Simulation and optimization of novel spectrometers for in situ radioactivity monitoring in oceanic environments

Abstract

The motivation of the current thesis is the detailed response characterization of novel spectrometers for radioactivity monitoring in oceanic environments. The marine environment is characterized by harsh environmental conditions. In addition, many underwater locations are quite remote and inaccessible. As a result, a priori characterization of the underwater spectrometers should be performed under various scenarios and geometries, especially since the main objective of the work is in situ and long-term underwater radioactivity measurements. The study carried out during this PhD thesis is part of a groundbreaking research Programme (RAMONES-Radioactivity Monitoring in Ocean Ecosystems). In particular, the response of a novel HPGe spectrometer (GASPAR) was characterized. GASPAR uses electromechanical means to cool the crystal to operational temperatures. This specific cooling technology is being used for the first time in underwater radioactivity studies. The primary goal of GASPAR is the deployment aboard a stationary benthic platform to perform extended, high-resolution γ-spectroscopy studies near the ocean seabed. The second part of the thesis is focused on the response characterization of portable semiconductor-based spectrometers (γ-Sniffers) for underwater radioactivity monitoring. The spectrometers operate as payload of autonomous underwater vehicles. The spectrometers are equipped with CdZnTe (CZT) crystals, which offer high detection efficiency, good energy resolution, low power consumption, and instrument portability. CZT spectrometers have been used in various applications, including medical imaging or terrestrial studies which focused on radiation protection. However, they have not been widely adopted so far in radioactivity studies in the marine environment. The operation of the γ-Sniffers is based on detecting radioactivity levels above the mean background of seawater, during long-term and extended underwater surveys. The combination of said spectrometers along with autonomous robotic vehicles constitutes a novelty for the current state of the art in underwater radioactivity studies. The response characterization of GASPAR and the γ-Sniffers was initially carried out with laboratory experiments. Various geometries were examined and the response of the spectrometers was studied using calibrated point sources, natural samples, and natural volume sources of radioactivity. Furthermore, detailed Monte Carlo simulations were performed with two widely accepted code platforms. The simulations contributed to the extraction of results and conclusions that were difficult to derive from laboratory experiments. Finally, the response of the spectrometers was examined from field tests performed in underwater environments characterized with hydrothermal activity.

Το κίνητρο της παρούσας διατριβής έγκειται στο λεπτομερή χαρακτηρισμό της απόκρισης καινοτόμων φασματομέτρων για τη μελέτη της ραδιενέργειας σε θαλάσσια περιβάλλοντα. Το θαλάσσιο περιβάλλον χαρακτηρίζεται από ιδιαιτέρως δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες. Επίσης αρκετές υποθαλάσσιες περιοχές κρίνονται απομακρυσμένες και δυσπρόσιτες. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά οδηγούν στην ανάγκη εκ των προτέρων χαρακτηρισμού των υποθαλάσσιων ανιχνευτών ακτινοβολίας υπό ποικίλα σενάρια και γεωμετρίες, ιδιαίτερα όταν ο βασικός στόχος της έρευνας είναι οι επιτόπιες και μακροχρόνιες μελέτες υποθαλάσσιας ραδιενέργειας. Η παρούσα μελέτη, που πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της διατριβής, αποτελεί μέρος ενός ευρύτερου πρωτοποριακού ερευνητικού προγράμματος (RAMONES-Radioactivity Monitoring in Ocean Ecosystems). Συγκεκριμένα, χαρακτηρίστηκε η απόκριση ενός καινοτόμου HPGe φασματόμετρου (GASPAR), το οποίο χρησιμοποιεί ηλεκτρομηχανικά μέσα για την ψύξη του κρυστάλλου. Η συγκεκριμένη τεχνολογία χρησιμοποιείται για πρώτη φορά σε υποθαλάσσιες μελέτες ραδιενέργειας. Ο GASPAR αποτελεί ένα από τα όργανα που εξοπλίζουν μία σταθερή επιβύθια πλατφόρμα και ο στόχος του είναι οι υψηλής ενεργειακής διακριτικής ικανότητας μελέτες γ-φασματοσκοπίας, για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε μεγάλα βάθη κοντά στο πυθμένα της θάλασσας. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής εντοπίζεται στο χαρακτηρισμό της απόκρισης φορητών ημιαγωγών ανιχνευτών (γ-Sniffers), οι οποίοι πραγματοποιούν υποβρύχια παρακολούθηση της ραδιενέργειας όντας «φορτίο» ενός αυτόνομα κινούμενου υποβρύχιου οχήματος. Οι συγκεκριμένοι ανιχνευτές βασίζονται σε ημιαγωγούς CdZnTe (CZT) κρυστάλλους, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση, καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα, χαμηλή κατανάλωση και υψηλή φορητότητα. Τα CZT φασματόμετρα, παρόλο που είναι διαδεδομένα σε μελέτες όπως είναι η απεικόνιση στην πυρηνική ιατρική ή οι χερσαίες μελέτες ακτινοπροστασίας, δεν έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς ακόμα σε υποθαλάσσιες έρευνες. Η λειτουργία των γ-Sniffers βασίζεται στην πραγματοποίηση εκτενών υποθαλάσσιων ερευνών, για μεγάλα χρονικά διαστήματα, με στόχο τον εντοπισμό επιπέδων ραδιενέργειας στο νερό υψηλότερων από το μέσο υπόβαθρο. Η χρήση των συγκεκριμένων ανιχνευτών σε συνδυασμό με αυτόνομα κινούμενα υποβρύχια οχήματα αποτελεί καινοτομία για το παρών επιστημονικό πεδίο. Ο χαρακτηρισμός των παραπάνω φασματομέτρων διεκπεραιώθηκε αρχικά μέσω πειραμάτων στο εργαστήριο. Εξετάστηκαν διάφορες γεωμετρίες και η απόκριση των φασματομέτρων μελετήθηκε, κάνοντας χρήση βαθμονομημένων σημειακών πηγών, φυσικών ραδιενεργών δειγμάτων και φυσικών ραδιενεργών πηγών όγκου. Επιπροσθέτως, ολοκληρώθηκαν λεπτομερείς Monte Carlo προσομοιώσεις με δύο ευρύτατα διαδεδομένες πλατφόρμες κώδικα. Οι προσομοιώσεις συνέβαλλαν στην εξαγωγή συμπερασμάτων και αποτελεσμάτων, τα οποία δεν ήταν εφικτό να μελετηθούν πειραματικά στο χώρο του εργαστηρίου. Τέλος, η απόκριση των φασματομέτρων μελετήθηκε μέσω μετρήσεων πεδίου σε υποθαλάσσιες περιοχές που χαρακτηρίζονται από υδροθερμική δραστηριότητα.