«Μέτρηση των επιπέδων του 137 Cs, λόγω του ατυχήματος του

Transcript

1 «Μέτρηση των επιπέδων του 137 Cs, λόγω του ατυχήματος του Τσέρνομπιλ, στο έδαφος, στην περιοχή της Κεντρικής Μακεδονίας και η αντίστοιχη ενεργός δόση» ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΓΙΑΝΝΟΥΛΗΣ ΑΕΜ:13673 ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ : ΙΩΑΝΝΙΔΟΥ ΑΛΕΞΑΝΔΡΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ, ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ, ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ, ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ

2 Περιεχόμενα Πρόλογος... 3 Περίληψη... 4 Abstract... 5 Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή στην Ραδιενέργεια Ιστορικά Στοιχεία Η Φύση της Ραδιενέργειας Ραδιενεργός Διάσπαση Νόμος Ραδιενεργών Διασπάσεων Ενεργότητα Χρόνος Ημισείας Ζωής Μέσος Χρόνος Ζωής Μονάδες Μέτρησης της Ραδιενέργειας Είδη Διασπάσεων Ακτινοβολία και Διάσπαση Άλφα Ακτινοβολία και Διάσπαση Βήτα Ακτινοβολία και Διάσπαση Γάμμα Αλληλεπίδραση της Ακτινοβολίας Γάμμα με την Ύλη Ραδιενεργές Σειρές Διάσπασης Πηγές Ραδιενέργειας Φυσικές Πηγές Ακτινοβόλησης Τεχνητές Πηγές Ακτινοβόλησης Κεφάλαιο 2 ο Ραδιενέργεια στο Χερσαίο Περιβάλλον Ιδιότητες Εδάφους Συμπεριφορά Ραδιονουκλιδίων στο Έδαφος Μηχανισμοί που Προάγουν την Μετακίνηση Ραδιονουκλιδίων Μηχανισμοί που Επιβραδύνουν την Μετακίνηση Ραδιονουκλιδίων Συγκεντρώσεις Φυσικής και Τεχνητής Ραδιενέργειας Χερσαίου Περιβάλλοντος Κεφάλαιο 3 ο Το Ατύχημα του Τσέρνομπιλ και οι Επιπτώσεις του στον Ελλαδικό Χώρο Ιστορική Αναδρομή Εκπεμπόμενα Ραδιοϊσότοπα από το Ατύχημα Διασπορά Ραδιενέργειας στον Χώρο της Ελλάδας

3 Κεφάλαιο 4 ο Δοσιμετρία Περιβάλλοντος και Ραδιοπροστασία Δόση από Ακτινοβολία Δόση Έκθεσης Δόση Απορρόφησης ή Απορροφούμενη Δόση Ισοδύναμη Δόση ή Βιολογική Δόση ή RBE Δόση Ενεργός Δόση ή Ενεργός Ισοδύναμη Δόση Δόση Πληθυσμού Kerma Όρια στην Έκθεση και Μέγιστη Επιτρεπτή Δόση Ενεργός Δόση από την Διασπορά του 137 Cs στο Χερσαίο Περιβάλλον Κεφάλαιο 5 ο Φασματοσκοπία γ Βασικές Αρχές Λειτουργίας Η Φύση των Ανιχνευτών Ημιαγωγών Ανιχνευτές Υψηλής Καθαρότητας (HPGe) Σχεδιασμός της Θωράκισης του Ανιχνευτή Ge Σύστημα Ψύξης στον Ανιχνευτή Ge Χαρακτηριστικά Μεγέθη Ανιχνευτών Άλλα Υλικά που Χρησιμοποιούνται στους Ανιχνευτές Ημιαγωγών Κεφάλαιο 6 ο Βαθμολογία Συστήματος Φασματοσκοπίας γ Βαθμονόμηση ανιχνευτικού συστήματος γ φασματοσκοπίας Πηγές Βαθμολογίας Ανάλυση Φάσματος Εύρεση Συντελεστή Απόδοσης Κεφάλαιο 7 ο Πειραματικές Μετρήσεις και Επεξεργασία Δειγματοληψία Εδάφους Επεξεργασία Δειγμάτων Παραγόμενα Φάσματα των Δειγμάτων Αποτελέσματα Ανάλυσης Φασμάτων Ενεργός Ετήσια Δόση από το 137 Cs Σχόλια και Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

4 Πρόλογος Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία εκπονήθηκε το Εαρινό Εξάμηνο του 2017 με επιβλέπουσα καθηγήτρια την κ. Αλεξάνδρα Ιωαννίδου στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Για να εξοικειωθεί ο αναγνώστης, αρχικά υπάρχει μία σύντομη ιστορική αναδρομή για την φύση της ραδιενέργειας ενώ έπειτα αναλύεται το αντίκτυπο του ατυχήματος του Τσέρνομπιλ στον Ελλαδικό χώρο και κυρίως στην περιοχή της Μακεδονίας. Στην συνέχεια αναπτύσσεται το θέμα της δοσιμετρίας περιβάλλοντος ενώ γίνεται επίσης αναφορά στην λογική λειτουργίας της γάμμα φασματοσκοπίας. Τέλος παρουσιάζονται τα πειραματικά δεδομένα που συγκεντρώθηκαν κατά την πειραματική διαδικασία και αναλύονται εκτενώς. Για αυτήν την διπλωματική εργασία θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Αλεξάνδρα Ιωαννίδου που με τις συμβουλές της και την συνεχή καθοδήγηση της με βοήθησε να ανταπεξέλθω σε αυτή την «δοκιμασία», την Χρύσα Μπέτσου, διδακτορική φοιτήτρια, η οποία παρά τον φόρτο εργασίας της ήταν συνεχώς δίπλα μου και πρόθυμη να λύσει κάθε απορία μου, καθώς και την οικογένεια μου η οποία μου συμπαραστέκεται σε κάθε στιγμή της ζωής μου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους μου γιατί χωρίς αυτούς, αυτά τα χρόνια σίγουρα θα περνούσαν «πιο αργά». Θεσσαλονίκη,

5 Περίληψη Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και κατά συνέπεια η καταγραφή της συγκέντρωσης των ραδιονουκλιδίων 137 Cs και 40 Κ στο επιφανειακό στρώμα του εδάφους στην περιοχή της Κεντρικής Μακεδονίας, η οποία και έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση στο 137 Cs λόγω του ατυχήματος του Τσέρνομπιλ το Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε σε βάθος 1,5 cm, η ανάλυση έγινε στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και οι συγκεντρώσεις κυμάνθηκαν για το 137 Cs από 5,1 Bq/kg μέχρι και 2568,8 Bq/kg ενώ για το 40 Κ από 52,8 Bq/kg μέχρι και 1148,3 Bq/kg. Στην συνέχεια υπολογίστηκε η ενεργός ετήσια δόση λόγω του 137 Cs και τα αποτελέσματα κυμάνθηκαν από 0,002 msv/έτος έως και 0,93 msv/έτος. Η μέτρηση των δειγμάτων χώματος έγινε με την μέθοδο της γάμμα φασματοσκοπίας χρησιμοποιώντας ανιχνευτές γερμανίου Ge χαμηλού υποστρώματος. 4

6 Abstract The purpose of this bachelor s thesis is the assessment and recording of the concentration of the radionuclides 137 Cs and 40 K on the surface soil in central Macedonia, which shows higher concentration of 137 Cs due to the Chernobyl accident in The samples were collected from the depth of 1,5 cm below the surface and the concentration of 137 Cs varied from 5.1 Bq/Kg to Bq/kg, whereas the concentration of 40 K varied from 52.8 Bq/kg to Bq/kg. In addition, the annual effective dose from 137 Cs was calculated and the results were between 0,002 msv/y and 0,93 msv/y. The method used for the specimen analysis was gamma spectroscopy with low-background Ge detectors and the analysis took place in the Nuclear Laboratory of Aristotle University of Thessaloniki. 5

7 Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή στην Ραδιενέργεια 1.1 Ιστορικά Στοιχεία Ραδιενέργεια είναι το φαινόμενο εκπομπής σωματιδίων ή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τους ασταθείς (πατρικοί) πυρήνες ορισμένων χημικών στοιχείων. Ο πυρήνας του ατόμου του ραδιενεργού στοιχείου μεταστοιχειώνεται, δηλαδή υφίσταται αλλαγή στον ατομικό του αριθμό, οπότε ο πυρήνας μετατρέπεται σε πυρήνα κάποιου άλλου χημικού στοιχείου (θυγατρικός). Το 1895 ο Βίλχελμ Ρέντγκεν (Εικόνα 1) παρήγαγε και ανίχνευσε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην περιοχή των ακτινών Χ. Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας έγινε το 1896 από τον Ανρί Μπεκερέλ, ο οποίος πραγματοποίησε ένα πείραμα σχετικό με ακτίνες Χ οι οποίες είχαν ανακαλυφθεί σε πρόσφατο πείραμα του Βίλχελμ Ρέντγκεν και παρατήρησε πως τα αποτελέσματα δεν ήταν αναμενόμενα. Ο Μπεκερέλ τύλιξε μια φωτογραφική πλάκα με μαύρο χαρτί πάνω σε θειικό κάλιο ουρανυλίου και το τοποθέτησε σε ηλιακό φως. Όταν το θειικό κάλιο ουρανυλίου βρισκόταν στο ηλιακό φως θα έπρεπε να παράγει ακτίνες Χ, οι οποίες θα διαπερνούσαν το χαρτί και θα θόλωναν την φωτογραφική πλάκα. Ο Μπεκερέλ παρατήρησε σε μία από τις δοκιμές του πως η φωτογραφική πλάκα επηρεαζόταν ακόμα και αν το σκεύασμα παρέμενε στο σκοτάδι. Με αυτό το πόρισμα ανά Εικόνα 1: ο Βίλχελμ Ρέντγκεν «ακτίνες ουρανίου». χείρας, και παρατηρώντας το ίδιο αποτέλεσμα με άλλα άλατα ουρανίου, ο Μπεκερέλ ανακάλυψε πως το ουράνιο εξέπεμπε αυθόρμητα ακτινοβολία. Έτσι η ακτινοβολία αυτή ονομάστηκε Το 1898 το ζεύγος Κιουρί (Πιέρ Κιουρί και Μαρία Σκλοντόφσκα, Εικόνα 2) απομόνωσαν το χημικό στοιχείο θόριο. Το ράδιο (με την βοήθεια του Μπεμόντ) και το πολώνιο απομονώθηκαν στην συνέχεια και έπειτα από αυτές τις πρώτες ανακαλύψεις, η Μαρία Κιουρί πρότεινε την αλλαγή του ονόματος «ακτίνες ουρανίου» σε ραδιενέργεια. Εικόνα 2: Το ζεύγος Κιουρί στο εργαστήριο του Το 1902 οι Ράδερφορντ και Σόντυ αντελήφθησαν τελικά ότι η πηγή της εκπεμπόμενης ενέργειας είναι η μερική διάσπαση των ατόμων, κατά την οποία και εκσφενδονίζεται τεμάχιο του πυρήνα με μεγάλη ταχύτητα, μεταστοιχειωμένο σε άλλο άτομο, εδραιώνοντας ουσιαστικά τους νόμους της ραδιενεργούς διάσπασης. Το 1903 το ζεύγος Κιουρί βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής, το οποίο μοιράστηκαν με τον Ανρί Μπεκερέλ. Μέχρι το 1912, η έννοια των ισοτόπων και η ραδιενέργεια περιβάλλοντος είχε αποσαφηνιστεί πλήρως. 6

8 1.2 Η Φύση της Ραδιενέργειας Ραδιενεργός Διάσπαση Το φαινόμενο της πυρηνικής μετατροπής (μεταστοιχείωσης) ενός στοιχείου σε ένα άλλο με εκπομπή από τον πυρήνα ενός σωματίου άλφα ή ενός σωματίου βήτα ή ενός φωτονίου γάμμα ή οποιοδήποτε άλλου σωματίου ή ακόμα και με την αρπαγή ενός από τα ατομικά του ηλεκτρόνια καλείται ραδιενεργός διάσπαση (Ελευθεριάδης Χ. και συν, 2000). Η ραδιενεργός διάσπαση χαρακτηρίζεται από την στατιστική της φύση. Κάθε ραδιενεργός πυρήνας ισότοπου στοιχείου έχει λ πιθανότητα η οποία είναι χαρακτηριστική για κάθε πυρήνα να υποστεί διάσπαση στην μονάδα του χρόνου. Επομένως είναι κατανοητό πως όσο ο χρόνος μεγαλώνει, ο αριθμός των πυρήνων Ν θα ελαττώνεται αντίστοιχα Νόμος Ραδιενεργών Διασπάσεων Η πιθανότητα να διασπαστεί ένας πυρήνας σε χρόνο dt θα είναι λ dt. Συνεπώς, όταν υπάρχουν και άλλοι Ν όμοιοι πυρήνες, το πλήθος των διασπώμενων πυρήνων από τους Ν στον χρόνο dt θα είναι: dn = -λ dt N και με ολοκλήρωση της παραπάνω σχέσης δίνεται η θεμελιώδης εξίσωση των ραδιενεργών διασπάσεων: Νt = N0 e -λt Ενεργότητα Η ένταση ενός ραδιενεργού υλικού καλείται και ενεργότητα ή απλά ραδιενέργεια και συμβολίζεται με το γράμμα I ή Α (intensity). Ορίζεται από τον αριθμό των αποδιεγέρσεων (διασπάσεων) ανά δευτερόλεπτο. Μονάδα είναι το Curie (Ci) ή το Becquerel (Bq). Η ενεργότητα σχετίζεται µε την σταθερά διάσπασης λ από τον νόμο των ραδιενεργών διασπάσεων Χρόνος Ημισείας Ζωής Αν ο αριθμός των πυρήνων που μείνει αδιάσπαστος μείνει στο μισό, αυτό θα έχει συμβεί σε χρόνο t = T 1/2 που θα υπολογίζεται από την σχέση: e λτ 1/2 = 2 με: και έπειτα από λογαρίθμηση της παραπάνω σχέσης θα έχουμε ότι ο χρόνος ισούται Τ 1/2 = ln2 λ = λ ο χρόνος αυτός είναι χαρακτηριστικός για κάθε ραδιενεργό στοιχείο και ονομάζεται χρόνος ημισείας ζωής ή χρόνος υποδιπλασιασμού ή χρόνος ημιζωής. 7

9 1.2.5 Μέσος Χρόνος Ζωής Επειδή το φαινόμενο της ραδιενεργούς διάσπασης είναι στατιστικό ορίζεται και ένας άλλος χρόνος, χαρακτηριστικός και αυτός για κάθε στοιχείο, ο μέσος χρόνος ζωής τ, σύμφωνα με τον οποίο κάθε ραδιενεργός πυρήνας είναι δυνατόν να διασπαστεί εντός μηδενικού χρόνου ή να ζήσει άπειρο χρόνο: τ = 1 λ Μονάδες Μέτρησης της Ραδιενέργειας Μονάδες ραδιενέργειας είναι το Curie και το Becquerel. 1 Curie (Ci) = dps (όπου dps διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο). Είναι η ενεργότητα που αντιστοιχεί στο σύνολο των πυρήνων 1 g του ραδιενεργού στοιχείου Ράδιο-226 ( 226 Ra). 1 Becquerel (Bq) = 1 διάσπαση ανά δευτερόλεπτο (1 dps) για κάθε ραδιενεργό πυρήνα. 1.3 Είδη Διασπάσεων Ακτινοβολία και Διάσπαση Άλφα Η διάσπαση αυτή παρατηρείται κυρίως ως τρόπος αποδιεγέρσεως βαρέων ισοτόπων. Ουσιαστικά προκύπτει ένα σωμάτιο άλφα ( ένας πυρήνας 4 He ) και το θυγατρικό ισότοπο. Έτσι ο πατρικός πυρήνας χάνει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια ενώ το φορτίο του ελαττώνεται κατά δύο μονάδες ηλεκτρονικού φορτίου. Α Α 4 Χ Υ + α Ζ Ζ 2 Οι ακτίνες άλφα εκπέμπονται κυρίως από τους πυρήνες με Α 210. Τα σωματίδια άλφα, λοιπόν, χαρακτηρίζονται από μικρή διεισδυτικότητα με μία μέση διαδρομή μόνο μερικά εκατοστά στον αέρα μέχρι να ακινητοποιηθούν και αρκετά μεγάλη δυνατότητα ιονισμού της ύλης Ακτινοβολία και Διάσπαση Βήτα Όπως και η ακτινοβολία άλφα, η ακτινοβολία βήτα είναι σωμάτια ηλεκτρόνια, και έχουν διακεκριμένη μάζα και φορτίο. Συνεπώς τα σωμάτια βήτα έχουν μάζα, την μάζα του ηλεκτρονίου, και φορτίο -e τα αρνητικά σωμάτια βήτα ή β - ή +e τα θετικά σωμάτια βήτα (ποζιτρόνια) ή β +. Τα ηλεκτρόνια αυτά εκπέμπονται από ήδη ραδιενεργούς πυρήνες. Για παράδειγμα, στην πρώτη περίπτωση έχουμε: Α ΖΧ β Ζ+1 Α Χ + β + ν + Q β 1 0 Οι ακτίνες βήτα προκαλούν σε μικρότερο βαθμό ιονισμό της ύλης περίπου είκοσι φορές λιγότερο από ότι οι άλφα αλλά είναι σχεδόν εκατό φορές πιο διεισδυτικές. 8

10 1.3.3 Ακτινοβολία και Διάσπαση Γάμμα Οι ακτίνες γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης (φωτόνια) και προέρχονται από την αποδιέγερση των πυρήνων. Επειδή οι στάθμες στον πυρήνα είναι κβαντισμένες, τα φωτόνια που θα προκύψουν από τις διάφορες αποδιεγέρσεις θα έχουν καθορισμένη ενέργεια. Συνεπώς το φάσμα τους θα είναι γραμμικό. Οι ακτίνες αυτές παράγουν ιονισμό αλλά σε μικρότερο βαθμό από ότι οι άλφα και βήτα αλλά είναι εξέχων διεισδυτικές τουλάχιστον εκατό φορές πιο πολύ από την βήτα ακτινοβολία Αλληλεπίδραση της Ακτινοβολίας Γάμμα με την Ύλη Οι ακτίνες γάμμα, ως κβάντα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, χωρίς μάζα ηρεμίας και ηλεκτρικό φορτίο, είναι έμμεσα ιονιστικές. Το φαινόμενο που θα συμβεί (αν συμβεί) σε ένα φωτόνιο γ δεν είναι βέβαιο, είναι γνωστή όμως η πιθανότητα, για συγκεκριμένη ενέργεια φωτονίου, να συμβεί το ένα ή το άλλο φαινόμενο. Αυτό σημαίνει ότι για δεδομένη ενέργεια φωτονίων, συνυπάρχουν περισσότεροι του ενός μηχανισμού αλληλεπίδρασης με την ύλη, ο καθένας με τη δική του πιθανότητα να λειτουργήσει. Έτσι, για μικρές ενέργειες, κάτω των 300 kev περίπου, πιθανότερο είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Στις ενέργειες περίπου μεταξύ 300 kev και 1000 kev, δηλαδή κοντά στη μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου, γίνεται πιθανότερο το φαινόμενο Compton. Η δίδυμη γένεση δεν μπορεί να συμβεί για ενέργειες κάτω από το όριο των MeV, γίνεται όμως ο κύριος μηχανισμός απορρόφησης των φωτονίων στις μεγάλες ενέργειες και ο αποκλειστικός για ενέργειες πάνω από 100 MeV. Οι περιοχές αυτές ενεργειών επηρεάζονται από το είδος του υλικού, αφού τα φαινόμενα εξαρτώνται και από τον ατομικό αριθμό Ζ. Η αλληλεπίδρασή τους λοιπόν με την ύλη γίνεται σημειακά, μέσω τριών φαινομένων που θα αναλυθούν παρακάτω (Εικόνα 3) Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η ολική απορρόφηση φωτονίου από δέσμιο ηλεκτρόνιο, το οποίο ελευθερώνεται και κινείται με ενέργεια: T e = hv b όπου E 0 = hν είναι η ενέργεια του φωτονίου και b η ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου. Προϊόν του φαινομένου αυτού είναι λοιπόν ένα ενεργειακό ηλεκτρόνιο. Η κατώτερη τιμή ενέργειας του φωτονίου για να προκαλέσει την αποδέσμευση ηλεκτρονίου δεδομένης κατάστασης είναι hν min = b. Η συνθήκη αυτή ικανοποιείται σχεδόν πάντα για τα φωτόνια των ακτινών γ, αφού η ενέργειά τους είναι συνήθως πολύ πάνω από 100 kev, ενώ η ενέργεια σύνδεσης των ηλεκτρονίων στα διάφορα άτομα είναι, κατά προσέγγιση, στην περιοχή από μερικά ev έως 100 kev Φαινόμενο Compton Το φαινόμενο Compton είναι η σκέδαση ενός φωτονίου σε ένα ελεύθερο (ή ασθενώς συνδεδεμένο) ηλεκτρόνιο. Ένα μέρος της αρχικής ενέργειας hν του φωτονίου δίνεται στο σκεδαζόμενο φωτόνιο (φωτόνιο Compton) και το υπόλοιπο στο ανακρουόμενο ηλεκτρόνιο (ηλεκτρόνιο Compton). 9

11 Δίδυμη Γένεση Η δίδυμη γένεση ή δημιουργία ζεύγους είναι το φαινόμενο μετατροπής ενός φωτονίου σε δύο σωματίδια μάζας ηρεμίας μη μηδενικής. Τα δημιουργούμενα σωματίδια είναι το ένα αντισωματίδιο του άλλου. Το πιο συνηθισμένο τέτοιο ζεύγος κατά την υλοποίηση των ακτίνων γ είναι το ζεύγος ηλεκτρονίου ποζιτρονίου. Προφανώς, η δίδυμη γένεση είναι δυνατή μόνο για ενέργειες φωτονίων μεγαλύτερες από την οριακή τιμή που προκύπτει από το άθροισμα της μάζας ηρεμίας των δύο σωματιδίων: E min = 2m 0 c 2 = kev = MeV Εικόνα 3: Οι αλληλεπιδράσεις της ακτινοβολίας γάμμα 10

12 1.4 Ραδιενεργές Σειρές Διάσπασης Υπάρχουν τέσσερις ραδιενεργές σειρές που ξεκινούν με τα ισότοπα Ουράνιο-235, Ουράνιο-238, Νεπτούνιο-237 και Θόριο-232. Η σειρά του Νεπτουνίου καταλήγει σε Βισμούθιο-209 και είναι η μόνη που δεν υπάρχει στην φύση καθώς ο χρόνος ζωής του Νεπτουνίου είναι μόλις δύο εκατομμύρια χρόνια. Όλες οι σειρές έχουν από ένα έως πέντε ισότοπα που διασπώνται με δύο ανταγωνιστικούς τρόπους (Παπαστεφάνου, 2001). Εικόνα 4: Η σειρά του Νεπτουνίου-237 Εικόνα 5: Η σειρά του Ουρανίου-235 Εικόνα 6: Η σειρά του Ουρανίου-238 Εικόνα 7: Η σειρά του Θορίου Πηγές Ραδιενέργειας Η ακτινοβολία υπάρχει από την αρχική εξέλιξη της ανθρώπινου είδους. Η φύση χαρακτηρίζεται από την ραδιενέργεια. Οι πηγές ραδιενέργειας στο περιβάλλον είναι είτε φυσικές, είτε ανθρωπογενείς, προϊόντα δηλαδή της ανθρώπινης τεχνολογίας. 11

13 Οι διάφορες πηγές που μας περιβάλλουν, επομένως, και στις οποίες οφείλεται η ακτινοβόληση του ανθρώπου, μπορούν να διαχωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Φυσικές πηγές που συνυπάρχουν με τον άνθρωπο στο φυσικό περιβάλλον από καταβολής της γης Τεχνητές ή τις λεγόμενες ανθρωπογενείς πηγές που είναι προϊόντα της σύγχρονης τεχνολογίας Φυσικές Πηγές Ακτινοβόλησης Τα ραδιενεργά υλικά βρίσκονται παντού στην φύση. Μπορούν να εντοπιστούν στο χώμα, στο νερό, στον αέρα, στην τροφή που καταναλώνουμε, ακόμη και στα διάφορα πετρώματα. Οι φυσικές πηγές αποτελούν το μεγαλύτερο κομμάτι που συνεισφέρει στην ακτινοβόληση των ανθρώπων, περίπου στα 2.4 msv ανά χρόνο. Τα φυσικά ραδιονουκλίδια μπορούν να παραχθούν με την ενεργοποίηση σταθερών ισοτόπων μέσω της κοσμικής ακτινοβολίας (κοσμογενετικά ραδιονουκλίδια) ή προήλθαν κατά την διάρκεια δημιουργίας του σύμπαντος. Πίνακας 1:Μέση Ετήσια Έκθεση σε Φυσικές Πηγές (msv) ανά χρόνο (UNSCEAR, ) Πηγή Παγκόσμια Παρατηρήσεις Ακτινοβόλησης Εισπνοή Αέρα 1.26 Κυρίως λόγω του Ραδονίου, εξαρτάται από το μέρος οικοδόμησης ενός κτηρίου Φαγητό και Νερό Κ, 14 C Ραδιενέργεια Υπεδάφους Κοσμική Ακτινοβολία Σύνολο (φυσικών πηγών) 0.48 Εξαρτάται από το χώμα και τα υλικά οικοδόμησης 0.39 Εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος 2.40 Ένα μεγάλο μέρος πληθυσμού λαμβάνει msv, αναλόγως με το που ζει Τεχνητές Πηγές Ακτινοβόλησης Τα τεχνητά ραδιονουκλίδια είναι υπερουράνια στοιχεία (ισότοπα του πλουτωνίου) και μακρόβια προϊόντα σχάσης ( 137 Cs, 90 Sr). Η παρουσία τους στο περιβάλλον είναι συνέπεια της δοκιμής πυρηνικών όπλων και της πυρηνικής βιομηχανίας. Τα ραδιενεργά αυτά ισότοπα αποθηκεύονται στη στρατόσφαιρα και πέφτουν στην επιφάνεια της Γης, σύμφωνα με την ατμοσφαιρική δυναμική. Αυτά τα ισότοπα και ο 210 Pb είναι τυπικά fallout ραδιονουκλίδια που εναποτίθενται στο έδαφος. 1 United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, η Επιστημονική Επιτροπή των Ηνωμένων Εθνών για τα Αποτελέσματα της Ατομικής Ενέργειας. 12

14 Επίσης, σε μερικές χώρες οι τεχνητές πηγές λαμβάνουν την μερίδα του λέοντος λόγω της πρόσβασης των ανθρώπων εκεί σε ιατρικές ακτινοδιαγνωστικές εξετάσεις (πχ Ιαπωνία, ΗΠΑ κτλ.). Οι ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας συνίσταται, δηλαδή, από δραστηριότητες που έχουν ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση φυσικών ραδιονουκλιδίων στο περιβάλλον, αλλά και δραστηριότητες που παράγουν νέα ραδιονουκλίδια. Πίνακας 2:Μέση Ετήσια Έκθεση σε Τεχνητές Πηγές (msv) ανά χρόνο (UNSCEAR, 2008) Πηγή Παγκόσμια Παρατηρήσεις Ακτινοβόλησης Ιατρικές Εξετάσεις 0.60 Κυρίως λόγω αξονικής τομογραφίας, πυρηνικής ιατρικής κτλ. (εξαιρείται η ακτινοθεραπεία) Καταναλωτικά Είδη - Τσιγάρα, αεροπορικές πτήσεις κτλ. Ατμοσφαιρικές Πυρηνικές Δοκιμές Έκθεση Εργαζομένων Το Ατύχημα του Τσέρνομπιλ Κορυφή στα 0.11 msv το 1963, πιο μεγάλη κοντά στα σημεία των δοκιμών Το ποσοστό είναι μεγάλο κυρίως λόγω των ορυχείων ραδονίου Κορυφή στα 0.04 msv το 1986, πιο μεγάλη κοντά στα σημεία των δοκιμών Πυρηνικός Καυσίμου Κύκλος Άλλα - Ερευνητικές δοκιμές, βιομηχανία, εξειδικευμένες ιατρικές εξετάσεις κτλ Σύνολο (τεχνητές πηγές) Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία θα αναφερθούμε εκτενώς στα επίπεδα συγκέντρωσης του 137 Cs στην περιοχή της Κεντρικής Μακεδονίας, του οποίου η συγκέντρωση υπήρξε μεγαλύτερη λόγω του ατυχήματος του Τσέρνομπιλ καθώς και στις συγκεντρώσεις του φυσικού ραδιονουκλιδίου 40 Κ. Στο Διάγραμμα 1 φαίνεται η ετήσια έκθεση σε φυσικές και τεχνητές πηγές ανά χρόνο (UNSCEAR, 2008). 13

15 Διάγραμμα 1: Μέση Ετήσια Έκθεση σε Φυσικές και Τεχνητές Πηγές ανά χρόνο Ραδιενέργεια Υπεδάφους Ατμοσφαιρικές Πυρηνικές Δοκιμές Πυρηνικός Κύκλος Καυσίμου Φαγητό και Νερό Το Ατύχημα του Τσέρνομπιλ Κοσμική Ακτινοβολία Εισπνοή Αέρα Ιατρικές Εξετάσεις 14

16 Κεφάλαιο 2 ο Ραδιενέργεια στο Χερσαίο Περιβάλλον 2.1 Ιδιότητες Εδάφους Το έδαφος είναι το ανώτατο στρώμα του φλοιού της γης, δηλαδή το καλλιεργήσιμο επιφανειακό στρώμα σε πάχος ως 50 εκατοστά. Το κάτω από το έδαφος στρώμα λέγεται υπέδαφος. Το υπέδαφος φτάνει στο 1,5 ως 2 μ., ως εκεί δηλαδή που προχωρούν οι ρίζες των φυτών. Το κατώτερο επίπεδο εκτείνεται σε 1,5 m βάθος και είναι ένα στρώμα από χαλαρά και σαθρά βράχια και αποτελεί το αρχικό τμήμα όλων των εδαφών. Οι τρεις αυτές περιοχές ονομάζονται ορίζοντες Α, Β και Γ. Το έδαφος προήλθε από την διάβρωση των πετρωμάτων της γήινης επιφάνειας. Η αποσάθρωση αυτή οφείλεται σε πολλές αιτίες όπως τα καιρικά φαινόμενα, η θάλασσα κτλ. Το έδαφος λοιπόν είναι σύνθετο βιοχημικό υλικό που σχηματίζεται στο ανώτατο στρώμα του φλοιού της γης. Όλες οι παραπάνω αλλοιώσεις, που γίνονται στο έδαφος, το κάνουν να διαφέρει από το υπέδαφος και σε συνεκτικότητα και σε απόχρωση. Οι φυσικές ιδιότητες του εδάφους είναι οι ακόλουθες: Σύσταση: Είναι η αναλογία των συστατικών του εδάφους. Υφή: Είναι η ένωση των μορίων του εδάφους. Πορώδες: Το πορώδες καθορίζεται από τον όγκο που έχουν τα διάκενα του εδάφους. Υγροσκοπικότητα του εδάφους: Όταν όλα τα διάκενα του εδάφους είναι γεμάτα νερό, η υγροσκοπικότητα του εδάφους φτάνει το μέγιστο. Ειδικό βάρος. Ειδική θερμότητα: Η θερμοκρασία είναι ένας από τους συντελεστές της ανάπτυξης των φυτών και εξαρτάται από τα συστατικά του εδάφους, το χρώμα του, την υγρασία του κλπ. Οι χημικές ιδιότητες του εδάφους είναι οι: Η απορροφητική ικανότητά του και τα φαινόμενα των ανταλλαγών. Η οξύτητα (ph). Ανταλλαγή ιόντων. Η οξειδοαναγωγή. Το χώμα ουσιαστικά αποτελείται από το ανόργανο τμήμα και το οργανικό τμήμα (που αποκαλείται χούμος). Το ανόργανο τμήμα του χώματος περιέχει σωματίδια με μέγεθος το οποίο διαφέρει αναλόγως την κατηγορία στην οποία ταξινομούνται. Το οργανικό από την άλλη αποτελείται από υπολείμματα ζωικής, φυτικής κτλ. προέλευσης. Αυτά τα υπολείμματα μπορούν να υπάρχουν σε στάδιο αποσύνθεσης ή σε πρωτογενή μορφή. Εικόνα 8: Σχηματική Δομή των Οριζόντων του Εδάφους 15

17 2.2 Συμπεριφορά Ραδιονουκλιδίων στο Έδαφος Τα ραδιονουκλίδια που βρίσκονται στο έδαφος επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες συμπεριλαμβανομένων των χημικών ιδιοτήτων του εκάστοτε στοιχείου, των χαρακτηριστικών του εδάφους στο οποίο εναποτέθηκε το ραδιονουκλίδιο, της οργανικής ύλης, των καιρικών συνθηκών που επικρατούν κτλ. Αναλυτικά, οι μηχανισμοί αυτοί μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, σε αυτούς που βοηθούν την μετακίνηση του ραδιονουκλιδίου και σε αυτούς που καθυστερούν την μετακίνηση (Ανεσιάδου, 2013) Μηχανισμοί που Προάγουν την Μετακίνηση Ραδιονουκλιδίων Μεταφορά με Διάδοση Όταν τα ραδιονουκλίδια μπορούν να διαλυθούν στο χώμα, υπάρχει πάντα η δυνατότητα μεταφοράς τους προς τα κάτω τμήματα του ορίζοντα μέσω διαφόρων καιρικών συνθηκών (πχ βροχή). Σε αυτή την περίπτωση μεγαλύτερη ροή νερού σημαίνει μεγαλύτερη μεταφορά των ραδιονουκλιδίων προς τα κάτω Μεταφορά με Διάχυση Χωρίς διάδοση νερού, τα ραδιονουκλίδια μετακινούνται με πολύ αργούς ρυθμούς μερικά μόνο εκατοστά τον χρόνο. Μόνο αν το έδαφος στο οποίο προσπίπτουν είναι πολύ ξηρό, η μεταφορά αυτή γίνεται αξιοσημείωτη Μεταφορά με Μετακίνηση Σωματιδίων Όταν τα ραδιονουκλίδια δεν μπορούν να διαλυθούν στο χώμα, δημιουργούνται κατά την καθίζηση συσσωματώματα με τα σωματίδια χώματος που υπάρχουν ήδη. Έτσι, μπορούν να μετακινούνται στο έδαφος μόνο αν το μέγεθος τους είναι μικρότερο από το μέγεθος των πόρων του χώματος Βιολογικοί και Ανθρωπογενείς Παράγοντες Τα ραδιονουκλίδια μεταφέρονται μέσα στο έδαφος λόγω απορρόφησης τους από τις ρίζες των φυτών. Συνεπώς, μπορούν είτε να κατευθυνθούν προς το φύλλωμα των φυτών ή προς τα κάτω. Επίσης, η καλλιέργεια του εδάφους έχει ως αποτέλεσμα την ανάμειξη του χώματος και την μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων προς βαθύτερα επίπεδα. Τέλος μπορεί να συμβεί μετακίνηση λόγω ζώων (πχ ποντίκια κτλ.) τα οποία ζουν μέσα στο χώμα και δημιουργούν ρωγμές ή σήραγγες σε αυτό Μεταβολή της Ταχύτητας Μεταφοράς του Νερού στο Έδαφος Η ταχύτητα μεταφοράς του νερού στο έδαφος μεταβάλλεται αφού εξαρτάται από την τοποθέτηση των διαφόρων πόρων του χώματος. Όταν η ταχύτητα αυτή είναι μεγάλη, τα ραδιονουκλίδια μπορούν να μεταφερθούν πιο γρήγορα μέσα στο χώμα. 16

18 2.2.2 Μηχανισμοί που Επιβραδύνουν την Μετακίνηση Ραδιονουκλιδίων Τα περισσότερα ραδιονουκλίδια προσπίπτουν στο χώμα σε κάποια έκταση. Αν η απορρόφηση είναι αναστρεπτή, θα προκαλέσει επιβράδυνση στην κίνηση των ραδιονουκλιδίων λόγω της ροής του νερού. Το μέγεθος αυτής της απορρόφησης συνήθως περιγράφεται με το συντελεστή κατανομής, ο οποίος ορίζεται ως: Κ d = ενεργότητα ραδιοϊσότοπού / gr χώματος ενεργότητα ραδιοϊσότοπού / ml διαλύματος χώματος Έτσι, για ψηλότερη τιμή του Kd, θα έχουμε μεγαλύτερη επιβράδυνση των ραδιονουκλιδίων στο χώμα. Όμως και η Kd θα εξαρτάται αντίστοιχα από πολλές παραμέτρους. Οι πιο σημαντικές από αυτές είναι: α) Ο τύπος του ραδιονουκλιδίου: Στοιχείο Χημικός τύπος Συγκέντρωση του ραδιονουκλιδίου στο διάλυμα χώματος β) Η Χημική σύνθεση του χώματος: Ο τύπος και η ποσότητα των υλικών από τα οποία αποτελείται το χώμα Το μέγεθος των σωματιδίων Το εμβαδό της επιφάνειας Η παρουσία κολλοειδών διαλυμάτων ή συσσωματωμάτων Διάφοροι μικροοργανισμοί που μπορεί να περιέχονται γ) Η Χημική σύνθεση του διαλύματος χώματος: Το ph του εδάφους Συγκέντρωση διαλυμάτων δ) Η Θερμοκρασία Επειδή σύμφωνα με τα παραπάνω, η προσρόφηση των ραδιονουκλιδίων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, είναι προφανές ότι ο ρυθμός μετακίνησης που μετρούμε μπορεί να μεταβληθεί σε μεγάλο βαθμό, εάν κάποιος από τους παραπάνω παράγοντες μεταβληθεί για κάποιο λόγο σε δεδομένο σύστημα χώματος διαλύματος. 17

19 2.3 Συγκεντρώσεις Φυσικής και Τεχνητής Ραδιενέργειας Χερσαίου Περιβάλλοντος Το έδαφος περιέχει διάφορα ραδιενεργά ισότοπα τα οποία είτε προέρχονται από τον στερεό φλοιό της γης μέσω των τριών ραδιενεργών σειρών, είτε ως μεμονωμένα ραδιενεργά ισότοπα (φυσικά ή τεχνητά παραγόμενα). Όλα αυτά συνιστούν την ραδιενέργεια υποστρώματος του εδάφους. (Παπαστεφάνου, 2010) Η περιοχή των συγκεντρώσεων και η μέση τιμή για τα πρωτογενή ραδιενεργά ισότοπα των τριών ραδιενεργών σειρών στο έδαφος παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. Πίνακας 3: Συγκεντρώσεις των Ραδιενεργών Σειρών στο Χώμα (UNSCEAR, 2000) Ισότοπο Τ 1/2 Συγκέντρωση (Bq kg -1 ) Εύρος Διακύμανσης Μέση Τιμή 238 U y Ra 1600 y Th y K y Στον Πίνακα 4 παρουσιάζονται οι συγκεντρώσεις φυσικών και τεχνητών παραγόμενων ραδιενεργών ισοτόπων στο χώμα. Πίνακας 4: Συγκεντρώσεις των Ραδιενεργών Ισοτόπων στο Χώμα (IAEA, ) Ισότοπο Τ 1/2 Συγκέντρωση (Bq kg -1 ) 90 Sr y Cs y Pu 2.44x10 4 y Pu 14.7 y Am 432 y U 4.47x10 9 y U 2.44x10 5 y Th 1.40x10 10 y U y 1 2 Όπου y = χρόνος, d = ημέρα, h = ώρα. 3 International Atomic Energy Agency, η Διεθνής Οργάνωση Ατομικής Ενέργειας. 18

20 Κεφάλαιο 3 ο Το Ατύχημα του Τσέρνομπιλ και οι Επιπτώσεις του στον Ελλαδικό Χώρο 3.1 Ιστορική Αναδρομή Ο σταθμός παραγωγής πυρηνικής ενέργειας βρίσκεται στην εγκαταλελειμμένη πλέον κωμόπολη Πρυπιάτ της Ουκρανίας. Πήρε το όνομά του από την πόλη του Τσέρνομπιλ και μπήκε σε λειτουργία για τη Σοβιετική Ένωση το 1977 ως πρότυπο πυρηνικό εργοστάσιο. Το ατύχημα του Τσέρνομπιλ στις 26 Απριλίου του 1986 ήταν το πιο σημαντικό συμβάν στην ιστορία της πυρηνικής ενέργειας μέχρι τότε. Ο αντιδραστήρας καταστράφηκε και σημαντικές ποσότητες ραδιοϊσοτόπων εκλύθηκαν στο περιβάλλον. Αυτό προκάλεσε τον θάνατο σε περίοδο μερικών εβδομάδων τουλάχιστον τριάντα εργατών και την ακτινοβόληση εκατοντάδων ανθρώπων σε απόσταση εκατοντάδων χιλιομέτρων από το ατύχημα. Το ατύχημα συνέβη κατά την διάρκεια ενός προγραμματισμένου ελέγχου των ηλεκτρονικών συστημάτων του αντιδραστήρα. Οι χειριστές, χωρίς να ακολουθούν τα πρωτόκολλα ασφαλείας, είχαν απενεργοποιήσει σημαντικά συστήματα ελέγχου και αυτό επέτρεψε τον αντιδραστήρα ο οποίος είχε εξαρχής ατέλειες στον σχεδιασμό του να φτάσει σε ασταθείς, χαμηλής ενέργειας συνθήκες. Στην συνέχεια, μια απότομη αύξηση της τάσης του ρεύματος προκάλεσε έκρηξη στο εσωτερικό του αντιδραστήρα που είχε ως αποτέλεσμα την ρήξη του προστατευτικού περιβλήματος, δημιουργώντας έτσι περαιτέρω εκρήξεις λόγω του υδρογόνου, καταστρέφοντας τον πυρήνα του αντιδραστήρα και το ίδιο το κτήριο. Με την φωτιά που προκλήθηκε λόγω της ανάφλεξης του γραφίτη, τεράστιες ποσότητες ραδιοϊσοτόπων απελευθερώθηκαν σε μια μεγάλη χρονική περίοδο. H κλίμακα της καταστροφής ενισχύθηκε από την έλλειψη εκπαίδευσης και εξοπλισμού του προσωπικού του εργοστασίου, η οποία οδήγησε σε σοβαρά λάθη εκτίμησης της πραγματικής κατάστασης. Τα επίπεδα ραδιενέργειας στις πλέον μολυσμένες περιοχές του εργοστασίου έχει υπολογιστεί ότι έφτασαν τα 5,6 Ρέντγκεν ανά δευτερόλεπτο (Ρ/δ), τα οποία ισοδυναμούν με Ρέντγκεν ανά ώρα (Ρ/ω). Καθώς η θανάσιμη δόση είναι 500 Ρέντγκεν σε 5 ώρες, μη προστατευμένοι εργαζόμενοι έλαβαν μοιραίες δόσεις μέσα σε λίγα μόλις λεπτά (Παπαστεφάνου, 2010). Τα ραδιολογικά φαινόμενα και οι συνέπειες του ατυχήματος μπορούν να διακριθούν σε τέσσερις περιοχές (Παπαστεφάνου, 2010): Το προσωπικό του σταθμού. Τα περίχωρα εντός μιας ζώνης έκτασης τριάντα χιλιομέτρων. Τον ευρωπαϊκό τομέα της Σοβιετικής Ενώσεως πέρα των τριάντα χιλιομέτρων. Τις ευρωπαϊκές χώρες εκτός της Σοβιετικής Ενώσεως. Ως αποτέλεσμα του ατυχήματος 237 άνθρωποι υπέφεραν από οξείας μορφής μόλυνση από ραδιενέργεια, από τους οποίους τριάντα πέθαναν μέσα στους πρώτους τρεις μήνες. Οι περισσότεροι ήταν πυροσβέστες και διασώστες, οι οποίοι δεν ήταν πλήρως ενήμεροι για τους κινδύνους που διέτρεχαν. Εκατό τριανταπέντε χιλιάδες άνθρωποι εκκένωσαν την περιοχή, πενήντα χιλιάδες από αυτούς κάτοικοι του Πριπυάτ. Ο συνολικός αριθμός των θανάτων στην περιοχή είναι δύσκολο να καθοριστεί επακριβώς λόγω της μυστικοπάθειας του τότε καθεστώτος, η οποία οδήγησε σε ελλιπή καταγραφή των σχετικών στατιστικών στοιχείων. 19

21 3.2 Εκπεμπόμενα Ραδιοϊσότοπα από το Ατύχημα Λόγω του ατυχήματος η διασπορά των εκπεμπόμενων ραδιοϊσοτόπων υπήρξε σημαντική στην περιοχή των χωρών της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης καθώς και σε αρκετές χώρες της Ευρώπης. Τα ραδιονουκλίδια ήταν κυρίως σε αέρια μορφή, συμπυκνωμένα σωματίδια (condensed particles) καθώς και «θερμά» σωματίδια πυρηνικού καυσίμου (fuel particles). Καθώς το αρχικό σύννεφο της έκρηξης ξεκίνησε να ψύχεται, λόγω της οξείδωσης και της διασποράς του πυρηνικού καυσίμου, η εξάτμιση μερικών ραδιοϊσοτόπων έλαβε χώρα. Μερικά από τα στοιχεία με μεσαία πτητικότητα παρέμειναν σε αέρια μορφή ενώ άλλα προσκολλήθηκαν στον καπνό και στην σκόνη και εναποτέθηκαν στο έδαφος όπως το 137 Cs. Έτσι, η φυσική και η χημική σύσταση των ραδιονουκλιδίων που εκπέμφθηκαν προσδιορίστηκε σε μεγάλο βαθμό από το πόσο πτητικά ήταν και από τις συνθήκες μέσα στον αντιδραστήρα (UNSCEAR, 2008). Στον Πίνακα 5 και στο Διάγραμμα 2 παρουσιάζονται τα ραδιονουκλίδια με την εκπεμπόμενη ενεργότητα τους και τον χρόνο ημιζωής τους. Πίνακας 5: Εκπεμπόμενα Ραδιοϊσότοπα του Ατυχήματος (UNSCEAR, 2008) Ισότοπο Τ 1/2 Εκπεμπόμενη Ενεργότητα (PBq) Αδρανή Αέρια 85 Kr 10.7 y Xe 5.25 d Στοιχεία με Υψηλή Πτητικότητα 129m Te 33.6 d Te 3.26 d I 8.04 d I 20.8 h Cs 2.06 y Cs 13.1 d Cs 30.0 y 85 Στοιχεία με Μεσαία Πτητικότητα 89 Sr 50.5 d Sr y Ru 39.3 d > Ru 368 d > Ba 12.7 d 240 Στοιχεία Υψηλής Τήξης (Περιλαμβάνει τα Στοιχεία Πυρηνικού Καυσίμου) 95 Zr 64.0 d Mo 2.75 d > Ce 32.5 d Ce 284 d Np 2.35 d Pu y Pu y Pu y Pu 14.4 y Pu y Cm 18.1 y

22 Συνολική Ενεργότητα του Ραδιονουκλιδίου (PBq) Χρόνος Μετά το Ατύχημα ( Έτη) Διάγραμμα 2: Το 241 Am αν και παρουσιάζει μικρή ενεργότητα αρχικά, θα αυξηθεί σημαντικά λόγω της απελευθέρωσης του 241 Pu και της αντίστοιχης διάσπασης του. Το 241 Am θα φτάσει σε ένα μέγιστο 72 χρόνια μετά το ατύχημα και στην συνέχεια θα ελαττωθεί. Μετά από 320 χρόνια, θα είναι το ραδιοϊσότοπο με την υψηλότερη συγκέντρωση (UNSCEAR, 2008). Σε αντίθεση με ραδιονουκλίδια που ανήκουν στις ακτινίδες και παραμένουν ως επί το πλείστων καθηλωμένα στο σημείο που εναποτίθενται, η διασπορά του 137 Cs στο χώμα υπήρξε σημαντικό κομμάτι της επιστημονικής κοινότητας λόγω της εύκολης μεταφοράς του σε οικολογικά συστήματα όπως και στην τροφική αλυσίδα. 21

23 3.3 Διασπορά Ραδιενέργειας στον Χώρο της Ελλάδας Μέρος του ραδιενεργού νέφους από το Τσέρνομπιλ έφτασε και στην Ελλάδα μετά από μερικές μέρες. Το ραδιενεργό νέφος επηρέασε κυρίως την Κεντρική Μακεδονία, τμήμα της Στερεάς Ελλάδας και τη Θεσσαλία λόγω των σφοδρών βροχοπτώσεων που παρατηρήθηκαν εκείνες τις μέρες (5, 6, 10 και 12 Μαΐου). Το νέφος κυμάνθηκε σε ύψος χαμηλότερο του Ολύμπου και έτσι το βουνό λειτούργησε ως τοίχωμα προστασίας. Έτσι τα επίπεδα ραδιενέργειας στην Ήπειρο δεν εμφάνισαν κάποια ουσιώδη αύξηση. Στον Πίνακα 6 παρουσιάζονται οι συγκεντρώσεις του 137 Cs σε σχέση με γειτονικές χώρες των Βαλκανίων. Οι επιπτώσεις της διασποράς στον Ελλαδικό χώρο εμφανίζονται στο Διάγραμμα 3 και στον Πίνακα 6 και Πίνακα 7. Χώρα Πίνακας 6: Συγκεντρώσεις του 137 Cs στην Ελλάδα και στις χώρες των Βαλκανίων (UNSCEAR, 2008). Μέση Ενεργότητα 137 Cs στο Έδαφος (kbq/m 2 ) Εκτίμηση της αναλογίας διαφόρων ραδιονουκλιδίων σε σχέση με το 137 Cs την στιγμή της εναπόθεσης του στο έδαφος 95 Zr 103 Ru 106 Ru 131 I 132 Te 134 Cs 140 Ba Αλβανία Βουλγαρία Π.Γ.Δ.Μ Ρουμανία Κροατία Ελλάδα Πίνακας 7: Συγκεντρώσεις Ραδιονουκλιδίων έπειτα από την ανάλυση 1242 δειγμάτων την 1 η Μαΐου 1986 (Petropoulos, 2001). Ραδιονουκλίδιο Μέγεθος Δειγμάτων Μέγιστη Ενεργότητα στο Έδαφος (kbq/m 2 ) 137 Cs ± Cs ± Sb ± Ru ± Ce ± m Ag ± Mn ± Zr ± Ru ± Ce ± 2 22

24 Διάγραμμα 3: Η συνολική διασπορά του 137 Cs στον Ελλαδικό Χώρο, το 1988 (De Cort et al., 1998). 23

25 Συγκεκριμένα στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, οι συγκεντρώσεις του 137 Cs παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 4 για μία περίοδο τριών ετών από το ατύχημα.. Διάγραμμα 4: Συγκεντρώσεις διάφορων ραδιονουκλιδίων στο έδαφος στην περιοχή της Θεσσαλονίκης (Papastefanou, et al., 1989). Παρατηρούμε ότι το 137 Cs έχει μεγαλύτερη εναπόθεση στο έδαφος την περίοδο της Άνοιξης και του Φθινοπώρου και αυτό γιατί είτε παρατηρούνται βροχοπτώσεις εκείνο το διάστημα, είτε γιατί τα φύλλα των δέντρων πέφτουν και το ραδιοκαίσιο που έχει συγκεντρωθεί σε αυτά «περνάει» μέσα από βιολογικές εργασίες αποσύνθεσης στο έδαφος. Τέλος, στον Πίνακα 8 παρουσιάζονται οι συγκεντρώσεις του 137 Cs για διάφορες ημερομηνίες σε περίοδο σχεδόν ενός έτους από τη στιγμή του ατυχήματος για την περιοχή της Θεσσαλονίκης ενώ στην Εικόνα 9 φαίνεται η διαδρομή που ακολούθησαν τα εκπεμπόμενα ραδιονουκλίδια την περίοδο 1, 5 και 6 Μαΐου του

26 Πίνακας 8: Συγκεντρώσεις του 137 Cs στο έδαφος, στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, την περίοδο (Papastefanou, et al., 1988). Ημέρα Συλλογής Δείγματος Μετρούμενη Ενεργότητα (Bq/kg) 17 Μαΐου 663 ± 2 11 Αυγούστου 510 ± 2 4 Σεπτεμβρίου 296 ± 1 15 Οκτωβρίου 204 ± 1 15 Νοεμβρίου 152 ± 1 1 Δεκεμβρίου 248 ± 1 15 Δεκεμβρίου 502 ± 2 2 Ιανουαρίου 217 ± 1 20 Ιανουαρίου 119 ± 1 16 Μαρτίου 104 ± 1 15 Απριλίου 112 ± 2 Εικόνα 9: Η διαδρομή των ραδιονουκλιδίων την περίοδο 1 6 Μαΐου

27 Κεφάλαιο 4 ο Δοσιμετρία Περιβάλλοντος και Ραδιοπροστασία 4.1 Δόση από Ακτινοβολία Δόση Έκθεσης Είναι το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο Δq που απελευθερώνεται από την κίνηση ακτινοβολίας όπως για παράδειγμα ακτίνες Χ ή γάμμα και την αλληλεπίδραση της με την ύλη δια των ιόντων και ηλεκτρονίων που παράγονται σε στοιχείο όγκου του αέρα μάζας Δm και δίνεται από τον λόγο: Χ = Δq Δm Μονάδα της δόσης έκθεσης είναι το Roentgen (R) το οποίο ισούται με την ποσότητα της ακτινοβολίας που παράγει ιονισμό ίσο με 1 esu σε ένα cm 3 αέρα STP (Παπαστεφάνου, 2001). Συνεπώς είναι: 1 R = Cb/kg (Coulomb/kg αέρα) =87.7 erg/g και αντιστοιχεί σε ζεύγη ιόντων ανά g αέρα ενώ απαιτούνται 34 ev ανά ζεύγος ιόντων. Στο σύστημα SI 4 που είναι το πλέον αποδεκτό σήμερα, μονάδα δόσης έκθεσης στην ακτινοβολία είναι το 1 Cb/kg. Συνεπώς σύμφωνα με τα παραπάνω θα είναι: 1 Cb/kg = 3876 R 5 Ως μέσον έκθεσης λαμβάνεται ο αέρας, αφού ο ενεργός ατομικός αριθμός του Z eff δεν διαφέρει και πολύ από εκείνον του ανθρωπίνου ιστού σε σχέση με τα βιολογικά φαινόμενα των ακτινών Χ. είναι: Ως ρυθμός της δόσης έκθεσης ακτινοβολίας γάμμα σύμφωνα με τα παραπάνω θα Χ = dx dt = I E (μ α ρ ) mr/h air Όπου: Ι είναι η ένταση της ακτινοβολίας γάμμα, σε φωτόνια/cm 2 sec, E είναι η ενέργεια της ακτινοβολίας γάμμα, σε MeV, ( μ α ) είναι ο μαζικός συντελεστής απορρόφησης στον αέρα για την ενέργεια Ε σε cm 2 /g. ρ air 4 Διεθνές Σύστημα Μονάδων ή διεθνώς SI, στα γαλλικά: Le Système International d'unités ή «Μετρικό Σύστημα» 5 e = , esu = Cb, 1 esu = Cb 26

28 4.1.2 Δόση Απορρόφησης ή Απορροφούμενη Δόση Είναι η ενέργεια της ιονίζουσας ακτινοβολίας, ΔΕ D η οποία απορροφάται τοπικά από στοιχείο μάζας Δm του μέσου απορρόφησης όπως για παράδειγμα ενός μαλακού ιστού και δίνεται από τον λόγο: Είναι δε: D = ΔΕ D Δm ΔΕ D = E in E out Μονάδα της δόσης απορρόφησης είναι το Rad (rad) για το οποίο ισχύει ότι: 1 rad = 100 erg/g μέσου Στο σύστημα SI, μονάδα της δόσης απορρόφησης είναι το Gray (Gy) για το οποίο ισχύει : 1 Gy = 1 J/kg ή 1 Gy = 100 rad ή τέλος: Όπου: 1 rad = 0.01 Gy = 10 mgy. Ως ρυθμός της δόσης απορρόφησης ακτινοβολίας γάμμα ορίζεται το: D = dd dt = I E (μ α ρ ) tis ( μ α ) είναι ο μαζικός συντελεστής απορρόφησης στον ιστό. ρ tis mrad/h Ισοδύναμη Δόση ή Βιολογική Δόση ή RBE 6 Δόση Είναι το γινόμενο της δόσης απορρόφησης, D επί τον παράγοντα ποιότητας της ακτινοβολίας, Q και δίνεται από την σχέση: H = D Q Τα διάφορα είδη των ακτινοβολιών για διάφορες ενέργειες προκαλούν διάφορα βιολογικά φαινόμενα στους ιστούς για την ίδια απορροφούμενη δόση. Μέτρο της ισοδύναμης δόσης είναι ο παράγοντας ποιότητας Q που παρουσιάζεται στον Πίνακα 9 για τα διάφορα είδη ακτινοβολιών. 6 Relative Biological Effectiveness, η σχετική βιολογική δραστικότητα 27

29 Πίνακας 9: Παράγοντας Ποιότητας για τις Διάφορες Ακτινοβολίες (Παπαστεφάνου, 2001). Είδος Ακτινοβολίας Παράγοντας Ποιότητας Q Ακτίνες Χ και Ακτίνες γ 1 Ακτίνες β, Ε max >0.03 MeV 1 Ακτίνες β, Ε max <0.03 MeV 1.7 Σωμάτια άλφα Φυσικών Ραδιενεργών 10 Βαρείς Πυρήνες κατά την Ανάκρουση 20 Νετρόνια: Θερμικά < 1 kev 2 < 10 kev 2.5 < 100 kev 7.5 < 500 kev 11 < 1 MeV 11 < 2.5 MeV 9 < 5 MeV 8 < 7 MeV 7 < 10 MeV 6.5 < 14 MeV 7.5 < 20 MeV 8 Ενέργεια μη Καθορισμένη 10 Μονάδα της ισοδύναμης δόσης είναι το Rem (rem). Συνεπώς θα είναι: H(rems) = D(rads) Q Στο σύστημα SI, μονάδα ισοδύναμης δόσης είναι το Sievert (Sv) για το οποίο ισχύει η ισότητα: 1 Sv = 100 rems ή 1 Sv = 1 J/kg ή 1 rem = 0.01 Sv = 10 msv Η ισοδύναμη δόση εκφράζει τον συνολικό κίνδυνο στους ανθρώπους που ακτινοβολήθηκαν από διαφορετικά είδη ακτινοβολιών Ενεργός Δόση ή Ενεργός Ισοδύναμη Δόση Για στοχαστικά φαινόμενα η ισοδύναμη δόση πολλαπλασιάζεται με τον παράγοντα βάρους W T του οργάνου ή του ιστού που ακτινοβολείται και δίνει την ενεργό ισοδύναμη δόση (E). Οι τιμές του παράγοντα βάρους δίνονται από τον Πίνακα

30 Πίνακας 10 : Τιμές του Παράγοντα Βάρους W T (Παπαστεφάνου, 2001). Ιστός Παράγοντας Βάρους W T Γεννητικοί Αδένες 0.25 Θώρακας 0.15 Μυελός των Οστών 0.12 Πνεύμονες 0.12 Θυροειδής 0.03 Επιφάνειες Οστών 0.03 Λοιποί Ιστοί 0.3 Σύνολο: Δόση Πληθυσμού Όταν ένα σύνολο πληθυσμού ακτινοβοληθεί τότε η μέση ισοδύναμη δόση για το κάθε άτομο της ομάδας πολλαπλασιάζεται επί το σύνολο των ατόμων και δίνει την δόση πληθυσμού η οποία εκφράζεται σε Person Sieverts (person Sv) ή σε man rems Kerma 7 To kerma είναι το πηλίκο της ενέργειας ΔΕ k δια του στοιχείου μάζας Δm του μέσου, δηλαδή: Κ = ΔΕ k Δm erg/g Όπου ΔΕ k είναι το άθροισμα της αρχικής κινητικής ενέργειας όλων των φορτισμένων σωματιδίων που απελευθερώνονται με τον έμμεσο ιονισμό που προκαλούν οι ακτίνες Χ, οι ακτίνες γάμμα και τα νετρόνια σε στοιχείο όγκου μάζας Δm και περιλαμβάνει και την ακτινοβολία πέδησης που τα παραγόμενα σωματίδια ακτινοβολούν με τις κρούσεις τους με την ύλη. Ακόμα περιλαμβάνεται η ενέργεια κάθε φορτισμένου σωματιδίου που παράγεται δευτερογενώς όπως για παράδειγμα τα ηλεκτρόνια Auger (Παπαστεφάνου, 2001). 7 Kinetic Energy Released in Material, η κινητική ενέργεια που αποδίδεται στο μέσο. 29

31 4.2 Όρια στην Έκθεση και Μέγιστη Επιτρεπτή Δόση Γενική πρακτική για την υγεία των ανθρώπων είναι θα θεσπίζονται χαμηλότερα όρια στην έκθεση στις ακτινοβολίες για τον γενικό πληθυσμό, από ότι στους εκτιθέμενους στις ακτινοβολίες επαγγελματίες. Αυτό συμβαίνει επειδή αρχικά ένα άτομο που εκτίθεται στις ακτινοβολίες στον χώρο εργασίας του δέχεται έναν κίνδυνο ο οποίος όμως δεν είναι μεγαλύτερος από οποιονδήποτε άλλο που μπορεί να δεχθεί ως μέρος του σύγχρονου τρόπου ζωής. Τα άτομα αυτά, επίσης, εκτίθενται ενσυνείδητα σε ακτινοβολίες και γνωρίζουν μέσα από συστηματικό έλεγχο,όπως παραδείγματος χάρη δοσίμετρα, το ποσοστό της ακτινοβολίας που έχουν λάβει. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αυτό που θα απασχολήσει το ενδιαφέρον μας είναι η έκθεση του γενικού πληθυσμού (Παπαστεφάνου, 2010). Η μέγιστη επιτρεπτή δόση έχει καθοριστεί από την ICRP 8 και είναι ίση με 20 msv (2 rem) ανά έτος ολόσωμης δόσης για τους εργαζόμενους σε ακτινοβολίες ενώ για τον υπόλοιπο πληθυσμό η μέγιστη επιτρεπτή δόση είναι ίση με 1 msv (0.1 rem) ανά έτος. Στον Πίνακα 11 παρουσιάζονται τα επιτρεπτά όρια δόσης για διαφορετικά όργανα του ανθρωπίνου σώματος. Ισοδύναμη Δόση Ενεργός Δόση Φακοί των Ματιών Πίνακας 11: Μέγιστα Επιτρεπτά Όρια Δόσης (ICRP,2008) Εκτιθέμενοι Επαγγελματικά 20 msv ανά έτος, αναλογικά σε μια περίοδο πέντε ετών χωρίς καμία χρονιά να ξεπερνάει τα 50 msv 20 msv ανά έτος, αναλογικά σε μια περίοδο πέντε ετών χωρίς καμία χρονιά να ξεπερνάει τα 50 msv Γενικός Πληθυσμός 1 msv ανά έτος 15 msv σε ένα έτος Δέρμα 500 msv ανά έτος 50 msv σε ένα έτος Χέρια και Πόδια 500 msv ανά έτος - Μυελός των Οστών 500 msv ανά έτος - Οστά 300 msv ανά έτος - Θυροειδής Αδένας 300 msv ανά έτος - Κορμός 500 msv ανά έτος - Κεφαλή 500 msv ανά έτος - Άλλα Μεμονωμένα Όργανα 500 msv ανά έτος - 8 ICRP, η Διεθνής Επιτροπή για την Προστασία από τις Ακτινοβολίες 30

32 4.3 Ενεργός Δόση από την Διασπορά του 137 Cs στο Χερσαίο Περιβάλλον Τα ραδιοϊσότοπα τα οποία υπάρχουν στο έδαφος έχουν σημαντικές επιπτώσεις στα ποσοστά της ραδιενέργειας υπεδάφους τα οποία έχουν παρουσιαστεί και στον Πίνακα 1. Την τελευταία δεκαετία αρκετές ερευνητικές εργασίες έχουν προσπαθήσει να παρουσιάσουν την ενεργό δόση της γάμμα ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ραδιοϊσότοπα στον αέρα σε απόσταση ενός μέτρου από το έδαφος (Taskin, et al., 2008). Για να υπολογίσει κάποιος την ενεργό ετήσια δόση που δέχεται κάποιο άτομο λόγω του Καισίου 137 χρησιμοποιείται η εξίσωση (UNSCEAR, 2013): Όπου: D ( nsv h ) = 1,72 A Cs ( Bq m 2) D είναι η ενεργός δόση, σε nsv/h. Α Cs είναι η συγκέντρωση του 137 Cs, σε Bq/m 2 σε καθένα από τα δείγματα χώματος που θα αναλυθούν στην συνέχεια. Όμως για να μετατραπούν τα Bq/kg σε Bq/m 2, πολλαπλασιάζεται η ενεργότητα με το 24 γιατί: Όπου: Bq kg gr Bq 1, m = 24 cm3 m 2 Bq/kg είναι η μετρούμενη ενεργότητα, 1.6 gr/cm 3 η πυκνότητα του εδάφους και m είναι το βάθος από το οποίο συλλέχθηκαν τα δείγματα. Στην συνέχεια για να υπολογιστεί η ενεργός ετήσια δόση αρκεί να γίνει η μετατροπή των nsv/ώρα σε msv/έτος, πράγμα εύκολο αφού γνωρίζουμε πως ένα έτος έχει περίπου 8760 ώρες. Ο πειραματικός υπολογισμός γίνεται στο τελευταίο κεφάλαιο. Αξίζει να σημειωθεί πως η διασπορά του 137 Cs στο χερσαίο περιβάλλον και η αντίστοιχη δόση που θα υπολογιστεί αποτελεί στο μεγαλύτερο μέρος αντίκτυπο του ατυχήματος του Τσέρνομπιλ στην Ελλάδα, όπως αναλύθηκε στο Κεφάλαιο 3. Αυτό βέβαια είναι προφανές εάν κανείς λάβει υπόψιν του πως στην Ευρώπη, οι μεγαλύτερες ενεργές δόσεις τον πρώτο χρόνο του ατυχήματος ήταν 760 μsv στην Βουλγαρία, 670 μsv στην Αυστρία, 570 μsv στην Ρουμανία και τέλος, 590 μsv στην Ελλάδα (UNSCEAR, 2008). Οι δόσεις σε πιο δυτικές χώρες της Ευρώπης καθώς και στις χώρες της Ασίας, Αφρικής και Βόρειας και Νότιας Αμερικής ήταν πολύ πιο μικρές, κάτι το οποίο σύμφωνα με τα θεωρητικά δεδομένα της διασποράς των ραδιονουκλιδίων είναι κάτι απολύτως λογικό. 31

33 Κεφάλαιο 5 ο Φασματοσκοπία γ 5.1 Βασικές Αρχές Λειτουργίας Η γ φασματοσκοπία στηρίζεται στο γεγονός ότι σχεδόν όλα τα υλικά περιέχουν ποσότητες ραδιοϊσοτόπων που εκπέμπουν γ ακτινοβολία. Το κάθε ενεργειακό φάσμα της ακτινοβολίας είναι χαρακτηριστικό του νουκλιδίου που την εκπέμπει. Έτσι λοιπόν, μπορούμε να συγκεντρώσουμε ικανές πληροφορίες για τον τύπο κάποιου στοιχείου στο υλικό στο οποίο γίνεται η μέτρηση. Οι ακτίνες γάμμα εκπέμπονται κατά την αποδιέγερση των πυρήνων, συνήθως μετά από την εκπομπή ακτινών άλφα και βήτα. Η προέλευση των ακτινών γάμμα οφείλεται στο θυγατρικό πυρήνα, αλλά έχει επικρατήσει να αποδίδεται στο πατρικό ισότοπο. Αντικείμενο της ενεργειακής φασματοσκοπίας των ακτινών γάμμα είναι η ανίχνευση και ταυτοποίηση των κορυφών που παρουσιάζονται στο ενεργειακό φάσμα και η ποιοτική εκτίμηση των διαφόρων ισοτόπων που εμφανίζονται σε αυτό. Είναι απαραίτητη: η γνώση της απόδοσης του ανιχνευτή στη συγκεκριμένη ενέργεια, της γεωμετρίας δείγματος ανιχνευτή, του ποσοστού εκπομπής της εν λόγω ακτινοβολίας-γ προκειμένου να γίνει αναγωγή από τη μετρούμενη ποσότητα ακτινοβολίας στη συγκέντρωση του ισοτόπου στο δείγμα. Η γ ακτινοβολία όμως εκτός από το ότι είναι ένα μέρος της ιοντίζουσας ακτινοβολίας αποτελεί και ένα κομμάτι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας η οποία χαρακτηρίζεται από τη συχνότητα της ακτινοβολίας ή από το μήκος κύματός της. Εικόνα 10: Το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 32

34 5.2 Η Φύση των Ανιχνευτών Ημιαγωγών Βασίζονται στην ανίχνευση φορέων φορτίου (οπές και ηλεκτρόνια) που παράγονται στους ημιαγωγούς από την ενέργεια που αποθέτουν τα φωτόνια γ. Ουσιαστικά, στους ανιχνευτές ημιαγωγών, εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο στον όγκο του ανιχνευτή. Ένα ηλεκτρόνιο του ημιαγωγού στην ζώνη σθένους μεταπίπτει στην ζώνη αγωγιμότητας όταν λάβει αρκετή ενέργεια από την αλληλεπίδραση με τα φωτόνια γ. Τα ηλεκτρόνια στην ζώνη αγωγιμότητας αντιδρούν στο ηλεκτρικό πεδίο του ανιχνευτή και μετακινούνται προς την θετική επαφή. Το κενό που δημιουργείται από το κινούμενο ηλεκτρόνιο ονομάζεται οπή, και γεμίζει από κοντινό ηλεκτρόνιο. Αυτή η ολίσθηση των οπών πρακτικά μετακινεί το θετικό φορτίο στην αρνητική επαφή. Η άφιξη του ηλεκτρονίου στην θετική επαφή και της οπής στην αρνητική παράγουν ηλεκτρικό σήμα το οποίο οδηγείται στον προενισχυτή και συνεχίζει διαμέσου του συστήματος για να αναλυθεί. Στα ελεύθερα άτομα, όπου οι μεταξύ τους αποστάσεις είναι μεγάλες, τα ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν ενέργειες σε καλά διακριτές στάθμες. Στους κρυστάλλους τα άτομα βρίσκονται στο χώρο σε θέσεις περιοδικού πλέγματος και οι μεταξύ τους αποστάσεις είναι της τάξης του Angstrom, οπότε εξαιτίας των αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων των ατόμων κάθε ενεργειακή στάθμη διευρύνεται, με αποτέλεσμα, αντί της διακριτής επιτρεπτής ενεργειακής στάθμης, να υπάρχει επιτρεπτή ενεργειακή ζώνη του ηλεκτρονίου. Γενικά υπάρχουν επικαλύψεις των ενεργειακών ζωνών και η ενέργεια οποιουδήποτε ηλεκτρονίου καθαρού υλικού, δηλαδή υλικού χωρίς προσμίξεις, περιορίζεται σε αυτές τις ζώνες. Υπάρχουν στερεά όπου οι επιτρεπόμενες ενεργειακές ζώνες διαχωρίζονται από μη επιτρεπόμενες ενεργειακές ζώνες. Τα ηλεκτρόνια των καθαρών υλικών δεν μπορούν να έχουν ενέργειες εντός των μη επιτρεπόμενων ενεργειακών ζωνών (Malvino, 2016). Εικόνα 11: Ζώνες σθένους και αγωγιμότητας σε μονωτές, ημιαγωγούς και μέταλλα Η ζώνη σθένους αντιστοιχεί στις ενέργειες των ηλεκτρονίων σθένους. Αυτά είναι δεσμευμένα στις συγκεκριμένες θέσεις της κρυσταλλικής δομής. Η ζώνη αγωγιμότητας αντιστοιχεί στις ενέργειες των ηλεκτρονίων που είναι ελεύθερα να διακινηθούν δια της κρυσταλλικής δομής, εφ όσον εφαρμοσθεί στο υλικό ηλεκτρικό πεδίο. Στους μονωτές και τους ημιαγωγούς οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας διαχωρίζονται από την απαγορευμένη ζώνη, η οποία για μεν τους μονωτές έχει εύρος E g συνήθως μεγαλύτερο από 5 ev, ενώ στους ημιαγωγούς το E g είναι πολύ μικρότερο, της τάξης του 1 ev. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων και στις δύο περιπτώσεις είναι αρκετός για να συμπληρωθούν όλες οι διαθέσιμες θέσεις στη 33

35 ζώνη σθένους. Έτσι στη θερμοκρασία του απολύτου μηδενός η ζώνη σθένους είναι απολύτως γεμάτη και η ζώνη αγωγιμότητας απολύτως κενή. Ως εκ τούτου μονωτές και ημιαγωγοί έχουν στην κατάσταση αυτή μηδενική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα ηλεκτρόνια σθένους μοιράζονται ένα μέρος της θερμικής κίνησης των ατόμων του κρυστάλλου. Είναι έτσι δυνατόν κάποια ηλεκτρόνια σθένους να αποκτήσουν ικανή θερμική ενέργεια, μεγαλύτερη από το εύρος E g της απαγορευμένης ζώνης και να βρεθούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Στην περίπτωση αυτή είναι δυνατόν το ηλεκτρόνιο να απομακρυνθεί από τη συγκεκριμένη θέση στην κρυσταλλική δομή και να είναι διαθέσιμο για διακίνηση στον κρύσταλλο. Απομακρυνόμενο από τη συγκεκριμένη θέση, αφήνει στη θέση αυτή κενό ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή μια οπή. Υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου το ηλεκτρόνιο αυτό κινείται και η οπή, αντιπροσωπεύοντας θετικό ηλεκτρικό φορτίο, κινείται στην αντίθετη του ηλεκτρονίου κατεύθυνση, υπό την έννοια ότι ηλεκτρόνιο σθένους γειτονικό της οπής συμπληρώνει την αρχική οπή, αφήνοντας οπή στη θέση του κ.ο.κ. Το ζεύγος ηλεκτρονίουοπής στους ημιαγωγούς είναι περίπου ανάλογο του ζεύγους ιόντων στα αέρια. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων οπών συμβάλλουν έτσι στην αγωγιμότητα του κρυστάλλου. Η ανά μονάδα χρόνου πιθανότητα θερμικού σχηματισμού ζεύγους ηλεκτρονίου οπής δίνεται από τη σχέση: Όπου: P(T) = CT 3/2 e E g 2kT Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία του κρυστάλλου, k η σταθερά του Boltzmann, C σταθερά αναλογίας χαρακτηριστική του υλικού. Στους μονωτές όπου το εύρος E g είναι μεγάλο, η πιθανότητα σχηματισμού ζεύγους ηλεκτρονίου-οπής από θερμική διέγερση είναι μικρή. Αντίθετα στους ημιαγωγούς όπου το εύρος E g είναι μικρό η θερμική διέγερση μπορεί να προκαλέσει αξιόλογη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η αλληλεπίδραση ιοντίζουσας ακτινοβολίας με το υλικό του ημιαγωγού διεγείρει πλήθος ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας με ταυτόχρονη παραγωγή αντίστοιχων οπών. Η μέση ενέργεια που απαιτείται να εναποτεθεί από την ακτινοβολία προκειμένου να παραχθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου οπής ονομάζεται ενέργεια ιοντισμού και παρατηρείται πειραματικά ότι είναι ανεξάρτητη από το είδος ιοντισμού και την ενέργεια του σωματιδίου. Κατά συνέπεια το πλήθος των ζευγών, άρα και το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο που παράγεται στον κρύσταλλο, είναι μέτρο της ενέργειας του σωματιδίου, υπό την προϋπόθεση ότι το σωματίδιο εναποθέτει όλη την ενέργειά του και σταματά εντός του κρυστάλλου (Malvino, 2016). Η ενέργεια ιοντισμού σε ημιαγωγό ανιχνευτή, όπως π.χ. σε κρύσταλλο γερμανίου ή πυριτίου, είναι περίπου 3 ev, ενώ η απαιτούμενη ενέργεια για την παραγωγή ζεύγους ιόντων σε ανιχνευτή αερίου είναι περίπου 30 ev. Κατά συνέπεια για δεδομένη ενέργεια εναπόθεσης, ο αριθμός ζευγών φορέων φορτίου και το μέγεθος του παραγόμενου ηλεκτρικού φορτίου είναι μεγάλος. Αυτό συνιστά και το κύριο πλεονέκτημα των ημιαγωγών ανιχνευτών με συνέπειες: Αυξημένο λόγο σήματος προς θόρυβο. Βελτιωμένη ενεργειακή διακριτική ικανότητα. Έτσι, ένας ιδανικός ανιχνευτής θα πρέπει να αποτελείται από υλικά ημιαγωγών που (Gilmore, 2008): 34

36 Έχουν όσο τον δυνατό μεγάλο ατομικό αριθμό. Παρέχουν μεγάλο ποσοστό ηλεκτρονίων οπών. Παρέχουν καλή δυνατότητα μετακίνησης των ηλεκτρονίων στις οπές και το αντίθετο. Είναι διαθέσιμοι σε μεγάλο ποσοστό σε διαχειρίσιμο κόστος. Οι ημιαγωγοί ανιχνευτές κατασκευάζονται συνήθως από πυρίτιο (Si) ή γερμάνιο (Ge). Οι απολύτως καθαροί ημιαγωγοί, αυτοί δηλαδή χωρίς την παραμικρή πρόσμιξη, ονομάζονται ενδογενείς ημιαγωγοί. Σε αυτούς όλα τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας προκύπτουν από θερμική διέγερση, εφόσον δεν έχουν παραχθεί από αλληλεπίδραση με ιοντίζουσες ακτινοβολίες. Εφόσον κάθε ηλεκτρόνιο που διεγείρεται στη ζώνη αγωγιμότητας αφήνει πίσω του μία θετική οπή, έπεται ότι στους ενδογενείς ημιαγωγούς η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι ίση με τη πυκνότητα των οπών. Βέβαια, είναι αδύνατο να παρασκευαστούν ενδογενείς ημιαγωγοί. Τα πραγματικά υλικά περιέχουν πάντα πολύ μικρές ποσότητες προσμίξεων, που καθορίζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών (Gilmore, 2008). 5.3 Ανιχνευτές Υψηλής Καθαρότητας (HPGe) Το γερμάνιο (Ge) έχει μεγάλο ατομικό αριθμό τριάντα δύο κάτι το οποίο βοηθάει στο να ανιχνεύει γάμμα ακτινοβολία μεγαλύτερης ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια ένας νέος τύπος ανιχνευτή γερμανίου αυτός που περιέχει κρύσταλλο υπερκαθαρού γερμανίου (High Purity Germanium ή HPGe) έχει αναπτυχθεί λόγω της ζήτησης τέτοιου είδους ανιχνευτών. Ο κρύσταλλος αυτός εξασφαλίζει πολύ καλή διακριτική ικανότητα καθώς και μεγάλο χρόνο ζωής χωρίς να υπάρξουν αλλοιώσεις στην διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή, ικανές να επηρεάσουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Το γερμάνιο βέβαια είναι το μόνο το οποίο πρέπει να βρίσκεται συνεχώς σε μικρή θερμοκρασία (77 K) για να αποφεύγεται η μεγιστοποίηση του ρεύματος διαρροής, κάτι που θα οδηγούσε στην καταστροφή τη περιοχής αντιστάθμισης Σχεδιασμός της Θωράκισης του Ανιχνευτή Ge Η θωράκιση των ανιχνευτών Ge που χρησιμοποιούνται στη γ φασματοσκοπία στοχεύει στο να υπάρξει μείωση του ποσοστού της ακτινοβολίας που φθάνει στον ανιχνευτή από πηγές υποστρώματος. Η ακτινοβολία υποστρώματος προέρχεται από το φυσικό ραδιενεργό ισότοπο 40 K, τα νουκλίδια των τριών φυσικών σειρών και από την κοσμική ακτινοβολία. Η θωράκιση των ανιχνευτών είναι συνήθως από μόλυβδο, αλλά μπορεί να είναι και από σίδηρο, ενώ πάντα συμπεριλαμβάνεται και ένα λεπτό πάχος καδμίου, χαλκού ή κασσίτερου. Το πάχος της θωράκισης καθορίζει και το βαθμό μείωσης της ακτινοβολίας υποστρώματος. Όμως παρατηρείται πως ένα μεγαλύτερο πάχος σιδήρου ή χαλκού θα απαιτούνταν για να παρέχει τον ίδιο βαθμό θωράκισης με το μόλυβδο. Έτσι, για λόγους κόστους, ο σίδηρος μπορεί να θεωρηθεί ως καλύτερη επιλογή. Ο σίδηρος όμως είναι συχνά μολυσμένος με 60 Co και δεν αποτελεί την πρώτη επιλογή. Φωτοηλεκτρική απορρόφηση των γάμμα φωτονίων από τη μολύβδινη θωράκιση μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές και εν δυνάμει ανεπιθύμητες κορυφές φθορισμού ακτινών Χ του μόλυβδου στο φάσμα ακτινών γάμμα. Αυτές μπορούν εύκολα να 35

37 απορροφηθούν από ένα στρώμα ενός ελαφρύτερου στοιχείου που τοποθετείται στο εσωτερικό της θωράκισης. Είναι γνωστό πως απαιτούνται 10 mm χαλκού για να μειώσουν την ένταση κατά ένα συντελεστή 1000 αλλά μόνο 3 mm του καδμίου ή κασσίτερου. Σε περίπτωση που χρησιμοποιείται κάδμιο αντί για χαλκό, όπως είναι σύνηθες, τότε χρειάζεται να αφαιρεθούν οι ακτίνες Χ φθορισμού του καδμίου που παράγονται. Σε αυτή την περίπτωση αρκούν 7 mm χαλκού για να επιτευχθεί (Gilmore, 2008). Η βέλτιστη θωράκιση, λοιπόν, για ένα τυπικό σύστημα γάμμα φασματοσκοπίας δεν χρειάζεται παραπάνω από 100 mm μόλυβδου, 3 mm καδμίου ή κασσίτερου και 0,7 mm χαλκού Σύστημα Ψύξης στον Ανιχνευτή Ge Οι ανιχνευτές γερμανίου λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες ώστε να μειώνεται ο ηλεκτρονικός θόρυβος και με αυτόν τον τρόπο να επιτυγχάνεται όσο το δυνατόν υψηλότερη ανάλυση. Για το λόγο αυτό, ο ανιχνευτής πρέπει να είναι τοποθετημένος μέσα σε κρυοστάτη. Η κατασκευή του κρυοστάτη θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τους εξής παράγοντες: Ο ανιχνευτής πρέπει να διατηρείται σε μια θερμοκρασία κοντά στους 77 K. Ο ανιχνευτής πρέπει να διατηρείται υπό καθαρό κενό ώστε να εμποδίζεται η συμπύκνωση στον ανιχνευτή. Πρέπει να υπάρχουν ηλεκτρικές δεξαμενές τροφοδοσίας για να λαμβάνουν το σήμα από τον ανιχνευτή. Το καπάκι του ανιχνευτή πρέπει να είναι αρκετά λεπτό, ώστε να επιτρέπει στη γ- ακτινοβολία να διεισδύει στον ανιχνευτή, αλλά να μπορεί να αντέξει το κενό και να παρέχει έναν ικανοποιητικό βαθμό προστασίας στον ανιχνευτή. Η κατασκευή του κρυοστάτη, πρέπει να απομονώνει, όσο είναι δυνατό, τον ανιχνευτή από μηχανικές δονήσεις (αντι-μικροφωνική συναρμολόγηση). Έχει προταθεί ότι ακόμα και ελαφρές δονήσεις που προκαλούνται από το βρασμό του αζώτου, μπορούν να προκαλέσουν μία συγκεκριμένη ποσότητα ηλεκτρονικού θορύβου. Τα υλικά από τα οποία θα κατασκευαστεί ο κρυοστάτης, ίσως να πρέπει να επιλεχθούν ειδικά, εάν το σύστημα του ανιχνευτή προορίζεται για χαμηλές μετρήσεις υποβάθρου. ` Το καλύτερο μέσο παροχής κατάλληλης χαμηλής θερμοκρασίας είναι το υγρό άζωτο (σημείο βρασμού 77 K). Το υγρό άζωτο είναι άμεσα διαθέσιμο στα περισσότερα εργαστήρια γ-φασματοσκοπίας, αλλά για τη χρήση του σε τοποθεσίες απομακρυσμένες από προμηθευτή υγρού αζώτου πρέπει να γίνουν άλλες διευθετήσεις. Η γενική ρύθμιση του ανιχνευτή μέσα στον κρυοστάτη παρουσιάζεται στην Εικόνα 11. Είναι σημαντικό η συνολική χωρητικότητα εισόδου στον προενισχυτή, η οποία περιλαμβάνει τον ανιχνευτή και την καλωδίωση να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Επίσης υπάρχουν πλεονεκτήματα και μείωση του θορύβου εάν ορισμένα στοιχεία του προενισχυτή ψύχονται. Για το λόγο αυτό, είναι θέμα ρουτίνας να τοποθετείται ο προενισχυτής κοντά στον ανιχνευτή. Στα σύγχρονα συστήματα, συχνά ο προενισχυτής τοποθετείται μέσα σε μια επέκταση του περιβλήματος του ανιχνευτή (Gilmore, 2008). 36

38 Εικόνα 12: Μια τυπική κατασκευή ενός Ανιχνευτή Γερμανίου 5.4 Χαρακτηριστικά Μεγέθη Ανιχνευτών Τα μεγέθη που χαρακτηρίζουν έναν ανιχνευτή είναι τα ακόλουθα: Πάχος παραθύρου : Για να φτάσει ένα φωτόνιο στην ευαίσθητη περιοχή του ανιχνευτή θα πρέπει πρώτα να περάσει από την περιοχή που χαρακτηρίζεται ως «νεκρή ζώνη». Η νεκρή αυτή ζώνη ονομάζεται παράθυρο του ανιχνευτή και το εύρος της, πάχος παραθύρου. Επιφάνεια ανιχνευτή : Χαρακτηρίζεται ως η τομή της ευαίσθητης περιοχής του ανιχνευτή, που είναι κάθετη προς τη διεύθυνση κατά την οποία επιτρέπεται η είσοδος των φωτονίων στον ανιχνευτή. Ρεύμα διαρροής : Χαρακτηρίζεται το ρεύμα που διαρρέει τον ανιχνευτή, όταν σε αυτόν έχει εφαρμοστεί η τάση λειτουργίας και δεν είναι εκτεθειμένος σε ακτινοβολία. Αποτελείται από δύο συνιστώσες. Η μία οφείλεται στην επιφανειακή διαρροή φορτίων και η άλλη στην κίνηση των φορέων μειονότητας (ρεύμα ανάστροφης πόλωσης). Διακριτική ικανότητα : Με τον όρο αυτό δηλώνεται η ικανότητα του ανιχνευτή να διακρίνει δύο φωτόνια με παραπλήσιες ενέργειες και βεβαία όσο μικρότερο είναι το μέγεθος R που την ορίζει τόσο καλύτερη είναι αυτή η διάκριση: R = R i 2 2 Όπου το Ri οφείλεται σε διάφορους παράγοντες όπως η στατιστικότητα του φαινομένου της δημιουργίας οπών και ηλεκτρονίων, ο θόρυβος του ανιχνευτή και του ενισχυτή, η ανομοιογένεια του κρυσταλλικού πλέγματος του ημιαγωγού, το μη σταθερό εύρος της περιοχής, η ποικιλία των γωνιών πρόσπτωσης των σωματιδίων, το μεταβλητό πλάτος του παραθύρου από τη μία θέση στην άλλη. Συντελεστής απόδοσης (Ν 0/φ) : Ο συντελεστής αυτός σχετίζεται με την εσωτερική απόδοση του ανιχνευτή, η οποία ορίζεται από το λόγο του αριθμού ασκέδαστων 37

39 φωτονίων που καταγράφει ο ανιχνευτής προς τον αριθμό των προσπιπτόντων ασκέδαστων φωτονίων. Η εσωτερική απόδοση του ανιχνευτή είναι αδιάστατος αριθμός σε αντίθεση με το συντελεστή N 0/φ που έχει διαστάσεις ( cpm 1 ) φωτόνια cm 2 sec και εκφράζει το λόγο του ρυθμού των ασκέδαστων φωτονίων που καταγράφει ο ανιχνευτής (για δέσμη φωτονίων κάθετη στο παράθυρο του ανιχνευτή) προς τη ροή των προσπιπτόντων ασκέδαστων φωτονίων. 5.5 Άλλα Υλικά που Χρησιμοποιούνται στους Ανιχνευτές Ημιαγωγών Υπάρχουν και άλλοι ημιαγωγοί, η χρήση των οποίων, εάν οι ιδιότητες τους ήταν ιδανικές, θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν το γερμάνιο. Αυτά έχουν όντως μεγαλύτερη απαγορευμένη περιοχή και επομένως υπερτερούν στον συγκεκριμένο τομέα αφού μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία δωματίου. Από αυτά μόνο το τελλουριούχο κάδμιο και ο ιωδιούχος υδράργυρος χρησιμοποιούνται στην εμπορική παραγωγή με περιορισμένες όμως εφαρμογές. Έχοντας υψηλό ατομικό αριθμό καθώς και μεγάλο συντελεστή απορρόφησης μπορούν να χαρακτηριστούν κατάλληλα υλικά για ανιχνευτές. Για παράδειγμα, 2 mm, τελλουριούχου καδμίου είναι ισοδύναμα με 10 mm γερμανίου όσον αφορά την απορρόφηση ακτινών γ. Στην πράξη όμως, η χρήση τους περιορίζεται από διάφορους παράγοντες. Κατά πρώτο λόγο είναι η διαθεσιμότητα του υλικού με μια ικανοποιητική κρυστάλλινη τελειότητα. Οι πιο θεμελιώδεις όμως περιορισμοί προκύπτουν από την κίνηση των ηλεκτρικών φορέων. Η κινητικότητα των ηλεκτρικών φορέων σε αυτά τα υλικά είναι πολύ χαμηλότερη από την κινητικότητα των ηλεκτρικών φορέων του γερμανίου. Η κινητικότητα των οπών (που είναι ευαίσθητες στην παγίδευση), είναι πολύ χαμηλότερη από την κινητικότητα των ηλεκτρονίων. Σε αυτή την ιδιότητα οφείλεται το πρόβλημα της συσσώρευσης ηλεκτρικών φορέων στους ανιχνευτές. Στην πραγματικότητα η παγίδευση των οπών ενισχύεται σε τέτοιο βαθμό ώστε η πλήρης συλλογή ηλεκτρικών φορέων στους ανιχνευτές να είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί σε αποστάσεις μικρότερες του 1 mm. Αυτό σημαίνει πως μόνο μικροί ανιχνευτές μπορούν να φτιαχτούν γιατί λόγω του μικρού μεγέθους τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν καλύτερα για τη μέτρηση της χαμηλής ενέργειας ακτινών γ. Επιπλέον, η ενέργεια που απαιτείται για την κίνηση ενός ηλεκτρικού φορέα είναι επίσης κάπως υψηλότερη από ότι στο γερμάνιο, και λαμβάνοντας υπόψη αυτό καταλαβαίνουμε πως δεν έχουν την ίδια διακριτική ικανότητα. Αν και το μέγεθος των διαθέσιμων ανιχνευτών είναι περιορισμένο, εντούτοις αποτελεί πλεονέκτημα γιατί είναι εύχρηστοι στα ιατρικά συστήματα παρακολούθησης, όπου το μικρό μέγεθος τους είναι αναγκαίο και η διακριτική ικανότητα δεν είναι πρωταρχικής σημασίας. Είναι γενικά χρήσιμοι εκεί όπου υπάρχει περιορισμός στο χώρο ή περιορισμός στη διαθεσιμότητα του υγρού αζώτου. Οι δύο αυτοί περιορισμοί αποκλείουν τη χρήση ενός ανιχνευτή γερμανίου. Επίσης οι ανιχνευτές αυτοί βρίσκουν εφαρμογή ως φορητοί ανιχνευτές. 38

40 Κεφάλαιο 6 ο Βαθμολογία Συστήματος Φασματοσκοπίας γ 6.1 Βαθμονόμηση ανιχνευτικού συστήματος γ φασματοσκοπίας Σε ένα φάσμα ακτινών γάμμα πρέπει ουσιαστικά να βρεθεί η συγκέντρωση του αριθμού των παλμών που μετριούνται μέσα σε μικρές περιοχές ύψους παλμών. Η βαθμονόμηση, λοιπόν, ενός ανιχνευτή επιτρέπει στο υπολογιστικό σύστημα την ταυτοποίηση των διαφόρων φωτοκορυφών και την αντίστοιχη ενεργότητα. Ουσιαστικά πρέπει να συμβούν οι παρακάτω τρεις «εργασίες»: Ενεργειακή βαθμολογία : η σχέση μεταξύ των καναλιών και της ενέργειας. Βαθμολογία του εύρους/πλάτους της κορυφής : διακύμανση του εύρους της κορυφής με την ενέργεια. Βαθμολογία απόδοσης : η σχέση μεταξύ του αριθμού των γεγονότων μιας κορυφής και του ρυθμού διάσπασης. Η ενεργειακή βαθμολογία επιτυγχάνεται με τη συλλογή του φάσματος μιας πηγής που εκπέμπει ακτίνες-γάμμα επακριβώς γνωστής ενέργειας και με τη σύγκριση της μετρούμενης θέσης της κορυφής με την ενέργεια. Δεν έχει σημασία αν η πηγή περιέχει ένα μοναδικό ισότοπο ή περισσότερα. Όποια και αν είναι η πηγή που χρησιμοποιείται είναι συνετό να διασφαλιστεί ότι οι ενέργειες βαθμολογίας/βαθμονόμησης καλύπτουν όλο το φάσμα για το οποίο το σύστημα φασματοσκοπίας πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Στην πράξη είναι ικανοποιητικό να μετρηθεί το φάσμα για αρκετό καιρό για να επιτευχθεί καλή στατιστική ακρίβεια για τις κορυφές που χρησιμοποιούνται για τη βαθμολόγηση. Η διαδικασία βαθμολόγησης περιλαμβάνει στη συνέχεια το χαρακτηρισμό των κορυφών που χρησιμοποιούνται με την ακριβή τους ενέργεια. Ο υπολογιστής μπορεί έπειτα να ψάξει για τις κορυφές, να μετρήσει τη θέση των κορυφών σε ένα κλάσμα του ενός καναλιού και να συναγάγει τη σχέση ενέργειας/καναλιού (Ανεσιάδου, 2013). Για την βαθμολογία απόδοσης στη φασματοσκοπία γ η πρόθεση μας είναι να συσχετίσουμε την περιοχή της κορυφής στο φάσμα μας με το ποσό ραδιενέργειας που αντιπροσωπεύει. Για αυτό χρειαζόμαστε την απόλυτη πλήρη-ενεργειακή απόδοση της κορυφής. Αυτό συσχετίζεται με την περιοχή της κορυφής προς τον αριθμό των ακτινώνγάμμα που εκπέμπονται από την πηγή και πρέπει να εξαρτηθεί από τη γεωμετρική διάταξη της πηγής και του ανιχνευτή. Η απόδοση ουσιαστικά συσχετίζει τον αριθμό των ακτινώνγάμμα που εκπέμπονται από την πηγή με τον αριθμό των μετρήσεων που ανιχνεύονται οπουδήποτε στο φάσμα. Αυτό λαμβάνει υπόψη την πλήρη κορυφή και όλες τις ατέλειες απορρόφησης που αντιπροσωπεύονται από το συνεχές φαινόμενο Compton. Αν είναι απαραίτητο να συνάγουμε μία εξίσωση για τη βαθμολογία της απόδοσης, θα πρέπει να σκεφτούμε αν είναι γραμμική ή λογαριθμική η κλίμακα. Η γραφική παράσταση σε λογαριθμική κλίμακα είναι ικανοποιητική εάν απαιτείται μία πιο σύνθετη σχέση. Ανεξάρτητα από την εξίσωση που επιλέγεται μπορεί να είναι δύσκολο να βρεθεί μια απλή καμπύλη ή οποία θα ταιριάζει καλά σε όλο το ενεργειακό εύρος και είναι βολικό να διαχωρίσουμε τα δεδομένα όπως στην εικόνα σε δύο μέρη, το ένα πάνω από το «γόνατο» στα 130 kev περίπου και ένα άλλο παρακάτω. 39

41 6.2 Πηγές Βαθμολογίας Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, για τη βαθμολογία της απόδοσης είναι ουσιαστικό να χρησιμοποιούνται πηγές με γνωστά ισότοπα για τα οποία τα ποσοστά εκπομπής των ακτινών γάμμα είναι με ακρίβεια γνωστά και να είναι γνωστή η ενεργότητα της πηγής. Έτσι, η βαθμονόμηση είναι αξιόπιστη μόνο όταν χρησιμοποιούνται πιστοποιημένες ως προς το περιεχόμενο τους πηγές. Τα διάφορα συστήματα λοιπόν βαθμονομούνται με τα κατάλληλα φάσματα ακτινών γάμμα τα οποία και λαμβάνονται από ειδικές πηγές οι οποίες έχουν προμηθευτεί από την ΙΑΕΑ, και το εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής χρησιμοποιεί για αυτό ακριβώς τον λόγο. Οι πηγές είναι υψηλής ποιότητας αφού τα αποτελέσματα των μετρήσεων εξαρτούνται άμεσα από αυτό. Βασικό σημείο προσοχής είναι η ενεργότητα του κάθε ραδιονουκλιδίου που εκπέμπεται από την πηγή να έχει την σωστή ενεργότητα και όχι αυτή η οποία υπήρχε σε αυτό την στιγμή που το εργαστήριο την προμηθεύτηκε. Αυτό ουσιαστικά απαιτεί τον υπολογισμό της ενεργότητας του κάθε ραδιονουκλιδίου την στιγμή των μετρήσεων. Για να το πραγματοποιήσουμε αυτό είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τις αρχικές ενεργότητες των διαφόρων ραδιονουκλιδίων, την πιθανότητα εκπομπής του ραδιονουκλιδίου καθώς και τον αντίστοιχο χρόνο ημισείας ζωής τους. Η απόδοση βέβαια ενός ανιχνευτή για την ίδια ενέργεια αλλάζει με το σχήμα και την πυκνότητα του δείγματος. Οι πηγές λοιπόν θα πρέπει να παρασκευάζονται με τρόπο ώστε να έχουν το ίδιο σχήμα και πυκνότητα με τα δείγματα τα οποία θα «συγκριθούν» με αυτές. Επίσης, οι βαθμολογίες δεν επηρεάζονται πολύ από την ισχύ της πηγής, εφόσον δεν είναι τόσο υψηλή ώστε να προκληθούν προβλήματα στο ρυθμό καταμέτρησης. Γνωρίζοντας τις ενεργότητες των γνωστών ραδιονουκλιδίων για μία συγκεκριμένη ημερομηνία, για δείγμα χώματος με γεωμετρία παρόμοια με αυτή των δειγμάτων για ανάλυση, μπορούμε εύκολα να βρούμε για την ημερομηνία που μας ενδιαφέρει μέσω του νόμου της ραδιενεργούς διάσπασης την ενεργότητα. Όμως είναι σκόπιμο να παρουσιαστούν οι ενεργότητες μόνο σε Bq για την συνέχεια του πειραματικού μέρους. Για αυτό τον λόγο όλοι οι αριθμοί διαιρούνται με την μάζα της πηγής η οποία είναι: m = 0,0753 kg Έτσι, γνωρίζουμε την ενεργότητα σε Bq του κάθε ραδιονουκλιδίου την στιγμή των μετρήσεων και με βάση αυτά τα δεδομένα θα προχωρήσουμε στην επεξεργασία του φάσματος της πηγής ώστε να βρούμε τον συντελεστή απόδοσης ε για τα δύο ραδιοϊσότοπα που αφορούν την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία. 40

42 6.3 Ανάλυση Φάσματος Στην ανάλυση ενός φάσματος πρέπει αρχικώς να αφαιρέσουμε τον θόρυβο από το περιβάλλον ώστε να μπορέσουν να συλλεχθούν τα σωστά δεδομένα για να αναλυθούν στην συνέχεια. Αυτό συμβαίνει μέσα από το υπολογιστικό πρόγραμμα ανάλυσης φάσματος, με τις κατάλληλες επιλογές. Για την ενεργειακή βαθμονόμηση, αρκεί να αντιστοιχίσουμε την ενέργεια σε ένα συγκεκριμένο κανάλι, δηλαδή: Ε = α Ch + b Ένα φάσμα του 137 Cs παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 5 ώστε να εξοικειωθεί ο αναγνώστης με την μορφή του. Διάγραμμα 5: Το φάσμα του 137 Cs Στην συνέχεια για τα διάφορα ραδιονουκλίδια που περιέχει η πηγή μπορούμε να βρούμε τα συνολικά γεγονότα στα διάφορα κανάλια και το σφάλμα, του κάθε ραδιονουκλιδίου. Στην συνέχεια γνωρίζοντας τα γεγονότα στα διάφορα κανάλια και πως η μέτρηση πραγματοποιήθηκε για συνολικό χρόνο: t= sec μπορούμε να υπολογίσουμε με ακρίβεια τα γεγονότα ανά δευτερόλεπτο, R(cps), για κάθε μια φωτοκορυφή του κάθε ραδιονουκλιδίου. R(cps) = γεγονότα συνολικός χρόνος Τέλος από την διεθνή βιβλιογραφία μπορούμε να βρούμε και την πιθανότητα εκπομπής α(%) του κάθε ραδιονουκλιδίου για την συγκεκριμένη ενέργεια (kev) στην οποία εμφανίζεται η κάθε φωτοκορυφή (Πίνακας 12). 41

43 6.4 Εύρεση Συντελεστή Απόδοσης Για την εύρεση του συντελεστή απόδοσης αρκεί να θεωρήσουμε τον τύπο: I(Bq) a(%) eff(%) = R(cps) Έτσι γνωρίζοντας την ενεργότητα σε κάθε φωτοκορυφή του ραδιονουκλιδίου που μας αφορά, τα γεγονότα ανά δευτερόλεπτο R(cps), και την πιθανότητα εκπομπής α(%) μπορούμε να βρούμε εύκολα τον συντελεστή απόδοσης eff(%). Ο υπολογισμός αυτός παρουσιάζεται στον Πίνακα 12. Πίνακας 12: Συντελεστής Απόδοσης eff(%) Ραδιονουκλίδιο Πιθανότητα Εκπομπής α(%) Συντελεστής Απόδοσης eff(%) 137 Cs 85,2 2,05 40 Κ 11 1,11 42

44 Κεφάλαιο 7 ο Πειραματικές Μετρήσεις και Επεξεργασία 7.1 Δειγματοληψία Εδάφους Τα δείγματα χώματος που θα μελετηθούν στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία συλλέχθηκαν από τις 18/9/2016 μέχρι τις 2/10/2016. Η περιοχή του εδάφους από την οποία λήφθηκε το χώμα είναι ο ορίζοντας Α, δηλαδή το επιφανειακό στρώμα του εδάφους. Από μια επιφάνεια 1cm 2 συλλέχθηκε χώμα περίπου στα 1,5cm το οποίο και μεταφέρθηκε στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης για ανάλυση. Στον Πίνακα 13 που ακολουθεί συνοψίζονται οι περιοχές της Κεντρικής Μακεδονίας από τις οποίες συλλέχθηκαν συνολικά δεκατρία δείγματα ενώ στον Πίνακα 14 παρουσιάζεται για κάθε μία περιοχή η ημέρα συλλογής και μέτρησης του δείγματος. Πίνακας 13: Περιοχές Συλλογής Δειγμάτων Περιοχή Συντεταγμένες Άγιος Νικόλαος, Ημαθία 40 36' 39,3" N ' 39,5" E Προς Κάτω Βέρμιο, Ημαθία 40 33' 22,5" N ' 03,5" E Καστανιά, Ημαθία 40 24' 00,7" N ' 51,8" E Πολύδεντρο, Ημαθία 40 27' 55.4" N ' 27,3" E Παλιοί Πόροι, Πιερία 39 57' 57,5" N ' 22,0" E Προς Καρυά, Πιερία 40 01' 49,5" N ' 05,3" E Εθνικός Δρυμός Ολύμπου, Πιερία 40 05' 44,4" N ' 45,2" E Προς Πέτρα, Πιερία 40 12' 41,8" N ' 55,5" E Ελατοχώρι, Πιερία 40 18' 25,9" N ' 56,9" E Λευκοχώρι, Κιλκίς 40 55' 55,7" N ' 32,4" E Θεοδόσια, Κιλκίς 40 59' 26,8" N ' 54,6" E Διβούνι, Κιλκίς 41 07' 12,8" N ' 54,7" E Κρανιά, Πέλλα 40 54' 05,6" N ' 17,0" E Πίνακας 14: Περιοχές Συλλογής Δειγμάτων Περιοχή Ημερομηνία Συλλογής Ημερομηνία Μέτρησης Άγιος Νικόλαος, Ημαθία 18/9/ /11/2016 Προς Κάτω Βέρμιο, Ημαθία 18/9/2016 2/12/2016 Καστανιά, Ημαθία 18/9/ /12/2016 Πολύδεντρο, Ημαθία 18/9/ /12/2016 Παλιοί Πόροι, Πιερία 4/9/ /12/2016 Προς Καρυά, Πιερία 4/9/ /12/2016 Εθνικός Δρυμός Ολύμπου, Πιερία 4/9/ /12/2016 Προς Πέτρα, Πιερία 4/9/ /1/2017 Ελατοχώρι, Πιερία 4/9/ /1/2017 Λευκοχώρι, Κιλκίς 25/9/2016 1/2/2017 Θεοδόσια, Κιλκίς 25/9/2016 3/2/2017 Διβούνι, Κιλκίς 25/9/2016 6/2/2017 Κρανιά, Πέλλα 2/10/ /3/2017 Τέλος, στον Χάρτη 1 εμφανίζονται οι περιοχές που αναφέρονται στον πάνω Πίνακα. 43

45 44 Χάρτης 1 : Περιοχές της Κεντρικής Μακεδονίας

46 7.2 Επεξεργασία Δειγμάτων Τα δείγματα μετά την συλλογή τους, συγκεντρώθηκαν στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του τομέα ώστε σε πρώτη φάση να κοσκινιστούν για να διαχωριστούν από ξένα σώματα (ξύλα κτλ.) για να μην επηρεαστεί η διαδικασία της μέτρησης να έχουν όλα δηλαδή την ίδια περίπου πυκνότητα. Το μέγεθος από το οποίο τα δείγματα κοσκινίζονται είναι τα 600μm. Έπειτα, τα δείγματα ξηραίνονται μέχρι σταθερού βάρους στους 80 o C, για περίπου μία μέρα, ώστε η συγκέντρωση που μετράμε να μην εξαρτάται από την περιεχόμενη υγρασία του δείγματος. Τέλος, τα δείγματα τοποθετούνται σε δοχεία τύπου box και ζυγίζονται ώστε να είναι γνωστό το βάρος του κάθε δείγματος. Η γεωμετρία που χρησιμοποιήθηκε είναι κυλινδρική ακτίνας 5,8 cm και πάχους 2 cm. Στον Πίνακα 15 παρουσιάζεται το βάρος του κάθε δείγματος. Πίνακας 15: Περιοχές Συλλογής Δειγμάτων Περιοχή Μάζα (kg) Άγιος Νικόλαος, Ημαθία 0,0853 Προς Κάτω Βέρμιο, Ημαθία 0,0492 Καστανιά, Ημαθία 0,0871 Πολύδεντρο, Ημαθία 0,0553 Παλιοί Πόροι, Πιερία 0,0653 Προς Καρυά, Πιερία 0,0622 Εθνικός Δρυμός Ολύμπου, Πιερία 0,0207 Προς Πέτρα, Πιερία 0,0552 Ελατοχώρι, Πιερία 0,0571 Λευκοχώρι, Κιλκίς 0,0714 Θεοδόσια, Κιλκίς 0,0747 Διβούνι, Κιλκίς 0,0657 Κρανιά, Πέλλα 0,

47 Counts 7.3 Παραγόμενα Φάσματα των Δειγμάτων Στις επόμενες σελίδες που ακολουθούν παρουσιάζονται τα φάσματα τα οποία λήφθηκαν από τον ανιχνευτή γερμανίου Ge και τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της ενεργότητας του κάθε ραδιονουκλιδίου. Counts Channel Διάγραμμα 6: Το φάσμα για την περιοχή: Άγιος Νικόλαος, Ημαθία Channel Διάγραμμα 7: Το φάσμα για την περιοχή: Προς Κάτω Βέρμιο, Ημαθία 46

48 Counts Counts Channel Διάγραμμα 8: Το φάσμα για την περιοχή: Καστανιά, Ημαθία Channel Διάγραμμα 9: Το φάσμα για την περιοχή: Πολύδεντρο, Ημαθία 47

49 Counts Counts Channel Διάγραμμα 10: Το φάσμα για την περιοχή: Παλαιοί Πόροι, Πιερία Channel Διάγραμμα 11: Το φάσμα για την περιοχή: Προς Καρυά, Πιερία 48

50 Counts Counts Channel Διάγραμμα 12: Το φάσμα για την περιοχή: Εθνικός Δρυμός Ολύμπου, Πιερία Channel Διάγραμμα 13: Το φάσμα για την περιοχή: Προς Πέτρα, Πιερία 49

51 Counts Counts Channel Διάγραμμα 14: Το φάσμα για την περιοχή: Ελατοχώρι, Πιερία Channel Διάγραμμα 15: Το φάσμα για την περιοχή: Λευκοχώρι, Κιλκίς 50

52 Counts Counts Channel Διάγραμμα 16: Το φάσμα για την περιοχή: Θεοδόσια, Κιλκίς Channel Διάγραμμα 17: Το φάσμα για την περιοχή: Διβούνι, Κιλκίς 51

53 Counts Channel Διάγραμμα 18: Το φάσμα για την περιοχή: Κρανιά, Πέλλα 52

54 7.4 Αποτελέσματα Ανάλυσης Φασμάτων Τα φάσματα που παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη ενότητα βοήθησαν στον υπολογισμό των counts για καθένα από τα δύο υπό μελέτη ραδιοϊσότοπα. Γνωρίζοντας τον χρόνο μέτρησης του κάθε δείγματος (Πίνακας 16), υπήρξε εφικτό να υπολογιστούν τα cps 9 και στην συνέχεια τα dps 10 και άρα ο τελικός υπολογισμός της ενεργότητας. Οι τύποι που χρησιμοποιήθηκαν έχουν παρουσιαστεί αναλυτικά στο Κεφάλαιο 6. Πίνακας 16: Χρόνος Μέτρησης Περιοχή Δείγματος Χρόνος Μέτρησης (sec) Άγιος Νικόλαος, Ημαθία Προς Κάτω Βέρμιο, Ημαθία Καστανιά, Ημαθία Πολύδεντρο, Ημαθία Παλιοί Πόροι, Πιερία Προς Καρυά, Πιερία Εθνικός Δρυμός Ολύμπου, Πιερία Προς Πέτρα, Πιερία Ελατοχώρι, Πιερία Λευκοχώρι, Κιλκίς Θεοδόσια, Κιλκίς Διβούνι, Κιλκίς Κρανιά, Πέλλα Για το Καίσιο 137 οι μετρήσεις που ελήφθησαν καθώς και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 17 καθώς και στον Πίνακα 18. Στον Πίνακα 19 και Πίνακα 20 φαίνεται η αντίστοιχη ανάλυση για το Κάλιο cps = counts per second, τα μετρούμενα γεγονότα ανά δευτερόλεπτο 10 dps = disintegrations per second, οι διασπάσεις του πυρήνα ανά δευτερόλεπτο 53

55 Πίνακας 17: Μετρούμενα Γεγονότα και Αντίστοιχο Σφάλμα για το 137 Cs Περιοχή Δείγματος Net Counts σ Net Counts R(cps) σ R(cps) Άγιος Νικόλαος ,011 0,000 Προς Κάτω Βέρμιο ,093 0,002 Καστανιά ,020 0,001 Πολύδεντρο ,067 0,001 Παλιοί Πόροι ,020 0,001 Προς Καρυά ,080 0,001 Εθνικός Δρυμός Ολύμπου ,922 0,014 Προς Πέτρα ,255 0,004 Ελατοχώρι ,059 0,001 Λευκοχώρι ,006 0,000 Θεοδόσια ,015 0,000 Διβούνι ,041 0,001 Κρανιά ,028 0,001 Πίνακας 18: Ενεργότητα για το 137 Cs Περιοχή Δείγματος Α (Bq) σ A(Bq) Α (Bq/kg) σ A(Bq/kg) Άγιος Νικόλαος 0,607 0,021 7,116 0,246 Προς Κάτω Βέρμιο 5,331 0, ,352 2,833 Καστανιά 1,161 0,038 13,344 0,439 Πολύδεντρο 3,871 0,103 69,992 1,857 Παλιοί Πόροι 1,147 0,036 17,567 0,543 Προς Καρυά 4,631 0,124 74,698 1,995 Εθνικός Δρυμός Ολύμπου 53,174 1, ,77 64,53 Προς Πέτρα 14,760 0, ,386 6,794 Ελατοχώρι 3,393 0,091 59,522 1,593 Λευκοχώρι 0,360 0,016 5,070 0,228 Θεοδόσια 0,835 0,031 11,183 0,410 Διβούνι 2,369 0,066 36,052 1,000 Κρανιά 1,620 0,047 25,842 0,748 54

56 Πίνακας 19: Μετρούμενα Γεγονότα και Αντίστοιχο Σφάλμα για το 40 K Περιοχή Δείγματος Net Counts σ Net Counts R(cps) σ R(cps) Άγιος Νικόλαος ,006 0,000 Προς Κάτω Βέρμιο ,023 0,001 Καστανιά ,059 0,001 Πολύδεντρο ,015 0,000 Παλιοί Πόροι ,046 0,001 Προς Καρυά ,036 0,001 Εθνικός Δρυμός Ολύμπου ,006 0,000 Προς Πέτρα ,029 0,001 Ελατοχώρι ,011 0,000 Λευκοχώρι ,021 0,001 Θεοδόσια ,105 0,002 Διβούνι ,043 0,001 Κρανιά ,037 0,001 Πίνακας 20: Ενεργότητα για το 40 K Περιοχή Δείγματος Α (Bq) σ A(Bq) Α (Bq/kg) σ A(Bq/kg) Άγιος Νικόλαος 4,503 0,222 52,792 2,608 Προς Κάτω Βέρμιο 19,075 0, ,694 15,636 Καστανιά 48,438 1, ,758 21,651 Πολύδεντρο 11,975 0, ,542 9,111 Παλιοί Πόροι 37,75 1, ,106 22,587 Προς Καρυά 29,361 1, ,566 18,884 Εθνικός Δρυμός Ολύμπου 4,975 0, ,359 11,723 Προς Πέτρα 23,378 0, ,521 16,887 Ελατοχώρι 8,809 0, ,546 6,727 Λευκοχώρι 17,557 0, ,284 10,147 Θεοδόσια 85,778 3, ,301 43,853 Διβούνι 35,329 1, ,73 20,746 Κρανιά 30,164 1, ,081 18,943 Στην συνέχεια, παρουσιάζεται η κατανομή του κάθε ραδιοϊσοτόπου επάνω στον χάρτη συνολικά για την περιοχή της Κεντρικής Μακεδονίας. 55

57 Χάρτης 2 : Διασπορά του 137 Cs στην Κεντρική Μακεδονία Χάρτης 3 : Διασπορά του 137 Cs στην Κεντρική Μακεδονία σε χρωματική κλίμακα 56

58 Χάρτης 4 : Διασπορά του 40 Κ στην Κεντρική Μακεδονία Χάρτης 4 : Διασπορά του 40 Κ στην Κεντρική Μακεδονία σε χρωματική κλίμακα 57