Βαθμονόμηση ανιχνευτή φασματοσκοπίας-γ μεσαίας διακριτικής ικανότητας ( CeBr3 ) για εργαστηριακές μετρήσεις δειγμάτων ιζήματος - Μαραγκός, Φώτης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής. Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής και Εφαρμογών της, 2017)
Η μελέτη της ραδιενέργειας περιβάλλοντος αποτελεί ένα μεγάλο ερευνητικό κλάδο της πυρηνικής φυσικής, κυρίως για λόγους ακτινοπροστασίας αλλά και για μελέτη γεωφυσικών ή ωκεανογραφικών φαινομένων όπως δραστηριότητα υποθαλλάσιων ηφαιστείων, ρυθμό ιζηματογέννεσης βυθού και άλλα. Πηγές ραδιενεργείας στο περιβάλλον αποτελούν τα ραδιονουκλίδια των 3 φυσικών ραδιενεργών σειρών (235U, 238U, 232Th), καθώς και κάποια άλλα φυσικά ραδιονουκλίδια όπως το 40Κ που απαντώνται στη φύση και ειδικά στο θαλάσσιο περιβάλλον. Η αλληλεπίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας με τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας είναι μία άλλη πηγή ραδιενέργειας στο περιβάλλον. Εκτός των παραπάνω σε ορισμένες περιοχές εμφανίζονται μεγάλες συγκεντρώσεις ραδιονουκλιδίων. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην ορυκτολογία της περιοχής και στην ύπαρξη μεγάλων συγκεντρώσεων φυσικών ραδιονουκλιδίων (Naturally Occurring Radioactive Materials NORM). Οι συγκεντρώσεις των ραδιονουκλιδίων μπορούν να έχουν αλλοιωθεί επίσης λόγω βιομηχανικής εκμετάλλευσης της εκάστοτε περιοχής (Technologically Enhanced Natural Occurring Radioactive Materials TENORM). Τέλος στο περιβάλλον συναντώνται και ορισμένα τεχνητά ραδιονουκλίδια όπως 137Cs, 131I, 90Sr, 60Co. Η προέλευσή τους οφείλεται στις πυρηνικές δοκιμές που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια τυ 20ου αιώνα καθώς και σε άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες (απόβλητα πυρηνικών αντιδραστήρων, παραγωγή ραδιοφαρμάκων κτλ). Βασικό εργαλείο για τη μελέτη της φυσικής ραδιενέργειας αποτελεί η φασματοσκοπία-γ καθώς επιτρέπει την ταυτοποίηση των ραδιενεργών στοιχείων αλλά και την ποσοτικοποίηση των συγκεντρώσεών τους. Για τη μέτρηση των επιπέδων ραδιενέργειας χρησιμοποιούνται εργαστηριακές αλλά και επιτόπιες (in situ) τεχνικές ή συνδυασμός αυτών των δύο μεθόδων. Στις εργαστηριακές μετρήσεις υπάρχει η δυνατότητα χρήσης ευαίσθητων ανιχνευτικών συστημάτων υψηλής διακριτικής ικανότητας (ανιχνευτές Γερμανίου HPGe). Αυτό αποτελεί και το μεγάλο πλεονέκτημα αυτών των μετρήσεων. Παρόλα αυτά, τείνουν να είναι πολύ χρονοβόρες διαδικασίες, ειδικά όταν συγκριθούν με in situ μετρήσεις. Αρχικά για την επίτευξή τους απαιτούν την απόκτηση δειγμάτων από την περιοχή μελέτης. Η δειγματοληψία δεν αποτελεί μία τετριμένη διαδικασία, τόσο για τον τρόπο αφαίρεσης του υλικού από τη περιοχή μελέτης όσο και για την ακριβή θέση και τον αριθμό των δειγμάτων που θα ληφθούν. Τα ληφθέντα δείγματα, πρέπει να αποθηκευτούν κατάλληλα και να μεταφερθούν στο εργαστήριο. Ανάλογα με το είδος του δείγματος, νερό ή ίζημα, πριν μετρηθούν υπόκεινται σε διάφορα στάδια επεξεργασίας. Η μέτρηση είναι απαραίτητο να κρατήσει κατά μέσο όρο 24 ώρες ώστε να εξασφαλιστεί επαρκής στατιστική λόγω του μικρού όγκου δείγματος. Πορόλο των παραπάνω μειονεκτημάτων, οι εργαστηριακές μετρήσεις είναι απαραίτητες όταν είναι αναγκαία η υψηλή διακριτική ικανότητα. 4 Επιπλέον τα αποτελέσματα των εργαστηριακών μετρήσεων έχουν χρησιμοποιηθεί ως σημείο αναφοράς για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των in situ μετρήσεων [Elef_13]. Οι in situ μετρήσεις πραγματοποιούνται επιτόπου στη περιοχή μελέτης με ειδικά κατασκευασμένα, φορητά ανιχνευτικά συστήματα δίνοντας μια πλήρη και αντιπροσωπευτική εικόνα του ραδιενεργού υποβάθρου της περιοχής μελέτης. Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι επιτρέπει τη μελέτη και χαρτογράφηση μεγάλων περιοχών σε μικρό χρονικό διάστημα χωρίς την ανάγκη δειγματοληψίας και την άμεση ανάκτηση και καταγραφή των αποτελεσμάτων των μετρήσεων.Τα παραπάνω βρίσκουν εφαρμογή στη συνεχή παρακολούθηση περιοχών όπως βιομηχανικές ζώνες και πυρηνικά εργοστάσια και στην αποκατάσταση αυτών (remediation). Επίσης επιτρέπουν τον εντοπισμό επιβαρυμένων σημείων σε μία περιοχή, π.χ. θαμμένα πυρηνικά απόβλητα και χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των μεθόδων δειγματοληψίας που εφαρμόζονται στις εργαστηριακές μετρήσεις. Όλα αυτά τα πλεονεκτήματα γίνονται ιδιαίτερα αισθητά στις μεγάλου ενδιαφέροντος μετρήσεις σε θαλάσσιο περιβάλλον. Τα συστήματα για in situ μετρήσεις βασίζονται σε ανιχνευτές χαμηλής διακριτικής ικανότητας οι οποίοι μπορούν να μετατραπούν σε φορητούς. Σε αυτούς προσαρμόζονται εξωτερικά περιβλήματα ώστε να μπορούν να αντεπεξέλθουν στις συνθήκες της μέτρησης (στεγανοποίηση, μεγάλες πιέσεις στο βυθό θαλασσίων μαζών). Τα ανιχνευτικά συστήματα υψηλής ενεργειακής διακριτικής ικανότητας (ανιχνευτές HPGe) που χρησιμοποιούνται στις εργαστηριακές μετρήσεις παρουσιάζουν ποικίλες δυσκολίες ώστε να προσαρμοστούν κατάλληλα για in situ μετρησεις και παρουσιάζεται ο κίνδυνος βλάβης αυτών. Γι αυτό το λόγο τα ανιχνευτικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για in situ μετρήσεις χαρακτηρίζονται από χαμηλή ακρίβεια στην ενεργειακή τους διακριτική τους ικανότητα. Η ανάπτυξη αυτών των συστημάτων και μεθόδου για την ποσοτικοποίηση των μετρήσεων αποτελούν τα μεγαλύτερα προβλήματα στις in situ μετρήσεις. Για τους παραπάνω λόγους η ανάπτυξη συστημάτων για μετρήσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον και η βοθμονόμηση αυτών αποτελεί ένα συνεχώς αναπτυσσόμενο τομέα στην επιστημονική κοινότητα. Η παρούσα εργασία έχει ως σκοπό τη βαθμονήμηση ενός καινοτόμου και αξιόπιστου ανιχνευτικού συστήματος για μετρήσεις σε δείγματα ιζήματος, το σύστημα GeoMarea. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα κρύσταλλο CeBr3, διαστάσεων 2΄΄ x 2΄΄, μεσαίας ενεργειακής διακριτικής ικανότητας και είναι κατάλληλο για in situ μετρήσεις σε θαλάσσιο περιβάλλον. Η μεσσαία διακριτική ικανότητα του συστήματος το καθιστά άκρως ανταγωνιστικό, έναντι των υπαρχόντων in situ συστημάτων χαμηλής διακριτικής ικανότητας [Jon_01]. Επίσης οι ανιχνευτές CeBr3 μπορούν να αποτελέσουν μία οικονομικότερη εναλλακτική για εξοπλισμό εργαστηρίου έναντι ανιχνευτών στερεάς κατάστασης. Για το λόγο αυτό, στην εργασία αυτή, μελετήθηκε το σύστημα GeoMarea και βαθμονομήθηκε για μετρήσεις σε δείγματα θαλάσσιου ιζήματος στο εργαστήριο. Επιπλέον τα αποτελέσματα των επιπέδων ραδιενέργειας στα υπό μελέτη δείγματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας έναν εργαστηριακό ανιχνευτή υψηλής ενεργειακής διακριτικής ικανότητας (HPGe).