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방사선의 대표적인 활용 분야는 질병의 진단과 치료를 하는 의료 분야이다. 의료 분야에서의 방사선은 엑스선 튜브나 선형 가속기를 직접 이용하여 얻거나 원자로나 사이클로트론에서 생성된 동위원소를 말한다. 의료기관에서 방사선을 다루는 곳은 영상의학과, 핵의학과, 그리고 종양학과 세 분야이다.

영상의학과에서는 엑스선 촬영, CT 촬영, 투시 촬영, 조영 촬영 등의 방식으로 인체 장기별 질환을 진단하며, 핵의학과에서는 특정 장기나 질환부위에 잘 반응하는 방사성 표지 화합물을 인체에 주입하여 감마카메라, 단일광자방출단층촬영(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT)이나 양전자방출단층촬영(Positron Emission Tomography, PET)을 이용하여 질병을 진단하거나 생체 물질에 대한 방사성 면역 반응 검사 등을 행한다.

방사선 종양학과에서는 암 치료가 주 활용 대상이며 동위원소를 이용하는 감마 나이프와 소형 전자 가속기를 이용하는 영상유도치료기, 세기조절치료기, 사이버 나이프 등 다양한 형태의 치료기기가 활용된다. 최근에는 양성자 사이클로트론이나 중입자 치료기 등도 개발되어 수술하기 힘든 부위의 암 치료에 활용되고 있다.

방사선의 농식품 분야 이용의 가장 대표적인 사례는 품종 개량이다. 1920년대 방사선에 의해 식물의 돌연변이가 밝혀진 이후 다양한 방사선을 이용한 식물의 품종 개량에 대한 연구가 진행되었다.

방사선에 의한 돌연변이를 이용한 연구는 자연적인 돌연변이와 같이 식물의 개량이 이루어지기 때문에 GMO 방식에 비해 훨씬 안전하여 현재에도 활발히 연구가 진행되고 있는 분야로 배추 및 쌀 등에 대한 방사선 조사를 이용한 품종 개량이 많이 이루어졌으며, 상품성이 높은 화훼와 과일 등에 대한 품종 개량 연구 또한 진행되고 있다.

또한 방사선을 미생물에 조사하여 돌연변이를 유발 또는 유전자 발현을 촉진시켜 항균, 농약분해, 중금속 저항성 미생물 제제 및 특정 질병을 위한 맞춤형 제제 등에 유용한 미생물 돌연변이를 개발하는 연구도 진행되고 있다.

한편 살균, 멸균 및 발아 억제를 통하여 식품을 장기간 보존하는 기술도 많이 활용되고 있다. 특히 2015년부터 화학물질을 이용한 농산물에 대한 검역이 금지되어, 방사선 조사를 이용하는 방법이 많이 개발되고 있다.

방사선 조사 기술은 감마선, X-선, 전자빔 등을 이용해서 식품과 농산물에 조사하여 고유 특성의 변화는 최소화되면서 식품 및 농산물에 포함된 유해 세균 및 생물은 사멸시키는 효과를 거두는 등 해당 식품의 위생화, 식량자원의 장기보존 그리고 식품·식량 검역 관리 등에 적절히 이용되고 있다.

방사선의 산업적 이용에서 가장 활용되는 분야가 많은 곳은 공업계측이다. 방사선이 물질을 통과하며 에너지의 세기가 약해지는 원리를 각종 측정기에 이용하는 것이다.

철판 등의 두께 측정에 이용되는 두께계, 관 속을 흐르는 액체의 밀도를 재는 밀도계, 탱크 속의 액상과 분말상의 준위를 측정하는 준위계, 대기오염물질의 검사 등에 활용된다. 물체의 내부 상태를 파악하는 데 활용하는 비파괴검사에도 활용된다. 주물이나, 용접, 대형 탱크, 배관의 결함 점검이나 각종 엔진의 부품 검사, 중요문화재의 수리 및 복원에도 활용하고 있다.

방사선은 생명과학, 천체물리학 및 입자물리학, 지구과학, 재료과학 분야에서도 활용된다. 연구 목적으로는 방사선 조사시설을 이용하는데 가속기나 연구용 원자로가 이것에 해당된다. 또한 고고학 등에서 유물의 연대를 측정하는 탄소연대 측정법도 방사선 활용 사례에 해당한다.