대기 중 미세먼지를 여과지에 포집하기 전과 후에 베타선을 투과시켜, 여과지에 쌓인 미세먼지의 질량에 비례하여 베타선의 세기가 감쇄하는 원리가 어떻게 되나요?

Question

대기 중 미세먼지를 여과지에 포집하기 전과 후에 베타선을 투과시켜, 여과지에 쌓인 미세먼지의 질량에 비례하여 베타선의 세기가 감쇄하는 원리를 이용해 미세먼지 질량 농도를 연속 측정하는 기제를 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

베타선 흡수법은 방사선이 물질을 통과할 때 흡수되는 감쇄량이 물질의 화학적 성분과 무관하게 오직 물리적인 질량에만 비례한다는 원리를 이용합니다. 측정 장치는 대기 흡입 장치와 베타선 광원, 그리고 검출기로 구성되며 연속적인 공정으로 농도를 계산합니다.

​우선 미세먼지가 포집되지 않은 깨끗한 상태의 여과지에 베타선을 먼저 투과시킵니다. 탄소 동위원소 등에서 방출된 베타선이 여과지 자체의 섬유 질량에 의해 일차적으로 감쇄된 후 반대편 검출기에 도달하면, 장치는 이때의 에너지를 초기 기준값으로 저장합니다. 이후 해당 여과지 영역을 흡입구 아래로 이동시켜 일정한 유량의 대기를 흡입합니다. 이 과정에서 공기 중의 미세먼지 입자들은 여과지 표면에 걸러져 촘촘한 질량 층을 형성하게 됩니다.

​지정된 포집 시간이 끝나면 먼지가 쌓인 여과지를 다시 광원과 검출기 사이로 이동시켜 두 번째 베타선을 조사합니다. 이때 베타선은 여과지뿐만 아니라 그 위에 쌓인 미세먼지 층을 추가로 통과해야 하므로 검출기에 도달하는 세기는 초기보다 더 크게 줄어듭니다. 물리적인 질량 두께가 두꺼울수록 투과하는 방사선 신호가 로그 비례하여 감소하므로, 포집 전후의 신호 차이를 비교하면 여과지에 얹어진 미세먼지의 순수한 질량을 정밀하게 도출할 수 있습니다. 최종적으로 이 질량을 포집된 총 대기 부피로 나누어 대기 중 미세먼지 질량 농도를 실시간 연속으로 산출합니다.

Answer 2

안녕하세요.

대기 중 미세먼지의 질량 농도를 연속 측정하는 베타선 흡수법은 베타선이 물질을 통과할 때 일부가 흡수되거나 산란되어 세기가 감소하는 원리를 이용하는데요, 미세먼지가 거의 없는 깨끗한 여과지를 통과할 때보다 미세먼지가 많이 쌓인 여과지를 통과할 때 베타선이 더 많이 약해진다는 점을 활용하는 것입니다.

측정 과정은 먼저 깨끗한 여과지에 베타선을 통과시켜 초기 세기를 측정하는 것으로 시작하며. 이후 일정 시간 동안 펌프를 이용해 공기를 빨아들여 공기 중 미세먼지를 여과지 위에 포집합니다. 미세먼지가 축적된 뒤 다시 베타선을 통과시키면, 베타선은 여과지에 쌓인 입자들과 상호작용하면서 에너지를 잃고 일부가 흡수되거나 산란되기 때문에 결과적으로 검출기에 도달하는 베타선의 세기가 처음보다 감소하게 됩니다. 이 현상은 베타선이 물질 속 원자의 전자와 충돌하며 에너지를 잃기 때문에 발생하는데요, 여과지 위에 포집된 미세먼지의 질량이 많아질수록 베타선이 지나가면서 충돌하는 원자 수가 증가하므로, 베타선 감쇠 정도도 커집니다. 즉 베타선 세기의 감소량은 여과지 위 미세먼지 질량과 일정한 관계를 가지게 되며, 이를 이용해 포집된 미세먼지 질량을 계산할 수 있는 것입니다. 다음 장비는 포집된 미세먼지 질량을, 측정 시간 동안 흡입한 공기 부피로 나누어 단위 부피당 미세먼지 농도로 환산하며, 이때 계산된 값이 우리가 흔히 보는 PM10이나 PM2.5 농도입니다. 이 과정이 자동으로 반복되므로 대기 중 미세먼지 농도를 연속적으로 측정할 수 있습니다. 감사합니다.