X선이 다수의 감쇄 판넬 및 납판에 순차적으로 도달하면서 산란 및 투과 작용을 동시에 하게 되는데, 각 판넬의 전방에서 입사되는 방사선에 대한 후방 산란량은 아래의 수학식 3과 같이, 전방에서 해당 판넬로 입사되는 방사선의 세기와 해당 판넬의 후방 산란 단면적을 곱한 값이 된다.
q = I ×σ b
여기서,
q : 후방 산란량
I : 입사되는 방사선의 세기
σ b : 후방 산란 단면적
따라서, 상기 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 각 판넬에서의 산란 단면적 및 투과 X선 세기를 구하면, 수학식 3을 이용하여 각 판넬에서의 방사선 후방 산랸량을 산출할 수 있다.
한편, 후방에 위치한 판넬에서 후방 산란되는 방사선은 그 전방에 위치한 판넬들을 차례로 통과하면서 에너지가 감소하게 되는데, 방사선량은 방사선 세기와 비례하므로 상기 수학식 1로부터 산란 방사선이 각 판넬을 투과한 후의 방사선량을 구할 수 있다.
따라서, 최전방에 위치한 알루미늄 판넬에서의 후방 산란량과 그 후방에 위치한 각각의 판넬에서 후방 산란되어 그 전방의 다른 판넬들을 다시 투과하며 전방으로 다시 조사되는 방사선량을 모두 합하면, 최종적으로 피사체 방향으로 산란되는 후방 산란량을 산출할 수 있게 된다.
도 3은 입사 X선의 에너지가 100 keV이고, 두께가 1mm인 알루미늄판, 철판, 동판 및 납판을 각 재질별로 세 장씩 적층하여 구성한 경우, 후방 산란 단면적을 계산하는 과정을 나타내는 도면이다. 여기서, 각 감쇄 판넬을 투과하는 X선을 실선으로, 각 감쇄 판넬에서 산란되는 X선을 점선으로 표시하였으며, 실제로는 모든 판넬이 서로 밀착되어 있으나 설명의 편의를 위하여 다른 재질의 판넬과 이루는 간격을 과장되게 이격시켜 도시하였다.
도 3에서, 각 감쇄 판넬에서 산란되는 X선의 산란량은 상기 수학식 3에 따라 산출되며, 각 판넬을 투과하는 X선의 세기 및 방사선량은 수학식 2에 의해 산출된다.
이와 같이, 각 감쇄 판넬에서 투과되거나 산란되는 방사선량을 계산하면 차폐체의 최전방에서 피사체를 향하여 산란되는 X선의 총 후방 산란량(σ 2)을 계산할 수 있으며, 그 값은 20.42r o 2 I 0 이 된다.
한편, 차폐체를 납판만으로 구성한 경우 X선의 후방 산란량은 상기 수학식 3으로부터 44.69r o 2 I 0 임을 알 수 있다.
이로부터 아래의 수학식 4로 표시되는 후방 산란 방사선 감소율을 계산할 수 있다.
ρ = σ 2/σ 1 * 100
여기서,
ρ : 후방 산란 방사선 감소율
σ 1 : 감쇄용 차폐체 설치후 후방 산란량
σ 2 : 납판에 의한 후방 산란량
입사 X선의 에너지가 100 keV이고, 1mm 두께로 된 알루미늄판, 철판, 동판 및 납판을 각 재질별로 세 장씩 적층하여 차폐체를 구성한 경우, 상기 수학식 3에 의하여 후방 산란 방사선 감소율을 계산하면 47%의 값을 얻을 수 있다.
이와 같이, 상기 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 입사 X선의 에너지 세기 별로 후방 산란 방사선 감소율을 구한 결과가 아래의 표 2에 나타나 있다.
차폐체 두께 X선 에너지
100 keV 300 keV 500 keV
12mm (3장) 47 88 83
20mm (5장) 37 63 62
28mm (7장) 33 49 51
40mm (10장) 28 39 42
여기서, 차폐체의 각 감쇄 판넬 및 납판의 두께는 1 mm로 고정하였고, 각 판의 적층 개수를 3, 5, 7, 10 으로 변경하여 차폐체의 총 두께를 작게는 12 mm에서 크게는 40 mm로 구성한 경우에 대하여 후방 산란 방사선 감소율을 산출하였다. 예를 들어, 각 판의 적층 개수를 3장으로 한 경우에는 1mm 두께를 가지는 4가지 재질의 판을 각각 3 장씩 적층하게 되므로 차폐체의 총 두께는 12 mm가 된다.
표 2로부터 입사 X선이 500 keV의 고준위 에너지를 가지고 있는 경우에도 감쇄부의 각 판넬과 납판을 재질별로 10장씩 적층하면 산란 방사선의 양을 약 40% 수준으로 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 고안은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체는 X선의 후방 산란 방사선 양을 대폭 감축시켜 방사선 피폭으로부터 피사체를 안전하게 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, X선 촬영시설의 1차 차폐체에서 발생하는 후방 산란 방사선 양이 감소함에 따라 2차 차폐체의 두께를 감소시킬 수 있으므로, X선 촬영시설의 시공이 용이해지고 시공 기간이 단축되며 비용이 절감되는 효과도 있다.

Claims (1)

  1. X선 촬영시설의 X선 검출기 후방에 설치되어 X선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 방사선 차폐체에 있어서,
    상기 X선 검출기의 후방에 구비되는 납판과;
    상기 납판의 전면에 구비되는 다수의 감쇄 판넬;
    을 포함하여 구성되되,
    상기 감쇄 판넬은 X선이 입사되는 방향으로부터 알루미늄, 철, 동으로 된 재질 순으로 구비되고, 상기 납판 및 각 감쇄 판넬은 각각 동일 재질의 1 mm 두께를 가지는 사각판 형태의 판넬이 적층된 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 X선 촬영 시설용 방사선 차폐체.
KR2020060007074U 2006-03-16 2006-03-16 후방 산란 방사선 감쇄를 위한 ｘ선 촬영 시설용 방사선차폐체 KR200419992Y1 (ko)

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