베타선 흡수법을 이용한 미세 먼지 측정기(2014, 고3, 10월A)*

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지름 10㎛ 이하인 미세 먼지는 각종 호흡기 질환을 유발할 수 있기 때문에, 예방 차원에서 대기 중 미세 먼지의 농도를 알 필요가 있다. 이를 위해 미세 먼지 측정기가 개발되었는데, 이 기기들은 대부분 베타선 흡수법을 사용하고 있다. 베타선 흡수법을 이용한 미세 먼지 측정기는 입자의 성분에 상관없이 설정된 시간에 맞추어 미세 먼지의 농도를 자동적으로 측정한다. 이 기기는 크게 분립 장치, 여과지, 베타선 광원 및 감지기, 연산 장치 등으로 구성된다. 

미세 먼지의 농도를 측정하기 위해서는 우선 분석에 쓰일 재료인 시료의 채취가 필요하다. 시료인 공기는 흡인 펌프에 의해 시료 흡입부로 들어오는데, ㉠이때 일정한 양의 공기가 일정한 시간 동안 유입되도록 설정된다. 분립 장치는 시료 흡입부를 통해 유입된 공기 속 입자 물질을 내부 노즐을 통해 가속한 후, 충돌판에 충돌시켜 10㎛보다 큰 입자만 포집하고 그보다 작은 것들은 통과할 수 있도록 한다. 

결국 지름 10㎛보다 큰 먼지는 충돌판에 그대로 남고, 이보다 크기가 작은 미세 먼지만 아래로 떨어져 여과지에 쌓인다. 여과지는 긴 테이프의 형태로 되어 있으며, 일정 시간 미세 먼지를 포집한다. 여과지에 포집된 미세 먼지는 베타선 광원과 베타선 감지기에 의해 그 질량이 측정된 후 자동 이송 구동 장치에 의해 밖으로 배출된다. 

방사선인 베타선을 광원으로 사용하는 이유는 베타선이 어떤 물질을 통과할 때, 그 물질의 질량이 커질수록 베타선의 세기가 감쇠하는 성질이 있기 때문이다. 또한 종이는 빠르게 투과하나 얇은 금속판이나 플라스틱은 투과할 수 없어, 안전성이 뛰어나기 때문이다. 베타선 광원으로부터 조사(照射)된 베타선은 여과지 위에 포집된 미세 먼지를 통과하여 베타선 감지기에 도달하게 된다. 이때 감지된 베타선의 세기는 미세 먼지가 없는 여과지를 통과한 베타선의 세기보다 작을 수밖에 없다. 왜냐하면 베타선이 여과지 위에 포집된 미세 먼지를 통과할 때, 그 일부가 미세 먼지 입자에 의해 흡수되거나 소멸되기 때문이다. 따라서 미세 먼지가 없는 여과지를 통과한 베타선의 세기와 미세 먼지가 있는 여과지를 통과한 베타선의 세기에는 차이가 발생한다. 

베타선 감지기는 이 두 가지 베타선의 세기를 데이터 신호로 바꾸어 연산 장치에 보낸다. 연산 장치는 이러한 데이터 신호를 수치로 환산한 후 미세 먼지가 흡수한 베타선의 양을 고려하여 여과지에 포집된 미세 먼지의 질량을 구한다. 이렇게 얻어진 미세 먼지의 질량은 유량 측정부를 통해 측정한, 시료 포집 시 흡입된 공기량을 감안하여 ppb단위를 갖는 대기 중의 미세 먼지 농도로 나타나게 된다.

― 정용택, 『미세 먼지 측정기술』 

20. 윗글을 읽은 학생들의 반응으로 적절하지 않은 것은?

① 미세 먼지 측정기는 미세 먼지 농도 측정 시 미세 먼지의 성분에 영향을 받는군.^[각주:1]

② 베타선 감지기는 베타선 세기를 데이터 신호로 바꾸어 주는 장치겠군.

③ 대기 중 미세 먼지의 농도 측정은 시료의 채취부터 시작하겠군.

④ 베타선은 플라스틱으로 만들어진 물체를 투과하지 못하겠군.

⑤ 미세 먼지 측정기에는 베타선 흡수법이 널리 사용되는군.

21. ‘베타선 흡수법을 이용한 미세 먼지 측정기를 <보기>와 같이 나타냈을 때, 이에 대한 이해로 적절하지 않은 것은? [3점]

<보기> 

① ⓐ에서는 ⓔ에 의해 들어온 공기가 부딪히면서 먼지 입자가 분리된다.

② ⓑ에는 ⓐ를 거쳐 온 지름 10㎛ 이하의 먼지 입자가 쌓인다.

③ ⓒ에서 측정되는 베타선의 세기는 ⓑ에 포집된 미세 먼지의 질량에 반비례한다.

④ ⓒ에서 측정된 베타선 세기와 ⓓ에서 측정된 흡입 공기량을 활용해 미세 먼지 농도를 알아낸다.

⑤ ⓓ와 ⓔ 사이의 공간에는 질량 측정이 끝난 여과지에 포집된 미세 먼지가 축적된다.^[각주:2]

22. ㉠의 이유로 가장 적절한 것은?

① 미세 먼지의 질량을 농도로 나타낼 때 필요한 기준을 마련하기  위해^[각주:3]

② 미세 먼지로 인한 호흡기 질환 유발 가능성을 진단하기 위해

③ 미세 먼지를 투과하는 베타선의 세기를 유지하기 위해

④ 미세 먼지의 발생 원인을 효과적으로 분석하기 위해

⑤ 미세 먼지를 짧은 시간 안에 많이 포집하기 위해

1. 미세 먼지 측정기는 대기 중 미세 먼지의 농도 측정 시 농도만 측정하는 것이지 그 성분과는 관련이 없다. [본문으로]
2. 질량 측정이 끝난 미세 먼지는 자동 이송 구동 장치에 의해 밖으로 배출된다는 내용이 셋째 단락 앞 부분에 언급되어 있다. [본문으로]
3. 마지막 단락 끝 부분을 보면 일정한 양의 공기가 일정한 시간 동안 시료 흡입부로 유입되어야 하는 이유를 알 수 있다. 질량 단위를 농도 단위로 나타내기 위해서는 단위 시간당 측정된 양을 감안할 필요가 있다. [본문으로]