Ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών προσδιορισμού πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων ραδιενεργών ιχνοστοιχείων σε δείγματα περιβαλλοντικής σημασίας

Abstract

The aim of this PhD Thesis was the determination of very low concentrations of natural and artificial radioactive isotopes in environmental samples by means of gamma-spectroscopy techniques. Natural and artificial radioactive isotopes of low or higher specific activity are contained and can be detected in any environmental sample. Even when their specific activity is low, leading to negligible radiobiological significance, their detection is of interest in various applications, such as their use as tracers for environmental processes. In addition, improving the levels of detection of an isotope using a γ-spectroscopic apparatus, may allow the detection of the isotope in smaller volume samples without significant compromise on the accuracy of the measurement, which has obvious consequences in the design of the sampling. Since the background of a γ-spectroscopic apparatus is a factor determining the ability to detect low levels of radioactivity in a sample, its reduction is always highly desirable.In the framework of the Thesis the installation, study and use of the new Compton Suppression system (CSS), which was installed on the XtRa detector of the N.E.D. - N.T.U.A was carried out, aiming the reduction the continuous background of the detector and the improvement of the detection limits of the XtRa - CSS apparatus. The electronic set-up of the apparatus allows for the simultaneous collection of two spectra with a suppressed or not (unsuppressed) continuous background. In the framework of the study, a series of response factors were used, as referred in literature, through which the effect of various phenomena observed in the detection of photons by the Compton Suppression system was identified, and should be taken into account both during the calibration of the device, and during routine analyzes. As a result of this study, the optimal conditions for the detection of each isotope are proposed. The device was then calibrated experimentally but also using Monte Carlo simulation techniques for a series of source-to-detector geometries. For this purpose, it was necessary to modify the PENELOPE simulation code used in the N.E.D. - N.T.U.A in order to take into account both the true coincidence phenomenon during spectrum collection and to simulate a Compton Suppression system consisting of two independent detectors (primary detector and secondary detector or active shield) that communicate with each other.One of the main objectives of the Thesis was the detection of radioactive isotopes found at very low concentrations in environmental samples. For this purpose appropriate sampling techniques for atmospheric aerosols and liquid atmospheric precipitations and sample preparation were developed and a large number of samples were analyzed, mainly (a) contaminated samples due to the nuclear accidents in Chernobyl and Fukushima, (b) atmospheric aerosol and precipitation samples. From these analyzes it was possible to detect 241Am from the Chernobyl accident and a strong correlation with the 137Cs concentration was found. In addition, the use of the Compton Suppression System allowed for the detection of artificial radioactive isotopes due to the Fukushima accident in atmospheric aerosol and precipitation samples, in concentration of the order of a few tens of mBq/m3, as well as the detection of natural radioactive isotopes of earth and cosmic origin such as 210Pb, 7Be and 22Na – which is extremely difficult to detect because of its very low radioactivity, of 1 μBq/m3 – isotopes that are used in the literature as tracers for atmospheric processes.At N.E.D. - N.T.U.A the technique of neutron activation for the detection and quantification of a series of non-radioactive trace elements has been applied for many years. The XtRa - CSS apparatus was also used to detect more elements and to improve the detection limits of the method. In the framework of the Thesis, a series of irradiation-γ-spectroscopic analysis scenarios were examined, which, combined to the use of the XtRa - CSS apparatus, allowed for the detection of 15 elements and trace elements (Al, As, Au, Cu, Eu, Fe , Ga, K, La, Mg, Mn, Na, Sb, Sc, Zn) and improved the lower limits of detection up to 7 times compared to the past. In addition, the appropriate calibration coefficients were determined to allow the quantification of the above elements in environmental samples such as soil, fly ash, marine sediment and industrial slag.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή (Δ.Δ.) είχε ως αντικείμενο τον προσδιορισμό πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων φυσικών και τεχνητών ραδιενεργών ισοτόπων σε περιβαλλοντικά δείγματα, με τεχνικές γ-φασματοσκοπίας. Όπως είναι γνωστό, φυσικά και τεχνητά ραδιενεργά ισότοπα, με χαμηλή ή υψηλότερη ειδική ραδιενέργεια περιέχονται και είναι δυνατό να ανιχνεύονται σε πάσης φύσεως περιβαλλοντικά δείγματα. Ακόμα και στην περίπτωση όπου, λόγω της χαμηλής ειδικής ραδιενέργειας των δειγμάτων, η ραδιοβιολογική σημασία των ισοτόπων είναι αμελητέα, η ανίχνευσή τους μπορεί να έχει ενδιαφέρον σε διάφορες εφαρμογές, όπως για παράδειγμα κατά τη χρήση τους ως ιχνηλάτες περιβαλλοντικών διεργασιών. Επιπλέον, η βελτίωση των επιπέδων ανίχνευσης ενός ισοτόπου από μία γ-φασματοσκοπική διάταξη, μπορεί να επιτρέψει την ανίχνευση του ισοτόπου σε δείγματα μικρότερου όγκου, χωρίς σημαντικό συμβιβασμό στην ακρίβεια της μέτρησης, κάτι που έχει προφανείς συνέπειες κατά το σχεδιασμό της δειγματοληψίας. Καθώς το υπόστρωμα μίας γ-φασματοσκοπικής διάταξης είναι ένας παράγοντας που καθορίζει την ικανότητα ανίχνευσης χαμηλών επιπέδων ραδιενέργειας σε ένα δείγμα, η μείωσή του είναι πάντα άκρως επιθυμητή. Στο πλαίσιο της Δ.Δ. έγινε η εγκατάσταση, μελέτη και αξιοποίηση του νέου συστήματος Compton Suppression (CSS), το οποίο εγκαταστάθηκε στον ανιχνευτή XtRa του Ε.Π.Τ. - Ε.Μ.Π., με στόχο τη μείωση του συνεχούς υποστρώματος του ανιχνευτή και τη βελτίωση των ανιχνευτικών δυνατοτήτων του ανιχνευτικού συστήματος XtRa - CSS. Η συγκρότηση της διάταξης επιτρέπει την ταυτόχρονη συλλογή δύο φασμάτων με μειωμένο (suppressed) ή όχι (unsuppressed) το συνεχές υπόστρωμα. Στο πλαίσιο της μελέτης που έγινε, χρησιμοποιήθηκαν μία σειρά από δείκτες, οι οποίοι αναφέρονται στη βιβλιογραφία, μέσω των οποίων διαπιστώθηκε η επίδραση των διαφόρων φαινομένων τα οποία παρατηρούνται κατά την ανίχνευση των γ-φωτονίων από το σύστημα, και πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τόσο κατά τη διάρκεια της βαθμονόμησης της διάταξης, όσο και κατά τη διάρκεια αναλύσεων ρουτίνας. Ως αποτέλεσμα της μελέτης αυτής γίνεται πρόταση για τις βέλτιστες συνθήκες ανίχνευσης καθενός ισοτόπου ξεχωριστά. Στη συνέχεια, η διάταξη βαθμονομήθηκε πειραματικά αλλά και με χρήση τεχνικών προσομοίωσης Monte Carlo για μία σειρά από γεωμετρίες πηγής-ανιχνευτή. Για το σκοπό αυτό χρειάσθηκε να τροποποιηθεί ο κώδικας προσομοίωσης PENELOPE που χρησιμοποιείται στο Ε.Π.Τ. - Ε.Μ.Π., ώστε να λαμβάνει υπόψη τόσο το φαινόμενο της πραγματικής σύμπτωσης φωτονίων (true coincidence) κατά τη διάρκεια συλλογής του φάσματος, όσο και για να προσομοιώνει ένα σύστημα Compton Suppression, που αποτελείται από δύο ανεξάρτητους ανιχνευτές (πρωτεύων ανιχνευτής και δευτερεύων ανιχνευτής ή ενεργητική θωράκιση) οι οποίοι επικοινωνούν μεταξύ τους.Από τους βασικούς στόχους της Δ.Δ. ήταν η ανίχνευση ραδιενεργών ισοτόπων τα οποία βρίσκονται σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις σε περιβαλλοντικά δείγματα. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν κατάλληλες τεχνικές δειγματοληψίας ατμοσφαιρικού αεροζόλ και υγρών ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων και προετοιμασίας δείγματος και αναλύθηκε μεγάλο πλήθος δειγμάτων, κυρίως (α) δείγματα που έχουν ρυπανθεί από τα πυρηνικά ατυχήματα στο Chernobyl και στη Fukushima, (β) δείγματα ατμοσφαιρικού αεροζόλ και υγρών κατακρημνίσεων. Από τις αναλύσεις αυτές κατέστη δυνατή η ανίχνευση στο έδαφος 241Am από την εποχή του Chernobyl και η συσχέτισή του με τη συγκέντρωση του 137Cs. Επίσης, κατέστη δυνατή η ανίχνευση στο ατμοσφαιρικό αεροζόλ και στις υγρές κατακρημνίσεις ισοτόπων εξαιτίας του ατυχήματος στη Fukushima σε επίπεδα λίγων δεκάδων μBq/m3, αλλά και φυσικών ραδιενεργών ισοτόπων γήινης και κοσμικής προέλευσης, όπως το 210Pb, το 7Be αλλά και το 22Na – το οποίο ανιχνεύεται με εξαιρετική δυσκολία, λόγω της χαμηλής ραδιενέργειάς του, της τάξης του 1μBq/m3 – ισότοπα τα οποία χρησιμοποιούνται στη βιβλιογραφία ως ιχνηλάτες ατμοσφαιρικών διεργασιών. Στο Ε.Π.Τ. - Ε.Μ.Π. εφαρμόζεται εδώ και πολλά χρόνια και η τεχνική της νετρονικής ενεργοποίησης για την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό μίας σειράς μη ραδιενεργών ιχνοστοιχείων. Η ανιχνευτική διάταξη XtRa - CSS αξιοποιήθηκε, με στόχο την ανίχνευση περισσοτέρων στοιχείων και τη βελτίωση των επιπέδων ανίχνευσής τους. Στο πλαίσιο της Δ.Δ., η εφαρμογή μίας σειράς σεναρίων ακτινοβόλησης – γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης, σε συνδυασμό με τη χρήση του συστήματος XtRa - CSS, οδήγησε στην ανίχνευση 15 στοιχείων και ιχνοστοιχείων (Al, As, Au, Cu, Eu, Fe, Ga, K, La, Mg, Mn, Na, Sb, Sc, Zn) και βελτίωσε τα κατώτερα επίπεδα ανίχνευσης έως και 7 φορές σε σχέση με το παρελθόν. Επιπλέον, προσδιορίσθηκαν οι κατάλληλοι συντελεστές βαθμονόμησης που επιτρέπουν τον ποσοτικό προσδιορισμό των παραπάνω στοιχείων σε περιβαλλοντικά δείγματα όπως: χώμα, ιπτάμενη τέφρα, θαλάσσιο ίζημα και βιομηχανική σκωρία.