ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Συγκεντρώσεις 210 Pb και 235 U σε δείγματα χώματος από την Αλγερία

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ : ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ : ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Συγκεντρώσεις 210 Pb και 235 U σε δείγματα χώματος από την Αλγερία Επιβλέπουσα καθηγήτρια: ΙΩΑΝΝΙΔΟΥ ΑΛΕΞΑΝΔΡΑ ΑΝΕΣΙΑΔΟΥ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ Α. Ε. Μ. : ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος σελ.7 Περίληψη σελ.9 Κεφάλαιο1-Θεωρητικό μέρος.σελ Ραδιενέργεια/Ιστορικά στοιχεία...σελ Φύση της ραδιενέργειας..σελ Βασικές έννοιες..σελ Σταθερότητα ατομικών πυρήνων σελ Ραδιενεργός διάσπαση σελ Διάσπαση άλφα, βήτα και γάμμα...σελ Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων σελ Ραδιενεργές σειρές διάσπασης και ισορροπία θυγατρικών προϊόντων σελ Πηγές ραδιενέργειας σελ Φυσικές πηγές εσωτερικής ακτινοβόλησης...σελ Φυσικές πηγές εξωτερικής ακτινοβόλησης σελ Ανθρωπογενής πηγές ραδιενέργειας...σελ.29 Κεφάλαιο 2-Ραδιενέργεια στο έδαφος...σελ Εισαγωγή.σελ Γενικά στοιχεία για το έδαφος.σελ Ανόργανα και οργανικά στοιχεία χώματος..σελ Φυσικές και χημικές ιδιότητες χώματος...σελ Συμπεριφορά μακρόβιων ραδιονουκλιδίων στο έδαφος.σελ Εισαγωγή.σελ Παράγοντες που επηρεάζουν την μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος. σελ Φυσική ραδιενέργεια χερσαίου περιβάλλοντος (χώμα, βραχώδη εδάφη και ορυκτά).σελ Φυσικά ραδιενεργά ισότοπα που βρίσκονται στο έδαφος.σελ Φυσική ραδιενέργεια στο χώμα/πίνακες σελ Φυσική ραδιενέργεια σε βραχώδη εδάφη και ορυκτά/πίνακες.σελ.45 3

4 2.5 Ραδιενεργά ισότοπα στο έδαφος από ανθρώπινες δραστηριότητες σελ.46 Κεφάλαιο 3-Φασματοσκοπία ακτινών γάμμα...σελ Ακτινοβολία γάμμα..σελ Ανιχνευτές υψηλής καθαρότητας (HPGe)...σελ Σχεδιασμός της θωράκισης του ανιχνευτή Ge...σελ Βασικές αρχές λειτουργίας.σελ Χαρακτηριστικά μεγέθη ανιχνευτών..σελ Σύστημα ψύξης στον ανιχνευτή.σελ Νευτώνεια υλικά ημιαγωγών σελ Κατασκευή των ανιχνευτών... σελ.60 Κεφάλαιο 4-Πειραματικό μέρος σελ Βαθμονόμηση ανιχνευτικού συστήματος γ-φασματοσκοπίας σελ Εισαγωγή... σελ Δεδομένα αναφοράς για τη βαθμονόμηση.σελ Πηγές για βαθμολογία σελ Ενεργειακή βαθμολογία..σελ Βαθμολογία απόδοσης σελ.65 Κεφάλαιο 5-Μετρήσεις δειγμάτων εδάφους.σελ Εισαγωγή.σελ Δειγματοληψία εδάφους-μέθοδος..σελ Επεξεργασία δειγμάτων χώματος για την μέτρηση της ραδιενέργειας.σελ Υπολογισμός της συγκέντρωσης ραδιονουκλιδίων με τη μέθοδο της γάμμα φασματοσκοπίας... σελ Ημερομηνία συλλογής και μέτρησης/ Τοποθεσία δειγμάτων.σελ Αποτελέσματα.σελ Σχόλια..σελ Επεξεργασία και συζήτηση..σελ Συμπεράσματα.σελ.90 4

5 Περίληψη σελ.91 Abstract σελ.93 Βιβλιογραφία-Αναφορές..σελ.95 5

6 6

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η ραδιενεργός ακτινοβολία υπάρχει στο περιβάλλον από τη στιγμή δημιουργίας του. Φυσική ραδιενέργεια υπάρχει στο έδαφος, στην ατμόσφαιρα, στο υδάτινο περιβάλλον, ακόμα και στις τροφές και τα οικοδομικά υλικά. Η χρήση της ραδιενέργειας καθώς και η χρήση της πυρηνικής ενέργειας για ειρηνικούς σκοπούς-επίλυση του αυξημένου ενεργειακού προβλήματος του πλανήτη μας- χρονολογείται στις αρχές της δεκαετίας του 60. Εξαιτίας της χρήσης αυτής και κυρίως των πυρηνικών ατυχημάτων και ιδιαίτερα εκείνο του Τσερνόμπιλ το 1986, προκλήθηκε έντονο ενδιαφέρον για τη δημιουργία παγκόσμιων συστημάτων ελέγχου της ραδιενέργειας περιβάλλοντος, έτσι ώστε να μπορεί να αποφευχθεί κατά κάποιο τρόπο το επόμενο πυρηνικό ατύχημα, αλλά και να γίνεται ενημέρωση για τα πρότυπα προστασίας. Στην παρούσα μελέτη γίνεται μέτρηση των συγκεντρώσεων των φυσικών ραδιονουκλιδίων σε δείγματα χώματος που προέρχονται από την περιοχή της Αλγερίας στη Αφρική. Αρχικά γίνεται μια θεωρητική εισαγωγή με σκοπό την παρουσίαση του φαινομένου της αυθόρμητης διάσπασης φυσικών πυρήνων, που ονομάζεται ραδιενέργεια. Γίνεται επίσης μια θεωρητική ανάλυση όσον αφορά στη ραδιενέργεια εδάφους. Εν συνεχεία παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που διέπουν τη Γάμμα φασματοσκοπία. Έπειτα αναφέρονται οι απαραίτητες πληροφορίες για την κατανόηση της βαθμονόμησης του συστήματος ανιχνευτή γερμανίου η οποία και είναι απαραίτητη για την πειραματική διαδικασία καταμέτρησης των συγκεντρώσεων. Τέλος, γίνεται μια ολοκληρωμένη περιγραφή των σταδίων της πειραματικής διαδικασίας, των αποτελεσμάτων αυτής καθώς και των συμπερασμάτων που προκύπτουν. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Ατομικής και Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων υπό την επίβλεψη της Επίκουρου Καθηγήτριας κ. Α. Ιωαννίδου, την οποία ευχαριστώ ιδιαίτερα για την βοήθεια και την στήριξή της. 7

8 8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Συγκεντρώσεις των φυσικών ραδιονουκλιδίων 235 U και 210 Pb μετρήθηκαν σε δείγματα χώματος που συλλέχθηκαν από διάφορες περιοχές της Αλγερίας. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε σε βάθη, 0-1 cm, 1-5 cm και 5-10 cm. Οι συγκεντρώσεις του 210 Pb στα δείγματα που μελετήθηκαν κυμάνθηκαν μεταξύ 0,61-21,40 Bq/kgr στο εύρος 0-1 cm, 2,24-12,80 Bq/kgr στο εύρος 1-5 cm και 2,24-11,80 Bq/kgr στο εύρος 5-10 cm. Οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις του 235 U κυμάνθηκαν μεταξύ 0,08-4,03 Bq/kgr στο εύρος 0-1 cm, 0,40-3,95 Bq/kgr στο εύρος 1-5 cm και 0,26-5,32 Bq/kgr στο εύρος 5-10 cm. Από την κατά βάθος μελέτη των δειγμάτων διαπιστώθηκε σε γενικότερο πλαίσιο πως με την αύξηση του βάθους συλλογής η συγκέντρωση του 210 Pb μειώνεται, ενώ η συγκέντρωση του 235 U αυξάνεται. Η μέτρηση των δειγμάτων χώματος έγινε με την μέθοδο της γάμμα φασματοσκοπίας και με την χρήση ανιχνευτών γερμανίου Ge χαμηλού υποστρώματος. 9

10 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ραδιενέργεια/Ιστορικά στοιχεία. Ραδιενέργεια ονομάζεται το φαινόμενο της αυθόρμητης εκπομπής σωματιδίων ή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από κάποια χημικά στοιχεία και είναι αποτέλεσμα της διάσπασης ασταθών (πατρικών) πυρήνων όπου μέσω αυτής μετατρέπονται σε άλλους, πιο σταθερούς (θυγατρικοί). Κατά τη διάσπαση τους οι πυρήνες απελευθερώνουν πυρηνική ακτινοβολία. Η ιονίζουσα αυτή ακτινοβολία συνίσταται σε σωματίδια άλφα (δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, ακτίνες α), σωματίδια βήτα (ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, ακτίνες β) και ακτινοβολία γάμμα (αφόρτιστα ενεργητικά φωτόνια, ακτίνες γ). Η ακτινοβολία γάμμα φέρει συνήθως την περισσότερη ενέργεια από τα προϊόντα των ραδιενεργών διασπάσεων. Γενικά, όλα τα προϊόντα της διάσπασης μπορεί να αποδειχτούν επικίνδυνα για την ισορροπία της λειτουργίας του ανθρώπινου οργανισμού. Το 1895 ο γερμανός φυσικός Wilhem Rontgen παρήγαγε και ανίχνευσε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος που σήμερα είναι γνωστή ως ακτίνες Χ. Μελετώντας τις καθοδικές ακτίνες που σχηματίζονταν από ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσω σωλήνων που περιείχαν αέριο χαμηλής πυκνότητας, παρατήρησε ότι στην άλλη άκρη του δωματίου μία οθόνη καλυμμένη με Pt(CN) 4 2- έλαμπε απαλά. Οι ακτίνες που ήταν υπεύθυνες για αυτό το φαινόμενο (ακτίνες Χ) γρήγορα φάνηκε ότι μπορούσαν και διαπερνούσαν υλικά αδιαφανή στο φυσικό φως και μπορούσαν να αμαυρώσουν φωτογραφική πλάκα. Η ανακάλυψη αυτή επέφερε στον Rontgen το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το Το 1896 ο γάλλος φυσικός Henri Becquerel ανακάλυψε την ραδιενέργεια ερευνώντας το φαινόμενο του φθορισμού και του φωσφορισμού. Σκέφτηκε ότι οι φθορίζουσες ουσίες θα μπορούσαν να παράγουν ακτίνες Χ. Χρησιμοποίησε θειικό κάλιο ουρανιλίου στα πειράματα του, γιατί αυτοί οι κρύσταλλοι δεν επηρεάζονταν από την έκθεση στον αέρα. Ο Becquerel παρατήρησε ότι το ουράνιο εξέπεμπε διεισδύουσα ακτινοβολία συνεχώς και χωρίς καμιά μορφή «πυροδότησης». Η Marie Curie ανακάλυψε πως ένα ακόμα βαρύ στοιχείο, το θόριο εξέπεμπε ακτινοβολία. Περισσότερες διερευνήσεις των Curie στον πισσουρανίτη, οδήγησαν στην αναγνώριση δύο ακόμη ραδιενεργών στοιχείων, δηλαδή το πολώνιο και το ράδιο. Θα μπορούσε να ειπωθεί ότι παράλληλα ανακαλύφθηκε και η ραδιενέργεια περιβάλλοντος μιας και το ουράνιο, το θόριο το πολώνιο και το ράδιο είναι όλα φυσικά (ραδιενεργά) στοιχεία. Η μελέτη πάνω στην ραδιενέργεια εξελίχθηκε γρήγορα μετά τις ανακαλύψεις των Becquerel και Curie. Το 1899 ο Rutherford ανακάλυψε δύο διαφορετικά είδη ακτινοβολίας, την ακτινοβολία άλφα και βήτα. Το 1900 ένας Γάλλος επιστήμονας ο Villard χαρακτήρισε έναν ακόμα τύπο ακτινοβολίας, τις αφόρτιστες διεισδυτικές ακτίνες γ. Οι νόμοι της ραδιενεργούς διάσπασης καθιερώθηκαν μέχρι το 1903 από τους Rutherford και Soddy και μέχρι το 1912 η έννοια των ισοτόπων είχε αναπτυχθεί 11

12 για να εξηγήσει γιατί υπάρχουν φυσικά ραδιενεργά στοιχεία με περισσότερα από ένα ατομικό βάρος. Στο σχήμα 1.1 εικονίζονται οι επιστήμονες που συνέβαλαν στην έρευνα για την ανακάλυψη της ραδιενέργειας και των ιδιοτήτων της. Η αναγνώριση των πιθανών επιβλαβών συνεπειών της ραδιενέργειας οδήγησε το 1928 στην ίδρυση της International X-Ray and Radium Committee που επρόκειτο να συμβουλέψει σχετικά με τα πρότυπα προστασίας (J. R. Cooper et al., 2003). Εκτός των ραδιενεργών ουσιών που απαντώνται στη φύση κατορθώθηκε και η τεχνητή παρασκευή ραδιενεργών στοιχείων με συνέπεια να διακρίνουμε την ραδιενέργεια σε φυσική και τεχνητή. Το 1942 στις ΗΠΑ, ο Fermi πέτυχε την πρώτη αυτοσυντήρητη αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση. Ένα χρόνο αργότερα κατασκευάστηκε στις ΗΠΑ ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας, ο αντιδραστήρας γραφίτη, στον οποίο είχαν παραχθεί οι πρώτες ποσότητες ενός γραμμαρίου 239 Pu, που χρησιμοποιήθηκε για να κατασκευαστεί η βόμβα της Χιροσίμα, η πτώση της οποίας (6 Αυγούστου 1945) και η έκρηξη της γέμισαν το περιβάλλον με τεράστια ποσά ραδιενέργειας. Το ίδιο συνέβη και με το ατύχημα του Chernobyl (26 Απριλίου 1986) με την τήξη της καρδιάς και την έκρηξη του αντιδραστήρα Chernobyl-4. Ραδιενέργεια διαφεύγει στο περιβάλλον και από τη χρήση της πυρηνικής ενέργειας για ειρηνικές εφαρμογές, για παράδειγμα από πυρηνικούς σταθμούς για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και από άλλες μονάδες επεξεργασίας διαφόρων ορυκτών και τα ορυχεία όπου εξάγονται, τα ορυχεία λιγνίτη, τα φωσφορικά λιπάσματα κ.α. Οι τεχνητές χρήσεις ραδιενέργειας μπορεί να επιφέρουν πολλά οφέλη, από πυρηνική ιατρική, μέχρι παραγωγή ηλεκτρισμού από πυρηνικούς αντιδραστήρες. Σχήμα 1.1: 1 Wilhem Rontgen, 2 Henri Becquerel, 3 Marie Curie, 4 Ernest Rutherford, 5 Paul Ulrich Villard, 6 Enrico Fermi, 7 Frederick Soddy. 12

13 1.2 Φύση της ραδιενέργειας. Η ενότητα αυτή εξετάζει το φαινόμενο της ραδιενέργειας. Προκειμένου να κατανοηθούν οι έννοιες που αφορούν τη ραδιενέργεια, είναι σημαντικό να υπάρχει μια βασική κατανόηση της δομής των ατόμων και της ονοματολογίας που θεσπίστηκε στον τομέα αυτόν. Αρχικά επεξηγούνται ουσιώδεις όροι, μονάδες και ορισμοί και έπειτα διάφορες έννοιες όπως η σταθερότητα των πυρήνων, η ραδιενεργός διάσπαση, οι ιδιότητες των κυριότερων τύπων της ιονίζουσας ακτινοβολίας και η δραστικότητα Βασικές έννοιες. Δομικά συστατικά των ατόμων. Τα θεμελιώδη συστατικά των ατόμων, τα υποατομικά σωματίδια είναι τα εξής (πίνακας 1.1): Πρωτόνια (θετικό φορτίο και μάζα περίπου 1836 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των ηλεκτρονίων) Νετρόνια (δε φέρουν κανένα φορτίο και μάζα περίπου 1838 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των ηλεκτρονίων) Ηλεκτρόνια (αρνητικό φορτίο και μάζα περίπου 9,1*10-31 kgr) Ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αλλιώς λέγονται και νουκλεόνια συγκρατούνται μαζί από δυνατές, μικρής εμβέλειας, ελκτικές, πυρηνικές δυνάμεις. Οι πυρήνες έχουν διαστάσεις της τάξης των m (1 Fermi = m), σε αντίθεση με τις ατομικές διαμέτρους (δηλαδή οι εξωτερικές διαστάσεις του ηλεκτρονιακού νέφους) που είναι της τάξης των m (1 Angstrom = m). Το φορτίο του πρωτονίου είναι ίδιο σε μέγεθος με εκείνο του ηλεκτρονίου. Γενικά ένα άτομο περιλαμβάνει ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών στιβάδων που είναι γνωστά ως ηλεκτρόνια σθένους λαμβάνουν μέρος σε χημικές αντιδράσεις των ατόμων που οδηγούν σε στοιχεία και χημικές ενώσεις που σχηματίζουν την ύλη. Πίνακας 1.1: Κύριες ιδιότητες των τριών υποατομικών σωματιδίων Σωματίδιο Σύμβολο Φορτίο Μάζα(kg) Πρωτόνιο p 1, , Νετρόνιο n 0 1, Ηλεκτρόνιο e -1, ,

14 Ατομικός και μαζικός αριθμός Ο αριθμός των πρωτονίων που βρίσκονται μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου λέγεται ατομικός αριθμός (Ζ) και είναι χαρακτηριστικός του κάθε ατόμου προσδιορίζοντας τις χημικές του ιδιότητες και επομένως την θέση του στον περιοδικό πίνακα. Με Ν συμβολίζεται ο αριθμός των νετρονίων που υπάρχουν στον πυρήνα ενός ατόμου. Το άθροισμα των πρωτονίων και των νετρονίων, δηλαδή ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων ενός πυρήνα είναι γνωστό ως μαζικός αριθμός (Α). Επομένως μπορούμε να γράψουμε: Α=Ζ+Ν Σχετική ατομική μάζα είναι η μάζα ενός ατόμου σε σχέση με το ένα δωδέκατο της μάζας ενός ατόμου άνθρακα-12. Προκύπτει έτσι η μονάδα ατομικής μάζας (u), σύμφωνα με την οποία κρίνονται όλες οι άλλες ατομικές μάζες και από την οποία προκύπτει ότι η μάζα του άνθρακα 12 είναι ακριβώς 12 u: 1 u = 1, kg Νουκλίδιο Ο όρος νουκλίδιο χρησιμοποιείται για να καθορίσει ένα άτομο σε σχέση με τον ατομικό και μαζικό του αριθμό. Συμβολικά ένα νουκλίδιο αναπαριστάται ως όπου Χ το χημικό σύμβολο του ατόμου. Καθώς ο ατομικός αριθμός είναι χαρακτηριστικός του στοιχείου όπως το σύμβολό του, παραλείπουμε πολλές φορές να αναφέρουμε το Z σε ένα νουκλίδιο και το παριστούμε ως 14 ή ως Χ-Α. Ένα στοιχείο μπορεί να έχει μία πληθώρα διαφορετικών νουκλιδίων που λέγονται ισότοπα. Αυτά είναι νουκλίδια έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων (Ζ), αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων (Ν) άρα και διαφορετικό μαζικό αριθμό (Α). Όλα τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν την ίδια ονομασία και το ίδιο χημικό σύμβολο, καθώς έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό. Το υδρογόνο είναι μια ιδιαίτερη περίπτωση όπου τα τρία του ισότοπα δίνονται με διαφορετικές ονομασίες δηλαδή υδρογόνο ( 1 Η), δευτέριο ( 2 D) και τρίτιο ( 3 Τ). Τα ισότοπα ενός δοθέντος στοιχείου, φυσικά, δεν είναι εξίσου κοινά. Για παράδειγμα το 98,9% του φυσικά υπάρχοντος άνθρακα είναι το ισότοπο άνθρακας-12. Τα ποσοστά αυτά εκφράζουν την φυσική αφθονία των ισοτόπων. Ηλεκτονιοβόλτ (ev) Το ηλεκτρονιοβόλτ (electron Volt) είναι η κατάλληλη μονάδα μέτρησης για να εκφράσουμε ατομικές και πυρηνικές ενέργειες και προσδιορίζεται ως η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο καθώς διαπερνά ένα ηλεκτρικό δυναμικό του ενός βολτ. Σε ενέργειες ατομικής ακτινοβολίας όπως ακτινών Χ, χρησιμοποιούμε συνήθως τα kev όπου: 1 kev = 10 3 ev Οι ενέργειες πυρηνικών ακτινοβολιών όπως γ ακτινοβολιών εκφράζονται σε MeV:

15 1 MeV = 10 3 kev = 10 6 ev Η σχέση μεταξύ ev και της μονάδας ενέργειας στο SI (Joule) είναι: 1 ev = 1, J Όσο για την ατομική μονάδα μάζας (u) έχουμε: 1 u = 931,5 MeV Αυτό προκύπτει βάσει του ότι στην φυσική υπάρχει μια καθορισμένη σχέση ανάμεσα στην ενέργεια και την μάζα, που επιτρέπει να εκφράζουμε την μία μέσω της άλλης Σταθερότητα ατομικών πυρήνων. Η μάζα ενός πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων που τον αποτελούν (πρωτονίων και νετρονίων). Αυτή η διαφορά μάζας που είναι γνωστή ως περίσσεια μάζας προκύπτει επειδή απελευθερώνεται ενέργεια (ισοδύναμη με την διαφορά μάζας) όταν τα νουκλεόνια αντιδρούν για να σχηματίσουν τον πυρήνα. Αντίστροφα είναι η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να παρέχεται σε έναν πυρήνα προκειμένου να διαχωριστεί στις συνιστώσες του. Αυτή η διαφορά ενέργειας (ή περίσσεια μάζας) αναφέρεται ως ενέργεια σύνδεσης. Όταν εξετάζουμε την σταθερότητα των πυρήνων είναι πιο χρήσιμο να μιλάμε για την μέση ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο (ενέργεια σύνδεσης ενός πυρήνα διαιρεμένη με τoν αριθμό των νουκλεονίων του). Στο σχήμα 1.2 παριστάνεται ένα διάγραμμα της μέσης ενέργειας σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ως συνάρτηση του μαζικού αριθμού για σταθερούς πυρήνες. Φαίνεται πως τα νουκλίδια με ενδιάμεσους μαζικούς αριθμούς έχουν τις μεγαλύτερες τιμές ενέργειας σύνδεσης ανά νουκλεόνιο. Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο του 56 Fe είναι 8,8 MeV και είναι ένα από τα πιο σταθερά νουκλίδια. Για τιμές μαζικού αριθμού υψηλότερες του 56 παρατηρείται ότι οι μεγαλύτεροι αυτοί πυρήνες συγκρατούνται λιγότερο σφιχτά από ότι εκείνοι που αντιστοιχούν σε ένα ενδιάμεσο εύρος μάζας. (J. R. Cooper et al., 2003) Όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2, οι σταθεροί πυρήνες τείνουν να έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων (N = Z) μέχρι περίπου Α = Πέρα από αυτό το μαζικό αριθμό, οι σταθεροί πυρήνες περιέχουν περισσότερα νετρόνια από πρωτόνια με τον ρυθμό νετρονίου-πρωτονίου να ανέρχεται στο 1,6 περίπου. Αυτή η ανισορροπία στον αριθμό πρωτονίων-νετρονίων έχει το αποτέλεσμα οι πυρηνικές δυνάμεις να είναι λιγότερο ισχυρές. Τα νουκλίδια που έχουν πολύ μεγάλη ανισορροπία από αυτήν την άποψη και ως εκ τούτου δεν εμπίπτουν στην σταθερή περιοχή, ονομάζονται ασταθή. Τα νουκλίδια αυτά υπόκεινται σε αλλαγές, που περιλαμβάνουν εκπομπή 15

16 ακτινοβολίας, ώστε να φτάσουν σε μία σχετικά πιο σταθερή κατάσταση. Γενικά τα νουκλίδια με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο από 82 είναι ασταθή. Σχήμα 1.2: Μέση ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ως συνάρτηση του μαζικού αριθμού για σταθερούς πυρήνες Ραδιενεργός διάσπαση. Κάποια νουκλίδια, ονομαζόμενα ως ραδιονουκλίδια ή ραδιοϊσότοπα, αποσυντίθενται (αυθόρμητα ή εξαιτίας εξωτερικής διέγερσης) εκπέμποντας ακτινοβολία ώστε να αποκτήσουν μια πιο σταθερή κατάσταση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ραδιενέργεια ή ραδιενεργός διάσπαση. Η διάσπαση αυτή είναι αυθόρμητη και συνήθως περιλαμβάνει εκπομπή σωματιδίων που ονομάζονται σωματίδια α ή β. Ο εκπέμπουν πυρήνας που ονομάζεται μητρικός-πατρικός πυρήνας υπόκειται αλλαγή ατομικού αριθμού κατά την διάσπαση του και επομένως μετατρέπεται σε πυρήνα ενός διαφορετικού στοιχείου. Η διαδικασία αυτή λέγεται μεταστοιχείωση. Ο νέος πυρήνας ονομάζεται θυγατρικός πυρήνας ή προϊόν διάσπασης. Γενικά η διαδικασία ραδιενεργούς διάσπασης μπορεί να εκφραστεί με την παρακάτω μορφή: 16

17 Όπου το πατρικό ραδιενεργό νουκλίδιο, Α, αποσυντίθεται για να σχηματίσει το θυγατρικό νουκλίδιο Β με εκπομπή ακτινοβολίας, b. Για να συμβεί αυθόρμητη ραδιενεργός διάσπαση, η μάζα του πυρήνα του μητρικού ραδιονουκλιδίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τις μάζες των προϊόντων (θυγατρικού πυρήνα και εκπέμπουν σωματιδίου). Η διαφορά μάζας μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια η οποία μοιράζεται ανάμεσα στα προϊόντα Β και b (είτε απελευθερώνεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας). Πρέπει να τονίσουμε βέβαια πως ακόμη και να υφίσταται αυτή η διαφορά μάζας δεν είναι σίγουρο ότι το ραδιενεργό νουκλίδιο θα διασπαστεί ή ότι όταν διασπαστεί, μόνο αυτό μπορεί να συμβεί και να συμβεί αυθόρμητα. Αν όταν σχηματιστεί ο θυγατρικός πυρήνας, είναι σε ασταθή φάση (διεγερμένη), φτάνει στην σταθερή του κατάσταση εκπέμποντας τον τρίτο τύπο ακτινοβολίας, την ακτινοβολία γ. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αποδιέγερση Διάσπαση άλφα, βήτα, γάμμα. Επακόλουθο της διαδικασίας διάσπασης ενός ραδιενεργού πυρήνα είναι η εκπομπή ενός ή περισσότερων από τους ακόλουθους τύπους πυρηνικής ακτινοβολίας: Ακτινοβολία Άλφα (α) Ακτινοβολία Βήτα (β) Ακτινοβολία Γάμμα (γ) Παρακάτω παρατίθενται συνοπτικά οι τρεις μορφές ακτινοβολίας καθώς και οι ιδιότητές της καθεμίας. Διάσπαση Άλφα. Οι βαρείς πυρήνες είναι ενεργειακά ασταθείς λόγω των απωστικών δυνάμεων Coulomb που αναπτύσσονται μεταξύ πρωτονίων, τείνουν δε σε ανακατάταξη των νουκλεονίων τους σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση με την εκπομπή ενός σωματιδίου άλφα (πυρήνας ). Η προτίμηση εκπομπής σωματιδίου άλφα έναντι άλλων σωματιδίων οφείλεται στην μεγάλη ενέργεια σύνδεσης του, με αποτέλεσμα την ελευθέρωση μεγαλύτερου ποσού ενέργειας. Συμβολικά η α-διάσπαση είναι: Όπου Χ ο μητρικός πυρήνας και Υ ο θυγατρικός πυρήνας αντίστοιχα. Κατά γενικό κανόνα θα πρέπει το άθροισμα τόσο των ατομικών αριθμών Ζ όσο και των μαζικών Α να είναι το ίδιο και στα δύο μέλη της εξίσωσης. Επιπλέον η ολική ενέργεια θα πρέπει να διατηρηθεί. Ορίζεται ως εκ τούτου η ενέργεια διάσπασης που συμβολίζεται και στην παραπάνω εξίσωση ως Q. 17

18 Κατά μήκος της διαδρομής τους τα σωματίδια άλφα αλληλεπιδρούν με την ύλη κυρίως με δυνάμεις Coulomb, έλκοντας τα ηλεκτρόνια των ατόμων του υλικού στο οποίο κινούνται. Το σωματίδιο άλφα αλληλεπιδρά ταυτόχρονα με πολλά ηλεκτρόνια προς όλες τις διευθύνσεις προκαλώντας διεγέρσεις και ιονισμούς και έτσι χάνει γρήγορα την κινητική ενέργειά του. Για αυτόν τον λόγο η εμβέλεια των σωματιδίων άλφα είναι γενικά μικρή. Διάσπαση Βήτα. Κατά την διάσπαση βήτα ένας ασταθής πυρήνας διασπάται με εκπομπή ή ενός ηλεκτρονίου (e - ) και ενός αντινετρίνο ( ) και ονομάζεται β - διάσπαση ή ενός ποζιτρονίου (e + ) και ενός νετρίνο (v e ) και ονομάζεται β + διάσπαση ή με σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου και εκπομπή νετρίνο οπότε ονομάζεται αρπαγή ηλεκτρονίου. Οι παραπάνω διεργασίες συμβολίζονται: ά ά ή ί Και στις τρεις περιπτώσεις παράγονται ισοβαρείς πυρήνες (ίδιου μαζικού αριθμού) με ατομικούς πυρήνες Ζ±1. Τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια της βήτα διάσπασης αλληλεπιδρούν με τα ατομικά ηλεκτρόνια με δυνάμεις Coulomb, όπως και τα σωματίδια άλφα. Τα ηλεκτρόνια βέβαια έχουν σχετικιστικές ταχύτητες. Επίσης έχοντας την ίδια μάζα με τα ατομικά ηλεκτρόνια κατά τις αλληλεπιδράσεις τους αλλάζουν συνεχώς διεύθυνση κίνησης. Έτσι η εμβέλεια τους είναι αρκετά μικρότερη σε σχέση με το πραγματικό μήκος διαδρομής που έχουν διανύσει. Να τονίσουμε βέβαια πως για την ίδια αρχική ενέργεια τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια έχουν γενικά πολύ μεγαλύτερη εμβέλεια από τα σωματίδια άλφα. Διάσπαση γάμμα. Η ακτινοβολία γάμμα εκπέμπεται κατά την αποδιέγερση ενός διεγερμένου πυρήνα σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη ή την βασική. Εφόσον οι στάθμες των πυρήνων έχουν καλά καθορισμένες ενέργειες, οι ενέργειες των ακτινών γάμμα είναι καθορισμένες και ίσες με την διαφορά των δύο ενεργειακών σταθμών. Η εκπομπή γάμμα ακτινοβολίας συνοδεύει συνήθως την άλφα ή βήτα διάσπαση, εάν ο θυγατρικός πυρήνας βρεθεί σε διεγερμένη κατάσταση, είναι δηλαδή εκπομπή του θυγατρικού πυρήνα. Οι ηλεκτρομαγνητικής φύσεως ακτίνες γάμμα, δεν χάνουν σταδιακά την ενέργειά τους κατά την διαδρομή τους μέσα στην ύλη. Μπορούν να διανύσουν κάποια απόσταση μέσα στο υλικό πριν αλληλεπιδράσουν με ένα άτομο. Η απόσταση αυτή καθορίζεται στατιστικά από την ενεργό διατομή των φαινομένων αλληλεπίδρασης φωτονίων με την ύλη, η οποία εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου και το μέσο στο οποίο κινείται. 18

19 Στο σχήμα 1.3 απεικονίζονται οι τρεις διαφορετικοί τύποι ραδιενεργούς διάσπασης που μπορεί να υποστεί ένας πυρήνας. Αμέσως παρακάτω στο σχήμα 1.4 φαίνεται η διεισδυτική ικανότητα που έχει κάθε ένας τύπος ραδιενεργούς ακτινοβολίας. Σχήμα 1.3: Είδη ραδιενεργού διάσπασης. Σχήμα 1.4: Διεισδυτική ικανότητα ραδιενεργού ακτινοβολίας (WNA). 19

20 1.2.5 Νόμος των ραδιενεργών διασπάσεων/ενεργότητα/χρόνος ημίσειας ζωής. Το φαινόμενο της πυρηνικής μετατροπής (μεταστοιχείωσης) ενός στοιχείου σε ένα άλλο με εκπομπή από τον πυρήνα ενός σωματίου άλφα ή βήτα ή ενός φωτονίου γάμμα ή οποιουδήποτε άλλου σωματίου ή ακόμα και με την αρπαγή ενός από τα ατομικά του ηλεκτρόνια, καλείται ραδιενεργός διάσπαση. Πειραματικά διαπιστώνεται ότι η ένταση και το πλήθος των πυρήνων ενός ραδιενεργού στοιχείου ελαττώνεται εκθετικά με το χρόνο. Η ραδιενεργός διάσπαση είναι στατιστικό φαινόμενο. Δεν μπορούμε να προβλέψουμε πότε ένας δοθέν πυρήνας θα διασπαστεί. Κάθε ραδιενεργός πυρήνας ισοτόπου στοιχείου έχει πιθανότητα λ, να υποστεί διάσπαση στη μονάδα του χρόνου. Σε ένα χρονικό διάστημα μπορούμε να προβλέψουμε περίπου πόσοι πυρήνες θα έχουν διασπαστεί. Πρέπει να τονίσουμε ότι η πιθανότητα αποσύνθεσης ενός πυρήνα σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, είναι ανεξάρτητη από την τύχη των γειτονικών πυρήνων, την χημικής κατάστασης του ατόμου και των φυσικών συνθηκών, όπως η πίεση και η θερμοκρασία. Η διαδικασία της διάσπασης, ως εκ τούτου, δεν μπορεί να επιταχυνθεί ή να επιβραδυνθεί. Το μέτρο της πιθανότητας διάσπασης καλείται σταθερά διάσπασης. Συνεπώς η πιθανότητα να διασπαστεί ο ανωτέρω πυρήνας σε χρονικό διάστημα dt θα είναι λ dt. Στην περίπτωση που υπάρχουν Ν άλλοι όμοιοι πυρήνες, το πλήθος των διασπωμένων πυρήνων από τους Ν στο χρόνο dt θα είναι: λ ή λ Το αρνητικό πρόσημο εδώ δηλώνει πως με την πάροδο του χρόνου ο αριθμός Ν των πυρήνων ελαττώνεται. Ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση προκύπτει: λ Σε αυτήν την σχέση Ν ο είναι το αρχικό πλήθος των πυρήνων και Ν t το πλήθος των εναπομεινάντων πυρήνων την χρονική στιγμή t. Η εξίσωση αυτή εκφράζει την εκθετική φύση που διέπει την ραδιενεργό διάσπαση, δηλαδή το γεγονός ότι ο αριθμός των πυρήνων που έχουν απομείνει μετά από χρονικό διάστημα t και ως εκ τούτου η ενεργότητα, μειώνεται εκθετικά με τον χρόνο. Η εξίσωση αυτή είναι η θεμελιώδης εξίσωση των ραδιενεργών διασπάσεων. Αυτό που έχει ιδιαίτερη σημασία είναι ο ρυθμός διάσπασης ή ένταση του ραδιενεργού, η οποία αλλιώς καλείται ενεργότητα ή απλώς ραδιενέργεια και ορίζεται ως: λ Οπότε προκύπτει μια άλλη μορφή του νόμου των ραδιενεργών διασπάσεων: 20

21 Από τον τύπο ορισμού της ενεργότητας μπορούμε να υπολογίσουμε τη συγκέντρωση C των ραδιενεργών πυρήνων στο υλικό: Ο χρόνος Τ 1/2 καλείται χρόνος ημισείας ζωής ή χρόνος υποδιπλασιασμού ή ημιζωής και είναι χαρακτηριστική σταθερά των ραδιενεργών στοιχείων: λ λ Επειδή το φαινόμενο της ραδιενεργού διάσπασης είναι στατιστικό, ορίζεται και ένας άλλος χρόνος, χαρακτηριστική σταθερά επίσης, ο μέσος χρόνος ζωής, τ, καθότι κάθε ραδιενεργός πυρήνας είναι δυνατό να διασπαστεί εντός μηδενικού χρόνου ή να ζήσει άπειρο χρόνο: τ λ Επομένως: Μονάδες ραδιενέργειας είναι το Curie και το Becquerel. 1 Curie (Ci) = 3, διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο (3, dps). 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 Ραδιενεργές σειρές διάσπασης και ισορροπία θυγατρικών προϊόντων. Πολλά ραδιενεργά νουκλίδια δεν γίνονται σταθερά μετά από μια διάσπαση. Τα θυγατρικά τους είναι επίσης ραδιενεργά και συνεχίζουν να διασπώνται έως ότου μεταπέσουν σε ένα σταθερό πυρήνα. Οι διασπάσεις αυτές λέγονται διαδοχικές διασπάσεις και αποτελούν ραδιενεργές σειρές διάσπασης ή μεταστοιχείωσης. (Σ. Δεδούσης, Μ. Ζαμάνη, Δ. Σαμψωνίδης, 2010). Στη φύση υπάρχουν τρεις αλυσίδες διαδοχικών διασπάσεων (σειρά 238 U, 232 Th και 235 U). Το θυγατρικό προϊόν είναι σε ισορροπία με το πατρικό όταν ο αριθμός των θυγατρικών ατόμων, Ν 2, που μεταστοιχειώνονται ανά δευτερόλεπτο είναι ίδιος με τον αριθμό που δημιουργείται από τις μεταστοιχειώσεις των πατρικών πυρήνων Ν 1. Δηλαδή κατά την ραδιενεργό ισορροπία ο ρυθμός διάσπασης ισούται με τον ρυθμό παραγωγής και έχουμε: 21

22 Όπου λ 1 και λ 2 είναι ο ρυθμός διάσπασης του πατρικού και του θυγατρικού πυρήνα. Αντίστοιχα αν έχουμε Ν 1 αρχικούς πυρήνες με σταθερά διάσπασης λ 1 οι οποίοι ξεκινούν μια σειρά διασπάσεων δίνοντας διαδοχικά Ν 2, Ν 3,..Ν n πυρήνες με αντίστοιχες σταθερές λ 2, λ 3,..λ n, τότε και εφόσον όλη η σειρά διάσπασης είναι σε ισορροπία, ισχύει: 1.3 Πηγές ραδιενέργειας. Η ακτινοβολία είναι ένα συνεχές χαρακτηριστικό της ανθρώπινης ύπαρξης. Το φυσικό περιβάλλον είναι ραδιενεργό. Οι πηγές ραδιενέργειας στο περιβάλλον είναι αφ ενός μεν φυσικές, αφ ετέρου δε ανθρωπογενείς, προϊόντα της ανθρώπινης τεχνολογίας. Οι φυσικές πηγές ακτινοβόλησης είναι οι πιο σημαντικές πηγές έκθεσης για τη συντριπτική πλειοψηφία των ατόμων. Οι διάφορες πηγές που μας περιβάλλουν 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 και Τεχνητές ή τις λεγόμενες ανθρωπογενείς πηγές που είναι προϊόντα της σύγχρονης τεχνολογίας. Οι πηγές αυτές με τη σειρά τους και σε σχέση με τη θέση τους ως προς τον άνθρωπο, μπορούν ακόμη να διακριθούν σε άλλες δύο κατηγορίες τις εξωτερικές και τις εσωτερικές (σχήμα 1.5). Πηγές ακτινοβόλησης του ανθρώπου Φυσικές πηγές Ανθρωπογενείς πηγές Εσωτερικές Εξωτερικές Εσωτερικές Εξωτερικές Σχήμα 1.5: Κατηγορίες των πηγών ακτινοβόλησης του ανθρώπου. 22

23 Εξωτερικές πηγές: Ονομάζονται οι πηγές που εκπέμπουν ακτινοβολία από το εξωτερικό περιβάλλον προς τον άνθρωπο (ραδιενεργά ισότοπα στην επιφάνεια της γης, στα οικοδομικά υλικά και στον αέρα, κοσμική ακτινοβολία, τεχνητά ραδιοϊσότοπα από διάφορες χρήσεις). Εσωτερικές πηγές: Σε αυτήν την κατηγορία υπάγονται τα ραδιενεργά στοιχεία, φυσικά ή τεχνητά, που πέρασαν από το περιβάλλον στο ανθρώπινο σώμα μέσω των οδών της τροφικής αλυσίδας, του δέρματος ή της αναπνοής και καθηλώθηκαν ή κυκλοφορούν στους ιστούς μας και από την εκάστοτε θέση τους μας ακτινοβολούν Φυσικές πηγές εσωτερικής ακτινοβόλησης. Μέσα από τις οδούς της τροφικής αλυσίδας, τα φυσικά ραδιενεργά στοιχεία εισχωρούν στον οργανισμό, μεταβολίζονται, ορισμένα από αυτά καθηλώνονται στους ιστούς και μετατρέπονται σε εσωτερικές πηγές ακτινοβόλησης. Από τα στοιχεία αυτά, σημαντικό ρόλο στην εσωτερική ακτινοβόληση του σώματος παίζει το ραδιενεργό κάλιο, στοιχείο που απαντάται συστηματικά ως συστατικό των πετρωμάτων του εδάφους. Στη φύση, το σταθερό κάλιο, βρίσκεται σε ισορροπία με το φυσικό ραδιενεργό του ισότοπο το 40 K που βρίσκεται στο σταθερό κάλιο σε ποσοστό 0,0118 %. Στο σώμα ενός φυσιολογικού άνδρα διασπώνται περίπου 4433 πυρήνες 40 K κάθε δευτερόλεπτο (Shapiro, 2002). Τα φυτά αντλούν το απαραίτητο για αυτά κάλιο από το έδαφος, τα ζώα από τα φυτά μέσω της τροφής και ο άνθρωπος από τη διατροφή. Το 40 K επομένως υπάρχει σε όλες σχεδόν τις τροφές και τα ποτά και τα άτομά του εισέρχονται στον οργανισμό μας μέσω της τροφικής αλυσίδας. Η συγκέντρωση του καλίου στο έδαφος δεν εξαρτάται σημαντικά από τη γεωγραφική θέση, άρα και η ποσότητα του 40 K στο ανθρώπινο σώμα δεν εξαρτάται σημαντικά από τον τόπο όπου ζει ο άνθρωπος. Το ίδιο συμβαίνει βέβαια και με όλα τα στοιχεία μέλη των ραδιενεργών οικογενειών που είναι φυσικά συστατικά του εδάφους, Για παράδειγμα το 238 U και προϊόντα της αλυσίδας διάσπασης του, καθώς και προϊόντα της αλυσίδας διάσπασης του 232 Th αποτελούν σημαντική εσωτερική πηγή ραδιενέργειας. Φυσικό ουράνιο συνυπάρχει στο μεταλλικό νερό, το κρασί, τον καφέ, το κρέας. Πλούσια σε ουράνιο είναι τα οστρακοειδή θαλασσινά, ιδιαίτερα τα στρείδια και οι αχιβάδες λόγω του τρόπου διατροφής των. Στη σειρά διάσπασης τους 238 U βρίσκεται το ραδιενεργό ισότοπο 226 Ra. Τα ισότοπα αυτά εισέρχονται στο σώμα του ανθρώπου και των ζώων μέσω της τροφικής αλυσίδας. Το 226 Ra είναι χημικά παρόμοιο με το ασβέστιο, με αποτέλεσμα να συσσωρεύεται στα οστά. Η συνολική ενεργότητα των φυσικών ραδιοϊσοτόπων που βρίσκονται στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος είναι κατά μέσο όρο 277 Bq. Μακρόβια ραδιοϊσότοπα φυσικής προέλευσης που έχουν βρεθεί σε σώματα ανθρώπων, καθώς και η μετρηθείσα ενεργότητα τους, παρουσιάζονται στον επόμενο πίνακα (πίνακας 1.2) (J. Shapiro, Radiation protection, 1990, Harvard Press). Το ανθρώπινο σώμα εκπέμπει ραδιενέργεια, είναι ραδιενεργός πηγή. Στην εσωτερική ακτινοβόληση του ανθρώπου συμβάλλουν και τα ραδιοϊσότοπα που παράγονται στην 23

24 ατμόσφαιρα από την κοσμική ακτινοβολία και που με διάφορους τρόπους εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα όπως ο 14 C που μεταβολίζεται από τα φυτά. Πίνακας 1.2: Φυσικά Ραδιοϊσότοπα. Ισότοπο T 1/2 (χρόνια) Ενεργότητα στο σώμα (Bq) 238 U 4.47 x , Ra 1.60 x , Ra , Pb 4.5 x10 9 2,2 210 Po 138 0,74 40 K 1.28 x C H Rb Sr Ραδιοϊσότοπα από την εισπνοή. Τα φυσικά ραδιοϊσότοπα που εισπνέονται από τον άνθρωπο είναι το ραδόνιο (αέριο που εκλύεται από τα γήινα πετρώματα) με τα θυγατρικά του στοιχεία καθώς και οι ραδιενεργοί πυρήνες που προέρχονται από την αλληλεπίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας με άτομα στοιχείων της ατμόσφαιρας. Η σοβαρότερη φυσική πηγή εσωτερικής ακτινοβόλησης του ανθρώπου, είναι τα θυγατρικά του ραδονίου, στα οποία οφείλεται το μεγαλύτερο ποσοστό της ετήσιας ακτινικής δόσης στην οποία εκτίθεται ο παγκόσμιος πληθυσμός. Η διαδικασία εισροής των ραδιονουκλιδίων στο σώμα μέσω της τροφικής αλυσίδας παρατίθεται συνοπτικά στο σχήμα

25 Σχήμα 1.6: Δίοδοι μεταφοράς στο ανθρώπινο σώμα των φυσικών ραδιενεργών στοιχείων του εδάφους και του νερού μέσα από την τροφική αλυσίδα Φυσικές πηγές εξωτερικής ακτινοβόλησης. Κοσμική ακτινοβολία. Η κοσμική ακτινοβολία έχει δύο κύριες πηγές την γαλαξιακή και την ηλιακή. Προτού αλληλεπιδράσουν και τα δύο είδη ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα της γης, αποτελούνται κυρίως το 85% από πρωτόνια, το 12% σωμάτια άλφα, επίσης νετρόνια καθώς και γυμνοί πυρήνες βαρύτερων στοιχείων. Οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες παράγονται έξω από το ηλιακό σύστημα πιθανώς εξαιτίας αστρικών φωτοβολίδων ή εκρήξεων σουπερνόβα. Ωστόσο δεν υπάρχει γενικά αποδεκτή θεωρία ως προς την παραγωγή τους. Η ενέργεια των γαλαξιακών κοσμικών ακτινών είναι κατά μέσο όρο περίπου 10 4 MeV, με μέγιστη τιμή ενέργειας περίπου MeV (J. R. Cooper et al., 2003). Η άλλη προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας είναι ο Ήλιος. Σωματίδια χαμηλής ενέργειας εκπέμπονται συνεχώς από τον Ήλιο, αλλά τα πιο ενεργητικά είναι αυτά που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια ηλιακών γεγονότων, όπως οι μαγνητικές διαταραχές ή φωτοβολίδες. Ηλιακές κοσμικές ακτίνες είναι συνήθως σημαντικά χαμηλότερης ενέργειας από εκείνες που είναι γαλαξιακής προέλευσης και οι ενέργειες τους είναι συνήθως μεταξύ 1 και 100 MeV. Είναι μικρότερης σημασίας στην επιφάνεια της Γης, 25

26 επειδή οι περισσότερες δεν έχουν επαρκή ενέργεια για να διαπεράσουν το Μαγνητικό πεδίο της. Ελάχιστα λοιπόν από τα σωματίδια διαστημικής και ηλιακής προέλευσης φθάνουν στην επιφάνεια της γης. Εφόσον καταφέρουν και εισέλθουν στην ατμόσφαιρα αλληλεπιδρούν με ελαφριούς ατμοσφαιρικούς πυρήνες, όπως ο 6 C, το 7 N και το 8 O, στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και παράγονται μέσω αντιδράσεων θρυμματισμού τα ραδιονουκλίδια 7 Be, 22 Na, 14 C, 3 H. Η κοσμική ακτινοβολία αυξάνεται με την αύξηση του υψομέτρου από την επιφάνεια της γης και επίσης είναι συνάρτηση του γεωμαγνητικού πλάτους, που συμπίπτει περίπου με το γεωγραφικό πλάτος. Είναι κατά 15% περίπου μεγαλύτερη στους πόλους απ ότι στον ισημερινό και αυτό διότι το μαγνητικό πεδίο της γης εκτρέπει τα φορτισμένα σωματίδια προς τους πόλους, καθώς αυτά ταξιδεύουν προς την επιφάνεια της γης (M. Eisenbud, T. Gesell, 1997). Κοσμογενετικά Ραδιονουκλίδια Οι κοσμικές ακτίνες είναι μια μορφή ιονίζουσας ακτινοβολίας που προέρχεται έξω από την ατμόσφαιρα της γης. Τα κοσμικά σωματίδια παράγουν μέσω διαφόρων πυρηνικών αντιδράσεων στην ατμόσφαιρα, βιόσφαιρα και λιθόσφαιρα μια σειρά από δευτερογενή σωματίδια καθώς και ραδιοϊσότοπα στην ατμόσφαιρα γνωστά ως κοσμογενετικά ραδιονουκλίδια. Παραδείγματα κοσμογενετικών ραδιονουκλιδίων είναι το τρίτιο, 7 Be, 14 C και 22 Na αν και παράγεται ένα πολύ μεγαλύτερο φάσμα. Ένα σημαντικό από αυτά τα ραδιονουκλίδια είναι 14 C. Αυτό το ραδιονουκλίδιο παράγεται στην ανώτερη ατμόσφαιρα από την αλληλεπίδραση μεταξύ των νετρονίων που δημιουργούνται από τις κοσμικές ακτίνες και του φυσικού, μη ραδιενεργού, 14 N. Στον πίνακα 1.3 παρουσιάζονται τα κυριότερα κοσμογενετικά ραδιονουκλίδια που υπάρχουν στην φύση. Η διάρκεια ζωής των κοσμογενετικών ραδιονουκλιδίων κυμαίνεται από δευτερόλεπτα ως χιλιάδες, ακόμα και εκατομμύρια χρόνια και μερικά από τα ισότοπα είναι σταθερά. Ο ρυθμός παραγωγής τους εξαρτάται κυρίως από τη ροή των κοσμικών ακτινών. Μετά την παραγωγή, τα ραδιονουκλίδια υπόκεινται σε διαφορετικές διαδικασίες ανάλογα με τις γεωχημικές τους ιδιότητες. Τότε, αυτά διανέμονται από το χώρο παραγωγής τους ακολουθώντας τις καμπύλες τροχιές των αερίων μαζών, έως ότου τελικά ένα μέρος τους αποθηκευτεί σε φυσική «αποθήκη». Η συγκέντρωση των κοσμογενετικών νουκλιδίων σε μια ειδική θέση εξαρτάται έντονα από το τοπικό ποσοστό κατακρήμνισης. 26

27 Πίνακας 1.3: Κυριότερα κοσμογενετικά ραδιονουκλίδια-χρόνοι ημιζωής. Ραδιονουκλίδιο Τ 1/2 (χρόνια) 3 Η Be Be 1.6x C 5.73x Na Al 7.4x Si P P S Cl 3.01x Ar Kr 2.29x10 5 Ακτινοβολία από τη γη. Στο φλοιό και στην επιφάνεια της γης υπάρχουν φυσικά ραδιενεργά ισότοπα. Τα φυσικά ραδιονουκλίδια μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την προέλευσή τους. Η πρώτη κατηγορία είναι τα αρχέγονα ραδιονουκλίδια που εμφανίστηκαν στην γη από την στιγμή δημιουργίας της. Η δεύτερη κατηγορία είναι τα κοσμογενετικά ραδιονουκλίδια, τα οποία παράγονται συνεχώς στο φλοιό της γης από την δράση των κοσμικών ακτινών και για τα οποία έγινε αναφορά αμέσως πριν. Τα αρχέγονα ραδιονουκλίδια ευθύνονται στο μεγαλύτερο βαθμό για την έκθεση σε ακτινοβολία της πλειοψηφίας των ατόμων. Μολονότι σε μικρές αναλογίες (της τάξης μερικών ατόμων στο εκατομμύριο), ισότοπα του 238 U, του 232 Th και των προϊόντων της διάσπασης τους υπάρχουν σχεδόν παντού στο φλοιό και στην επιφάνεια της γης. Τα κύρια ραδιονουκλίδια της κατηγορίας αυτής είναι το 40 K, 232 Th και 238 U. Υπάρχουν άλλα δύο μικρότερης σημασίας όσον αφορά στην ανθρώπινη έκθεση, το 87 Rb και το 235 U. Η σειρά του 235 U είναι μικρότερης σημασίας. Το ουράνιο και το θόριο είναι τα σημεία εκκίνησης των αλυσίδων αποσύνθεσης των διάφορων ραδιονουκλιδίων. Το ουράνιο βρίσκεται στη γη με τη μορφή διοξειδίου του ουρανίου (UO2) και η συγκέντρωση του διαφέρει σημαντικά από τόπο σε τόπο, με μέγιστη συγκέντρωση στα κοιτάσματα φυσικού ουρανίου (J. R. Cooper et al., 2003). Τα αρχέγονα ραδιονουκλίδια παρατίθενται στον πίνακα

28 Πίνακας 1.4: Αρχέγονα Ραδιονουκλίδια. Νουκλίδιο T 1/2 (χρόνια) 40 K 71.3x V 6x Rb 4.7x Cd 9x In 5x Te 1.2x La 1.1x Ce >5x Nd 2.1x Sm 1.1x Sm 8x Gd 1.1x Dy 2x Lu 2.7x Hf 2x Ta >1.6x Re 5x Pt 7x Pb 1.4x U (σειρά Ουρανίου) U (σειρά Ακτινίου) Th (σειρά Θορίου) - Τα ραδιενεργά ισότοπα στο φλοιό της γης εκπέμπουν ακτινοβολίες άλφα, βήτα και γάμμα. Δεδομένου όμως ότι τα σωματίδια άλφα και βήτα αδυνατούν να διέλθουν ακόμα και από σχετικά μικρά πάχη ύλης, το μέγιστο ποσοστό τους συγκρατείται από το ίδιο το έδαφος και τον αέρα και δε φθάνει στο ανθρώπινο σώμα. Έτσι, η μόνη αξιόλογη εξωτερική ακτινοβολία που δέχεται ο άνθρωπος από τη γη και τα οικοδομικά υλικά είναι η ακτινοβολία γάμμα. 28

29 1.3.3 Ανθρωπογενής πηγές ραδιενέργειας. Μια σειρά από ανθρώπινες δραστηριότητες συμβάλλουν στα επίπεδα συγκέντρωσης ραδιονουκλιδίων στο περιβάλλον. Οι ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας συνίσταται από δραστηριότητες που έχουν ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση φυσικών ραδιονουκλιδίων στο περιβάλλον, αλλά και δραστηριότητες που παράγουν νέα ραδιονουκλίδια. Οι τελευταίες αυτές δραστηριότητες όπως παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από πυρηνική ενέργεια και οι δοκιμές πυρηνικών όπλων, ονομάζονται πηγές ανθρωπογενών ραδιοϊσοτόπων. Συνολικά οι κύριες ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας στο περιβάλλον είναι τα δομικά υλικά, οι πυρηνικές δοκιμές (ατομικές βόμβες), τα συμβατικά καύσιμα, η πυρηνική βιομηχανία και οι ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Δομικά υλικά ορυκτής προέλευσης, όπως είναι για παράδειγμα η πέτρα, το μπετόν και ο γύψος, περιέχουν μικρές ποσότητες ραδίου και εκλύουν αέριο ραδόνιο, το οποίο διαχέεται στην ατμόσφαιρα του κτισμένου κτιρίου. Ραδόνιο ανέρχεται επίσης από το εσωτερικό της γης στους εσωτερικούς χώρους των κτιρίων μέσω διαφόρων οδών, όπως είναι π.χ. τα διάκενα μεταξύ πατώματος και σωληνώσεων. Οι δοκιμές των πυρηνικών όπλων στην ατμόσφαιρα προκάλεσαν τη μεγαλύτερη ανθρωπογενή ραδιενεργό ρύπανση του περιβάλλοντος. Ρύπαναν την ατμόσφαιρα με προϊόντα της σχάσης, που επικάθησαν στα σωματίδια σκόνης και νερού που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Τα πιο βαριά από αυτά τα σωματίδια εναποτέθηκαν στην επιφάνεια της γης, στην περιοχή της πυρηνικής έκρηξης, ενώ τα ελαφρύτερα σωματίδια σκόνης και νερού παρέμειναν αιωρούμενα και, με την πάροδο του χρόνου, διαχύθηκαν στην ατμόσφαιρα όλης της γης, με αποτέλεσμα την αύξηση της ανά άτομο δόσης παγκοσμίως. Τα συμβατικά καύσιμα: Οι συμβατικοί ηλεκτροπαραγωγοί σταθμοί με καύσιμο γαιάνθρακα ρυπαίνουν το περιβάλλον με ουράνιο, θόριο, ράδιο και ραδόνιο και τούτο διότι ο γαιάνθρακας περιέχει μικρές ποσότητες ουρανίου, με αποτέλεσμα την έκλυση ραδιενεργών ισοτόπων με τα καυσαέρια και την τέφρα. Σε πολλά μέρη του κόσμου χρησιμοποιείται σε μεγάλη έκταση ως καύσιμο το φυσικό αέριο, τόσο στη βιομηχανία όσο και στις κατοικίες. Το φυσικό αέριο περιέχει 222 Rn και έτσι, σε μια κουζίνα που χρησιμοποιεί φυσικό αέριο και δεν έχει καλό εξαερισμό, η δόση μπορεί να είναι σημαντική. Η πυρηνική βιομηχανία συμβάλλει στην αύξηση της ραδιενέργειας του περιβάλλοντος κατά την παραγωγή του πυρηνικού καυσίμου, κατά τη λειτουργία των πυρηνικών σταθμών και, τέλος, με την παραγωγή και τη διαχείριση των ραδιενεργών καταλοίπων. Τα ορυκτά από τα οποία εξορύσσεται το ουράνιο περιέχουν ουράνιο σε αναλογία 0,1% έως 0,5% κατά βάρος. Κατά την εξόρυξη του ορυκτού απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες αερίου ραδονίου. Το αέριο αυτό αποτελεί κίνδυνο για την υγεία των μεταλλωρύχων και πρέπει να απομακρύνεται από τις στοές του υπόγειου ορυχείου με κατάλληλο εξαερισμό. Επίσης και κατά την κανονική, ομαλή λειτουργία ενός αντιδραστήρα πραγματοποιούνται ελεγχόμενες υγρές και αέριες εκροές ραδιενεργών προϊόντων στο περιβάλλον. Οι κανονισμοί ακτινοπροστασίας και αδειοδότησης των πυρηνικών αντιδραστήρων επιβάλλουν τέτοιο σχεδιασμό και διαδικασίες λειτουργίας τους, ώστε οι εκροές ραδιενεργών προϊόντων στο περιβάλλον να μην προκαλούν στο ευρύ κοινό δόσεις μεγαλύτερες από τα προκαθορισμένα εθνικά όρια (Αντωνόπουλος-Ντόμης, 2004). 29

30 Ιατρικές εφαρμογές: από τις τεχνολογικές πηγές, τη σημαντικότερη μέση δόση ανά άτομο παρέχουν οι ακτινογραφίες στην ιατρική και την οδοντιατρική. Η δόση από μία ακτινογραφία θώρακος είναι περίπου 0,14 msv και από μία ακτινογραφία δοντιών περίπου 0,02 msv. Συνεχώς αυξανόμενη είναι επίσης η χρήση ραδιοϊσοτόπων στη διαγνωστική (π.χ. 131 I για τον θυρεοειδή αδένα και 201 Tl για την καρδιά) και τη θεραπευτική ιατρική. Η δόση από μία τομογραφία καρδιάς με 201 Tl είναι περίπου 10 ως 20 msv και από μία ολόσωμη αξονική τομογραφία περίπου 15 msv (UNSCEAR 2000). Στη θεραπευτική ιατρική οι απορροφώμενες δόσεις είναι πολύ μεγαλύτερες. Στο σχήμα 1.7 παρουσιάζεται μια σχηματική απεικόνιση των πιθανών οδών έκθεσης του ανθρώπου στη ραδιενέργεια του περιβάλλοντος. Αμέσως μετά ακολουθεί στο διάγραμμα 1.8 τα ποσοστά δόσης που δέχεται ο άνθρωπος ετησίως από διάφορους παράγοντες. Σχήμα 1.7: Πιθανές οδοί έκθεσης ραδιονουκλιδίων στον άνθρωπο. 30

31 14 Ραδόνιο από το έδαφος ,5 0,5 Ακτινοβολία από την γη και οικοδομικά υλικά Τρόφιμα και ποτά Κοσμική ακτινοβολία Πυρηνική βιομηχανίαατυχήματα Ιατρικά Σχήμα 1.8: Παράγοντες ετήσιας δόσης ακτινοβολιών. 31

32 32

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ 2.1 Εισαγωγή. Υπάρχουν πάνω από 1300 διαφορετικά ραδιονουκλίδια, εν μέρει προερχόμενα από φυσικές πηγές και εν μέρει παραγόμενα από ανθρώπινες δραστηριότητες (Shaw, 2007 Elsevier). Τα νουκλίδια που απαντώνται στην φύση είναι 340 και από αυτά τα είναι ραδιενεργά. Και οι δύο κατηγορίες ραδιενεργών στοιχείων απαντώνται στο έδαφος. 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. Τα τελευταία είναι γνωστά όπως έχει ήδη αναφερθεί ως αρχέγονα ραδιονουκλίδια και σε αυτά ανήκουν και οι τρείς φυσικές σειρές διάσπασης Ουρανίου, Θορίου και Ακτινίου καθώς και το 40 K. Όσον αφορά τις φυσικές σειρές τα ραδιονουκλίδια μπορεί να βρίσκονται μέσα στους κρυστάλλους διοξειδίου του πυριτίου του εδάφους. Από την άλλη πλευρά, 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. Τα τεχνητά, κοσμογενετικά ραδιενεργά και ο 210 Pb είναι τυπικά fallout ραδιονουκλίδια που εναποτίθενται στο έδαφος. Στη συγκεκριμένη εργασία θα ασχοληθούμε κυρίως με τη φυσική ραδιενέργεια του εδάφους. Η συγκέντρωσή των ραδιενεργών στοιχείων στο έδαφος επηρεάζεται από την εργασία των δέντρων και των φυτών τα οποία σκάβουν βαθιά δημιουργώντας ρωγμές στην γη, μοχλεύοντας τα βράχια και μετατρέποντάς τα σε έδαφος. Η φυσική ραδιενέργεια εδάφους ποικίλει ανάλογα με τον τύπο του εδάφους, την φύση του ορυκτού και την πυκνότητα. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η εξόρυξη μπορεί να επιταχύνουν την κυκλοφορία των αρχέγονων ραδιονουκλιδίων στο έδαφος. 2.2 Γενικά στοιχεία για το έδαφος. Το έδαφος είναι το σύνθετο βιογεωχημικό υλικό που σχηματίζεται στο ανώτατο στρώμα του φλοιού της γης. Το χώμα που αποτελεί το έδαφος αποτελείται από ανόργανα (ή μεταλλικά) στοιχεία και από οργανικές ουσίες, τα οποία συχνά 33

34 δημιουργούν συσσωματώματα. Τα κενά μεταξύ τους σχηματίζουν ένα δίκτυο πόρων, οι οποίοι είναι γεμάτοι με υδατοειδή διαλύματα και αέρια. Οι κάθετες διατομές του εδάφους αποκαλύπτουν οριζόντια στρώματα (ορίζοντες) που διαφέρουν ως προς τα φυσικά τους χαρακτηριστικά και που εν μέρει καθορίζουν τα είδη και τις ποσότητες βλάστησης που θα υποστηρίξει ένα έδαφος. Σε γενικές γραμμές οι βασικοί ορίζοντες που μπορούν να ταυτοποιηθούν, είναι τρεις. Ο ανώτατος ορίζοντας, είναι ουσιαστικά η επιφάνεια του εδάφους και μπορεί να είναι από 30 έως και 60 cm σε πάχος. Το χώμα αυτού του εδάφους είναι και που θα μας απασχολήσει στην παρούσα εργασία και το οποίο διαφέρει σημαντικά από το υπόστρωμα των πετρωμάτων από το οποίο έχει προκύψει, όσον αφορά στις φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητές του. Ο δεύτερος ορίζοντας εκτείνεται έως περίπου το 1 m κάτω από την επιφάνεια και αποτελεί το υπέδαφος. Ο κατώτερος ορίζοντας εκτείνεται σε 1,5 m βάθος και είναι ένα στρώμα από χαλαρά και εν μέρει σαθρά βράχια και αποτελεί το μητρικό υλικό όλων ων εδαφών. Αυτά τα στρώματα εδάφους ορίζονται συμβατικά ως ορίζοντες Α, Β και C. Εξαιρέσεις από αυτό το γενικό μοντέλο προκύπτουν όταν, λόγω υγρής ή αέριας εναπόθεσης, το χώμα συσσωρεύεται από απομακρυσμένες πηγές από το υποκείμενο πέτρωμα (M. Eisenbud, T. Gesell, 1997) Ανόργανα και οργανικά στοιχεία χώματος. Το ανόργανο τμήμα του χώματος συντίθεται από σωματίδια με μέγεθος που ποικίλλει. Η διάκρισή τους ανάλογα με το μέγεθός τους γίνεται σε τέσσερις βασικές κατηγορίες (Παναγιωτόπουλος, 1984): Λίθοι με μέγεθος από 2000 έως 200 μm. Άμμος με μέγεθος από 200 έως 20 μm. Ιλύς (λάσπη) με μέγεθος από 20 έως 2 μm. Άργιλος με μέγεθος μικρότερο από 2 μm. Το οργανικό τμήμα του χώματος αποκαλείται χούμος (humus). Ο χούμος αποτελείται από υπολείμματα φυτικής, ζωικής ή μικροβιακής προέλευσης. Τα υπολείμματα αυτά μπορεί να βρίσκονται τόσο στην πρωτογενή τους μορφή (μηχουμικά), όσο και σε διάφορα στάδια αποσύνθεσης (χουμικά). Η συγκέντρωση του χούμου στο χώμα διαφέρει ανάλογα με την εκάστοτε περιοχή. Αποτελεί μικρό ποσοστό της συνολικής μάζας του χώματος, επηρεάζει, παρόλα αυτά, τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του και επιδρά σημαντικά στη συμπεριφορά των ρυπαντών μέσα σε αυτό. 34

35 2.2.2 Φυσικές και χημικές ιδιότητες χώματος. Φυσικές ιδιότητες. Τα διάφορα είδη χώματος που απαντώνται στο περιβάλλον μπορούν να περιγραφούν με βάση ενός πλήθους ιδιοτήτων. Οι βασικές φυσικές ιδιότητες του χώματος είναι οι εξής: Σύσταση. Η αναλογία των συστατικών του εδάφους. Υφή. Η υφή του χώματος καθορίζεται ανάλογα με την αναλογία ιλύος, αργίλου και άμμου. Η υφή του χώματος αποτελεί ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του και επηρεάζει την ικανότητα αποστράγγισης και κατακράτησης του νερού, το μέγεθος και τον αριθμό των πόρων καθώς και την ανάπτυξη των φυτικών ριζών. Γενικά το χώμα ανάλογα με την υφή του διακρίνεται σε τρεις βασικές κατηγορίες: Χώμα λεπτής υφής: Η σύσταση είναι κυρίως αργιλώδης. Όταν είναι υγρό το χώμα, είναι κολλώδες και εύπλαστο, ενώ στεγνό είναι σκληρό και συμπαγές. Χώμα τραχιάς υφής: Αποτελείται κυρίως από άμμο και λίθους. Η υφή του είναι τραχιά, είναι λιγότερο κολλώδες και κυλάει με μεγάλη ευκολία. Χώμα μέσης υφής: Η αναλογία μεταξύ άμμου, ιζήματος και αργίλου είναι πιο ισορροπημένη. Η συμπεριφορά του χώματος είναι ενδιάμεση, ανάλογα με την ακριβή σύστασή του. Το σχήμα 2.1 Απεικονίζει τις κλάσεις υφής στις οποίες μπορεί να διαχωριστεί το έδαφος ανάλογα με τα ποσοστά άμμου, ιλύος και αργίλου. Σχήμα 2.1: Κλάσεις υφής του εδάφους ανάλογα με τα ποσοστά αργίλου, άμμου και ιλύος. [U.S. Department of Agriculture (1957)]. 35

36 Διαπερατότητα του χώματος. Αποτελεί μία από τις βασικότερες ιδιότητες του χώματος και σχετίζεται με τη συχνότητα και το μέγεθος των πόρων του χώματος. Πόροι με διάμετρο μεγαλύτερη από 30 μm είναι συνήθως γεμάτοι με αέρα, ενώ πόροι με διάμετρο μικρότερη από 30 μm τείνουν να συγκρατούν το νερό και άλλα υδάτινα διαλύματα. Η διαπερατότητα του χώματος καθορίζεται από πλήθος παραγόντων, όπως η υφή του (τάξη του χώματος), η διάμετρος των πόρων, η ενδεχόμενη κατεργασία του χώματος κ.ά. Η διαπερατότητα του χώματος καθορίζει την ταχύτητα με την οποία τα υγρά διαλύματα απορροφώνται από αυτό και συνεπώς επηρεάζει σημαντικά τη μεταφορά των ρύπων από την επιφάνεια στα πιο βαθιά στρώματα του χώματος. Πορώδες και ειδικό βάρος. Το πορώδες βάρος καθορίζεται από τον όγκο που έχουν τα διάκενα του εδάφους. Το ειδικό βάρος ορίζεται ως ο λόγος του βάρους ενός σώματος προς τον όγκο του (Μ. Σφακιανάκη, 2009) Υγροσκοπικότητα. Η υγροσκοπικότητα αναφέρεται στην ικανότητα πρόσληψης και απόδοσης υγρασίας. Ειδική θερμότητα. Αφορά στην ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του χώματος κατά 1 o C. Η θερμοκρασία είναι ένας από τους συντελεστές της ανάπτυξης των φυτών και εξαρτάται από τα συστατικά του εδάφους, το χρώμα του και την υγρασία του. Χημικές ιδιότητες. Οι βασικές χημικές ιδιότητες του χώματος είναι: ph. Αποτελεί μέτρο της οξύτητας μιας ουσίας. Συγκεκριμένα, εκφράζει τον αρνητικό λογάριθμο της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου. Είναι από τις σημαντικότερες ιδιότητες το χώματος και επηρεάζει σημαντικά τόσο την ανάπτυξη των φυτών, όσο και τη συμπεριφορά των ιόντων του χώματος. Το ph του χώματος συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 4 και 8.5, αν και σε διάφορα σημεία του κόσμου έχουν παρατηρηθεί ακραίες τιμές, μεταξύ 2 και Γενικά, το χώμα σε περιοχές με έντονη υγρασία έχει τιμή ph 5 7, ενώ σε άνυδρες περιοχές 7 9 (Alloway, 1995). Οξειδοαναγωγή. Ο όρος περιγράφει όλες τις χημικές αντιδράσεις κατά τις οποίες τα άτομα των στοιχείων που συμμετέχουν αλλάζουν αριθμό οξείδωσης. Η διαδικασία της οξειδοαναγωγής μπορεί να γίνεται σχετικά απλά και γρήγορα, όπως η οξείδωση του άνθρακα από το οξυγόνο προς διοξείδιο του άνθρακα, ή μπορεί να είναι μια 36

37 πολύπλοκη διαδικασία, όπως η οξείδωση της γλυκόζης στους οργανισμούς, η οποία επιτυγχάνεται μέσω πολύπλοκων διεργασιών μεταφοράς ηλεκτρονίων. Στο χώμα, η οξειδαναγωγή επηρεάζει κυρίως τη συμπεριφορά στοιχείων όπως τα C, N, O, S, Fe, Mn. Σε μικρότερο βαθμό επηρεάζει και τα στοιχεία: Ag, As, Cr, Cu, Hg, Pb. Προσροφητική ικανότητα. Η συγκέντρωση των διαλυτών ουσιών στο χώμα καθορίζεται από την προσροφητική ικανότητα του χώματος. Όταν ένας ρύπος επικάθεται στην επιφάνεια του χώματος, είτε αλληλεπιδρά με τα επιφανειακά σωματίδια του χώματος, είτε απομακρύνεται με το νερό της βροχής. Οι διαλυτοί ρύποι διαπερνούν το επιφανειακό χώμα και εισέρχονται στο σύστημα των πόρων του χώματος. Αντιθέτως, το αδιάλυτα και υδροφοβικά οργανικά μόρια κολλάνε στα επιφανειακά σωματίδια του χώματος, ή κινούνται με ταχύτητα σε μεγάλο βάθος διαμέσου μεγάλων πόρων και σχισμών του εδάφους. Ανταλλαγή ιόντων. Ορίζεται ως η ανταλλαγή ιόντων μεταξύ δύο ηλεκτρολυτών. 2.3 Συμπεριφορά μακρόβιων ραδιονουκλιδίων στο έδαφος Εισαγωγή. Προκειμένου να κατανοήσουμε την κινητικότητα των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος, είναι σημαντικό να μελετηθεί η ανόργανη και οργανική σύνθεση των εδαφών. Η παρουσία ανόργανης ύλης (αργιλικά ορυκτά και οξείδια) μπορεί να προκαλέσει διαδικασίες απορρόφησης και συμπλοκοποίησης. Από την άλλη πλευρά, η βιολογική δραστικότητα μπορεί να αυξήσει την κινητικότητα των ραδιενεργών. Τα ραδιονουκλίδια μπορούν να απορροφηθούν από ορισμένα κλάσματα ορυκτών του εδάφους (λάσπης και κλάσματα αργίλου). Τα κυριότερα ορυκτά που παρατηρούνται σε αυτά τα κλάσματα είναι σμηκτίτης, ιλλίτης, βερμικουλίτης, χλωρίτης, αλλόφωνο και ιμογολίτης. Στο σχήμα 2.2 δείχνονται ενδεικτικά τρία από αυτά τα ορυκτά. Άλλοι συντελεστές στη διαδικασία της απορρόφησης είναι τα οξείδια και διοξείδια του πυριτίου, αλουμινίου, σιδήρου και μαγγανίου. Εδάφη με υψηλή περιεκτικότητα σε ιλλίτη, σμηκτίτη, βερμικουλίτη, ή μίκας εντός του κλάσματος αργίλου απορροφούν μεγάλες ποσότητες κατιόντων λόγω του εγγενούς αρνητικού φορτίου τους. Από την άλλη πλευρά, ανιόντα μπορούν να απορροφηθούν από αλουμίνιο και οξείδια του σιδήρου σε τιμές pη στην περιοχή από 8 μέχρι 9. Υδατοδιαλυτές ενώσεις όπως φωσφορικό άλας, σεληνίτης, μολυβδαίνιο και αρσενικικό μπορούν να απορροφηθούν από τον σχηματισμό σταθερών συμπλόκων και την ανταλλαγή με οξείδια αλουμινίου και σιδήρου. Η παρουσία οργανικής ύλης μειώνει την απορρόφηση των ανιόντων. 37

38 Η οργανική ύλη είναι εξαιρετικά ετερογενής και αποτελείται από οργανικά οξέα, λιπίδια, λιγνίνη, φουλβικά και χουμικά οξέα. Ο αριθμός των αλληλεπιδράσεων και αντιδράσεων των ραδιονουκλιδίων με την οργανική ύλη είναι υψηλός. Οι διαδικασίες αυτές επηρεάζονται από το pη και τη συγκέντρωση κατιόντων στο έδαφος. Η δυναμική του νερού του εδάφους, καθώς και η υφή και δομή του εδάφους έχουν άμεσο αντίκτυπο στην συγκέντρωση των ραδιονουκλιδίων. Χημικά αμετάβλητες ουσίες μπορούν μεταβιβαστούν εν μέρει μέσω της ροής του νερού, ενώ η αργή διείσδυση ευνοεί την αλληλεπίδραση με τη μήτρα του εδάφους και του εδαφικού διαλύματος (M. Pöschl et al., 2007) Σχήμα 2.2: Βερμικουλίτης, Ιλλήτης, Χλωρίτης Παράγοντες που επηρεάζουν την μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος. Συνοπτικά οι παράγοντες που επηρεάζουν την συμπεριφορά των ραδιονουκλιδίων στα εδάφη είναι κυρίως οι χημικές ιδιότητες του ραδιενεργού στοιχείου και τα χαρακτηριστικά του εδάφους, συμπεριλαμβανομένων και των μεταλλικών στοιχείων, οργανικής ύλης και χημικής αντίδρασης του περιβάλλοντος. Άλλοι παράγοντες που επίσης επηρεάζουν την συμπεριφορά των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος είναι η ποσότητα της βροχόπτωσης, η θερμοκρασία και τη διαχείριση του εδάφους. Τέλος, η τιμή του pη είναι μία σημαντική παράμετρος που ελέγχει την κινητική των στοιχείων στο έδαφος και κατά συνέπεια την κινητική των ραδιονουκλιδίων. Πιο αναλυτικά και εμπεριστατωμένα οι παράγοντες αυτοί μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες μηχανισμών ή μεθόδων, οι οποίοι είτε ευνοούν, είτε επιβραδύνουν την μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος. 1. Μηχανισμοί που προάγουν την μετακίνηση (migration) των ραδιονουκλιδίων: Μεταφορά με διάδοση. Στην περίπτωση που τα ραδιονουκλίδια είναι διαλυτά στο χώμα, μπορούν να μεταφερθούν με τη ροή του νερού προς τα κάτω. Η ροή αυτή μπορεί να είναι αποτέλεσμα της βροχής (rainfall) ή του ποτίσματος (irrigation). Σε αυτή την 38

39 περίπτωση είναι προφανές, ότι μεγαλύτερη ροή νερού συνεπάγεται και γρηγορότερη μεταφορά των ραδιονουκλιδίων. Μεταφορά με διάχυση. Αν δεν υπάρχει ροή νερού, τότε μπορεί να γίνει εμφανής η μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων με τον μηχανισμό της διάχυσης. Αυτή η διαδικασία είναι εν γένει μια πολύ αργή διαδικασία. Για παράδειγμα, αν θεωρήσουμε μια τυπική τιμή για το συντελεστή διάχυσης της τάξης του 10 cm sec και επιπλέον ότι τα ραδιονουκλίδια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ούτε με το χώμα, προκύπτει μετακίνηση της τάξης των μερικών cm το χρόνο. Η μεταφορά ραδιονουκλιδίων με τη διαδικασία της διάχυσης γίνεται σημαντική μόνο στην περίπτωση που το έδαφος είναι πολύ ξηρό και η μεταφορά με διάδοση είναι ασήμαντη. Επίδραση της μεταβολής της ταχύτητας μεταφοράς του νερού στους πόρους του εδάφους. Η μεταβολή της ροής του διαλύματος που περιέχει ραδιενεργά νουκλίδια είναι ανάλογη του συντελεστή διασποράς και της κλίσης της συγκέντρωσης. Ο συντελεστής διασποράς είναι ανάλογος προς τη μέση ταχύτητα ροής του νερού και μιας ποσότητας α, η οποία λέγεται διασπορά μήκους (dispersion length). Αυτή η ποσότητα εξαρτάται από την πολυπλοκότητα της διαδρομής του νερού ανάμεσα στους πόρους και από τη διασπορά των πόρων μέσα στο έδαφος. Είναι προφανές ότι για μεγαλύτερο συντελεστή διασποράς θα έχουμε και μεγαλύτερη ροή ραδιονουκλιδίων μέσα στο χώμα. Μεταφορά με μετακίνηση σωματιδίων. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα όταν τα ραδιονουκλίδια είναι αδιάλυτα στο χώμα. Σε αυτή την περίπτωση παράγονται κατά την καθίζηση κολλοειδή ή σκληρά συσσωματώματα πάνω στα σωματίδια χώματος. Αυτά μπορούν να μετακινούνται μέσα στο έδαφος με μετακίνηση των σωματιδίων. Αυτό όμως, είναι πιθανό στην περίπτωση που τα σωματίδια αυτά έχουν μικρότερο μέγεθος από τους πόρους του χώματος. Παρ όλα αυτά, είναι δυνατόν, πολύ μικρά σωματίδια να διηθηθούν και να μείνουν έξω από κάποια περιοχή ή μπορεί να απορροφηθούν από σωματίδια μεγαλύτερης επιφάνειας. Ανθρωπογενείς και άλλοι βιολογικοί παράγοντες. Η καλλιέργεια του εδάφους και ιδιαίτερα η άροση και χρήση φρέζας, έχουν ως αποτέλεσμα την ανάμειξη του χώματος και συνεπώς τη μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων σε βαθύτερα στρώματα. Η κατ επανάληψη άροση του εδάφους, έχει ως αποτέλεσμα μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων από βαθύτερα στρώματα σε ψηλότερα. Τελικά, μετά από μερικά χρόνια καλλιέργειας η κατανομή των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος είναι περίπου σταθερή, μέχρι το βάθος που γίνεται ανάμειξη κατά την καλλιέργεια. Μετά το τέλος της καλλιεργητικής περιόδου και εφόσον έχουν προηγηθεί βροχές (μεταφορά με διάδοση) ή ποτίσματα, τότε μπορεί να παρατηρηθεί μεταβολή στην κατακόρυφη κατανομή των ραδιονουκλιδίων στο έδαφος. Τα ραδιονουκλίδια μπορούν επίσης να μετακινηθούν μέσα στο έδαφος με βιολογικές διαδικασίες. Πολλά ραδιονουκλίδια απορροφώνται από τις ρίζες των φυτών και στη συνέχεια μεταφέρονται στα φυτά. Αυτός είναι ένας πολύ γρήγορος τρόπος για να μετακινηθούν τα ραδιονουκλίδια, είτε προς την επιφάνεια του εδάφους είτε προς τα 39

40 κάτω. Μετά το θάνατο και την αποσύνθεση των φυτών, τα ραδιονουκλίδια αποτίθενται στο χώμα, συνήθως στα ψηλά στρώματα. Τα ραδιονουκλίδια μπορούν επίσης να μετακινηθούν μέσα στο έδαφος μέσω των μικρών ζώων ή οργανισμών (π.χ. αρουραίοι, σκουλήκια κλπ) που ζουν μέσα στο χώμα. Οι δραστηριότητες των ζώων ή των μικροοργανισμών, έχουν ως αποτέλεσμα τη φυσική ανάμειξη του χώματος και συνεπώς τη μετακίνηση των ραδιονουκλιδίων σε βαθύτερα στρώματα. 2. Μηχανισμοί που επιβραδύνουν την μετακίνηση (migration) των ραδιονουκλιδίων. Τα περισσότερα ραδιονουκλίδια, ειδικά αν έχουν τη μορφή κατιόντων, απορροφώνται από το χώμα σε κάποια έκταση. Αυτή η απορρόφηση συναντάται σε αργιλικά ορυκτά, πολυοξείδια ή οργανικά ορυκτά. 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: Έτσι, για ψηλότερη τιμή του K d, θα έχουμε μεγαλύτερη επιβράδυνση των ραδιονουκλιδίων στο χώμα. Επειδή όμως η αλληλεπίδραση των ραδιονουκλιδίων με τα διάφορα συστατικά του χώματος εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, είναι προφανές ότι και η K d θα εξαρτάται αντίστοιχα από πολλές παραμέτρους. Οι πιο σημαντικές από αυτές είναι: Ο τύπος του ραδιονουκλιδίου Στοιχείο Χημικός τύπος Συγκέντρωση του ραδιονουκλιδίου στο διάλυμα χώματος Χημική σύνθεση του διαλύματος χώματος Το ph του εδάφους Συγκέντρωση των άλλων διαλυμάτων Χημική σύνθεση του χώματος Ο τύπος και η ποσότητα των αργιλικών ορυκτών, των πολυοξειδίων και των οργανικών ορυκτών Το μέγεθος των σωματιδίων Το εμβαδό της επιφάνειας Η παρουσία κολλοειδών διαλυμάτων Μικροοργανισμοί Θερμοκρασία 40

41 Επειδή σύμφωνα με τα παραπάνω, η προσρόφηση των ραδιονουκλιδίων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, είναι προφανές ότι ο ρυθμός μετακίνησης (rate of migration) που μετρούμε μπορεί να μεταβληθεί σε μεγάλο βαθμό, εάν κάποιος από τους παραπάνω παράγοντες μεταβληθεί για κάποιο λόγο σε δεδομένο σύστημα χώματος διαλύματος. 2.4 Φυσική ραδιενέργεια χερσαίου περιβάλλοντος (χώμα, βραχώδη εδάφη και ορυκτά) Φυσικά ραδιενεργά ισότοπα που βρίσκονται στο έδαφος. Τα ραδιενεργά ισότοπα που απαντώνται στο στερεό φλοιό της γης και φυσικά στο έδαφος (χώμα) είναι αφενός των τριών φυσικών σειρών (σχήμα 2.3), δηλαδή του 238 U, 232 Th, 235 U ως και τα προϊόντα των ραδιενεργών διασπάσεών τους και αφετέρου τα μεμονωμένα μακρόβια ραδιενεργά ισότοπα, δηλαδή το 40 K και το 87 Rb. Σχήμα 2.3: Σειρά Ουρανίου, Θορίου και Ακτινίου. 41

42 Αναλυτικά αναφέρονται τα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα που απαντώνται κατά κύριο λόγο στο έδαφος: Ουράνιο (U). Το Ουράνιο που υπάρχει στην φύση αποτελείται από τρία ισότοπα με μαζικούς αριθμούς 234, 235, 238. Το 238 U βρίσκεται στο φλοιό της γης σε ποσοστό 99,28% και είναι συνήθως σε ραδιενεργό ισορροπία με το 234 U, το οποίο βρίσκεται σε ποσοστό 0,0058%. Το 235 U, το πατρικό ισότοπο της σειράς του ακτινίου βρίσκεται σε ποσοστό 0,71% και έχει χρόνο ημιζωής 703, χρόνια. Το ουράνιο βρίσκεται σε όλα τα πετρώματα και εδάφη. Η ανάπτυξη του εδάφους έχει ως αποτέλεσμα ο μέσος όρος συγκέντρωσης ουρανίου στο έδαφος να είναι μικρότερος από τον μέσο όρο συγκέντρωσης ουρανίου σε βραχώδη εδάφη. Οι τυπικές συγκεντρώσεις του κυμαίνονται από 0,03 ppm στα υπερβασίκά πυριγενή πετρώματα μέχρι 120 ppm στα φωσφορικά πετρώματα τα οποία χρησιμοποιούνται για εμπορική εκμετάλλευση. Ράδιο-226 ( 226 Ra). Το 226 Ra έχει χρόνο ημίσειας ζωής 1622 χρόνια και διασπάται με α διάσπαση σε 222 Rn. Το ράδιο ως άλφα εκπομπός δεν συνεισφέρει άμεσα στην δραστηριότητα γάμμα ακτινοβολίας του περιβάλλοντος, αλλά το κάνει έμμεσα με τα προϊόντα διάσπασης τους που είναι γ-εκπομποί. Το ράδιο και τα προϊόντα διάσπασής του είναι υπεύθυνα για μεγάλο μέρος της δόσης που λαμβάνουν οι άνθρωποι από εσωτερικούς φυσικούς εκπομπούς. Το 226 Ra βρίσκεται σε όλα τα βράχια και τα εδάφη σε διάφορες ποσότητες. Τα πυριγενή πετρώματα τείνουν να περιέχουν ελαφρώς υψηλότερες συγκεντρώσεις περίπου 48 Bq/kgr από ψαμμίτες και ασβεστόλιθους, περίπου 16 Bq/kgr (K. Rankama, T. G. Sahama, 1950). Οι μέγιστες τιμές μετρήθηκαν σε μοναζίτη άμμο στο Guarapari της Βραζιλίας (πάνω από 50 mgyh -1 ), στην Kerala της Ινδίας (περίπου 2) και σε πέτρες με υψηλή συγκέντρωση ραδίου στο Ramsar του Ιράν (από 1 μέχρι 10) (M. Eisenbud, T. Gesell, 1997). Θόριο-232 ( 232 Th). Το 232 Th είναι το μόνο ισότοπο του Θορίου που ανευρίσκεται στη φύση. Διασπάται με εκπομπή α σωματιδίου και έχει χρόνο ημιζωής 14, χρόνια. Αποτελεί ένα ραδιενεργό ισότοπο που βρίσκεται στο φλοιό της γης, τα εδάφη και τα πετρώματα. Ο μέσος όρος συγκέντρωσης του 232 Th στο φλοιό της γης όσο και στα εδάφη είναι περίπου τέσσερις φορές μεγαλύτερος από εκείνον του Ουρανίου. Ωστόσο, η ειδική ενεργότητα του 232 Th είναι 0,11 pci/gr σε σύγκριση με 0,33 pci/gr για το 238 U, έτσι ώστε η ραδιενέργεια που οφείλεται στα δύο νουκλίδια είναι περίπου ίση. Η τυπική περιεκτικότητα πετρωμάτων σε θόριο είναι 8,1 33 ppm για τα πυριγενή πετρώματα με κυριότερη τιμή τα 12 ppm, 6ppm στους ψαμμόλιθους και 1 ppm στους ασβεστόλιθους (Faul, 1954). 42

43 Ράδιο-228 ( 228 Ra). Το συγκεκριμένο ισότοπο εμφανίζεται συχνά στο έδαφος και στο νερό σε αναλογία ένα προς ένα ως προς το 226 Ra. Ραδόνιο-222 ( 222 Rn). Το 222 Rn και το 220 Rn είναι ευγενή αέρια και έχουν χρόνο ημιζωής 3,8 μέρες και 54 δευτερόλεπτα αντίστοιχα. Το ραδόνιο απαντάται ως αέριο συστατικό του εδάφους, του νερού και κατ' επέκταση των οικοδομικών υλικών. Όταν ο πατρικός πυρήνας ραδίου διασπαστεί στο χώμα ή στα πετρώματα, προκύπτει ένας πυρήνας ραδονίου. Μερικά κλάσματα των προκυπτόντων ατόμων καταλήγουν στα γεωλογικά υδατικά διαλύματα. Ένα κλάσμα ραδονίου που βρίσκεται στα εδαφικά υγρά εισέρχεται στα εδαφικά αέρια κυρίως μέσω διάχυσης και εκεί γίνεται πιο ευκίνητο. Το ραδόνιο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα ως ραδιενεργό συστατικό της όταν ο επιφανειακός εδαφικός αέρας αναμιγνύεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Ένας λιγότερος σημαντικός μηχανισμός εισροής του ραδονίου στην ατμόσφαιρα είναι η διάχυση από τον εδαφικό στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η ποσότητα του εκλυόμενου ραδονίου διαφέρει σημαντικότατα από τόπο σε τόπο, εξαρτώμενη από το είδος των πετρωμάτων του εδάφους και την περιεκτικότητά τους σε ουράνιο. Βέβαια το 222 Rn έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να διοχετευθεί στην ατμόσφαιρα σε σχέση με τα πολύ βραχύβια ισότοπά του. Η μέση συγκέντρωση του ραδονίου στον καθαρό αέρα είναι 3 18 Bq/m 3. Μόλυβδος-210 ( 210 Pb) και Πολώνιο-210 ( 210 Po). Ο 210 Pb έχει χρόνο ημίσειας ζωής 22 χρόνια και είναι β εκπομπός. Προέρχεται από την διάσπαση του 222 Rn όχι άμεσα, αλλά μεσολαβώντας κάποια βραχύβια ισότοπα εκ των οποίων το πιο μακρόβιο είναι ο 214 Pb με χρόνο ημιζωής 26,8 λεπτά. Ο 210 Pb διασπάται στο 210 Po με χρόνο ημιζωής 138 μέρες, μέσω του ενδιάμεσου 210 Bi. Ο μόλυβδος παράγεται γρήγορα μετά την διάσπαση του ραδονίου, καθώς τα ενδιάμεσα ισότοπα είναι πολύ βραχύβια, όπως έχει ειπωθεί. Η διάσπαση του 222 Rn σε 210 Pb μπορεί να γίνει είτε μέσα στο έδαφος, είτε μέσα στην ατμόσφαιρα. Ο μόλυβδος διοχετεύεται στην ατμόσφαιρα μέσω της διάσπασης του ραδονίου που έχει διαφύγει από το έδαφος. Ο μεγάλος χρόνος ημιζωής του δεν του επιτρέπει να διασπαστεί στην ατμόσφαιρα, αλλά επικάθεται στο έδαφος, κυρίως μέσω της βροχής ή του χιονιού. Ο μόλυβδος στο έδαφος, λοιπόν, μπορεί να ενταχθεί σε τρεις κατηγορίες. Τον ορυκτό, τον ενδιάμεσο και τον fallout. Ο ορυκτός είναι εκείνος που παράγεται στο έδαφος λόγω διάσπασης του αερίου ραδονίου μέσα στο ορυκτό στοιχείο που τον φιλοξενεί αρχικά και είναι πιθανό μείνει έγκλειστος εκεί. Ο ενδιάμεσος μόλυβδος είναι εκείνος που είναι απορροφημένος στην επιφάνεια ενός ορυκτού στοιχείου λόγω της διάσπασής του 222 Rn μετά τη διαφυγή του από το στοιχείο στο οποίο φιλοξενείται και πριν τη διαφυγή του στην ατμόσφαιρα. Ο fallout μόλυβδος είναι εκείνος που έχει παραχθεί από τη διάσπαση του 222 Rn εφόσον έχει διαφύγει στην ατμόσφαιρα και προσκολλάται σε αεροζόλ στην ατμόσφαιρα και καταλήγει στο έδαφος λόγω κατακρήμνισης. Συνεπώς το ισότοπο αυτό παρουσιάζει μεγάλη ανομοιογένεια στην κατανομή του κατά βάθος. Συγκεκριμένα παρατηρείται υψηλή συγκέντρωση στο επιφανειακό χώμα και μικρότερη σε μεγαλύτερο βάθος. Στο νερό της βροχής η μέση συγκέντρωσή του είναι 75 Bq/m 3. 43

44 Η συγκέντρωση του πολωνίου στο γειτονικό του εδάφους επίπεδο είναι μικρότερη από εκείνη του μολύβδου. Η αναλογία μολύβδου-πολωνίου μέσα σε ένα πλέγμα εξαρτάται από την αρχική αναλογία, τον χρόνο ζωής του μολύβδου και από το εάν το πολώνιο απομακρύνεται επιλεκτικά από την θέση της παραγωγής μέσω χημικών ή βιολογικών μηχανισμών. Ρουβίδιο-87 ( 87 Rb). Στη φύση υπάρχουν δύο ισότοπα του Ρουβιδίου, το 85 Rb και το 87 Rb. Από αυτά τα δύο το τελευταίο είναι ραδιενεργό με χρόνο ημίσειας ζωής 4, χρόνια. Το 87 Rb απαντά στη φύση στο 27,83%, ενώ το μη ραδιενεργό ισότοπό του είναι σε αναλογία 72,17%. Διασπάται με εκπομπή β σωματιδίου στο σταθερό 87 Sr. Το 87 Rb είναι συστατικό όλων των εδαφών και ιδιαίτερα των χουμικών. Η μέση τιμή ειδικής ραδιενέργειάς του στα πετρώματα του φλοιού είναι περίπου 0,07 Bq/kgr (Pertsov, 1964). Κάλιο-40 ( 40 K). Το 40 K αποτελεί το 0,0117% του συνολικού Καλίου που βρίσκεται στην φύση, ενώ τα μη ραδιενεργά ισότοπά του απαντούν το υπόλοιπο ποσοστό. Από τα τρία φυσικά ισότοπα του καλίου το 40 K είναι το μοναδικό ασταθές που έχει χρόνο ημίσειας ζωής 1, χρόνια. Διασπάται με β διάσπαση σε 40 Ca, ακολουθεί Κ-σύλληψη σε μια διεγερμένη κατάσταση 40 Ar και με γ διάσπαση καταλήγει στην σταθερή μορφή του 40 Ar. Η ραδιενεργός αυτή διάσπαση χρησιμοποιείται στη ραδιοχρονολόγηση των πετρωμάτων. Αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα. Το ισότοπο αυτό συμμετέχει στις χημικές διεργασίες των έμβιων οργανισμών, ενώ παράλληλα αποτελεί συστατικό πολλών ορυκτών και άρα σχετίζεται τόσο με το οργανικό, όσο και με το ανόργανο κλάσμα του χώματος. Είναι συστατικό των πετρωμάτων και βρίσκεται σε διάφορες περιεκτικότητες ανάλογα με τους τύπους των. Ορισμένοι βασάλτες και άμμος έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε κάλιο ενώ γρανίτες και άλλου είδους βασάλτες έχουν υψηλές περιεκτικότητες. Η περιεκτικότητα 40 K σε καλλιεργήσιμα εδάφη επηρεάζεται έντονα από την χρήση λιπασμάτων. Η μέση τιμή της συγκέντρωσης του στον εξωτερικό φλοιό της γης είναι 1,8 mg/kgr και η αντίστοιχη ειδική του ραδιενέργεια είναι περίπου 0,6 Bq/gr στο φλοιό της γης. Η φυσική του συγκέντρωση στο θαλασσινό νερό είναι περίπου 11Bq/l (T. Kohman, N. Saito, 1954). Η κατανομή του στο έδαφος θεωρείται ομοιόμορφη και μη εξαρτώμενη από το βάθος συλλογής χώματος. Κατ επέκταση, αναμένεται πολύ μικρή διακύμανση της εκτιμώμενης συγκέντρωσης ραδιενέργειας μεταξύ διαφορετικών δειγμάτων Φυσική ραδιενέργεια στο χώμα/πίνακες. Η μέση τιμή συγκέντρωσης των πρωτογενών ραδιενεργών ισοτόπων των τριών φυσικών σειρών στο χώμα παρουσιάζεται στον πίνακα 2.1 (UNSCEAR 2000). 44

45 Πίνακας 2.1: Συγκεντρώσεις των ραδιενεργών ισοτόπων των φυσικών σειρών στο χώμα (UNSCEAR 2000). Ισότοπο T 1/2 (χρόνια) Συγκέντρωση(Bq kg -1 ) (μέση τιμή) Ουράνιο-238( 238 U) 4.47 x Ράδιο-226( 226 Ra) 1.60 x Θόριο-232( 232 Th) 1.40x Κάλιο-40( 40 K) 1.28 x Φυσική ραδιενέργεια σε βραχώδη εδάφη και ορυκτά/πίνακες. Στην παρούσα εργασία ασχολούμαστε με την ραδιενέργεια στο χώμα, για λόγους πληρότητας παρ όλα αυτά θα γίνει αναφορά και στην ραδιενέργεια σε βραχώδη εδάφη και ορυκτά. Στον πίνακα 2.2 (UNSCEAR 2000) παρουσιάζονται οι συγκεντρώσεις των πρωτογενών φυσικών ραδιενεργών ισοτόπων σε βραχώδη εδάφη και ορυκτά. Μία ακόμη κατηγορία πολύ γνωστών ορυκτών που απαντώνται στο στερεό φλοιό τη γης και γίνεται ευρύτατα η εκμετάλλευση τους, ενώ περιέχουν πρωτογενή φυσικά ραδιενεργά ισότοπα είναι οι λιγνίτες, οι γρανίτες και οι φωσφορίτες-απατίτες, ως και τα προϊόντα και τα παραπροϊόντα της βιομηχανικής επεξεργασίας τους. Στον πίνακα 2.3 (Παπαστεφάνου, 2010) παρουσιάζονται ενδεικτικά οι συγκεντρώσεις των πρωτογενών φυσικών ραδιενεργών ισοτόπων κατά κατηγορία, των προαναφερθέντων ορυκτών υλικών και των προϊόντων και των παραπροϊόντων της βιομηχανικής τους επεξεργασίας. Πίνακας 2.2: Συγκεντρώσεις φυσικών ραδιενεργών ισοτόπων σε βραχώδη εδάφη και ορυκτά σε Bq kg -1 (UNSCEAR 2000). Τύπος εδάφους 238 U 226 Ra 232 Th 40 K Πυριγενή(igneous rocks) Ιζηματογενή(Sedimentary rocks) Ψαμμίτες(Sandstones) Αργιλικοί σχιστόλιθοι(shale sandstones) Ασβεστόλιθοι(Limestones) Rb Στερεός φλοιός γης(earth's crust) Γρανίτες(Grantites)

46 Ορυκτό/ προϊόν Πίνακας 2.3: Ραδιενέργεια ορυκτών υλικών και των προϊόντων της βιομηχανικής επεξεργασίας τους σε Bq kg U 226 Ra 210 Pb 232 Th 228 Ra 228 Th Λιγνίτες Πτητική τέφρα Γρανίτες Φωσφορίτες Φωσφ.λιπάσματα Φωσφογύψος K 2.5 Ραδιενεργά ισότοπα στο έδαφος από ανθρώπινες δραστηριότητες. Τα τεχνητά ραδιονουκλίδια έχουν εισέλθει στο ανθρώπινο περιβάλλον ως συνέπεια της δοκιμής πυρηνικών όπλων ή της πυρηνικής βιομηχανίας. Τα ραδιενεργά αυτά νουκλίδια παράγονται ως αποτέλεσμα της σχάσης του 235 U ή 239 Pu ή ως αποτέλεσμα της ενεργοποίησης αρχικώς σταθερών νουκλιδίων μετά από βομβαρδισμό νετρονίων σε αντιδραστήρες ή κατά τη διάρκεια πυρηνικών εκρήξεων. Το παγκόσμιο νέφος των προϊόντων σχάσης στη δεκαετία του 50 και του 60 περιλαμβάνει εναπόθεση 137 Cs, 90 Sr, 89 Sr, 3 H, 54 Mn, 65 Zn, 95 Zr, 103/106 Ru, 129 I, 144 Ce. Επί του παρόντος, οι σημαντικότερες πηγές είναι συνήθεις εκλύσεις από την πυρηνική ενέργεια (NPP) και εγκαταστάσεις επανεπεξεργασίας που μπορεί να περιλαμβάνει 3 Η, 14 C, 60 Co ( t 1/2 phys : 5,27 χρόνια ), 54 Mn, 89 Sr, 90 Sr, 95 Zr, 85 Kr, 238 Pu, 239/240 Pu, 129 I, 95 Nb, 103/106 Ru, 110 m Ag, 125 Sb, 134/137 Cs, 140 Ba, 144 Ce. Το ατύχημα του Chernobyl (Ουκρανία 1986) αύξησε σημαντικά τα αποθέματα 134/137 Cs πολλών ευρωπαϊκών χωρών. Στον πίνακα 2.4 περιλαμβάνονται τυπικές τιμές των συγκεντρώσεων των φυσικών και τεχνητώς παραγομένων ραδιενεργών ισοτόπων στο χώμα που συνιστούν και το υπόστρωμα της ραδιενέργειας του περιβάλλοντος, όσον αφορά το έδαφος, μετά το ατύχημα του Chernobyl (26 Απριλίου 1986) [K. W. Nicholson, UK (IAEA 1995)]. Το σχήμα 2.4 απεικονίζει τις κύριες πηγές τεχνητών ραδιονουκλιδίων που ελευθερώνονται στο περιβάλλον και τις πολύπλοκες διαδικασίες με τις οποίες οι πηγές αυτές ανακατανέμονται και τελικά επηρεάζουν τους οργανισμούς. 46

47 Πίνακας 2.4: Συγκεντρώσεις των φυσικώς και τεχνητώς παραγομένων ραδιενεργών ισοτόπων του υποστρώματος της ραδιενέργειας περιβάλλοντος στο χώμα. Ισότοπο T 1/2 (χρόνια) Συγκέντρωση (Bq kg -1 ) 90 Sr Cs Pu 2.44x Pu Am U 4.47x U 2.44x Th 1.40x U 7.04x Σχήμα 2.4: Μονοπάτια που οδηγούν στην αναδιανομή σε όλο το περιβάλλον των τεχνητών ραδιονουκλιδίων από εγκαταστάσεις πυρηνικών, ατομικών όπλων και ραδιενεργών χώρων διάθεσης των αποβλήτων. 47

48 48

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ ΓΑΜΜΑ 3.1 Ακτινοβολία γάμμα. Η γ-ακτινοβολία εκτός από το ότι είναι ένα μέρος της ιοντίζουσας ακτινοβολίας αποτελεί και ένα κομμάτι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χαρακτηρίζεται από τη συχνότητα της ακτινοβολίας ή από το μήκος κύματός της. Υπάρχει εξάρτηση της συχνότητας με το μήκος κύματος και γενικά η αύξηση της συχνότητας οδηγεί σε ελάττωση του μήκους κύματος. Παρακάτω δίνεται το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (σχήμα 3.1) εξηγώντας παράλληλα τα είδη των ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών. Δίνονται οι συχνότητες και τα μήκη κύματος εντός των οποίων βρίσκονται οι διάφορες ακτινοβολίες καθώς και οι συνήθεις εφαρμογές τους ή η προέλευσή τους. Τέλος το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χωρίζεται σε δύο μεγάλα μέρη, την ιοντίζουσα ακτινοβολία που προκαλεί ιονισμό των μορίων των κυττάρων και τη μη ιοντίζουσα που προκαλεί συνήθως θερμικά φαινόμενα στα κύτταρα των ζώντων οργανισμών. Σχήμα 3.1. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. 49

50 Η πιο διαδεδομένη μέθοδος για τη μέτρηση της γ-ακτινοβολίας είναι η γ- φασματοσκοπία. Όλα σχεδόν τα υλικά περιέχουν έστω και ελάχιστες ποσότητες ραδιενεργών ισοτόπων που εκπέμπουν γ-ακτινοβολία. Το ενεργειακό φάσμα ακτινοβολίας είναι χαρακτηριστικό (αποτελεί ταυτότητα) του νουκλιδίου που την εκπέμπει. Από το χαρακτηριστικό φάσμα που εκπέμπει το ραδιενεργό ισότοπο μπορούμε να διαγνώσουμε την παρουσία ακόμα και ελαχίστων ποσοτήτων κάποιου στοιχείου σε υλικό. Αν πάλι το υλικό δεν περιέχει ραδιενεργό ισότοπο του υπόψη στοιχείου, χρησιμοποιείται η μέθοδος της ενεργοποίησης (π.χ. με νετρόνια, δείγμα του υλικού βομβαρδίζεται με νετρόνια) οπότε παράγονται ραδιενεργά ισότοπα που συνήθως εκπέμπουν γ-ακτινοβολία. Από τα φάσματα των ακτινοβολιών αυτών προσδιορίζεται η παρουσία συγκεκριμένων στοιχείων στο υλικό. Η γ-φασματοσκοπία λοιπόν εφαρμόζεται ευρύτατα ως ένα εργαλείο για την ανάλυση ενός ραδιενεργού δείγματος και συγκεκριμένα τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό των ισοτόπων που υπάρχουν σε αυτό. Οι εφαρμογές της περιλαμβάνουν τομείς όπως: παρακολούθηση πυρηνικών εγκαταστάσεων, ακτινοφυσική, πυρηνική ιατρική, επιστήμη περιβάλλοντος, έρευνα υλικών, βιοεπιστήμες και βιομηχανικές εφαρμογές ραδιοϊσοτόπων. Μία συντηρητική εκτίμηση δείχνει ότι περισσότερα από συστήματα γ- φασματομετρίας χρησιμοποιούνται σε ακαδημαϊκό αλλά και βιομηχανικό επίπεδο παγκοσμίως. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 10 με 15 χρόνων έχουν κατασκευαστεί ανιχνευτές, ηλεκτρονικά και λογισμικό μεταφοράς και απεικόνισης δεδομένων για διατάξεις γ-φασματοσκοπίας που μπορούν με ευκολία να αναπτυχθούν σε εξωτερικούς χώρους. Στον χώρο των ανιχνευτών, τα συστήματα φορητών ανιχνευτών γερμανίου γνωρίζουν ιδιαίτερη άνθιση στις μέρες μας, με χρήση κρυστάλλων υπερκαθαρού γερμανίου HPGe (high purity Ge), που εξασφαλίζουν πέρα από τη δυνατότητα επιτόπου φασματοσκοπίας, την πολύ καλή διακριτική ικανότητα, αλλά και τη δυνατότητα «θέρμανσης» του κρυστάλλου χωρίς να υπάρξει καταστροφή αυτού. Τα φορητά αυτά συστήματα χρησιμοποιήθηκαν σε ευρύτατη κλίμακα μετά το ατύχημα του Chernobyl για τον επί τόπου ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό των ραδιονουκλιδίων που ρύπαναν το περιβάλλον. Τα μεγέθη που μπορούν να προσδιοριστούν με τη μέθοδο της γ-φασματοσκοπίας είναι: η συγκέντρωση των ραδιονουκλιδίων και ο ρυθμός απορροφούμενης δόσης. Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, η ανίχνευση ενός ραδιονουκλιδίου γίνεται με μέτρηση της χαρακτηριστικής του ακτινοβολίας-γ. 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 δείγματοςανιχνευτή και του ποσοστού εκπομπής της εν λόγω ακτινοβολίας-γ προκειμένου να γίνει αναγωγή από τη μετρούμενη ποσότητα ακτινοβολίας στη συγκέντρωση του ισοτόπου στο δείγμα. 50

51 Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας γ με την ύλη. Τρεις είναι οι μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φωτονίων με την ύλη: 1) το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, 2) η σκέδαση Compton και 3) η δίδυμη γένεση. Και οι τρεις αυτές διαδικασίες οδηγούν στην ολική ή μερική μετατροπή της ενέργειας του φωτονίου σε ενέργεια ηλεκτρονίου, καταλήγοντας στην εξαφάνιση ή στη σκέδαση μέσω μιας μεγάλης μέσης γωνίας του αρχικού φωτονίου. Ποιο φαινόμενο 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 την δική του πιθανότητα να λειτουργήσει. Έτσι για μικρές ενέργειες κάτω των 300 kev περίπου, πιθανότερο είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Στις ενέργειες μεταξύ 300 kev και 1000 kev, δηλαδή κοντά στην μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου, γίνεται πιθανότερο το φαινόμενο Compton. Η δίδυμη γένεση δεν μπορεί να συμβεί για ενέργειες κάτω από το όριο των 1022 MeV, γίνεται όμως ο κύριος μηχανισμός απορρόφησης φωτονίων στις μεγάλες ενέργειες και ο αποκλειστικός για ενέργειες πάνω από 100 MeV. Σημαντικό ρόλο στις περιοχές αυτές ενεργειών παίζει επίσης και ο ατομικός αριθμός του υλικού με το οποίο συμβαίνει η αλληλεπίδραση, ασκώντας ισχυρή επιρροή στις σχετικές πιθανότητες μεταξύ των τριών φαινομένων. 3.2 Ανιχνευτές υψηλής καθαρότητας (HPGe). Για την πραγματοποίηση της παρούσας πτυχιακής εργασίας χρησιμοποιήθηκε ο ανιχνευτής στερεάς κατάστασης υπερκαθαρού γερμανίου (HPGe). Κρίνεται επομένως σκόπιμο να αναφερθούμε σε αυτούς, σε κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη τους καθώς και τον τρόπο σχεδιασμού τους Σχεδιασμός της θωράκισης του ανιχνευτή Ge. Ο σκοπός της θωράκισης των ανιχνευτών Ge που χρησιμοποιούνται στη γ- φασματοσκοπία είναι η μείωση του ποσοστού της ακτινοβολίας που φθάνει στον ανιχνευτή από πηγές υποστρώματος. Η ακτινοβολία υποστρώματος προέρχεται από ραδιονουκλίδια του περιβάλλοντος, για παράδειγμα κυρίως από το φυσικό ραδιενεργό ισότοπο 40 K και τα νουκλίδια της σειράς του ουρανίου, και μέχρι ένα σημείο 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 χαλκού, καδμίου ή κασσίτερου. Το πάχος της θωράκισης καθορίζει και το βαθμό μείωσης της ακτινοβολίας υποστρώματος. Μπορούμε να πάρουμε ως κύριο στόχο να μειωθεί αυτή η εξωτερική ακτινοβολία κατά ένα παράγοντα Αν υποθέσουμε την ενέργεια της γ-ακτινοβολίας ως 1 MeV για ευκολία, στη συνέχεια, αγνοώντας τη συσσώρευση και 51

52 χρησιμοποιώντας της εξίσωση απορρόφησης της ακτινοβολίας-γ λόγω του πάχους, μ, της θωράκισης I=I o e -μt, μπορούμε να υπολογίσουμε το πάχος, t, της θωράκισης που απαιτείται για να επιτύχουμε αυτό το βαθμό μείωσης. Εύκολα, μετά από δοκιμές, μπορούμε να δούμε ότι ένα μεγαλύτερο πάχος σιδήρου ή χαλκού θα απαιτούνταν για να παρέχει τον ίδιο βαθμό θωράκισης με το μόλυβδο. Ακόμα και έτσι, για λόγους κόστους, ο σίδηρος μπορεί να θεωρηθεί ως καλύτερη επιλογή. Δυστυχώς, ο σύγχρονος σίδηρος είναι συχνά μολυσμένος με 60 Co και δεν αποτελεί την πρώτη επιλογή. Η επαρκής μείωση της έντασης της εξωτερικής γ- ακτινοβολίας δεν είναι το μόνο κριτήριο που πρέπει να εξεταστεί. Όπως ο ατομικός αριθμός ενός απορροφητή αυξάνει τη σημασία της σκέδασης Compton, το ίδιο και η κύρια αλληλεπίδραση μειώνεται λόγω φωτοηλεκτρικού φαινομένου και δίδυμης γένεσης. Αν μία θωράκιση είναι κατασκευασμένη από μόλυβδο αντί για σίδηρο, λιγότερες ακτίνες-γάμμα θα σκεδαστούν με Compton σε αντίθεση με τις απορροφούμενες. Αυτό στη συνέχεια σημαίνει ότι θα υπάρξουν λιγότερες σκεδαζόμενες ακτίνες-γάμμα για να διαπεράσουν το προστατευτικό κάλυμμα από εξώτερα, και ίσως το πιο σημαντικό, λιγότερες αναδιαχεόμενες-διασκορπισμένες ακτίνες-γάμμα από μέσα από τη θωράκιση. Συμβατικά, η θωράκιση των ανιχνευτών είναι κατασκευασμένη από 100 mm πάχος μολύβδου. Αν και ένα μεγαλύτερο πάχος μολύβδου θα παρείχε μια μεγαλύτερη μείωση στο ύψος των κορυφών υποστρώματος, μεγαλύτερη μάζα του μολύβδου διαθέσιμη για την αλληλεπίδραση με τις κοσμικές ακτίνες θα οδηγούσε σε μια συνολική αύξηση του υποστρώματος. Γενικά, τα 100 με 150 mm θεωρούνται ως βέλτιστα. Φωτοηλεκτρική απορρόφηση των ακτινών-γάμμα από τη μολύβδινη θωράκιση μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές και εν δυνάμει ανεπιθύμητες κορυφές φθορισμού ακτινών-χ του μολύβδου στο φάσμα ακτινών-γάμμα. Αυτές μπορούν εύκολα να 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. Στην πράξη, λαμβάνοντας υπόψη το υψηλό κόστος του καδμίου και κασσίτερου σε σχέση με εκείνο του χαλκού και το γεγονός ότι το στρώμα του χαλκού θα συμβάλει το ίδιο στην απορρόφηση των ακτινών-χ του μολύβδου, υιοθετείται συνήθως ένας συμβιβασμός. Για παράδειγμα, εμπορικά συστήματα προσφέρουν βαθμολογημένες θωρακίσεις περιλαμβάνοντας μόνο 0,5 mm ή 1 mm καδμίου αλλά 1-2 mm χαλκού. Από πρακτική άποψη, οι μηχανικές ιδιότητες του καδμίου το καθιστούν προτιμητέο σε σχέση με τον κασσίτερο δεδομένου, ότι το κόστος είναι αρκετά υψηλό. Η βέλτιστη θωράκιση για ένα τυπικό σύστημα γάμμα φασματοσκοπίας δεν χρειάζεται παραπάνω από 100 mm μολύβδου, 3 mm καδμίου ή κασσίτερου και 0,7 mm χαλκού. 52

53 3.2.2 Βασικές αρχές λειτουργίας. Οι ημιαγωγοί ανιχνευτές κατασκευάζονται συνήθως από πυρίτιο (Si) ή γερμάνιο (Ge). Οι απολύτως καθαροί ημιαγωγοί, χωρίς την παραμικρή πρόσμιξη ονομάζονται ενδογενείς. 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 μια θετική οπή έπεται ότι στους ενδογενείς ημιαγωγούς η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι ίση με την πυκνότητα των οπών. Όπως φαίνεται από τη σχέση: Όπου T η απόλυτη θερμοκρασία του κρυστάλλου, k η σταθερά του Boltzmann, C σταθερά αναλογίας και Eg το εύρος της απαγορευμένης ζώνης. Οι πυκνότητες αυτές μειώνονται για αυξανόμενο εύρος της απαγορευμένης ζώνης και για μειούμενη θερμοκρασία του κρυστάλλου. Οι πυκνότητες αυτές σε θερμοκρασία δωματίου είναι 2, cm -3 στο γερμάνιο και 1, cm -3 στο πυρίτιο. Στην ηλεκτρική αγωγιμότητα συμβάλλουν τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές. Είναι αδύνατο να παρασκευαστούν ενδογενείς ημιαγωγοί. Τα πραγματικά υλικά περιέχουν πάντα πολύ μικρές ποσότητες προσμίξεων, που καθορίζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών. Τα ουδέτερα άτομα του Ge και του Si έχουν 4 ηλεκτρόνια σθένους και στη συνήθη κρυσταλλική δομή κάθε άτομο, π.χ. Ge, διαμορφώνει δεσμούς με τα 4 πλησιέστερα προς αυτό άτομα γερμανίου. Ας υποθέσουμε τώρα ότι ο κρύσταλλος, έστω Ge, περιέχει μικρή συγκέντρωση (π.χ. της τάξης μερικών ατόμων ανά εκατομμύριο άτομα) πρόσμιξης πεντασθενών ατόμων, π.χ. φωσφόρου (P). Τότε σε κάποιες θέσεις της κρυσταλλικής δομής θα υπάρχουν άτομα του πεντασθενούς P, αντί ατόμων του τετρασθενούς Ge. Από τα 5 ηλεκτρόνια σθένους κάθε ατόμου P, τα 4 σχηματίζουν δεσμό με ηλεκτρόνια σθένους 4 γειτονικών ατόμων Ge και θα περισσεύει ένα ηλεκτρόνιο του ατόμου του P το οποίο θα είναι ασθενώς συνδεδεμένο με τη θέση της κρυσταλλικής δομής που βρίσκεται το άτομο του P. Τα ηλεκτρόνια αυτά έχουν επιτρεπόμενη ενέργεια πολύ κοντά στη στάθμη αγωγιμότητας (σχήμα 3.2) και με πολύ μικρή ενέργεια μπορούν να διεγερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Προσμίξεις αυτού του είδους ονομάζονται προσμίξεις-δότες, διότι συνεισφέρουν εύκολα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, δεδομένου ότι η ενεργειακή απόσταση της στάθμης του ηλεκτρονίου του δότη από τη ζώνη αγωγιμότητας είναι αρκετά μικρή, (σχήμα 3.2(α)), ώστε μεγάλο ποσοστό των δοτών να δώσουν με θερμική διέγερση ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. 53

54 Σχήμα 3.2. Ενεργές στάθμες (α) δότη και (β) δέκτη. Κάθε τέτοιο ηλεκτρόνιο αφήνει πίσω του στη θέση του ατόμου-πρόσμιξης θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό το φορτίο ευρισκόμενο στο άτομο-πρόσμιξη που συνιστά μέρος της κρυσταλλικής δομής είναι μη μετακινήσιμο, δε μπορεί να μετατοπιστεί υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, δεδομένου ότι οι 4 δεσμοί των ηλεκτρονίων του ατόμου-πρόσμιξης με τα 4 γειτονικά άτομα είναι πλήρεις και δε χωράει εκεί άλλο ηλεκτρόνιο. Κατά συνέπεια τα θετικά ηλεκτρικά φορτία στις θέσεις των ατόμων πρόσμιξης δε συνιστούν οπές, είναι δεσμευμένα στην κρυσταλλική δομή και δε μπορούν να διακινηθούν, δε συνεισφέρουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του κρυστάλλου. Ο κρύσταλλος παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερος, αφού κάθε ηλεκτρόνιο που μεταβαίνει στη ζώνη αγωγιμότητας αφήνει ένα άτομο με ίσο και αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Δεδομένου ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις η πυκνότητα των προσμίξεων και κατά συνέπεια η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας που συνεισφέρουν είναι πολύ μεγαλύτερη από την πυκνότητα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας που διατίθενται από το ενδογενές υλικό, έπεται ότι: 1. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας καθορίζεται πλήρως από τη συμβολή των δοτών και 2. Η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι πολύ μεγαλύτερη από την πυκνότητα των οπών, δεδομένου ότι οι οπές αφήνουν μόνο τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας του ενδογενούς υλικού και αυτά των δοτών. Ως εκ τούτου, η ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων ημιαγωγών καθορίζεται σχεδόν αποκλειστικά από τα ηλεκτρόνια και σε πολύ μικρότερο βαθμό από τις οπές. Τέτοιο ημιαγωγοί ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου-n. Ας υποθέσουμε τώρα ότι π.χ. σε κρύσταλλο Ge προστίθεται μικρή ποσότητα πρόσμιξης τρισθενούς ατόμου π.χ. βορίου (Β), οπότε κάποιες θέσεις της κρυσταλλικής δομής καταλαμβάνονται από άτομα της τρισθενούς πρόσμιξης, αντί των ατόμων του τετρασθενούς Ge. Σε κάθε μία από τις θέσεις αυτές υπάρχει ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο σθένους απ ότι στις γειτονικές θέσεις που καταλαμβάνονται από άτομα Ge. Αυτή η άδεια υποδοχή ηλεκτρονίου συνιστά οπή. Η επιτρεπόμενη ενεργειακή στάθμη σε αυτή τη θέση βρίσκεται μέσα στην απαγορευμένη ζώνη του κρυστάλλου και πολύ κοντά στη ζώνη σθένους, (σχήμα 3.2(β)). Τέτοιες προσμίξεις ονομάζονται δέκτες. Η πιθανότητα να πληρωθεί η οπή αυτή από θερμικά διεγερμένα 54

55 ηλεκτρόνια είναι μεγάλη και έτσι ένα μεγάλο ποσοστό των οπών των δεκτών πληρούνται με θερμικά διεγερμένα ηλεκτρόνια. Αυτά προέρχονται από άλλες θέσεις οπών στον κρύσταλλο και κατά συνέπεια αφήνουν πίσω τους οπές. Έτσι για κάθε δέκτη δημιουργείται μία οπή. Τέτοιοι ημιαγωγοί ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου-p και σε αυτούς η ροή των οπών καθορίζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του κρυστάλλου. Οι πληρωμένες με ηλεκτρόνια θέσεις των δεκτών συνιστούν ακίνητα ηλεκτρικά φορτία τα οποία ισοσταθμίζουν τα ηλεκτρικά φορτία των αντίστοιχων οπών. Ας φανταστούμε ότι έρχονται σε τέλεια επαφή ημιαγωγός τύπου-n με ημιαγωγό τύπου-p, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3. Τέτοια διάταξη ονομάζεται ζεύξη p-n. Σχήμα 3.3. (α) ζεύξη p-n, (β) δεσμευμένα ηλεκτρικά φορτία q(x), (γ) ηλεκτρικό δυναμικό V(x) και (δ) ένταση του ηλεκτρικού πεδίου E(x). Στην επιφάνεια επαφής των δύο ημιαγωγών συμβαίνουν τα εξής: Αριστερά της επιφάνειας όπου βρίσκεται ο κρύσταλλος τύπου-n υπάρχει μεγάλη πυκνότητα ηλεκτρονίων αγωγιμότητας ενώ στα δεξιά, όπου βρίσκεται ο κρύσταλλος τύπου-p, υπάρχει πρακτικά μηδενική πυκνότητα ηλεκτρονίων αγωγιμότητας. Υπάρχει δηλαδή στην επιφάνεια αυτή μεγάλη κλίση dn/dx, από τα αριστερά προς τα δεξιά, της πυκνότητας των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας. Κατά συνέπεια θα υπάρξει διάχυση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας από τον κρύσταλλο τύπου-n προς τον κρύσταλλο τύπουp. Η έξοδος των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας από τον κρύσταλλο τύπου-n αφήνει πίσω της δεσμευμένα θετικά ηλεκτρικά φορτία στις θέσεις των ιοντισμένων δοτών. Ενώ προηγουμένως αυτά τα θετικά φορτία εξισορροπούνταν από τα αρνητικά φορτία των αντίστοιχων ηλεκτρονίων αγωγιμότητας, μετά την έξοδο των τελευταίων από τον κρύσταλλο τύπου-n δημιουργείται στον κρύσταλλο τύπου-n, αριστερά της επιφάνειας ζεύξης, στατικό, μη μετακινήσιμο θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται στον κρύσταλλο τύπου-p συνδυάζονται γρήγορα με οπές, συλλαμβάνονται από κάποιες από τις κενές θέσεις σθένους στον κρύσταλλο 55

56 τύπου-p. Παρόμοια στην επιφάνεια ζεύξης υπάρχει κλίση dp/dx της πυκνότητας p των οπών, τώρα από τα δεξιά προς τα αριστερά, δεδομένου ότι οι οπές υπάρχουν πρακτικά μόνο στον κρύσταλλο τύπου-p. Κατά συνέπεια θα υπάρχει διάχυση οπών από τον κρύσταλλο τύπου-p προς τον κρύσταλλο τύπου-n. Κάθε οπή που φεύγει έξω από τον κρύσταλλο τύπου-p αφήνει πίσω της μια θέση δέκτη που έχει συλλάβει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο και κατά συνέπεια συνιστά ένα δεσμευμένο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Έτσι, ο συνδυασμός διάχυσης ηλεκτρονίων και οπών αναπτύσσει θετικό φορτίο χώρου στην πλευρά-n αριστερά της επιφάνειας της ζεύξης και αρνητικό φορτίο χώρου στην πλευρά-p δεξιά της ζεύξης. Αυτά τα φορτία χώρου αντιτίθενται στην περαιτέρω διάχυση ηλεκτρονίων και οπών και τελικά αποκαθίσταται ισορροπία, ευσταθής κατάσταση φορτίου q(x) στον χώρο, περίπου της μορφής του σχήματος 3.3(β). Η περιοχή στην οποία υπάρχουν αυτά τα φορτία χώρου ονομάζεται περιοχή απεμπλουτισμού διότι σε αυτήν οι πυκνότητες ηλεκτρονίων και οπών είναι εξαιρετικά μικρές. Το ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται από τα φορτία χώρου της περιοχής απεμπλουτισμού ωθεί οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας που εμφανίζεται εκεί προς τον κρύσταλλο τύπου-n και οποιαδήποτε οπή προς τον κρύσταλλο τύπου-p. Έτσι στην περιοχή απεμπλουτισμού εξαφανίζονται, πρακτικά δεν υπάρχουν, φορείς ηλεκτρικού ρεύματος. Τα μόνα φορτία που υπάρχουν στην περιοχή απεμπλουτισμού είναι τα αμετακίνητα φορτία χώρου. Δεδομένου ότι αυτά δε συμβάλλουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα, η περιοχή απεμπλουτισμού έχει μεγάλη ειδική ηλεκτρική αντίσταση σε σχέση με τις γειτονικές της περιοχές. Το δυναμικό V(x) και η ένταση E(x) του ηλεκτρικό πεδίου είναι της μορφής σχημάτων 3.3(γ) και 3.3(δ) αντίστοιχα. Το δυναμικό Vc της επαφής ζεύξης είναι της τάξης του ενός Volt. Εφόσον ιοντίζον σωματίδιο αλληλεπιδράσει με το υλικό εντός της απεμπλουτισμένης περιοχής, θα παραχθούν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών τα οποία θα ωθηθούν από το ηλεκτρικό πεδίο έξω από την απεμπλουτισμένη περιοχή, οπότε η κίνηση τους συνιστά ηλεκτρικό σήμα. Το εγγενές δυναμικό Vc = 1Volt είναι ανεπαρκές για να προκληθεί γρήγορα κίνηση των φορτίων, οπότε φορτία μπορούν εύκολα να χαθούν με επανασύνδεση ηλεκτρονίων και οπών, με αποτέλεσμα το συλλεγόμενο ηλεκτρικό φορτίο από την αλληλεπίδραση του ιοντίζοντος σωματιδίου να μην επαρκεί για τη διάκριση του από το υπόβαθρο που για παράδειγμα μπορεί να προέρχεται από θερμική διέγερση. Ως εκ τούτου εφαρμόζεται στη ζεύξη αυτό που ονομάζεται αντίστροφη πόλωση με την έννοια ότι το p-άκρο της ζεύξης καθίσταται αρνητικό σε σχέση με το n-άκρο, η δε εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού μπορεί να είναι από μερικές εκατοντάδες ως μερικές χιλιάδες Volt. Δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίωνοπών από αλληλεπίδραση ιοντίζοντος σωματιδίου έξω από την απεμπλουτισμένη περιοχή δε θα δώσει σήμα διότι, σχήμα 3.2.3(δ), η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου εκεί είναι μηδενική και τα ηλεκτρόνια-οπές θα επανασυνδεθούν. Είναι λοιπόν προφανές ότι είναι επιθυμητή η αύξηση του όγκου της απεμπλουτισμένης περιοχής. Σε μονοδιάστατο πρόβλημα, όπως αυτά που παριστάνεται στο σχήμα, αποδεικνύεται ότι το πάχος d της απεμπλουτισμένης περιοχής είναι ανάλογο της τετραγωνικής ρίζας του λόγου V/N, όπου V η τάση αντίστροφης πόλωσης και N η πυκνότητα προσμίξεων στον ημιαγωγό: 56

57 Πολλοί ανιχνευτές λειτουργούν με τάσεις αντίστροφης πόλωσης τόσο μεγάλες, ώστε η περιοχή απεμπλουτισμού εκτείνεται σε ολόκληρο τον όγκο κρυστάλλου, οπότε ο ανιχνευτής ονομάζεται πλήρως απεμπλουτισμένος. Βεβαίως, αν η τάση αυτή υπερβεί κάποια τιμή, δημιουργείται κατάρρευση της διόδου και διέλευση μεγάλων ρευμάτων, συχνά με καταστροφικά για τον ανιχνευτή αποτελέσματα. Για δεδομένη τάση V μπορεί να επιτευχθεί μεγαλύτερος όγκος απεμπλουτισμού με μείωση της πυκνότητας N της πρόσμιξης. Οι αναγκαίες μείωσης έχουν επιτευχθεί μόνο σε κρυστάλλους γερμανίου, όπου πραγματοποιούνται προσμίξεις της τάξης 1010 άτομα ανά cm 3 που αντιστοιχούν σε επίπεδα μικρότερα του ενός ατόμου πρόσμιξης ανά 1012 άτομα του κρυστάλλου. Ανιχνευτές κατασκευασμένοι από τέτοιο υπερκαθαρό γερμάνιο ονομάζονται ενδογενείς ανιχνευτές γερμανίου ή ανιχνευτές γερμανίου υψηλής καθαρότητας (HPGe). Τέτοιοι ανιχνευτές είναι διαθέσιμοι από τις αρχές της δεκαετίας του 80 οπότε και έγινε δυνατή η κατασκευή με τη σύγχρονη τεχνολογία ημιαγωγών, κρυστάλλου γερμανίου πολύ μεγάλης καθαρότητας και είναι πλέον οι μοναδικοί που χρησιμοποιούνται για φασματόμετρα υψηλής διακριτικής ικανότητας ακτινοβολιών με μεγάλη εμβέλεια, όπως η ακτινοβολία γ. Λειτουργούν ως πλήρως απεμπλουτισμένοι ανιχνευτές, με τυπικές τάσεις 3-5 kv. Μεγάλοι ανιχνευτές υπερκαθαρού γερμανίου έχουν τιμές FWHM από 0,8 ως 1,2 kev για φωτόνια 122 kev και από 1,7 ως 2,3 kev για φωτόνια 1333 kev. Στο σχήμα 3.4. συγκρίνονται οι διακριτικές ικανότητες ανιχνευτών NaI (TI) και HPGe. Η πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα του HPGe φαίνεται για παράδειγμα από το γεγονός ότι στις δύο «αιχμηρές κορυφές» που διακρίνει ο HPGe στις ενέργειες 1086 kev και 1112 kev ο NaI (TI) δεν τις διακρίνει, τις «βλέπει» ως μια ευρεία κορυφή. Σχήμα 3.4. γ-φάσμα Eu

58 3.2.3 Χαρακτηριστικά μεγέθη ανιχνευτών. 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: Όπου το R i 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 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/φωτόνια*cm -2 *s -1 ) 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. 58

59 3.2.4 Σύστημα ψύξης στον ανιχνευτή. Εξαιτίας του μικρού εύρους της απαγορευμένης ζώνης (Eg = 0,7 ev) είναι αδύνατη η λειτουργία του ανιχνευτή HPGe σε θερμοκρασία δωματίου, διότι το ρεύμα που προκύπτει από θερμική διέγερση είναι μεγάλο με αποτέλεσμα την αύξηση του λόγου σήματος προς θόρυβο. Ως εκ τούτου, λειτουργεί σε θερμοκρασία υγρού αζώτου (77 K) με χρήση μονωμένου δοχείου υγρού αζώτου και κατάλληλη διάταξη ψύξης του κρυστάλλου. Οι ημιαγωγοί ανιχνευτές γερμανίου-λιθίου (Ge (Li) ) έχουν παρόμοιες ιδιότητες με τους ανιχνευτές HPGe, αλλά με ένα σοβαρό μειονέκτημα: ο κρύσταλλος πρέπει να διατηρείται συνεχώς σε χαμηλή θερμοκρασία (77 K), διαφορετικά, αν θερμανθεί σε θερμοκρασία δωματίου συμβαίνει καταστροφική ανακατανομή του Li. Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες περιβάλλοντος η ευκινησία ιόντων Li στο Ge είναι πολύ μεγάλη. Αυτό έχει σα συνέπεια μετά τη δημιουργία της περιοχής αντιστάθμισης και να παρατηρείται ανακατανομή ιόντων Li στην περιοχή αυτή, οπότε η αντιστάθμιση καταστρέφεται και ο ανιχνευτής χάνει τις ιδιότητες του. Για αυτό, αμέσως μετά τη δημιουργία του, ο ανιχνευτής Ge (Li) πρέπει να ψυχθεί και να παραμείνει σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία ώστε να εξασφαλισθεί η «διατήρηση» της περιοχής αντιστάθμισης. Βρέθηκε ότι η κατάλληλη θερμοκρασία είναι αυτή του υγρού αζώτου. Το σύστημα ψύξης παίζει σημαντικό ρόλο στον περιορισμό του ρεύματος διαρροής. Ο περιορισμός αυτός οδηγεί σε αύξηση του λόγου «σήματος προς θόρυβο», η μεγιστοποίηση του οποίου είναι το επιθυμητό. Για ανιχνευτές Ge (Li) η χαμηλή θερμοκρασία πρέπει να είναι συνεχής, για να εμποδιστεί μια καταστροφική ανακατανομή του διαχεόμενου Li η οποία θα λάμβανε χώρα ραγδαία, αν δεν είχαμε συνεχή ψύξη. Στους HPGe το παραπάνω πρόβλημα δεν υφίσταται, για αυτό και μπορούμε όταν δεν κάνουμε μετρήσεις να τους διατηρούμε χωρίς ψύξη. Για αυτό το λόγο, τέλος, και οι HPGe έχουν αντικαταστήσει τους ανιχνευτές Ge (Li) Νευτώνεια υλικά ημιαγωγών. Τα άλλα πιθανά υλικά ημιαγώγιμων ανιχνευτών έχουν μεγαλύτερη απαγορευμένη περιοχή από ότι το γερμάνιο και επομένως θα υπερτερούσαν λόγω του ότι θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία δωματίου υποθέτοντας ότι οι άλλες ιδιότητες τους είναι ικανοποιητικές. Από αυτά μόνο το τελλουριούχο κάδμιο και ο ιωδιούχος υδράργυρος χρησιμοποιούνται στην εμπορική παραγωγή για περιορισμένες όμως εφαρμογές. Ο υψηλός ατομικός αριθμός αυτών των υλικών καθώς επίσης και ο μεγάλος συντελεστής απορρόφησης τους, καταδεικνύει αυτά τα υλικά κατάλληλα για τους ανιχνευτές. Για παράδειγμα, 2 mm, τελλουριούχου καδμίου είναι ισοδύναμα με 10 mm γερμανίου όσον αφορά την απορρόφηση ακτινών γ. Εντούτοις, στην πράξη η χρήση τους περιορίζεται από διάφορους παράγοντες. Κατά πρώτο λόγο είναι η διαθεσιμότητα του 59

60 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 μεταξύ άλλων ίσων ουσιών όπως τελλουριούχο κάδμιο και ιωδιούχο υδράργυρο 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 Κατασκευή των ανιχνευτών. Οι ανιχνευτές γερμανίου λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, ούτως 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 κρυοστάστη θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τους εξής παράγοντες: 1. Ο ανιχνευτής πρέπει να διατηρείται σε μια θερμοκρασία κοντά στους 77 K. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 60

61 5. 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 φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (σχήμα 3.5). 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. Σχήμα 3.5. Τυπικός ανιχνευτής γερμανίου, κρυοστάτης και δεξαμενή υγρού αζώτου. 61

62 Συναρμολόγηση του ανιχνευτή. Ο ανιχνευτής είναι τοποθετημένος μέσα σε ένα λεπτό κάλυμμα αλουμινίου που σχηματίζει μια εξωτερική επαφή με τον ανιχνευτή. (Πρέπει να γνωρίζουμε ότι θα υπάρχει κάποια επιπλέον απορρόφηση που προκαλείται από αυτό το επιπλέον αλουμίνιο, εάν ο ανιχνευτής θα χρησιμοποιηθεί πλαγίως στην εισερχόμενη ακτινοβολία). Η επαφή γίνεται είτε με μια κωνική ακίδα, είτε με μια καρφίτσα συμπιεζόμενη από ελατήριο και επεκτείνεται εντός του κοίλου πυρήνα. Το σύνολο αυτής της διάταξης είναι στερεωμένο σε ένα βάθρο το οποίο με τη σειρά του είναι στερεωμένο στο κρύο χάλκινο δάκτυλο που εκτείνεται διαμέσου ολόκληρου του κρυοστάτη στη δεξαμενή υγρού αζώτου. Το όλο σύστημα καλύπτεται από το τελικό καπάκι ώστε να σχηματιστεί ένας σφραγισμένος θάλαμος. Το ανώτερο μέρος του περιβλήματος του ανιχνευτή εκκενώνεται και μονώνεται θερμικά από το υπόλοιπο περίβλημα. Ένα κομμάτι ξυλάνθρακα ή απορροφητικού μοριακού κόσκινου θα τοποθετηθεί στο θάλαμο του ανιχνευτή για να απορροφήσει τα ίχνη αερίων που απέμειναν μετά την εκκένωση όταν ψύχεται ο ανιχνευτής. Κάτω από το βάθρο του ανιχνευτή, είναι προστατευμένα τα FETs (τρανζίστορ επίδρασης πεδίου) του προενισχυτή τα οποία πρέπει να ψύχονται. Κάποτε οι προενισχυτές βρίσκονταν στην πλευρά του περιβλήματος του ανιχνευτή, όμως σήμερα η κανονική διάταξη είναι να τοποθετείται ο προενισχυτής γύρω από το κρύο δάκτυλο κάτω από το θάλαμο του ανιχνευτή. Όταν ο προενισχυτής καλυφθεί από το κυλινδρικό του περίβλημα, το όλο σύστημα σχηματίζει μια συμπαγή κυλινδρική διάταξη. (Ακόμη μπορεί για συγκεκριμένους λόγους π.χ. έλλειψη χώρου ή επιθυμία απομάκρυνσης του προενισχυτή από έναν ανιχνευτή χαμηλού υποστρώματος, ο προενισχυτής να τοποθετηθεί στο πλάι). Σε συστήματα τα οποία είναι σχεδιασμένα για χαμηλές μετρήσεις υποστρώματος, είναι πιθανό να τοποθετηθεί μία ασπίδα μολύβδου υψηλής καθαρότητας ανάμεσα στο περίβλημα του ανιχνευτή και τον προενισχυτή, ώστε να θωρακίσει τον ανιχνευτή από μικρές ποσότητες ραδιενέργειας που προέρχονται από τα υλικά από τα οποία είναι κατασκευασμένος ο προενισχυτής. 62

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Βαθμονόμηση ανιχνευτικού συστήματος γ-φασματοσκοπίας Εισαγωγή. Ένα σύγχρονο ψηφιακό φάσμα ακτινών-γάμμα είναι στην ουσία μία λίστα του αριθμού των παλμών που μετριούνται μέσα σε μικρές διαδοχικές περιοχές ύψους παλμών. Η βαθμολόγηση/βαθμονόμηση του ανιχνευτή επιτρέπει την ταυτοποίηση των κορυφών και τον ποσοτικό προσδιορισμό της ενεργότητας. Επιπλέον, ειδικά αν προβλέπεται η ανάλυση του φάσματος με υπολογιστή, μπορεί να είναι απαραίτητο να παρασχεθούν πληροφορίες σχετικά με το πλάτος κορυφής διακύμανσης, με την ενέργεια ή τον αριθμό του καναλιού. Υπάρχουν, λοιπόν, τρία βασικά καθήκοντα: 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. Καθένα από αυτά, είναι απλό σε γενικές γραμμές και θα συζητήσουμε το καθένα με τη σειρά. Αν και αναγνωρίζουμε ότι η πλειοψηφία της ανάλυσης του φάσματος εκτελείται από τον υπολογιστή, θα επικεντρωθούμε στις αρχές της βαθμονόμησης. Στην πράξη, τα συστήματα γ-φασματοσκοπίας βαθμονομούνται χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα φάσματα ακτινών-γάμμα. Χρειάζεται να εννοηθεί ότι τα φάσματα βαθμολόγησης πρέπει να είναι υψηλής ποιότητας αν τα αποτελέσματα πρόκειται να εξαρτηθούν από αυτά. Αυτό που είναι λιγότερο προφανές και λιγότερο εξεταζόμενο είναι η ποιότητα των πυρηνικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται στη βαθμολόγηση και θα αρχίσουμε εξετάζοντας αυτά Δεδομένα αναφοράς για τη βαθμονόμηση. Τα δεδομένα που απαιτούνται για τη βαθμονόμηση ενός συστήματος φασματοσκοπίας είναι οι ενέργειες ακτινών-γάμμα (και ακτινών-χ), η πιθανότητα εκπομπής αυτών των ακτινοβολιών και ο χρόνος ημιζωής του νουκλεϊδίου. Δεν είναι ασυνήθιστο η αποδεκτή τιμή μιας ενέργειας ή ενός χρόνου ημιζωής ή συχνότερα μια πιθανότητα εκπομπής γάμμα που έχει χρησιμοποιηθεί για κάποιο χρονικό διάστημα 63

64 να είναι λάθος. Είναι σημαντικό, επομένως, ότι τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται μέσα σε ένα εργαστήριο πρέπει να είναι ενημερωμένα Πηγές για βαθμολογία. Οι πηγές που χρησιμοποιούνται για βαθμονόμηση θα πρέπει να είναι κατάλληλες για το σκοπό που πρόκειται να επιτελέσουν. Για την ενεργειακή βαθμολογία και τον προσδιορισμό του πλάτους της κορυφής είναι αρκετό απλά να είναι γνωστές σε έναν ικανοποιητικό βαθμό ακριβείας οι ενέργειες των ακτινών-γάμμα (ή Χ) που εκπέμπονται, αλλά η ισχύς της πηγής δεν χρειάζεται να είναι γνωστή. Για τη βαθμολογία της απόδοσης όμως, 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. Και η βαθμονόμηση είναι αξιόπιστη μόνο όταν χρησιμοποιούνται πιστοποιημένες ως προς το περιεχόμενο τους πηγές. Η απόδοση ενός ανιχνευτή για την ίδια ενέργεια αλλάζει με το σχήμα και την πυκνότητα του δείγματος. Το προφανές συμπέρασμα είναι ότι οι πηγές βαθμολογίας θα πρέπει να παρασκευάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν το ίδιο σχήμα και πυκνότητα όπως τα δείγματα που πρόκειται να συγκριθούν με αυτά. Οι διαφορές πυκνότητας είναι λιγότερο κρίσιμες από τις διαφορές γεωμετρίας και οι μικρές διαφορές μπορούν μερικές φορές να είναι ανεχτές. Εντούτοις, αυτό θα πρέπει πάντα να καθιερωθεί από την πραγματική μέτρηση και όχι μόνο να υποτεθεί. Οι βαθμολογίες δεν επηρεάζονται πολύ από την ισχύ της πηγής, εφόσον δεν είναι τόσο υψηλή ώστε να προκληθούν προβλήματα στο ρυθμό καταμέτρησης. Εντούτοις, είναι προφανώς βολικό, να χρησιμοποιηθεί μια πηγή που θα παρέχει ένα φάσμα με ικανοποιητικό αριθμό γεγονότων μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Έτσι, πηγές των 104 Bq για βαθμολογήσεις κοντά στον ανιχνευτή και των 106 Bq για πιο πέρα θα ήταν λογικές. Επιθυμητό βέβαια είναι οι πηγές αναφοράς να είναι παρόμοιας ενεργότητας με τα προς μέτρηση δείγματα, κάτι που δεν είναι πάντα εφικτό αλλά σαφώς και είναι δυνατόν Ενεργειακή βαθμολογία. Το αντικείμενο της ενεργειακής βαθμολογίας είναι να παραχθεί μία σχέση μεταξύ της θέσης της κορυφής στο φάσμα και της αντίστοιχης ενέργειας των ακτινών-γάμμα. Αυτό συνήθως γίνεται πριν από τη μέτρηση, ακόμα και κατά τρόπο προκαταρκτικό, αλλά είναι συνηθισμένο τα προγράμματα ανάλυσης φάσματος, να συμπεριλαμβάνουν περισσότερο εξελιγμένες επιλογές βαθμολογίας. 64

65 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 Βαθμολογία απόδοσης. Πριν εξετάσουμε το θέμα λεπτομερώς πρέπει πρώτα να καθορίσουμε τι εννοούμε με τον όρο «απόδοση». Μπορούμε να τον ορίσουμε με διάφορους τρόπους, ανάλογα με το πώς θέλουμε να το χρησιμοποιήσουμε. Η σχετική απόδοση είναι ένα γενικό μέτρο απόδοσης που αφορά την αποτελεσματικότητα της ανίχνευσης των ακτινών-γάμμα του 60 Co στα 1332 kev του ανιχνευτή με εκείνη ενός πρότυπου ανιχνευτή σπινθηρισμού ιωδιούχου νατρίου. Στη γάμμα-φασματοσκοπία 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 ακτινών-γάμμα που εκπέμπονται από την πηγή και πρέπει να εξαρτηθεί από τη γεωμετρική διάταξη της πηγής και του ανιχνευτή. Η απόλυτη συνολική απόδοση συσχετίζει τον αριθμό των ακτινών-γάμμα 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. Η εγγενής αποδοτικότητα (πλήρης κορυφή ή σύνολο) συσχετίζει τις μετρήσεις στο φάσμα με τον αριθμό των ακτινών-γάμμα που προσπίπτουν στον ανιχνευτή. Αυτή η απόδοση είναι μία βασική παράμετρος του ανιχνευτή και είναι ανεξάρτητη από τη γεωμετρία πηγής/ανιχνευτή. Σε αυτό το κεφάλαιο θα παραλείψουμε τη λέξη «απόλυτη» στην αναφορά απόδοσης εκτός και αν είναι δυνατό να υπάρξει σύγχυση με τις εγγενείς παραμέτρους. Η απόδοση (ανεξαρτήτως ορισμού) διαφοροποιείται με την ενέργεια και μια πλήρης βαθμολόγηση του συστήματος ανιχνευτή χρειάζεται τη σχέση ενέργειας/απόδοσης. Θα μπορούσε κανείς να φανταστεί ότι γνωρίζοντας όλες τις διεργασίες αλληλεπίδρασης που εμπλέκονται, τους συντελεστές απορρόφησης του υλικού του ανιχνευτή και την εξασθένηση της ακτινοβολίας, θα ήταν δυνατό να υπολογιστεί η 65

66 απόδοση του ανιχνευτή εξ αρχής. Δυστυχώς, υπάρχουν περιορισμοί στα μαθηματικά εργαλεία που έχουμε στη διάθεση μας και η συνέπεια με την οποία οι ανιχνευτές μπορούν να κατασκευαστούν αντιστρατεύει τέτοιους υπολογισμούς. Προς το παρόν, οι βαθμολογίες απόδοσης εκτελούνται σε πραγματικά φάσματα ακτινών-γάμμα. Υπάρχουν, ωστόσο, προσπάθειες που γίνονται προς την παροχή από τους κατασκευαστές των θεωρητικών δεδομένων βαθμονόμησης με κάθε ανιχνευτή που παρέχεται, έτσι ώστε η ανάγκη για βαθμονόμηση από το χρήστη να μπορεί να μειωθεί στο μέλλον. Πλήρης ενεργειακή απόδοση κορυφής. Η πλήρης ενεργειακή απόδοση κορυφής, ε, είναι η παράμετρος με την περισσότερη σημασία στην πρακτική γάμμα-φασματοσκοπία. Ο υπολογισμός της απόδοσης πλήρους κορυφής είναι απλός: είναι ο λόγος του αριθμού των γεγονότων που ανιχνεύονται σε μία κορυφή προς τον αριθμό των ακτινών γάμμα που εκπέμπονται από την πηγή: R, είναι ο πλήρης ρυθμός καταμέτρησης στην κορυφή, σε κρούσεις ανά δευτερόλεπτο. S, είναι η ένταση-ενεργότητα της πηγής σε διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο (becquerels) και Pγ, η πιθανότητα εκπομπής της συγκεκριμένης ακτινοβολίας-γάμμα που μετράται (μερικές φορές ονομάζεται «αφθονία» ακτινώνγάμμα). Η ενεργότητα της πηγής που χρησιμοποιείται στην εξίσωση μπορεί να πρέπει να διορθωθεί για τη διάσπαση από την ημερομηνία κατασκευής. Οι τιμές του χρόνου ημιζωής βρίσκονται από αξιόπιστες βάσεις δεδομένων. Είναι συμβατικό να κατασκευαστεί μία καμπύλη απόδοσης με τη μέτρηση πολλών ακτινών-γάμμα και χαράζοντας την απόδοση σε σχέση με την ενέργεια. Το σχήμα 4.1 δείχνει μία τέτοια γραφική απεικόνιση ενός ομοαξονικού ανιχνευτή Ge χρησιμοποιώντας λογαριθμική κλίμακα. Χαράσσοντας έτσι η σχέση είναι περίπου γραμμική κατά το μεγαλύτερο μέρος του συνήθως χρησιμοποιούμενου ενεργειακού φάσματος, από 130 μέχρι 2000 kev. Κάτω από τα 130 kev η απόδοση πέφτει λόγω απορρόφησης στο περίβλημα του ανιχνευτή και τα νεκρά στρώματα. (Αυτό το τμήμα του φάσματος θα είναι περίπου γραμμικό και οριζόντιο για ανιχνευτή τύπου-n). Στις ενέργειες πάνω των 2000 kev η απόδοση πέφτει πιο γρήγορα από ότι θα έδειχνε μία γραμμική σχέση. 66

67 Σχήμα 4.1. Καμπύλη απόδοσης για έναν κλειστό ομοαξονικό ανιχνευτή p-τύπου. Το σημείο που βρίσκεται κάτω από τη γραμμή αντιπροσωπεύει την κορυφή εκμηδένισης στα 511 kev. Αν είναι απαραίτητο να συνάγουμε μία εξίσωση για τη βαθμολογία της απόδοσης, για άλλη μία φορά πρέπει να εξετάσουμε αν είναι γραμμική σε λογαριθμική 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. Αφού κατασκευαστεί η καμπύλη απόδοσης ή ισοδύναμα οι μαθηματικές εξισώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει τα στοιχεία απόδοσης που χρειάζονται ώστε από το αντίστροφο της τελευταίας εξίσωσης να μετατρέψουμε την περιοχή της κορυφής σε ενεργότητα. Εκτός από το να σημειωθεί ότι τα φάσματα βαθμονόμησης πρέπει να είναι υψηλής ποιότητας, δεν έχουμε συζητήσει τις πειραματικές συνθήκες κάτω από τις οποίες οι πηγές βαθμονόμησης θα πρέπει να μετριούνται ή ποια μορφή θα πρέπει να έχουν. Εφόσον είναι δυνατόν, η καλύτερη επιλογή, είναι η γεωμετρία της πηγής όπως και η γεωμετρία του υπό μελέτη δείγματος να είναι πανομοιότυπα. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε κυλινδρική γεωμετρία διαμέτρου 5.8 cm και πάχους 2 cm. 67

68 68

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ 5.1 Εισαγωγή. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται λεπτομέρειες για τον τρόπο συλλογής των δειγμάτων χώματος και την ανάλογη επεξεργασία τους για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των φυσικών ραδιονουκλιδίων 210 Pb και 235 U σε αυτά. Η παρούσα μελέτη πραγματεύεται την συλλογή ανάλυση δειγμάτων χώματος σε τρία εύρη βαθών (0-1 cm, 1-5 cm, 5-10 cm) που προέρχονται από διάφορες περιοχές στην Αλγερία της Αφρικής. Οι αναλύσεις των δειγμάτων πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Δειγματοληψία εδάφους/μέθοδος. Εισαγωγή Απαραίτητη διαδικασία για τον προσδιορισμό της ραδιενέργειας περιβάλλοντος και συγκεκριμένα στην παρούσα εργασία της ραδιενέργειας εδάφους, είναι η δειγματοληψία. Η λήψη δειγμάτων χώματος είναι μια διαδικασία που ξεκινά με τη συλλογή δείγματος από την προς ανάλυση περιοχή και ολοκληρώνεται με την παραλαβή του από το εργαστήριο όπου γίνεται η μέτρηση. Είναι απαραίτητο να γίνεται προσεκτική επιλογή των θέσεων δειγματοληψίας, καθώς τα δείγματα που λαμβάνονται πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο αντιπροσωπευτικά της ευρύτερης περιοχής. Επιπλέον ένας ακόμη παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ο αριθμός των δειγμάτων ο οποίος πρέπει να επαρκεί για της ανάγκες της εκάστοτε μεθόδου μέτρησης και ανάλυσης. Στην παρούσα εργασία δεν μελετάται εις βάθος η μέθοδος και διαδικασία της δειγματοληψίας. Συνοπτικά παρά ταύτα παρουσιάζονται οι βασικές μέθοδοι και τεχνικές δειγματοληψίας χώματος. Οι βασικές μέθοδοι δειγματοληψίας είναι οι εξής (Povinec, 2008, Elsevier): Απλή τυχαία δειγματοληψία (Simple random sampling): Λαμβάνεται ορισμένος αριθμός δειγμάτων από τυχαίες θέσεις του πεδίου δειγματοληψίας, θεωρώντας ότι το πεδίο είναι σε όλη την έκτασή του ομοιόμορφο. Στρωματοποιημένη δειγματοληψία (Stratified random sampling): Το πεδίο δειγματοληψίας χωρίζεται σε επιμέρους ζώνες που έχουν ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Από κάθε ζώνη λαμβάνεται ορισμένος αριθμός δειγμάτων από θέσεις που επιλέγονται κατά τυχαίο τρόπο. 69

70 Συστηματική δειγματοληψία (Systematic sampling): Το πεδίο δειγματοληψίας χωρίζεται σε πλέγμα ορισμένων διαστάσεων και συλλέγεται ένα δείγμα από κάθε τμήμα του πλέγματος. Γενική χωρική δειγματοληψία (General spatial sampling): Θεωρούνται δύο νοητοί κάθετοι μεταξύ τους άξονες στο πεδίο δειγματοληψίας. Λαμβάνεται ορισμένος αριθμός δειγμάτων από θέσεις που βρίσκονται πάνω στους νοητούς άξονες κατά ισαπέχοντα διαστήματα. Στην παρούσα εργασία η μέθοδος δειγματοληψίας περιγράφεται ως εξής: Το προς μελέτη πεδίο δειγματοληψιών αποτελείται από αμμώδη εδάφη στα οποία το βάθος δειγματοληψίας άμμου έως ότου φτάσουμε στην προεξοχή της πέτρας ήταν περίπου 70 cm. Οι κόκκοι άμμου έχουν διάμετρο 0,4 mm περίπου. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ειδικού δειγματολήπτη δρέπανου (core drill), μέτρου για να μετράται το βάθος συλλογής και πλαστικών δοχείων όπου τοποθετούνταν τα δείγματα χώματος. Η κυλινδρική βάση του δειγματολήπτη έχει λειανθεί κατάλληλα ώστε να εισέρχεται ευκολότερα στο έδαφος. Ο κύλινδρος εισάγεται στο έδαφος μέχρι το κάτω όριο του εδάφους που πρόκειται να αφαιρεθεί. Στη συνέχεια αφαιρώντας τον κύλινδρο από το έδαφος, αφαιρούμε ταυτόχρονα και το στρώμα του χώματος που επιθυμούμε. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για όλα τα δείγματα. Τα δείγματα αποθηκεύονται σε δοχεία PVC μετά τη συλλογή τους Επεξεργασία δειγμάτων χώματος για την μέτρηση της ραδιενέργειας. Τα δείγματα μετά την συλλογή τους ξηραίνονται μέχρι σταθερού βάρους στους 80 o C, ώστε η συγκέντρωση που μετράμε να μην εξαρτάται από την περιεχόμενη υγρασία του δείγματος. Στη συνέχεια εφαρμόζεται το κοσκίνισμα, μια διαδικασία μέσω της οποίας γίνεται διαχωρισμός του πλέον χονδρόκοκκου κλάσματος καθώς επίσης και ο καθαρισμός των δειγμάτων από ξένα σώματα (ξύλα, ρίζες, χόρτα). Με τον τρόπο αυτό γίνεται ευκολότερη η συσκευασία του δείγματος και εξασφαλίζεται η ομοιογένειά του. Το κόσκινο που χρησιμοποιήθηκε για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας έχει άνοιγμα οπών 2 mm. Τέλος τα δείγματα τοποθετούνται σε δοχεία τύπου box και ζυγίζονται. Η γεωμετρία box που χρησιμοποιήθηκε είναι κυλινδρική ακτίνας 5,8 cm και πάχους 2 cm. 70

71 5.2.2 Υπολογισμός της συγκέντρωσης ραδιονουκλιδίων με τη μέθοδο της γάμμα φασματοσκοπίας. Τα ραδιενεργά νουκλίδια που απαντώνται σήμερα στο περιβάλλον είναι σε μικρές συγκεντρώσεις της τάξης των μερικών ppm. Συγκεντρώσεις αυτής της τάξης μεγέθους είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστούν με τις συνηθισμένες χημικές μεθόδους. Για αυτό το λόγο η ανίχνευση ραδιονουκλιδίων βασίζεται στη μέτρηση κάποιας χαρακτηριστικής ακτινοβολίας που εκπέμπουν σε μεγάλο σχετικά ποσοστό εκπομπής. Συγκεκριμένα εφαρμόζουμε τη γ-φασματοσκοπική ανάλυση, μια μη καταστροφική μέθοδο προσδιορισμού ραδιενεργών ισοτόπων. Η λειτουργία της όπως ειπώθηκε βασίζεται στην επεξεργασία του φάσματος φωτονίων που εκπέμπονται κατά τη διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων. Επιτυγχάνεται ο ποιοτικός προσδιορισμός του είδους των πυρήνων που διασπώνται, δηλαδή του αντίστοιχου ραδιοϊσοτόπου καθώς επίσης και ο ποσοτικός προσδιορισμός του πλήθους των πυρήνων που διασπώνται στη μονάδα του χρόνου για κάθε είδος πυρήνα. Οδηγούμαστε τελικά στην εκτίμηση της ραδιενέργειας του δείγματος. Όταν η συγκέντρωση του ραδιενεργού στη φύση είναι μικρή, απαιτείται η χρήση της μεθοδολογίας μέτρησης χαμηλών ρυθμών, γνωστή ως τεχνολογία χαμηλού υποστρώματος. Στην παρούσα εργασία για τη μέτρηση της ραδιενέργειας των δειγμάτων χώματος χρησιμοποιήθηκε ένας ανιχνευτής γερμανίου Ge planar υψηλής ανάλυσης και ακρίβειας, χαμηλού υποβάθρου. Ο ανιχνευτής έχει διακριτικότητα από kev και το περίβλημα του διαθέτει παράθυρο από βηρύλλιο, ώστε να ελαχιστοποιείται η απορρόφηση φωτονίων χαμηλών ενεργειών. Ο ανιχνευτής συνδυάζεται με ενισχυτή και αναλυτή πολλών καναλιών. Τέλος ο ανιχνευτής βαθμολογήθηκε χρησιμοποιώντας κατάλληλες πηγές όμοιας γεωμετρίας με εκείνης των υπό μέτρηση δειγμάτων. 5.3 Ημερομηνία συλλογής και μέτρησης/τοποθεσία δειγμάτων. Η συλλογή των δειγμάτων έγινε την περίοδο 24/02/11-24/11/11 και η μέτρησή τους πραγματοποιήθηκε κατά την περίοδο 16/12/11-19/04/12. Τα δείγματα εδάφους που αναλύσαμε συλλέχθηκαν κυρίως από την βόρεια Αλγερία, επιπλέον όμως και από την Νότια και Μέση. Αναλυτικά οι περιοχές συλλογής φαίνονται στον χάρτη του σχήματος 5.1 και 5.2. Να σημειώσουμε για τον χάρτη 5.2 πως η δειγματοληψία δεν έγινε σε ολόκληρη την χρωματισμένη περιοχή κάθε φορά, αλλά σε συγκεκριμένη υποπεριοχή. 71

72 Σχήμα 5.1. Χάρτης Αλγερίας και περιοχές συλλογής των δειγμάτων. 72

73 Σχήμα 5.2. Χάρτης Αλγερίας. Με ροζ χρώμα φαίνονται οι ευρύτερες περιοχές συλλογής δειγμάτων. Η συλλογή δειγμάτων έγινε σε τρία εύρη βαθών. Από κάθε περιοχή, συλλέχθηκαν δείγματα σε βάθος 0-1 cm, 1-5 cm, 5-10 cm. Παρακάτω δίνονται πληροφορίες για την κάθε περιοχή συλλογής. Δείγμα εδάφους 5 (GPSALS5) : Η περιοχή αυτή βρίσκεται βορειοδυτικά, περίπου 500 χιλιόμετρα μακριά από το Αλγέρι, κοντά στην Μεσόγειο θάλασσα. Είναι μια γεωργική και τουριστική περιοχή. Το έδαφος είναι αμμώδες και βραχώδες με άμμο. Δείγμα εδάφους 17 (GPALS17) : Η περιοχή αυτή είναι μεγάλης έκτασης και βρίσκεται νότια της Αλγερίας. Είναι μία αγροτική περιοχή που χαρακτηρίζεται από οάσεις και φοίνικες καθώς και από την παραγωγή λαχανικών. Υπάρχουν επίσης κατσίκες και καμήλες. Η περιοχή της Tiomimoune βόρεια της πόλης Adhar είναι τουριστική περιοχή. Η πιο γνωστή πόλη 73

74 της περιοχής είναι η Reggane στην οποία κατοικούν άνθρωποι και στην οποία στις αρχές του 60, η Γαλλία πραγματοποίησε μια σειρά από πυρηνικές δοκιμές στο έδαφος αλλά και υπόγειες. Η ευρύτερη περιοχή είναι μια αμμώδης έρημος και χαρακτηρίζεται από οάσεις, αλλά και από βραχώδη εδάφη με άμμο. Τα τρία δείγματα που λήφθηκαν είναι από την πόλη της Reggane. Δείγμα εδάφους 18 (GPSAL18) : Η περιοχή αυτή βρίσκεται νοτιοανατολικά και σε απόσταση 1000 χιλιομέτρων από το Αλγέρι. Είναι εξ ολοκλήρου μία έρημος με άμμο και βράχια. Στην περιοχή αυτή υπάρχει πετρέλαιο καθώς και φυσικό αέριο και χαρακτηρίζεται από οάσεις. Υπάρχουν φοίνικες, παραγωγή λαχανικών κατσίκες και καμήλες. Δείγμα εδάφους 19 (GPSAL19) : Η περιοχή είναι μια έρημος και βρίσκεται νοτιοανατολικά σε απόσταση 500 χιλιομέτρων από το Αλγέρι. Είναι μια αγροτική περιοχή με οάσεις και φοίνικες. Επίσης υπάρχει παραγωγή λαχανικών και καμήλες στην περιοχή. Το έδαφος στο οποίο έγινε η δειγματοληψία βρίσκεται κοντά στο κέντρο της πόλης EL-OUED και αποτελείται αποκλειστικά και μόνο από άμμο. Δείγμα εδάφους 24 (GPSAL24) : Η περιοχή βρίσκεται νοτιοανατολικά σε απόσταση 200 χιλιομέτρων από το Αλγέρι. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε σε ένα χωριό της πόλης Msila, το χωρίο Ben S Rour. Κοντά στο χωριό αυτό η περιοχή είναι ερημική και σε αυτήν κατοικούν νομάδες ανθρώπων. Επιπλέον γίνεται εκτροφή προβάτων καθώς υπάρχουν χόρτα σε αυτήν. Υπάρχουν ακόμη καμήλες και κατσίκες. 5.4 Αποτελέσματα. Ο παρακάτω πίνακας είναι συγκεντρωτικός και περιλαμβάνει τον κωδικό-όνομα του κάθε δείγματος, τη μάζα συλλογής του καθενός και τις συγκεντρώσεις του 210 Pb και 235 U σε Bq/kgr όπως αυτές προέκυψαν από την ανάλυση των μετρήσεων του ανιχνευτή. Η ενεργότητα σε Bq/kgr προέκυψε με τη βοήθεια του τύπου: 74

75 Πίνακας 5.1. Συγκεντρώσεις 210 Pb και 235 U σε δείγματα χώματος από την Αλγερία. Sample preparation date 210 Pb Average activity (Bq/kgr) 235 U Average activity (Bq/kgr) Depth Quantity α/α Codes (cm) (gr) 1 GPSALS5A ,50 11,50±21,70% 0,41±21,30% 2 GPSALS5B ,00 8,85±12,80% 1,5±26,30% 3 GPSALS5C ,80 6,73±18,10% 1,39±23,00% 4 GPALS13B ,20 2,24±62,20% 0,26±23,60% 5 GPALS13C ,80 7,92±17,80% - 6 GPALS17A ,00 12,50±23,30% 0,3±24,40% 7 GPSAL17B ,60 12,80±10,20% 1,04±22,60% 8 GPSAL17C ,70 11,80±10,20% 0,52±23,90% 9 GPALS17D ,50 17,80±8,20% 1,54±25,60% 10 GPALS17E ,60 7,73±19,70% 0,67±31,20% 11 GPSAL17F ,00 7,24±20,00% 0,52±22,40% 12 GPALS17G ,00 6,92±21,40% 5,58±19,40% 13 GPALS17K ,10 8,02±23,00% 0,69±18,40% 14 GPALS17L ,50 6,50±22,10% 0,99±24,40% 15 GPALS17R ,40 6,50±26,70% 1,23±15,20% 16 GPSAL18A ,00 21,40±7,30% 0,48±22,30% 17 GPSAL18B ,90 10,10±14,40% 0,4±26,80% 18 GPSAL18C ,20 7,17±20,20% 1,04±17,60% 19 GPSAL19A ,30 3,47±35,60% 4,03±21,30% 20 GPSAL19C ,90 4,22±40,80% 4,62±18,10% 21 GPSAL24A ,60 8,00±15,40% 3,22±32,50% 22 GPSAL24B ,70 7,73±16,60% 3,95±25,10% 23 GPSAL24C ,10 7,07±18,60% 5,32±17,10% 24 GPSAL29A ,10 0,61±24,20% 0,08±23,30% 25 GPALS29B ,10 5,65±24,30% 1,13±27,30% 26 GPALS29C ,90 3,35±39,90% 0,69±22,00% 5.5 Σχόλια. Όσον αφορά στη διαδικασία μέτρησης των δειγμάτων έχουμε να κάνουμε τα εξής σχόλια: Τα δείγματα καταμετρώνται για χρονικό διάστημα τουλάχιστον sec ώστε να υπάρχει μια ακριβής καταγραφή των χτύπων για κάθε ενέργεια. Η ακρίβεια ανάλυσης της μέτρησης ήταν περίπου ± 20%. Από κάθε δείγμα λαμβάνουμε ένα χαρακτηριστικό φάσμα γ ακτινοβολίας με τις κορυφές των γεγονότων στα 46.5 kev να αντιστοιχούν στις γ - διασπάσεις του 210 Pb και τις κορυφές των γεγονότων στα 143,76 kev να αντιστοιχούν στις γ 75

76 διασπάσεις του 235 U. Επομένως η ενεργότητα του 210 Pb καθορίστηκε από τα 46,52 kev και του 235 U από τα 143,76 kev. 5.6 Επεξεργασία και Συζήτηση. Σύγκριση συγκέντρωσης ραδιενέργειας μεταξύ των περιοχών. Από τον πίνακα 5.1 χωρίσαμε τα δείγματα σε τρεις ομάδες βάθους : 1) Επιφανειακά δείγματα 0-1 cm, 2) Δείγματα βάθους 1-5 cm, 3) Δείγματα βάθους 5-10 cm. Στα παρακάτω διαγράμματα (σχήμα 3,σχήμα 6, σχήμα 9) παρουσιάζεται η συγκέντρωση κάθε ραδιονουκλιδίου σε κάθε περιοχή δειγματοληψίας και για τα τρία διαφορετικά προαναφερθέντα εύρη βαθών. Επιπλέον έχουν σχεδιαστεί χάρτες (σχήμα 4, σχήμα 5, σχήμα 7, σχήμα 8, σχήμα 10, σχήμα 11) που δείχνουν με χρωματικές διαβαθμίσεις την συγκέντρωση κάθε ραδιονουκλιδίου σε κάθε περιοχή και για συγκεκριμένο εύρος βάθους κάθε φορά. Επισημαίνεται ότι οι χάρτες απεικονίζουν προσεγγιστικά την συγκέντρωση στην ευρύτερη περιοχή μέτρησης. Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η μέτρηση κάθε φορά δεν γίνεται σε όλη την έκταση της περιοχής, αλλά σε συγκεκριμένη υποπεριοχή η οποία αναφέρεται παραπάνω όπου περιγράφεται κάθε περιοχή δειγματοληψίας ξεχωριστά. 76

77 Επιφανειακά δείγματα 0-1 cm. 25 Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) GPSALS5A GPALS13A GPALS17A GPSAL18A GPSAL19A GPSAL24A GPSAL29A Σχήμα 5.3. Μετρηθείσες τιμές συγκέντρωσης (Bq/kgr)για το 210 Pb και 235 U στις περιοχές 5, 13, 18, 19, 24, 29 και σε εύρος βάθους 0-1 cm. 77

78 Σχήμα 5.4. Χάρτης συγκέντρωσης 210 Pb (Bq/kgr). Σχήμα 5.5. Χάρτης συγκέντρωσης 235 U (Bq/kgr). 78

79 Δείγματα βάθους 1-5 cm Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) GPSALS5B GPALS13B GPSAL17B GPSAL18B GPSAL19B GPSAL24B GPALS29B Σχήμα 5.6. Μετρηθείσες τιμές συγκέντρωσης (Bq/kgr) των 210 Pb και 235 U στις περιοχές 5, 13, 18, 19, 24, 29 και σε εύρος βάθους 1-5 cm. 79

80 Σχήμα 5.7. Χάρτης συγκέντρωσης 210 Pb (Bq/kgr). Σχήμα 5.8. Χάρτης συγκέντρωσης 235 U (Bq/kgr). 80

81 Δείγματα βάθους 5-10 cm Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) GPSALS5C GPALS13C GPSAL17C GPSAL18C GPSAL19C GPSAL24C GPALS29C Σχήμα 5.9. Μετρηθείσες τιμές συγκέντρωσης (Bq/kgr) των 210 Pb και 235 U στις περιοχές 5, 13, 18, 19, 24, 29 και σε εύρος βάθους 5-10 cm. 81

82 Σχήμα Χάρτης συγκέντρωσης 210 Pb (Bq/kgr). Σχήμα Χάρτης συγκέντρωσης 235 U (Bq/kgr). 82

83 Παρατηρώντας αρχικά την συγκέντρωση ραδιενέργειας ως προς το ραδιονουκλίδιο 210 Pb, βλέπουμε: 1. Γενικά πως οι τιμές αυτές κυμαίνονται από 0,61 μέχρι 21,4 Bq/kgr. 2. Οι περιοχές 17 (Adrar) και 18 (Ouargia) έχουν σε όλα τα βάθη τις υψηλότερες κάθε φορά τιμές και οι περιοχές 19 (El Oued) και 29 (Tindouf) και 13 (Illizi) παρουσιάζουν τις χαμηλότερες. Η περιοχή 5 (Mostaganem) είναι σε ενδιάμεσες τιμές όπως και η περιοχή 24 (M Sila)η οποία σε όλα τα εύρη βαθών παρουσιάζει σταθερές τιμές συγκέντρωσης. Ως προς το ραδιονουκλίδιο 235 U παρατηρείται ότι: 1. Γενικά οι τιμές συγκέντρωσης κυμαίνονται από 0,08 μέχρι 5,32 Bq/kgr για τα εύρη βαθών που μελετώνται στα διαγράμματα. 2. Οι περιοχές 19 (El Oued), 24 (M Sila) παρουσιάζουν τις υψηλότερες τιμές συγκέντρωσης, ενώ οι 17 (Adrar) και 18 (Ouargia), 29 (Tindouf) και 13 (Illizi) τις χαμηλότερες. Στην περιοχή 5 (Mostaganem) επίσης ανιχνεύτηκαν μικρές τιμές συγκέντρωσης. Σύγκριση ανά βάθους συγκέντρωσης ραδιενέργειας των περιοχών. Σε αυτό το σημείο θα μελετηθεί μέσω των παρακάτω διαγραμμάτων (σχήμα 5.12, σχήμα 5.13, σχήμα 5.14, σχήμα 5.15, σχήμα 5.16, σχήμα 5.17, σχήμα 5.18), η κατά βάθος κατανομή των 235 U, 210 Pb σε κάθε περιοχή. Να σημειωθεί ότι τα εύρη βαθών που μελετώνται είναι 0-1 cm, 1-5 cm, 5-10 cm. Για την περιοχή 13 και 29 υπάρχουν μόνο 2 καταγραφές βαθών, για την 13 στα 1-5 και 5-10 cm και για την 29 στα 0-1 και 5-10 cm. 83

84 Βάθος συλλογής (cm) Βάθος συλλογής (cm) Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 1 η τοποθεσία (δείγμα 5). 0-1 Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 2 η τοποθεσία (δείγμα 13). 84

85 Βάθος συλλογής (cm) Βάθος συλλογής (cm) Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) 0-1 Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 3 η τοποθεσία (δείγμα 17). 0-1 Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 4 η τοποθεσία (δείγμα 18). 85

86 Βάθος συλλογής (cm) Βάθος συλλογής (cm) Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 5 η τοποθεσία (δείγμα 19). Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 6 η τοποθεσία (δείγμα 24). 86

87 Βάθος συλλογής (cm) 0-1 Συγκέντρωση U-235 (Bq/kgr) Συγκέντρωση Pb-210 (Bq/kgr) Σχήμα Ανά βάθος κατανομή συγκέντρωσης ραδιενέργειας των 210 Pb, 235 U στην 7 η τοποθεσία (δείγμα 29). Από την ανά βάθος μελέτη των δειγμάτων διαπιστώθηκαν κατά προσέγγιση τριών ειδών κατανομές συγκέντρωσης ραδιενέργειας (Bq/kgr) για τον μόλυβδο: 1. Ομοιόμορφη κατανομή της συγκέντρωσης του 210 Pb και στα τρία εύρη βαθών με μία μικρή ελάττωση της συγκέντρωσης σε αυξανόμενο βάθος (δείγματα 17, 19) 2. Αύξηση της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του 210 Pb, καθώς αυξάνεται το βάθος συλλογής και σε μία περίπτωση, με μέγιστη συγκέντρωση στο ενδιάμεσο εύρος βάθους των 1-5 cm (δείγματα 13, 29). 3. Μείωση της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του 210 Pb, καθώς αυξάνεται το βάθος συλλογής (δείγματα 5, 18 και 24). Από την ανά βάθος μελέτη των δειγμάτων διαπιστώθηκαν κατά προσέγγιση τριών ειδών κατανομές συγκέντρωσης ραδιενέργειας (Bq/kgr) για το ουράνιο: 1. Αύξηση της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του 235 U, καθώς αυξάνεται το βάθος συλλογής (δείγματα 19, 24). 2. Αύξηση της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του 235 U, καθώς αυξάνεται το βάθος συλλογής και σε μία περίπτωση, με μέγιστη συγκέντρωση στο ενδιάμεσο εύρος βάθους των 1-5 cm (δείγματα 5, 17 και 29). 3. Αύξηση της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του 235 U, καθώς αυξάνεται το βάθος συλλογής και σε μία περίπτωση, παρουσία ελαχίστης συγκέντρωσης στο ενδιάμεσο εύρος βάθους των 1-5 cm (δείγμα 18). 87

88 4. Η περιοχή 13 παρουσιάζει χαμηλές τιμές συγκέντρωσης και μάλιστα σε εύρος cm είναι κάτω από τα όρια ανίχνευσης. Τέλος παρατηρείται πως σε κάθε περιοχή η συγκέντρωση του 235 U είναι κατά πολύ μικρότερη από εκείνη του 210 Pb. Εξαίρεση αποτελεί η περιοχή 19 στην οποία η συγκέντρωση του 235 U είναι περίπου κατά 0,4 Bq/kgr μεγαλύτερη από εκείνη του 210 Pb. Σύγκριση με άλλες μελέτες. Τις τιμές των συγκεντρώσεων σε Bq/kgr για το 210 Pb και για το 235 U που προέκυψαν από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, τις συγκρίνουμε με τις τιμές συγκέντρωσης που προέκυψαν από αντίστοιχη μελέτη (Belafrites, IX Radiation & Protection Conference, November 2008) σε δείγματα εδάφους στην περιοχή της Reggane της Αλγερίας. Να τονισθεί πως το εύρος διακύμανσης σε κάθε εύρος βάθους, προκύπτει λαμβάνοντας υπόψην τις ανά βάθος μετρήσεις που πάρθηκαν από όλες τις περιοχές δειγματοληψίας. Πίνακας 5.3. Σύγκριση τιμών συγκέντρωσης ραδιενέργειας που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης με τις τιμές που προέκυψαν από αντίστοιχη μελέτη (Belafrites, IX Radiation & Protection Conference, November 2008) Ραδιονουκλίδιο Συγκέντρωση (Bq/kgr)/ Βάθος 0-1 cm Συγκέντρωση (Bq/kgr)/ Βάθος 1-5 cm Συγκέντρωση (Bq/kgr)/ Βάθος 5-10 cm Belafrites, IX Radiation & Protection Conference, November 2008 (Bq/kgr) 210 Pb Εύρος Διακύμανσης 0,61-21,40 Εύρος Διακύμανσης 2,24-12,80 Εύρος Διακύμανσης 2,24-11,80 Μέση Τιμή 8,40±2, U Εύρος Διακύμανσης 0,08-4,03 Εύρος Διακύμανσης 0,40-3,95 Εύρος Διακύμανσης 0,26-5,32 Μέση Τιμή 1,60±0,50 88

89 Παρατηρούμε πως: 1. Σε όλα τα βάθη η συγκέντρωση του 210 Pb είναι μεγαλύτερη από εκείνη του 235 U. 2. Οι τιμές συγκέντρωσης του ουρανίου ανά βάθος παρουσιάζουν αυξανόμενη κατανομή. 3. Ο 210 Pb επιφανειακά έχει μεγαλύτερες τιμές συγκέντρωσης οι οποίες ελαττώνονται όσο αυξάνεται το βάθος συλλογής. Αυτή η παρατήρηση είναι εύλογη καθώς η συγκέντρωσή του 210 Pb στο έδαφος σχετίζεται με διάφορες διεργασίες (σχήμα 5.19). Η συγκέντρωση του μολύβδου προκύπτει από την ήδη υπάρχουσα συγκέντρωσή του στο έδαφος, λόγω διάσπασης του 222 Rn. Επιπλέον εφόσον η διάσπαση του 222 Rn λάβει μέρος στην ατμόσφαιρα και όχι στο έδαφος, τότε ο 210 Pb μπαίνει με την σειρά του στην ατμόσφαιρα με τη μορφή σωματιδίων αεροζόλ μέσω της διαδικασίας διάχυσης. Στη συνέχεια μέρος αυτού καταλήγει σαν fallout στο χώμα μέσω της κατακρήμνισης. Επομένως επιφανειακά παρουσιάζει μεγαλύτερες τιμές συγκεντρώσεις, όπως και παρατηρήθηκε. 4. Το εύρος διακύμανσης της συγκέντρωσης που ανιχνεύτηκε για τον 210 Pb στην παρούσα εργασία, βρίσκεται σε αντιστοιχία με τις τιμές που μετρήθηκαν στην συγκρινόμενη μελέτη. 5. Όσον αφορά στο 235 U, παρατηρείται πως το εύρος διακύμανσης της συγκέντρωσης ραδιενέργειας της παρούσας μελέτης βρίσκεται σχετικά ομοιόμορφα πάνω και κάτω από την μέση τιμή του συγκρινόμενου Report. Σχήμα 5.19: Μονοπάτια μέσω των οποίων ο 210 Pb καταλήγει στα ιζήματα λιμνών και δεξαμενών (K. Froehlich, 2010, Elsevier). 89