Ανάπτυξη και εφαρμογή μετρητικών τεχνικών για την ανάλυση της φυσικής και της τεχνολογικά επαγόμενης ραδιενέργειας σε οικοσυστήματα
Authors: Καρφόπουλος Κωνσταντίνος 
Published: January 2014

Στην παρούσα ΔΔ μελετήθηκαν και αναπτύχθηκαν τεχνικές μέτρησης της φυσικής και της τεχνολογικά επαγόμενης ραδιενέργειας σε οικοσυστήματα. Πρόκειται για μία εργασία υποδομής η οποία συνέβαλε στη μελέτη και αντιμετώπιση προβλημάτων, τα οποία συχνά παρουσιάζονται κατά τη γ-φασματοσκοπική ανάλυση πάσης φύσεως δειγμάτων, επέτρεψε την υλοποίηση μίας σειράς από εργαστηριακές εφαρμογές και οδήγησε σε ενδιαφέροντα συμπεράσματα. Οι τεχνικές για τις οποίες γίνεται λόγος αφορούν σε όλα τα στάδια της γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης: την προετοιμασία των δειγμάτων, τη βαθμονόμηση των ανιχνευτικών διατάξεων, τον προσδιορισμό συγκεκριμένων ισοτόπων, τη μελέτη φαινομένων που σχετίζονται με αυτόν, καθώς και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων και τον ποιοτικό τους έλεγχο. Αφορούν επίσης σε μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιούνται τόσο στο εργαστήριο (in vitro), όσο και επιτόπου στο πεδίο (in situ). Τεχνικές που υπήρχαν και εφαρμόζονταν στο Εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας του ΕΜΠ (ΕΠΤ-ΕΜΠ) αξιολογήθηκαν και βελτιώθηκαν, ενώ ταυτόχρονα νέες τεχνικές αναπτύχθηκαν. Σε αυτό το πλαίσιο συλλέχθηκαν και αξιολογήθηκαν όλα τα στοιχεία που αφορούν στις βαθμονομήσεις των ανιχνευτικών διατάξεων του ΕΠΤ-ΕΜΠ από τις αρχές τις δεκαετίας του 1980, καθώς και των σχετικών Ασκήσεων Διασύγκρισης που συμμετείχε το ΕΠΤ-ΕΜΠ, με στόχο τον εντοπισμό σημείων στα οποία οι εφαρμοζόμενες τεχνικές επιδέχονται βελτίωσης ή υπάρχει ανάγκη ανάπτυξης νέων τεχνικών. Για τις ανάγκες της γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης στο ΕΠΤ-ΕΜΠ χρησιμοποιείται από τις αρχές τις δεκαετίας του 1990 ο κώδικας SPUNAL (SPectrum UNix AnaLysis). Πρόκειται για κώδικα ο οποίος έχει εξ’ ολοκλήρου αναπτυχθεί στο ΕΠΤ-ΕΜΠ και συνεχώς βελτιώνεται. Ο εν λόγω κώδικας αποτέλεσε αντικείμενο αξιολόγησης στα πλαίσια της Διατριβής. Η διαδικασία αξιολόγησης στηρίχθηκε στην ανάλυση φασμάτων ελέγχου (test spectra) τα οποία είτε αναζητήθηκαν στη βιβλιογραφία, είτε – κατά κύριο λόγο – κατασκευάστηκαν στα πλαίσια της Διατριβής. Σε ό,τι αφορά στα τελευταία, πρόκειται για φάσματα που αντιστοιχούν σε ανάλυση περιβαλλοντικών δειγμάτων σε ανιχνευτή LEGe και εστιάζουν στην ανάλυση της διπλής φωτοκορυφής 235U-226Ra περί τα 186 keV. Κατασκευάσθηκαν και εξετάσθηκαν επίσης φάσματα ελέγχου που αντιστοιχούν σε δείγματα τα οποία έχουν «ρυπανθεί» με 137Cs, η αιχμή οπισθοσκέδασης του οποίου καθιστά δυσκολότερη την ανάλυση της διπλής φωτοκορυφής. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 490 φάσματα μέσω της ανάλυσης των οποίων ελέγχθηκε η δυνατότητα του κώδικα στην ανάλυση της διπλής αυτής φωτοκορυφής. Προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση του λογισμικού στην ανάλυση της διπλής φωτοκορυφής, τα φάσματα αναλύθηκαν και με το πρόγραμμα γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης ANGES (ANalysis of GErmanium detector Spectra), το οποίο διατίθεται από το Διεθνή Οργανισμό Ατομικής Ενέργειας (ΔΟΑΕ) και προέκυψαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα. Καθώς η έννοια των κατωτέρων ορίων ανίχνευσης αποτελεί σημαντική παράμετρο του ποιοτικού ελέγχου ανιχνευτικών διατάξεων και τεχνικών, μελετήθηκαν τα κατώτερα όρια ανίχνευσης για τις διατάξεις του ΕΠΤ-ΕΜΠ, ενώ αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν τεχνικές προσδιορισμού τους, για ισότοπα τα οποία ανιχνεύονται στο υπόστρωμα. Ιδιαίτερα εξετάστηκε η περίπτωση ισοτόπων, όπως τα βραχύβια θυγατρικά του ραδονίου, η συγκέντρωση των οποίων στο υπόστρωμα της διάταξης μπορεί να εμφανίζει σημαντική κύμανση. Στα πλαίσια της Διατριβής εισάγεται για πρώτη φορά στο ΕΠΤ-ΕΜΠ, η χρήση των κωδίκων προσομοίωσης Monte Carlo για τη βαθμονόμηση γ-ανιχνευτικών διατάξεων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας PENELOPE, ο οποίος έχει αναπτυχθεί στο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης και διατίθεται μέσω της NEA Data Bank του ΟΟΣΑ. Διερευνήθηκαν οι δυνατότητες που παρέχει για τη βαθμονόμηση απόδοσης (φωτοκορυφής ή ολικής) γ-ανιχνευτικών συστημάτων, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις για τις οποίες δεν είναι δυνατή η πραγματοποίηση πειραμάτων. Επιπλέον, προτάθηκε μεθοδολογία για τον προσδιορισμό μέσω προσομοίωσης της απόδοσης ανιχνευτικής διάταξης, ώστε να είναι συγκρίσιμη με την αντίστοιχη πειραματική τιμή. Η ανάγκη αυτή προέκυψε κατόπιν συμμετοχής του ΕΠΤ-ΕΜΠ σε διεθνή Άσκηση Διασύγκρισης και συνέβαλε στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων της. Μελετήθηκαν και εφαρμόσθηκαν διαφορετικές τεχνικές υπολογιστικής βαθμονόμησης (άμεση και με μεταφορά από γεωμετρία αναφοράς). Για τις ανάγκες της υπολογιστικής βαθμονόμησης αναπτύχθηκε αλγόριθμος προσδιορισμού των γεωμετρικών χαρακτηριστικών μίας ανιχνευτικής διάταξης, που βασίζεται στη σύγκριση πειραματικών και υπολογιστικών τιμών της απόδοσης φωτοκορυφής. Η χρήση των κωδίκων προσομοίωσης συνέβαλε σημαντικά και στη μελέτη του φαινομένου της πραγματικής σύμπτωσης (true coincidence), η παρουσία του οποίου επηρεάζει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων της γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης. Για την αντιμετώπισή του αναπτύχθηκε τεχνική υπολογισμού κατάλληλων συντελεστών διόρθωσης, που βασίζεται στη χρήση του προγράμματος TrueCoinc που έχει αναπτυχθεί στο Institute of Experimental Physics, Kossuth University της Ουγγαρίας. Για την εφαρμογή της τεχνικής απαιτείται ο προσδιορισμός της ολικής απόδοσης ανιχνευτικής διάταξης, ο οποίος στα πλαίσια της Διατριβής υλοποιήθηκε πειραματικά και με χρήση του κώδικα PENELOPE. Η τεχνική αξιολογήθηκε μέσω της συμμετοχής του ΕΠΤ-ΕΜΠ σε δύο σχετικές διεθνείς Ασκήσεις Διασύγκρισης και εφαρμόσθηκε στις ανιχνευτικές διατάξεις του ΕΠΤ- ΕΜΠ. Αξιοποιώντας τις τεχνικές βαθμονόμησης που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της Διατριβής, προτείνεται πρωτόκολλο δειγματοληψίας και μέτρησης του 7Be στα ατμοσφαιρικά αερολύματα, το οποίο με δειγματοληψία διάρκειας 4 h οδηγεί στον ποσοτικό προσδιορισμό του 7Be με ακρίβεια της τάξης του 10%(1σ). Η εφαρμογή του πρωτοκόλλου επέτρεψε τη διαπίστωση της ημερήσιας κύμανσης της συγκέντρωσης του 7Be. Από συστηματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με εφαρμογή του πρωτοκόλλου για περίοδο δύο ετών, μελετήθηκε η εποχιακή κύμανση της συγκέντρωσης του ισοτόπου και η συσχέτισή της με μετεωρολογικές παραμέτρους. Τα αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με αντίστοιχα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας για παρόμοιο γεωγραφικό πλάτος. Με στόχο την επέκταση των μετρήσεων του ΕΠΤ-ΕΜΠ σε μετρήσεις πεδίου, αναπτύχθηκαν και εφαρμόσθηκαν τεχνικές που αφορούν στη βαθμονόμηση in situ ανιχνευτών γερμανίου, τόσο πειραματικά, όσο και με χρήση κωδίκων προσομοίωσης Monte Carlo. Οι τεχνικές εφαρμόστηκαν για τη βαθμονόμηση του ανιχνευτή BEGe του ΕΠΤ-ΕΜΠ για γεωμετρία επιφανειακής πηγής στην ενεργειακή περιοχή 60-1600 keV. Η βαθμονόμηση αυτή επέτρεψε τον προσδιορισμό με τον ανιχνευτή BEGe της συγκέντρωσης του ισοτόπου κοσμικής προέλευσης 7Be, καθώς και του 131I, που αποτέθηκε επιφανειακά λόγω του ατυχήματος της Fukushima. Οι συγκεντρώσεις αυτές δεν διαφέρουν στατιστικά σημαντικά από τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις in vitro μετρήσεων. Το μεγαλύτερο μέρος των τεχνικών που αναπτύχθηκαν και των βελτιώσεων που προτάθηκαν στα πλαίσια της Διατριβής αξιολογήθηκε μέσω της συμμετοχής του ΕΠΤ-ΕΜΠ σε σειρά Ασκήσεων Διασύγκρισης, συνολικά περιγράφονται δέκα ασκήσεις, που οργανώθηκαν από διεθνείς ή/και εθνικούς φορείς. Στη Διατριβή παρουσιάζονται αναλυτικά οι εν λόγω συμμετοχές με στόχο την απεικόνιση της πορείας διαμόρφωσης των προτεινόμενων τεχνικών και τον προσδιορισμό των δυνατοτήτων τους. Από τη συμμετοχή στις Ασκήσεις προέκυψαν, για τα περισσότερα από τα ισότοπα που προσδιορίζονται in vitro, προτεινόμενες τεχνικές ποσοτικού προσδιορισμού, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν στη λήψη αξιόπιστων αποτελεσμάτων.