Improvement of early warning monitoring using gamma spectrometry
Authors:   , Camp Brunés Anna 
Published: October 2023

The present thesis is focused on the improvement of radiological surveillance networks using gamma spectrometry. Tipically they are equipped with gamma dose rate monitors, while they do not have gamma spectrometry monitors. These measure the effects of gamma radiation, but do not provide any nuclide-specific information. Nowadays new materials have been developed in the spectrometry research field and the implementation of gamma spectrometry detectors is being actively considered in European gamma-dose stations (more than 5000).
In this thesis the lanthanum bromide, LaBr3(Ce), detector has been selected as the reference instrument to study the possibility of installing it in early warning networks. The reasons for its choice were its resolution, which improves from 7 % to 3 % at 662 keV, its availability and the fact that these detectors are already being used at institutions such as STUK, the nuclear safety authority in Finland. Selected monitors have been characterized by irradiation at a reference laboratory at the Institute of Energy Technologies (INTE). Furthermore, the study of their inherent background and the influence of cosmic radiation have been investigated by means of exposures in lakes, underground laboratories and the use of Monte Carlo (MC) simulations.
In addition to its main function, gamma spectroscopy, these detectors allow the possibility of calculating values of ambient dose equivalent H*(10). In this thesis two different methods have been developed and applied to spectra measured using LaBr3(Ce) crystals in long-term measurements and intercomparison campaigns, the stripping method and the conversion coefficients method. The first is based on obtaining the external flux that reaches the monitor and involves the subtraction of all partial absorptions produced by scatterings in the monitor itself. This methodology, which has been already studied and usually applied to HPGe detectors, proved that it can also offer good results in LaBr3(Ce) detectors. The second methodology is based on splitting the spectra into several energy regions, and a coefficient to "convert" from measured counts to H *(10) values for each region is defined. Results obtained have been compared with classical dose rate monitor values. The long-term measurements were performed at surveillance stations in Barcelona and Madrid. Since, fortunately, there were no radiological emergencies during research for this thesis, H*(10) diurnal and seasonal variations at these stations are studied from the viewpoint of the influence of cosmic radiation and variations of 222Rn daughter concentration. Intercomparison campaigns were performed at Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) facilities to study both detector sensibility and the accuracy of H*(10) calculated values.
Use of new technological advances in the determination of high levels of H*(10) led us to study the viability of installing gamma radiation detectors on an unmanned aerial vehicle. In this thesis a drone prototype has been developed which uses a 3'' x 3'' NaI installed in an RPAS helicopter. The first flights took place at different altitudes and over a pond in order to study detector sensitivity. Although the prototype it is still at an initial stage and more flights are required, preliminary results obtained are promising, showing that the system is able to detect variations in terrestrial radioactivity.
La present tesis se centra en la millora de les estacions de radiovigilància ambiental a partir de l'ús de l'espectrometria gamma. Típicament aquestes estacions estan equipades amb monitors de mesura de dosis, però no disposen d'equips d'espectrometria. Això significa que es poden prendre mesures dels efectes de la radiació, la dosis, però no es pot obtenir informació sobre els radionúclids que produeixen aquesta radiació. Avui en dia s'han desenvolupat nous materials en el camp de l'espectrometria i la implementació d'aquest tipus de detectors s'està considerant activament per part de les estacions de radiovigilància europees (més de 5000). A la tesis el detector de bromur de lantà, LaBr3(Ce), s'ha seleccionat com a instrument de referència per estudiar la viabilitat de ser instal·lat a les estacions anomenades "early warning", és a dir, que està previst donin el primer avís en cas d'emergència radiològica. Les raons d'escollir aquest detector són la seva resolució, que millora del 7 % al 3 % als 662 keV, la seva disponibilitat i el fet que aquests detectors ja s'han començat a utilitzar per institucions com l'STUK, l'autoritat de seguretat nuclear a Finlàndia. Els monitors seleccionats s'han caracteritzat mitjançant irradiacions al laboratori de referència de l'Institut de Tècniques Energètiques (INTE). També s'han realitzat estudis sobre la seva contaminació interna i la influència de la radiació còsmica a través de mesures en llacs, laboratoris subterranis i l'ús de simulacions Monte Carlo (MC). A més de la seva principal funcionalitat, l'espectrometria gamma, també tenim la possibilitat de calcular valors de dosis equivalent ambiental H*(10) a partir dels espectres registrats. En aquesta tesis dues metodologies diferents s'han desenvolupat i aplicat als espectres mesurats amb cristalls de LaBr3(Ce), en mesures de llarga durada i en campanyes d'intercomparacions: la metodologia de l'"stripping" i la de "conversion coefficients". La primera es basa en obtenir el flux real que arriba al detector i implica restar totes aquelles absorcions parcials que es produeixen per "scatterings" en el monitor mateix. Aquesta metodologia, que ja s'ha estudiat i usualment s'aplicava a detectors de HPGe, ha mostrat bons resultats també amb els detectors de LaBr3(Ce). La segona metodologia es basa en dividir l'espectre en diferents regions energètiques i definir per cadascuna d'elles un coeficient per passar de número de comptes mesurats a valors de H*(10). Els resultats obtinguts amb els dos mètodes s'han comparat amb els que proporcionaria un monitor de taxa de dosis. Les mesures de llarga durada es van dur a terme en estacions de vigilància de Barcelona i Madrid. Com que, afortunadament, no va haver-hi cap emergència radiològica mentre s'estava realitzant la tesis, les variacions diürnes i estacionals de H*(10) en aquestes estacions s'han estudiat des del punt de vista de la influència de la radiació còsmica i les variacions en la concentració dels descendents del 222Rn. Les campanyes d'intercomparació es van dur a terme a les instal·lacions del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) per estudiar tant la sensibilitat com la precisió dels valors de H*(10) calculats. L'ús dels nous avenços tecnològics en la determinació d'alts nivells de H*(10) ens han permès estudiar la viabilitat d'instal·lar detectors gamma en vehicles aeris no tripulats. En aquesta tesis s'ha desenvolupat un prototip de dron que utilitza un detector de 3" x 3" de NaI instal·lat en un helicòpter RPAS. Els primers vols es van realitzar a diferents alçades i sobrevolant un estany per tal de veure la seva sensibilitat. Malgrat que el prototip encara es troba en una fase inicial i caldran molts més vols de prova, els resultats inicials han estat prometedors, ja que han mostrat que el sistema és sensible a les variacions de la radioactivitat natural.