I. ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ ΘΩΡΑΚΙΣΗ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ

Transcript

1 I. ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ ΘΩΡΑΚΙΣΗ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ Α. Ακτινοβολία υποβάθρου (Background radiation) Εξαιτίας της κοσµικής ακτινοβολίας που βοµβαρδίζει συνεχώς την ατµόσφαιρα της γης και της ύπαρξης της φυσικής ραδιενέργειας στο περιβάλλον, όλοι οι ανιχνευτές καταγράφουν κάποια επίπεδα ακτινοβολίας υποβάθρου. Η φύση του υποβάθρου αυτού µεταβάλλεται ανάλογα µε το είδος και το µέγεθος του ανιχνευτή, καθώς επίσης και µε τη θωράκιση που µπορεί να τοποθετηθεί γύρω απ αυτόν. Οι ακτινοβολίες υποβάθρου µπορούν εύστοχα να χωριστούν σε πέντε κατηγορίες: Τη φυσική ραδιενέργεια των συστατικών υλικών του ιδίου του ανιχνευτή. Τη φυσική ραδιενέργεια του χρησιµοποιούµενου εξοπλισµού και της θωράκισης που τοποθετείται στο άµεσο περιβάλλον του ανιχνευτή. Την ακτινοβολία από τη δράση στην επιφάνεια της γης (terrestrial radiation), των υλικών από τα οποία είναι κατασκευασµένο το εργαστήριο ή άλλες αποµακρυσµένες κατασκευαστικές δοµές. Τη ραδιενέργεια στον αέρα που περιβάλλει τον ανιχνευτή. Τα πρωτογενή και τα δευτερογενή συστατικά της κοσµικής ακτινοβολίας. Ακτινοβολία υποβάθρου Κοσµική Εξωτερική Ραδόνιο ιαιτολόγιο Άλλες Ιατρικές εξετάσεις Καταναλωτικά αγαθά Σχήµα 1. Οι διάφορες πηγές προέλευσης της ακτινοβολίας υποβάθρου. 1

2 Η ραδιενέργεια από τα συνήθη κατασκευαστικά υλικά οφείλεται σε µεγάλο µέρος στις µικρές συγκεντρώσεις των φυσικών ραδιενεργών υλικών που περιέχονται συχνά σ αυτά ως προσµίξεις ή ακαθαρσίες. Τα κύρια συστατικά υλικά είναι το κάλιο, το θόριο, το ουράνιο και τα µέλη των µεγάλων αλυσίδων διάσπασης του ουρανίου και του θορίου. Το φυσικό κάλιο περιέχει σε αναλογία 0.012% 40 Κ, το οποίο µε ένα χρόνο ηµιζωής γύρω στα χρόνια διασπάται σύµφωνα µε το πιο κάτω διάγραµµα: 40 9 Κ ( y) 1460 ΕC 11% β 89% γ 40 Ca 0 40 Ar Σχήµα 2. Το διάγραµµα διάσπασηςτουκ-40. Οι ακτινοβολίες που εκπέµπονται είναι µε πιθανότητα 89% ένα σωµατίδιο β που καταλήγει σε ενέργεια MeV, µια ακτίνα γάµµα (11%) µε ενέργεια1.460 MeV και χαρακτηριστικές ακτίνες Χ του Αr που ακολουθούν την αρπαγή ηλεκτρονίου. Οι ακτίνες γάµµα υψηλής ενέργειας από το κάλιο οδηγούν συχνά σε αναγνωρίσιµες κορυφές στο φάσµα υποβάθρου που λαµβάνεται από ανιχνευτές ακτινοβολίας γάµµα, επειδή το κάλιο είναι ευρέως εξαπλωµένο συστατικό στο σκυρόδεµα και στα άλλα οικοδοµικά υλικά. Το θόριο, το ουράνιο και το ράδιο είναι όλα µέλη των µεγάλων ραδιενεργών αλυσίδων διάσπασης, που περιλαµβάνουν θυγατρικά προϊόντα που εκπέµπουν ένα σύνθετο φάσµα ακτίνων άλφα, βήτα και γάµµα. Από τη σειρά του θορίου ανιχνεύονται συχνά τα στοιχεία Ac-228, Ra-224, Bi-212, Pb-212 και Tl-208, ενώ από τη σειρά του ουρανίου τα στοιχεία Ra-226, Pb-214 και Bi-214. Ανιχνεύονται επίσης τα µακρόβια νουκλίδια U-235 και K-40, όπως επίσης και το νουκλίδιο Βe-7 που παράγεται από τις αλληλεπιδράσεις των κοσµικών ακτίνων στην ανώτερη ατµόσφαιρα. Επιπρόσθετα στις διασπάσεις που λαµβάνουν χώρα µε φυσικό τρόπο, το υπόβαθρο αποτελείται επίσης και από τις δράσεις ορισµένων προϊόντων σχάσης, µε κύρια προέλευση τις δοκιµές πυρηνικών όπλων που έγιναν στο παρελθόν. Τα νουκλίδια που κυριαρχούν σ αυτήν την περίπτωση είναι τα Cs-137, Zr-95, Nb-95, Co-60, Ru-106, Sb-125 και Ce-144. Στον Πίνακα 1 φαίνονται τα ραδιοϊσότοπα των οποίων η παρουσία οδηγεί στη δηµιουργία 2

3 αναγνωρίσιµων κορυφών σε αντίστοιχες ενέργειες στα φάσµατα που λαµβάνονται από ένα ανιχνευτή ακτινοβολίας γάµµα. ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Ραδιοϊσότοπα που εντοπίζονται συχνότερα ως ακτινοβολία υποβάθρου. Ενέργεια φωτοκορυφής (kev) Ραδιοϊσότοπο Προέλευση ραδιοϊσοτόπου U-237 U Th-234 U Bi Th-234 U Ra-226 Pa-234 U-235 U-238 U Pb-212 Th Pb-214 U Pb-214 U Tl-208 Th Tl-208 Th Bi-214 U Bi-214 U Pa-234m U Tl-208 Th Ac-228 Th Ac-228 Th Pa-234m U Bi-214 U Bi-214 U K Bi-214 U Bi-214 U Bi-214 U Tl-208 Th-232 Η πρωτογενής κοσµική ακτινοβολία, που µπορεί να είναι είτε ηλιακής είτε γαλαξιακής προέλευσης, αποτελείται κυρίως από πρωτόνια και µερικά άλλα βαρύτερα ιόντα όπως πυρήνες ηλίου, µε εξαιρετικά υψηλές κινητικές ενέργειες. Η αλληλεπίδραση αυτής της ακτινοβολίας µε την ατµόσφαιρα έχει ως αποτέλεσµα την παραγωγή µεγάλου αριθµού δευτερευόντων σωµατιδίων, στα οποία συµπεριλαµβάνονται πιόνια, µεσόνια, ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτροµαγνητικά φωτόνια, µε ενέργειες που εκτείνονται µέχρι και µερικές εκατοντάδες MeV. Μερικές απ αυτές τις δευτερεύουσες 3

4 ακτινοβολίες µπορούν να φτάσουν στην επιφάνεια της γης και µπορεί να αποτελέσουν γεγονότα ακτινοβολίας υποβάθρου σε πολλά είδη ανιχνευτικών συστηµάτων. Στην επιφάνεια της γης η δευτερογενής κοσµική ακτινοβολία κατευθύνεται κατά κύριο λόγο κατακόρυφα και εποµένως η θωράκιση ενάντια στο υπόβαθρο της κοσµικής ακτινοβολίας είναι περισσότερο αποδοτική όταν τοποθετείται πάνω από τον ανιχνευτή. ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (βαριά φορτισµένα σωµατίδια και ιόντα) ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (µιόνια, πιόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια,...) µέχρι µερικές εκατοντάδες MeV 10 9 µέχρι ev ΑΝΩΤΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ 2 σωµατίδια/cm 2 /λεπτό Σχήµα 3. Η κοσµική ακτινοβολία µπορεί να φτάσει στην επιφάνεια της γης και να αποτελέσει σηµαντική πηγή ακτινοβολίας υποβάθρου. Τα δευτερογενή σωµατίδια µπορούν ακόµη να δηµιουργηθούν στη θωράκιση που περιβάλλει τον ανιχνευτή από υψηλής ενέργειας κοσµικά συστατικά. Για παράδειγµα, τα υψηλής ενέργειας πρωτόνια θα παράξουν ενεργητικά νετρόνια, ειδικά σε υλικά µεγάλου ατοµικού αριθµού όπως είναι ο µόλυβδος. Κατ αυτόν δηλαδή τον τρόπο, η θωράκιση που περιβάλλει τον ανιχνευτή για να µειώσει το υπόβαθρο από τις κοσµικές ακτίνες και την εξωτερική ακτινοβολία, µπορεί από µόνη της να εισαγάγει σηµαντικά επίπεδα υποβάθρου. Αυξάνοντας π.χ. το πάχος της θωράκισης µολύβδου πέραν των cm προσβλέπεται σοβαρή µείωση του υποβάθρου από εξωτερικές ακτίνες γάµµα. Στην πραγµατικότητα όµως το ολικό υπόβαθρο θα αυξηθεί ως αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης της κοσµικής ακτινοβολίας µε τοµόλυβδο. 4

5 Β. Θωράκιση του ανιχνευτή Η θωράκιση του ανιχνευτή για δείγµατα ακτινοβολίας χαµηλών ενεργειών είναι αναγκαία για τη µείωση της ακτινοβολίας υποβάθρου. Εξαιτίας της µεγάλης του πυκνότητας και του µεγάλου του ατοµικού αριθµού, ο µόλυβδος είναι το πιο διαδεδοµένο υλικό που χρησιµοποιείται για την κατασκευή της θωράκισης των ανιχνευτών. Η ενεργός διατοµή της φωτοηλεκτρικής απορρόφησης κυριαρχεί για ενέργειες µέχρι MeV και εποµένως, σχετικά σκληρές ακτίνες γάµµα από εξωτερικές πηγές υποβάθρου (όπως οι ακτίνες γάµµα των1460 kev του Κ-40) µπορούν να απορροφηθούν αποτελεσµατικά. Το πάχος που πρέπει να επιλεγεί για το υλικό θωράκισης εξαρτάται από την εξασθένιση των ακτίνων γάµµα συγκεκριµένης ενέργειας. Σχήµα 4. Ο µόλυβδος χρησιµοποιείται ευρέως για την κατασκευή απλών ασπίδων θωράκισης. Σε µερικές περιπτώσεις είναι επιθυµητή η µείωση των ακτίνων Χ από τους φλοιούς Κ του µολύβδου. Γι αυτό το σκοπό µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια ασπίδα από υλικά διαβαθµιζόµενου ατοµικού αριθµού (graded-z shield). H graded-z ασπίδα λειτουργεί παρέχοντας υλικά µε µειωνόµενο ατοµικό αριθµό πλησιάζοντας τον ανιχνευτή, ούτως ώστε να απορροφούν µέσω φωτοηλεκτρικής απορρόφησης τις ακτίνες Χ του µολύβδου 5

6 και να εκπέµπουν δευτερογενείς ακτίνες Χ χαµηλότερης ενέργειας. Τυπικές graded-z ασπίδες χρησιµοποιούν µόλυβδο, κάδµιο και χαλκό ως προστατευτικά υλικά. Άλλα υλικά όπως αλουµίνιο, σίδηρος και λουσίτης, χρησιµοποιούνται σε graded-z ασπίδες ανιχνευτών ακτίνων Χ. Κατά τη διεξαγωγή των πειραµάτων µε τον ανιχνευτή HPGe στο εργαστήριο, χρησιµοποιήθηκε ασπίδα θωράκισης αποτελούµενη από τρία διαφορετικά υλικά (Σχήµα 5). Κύριο υλικό από το οποίο αποτελείται η ασπίδα αυτή είναι ο µόλυβδος µ ένα κυλινδρικό στρώµα πάχους 5cm,στην εσωτερική επιφάνεια του οποίου εφάπτεται στρώµα σιδήρου πάχους 1cmκαι µε τελευταίο στρώµα από αλουµίνιο µε πάχος 1cm. Το στρώµα σιδήρου είναι ικανό να απορροφά µέσω φωτοηλεκτρικής απορρόφησης τις ακτίνες Χ ενέργειας 80 kev που εκπέµπονται από το µόλυβδο, ελαττώνοντας την έντασή τους κατά ένα παράγοντα 30 περίπου, ενώ το στρώµα αλουµινίου είναι ικανό να απορροφά τις ακτίνες Χ ενέργειας 6 7 kev περίπου που εκπέµπονται από το σίδηρο. Μόλυβδος Σίδηρος Αλουµίνιο οχείο Marinelli 1L Ανιχνευτής Σχήµα 5. ιάγραµµα της ασπίδας που χρησιµοποιήθηκε για θωράκιση του ανιχνευτή. Η επί τοις εκατόν απορρόφηση των διαφόρων εξωτερικών ακτινοβολιών που πραγµατοποιείται από την ασπίδα αυτή µεταβάλλεται, όπως είναι αναµενόµενο, συναρτήσει της ενέργειας, αφού όσο πιο ενεργητικά είναι τα φωτόνια της εξωτερικής ακτινοβολίας τόσο µεγαλύτερη είναι και η διεισδυτική τους ικανότητα στα υλικά της θωράκισης. Η εξάρτηση αυτή φαίνεται στο Σχήµα 6, όπου απεικονίζεται η επί τοις εκατόν απορρόφηση στα διάφορα στρώµατα υλικών που αποτελούν τη θωράκιση. 6

7 Σχήµα 6. Η επί τοις εκατόν απορρόφηση της ακτινοβολίας από τα υλικά της ασπίδας θωράκισης του ανιχνευτή. Γ. Μέτρηση ακτινοβολίας υποβάθρου στο εργαστήριο Στο Σχήµα 7 φαίνεται το φάσµα εκποµπής της ακτινοβολίας υποβάθρου, όπως αυτό µετρήθηκε στο εργαστήριο σε συνθήκες θωράκισης του ανιχνευτή και µε live-time 185,000 secs. Στο φάσµα αυτό σηµειώνονται επίσης µε τους αντίστοιχους αριθµούς οι εντονότερες φωτοκορυφές εκποµπής των ραδιοϊσοτόπων φυσικής προέλευσης που αναφέρονται στον Πίνακα 1, ενώ στον Πίνακα 2 φαίνονται τα αποτελέσµατα ανάλυσης του φάσµατος αυτού µε τη βοήθεια του λογισµικού GammaVision-32. 7

8 (kev) Σχήµα 7. Το φάσµα εκποµπής της ακτινοβολίας υποβάθρου όπως αυτή µετράται στο εργαστήριο υπό συνθήκες θωράκισης του ανιχνευτή.

9 ΠΙΝΑΚΑΣ 2. Ανάλυση φάσµατος εκποµπής ακτινοβολίας υποβάθρου. Α/Α Ραδιοϊσότοπο Ενέργεια κορυφής (kev) Ένταση κορυφής (counts/ sec) Ενεργότητα κορυφής (Bq) Μέση ενεργότητα ραδιοϊσοτόπου (Bq) 1 Tl ± Pb ± Pb ± Pb ± K ± Bi ± Bi ± Bi ± Ra ± Ra ± Ac ± Th ± Pa ± Am ± ΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ: (Μεταξύ ενεργειών 20 και 3400 kev) (187.3 ± 16.8) Bq 9

10 Στο Σχήµα 8 φαίνεται ο επί τοις εκατόν καταµερισµός των ενεργοτήτων των ανιχνευόµενων ραδιοϊσοτόπων στο φάσµα εκποµπής της ακτινοβολίας υποβάθρου. Μπορεί εύκολα κανείς να παρατηρήσει ότι το 1/3 περίπου της ολικής ενεργότητας προέρχεται από το Pb-210, ενώ τα ραδιοϊσότοπα Pa-234 και Th-234 καταλαµβάνουν περίπου το 1/4 και 1/6 της πίτας αντίστοιχα. Η συνεισφορά του καθενός από τα K-40 και Ra-226 περιορίζεται στο 1/10 της ολικής ενεργότητας για το καθένα. Άλλα ραδιοϊσότοπα όπως τα Ac-228, Tl-208, Ra-224, Am-241 και τα διάφορα ισότοπα του µολύβδου (Pb-212, Pb-214) και του βισµούθιου (Bi-207, Bi-212, Bi-214) συνεισφέρουν µε µικρότερα ποσοστά που περιορίζονται σε µερικές µονό εκατοστιαίες µονάδες. Σχήµα 8. Η συνεισφορά των κυριότερων φυσικών ραδιοϊσοτόπων στην ολική ενεργότητα της ακτινοβολίας υποβάθρου, όπως αυτή µετράται σε συνθήκες θωράκισης µε το ανιχνευτικό σύστηµα γερµανίου. Τέλος, στην πίτα του Σχήµατος 9 φαίνεται ο εκατοστιαίος καταµερισµός των ενεργοτήτων ανά ραδιοϊσότοπο προέλευσης στο φάσµα εκποµπής της ακτινοβολίας υποβάθρου. Τα θυγατρικά ισότοπα του U-238 συµµετέχουν στην ολική ενεργότητα µε ένα µεγάλο ποσοστό της τάξης του 83% και αυτά που προέρχονται από το Th-232 µε ένα ποσοστό που φθάνει µόλις τα 4.6%. Το Κ-40 καταλαµβάνει το 1/10 περίπου της 10

11 πίτας, ενώ τα ραδιοϊσότοπα που δεν ανήκουν σε καµιά από τις πιο πάνω κατηγορίες περιορίζονται στο 1.4%. Σχήµα 9. Η συνεισφορά ανά ραδιοϊσότοπο προέλευσης στην ολική ενεργότητα της ακτινοβολίας υποβάθρου. 11