본 절은 [GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서]를 사용하기 위해 알아야 할 내용과 실습 방법에 대해 설명한다. 방사선(감마선) 센서의 특징, 동작원리, 사양, 연결 핀 배열, 출력 값, 주의사항을 알아본다. 아두이노와 센서를 연결하고, 라이브러리를 이용해 쉽게 실습한다.
목차
GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서
방사능은 1초에 하나의 방사선이 나오는 세기를 나타낸다. 단위는 베크렐(Bq)를 사용하고 1Bq는 1초당 1개의 방사선이 방출됨을 의미한다.
방사선은 공기 및 인체 등으로 들어오면 인체조직과의 상호작용으로 신체에 미치는 영향을 나타내는 척도로 조사선량, 흡수선량, 등가선량, 유효선량 등이 있다.
방사능은 시버트(Sievert), 베크렐(Bq, becquerel), 그레이(gy) 등의 단위를 사용한다. 시버트(국제표준)는 일반적으로 사용되는 방사능의 단위이다. 시버트는 단위가 너무 커서 밀리시버트(mSv)를 주로 사용한다.
| 구분 | 현재 국제단위 | 과거단위 | 기준 | |
| 방사능 단위 | 베크렐(Bq) | 큐리(Ci) | -1 Bq : 1초당 1개의 방사선이 방출 -방사능의 강도를 나타내는 단위 |
|
| 방사선 관련 단위 |
조사선량 | 클롱/킬로그램(C/Kg) | 렌트겐(R) | 엑스선 또는 감마선에 의하여 공기 단위질량당 생성된 전하량 |
| 흡수선량 | 그레이(Gy) | 라드(rad) | -질량당 흡수된 방사선 에너지의 양 -생물학적 영향을 고려하지 않는 단위 |
|
| 등가선량 | 시버트(Sv) | 렘(rem) | -인체의 특정 조직에 미치는 방사선 영향 -특정 신체에 한정하여 측정한 값 |
|
| 유효선량 | 시버트(Sv) | - | 인체에 미치는 방사선 영향 인체 전신을 대상으로 측정한 값 1 Sv = 1000 mSv (mSv = 0.001 Sv) 1 mSv = 1000 μSv (μSv = 0.001 mSv) 1 μSv = 1000 nSv (nSv = 0.001 μSv) |
|
[방사선 단위]
방사선 인체에 미치는 영향
방사선 피폭은 피폭 기간에 따라 급성 피폭과 만성 피폭으로 구분할 수 있다.
급성 피폭 (Acute Radiation Syndrome, ARS)은 일시적으로 많은 양의 방사선에 갑자기 노출될 경우 백혈구의 숫자가 일시적으로 감소하고, 피폭선량이 증가함에 따라 구토, 탈모, 피부 변화 등 신체적 이상 증상이 나타난다.
만성 피폭(Chronic Radiation Syndrome, CRS)은 낮은 수준의 방사선량 피폭 후 발생한다. 피부 위축, 상처 후 사라진 예전의 화상 자국과 눈 백내장으로 인한 피부의 섬유 형성 등의 증상이 나타날 수 있다.
[방사선의 농도 기준]
미국의 경우 3mSV를 기준으로 정해져 있으며, 국제원자력기구의 연간 표준 기준치는 1mSv 이며 한국은 1 mSv 를 따른다.
우리가 그냥 평상시 받는 자연 방사선 양은 약 2.4mSv 이다. 장소에 따라 다르기 때문에 약이라고 표현합니다. 인공 방사선은 약 1mSv 이다. 병원진료 방사선 치료 등을 포함해도 연간 1mSv를 넘지 않다. 이를 단순 계산하면 인공 방사선과 병원의 치료를 합치면 약 연간 3.4mSv 정도에 노출 되면서 살고 있다.
만약 3.4mSv가 넘으면 어떻게 될까?
흉부 X-레이 = 0.04 mSv
지표면 우주입자선 = 연간 0.24 mSv
지표면 지하 방사선 = 연간 0.28 mSv
두뇌 CT 스캔 = 0.8 ~ 5 mSv
미국 가정의 연 평균 라돈 방사선 양 = 2 mSv
내장기관 X-레이 = 14 mSv
미국인 연 평균 방사선 노출량 : 6.2 mSv
하루 담배 1.5갑을 필 때 = 연간 13 mSv
핵관련 종사자 연간 허용치 : 20 mSv
방사선업계 연간 허용량= 50 mSv
발암 최저 한계치 : 연간 100 mSv
체르노빌 이주 기준 : 평생 350 mSv
연간 1Sv일경우 약간의 혈액변화를 일으키고, 연간 2~3Sv일 경우 메스꺼움, 탈모, 출혈을 유발 많은 경우 사망한다. 또한, 연간 6Sv 이상은 2개월 이내에 80%사망한다.
GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서란?
FTLAB에서 만든 GDK101 센서는 감마선(X선도 감지)을 측정할 수 있는 센서다. 민감한 10핀 포토다이오드와 MCU에 의해 제어되는 트랜스 임피던스 증폭기 회로가 있는 솔리드 스테이트(Solid State Gamma Sensor) 감마선 센서 모듈이다.
FTLAB 홈페이지
FTLAB 홈페이지는 다음과 같다.
GDK101 센서 사양
GDK101 센서 사양은 다음과 같다. 일부 측정기들은 높은 선량의 측정수치를 가지고 있지만, 일반 생활에서는 0.5uSv/h 이하를 정확히 측정할 수 있는 측정기가 필요하다. 생활 방사선에서는 0.3~0.4uSv/h범위를 정확히 측정 해야 실제로 일반인들에게 필요한 방사능 위험 측정을 할 수 있다. 이 범위 방사능도 지속적으로 피폭 당하면 매우 위험하다.
GDK101은 0.01uSv/h 범위에서도 측정이 가능하다고 되어 있다. 입력전압은 5V를 사용한다.
센서 동작원리
GDK101센서는 솔리드 스테이트 감마 센서(Solid State Gamma Sensor)로 게르마늄, 실리콘, 카드뮴,아연, 텔루, 라이드 등과 같은 다양한 재료를 사용하여 입사 방사선을 전류로 직접 변환한다. 센서는 높은 에너지 분해능을 제공하여 정확한 양의 방사선 에너지를 감지하는 데 널리 사용된다. 10 PIN 포토 다이오드는 감마( gamma ray/radiation, γ선) 및 X 선 방사선을 감지하는데도 사용된다. 포토 다이오드는 빛을 전류로 변환하고 이 전류는 전압으로 덮어 증폭 될 수 있다. 전형적인 가이거 카운터처럼 동작하지만, 전통적인 가이거 카운터와는 달리 실제로 시간에 따른 출력 펄스를 측정하여 감마 광자의 평균 에너지를 대략적으로 결정할 수 있다.
같은 에너지를 가지는 감마선과 X선 간에는 물리적인 차이가 없다. 감마선( gamma ray/radiation, γ선)은 알파선이나 베타선과는 달리 전하를 띠지 않아 물질 투과력이 상대적으로 크다. 가장 투과력이 강한 방사선으로 피폭시 인체 내부 장기도 손상이 된다. 감마선은 X선과 마찬가지로 화상, 암, 유전자 변형과 같은 피해를 유발한다.
• PIN photodiode : PIN 포토 다이오드 수는 10 개이다.
• Vibration Sensor : 진동이 감지되면 MCU는 ± 0.5 초 동안 감지 신호를 취소한다.
• 아날로그 및 디지털 부품의 경우 내부 공급 전압 Vdd는 LDO 2 개로 3.3V 이다.
• TP_Analog 핀 : 트랜스 임피던스 증폭기 출력 포트. 감마선이 감지되면 일반적으로 100mV ~ 1000mV 피크와 100㎲ FWHM 펄스 폭을 갖는 아날로그 펄스가 이 핀에서 출력된다. 기본 노이즈 수준은 일반적으로 ± 50mV 이다.
센서 출력값
UART 인터페이스
GDK101 UART 인터페이슨 Auto_send와 Normal 의 2가지 모드를 제공한다.
• Auto_Send 는 센서가 켜지면 센서 측정값(1분)을 보낸다. 1분마다 아두이노에 자동으로 연결된다.
• Normal 은 아두이노로 부터 다른 요청이 전송되면 센서는 일반 모드로 변경된다.
예를 들어, Request 로 “ ┐D:?<CR><LF>” 로 요청시 “┐D:1.24<CR><LF>”로 감마 센서의 값을 응답하게 된다. D 명령어는 10분 측정값을 의미한다.
I2C 인터페이스
센서의 기본 I2C 주소는 0x18로 설정되어 있다. 5 byte의 데이터를 읽으며, read data1, read data2 의 값으로 감마 센서값을 측정하게 된다.
예를 들어 , read data 1의 값이 1(16), read data 2의 값이 15(16) 의 경우 10진수로 변환하게 되면, 1.21의 값이 된다
GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서 구입하기
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서]는 네이버 쇼핑몰 등에서 센서를 구입할 수 있다
[네이버]
GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서 동작 확인
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 소개하는 [GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서]는 라이브러리를 사용하여 간편하게 동작 확인을 할 수 있다.
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개발환경 : WINDOWS 10
아두이노 IDE : 1.8.13
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01 라이브러리 복사
libraries\Steamedu123_Sensor-master 폴더는 아래 폴더에 복사
* 아두이노 설치 후 자동으로 생기는 폴더
C:\Users\s\Documents\Arduino\libraries
02 *. ino 파일 실행
- 아두이노와 PC 연결
- 아두이노 IDE 실행
- 메뉴 → 툴 → 보드:아두이노 UNO 확인
- 메뉴 → 스케치 → 확인/컴파일
/*
@타이틀 : GDK101 방사선(감마) 측정 센서
*/
#include <C305_Steam_Air_GDK101_GAMMA.h> // 내부 라이브러리 헤더 파일
SteamGDK101 gdk101; // 인스턴스
void setup() {
Serial.begin(115200); // 115200bps의 속도로 시리얼 통신을 시작한다.
gdk101.begin(); // (1) 센서를 초기화한다.
}
void loop() {
gdk101.read(); // (2) 센서의 값을 측정한다.
gdk101.display(); // (3) 센서의 값을 출력한다
delay(2000); // 2초 동안 대기한다.
}
03 컴파일 확인
스케치>확인/컴파일(CTRL+R) 를 선택해서 컴파일을 진행한다.
04 아두이노 우노 업로드
컴파일이 이상없이 완료되면 스케치>업로드(CTRL+U) 를 선택해서 컴파일 파일을 업로드 한다.
05 동작 확인
다음과 같이 동작을 확인할 수 있다.
마무리
본 절에서는 방사선이 인체에 미치는 영향과 기준 농도 및 간이측정기의 측정 범위와 측정기에 사용되는 센서들을 알아보고, 실제 방사선(감마선)를 측정할 수 있는 GDK101 센서와 아두이노를 이용해 직접 제어해보았다.
정확한 방사선 측정을 위해서는 24시간 이상 꾸준히 누적 되는 선량률 측정이 필요하다. 아두이노와 RTC(시간) 모듈을 이용해 정확한 시간을 얻을 수 있으며, 누적 선량률을 측정할 수 있다.
방사선을 무서워하고 두렵게 느끼는 것은 보이지 않고, 냄새도 없으며, 장기간에 걸쳐 피해를 줄 수 있기 때문이다. 급성 장애(홍반, 탈모), 태아 발생 장애(정신지체) 만성장애(백내장, 암, 백혈병), 유적적 장애(선천적 이상)와 같이 인체에 영향을 줄 수 있다.
따라서 흡입으로 위험한 방사성 기체 라돈, 투과율이 가장 높음 감마선에 대한 경각심을 가지고 실내의 방사선 피폭에 대한 모니터링이 필요하다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [GDK101 방사선(감마선) 아두이노 센서]의 참고 문헌은 다음과 같다.
[84] 한국원자력의료원, 자연방사선과 인공방사선
[85] 급성 방사선증후군
[86] 만성방사선증후군
[87] FTLASB 홈페이지
[88] GDK101datasheet_v1.6, “Functional Characteristics”, p3
[89] GDK101datasheet_v1.6, “Pin Descriptions”, p1
[90] GDK101datasheet_v1.6, “Pin Descriptions”, p1
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모두의 아두이노 환경 센서 책
[모두의 아두이노 환경 센서] 책은 예스24, 인터넷 교보문고, 알라딘, 인터파크도서, 영풍문고, 반디앤루니스 , 도서11번가 등에서 구입할 수 있다. 이 책에서는 PMS7003, GP2Y1010AU0F, PPD42NS, SDS011 미세먼지 센서, DHT22 온습도 센서, MH-Z19B 이산화탄소 센서, ZE08-CH2O 포름알데히드 센서, CCS811 총휘발성유기화합물 TVOC, GDK101 방사선(감마선) 센서, MQ-131 오존(O3) 센서, MQ-7 일산화탄소, MICS-4514 이산화질소 센서, MICS-6814 암모니아 센서, DGS-SO2 아황산가스(SO2) 센서, BME280 기압 센서, GUVA-S12SD 자외선(UV) 센서, MD0550 기류 센서, QS-FS01 풍속 센서(Wind speed) 를 사용한다.
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