Retrospective dosimetry is a process that is a part of dose reconstruction for estimation of exposed dose occurred years before the estimation. Dose reconstruction may be required in a variety of situations such as acute accidental exposure, suspected chronic overexposure and reassessment of occupational exposure. The techniques for retrospective can be classified as biological method and physical method.
As a distinct physical technique for dose reconstruction, EPR (Electron Paramagnetic Resonance) or ESR (Electron Spin Resonance) dosimetry has been widely used. In EPR dosimetry, electrons generated by the interaction of material with radiation and trapped in lattice are measured by microwave absorption spectroscopy. Among the materials used for EPR dosimetry, tooth enamel has a high sensitivity for ionising radiation and since the tooth follows the carrier in all situations, it can act as a lifetime-dosimeter. And it is considered as one of the important biological samples.
In many countries, there have been a lot of studies and practical applications on EPR dosimetry with tooth enamel. This technique has been applied for A-bomb survivors, Techa riverside population, Chernobyl cleanup workers and so on. Also there were two times of international comparison of the results of EPR dosimetry with tooth enamel in 1996 and 2000 respectively.
But the experts have yet to reach a consensus on the best method. So, a lot of methods have been used for the separation of enamel from teeth and this may influence the dose evaluation. With the factors affecting EPR spectrum, this can effect on the results of dose reconstructed.
In this study, factors affecting the EPR spectrum of tooth are experimented first. Anisotropy of radiation induced $CO_{2}^-$ radical is negligible at low doses, but it become important at high doses. It can induce errors in dose estimation up to 40% at dose range of 5Gy. So, crushing process is essential in dose estimation. But, since sample grinding can induce an increase in the native signal and generation of stable signal, choice of adequate granular size of enamel is essential.
Number of scan should be adequately chosen because they can disturb EPR spectrum.
At low microwave power of EPR spectrometer, radiation-induced spectrum can not be distinguished from noise. On the other hand, at high power, the spectrum can be saturated. So, the microwave power of EPR spectrometer should be determined by experiment. And this can effect on the sensitivity of EPR spectrum to radiation dose.
Transient EPR signal is induced by enamel irradiation and it may interfere with the dosimetric signal. It fades after 1 month at room temperature or after 2 hour at 90 - 95℃. By annealing process, thermally unstable radiation-induced radicals are removed and radiation-insensitive signal tends to increase.
Individual difference of each tooth enamel can affect in native signal or sensitivity of EPR spectrum to irradiation time. The variation in sensitivity is within 16% at about 4Gy range.
Effect of grain size of tooth enamel can affect the background spectrum, transient signal and sensitivity of EPR spectrum to exposed dose. According to experimental results, it can be concluded that grain size of 0.3 mm~ 0.7 mm is good for dosimetry but grain size of below 0.1mm shows poor properties for dosimetry. It is known that the spectrums of samples with smaller grain sizes frequently have additional low-intensity EPR signals, but these signals usually possess random properties. So, it is not recommended to use enamel samples below 0.1mm size for dosimetry.
According to the results of experiments, tooth enamel shows good properties for EPR dosimetry. But the EPR spectrum can be disturbed by many factors. So, if the properties of those factors are totally understood, EPR dosimetry with tooth enamel will be greatly helpful in various situations related to radiation exposure accident. And the results of this study can give the basis of EPR dosimetry with tooth enamel in Korea.
회구선량 평가는 평가시점에서 수년전에 발생한 방사선 피폭을 재구성하는 선량재구성의 일부분으로써 수행된다. 이러한 선량 재구성은 사고로 인한 급성 피폭, 장기간에 걸친 과피폭이 의심되는 경우 및 작업자 피폭의 재평가 등에서 사용되는 기법이다.
선량 재구성에는 여러가지 기법들이 사용되는 데 이중에서 전자상자기 공명(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)을 이용한 방법도 물리적인 선량평가기법의 하나로 인정받고 있다. EPR선량 평가기법에 적합한 여러 재료들 중 치아의 법랑질(enamel)은 lifetime dosimeter로 사용할 수 있는 성질을 가진 생체재료로써의 우수한 성질을 나타내고 있다. 이에 대한 여러 연구가 외국에서 다수 수행되었으며, 연구결과에 대한 국제적인 비교가 1996과 2000년에 각각 수행되었다.
그러나 두번의 연구결과 비교에서도 선량평가에 대한 기준화된 방법이 제시되지 않았으며, 최적화된 시료 준비방법에 대해서도 아직 결정되지 않았다. 따라서 향후 예상되는 기술적용을 위해서 선량평가에 영향을 나타내는 인자의 특성분석 및 개인의 선량평가와 관련된 연구가 필요하게 되었다.
본 연구에서는 EPR선량평가에 영향을 나타낼 수 있는 여러가지 인자중 치아법랑질의 방향성, 방사선 조사에 따른 transient signal의 특성, EPR 선량계의 microwave에 따른 spectrum의 변화 등에 대한 실험을 하여 그 영향 정도를 분석하였다. 또한 개인에 따른 선량평가시의 차이 평가를 위하여 native signal 측면과 EPR spectrum의 조사 방사선에 대한 민감도를 분석하였으며, 마지막으로 법랑질의 입도크기가 EPR spectrum에 나타내는 영향을 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
각 장에서 논의된 내용을 간략히 요약하면 다음과 같다.
2장에서는 선량재구성에 대하여 논의하였다. 선량재구성은 개인 또는 집단에 대한 급성 또는 만성 방사선 피폭에 대하여 평가된 결과의 재평가 또는 확인을 위한 절차로써 고려된다. 회구선량해석에 사용되는 기법들은 크게 생물학적 방법과 물리적 방법으로 구분되어진다. 이러한 기법들 중 중요한 기법에 대하여 2장에서 설명하였으며, 외국에서 수행되어지고 있는 선량재구성에 대한 연구의 현 단계에 대해서도 논의하였다.
3장에서는 치아 에나멜을 이용한 전자상자기공명 선량해석(EPR dosimetry) 기법에 대해서 논의 하였다. 전자상자기공명 선량해석 기법에서는 물질과 방사선의 반응에 의해서 생성된 자유기(free radical)가 물질의 격자안에 갇혀있을 경우, 전자기파의 흡수 정도에 따라서 이를 계측하게 된다. 3장에서는 EPR에 대한 기본원리 및 EPR선량계의 구조에 대해서 간단히 설명하게 된다. EPR 선량해석에 대한 역사와 EPR선량해석에서 응용가능한 물질에 대해서도 논의하게 되며 끝으로, 치아 법랑질이 EPR선량해석에서 가장 선망된느 물질인 이유에 대해서도 논의된다. 이를 위하여 치아의 구성 및 성분에 대해서 논의되었으며, 실제적으로 치아를 이용한 EPR선량해석의 적용 사례를 소개하게 된다. 또한, 치아를 이용한 EPR 선량해석에 영향을 나타내는 인자들에 대해서도 논의하게 된다.
4장에서는 치아를 이용한 EPR선량해석에 대한 실험절차 및 결과에 대해서 논의하게 된다. 실험은 EPR spectrum에 영향을 나타내는 인자들에 대해서 수행하게 되는데, 본 연구에서 고려한 방사선 유발생성 자유기인 $CO_{2}^-$ 에 의한 방향성, 방사선 조사에 따른 transient signal의 특성, 선량계의 변수들인 scan횟수 및 microwave power등 대하여 실험한 결과에 대하여 논의하였다. 또한 치아를 이용한 EPR 선량해석에서 고려되는 spectrum의 특성에 대한 간단한 논의 뒤에 EPR spectrum의 개인차, 법랑질 입도가 EPR 선량해석에 미치는 영향등에 대하여 실험 결과를 논의하였다.
5장에서는 실험에 대한 결과 및 결론에 대하여 논의하였다.
방사선 유발생성 자유기인 $CO_{2}^-$ 에 의한 방향성에 대한 실험에서는 저선량에서는 방향성이 크게 나타나지 않지만, 선량이 증가할 수록 방향성에 의한 영향도 크게 나타나는 것으로 판단되었다. 이러한 차이는 조사 선량이 약 5Gy일때, 선량평가에서 사용되는 EPR spectrum의 PTP(peak-to-peak)에서 40%까지의 차이를 나타내는 것으로 평가되었다. 따라서 치아 법랑질의 분쇄과정은 필요하지만, 분쇄과정에 의해 안정된 자유기가 추가적으로 생성될 수 있으므로, 적당한 입도의 시료를 준비하는 것이 필요하게 된다.
방사선 조사에 의한 transient EPR signal은 선량평가에서 사용되는 신호를 간섭하게 된다. 이 신호는 상온에서는 3개월, 90 - 95℃ 에서는 약 2시간(annealing) 만에 없어지게 된다. 이러한 annealing에 의해서 방사선 유도(radiation-induced) 자유기 중 열적 불안정한 자유기의 제거 및 방사선 비민감 신호(radiation-insensitive signal)의 증가를 발견할 수 있었다.
EPR선량해석에 대한 치아 법랑질별 특성차이에 대한 실험에서는 이러한 특성차이가 치아의 native EPR spectrum에 영향을 나타내며 또한 EPR spectrum의 EPR 선량해석에서의 민감도에 영향을 나타내는 것으로 평가되었다. 선량해석의 민감도는 4Gy정도의 선량에서 16% 내외로 평가되었다.
치아법랑질의 입도는 EPR spectrum의 평가에서 native EPR spectrum, transient signal 및 EPR spectrum의 조사방사선에 대한 민감도 부분에서 영향을 나타내는 것으로 평가되었다. 실험결과 0.3~0.7mm 범위의 입도가 선량해석을 위한 좋은 성질을 나타내며, 0.1mm 이하의 입도는 선량해석에 있어서 좋지 않은 성질을 나타내는 것으로 평가되었다.
본연구의 결과에 따르면 치아 법랑질은 EPR 선량해석에 좋은 성질을 나타내는 것으로 판단되었다. EPR 선량해석에 영향을 나타내는 여러가지 인자들의 특성분석 결과는 방사선 피폭을 발생시키는 사고시의 선량해석에 응용될 수 있을 것으로 판단되며, 개인치아 법랑질의 특성 차이 및 법랑질 입도의 EPR 선량해석에 대한 영향 등의 실험결과는 국내의 치아를 이용한 EPR 선량해석 기법 수립에 기본이 되는 자료를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.
