ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΣΤΟΝ ΑΕΡΑ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΗΣ α ΚΑΙ γ-φασματοσκοπιασ ΚΑΛΛΙΝΗ ΕΛΕΝΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΑΝΔΡΟΥΛΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΚΛΟΥΒΑΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015 1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ.....10 1.2 ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΕΣ.. 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΤΟ ΡΑΔΟΝΙΟ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΡΑΔΟΝΙΟΥ.. 17 2.2. ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ 17 2.3 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΚΑΙ ΤΩΝ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΤΟΥ 19 2.4 ΤΟ ΡΑΔΟΝΙΟ ΣΤΟΥΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ..22 2.5 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΚΑΙ γ- ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ.22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο γ- ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ 3.1. ΓΕΝΙΚΟΤΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ γ- ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ..25 3.2. ΤΡΟΠΟΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ γ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ... 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 4.1 ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ALPHAGUARD PQ 2000..30 4.1.1 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 32 4.1.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ALPHAGUARD PQ 2000...33 4.1.3ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ALPHAGUARD PQ 2000..35 4.1.4ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ....36 4.2 ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΡΑΔΟΝΙΟΥ- ΘΟΡΟΝΙΟΥ (SILENA)..36 4.2.1ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΕΤΡΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ..36 4.2.2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΕ ΤΟΝ SILENA...38 4.3 ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΥΠΕΡΚΑΘΑΡΟΥ ΓΕΡΜΑΝΙΟΥ HPGe. 41 2

4.3.1ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ...44 4.3.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 5.1. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΧΩΡΟΥΣ ΤΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ...51 5.2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ALPHAGUARD.52 5.3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΟΝ SILENA..58 5.4. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΛΥΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ HPGe...71 5.5 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΑΤΑΚΡΑΤΗΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ 74 5.5. ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΤΟΥ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΏΝΤΑΣ γ-φασματοσκοπια.75 5.5.1 ΠΛΗΡΗΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕ ΣΥΝΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΟΥ Po-218 75 5.5.2 ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΧΩΡΙΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ Po-218.. 78 5.6.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ TH XΡΗΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΥΠΕΡΚΑΘΑΡΟΥ ΓΕΡΜΑΝΙΟΥ HPGe.80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΡΥΘΜΟΥ ΔΟΣΗΣ ΑΠΟ γ-ακτινοβολια ΤΩΝ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΤΟΥ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΣΤΟΝ ΑΕΡΑ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ MONTE CARLO 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.....97 6.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ MCNP-MonteCarloN-Particle Transport Code 97 6.3 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ MCNP ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΤΗΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ.. 99 6.4 Ο ΚΩΔΙΚΑΣ MCNP.. 100 6.5 AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ..106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...108 3

7.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΤΑΡΑΤΣΑ ΚΑΙ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΤΟΥ Α.Π.Θ 108 7.3 ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ F(EQUILIBRIUM FACTOR)..111 7.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΘΟΔΟΥ α ΚΑΙ γ-φασματοσκοπιασ 115 7.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ.117 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 119 4

ABSTRACT This diploma research intends to compare the two methods of α and γ- spectroscopy in order to measure the radon daughters in open air which are harmful for human health. For this reason we conducted measurements at the rooftop of the polytechnic school of Aristotle University of Thessaloniki during the measuring period of May-November 2014. Specifically, with the γ-spectroscopy method we gathered the radon daughters in a filter using an air sample from an air pump. Subsequently, we placed the filter in the HPGe detector in order to calculate the concentration of the radon daughters. From this procedure we conclude with the following average concentration values: 5,3 Bq/m 3 for Pb-214 and 9,57 Bq/m 3 for Bi-214.The Po-218 cannot be detected with the γ-spectroscopy method because it disintegrates only by α-radiation. Respectively for the method of α-spectroscopy we used the Portable Radon Gas Surveyor Silena which using the same procedure as γ-spectroscopy, indicates the following average concentration values: 7,6 Bq/m 3 for Po-218, 5,5 Bq/m 3 for Pb-214 and 6,2 Bq/m 3 for Bi-214. We observed that both methods converge as their correlation gives a linear approach which is better for the Pb-214. Additionally, we conducted measurements during the same period with Silena in the area situated outside of the nuclear technology laboratory in Aristotle University of Thessaloniki. The above mentioned measurements indicate the following average concentration values: 9,9 Bq/m 3 for Po-218, 5,6 Bq/m 3 for Pb-214 and 6,3 Bq/m 3 for Bi-214. Concluding there are no differences compared to the level of the soil. Furthermore, the equilibrium factor F has a value of 0,46 for the measurements on the rooftop of the Engineering Faculty and for measurements outside the laboratory we found a value of 0,393. Finally, using the Monte Carlo code we found that the average rate of the absorbed dose received by a man outdoors due to 352 kev from Pb- 214 and 609 kev from Bi-214 is 0,78 ngy / h. 5

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διπλωματική αυτή επιχείρησε να συγκρίνει τις μεθόδους της α και γ- φασματοσκοπίας για τη μέτρηση των θυγατρικών του ραδονίου σε εξωτερικούς χώρους που είναι επιβλαβή για την υγεία του ανθρώπου. Για αυτό το λόγο διεξήχθησαν μετρήσεις κατά το χρονικό διάστημα Μαΐου-Νοεμβρίου του 2014 στην ταράτσα του κτιρίου Δ της πολυτεχνικής σχολής του Α.Π.Θ. που είναι εγκατεστημένη η αντλία αέρα την οποία χρησιμοποιήσαμε για τη μέθοδο της γ-φασματοσκοπίας. Συγκεκριμένα, για τη μέθοδο της γ-φασματοσκοπίας χρειάστηκε η άντληση δείγματος αέρα και η συλλογή των θυγατρικών του ραδονίου που περιέχονται στον αέρα από ένα φίλτρο, το οποίο στη συνέχεια μέσω του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου μας έδώσε τη συγκέντρωση των θυγατρικών. Από τη διαδικασία αυτή πήραμε τις παρακάτω μέσες τιμές συγκέντρωσης : 5,3 Bq/m 3 για το Pb-214 και 9,57 Bq/m 3 για το Bi-214. Το Po-218 δεν μπορεί να ανιχνευτεί με τη μέθοδο της γ- φασματοσκοπίας γιατί διασπάται μόνο με α-ακτινοβολία. Αντίστοιχα για την μέθοδο της α-φασματοσκοπίας χρησιμοποιήσαμε τον μετρητή Silena, ο οποίος ακολουθώντας παρόμοια διαδικασία μας δίνει απευθείας τις μέσες τιμές συγκέντρωσης των θυγατρικών: 7,6 Bq/m 3 για το Po-218, 5,5 Bq/m 3 για το Pb-214 και 6,2 Bq/m 3 για το Bi-214. Παρατηρήσαμε ότι οι δύο μέθοδοι συγκλίνουν καθώς η συσχέτιση των δύο μεθόδων μας δίνει μια γραμμική προσέγγιση η οποία είναι καλύτερη για το Pb-214. Ταυτόχρονα, το ίδιο χρονικό διάστημα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις και έξω από το χώρο του εργαστηρίου πυρηνικής τεχνολογίας του Α.Π.Θ. με τον μετρητή Silena που μας έδωσαν τις παρακάτω μέσες τιμές συγκέντρωσης: 9,9 Bq/m 3 για το Po-218, 5,6 Bq/m 3 για το Pb-214 και 6,3 Bq/m 3 για το Bi-214 καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχουν διαφοροποιήσεις σε σχέση με το ύψος του εδάφους. Ακόμη, ο παράγοντας ισορροπίας F έχει την τιμή 0,46 για τις μετρήσεις στην ταράτσα της Πολυτεχνικής Σχολής, ενώ παίρνει την τιμή 0,393 για τις μετρήσεις έξω από το εργαστήριο. Τέλος, μέσω του κώδικα MonteCarlo, βρήκαμε ότι ο μέσος ρυθμός απορροφούμενης δόσης που δέχεται ο άνθρωπος σε εξωτερικούς χώρους και ο οποίος οφείλεται στις ενέργειες 352 kev από το Pb-214και 609 kevαπό το Bi-214. είναι 0,78 ngy/h. 6

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μέτρηση της συγκέντρωσης των θυγατρικών του ραδονίου στον αέρα σε εξωτερικούς χώρους μέσω δυο μεθόδων. Στην πρώτη μέθοδο θα χρησιμοποιήσουμε α-φασματοσκοπία μέσω του μετρητή Silena, ενώ στη δεύτερη μέθοδο θα χρησιμοποιήσουμε γ- φασματοσκοπία. Για την α και την γ-φασματοσκοπία χρειάζεται η άντληση δείγματος αέρα και η ταυτόχρονη συλλογή των θυγατρικών του ραδονίου που περιέχονται στον αέρα από ένα φίλτρο, το οποίο στη συνέχεια για τη γ-φασματοσκοπία μέσω του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου θα μας δώσει τη συγκέντρωση των θυγατρικών, ενώ για την α-φασματοσκοπία η όλη διαδικασία πραγματοποιείται αυτόματα απο τον μετρητή Silena. Έπειτα θα επιχειρήσουμε να συγκρίνουμε τις δύο αυτές μεθόδους. Οι μετρήσεις μας πραγματοποιήθηκαν σε δυο διαφορετικά σημεία (ταράτσα κτιρίου Δ Πολυτεχνικής Σχολής, είσοδος εργαστηρίου Πυρηνικής Τεχνολογίας Α.Π.Θ.). Από αυτά τα δύο σημεία θα βρούμε αν υπάρχει κάποια διαφοροποίηση στις μετρήσεις μας. Τέλος, θα υπολογίσουμε μέσω προσομοίωσης με τον κώδικα MCNP, το μέσο ρυθμό απορροφούμενης δόσης σε εξωτερικούς χώρους που οφείλεται στα θυγατρικά του ραδονίου, τα οποία μας ενδιαφέρουν. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο κάνουμε μια γενική αναφορά στη ραδιενεργό ακτινοβολία, και πιο συγκεκριμένα στην κοσμική και στη γήινη ακτινοβολία καθώς και στις ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας. Ακόμη, έχουμε και ένα δεύτερο διαχωρισμό των πηγών ραδιενέργειας ανάλογα με τον τρόπο που επηρεάζεται ο ανθρώπινος οργανισμός, με τον οποίο χωρίζουμε τις πηγές ραδιενέργειας σε εσωτερικές και εξωτερικές. Τέλος, κάνουμε μια ιστορική αναδρομή και αναφέρουμε κάποια βασικά μεγέθη και έννοιες που θα μας είναι χρήσιμα στη διάρκεια αυτής της διπλωματικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά για το ραδόνιο, από πού προέρχεται, ποιες είναι οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του καθώς και ποιες είναι οι βιολογικές επιπτώσεις του ραδονίου και των θυγατρικών του, όταν αυτό βρίσκεται στο εξωτερικό περιβάλλον. Ειδικότερα, δίνουμε έμφαση στο ραδόνιο που υπάρχει στους εξωτερικούς χώρους, μιας και αυτό είναι το αντικείμενο της διπλωματικής μας, και έπειτα, αναφερόμαστε στις μεθόδους μέτρησης του ραδονίου και της γ-ακτινοβολίας. 7

Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύουμε την μέθοδο της γ-φασματοσκοπίας καθώς και τον τρόπο αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας γ με την ύλη. Αυτός περιλαμβάνει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, τη σκέδαση Compton καθώς και τη δίδυμη γένεση. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφουμε τα όργανα μέτρησης που χρησιμοποιήσαμε κατά τη διάρκεια της διπλωματικής. Παρατίθενται τα τεχνικά χαρακτηριστικά των οργάνων, οι αρχές λειτουργίας τους, τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, χαρακτηριστικά μεγέθη καθώς και παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν τις μετρήσεις τους. Συγκεκριμένα, ο ανιχνευτής Alphaguard λειτουργεί με την μέθοδο της α-φασματοσκοπίας, όπως επίσης και ο Silena, ενώ στον ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου χρησιμοποιήσαμε τη μέθοδο της γ-φασματοσκοπίας για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Στο πέμπτο κεφάλαιο έχουμε την παράθεση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων μας με τους τρεις ανιχνευτές, τα στατιστικά στοιχεία που εξάγονται από τις μετρήσεις μας, τον προσδιορισμό της απόδοσης του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου καθώς και την ανάλυση της μεθόδου μέτρησης των θυγατρικών του ραδονίου χρησιμοποιώντας γ-φασματοσκοπία. Οι μετρήσεις μας πραγματοποιήθηκαν σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, στην ταράτσα του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. και στον χώρο έξω από το εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας του Α.Π.Θ. Στο έκτο κεφάλαιο χρησιμοποιούμε τη μέθοδο Monte Carlo, ώστε να προσδιορίσουμε το ρυθμό δόσης που λαμβάνουμε σε εξωτερικούς χώρους εξαιτίας των θυγατρικών του ραδονίου. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται μια γενική αναφορά στον κώδικα Monte Carlο, η αναλυτική παρουσίαση του αρχείου εισόδου με τον κώδικα MCNP και τα αποτελέσματα της προσομοίωσής μας, που θα μας δώσουν τον ρυθμό απορροφούμενης δόσης σε εξωτερικούς χώρους. Στο έβδομο κεφάλαιο επιχειρούμε να κάνουμε μια ανάλυση των μετρήσεών μας και να εξάγουμε τα τελικά συμπεράσματα. Συγκεκριμένα, κάνουμε τη σύγκριση των μετρήσεών μας στις δυο διαφορετικές τοποθεσίες (ταράτσα και εργαστήριο), βρίσκουμε τον συντελεστή ισορροπίας και έπειτα συγκρίνουμε τις μεθόδους της α και γ-φασματοσκοπίας. Στο τέλος εξάγουμε τα τελικά συμπεράσματα της εργασίας μας. 8

Πριν κλείσουμε τον πρόλογο αυτό, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Αλέξανδρο Κλούβα για την καθοδήγηση και τις υποδείξεις του, καθώς και για την ευκαιρία που μας έδωσε να ασχοληθούμε εκτενέστερα με το ενδιαφέρον αντικείμενο της Πυρηνικής Τεχνολογίας καθώς και τον διδακτορικό φοιτητή Φωκίων Λεοντάρη για την άριστη συνεργασία του, τις συμβουλές του και την πολύτιμη βοήθειά του καθ' όλη τη διάρκεια της προετοιμασίας της εργασίας. 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 0 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Ο άνθρωπος ζει σε ένα περιβάλλον φυσικής ραδιενέργειας και φυσικών ιοντιζουσών ακτινοβολιών και ανέκαθεν ήταν εκτεθειμένος σε ακτινοβολίες φυσικών ραδιενεργών ισοτόπων. Όλοι οι ζώντες οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου, αναπτύχθηκαν και εξελίχθηκαν στη σημερινή τους μορφή μέσα σε αυτό το περιβάλλον της φυσικής ραδιενέργειας. Το ενδιαφέρον για την καταγραφή αυτού του φυσικού υποβάθρου ραδιενέργειας και των γεωγραφικών του διακυμάνσεων, πηγάζει από τη χρήση του τόσο στον προσδιορισμό των κανόνων ραδιοπροστασίας, όσο και στην αξιολόγηση των επιπτώσεων της ακτινοβολίας. Υπάρχουν δύο κύριες πηγές ακτινοβολίας: η φυσική και η τεχνητή. Η φυσική ακτινοβολία έχει προέλευση κοσμική και γήινη. Ωστόσο οι δραστηριότητες του ανθρώπου είναι αυτές που προκάλεσαν την αύξηση της ραδιενεργής ακτινοβολίας στο περιβάλλον. Η ανάπτυξη του πολιτισμού και κυρίως της τεχνολογίας επέφερε συνεχή αύξηση εκροών ραδιενέργειας προς το περιβάλλον, κυρίως κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα. Αναλυτικότερα παρουσιάζονται παρακάτω: Κοσμική Ακτινοβολία Η κοσμική ακτινοβολία είναι εξωτερική πηγή ραδιενέργειας και προέρχεται από τα ιοντίζοντα σωματίδια, τα οποία βομβαρδίζουν τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και προέρχονται από το διάστημα και τον ήλιο. Από αυτά τα σωματίδια, το 79% περίπου είναι πρωτόνια, το 20% σωματίδια α και το 1% ιόντα βαρέων ατόμων. Ελάχιστα από αυτά φθάνουν στην επιφάνεια της γης. Καθώς εισέρχονται στην ατμόσφαιρα, αλληλεπιδρούν με το οξυγόνο και το άζωτο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, παράγοντας δευτερογενής ακτινοβολία από ακτίνες γ, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Ένα μέρος από αυτή την ακτινοβολία καταλήγει στην επιφάνεια της γης, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται στην ατμόσφαιρα. 10

Γήινη ακτινοβολία Η γήινη ακτινοβολία είναι εξωτερική πηγή ραδιενέργειας και οφείλεται στα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα που υπάρχουν τόσο στο φλοιό όσο και στην επιφάνεια της γης. Ισότοπα του ουρανίου U-238 και του θορίου Τh-232, τα οποία είναι πατριάρχες των δυο σειρών φυσικών ραδιενεργών νουκλιδίων, υπάρχουν σε μικρές αναλογίες σχεδόν παντού στο φλοιό και την επιφάνεια της γης, καθώς και τα προϊόντα που προκύπτουν από τη διάσπασή τους. Τα ραδιενεργά ισότοπα στο φλοιό της γης εκπέμπουν ακτινοβολίες άλφα, βήτα και γάμμα αλλά επειδή τα άλφα και βήτα σωματίδια δεν μπορούν να διέλθουν ακόμα και από μικρά πάχη ύλης, το μεγαλύτερο ποσοστό τους συγκρατείται από το έδαφος ή τον αέρα και δεν φτάνει στο ανθρώπινο σώμα. Έτσι, η μόνη αξιόλογη εξωτερική ακτινοβολία που δέχεται ο άνθρωπος από τη γη και τα οικοδομικά υλικά είναι η ακτινοβολία γάμμα. Η ένταση της ακτινοβολίας από τη γη εξαρτάται από τα ορυκτά και πιο συγκεκριμένα, από τη συγκέντρωση ουρανίου που υπάρχει σε κάθε θέση. Ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας Με τις δραστηριότητές του ο άνθρωπος αύξησε τη ραδιενεργό ακτινοβολία που δέχεται, με αποτέλεσμα να είναι εκτεθειμένος και σε ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας. Με την εξέλιξη του πολιτισμού και της τεχνολογίας αυξήθηκαν σημαντικά οι εκροές ραδιενέργειας στο περιβάλλον και κυρίως με την ανάπτυξη της πυρηνικής τεχνολογίας και την εφαρμογή της στην παραγωγή ενέργειας και στην κατασκευή οπλικών συστημάτων. Οι κύριες ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας στο περιβάλλον είναι οι δοκιμές πυρηνικών όπλων, διάφορες ιατρικές εφαρμογές,η επεξεργασία του πυρηνικού καυσίμου (εξόρυξη, εμπλουτισμός, μύλοι ουρανίου), τα πυρηνικά ατυχήματα, η χρήση υλικών πλούσιων σε ραδιενέργεια και κυρίως η πυρηνική βιομηχανία. Ωστόσο μετά από σειρά ερευνών, έχει αποδειχθεί ότι οι ανθρωπογενείς πηγές ραδιενέργειας επηρεάζουν σε ποσοστό 18% της συνολικής έκθεσης σε ραδιενέργεια, σε σχέση με τη φυσική ραδιενέργεια. Ένας δεύτερος διαχωρισμός των πηγών ραδιενέργειας μπορεί να γίνει λαμβάνοντας ως κριτήριο τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζεται ο ανθρώπινος οργανισμός. Έτσι λοιπόν διακρίνουμε τις πηγές ραδιενέργειας σε εσωτερικές και εξωτερικές. 11

Εξωτερικές ονομάζονται οι πηγές ακτινοβολίας που βρίσκονται έξω από το ανθρώπινο σώμα. Τέτοιες είναι η κοσμική ακτινοβολία και τα διάφορα ραδιενεργά ισότοπα που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης, στα κτίρια και στον αέρα. Εσωτερικές ονομάζονται οι πηγές, οι οποίες καταλήγουν στο εσωτερικό του σώματος είτε με την αναπνοή είτε με το φαγητό. Σημαντική φυσική εσωτερική πηγή ραδιενέργειας είναι το ραδιενεργό φυσικό κάλιο Κ-40, που βρίσκεται στο φυσικό κάλιο σε ποσοστό 0,0118%. Τα φυτά αντλούν το απαραίτητο γι αυτά κάλιο από τη γη, τα ζώα από τα φυτά και ο άνθρωπος από τη διατροφή. Σημαντική εσωτερική πηγή ραδιενέργειας αποτελούν το U-238 και τα προϊόντα της αλυσίδας διάσπασης του, καθώς και τα προϊόντα της αλυσίδας διάσπασης του Th-232. Στη σειρά διάσπασης του U-238 βρίσκεται το ραδιενεργό ισότοπο ράδιο Ra-226,το οποίο εισέρχεται στο σώμα μέσω της τροφικής αλυσίδας και συσσωρεύεται στα οστά. Το ράδιο Ra-226 με άλφα διάσπαση και χρόνο ημιζωής 1620 έτη, παράγει το ραδιενεργό ραδόνιο Rn-222 το οποίο είναι αδρανές αέριο. Αντίστοιχα ισχύουν και για τα θυγατρικά νουκλίδια της σειράς του Th-232, στη σειρά διάσπασης του οποίου βρίσκεται το ραδιενεργό ισότοπο Ράδιο Ra-228, το οποίο συγκεντρώνεται στα οστά και με α διάσπαση παράγει το ραδιενεργό ραδόνιο Rn-220 που είναι και αυτό αδρανές αέριο. Τα θυγατρικά του είναι στερεά στοιχεία και διασπώνται με εκπομπή σωματιδίων α. 12

Εικόνα 1.1.1Το U-238 και τα προϊόντα της αλυσίδας διάσπασης του Ιστορική Αναδρομή Το 1896 ο Γάλλος φυσικός Αντρί Μπεκερέλ, ήταν ο πρώτος που παρατήρησε το φαινόμενο της ραδιενεργού ακτινοβολίας. Κατά τη διάρκεια ενός πειράματος, παρατήρησε ότι το θειικό κάλιο-ουρανίλιο εξέπεμπε συνεχώς ακτινοβολία, που έμοιαζε με τις ακτίνες Χ και διαπερνούσε τη φωτογραφική πλάκα (ακτινοβολία Μπεκερέλ). Το 1898 ο Πιέρ Κιουρί και η Μαρία Κιουρί, κατάφεραν να απομονώσουν το ράδιο, που έχει μεγαλύτερο βαθμό ραδιενέργειας από το ουράνιο, 13

εκμεταλλευόμενοι την ιδιότητα των εκπεμπόμενων ακτινών να καθιστούν αγώγιμο τον αέρα. Με αυτό τον τρόπο κατάφεραν να απομονώσουν το χημικό στοιχείο Πολώνιο, το οποίο πήρε το όνομά του από την Μαρία Κιουρί προς τιμή της πατρίδας της. Το ζεύγος Μπέμοντ, μετά από συστηματικές ανακρυσταλλώσεις του ραδίου, πέτυχε την απομόνωση του ραδίου υπό μορφή χλωριούχου και βρωμιούχου άλατος. Αργότερα, ο Ντεμπιέρν από τον πισσουρανίτη και τρίτη ραδιενεργή ουσία, το ακτίνιο, ενώ ο Έρνεστ Ράδερφορντ μελέτησε τις ακτινοβολίες που προέκυπταν από τις ενώσεις του θορίου. Το 1902 οι Ράδερφορντ και Σόντυ αντιλήφθηκαν ότι η πηγή της εκπεμπόμενης ενέργειας είναι η μερική διάσπαση των ατόμων, κατά την οποία εκσφενδονίζεται τεμάχιο του πυρήνα τους με μεγάλη ταχύτητα, το οποίο μεταστοιχειώνεται σε άλλο άτομο. Εικόνα 1.1.2. Πιέρ και Μαρία Κιουρί 1.2 ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΕΣ Ραδιενέργεια μιας ποσότητας υλικού ονομάζεται ο συνολικός αριθμός διασπάσεων κάθε είδους που συμβαίνουν σε κάποιο υλικό ανά μονάδα χρόνου. Αν μια ποσότητα υλικού περιέχει ένα μόνο είδος ραδιενεργών πυρήνων και Ν(t) είναι ο συνολικός αριθμός των πυρήνων αυτών, τότε η ραδιενέργεια Α της ποσότητας είναι: dn A dt λ N A 0 e λ t όπου Α0=Α(0) και λ η συνολική σταθερά διάσπασης.αν η ποσότητα υλικού περιέχει περισσότερα από ένα είδη ραδιενεργών πυρήνων, η ραδιενέργεια της συγκεκριμένης 14

ποσότητας προκύπτει από το άθροισμα όλων των ραδιενεργών πυρήνων που περιέχονται σε αυτή. Οι πιο συνηθισμένες μονάδες ραδιενέργειας είναι το Curie (Ci) και το Becquerel (Bq). Οι μονάδες αυτές ορίζονται ως εξής: 1 Ci= 3,7. 10 10 διασπάσεις / sec. 1Bq= 1 διάσπαση / sec. Ραδιενεργός διάσπαση ονομάζεται η μετατροπή ενός ασταθούς φυσικού πυρήνα σε κάποιο άλλο, χωρίς καμία εξωτερική διέγερση. Η ραδιενεργή διάσπαση συνοδεύεται από ταυτόχρονη εκπομπή σωματιδίων ή και μετάβαση από κάποια στάθμη διέγερσης σε κάποια άλλη χαμηλότερη με ταυτόχρονη εκπομπή φωτονίων. Ραδιενεργός ακτινοβολία καλείται η εκπομπή σωματιδίων η οποία συνοδεύεται από έκλυση σημαντικής ενέργειας. Οι πιο συνηθισμένες ακτινοβολίες κατά τη διάσπαση φυσικών ραδιενεργών πυρήνων είναι: - Ακτινοβολία α: όπου ο ραδιενεργός πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο α (πυρήνας ηλίου 2He 4 ). - Ακτινοβολία β: Πρόκειται για ένα ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται από την πυρήνα είτε κατά τη μετατροπή ενός νετρονίου του πυρήνα σε πρωτόνιο (εκπομπή σωματιδίου β - ) είτε κατά τη μετατροπή ενός πρωτονίου του πυρήνα σε νετρόνιο (εκπομπή σωματιδίου β + ). - Ακτινοβολία γ: Προέρχεται κατά τη μετάβαση ενός πυρήνα από κάποια ενεργειακή στάθμη διέγερσης σε κάποια άλλη χαμηλότερη, οπότε και εκπέμπεται ένα φωτόνιο ενέργειας ίσης με τη διαφορά των δύο σταθμών (0,1 έως 10 MeV περίπου). Αυτή η μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ονομάζεται γ ακτινοβολία. Η ραδιενέργεια μιας ποσότητας υλικού εκφρασμένη σε Ci ή σε Bq δίνει το συνολικό ρυθμό διασπάσεων. Δεν περιέχει καμιά πληροφορία σχετικά με το είδος ακτινοβολιών που εκπέμπονται ή τις πιθανές επιπτώσεις σε οργανισμούς. Όλες αυτές οι πληροφορίες μας δίνονται από την απορροφούμενη δόση και από την ισοδύναμη ή βιολογική δόση. Απορροφούμενη δόση καλείται η ενέργεια που εναποθέτει οποιαδήποτε ραδιενεργή ακτινοβολία συμπεριλαμβανομένης της γ και της Χ σε οποιοδήποτε υλικό. Μονάδα της απορροφούμενης δόσης στο SI είναι το Gray το οποίο ισοδυναμεί με 1 Joule / Kg. Συνήθως χρησιμοποιείται το ngy. 15

Η ισοδύναμη ή βιολογική δόση ορίζεται ως το γινόμενο της απορροφούμενης δόσης σε Gy και ενός συντελεστή Q οποίος λαμβάνεται από συγκεκριμένους πίνακες και έχει σχέση με το βαθμό επικινδυνότητας της συγκεκριμένης ακτινοβολίας. Μονάδα ισοδύναμης δόσης στο SI είναι το Sievert (Sv) ενώ η σχέση που συνδέει την απορροφούμενη με την ισοδύναμη δόση είναι η παρακάτω: Ισοδύναμη δόση (Sv)=απορροφούμενη δόση (Gray) Q 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΡΑΔΟΝΙΟ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΡΑΔΟΝΙΟΥ Το στοιχείο ραδόνιο ανακαλύφθηκε το 1900 από τον Dorn ο οποίος το ονόμασε «απόρροια ραδίου» (radium emanation) γιατί το αέριο αυτό προέκυψε από υλικά που περιείχαν ράδιο. Το 1908 το ραδόνιο απομονώθηκε από τους Ramsay και Gray, οι οποίοι και προσδιόρισαν την πυκνότητα του αερίου το οποίο τυγχάνει να είναι το βαρύτερο από τα ευγενή αέρια. Το ραδόνιο είναι φυσικά ραδιενεργό αέριο το οποίο συναντάται ευρύτατα όχι μόνο στο περιβάλλον αλλά ακόμη και στον ανθρώπινο οργανισμό. Κάποια ποσότητα από το ραδόνιο διασκορπίζεται από τα υλικά, στα οποία σχηματίζεται, και διαχέεται στο νερό και τον αέρα. Η ολική ποσότητα ισορροπίας ραδονίου στον αέρα είναι της τάξεως των 10 18 Bq. 2.2 ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ Το ραδόνιο είναι ένα ευγενές αέριο, άχρωμο, άοσμο, ραδιενεργό με ατομικό αριθμό 86. Χαρακτηριστικό του ραδονίου είναι ότι πρόκειται για φυσικό ραδιενεργό αέριο, γεγονός που έχει να κάνει με την προέλευσή του αφού το ουράνιο συναντάται ευρύτατα στο περιβάλλον, στο χώμα, στα διάφορα πετρώματα, στον αέρα, στο νερό, στα οικοδομικά υλικά, ακόμη και στον ίδιο τον άνθρωπο. Eίναι ένα ενδιάμεσο στοιχείο στην αλυσίδα του ουρανίου και του θορίου και είναι το μοναδικό στην αλυσίδα το οποίο είναι αέριο. Το ουράνιο και το θόριο είναι τα δυο πιο ραδιενεργά στοιχεία στη γη, υπήρχαν από τότε που δημιουργήθηκε η γη και θα συνεχίσουν να υπάρχουν για πολλά εκατομμύρια χρόνια. Από τα ισότοπα του ραδονίου, το πιο ευσταθές είναι το Rn-222, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 3,8 ημέρες. Όλες οι έρευνες που αφορούν τη συγκέντρωση του ραδονίου στο περιβάλλον αναφέρονται στο ραδόνιο Rn-222. Ενώ η μέση μέτρηση παραγωγής του ραδονίου Rn-220 (από τη σειρά του θορίου) είναι σχεδόν ίδια με τη συγκέντρωση του ραδονίου Rn-222, το ποσό του Rn-220 στο περιβάλλον είναι πολύ 17

μικρότερο από το Rn-222 λόγω του μικρού χρόνου ημιζωής του Rn-220(το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 55 δευτερόλεπτα). Είναι το μοναδικό αέριο το οποίο υπό κανονικές συνθήκες έχει ραδιενεργά θυγατρικά και θεωρείται επιβλαβές για την υγεία του ανθρώπου. Το ραδόνιο παράγεται με α διάσπαση του ασταθούς ισοτόπου ραδίου Ra-226 και δίνει ένα σύνολο βραχύβιων και μακρόβιωνθυγατρικών: Βραχύβια θυγατρικά: έχουν χρόνους ημιζωής μικρότερους των 30 λεπτών. Τα ισότοπα είναι το πολώνιο Po-218(RaA), ο μόλυβδος Pb-214(RaB), το βισμούθιο Bi-214(RaC) και το πολώνιο Po-210(RaC). Μακρόβια θυγατρικά: έχουν χρόνο ημιζωής μεγαλύτερους της μιας ημέρας. Τα ισότοπα είναι ο μόλυβδος Pb-210(RaD), το βισμούθιο Bi-210(RaE) και το πολώνιο Po-210(RaF). Αυτά απεικονίζονται καλύτερα στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 2.2.1:Θυγατρικά του ραδονίου και χρόνοι ημιζωής τους Η διάσπαση του ραδονίου και η δευτερεύουσα διάσπαση των θυγατρικών του ολοκληρώνονται με το σχηματισμό σταθερού μολύβδου. Τα θυγατρικά του ραδονίου βρίσκονται στα ίδια μέσα όπως και οι πρόγονοί τους. Χρειάζεται κάποιος χρόνος της 18

τάξεως της μίας ώρας για να φτάσουν τα θυγατρικά προϊόντα σε ισορροπία. Για αυτόν ακριβώς τον λόγο και εξαιτίας της υψηλότερης συγκέντρωσης κοντά στις επιφάνειες, συχνά υπάρχουν λιγότερα ποσά, από αυτά της ισορροπίας, των θυγατρικών προϊόντων στον αέρα και το νερό. Τα θυγατρικά του ραδονίου είναι στερεά στοιχεία και επικάθονται στα μικρά σωματίδια σκόνης και στα μικρά σταγονίδια υγρασίας που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Ένα πολύ μικρό ποσοστό, συνήθως λιγότερο από 10%, υπάρχει με τη μορφή μη προσκολλημένων ατόμων ή ιόντων. Επομένως παρόλο που το ραδόνιο είναι αέριο, κατά τη διάσπαση του παράγει ραδιενεργά θυγατρικά στοιχεία τα οποία είναι στερεά και επικάθονται στα μικρά σωματίδια σκόνης και στα μικρά σταγονίδια υγρασίας που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Όταν αυτές οι αέριες μάζες εισπνευσθούν από τον άνθρωπο, κολλάνε στους πνεύμονες, ενώ ένα μικρό μέρος διαλύεται στο αίμα και διαχέεται σε ολόκληρο το σώμα. Ένα άλλο μέρος του ραδονίου αποβάλλεται στην ατμόσφαιρα με την εκπνοή. Το υπόλοιπο διασπάται και τα θυγατρικά του επικάθονται στους πνεύμονες. 2.3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΚΑΙ ΤΩΝ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΤΟΥ Όπως προαναφέρθηκε, όταν τα θυγατρικά του ραδονίου εισπνευσθούν, επειδή είναι στερεά, κολλάνε στους πνεύμονες. Λόγω του μικρού χρόνου ημιζωής τους, διασπώνται πριν εξέλθουν από το αναπνευστικό σύστημα και έτσι εκπέμπουν ακτινοβολία στους πνεύμονες. Η βιολογική βλάβη των πνευμόνων προκαλείται κυρίως από την α ακτινοβολία που εκπέμπουν τα στερεά θυγατρικά νουκλίδια του ραδονίου, αφού προκαλεί χημικές μεταβολές στα κύτταρα του DNA. Επιδημιολογικές μελέτες έχουν αποδείξει ότι η έκθεση του κοινού σε υψηλή συγκέντρωση ραδονίου οδηγεί πολλές φορές σε καρκίνο των πνευμόνων και θεωρείται ένας πολύ σημαντικός παράγοντας μόλυνσης παγκόσμια. 19

Εικόνα 2.3.1: Εκπομπή ακτινοβολίας από τα στερεά θυγατρικά νουκλίδια του ραδονίου Σύμφωνα με το United States Environmental Protection Agency, το ραδόνιο είναι η δεύτερη αιτία καρκίνου το πνευμόνων, μετά το κάπνισμα. Είναι αιτία 21.000 θανάτων από καρκίνο στους πνεύμονες κάθε χρόνο στις ΗΠΑ. Γύρω στους 2.900 από αυτούς, εμφανίζονται σε άτομα που δεν έχουν καπνίσει ποτέ στη ζωή τους, ενώ οι καπνιστές που εκτίθενται σε υψηλή συγκέντρωση ραδονίου, έχουν αυξημένες πιθανότητες εμφάνισης καρκίνου στους πνεύμονες. Ενώ το ραδόνιο είναι η δεύτερη αιτία θανάτου από καρκίνο στους πνεύμονες για τους καπνιστές, είναι η κύρια αιτία θανάτου από καρκίνο στους πνεύμονες στους μη-καπνιστές, σύμφωνα με το EPA estimates. Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας το ραδόνιο και τα θυγατρικά του είναι αιτία θανάτου για 50.000 άτομα κάθε χρόνο. Άλλες επιδημιολογικές μελέτες εκτιμούν ότι το 10% των θανατηφόρων καρκίνων του πνεύμονα οφείλεται στο ραδόνιο. Πρακτικά το 99,9% της δόσης στους πνεύμονες οφείλεται στα βραχύβια θυγατρικά ισότοπα του ραδονίου, το πολώνιο, τον μόλυβδο και το βισμούθιο. Η συγκέντρωσή του στην ατμόσφαιρα εξαρτάται από την ποσότητα ουρανίου στο έδαφος κάθε περιοχής. 20

Εικόνα 2.3.2: Αριθμός θανάτων κάθε χρόνο στις Η.Π.Α. από διάφορες αιτίες Υπολογίζεται ότι περίπου το 48% της συνολικής ετήσιας δόσης που δέχεται ο μέσος κάτοικος του πλανήτη εξαιτίας των ραδιενεργών πηγών οφείλεται στο ραδόνιο το οποίο κατατάσσεται ως καρκινογόνο κλάσης 1. Σχετικό είναι το παρακάτω διάγραμμα, που απεικονίζει τη συνεισφορά των διάφορων πηγών ακτινοβολίας στη μέση ετήσια δόση. Ενδεικτική μέση τιμή της φυσικής συγκέντρωσης ραδονίου στην ατμόσφαιρα είναι 5 Bq /m 3 αέρα. Ραδιενεργός Ραδόνιο 47% επίπτωση Θορόνιο 0.4% 4% Κοσμική Ακτινοβολία 10% Φαγητό, ποτό 12% Ακτίνες γ από Διάφορα 0.4% Πυρηνικά καύσιμα Ιατρική 12% Εργασία 0.2% το έδαφος 14% 0.1% Εικόνα 2.3.3: συνεισφορά των διάφορων πηγών ακτινοβολίας στη μέση ετήσια δόση 21

2.4 ΤΟ ΡΑΔΟΝΙΟ ΣΤΟΥΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ Η κατανομή του ραδονίου και των προϊόντων της διάσπασής του στον εξωτερικό αέρα, εξαρτάται από την κατακόρυφη θερμοκρασιακή κλίση, την κατεύθυνση και την ένταση του ανέμου που πνέει στη συγκεκριμένη περιοχή. Η επιφανειακή συγκέντρωσή του στα επίπεδα του εδάφους είναι συνάρτηση των μετεωρολογικών συνθηκών που επικρατούν, καθώς και της γεωγραφικής θέσης της περιοχής. Κάτω από κανονικές συνθήκες, το ελάχιστο της συγκέντρωσης του ραδονίου εμφανίζεται κατά την Άνοιξη και το Καλοκαίρι, ενώ το μέγιστό της εμφανίζεται κατά το Φθινόπωρο και το Χειμώνα. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι πάνω από ηπειρωτικές περιοχές συναντώνται υψηλότερες συγκεντρώσεις, ενώ χαμηλότερες είναι οι τιμές της πάνω από αρκτικές ή θαλάσσιες περιοχές. Πηγές ραδονίου στον αέρα και το νερό είναι τα φωσφορικά ορυκτά, το πλούσιο σε ράδιο και θόριο έδαφος, οι εγκαταστάσεις γεωθερμίας, καθώς και η ηφαιστειακή δραστηριότητα. Έκλυση ραδονίου στην ατμόσφαιρα έχουμε και κατά την καύση γαιάνθρακα στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, λόγω του γεγονότος ότι η καύσιμη ύλη περιέχει ποσότητες ουρανίου. Ακόμη μεγάλες ποσότητες ραδονίου είναι συγκεντρωμένες σε λουτρά και ιαματικά νερά. 2.5 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΚΑΙ γ-ακτινοβολιασ Για τη μελέτη της χρονικής μεταβολής της συγκέντρωσης του Ραδονίου και των θυγατρικών του χρησιμοποιούνται διαφόρων ειδών μετρητικές διατάξεις. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν συγκεκριμένα τα εξής όργανα: AlphaGuard (απευθείας μέτρηση ραδονίου), Silena (μέτρηση ραδονίου μέσω της α ακτινοβολίας των θυγατρικών του) και ανιχνευτής υπερκαθαρού γερμανίου HPGe (μέτρηση ραδονίου μέσω της γ ακτινοβολίας των θυγατρικών του). Για την μέτρηση της γ ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της γ φασματοσκοπίας χρησιμοποιώντας ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου ΗPGe. 22

Στο παρακάτω διάγραμμα βλέπουμε τις ακτινοβολίες που εκπέμπουν τα θυγατρικά του ραδονίου, κάτι που χρησιμοποιούμε παρακάτω για την ανάλογη μέθοδο μέτρησης του ραδονίου και των θυγατρικών του. Εικόνα 2.5.1: Ακτινοβολίες που εκπέμπουν το ραδόνιο και τα θυγατρικά του 23

Συγκεκριμένα βλέπουμε ότι το ραδόνιο με χρόνο ημιζωής τις 3,6 μέρες διασπάται στο πολώνιο 218 (Po-218) με χρόνο ημιζωής τα 3 λεπτά το οποίο εκπέμποντας α ακτινοβολία διασπάται στον μόλυβδο 214 (Pb-214) με χρόνο ημιζωής τα 27 λεπτά. Έπειτα αυτό εκπέμποντας β και γ ακτινοβολία διασπάται στο βισμούθιο 214 (Bi-214) με χρόνο ημιζωής τα 19,7 λεπτά το οποίο με την σειρά του εκπέμποντας α και γ ακτινοβολία διασπάται στο πολώνιο 214 (Po-214) με διάρκεια ημιζωής τα 1,6*10-4 sec. Τέλος, το πολώνιο 214 εκπέμποντας α και γ ακτινοβολία διασπάται στον μόλυβδο 210 (Pb-210) με χρόνο ημιζωής τα 19,4 χρόνια. 24

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 γ-φασματοσκοπια 3.1. ΓΕΝΙΚΟΤΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ γ-φασματοσκοπια Η ακτινοβολία γ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής συχνότητας και συνεπώς υψηλής ενέργειας. Προκαλείται από την εκπομπή φωτονίων κατά την μετάβαση ραδιενεργών πυρήνων από μια ενεργειακή στάθμη διέγερσης σε κάποια χαμηλότερη. Ανήκει στο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που περιλαμβάνει τις ιοντίζουσες ακτινοβολίες, με βλαβερές συνέπειες για τους βιολογικούς οργανισμούς. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χαρακτηρίζεται από τη συχνότητα της ακτινοβολίας ή από το μήκος κύματός της. Υπάρχει εξάρτηση της συχνότητας με το μήκος κύματος και ειδικότερα, η αύξηση της συχνότητας οδηγεί σε ελάττωση του μήκους κύματος. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος μέτρησης της γ-ακτινοβολίας είναι η γ-φασματοσκοπία. Η μέθοδος της γ-φασματοσκοπίας στηρίζεται στο γεγονός ότι όλα σχεδόν τα υλικά περιέχουν έστω και ελάχιστες ποσότητες ραδιενεργών ισοτόπων που εκπέμπουν γ-ακτινοβολία. Το ενεργειακό φάσμα ακτινοβολίας είναι χαρακτηριστικό και αποτελεί ταυτότητα του νουκλιδίου που την εκπέμπει. Από το χαρακτηριστικό φάσμα που εκπέμπει το ραδιενεργό ισότοπο μπορούμε να διαγνώσουμε την παρουσία και ελάχιστων ακόμα 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. Για τον προσδιορισμό της ενεργότητας των ραδιονουκλιδίων στα προς μέτρηση δείγματα χρησιμοποιούνται οι ανιχνευτές υπερκαθαρού γερμανίου (HPGe). Τα συστήματα αυτά 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. 25

3.2 ΤΡΟΠΟΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ γ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ Καθώς διασχίζει την ύλη η γ ακτινοβολία προκαλεί ιονισμό με 3 τρόπους: 1. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 2. Τη σκέδαση Compton 3. Τη δίδυμη γέννηση Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Κατά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (ή φωτοηλεκτρική απορρόφηση), το φωτόνιο αλληλεπιδρώντας με το άτομο μεταφέρει την ενέργεια του σε κάποιο από τα ηλεκτρόνια του, προκαλώντας την εκπομπή του ηλεκτρονίου από το άτομο. Η κινητική ενέργεια του παραγόμενου φωτο-ηλεκτρονίου είναι ίση με την ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου, μειωμένη κατά την ενέργεια σύνδεσης της στοιβάδας από την οποία προήλθε, δηλαδή: Ε e- = 1 2 m u2 =h v - E b Όπου: Eb η ενέργεια σύνδεσης του φωτοηλεκτρονίου στην αρχική του στοιβάδα m η μάζα του ηλεκτρονίου και u η ταχύτητά του h η σταθερά του Planck v η συχνότητα του φωτονίου. Από αυτή τη σχέση, γίνεται φανερό πως για την πραγματοποίηση του φαινομένου υπάρχει κατώφλι ενέργειας του φωτονίου, δηλαδή θα πρέπει hv>eb.για ενέργειες λοιπόν της ακτινοβολίας μερικών εκατοντάδων kev το φωτοηλεκτρόνιο φέρει το μεγαλύτερο μέρος του αρχικού φωτονίου. Το κενό που έχει δημιουργηθεί από την εκπομπή του ηλεκτρονίου αναπληρώνεται σύντομα από κάποιο ελεύθερο ηλεκτρόνιο ή από την ανακατανομή των ηλεκτρονίων στο άτομο. Γι αυτόν το λόγο, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συνοδεύεται και από την εκπομπή μιας ή και περισσότερων χαρακτηριστικών ακτινών Χ. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτές οι ακτινοβολίες απορροφούνται ξανά κοντά στην περιοχή δημιουργίας τους μέσω φωτοηλεκτρικής απορρόφησης, εμπλέκοντας στοιβάδες χαμηλότερων ενεργειών σύνδεσης. Έτσι, ο ιοντισμός της ύλης είναι έμμεσος καθώς το φωτο-ηλεκτρόνιο, κινούμενο με μεγάλη ταχύτητα, συγκρούεται με ηλεκτρόνια των ατόμων, παράγοντας έτσι ζεύγη θετικών ιόντων και ελεύθερων ηλεκτρονίων. 26

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, είναι ο βασικός μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας των ακτινών γ και Χ (για ενέργειες μικρότερες των 50 kev) που εντείνεται με την παρουσία υλικών με μεγάλο ατομικό αριθμό. Η επιρροή του ατομικού αριθμού στην πιθανότητα πραγματοποίησης της φωτοηλεκτρικής απορρόφησης οδηγεί στην επιλογή υλικών με μεγάλο ατομικό αριθμό (όπως ο μόλυβδος) ως θωράκιση έναντι της ακτινοβολίας γ, καθώς και για την κατασκευή ανιχνευτών Εικόνα 3.2.1: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Σκέδαση Compton Η σκέδαση Compton είναι μια αλληλεπίδραση, κατά την οποία το φωτόνιο μεταφέρει σε ηλεκτρόνιο μέρος της ενέργειας του, ικανής να προκαλέσει την εκπομπή του από το άτομο, ενώ το υπόλοιπο μέρος της ενέργειας του φωτονίου εκπέμπεται ως ένα νέο φωτόνιο, χαμηλότερης ενέργειας σε κατεύθυνση διαφορετική από αυτή του αρχικού φωτονίου, ως εκ τούτου σκεδάζεται. Το φαινόμενο μπορεί να θεωρηθεί σαν ελαστική σκέδαση του φωτονίου με ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Η πιθανότητα να εμφανιστεί η σκέδαση Compton μειώνεται, όσο αυξάνεται η ενέργεια του φωτονίου. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί τον κύριο μηχανισμό απορρόφησης ακτινών γ για ένα εύρος ενέργειας 100 kev έως 10 MeV. Εικόνα 3.2.2:Σκέδαση Compton 27

Δίδυμη γέννηση Ο τρίτος σημαντικός μηχανισμός αλληλεπίδρασης είναι η δίδυμη γένεση ή αλλιώς σχηματισμός ζεύγους.εμφανίζεται για ενέργειες άνω των 1,02 MeV και καθίσταται σημαντικός ως μηχανισμός για ενέργειες άνω των 5 MeV. Σύμφωνα με αυτόν, η αλληλεπίδραση του φωτονίου με την ύλη οδηγεί στην εξαφάνιση του πρώτου και στη δημιουργία ενός ζεύγους ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Καθώς η απαιτούμενη ενέργεια για τη δημιουργία αυτού του ζεύγους είναι 2m0c 2, συνεπάγεται πως για να είναι ενεργειακά πιθανό αυτό το φαινόμενο, χρειάζεται η ενέργεια του φωτονίου να είναι τουλάχιστον 1,02 MeV. Έτσι, στην περίπτωση που ικανοποιείται αυτή η συνθήκη, η επιπλέον ενέργεια του φωτονίου θα αποδοθεί στο ζεύγος ως κινητική ενέργεια, δηλαδή: Ε e- - E e+ = hv-2m o c 2 Μετά την γένεσή τους, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο λόγω της μεγάλης τους κινητικής ενέργειας, αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια των ατόμων του υλικού και επιβραδυνόμενα μέχρι να σταματήσουν, παράγουν μεγάλο αριθμό ζεύγους θετικών πυρήνων και ελευθέρων ηλεκτρονίων. Η απόσταση που διανύουν μέσα στο υλικό είναι το πολύ μερικά χιλιοστά. Η δίδυμη γένεση αποτελεί μια διαδικασία σχετικά περίπλοκη από την άποψη πως το ποζιτρόνιο δεν είναι ένα σταθερό σωματίδιο. Καθώς η κινητική του ενέργεια μειωθεί αρκετά, η σύγκρουση του ποζιτρονίου με κάποιο ηλεκτρόνιο οδηγεί στην σύντηξη των δύο σωματιδίων, οπότε εξαφανίζονται και στη θέση τους εμφανίζονται δύο φωτόνια ενέργειας m0c 2 το καθένα (εξαΰλωση). Ο χρόνος που απαιτείται για να επιβραδυνθεί το ποζιτρόνιο και να εξαϋλωθεί είναι μικρός και επομένως, η ενέργεια από την εξαΰλωση θεωρούμε πως εμφανίζεται στην πραγματικότητα ταυτόχρονα με την αρχική αλληλεπίδραση. Άρα αξίζει να σημειωθεί πως και εδώ έμμεσα οι ακτίνες γ ιοντίζουν την ύλη. Εικόνα 3.2.3: Δίδυμη γέννηση 28

Στο παρακάτω σχήμα δίνεται ο συνολικός συντελεστής απορρόφησης του μολύβδου σε σχέση με την ενέργεια των ακτινών γ όπου διακρίνεται η συνεισφορά του κάθε φαινομένου. Εικόνα 3.2.4: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κυριαρχεί για χαμηλές ενέργειες, ενώ άνω των 5 MeV γίνεται εντονότερος ο μηχανισμός σχηματισμού ζεύγους (δίδυμη γέννηση). 29

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 4.1.ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ALPHAGUARD PQ 2000 Ο ανιχνευτής AlphaGUARD που διαθέτει το Εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας του Α.Π.Θ. εντάσσεται στη κατηγορία των ενεργητικών ανιχνευτών με χρήση θαλάμου ιονισμού. Ο ανιχνευτής αυτός μας εξασφαλίζει συνεχή μέτρηση της συγκέντρωσης ραδονίου και των θυγατρικών του. Λειτουργεί τόσο με ηλεκτρική τροφοδοσία όσο και με μπαταρία που τον καθιστά φορητό, με αυτονομία 10 ημερών. Το όργανο αυτό μας δίνει την δυνατότητα να μετράμε τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και να έχουμε μνήμη δεδομένων και δυνατότητα σύνδεσης με υπολογιστή, όπου με τη χρήση του λογισμικού Data Expert μπορεί να πραγματοποιηθεί η ανάλυση των δεδομένων. Εικόνα 4.1.1 :Ανιχνευτής AlphaGUARD PQ 2000 Στα παρακάτω σχήματα φαίνονται οι τρεις όψεις του ανιχνευτή. Στο σχήμα 4.1.2 φαίνεται η οθόνη υγρών κρυστάλλων για απεικόνιση των δεδομένων και στο σχήμα 4.1.3 είναι διακριτά τα σημεία εισόδου του ραδονίου. 30

Εικόνα 4.1.2: Κύρια όψη του Alpha GUARD. Εικόνα 4.1.3 : Πλευρική και πίσω όψη τουalpha GUARD. 31

4.1.1 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της συσκευής είναι τα εξής: Τύπος ανιχνευτή ραδονίου: Θάλαμος ιονισμού HV= 750 VDC Μέθοδος λειτουργίας: 3D α φασματοσκοπία Συνολική χωρητικότητα ανιχνευτή: 0,56 lit Βάρος: 4,5 κιλά Ευαισθησία του ανιχνευτή: 1cpm (counts per minute) στα 20 Bq/m 3 Eύρος των συγκεντρώσεων ραδονίου που μετρούνται : -κάτω όριο: <2 Bq/m 3 -πάνω όριο: 2.000.000 Bq/m 3 Συνθήκες λειτουργίας και όρια: Θερμοκρασία -10 +50 ο C Ατμοσφαιρική πίεση 700 1100 Mbar Υγρασία 0 95 %Rh Πίνακας 4.1.1: Συνθήκες λειτουργίας και όρια του μετρητή Alphaguard Χρόνος λειτουργίας με εσωτερική μπαταρία: 10 ημέρες Χωρητικότητα πληροφοριών: 20 ημέρες για κύκλο διάρκειας 10 min 4 μήνες για κύκλο διάρκειας 60 min Χρόνος κύκλου μετρήσεων: καθορίζεται από τον χρήστη σε 10 ή 60 λεπτά Σφάλμα μικρότερο του 3% Οθόνη υγρών κρυστάλλων με απεικόνιση 2 γραμμών 20 χαρακτήρες 32

Η οθόνη απεικονίζει τις τιμές διαφόρων μεγεθών. Στην πρώτη γραμμή δίνεται η μετρούμενη τιμή της συγκέντρωσης ραδονίου σε Bq/m 3. Στη δεύτερη γραμμή δίνονται: α) η θερμοκρασία του αέρα σε o C β) η σχετική υγρασία σε % rh γ) η βαρομετρική πίεση σε mbar. Τα κουμπιά που αναγράφονται είναι : 1) ON/OFF 2) MENU 3) CHANGE 4) ACCEPT 4.1.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑLPHAGUARD PQ 2000 Τα μέρη από τα οποία αποτελείται ο ανιχνευτής AlphaGuard PQ 2000 είναι: ο θάλαμος ιονισμού, ο ανιχνευτής Ραδονίου και τα κανάλια ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP). (α) ΘΑΛΑΜΟΣ ΙΟΝΙΣΜΟΥ Εικόνα 4.1.4: Θάλαμος ιονισμού Alphaguard Ο κυλινδρικός θάλαμος ιονισμού (εικόνα 4.1.4) έχει χωρητικότητα 0,56 lit. Όταν το όργανο λειτουργεί το εσωτερικό του μεταλλικό τμήμα βρίσκεται σε μια τάση +750 V. Στον οριζόντιο άξονα βρίσκεται ένα ηλεκτρόδιο με μηδενική τάση. Το κεντρικό αυτό ηλεκτρόδιο συνδέεται με τον υψηλής ευαισθησίας προενισχυτή του οργάνου και τα σήματα που μετρώνται μεταφέρονται σε ένα ηλεκτρονικό δίκτυο, για περαιτέρω ψηφιακή επεξεργασία. 33

(β) ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ Η λειτουργία του ανιχνευτή ραδονίου βασίζεται πάνω στο θάλαμο ιονισμού του οργάνου. Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, ο αέρας διαπερνά το φίλτρο του οργάνου, από το οποίο μόνο το αέριο Rn-222 μπορεί να περάσει. Συγχρόνως, το φίλτρο προστατεύει τον εσωτερικό θάλαμο από τις σκόνες και άλλα ανεπιθύμητα υλικά. (γ) ΚΑΝΑΛΙΑ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΗΜΑΤΟΣ Για την Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος υπάρχουν 3 ανεξάρτητα κανάλια επεξεργασίας σήματος (εικόνα 4.1.5). Το κάθε ένα από αυτά έχει έναν αναλογικό ψηφιακό αντιστροφέα. Το δίκτυο επιτρέπει την στιγμιαία ανάλυση του εισερχόμενου σήματος ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του. Το κανάλι 1 είναι το φασματοσκοπικό κανάλι όπου η ανάλυση του παλμού μας δίνει ένα τρισδιάστατο φάσμα. Στον Χ άξονα υπάρχει κατηγοριοποίηση με βάση την ένταση του παλμού. Στον Υ άξονα δίνεται ο αριθμός των παλμών ανά μονάδα χρόνου και τέλος, ο Ζ άξονας χρησιμοποιείται για να περιγράψει τα σχήματα των παλμών. Το κανάλι 2 ενεργοποιείται στην περίπτωση υψηλών συγκεντρώσεων ραδονίου και χρησιμεύει στη μέτρηση πολύ μικρών ρευμάτων μεγέθους picoampere με υψηλή ακρίβεια ενώ το κανάλι 3 στην περίπτωση εξαιρετικά υψηλών τιμών συγκέντρωσης. Εικόνα 4.1.5 : Κανάλια ψηφιακής επεξεργασίας σήματος Alphaguard 34

4.1.3 ΛEITOYΡΓΙΑ ΤΟΥ ALPHAGUARD PQ 2000 Το AlphaGUARD PQ 2000 είναι μια φορητή συσκευή μέτρησης της συγκέντρωσης ραδονίου και των θυγατρικών του. Χρησιμοποιεί για τη λειτουργία του έναν θάλαμο ιονισμού σε συνδυασμό με DSP τεχνολογία (Digital Signal Processing). Με τη χρήση DSP τεχνολογίας, τα προβλήματα που παρουσιάζονται στις μετρήσεις πολύ μικρών ρευμάτων σε θαλάμους ιονισμού αναιρούνται. Το όργανο αυτό, με τη χρήση περίπλοκων μαθηματικών αλγορίθμων, καταφέρνει να εξάγει πληροφορίες ακόμη και σε σήματα με θόρυβο. Το AlphaGUARD PQ 2000 επιλέγει πιο από τα αποτελέσματα για την συγκέντρωση του Ραδονίου είναι το πιο αξιόπιστο. Κάθε πληροφορία για κάποια τιμή του Ραδονίου είναι το αποτέλεσμα περίπου 50.000.000 αριθμητικών πράξεων. Στην πράξη, η ευαισθησία Θορονίου του AlphaGUARD PQ 2000 βρίσκεται σε ένα εύρος 1 με 10 % σε σχέση με την αντίστοιχη του Ραδονίου. Το μεγαλύτερο επίπεδο Ραδονίου που μπορεί να αναλυθεί από το όργανο είναι ακριβώς 2.000.000 Bq/m 3. Όταν παρουσιαστούν τιμές μεγαλύτερες θα υπάρχει ένδειξη > 2.000.000 Bq/m 3. Οι χαμηλότερες τιμές συγκέντρωσης Ραδονίου που μπορούν να μετρηθούν κυμαίνονται από 0,5 μέχρι 1,0 Bq/m 3. Η κεφαλή του οργάνου, με την κωδική ονομασία TN-WL-02, χρησιμοποιείται για την εγγραφή της συγκέντρωσης των θυγατρικών του ραδονίου. Μια αντλία απορροφά συνεχώς ρεύμα αέρα και τα θυγατρικά του ραδονίου διαχωρίζονται από ένα φίλτρο. Η α ενέργεια των θυγατρικών του ραδονίου μετράται από ένα μικροτσίπ που βρίσκεται απέναντι από το φίλτρο. Έπειτα η α activity μεταφέρεται σαν ΤΤL σήμα στη μονάδα μέτρησης του οργάνου. Το AlphaGUARD PQ 2000 προσδιορίζει την συγκέντρωση των θυγατρικών (mwl) από τους παλμούς που εγγράφονται στο όργανο. Τα αποτελέσματα μπορούν να παρασταθούν και να αναλυθούν από το πρόγραμμα που συνοδεύει το όργανο: AlphaVIEW/-EXPERT. Με το πρόγραμμα αυτό γίνεται μετασχηματισμός της συγκέντρωσης από mwl σε Bq/m 3. 35

4.1.4 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Παρακάτω παρατίθενται διάφοροι περιβαλλοντικοί και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια των μετρήσεών μας. Παράγοντας που Επηρεάζεται Ατμοσφαιρική πίεση Θερμοκρασία Αλλαγή που επιφέρει Μεταβολή πυκνότηταςαέρα Μεταβολή πυκνότητας Αέρα Σημασία της αλλαγής Μικρή Μικρή Υγρασία Παράσιτα ρεύματα Καμία Ακουστικός θόρυβος Μικροφωνισμοί Καμία Τάση πόλων Ευαισθησία Αρκετά σημαντική Βλάβη προενισχυτή Παλμοί Σοβαρή Μόλυνση ανιχνευτή Pb-210, Po-210 Μικρή Πίνακας 4.1.4: Παράγοντες που επηρεάζουν τις μετρήσεις στον μετρητή Alphaguard 4.2. MΕΤΡΗΤΗΣ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΡΑΔΟΝΙΟΥ-ΘΟΡΟΝΙΟΥ (SILENA) 4.2.1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΕΤΡΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ Ο μετρητής αυτός αποτελείται από τα παρακάτω τμήματα: Οθόνη υγρών κρυστάλλων ( 2 γραμμές x 16 χαρακτήρες ) Πληκτρολόγιο Αντλία αέρα για ελεγχόμενη ροή αέρα 3 λίτρων ανά λεπτό (ρυθμίζεται ηλεκτρονικά) Φίλτρο αέρα διαμέτρου 25 mm που έχει πόρους 0,8 mm 36

Ανιχνευτή πυριτίου για την καταμέτρηση της ακτινοβολίας των εκπεμπόμενων σωματιδίων α Μνήμη με δυνατότητα αποθήκευσης ως και 120 μετρήσεων Σειριακή θύρα για τη μεταφορά των δεδομένων της μνήμης στον υπολογιστή ή απευθείας στον εκτυπωτή Θάλαμο κενού Μονάδα υψηλής τάσης για πόλωση του ανιχνευτή Εσωτερικό ρολόι για την ημερομηνία και ώρα μέτρησης Διαστάσεις 42 Χ 40 Χ 15 cm Βάρος 10 Kg Λειτουργία 220 Volt 50 Hz Εναλλακτικά 16 μπαταρίες τύπου IECLR14 1,5 Volt Πίνακας 4.2.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά του μετρητή Silena Εικόνα 4.2.1 Mετρητής θυγατρικών ραδονίου-θορονίου Silena 37

4.2.2. ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΕ ΤΟΝ SILENA Η διαδικασία μέτρησης ξεκινά με την άντληση δείγματος αέρα. Έπειτα έχουμε στο θάλαμο δημιουργία κενού και ενεργοποίηση της υψηλής τάσης που σημάνει την έναρξη της περιόδου καταμέτρησης της α ακτινοβολίας. Τα α σωματίδια δημιουργούν παλμούς ανάλογους των ενεργειών τους, οι οποίοι εισάγονται στην είσοδο ενός προενισχυτή χαμηλού θορύβου. Τα σωματίδια κατανέμονται από έναν διαχωριστή τεσσάρων καναλιών σε 4 ενεργειακά παράθυρα: Παράθυρα Κάτω όριο Άνω όριο Σωματίδια 1ο παράθυρο 4,92 MeV 6,2 MeV Po - 218 και Bi 212 2ο παράθυρο 6,2 MeV 6,75 MeV Rn 219 3ο παράθυρο 6,75 MeV 8,15 MeV Po 214 4ο παράθυρο 8,15 MeV 9,8 MeV Po 212 Πίνακας 4.2.2: Ενεργειακά παράθυρα μετρητή Silena Oι παλμοί (χτύποι) από κάθε κανάλι αποθηκεύονται σε 8 καταμετρητές (Ε0 ως Ε7).Το software του καταμετρητή επεξεργάζεται τις τιμές των καταμετρητών και μας δίνει τελικά τα WL (Working Level) Ραδονίου Θορονίου και τις συγκεντρώσεις των θυγατρικών τους σε Bq/m 3. Η ισοδύναμη συγκέντρωση ισορροπίας του Ραδονίου και του Θορονίου (EEC) είναι αυτή η συγκέντρωση Ραδονίου και Θορονίου αντίστοιχα, που βρίσκεται σε ραδιενεργή ισορροπία με τα βραχύβια θυγατρικά τους, τα οποία έχουν την ίδια συγκέντρωση δυναμικής ενέργειας α με το πραγματικό μη ισορροπημένο μίγμα. Tο όργανο όπως προαναφέρθηκε παρέχει την δυνατότητα επιλογής ανάμεσα σε τρεις κύκλους μέτρησης ανάλογα με το τι προέχει στην μέτρησή μας: α) Ταχύτητα ή β) Ακρίβεια. Ο κύκλος που επιλέχθηκε για τις μετρήσεις μας ήταν τέτοιος έτσι ώστε να έχουμε καλύτερη ποιότητα μέτρησης και για να μετρήσουμε το ραδόνιο και τα θυγατρικά του, εφόσον δεν μας ενδιαφέρει το θορόνιο. Η μέτρηση μας ακολουθεί τα παρακάτω βήματα: 38

15 λεπτά άντληση δείγματος αέρα 25 δευτερόλεπτα για δημιουργία κενού 5 λεπτά μετά τη δημιουργία κενού ο ανιχνευτής αρχίζει να μετράει πρώτη περίοδος μέτρησης 20 λεπτών (συμπεριλαμβανομένων των παραπάνω 5 λεπτών) αναμονή 10 λεπτών δεύτερη περίοδος μέτρησης 20 λεπτών ( για το 2 ο,3 ο και 4 ο παράθυρο) Τέλος κύκλου Κατά την διάρκεια αυτού του κύκλου έχουμε : 3.05 min για την μέτρηση του Po-218 26.8 min για τη μέτρηση του Pb-214 19.7 min για τη μέτρηση του Bi-214 Με αυτόν τον τρόπο έχουμε την δυνατότητα να παίρνουμε στα αποτελέσματά μας τη συγκέντρωση Ραδονίου σε WL και των 3 θυγατρικών του σε Bq/m 3, καθώς και τις τυπικές αποκλίσεις όλων των προηγούμενων τιμών. Ένα WL ορίζεται σαν τη συγκέντρωση εν δυνάμει α- ενέργειας 1,3. 10 5 MeV. lit -1 στον αέρα. Ένα WL ανταποκρίνεται ακριβώς στη συγκέντρωση εν δυνάμει α-ενέργειας των «μικρού χρόνου ημιζωής» θυγατρικών του ραδονίου στον αέρα, τα οποία είναι σε ραδιενεργή ισορροπία με μια συγκέντρωση ραδονίου 3,7 kbq. m -3. Η έκθεση στην ακτινοβολία ενός ατόμου στο ραδόνιο και στα θυγατρικά του, είναι το χρονικό ολοκλήρωμα της συγκέντρωσης ραδιενέργειας του ραδονίου στην οποία εκτίθεται το άτομο για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Η μονάδα που χρησιμοποιείται εδώ είναι το Bq. m -3. Μια τυπική εικόνα των μεγεθών της εκτύπωσης είναι η παρακάτω: WLR = WL Ραδονίου QRA =... 218 Po σε Bq/m 3 QRB = 214 Pb σε Bq/m 3 QRC =... 214 Bi σε Bq/m 3 SWLR =...Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης WLR 39

SQRA =...Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης QRA SQRB =...Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης QRB SQRC = Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης QRC 0 7 = Περιεχόμενα καταμετρητών Τα θυγατρικά του Ραδονίου όπως φαίνεται και παραπάνω είναι τα Po-218, Pb-214 και Bi- 214 (δίπλα αναγράφονται οι χρόνοι υποδιπλασιασμού του καθενός): QRA Po 218 t1/2 = 3,05 min QRB Pb 214 t1/2 = 26,8 min QRC Bi - 214 t1/2 = 19,7 min 40

4.3 ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΥΠΕΡΚΑΘΑΡΟΥ ΓΕΡΜΑΝΙΟΥ ΗPGe Ο ανιχνευτής που χρησιμοποιήθηκε για να πάρουμε τα πειραματικά δεδομένα που είναι απαραίτητα για αυτή την εργασία είναι το μοντέλο EGPC 50-210-R της εταιρίας Eurisys Mesures, ο οποίος φαίνεται παρακάτω, και είναι εγκατεστημένος στο εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διπλωματική για την μέτρηση των θυγατρικών του ραδονίου, βασίζεται στην χρησιμοποίηση ενός δειγματολήπτη που απορροφά ένα δείγμα αέρα, το οποίο συλλέγεται σε ένα φίλτρο. Έπειτα, χρησιμοποιώντας γ φασματοσκοπία μετράμε την συγκέντρωση των θυγατρικών που συλλέγονται κατά τη διάρκεια της απορρόφησή τους στο φίλτρο μέσω του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου. Εικόνα 4.3.1: Ανιχνευτής υπερκαθαρού γερμανίου της εταιρίας EURISYS MESURES (εξωτερική όψη) 41

Εικόνα 4.3.1:Ανιχνευτής υπερκαθαρού γερμανίου της εταιρίας EURISYS MESURES (εσωτερική όψη) Για να γίνει μια μέτρηση στον ανιχνευτή πρέπει να εισάγουμε το προς μέτρηση υλικό σε αυτόν και στη συνέχεια με χρήση του κατάλληλου προγράμματος στον υπολογιστή (Assayer) προκύπτει ένα φάσμα όπως το παρακάτω. Εικόνα 4.3.2: Φάσμα που προκύπτει για τον ανιχνευτή γερμανίου 42

Χρησιμοποιώντας κάποιες από τις εντολές του προγράμματος λαμβάνουμε ένα αρχείο από το οποίο, για την παρούσα εργασία, χρειάζονται οι ενέργειες που παρουσιάζονται περισσότερες κρούσεις (οι αιχμές που φαίνονται στο παραπάνω σχήμα) και ο αντίστοιχος αριθμός των κρούσεων. Παρακάτω φαίνεται ένα αρχείο που προέκυψε από τις μετρήσεις μας: Εικόνα 4.3.3: Αρχείο εξόδου μέτρησης για τον ανιχνευτή γερμανίου EGPC 50-210-R Συνοπτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ανιχνευτή παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα: Ομοαξονικός ανιχνευτής γερμανίουegpc 50-210-R Υψηλή τάση λειτουργίας: 3500 V Ενέργεια 122keV 1332keV Απόδοση σε kev 0,75 1,75 Σχετική απόδοση στα 1332keV - 0,5 Πίνακας 4.3.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά Silena 43

4.3.1 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Τα φορτισμένα σωματίδια ιοντίζουν άμεσα την ύλη, ενώ τα νετρόνια και τα φωτόνια προκαλούν έμμεσα ιονισμό. Έτσι, τα σωματίδια της ραδιενεργού ακτινοβολίας, ανιχνεύονται από τον ιοντισμό που προκαλούν στην ύλη ή από την διέγερση που προκαλούν στα ηλεκτρόνια κρυσταλλικών υλικών. Η τελευταία περίπτωση αποτελεί την βάση της λειτουργίας των ανιχνευτών στερεάς κατάστασης. Σε αυτή την ευρύτερη οικογένεια ανιχνευτών ανήκουν και οι ημιαγωγοί ανιχνευτές, όπως ο ανιχνευτής Υπερκαθαρού Γερμανίου. Ο ιονισμός του υλικού του ανιχνευτή συνεπάγεται την εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων, η συλλογή των οποίων, με εφαρμογή κατάλληλων ηλεκτρικών πεδίων, αποτελεί το σήμα ανίχνευσης του σωματιδίου που προκάλεσε άμεσα ή έμμεσα τον ιονισμό. Οι ημιαγωγοί ανιχνευτές κατασκευάζονται συνήθως από πυρίτιο (Si) ή γερμάνιο(ge). Οι απολύτως καθαροί ημιαγωγοί, που είναι δηλαδή χωρίς την παραμικρή πρόσμιξη, ονομάζονται ενδογενείς ημιαγωγοί. Σε αυτούς όλα τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας προκύπτουν από θερμική διέγερση, εφόσον δεν έχουν παραχθεί από αλληλεπίδραση με ιοντίζουσες ακτινοβολίες. Εφόσον κάθε ηλεκτρόνιο που διεγείρεται στη ζώνη αγωγιμότητας αφήνει πίσω του μία θετική οπή, έπεται ότι στους ενδογενείς ημιαγωγούς η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι ίση με την πυκνότητα των οπών. Όπως φαίνεται από τη σχέση: p(t)=ct 3/2 e Eg 2kT όπου Τ η απόλυτη θερμοκρασία του κρυστάλλου, k η σταθερά του Boltzmann, C η 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. Σε θερμοκρασία δωματίου, οι πυκνότητες αυτές είναι 2,4 10 13 cm -3 στο γερμάνιο και 1,5 10 10 cm -3 στο πυρίτιο. Στην ηλεκτρική αγωγιμότητα συμβάλλουν τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές. Είναι αδύνατον να παρασκευασθούν ενδογενείς ημιαγωγοί γιατί τα πραγματικά υλικά περιέχουν πάντα πολύ μικρές ποσότητες προσμίξεων, που καθορίζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών. Έτσι, διακρίνουμε δυο τύπους ημιαγωγών, τους ημιαγωγούς τύπου-n, στους οποίους η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθορίζεται σχεδόν αποκλειστικά από τα ηλεκτρόνια και τους τύπου-p, όπου εκεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθορίζεται από την ροή των οπών. Η αρχή λειτουργίας των υπερκαθαρών ανιχνευτών στηρίζεται πάνω στη λειτουργία της επαφής (ζέυξης) p-n, όπου έχουμε την τέλεια επαφή ημιαγωγών τύπου p και ημιαγωγών τύπου n. 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 44

δεξιά, όπου ευρίσκεται 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 τύπου-p. Η έξοδος των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας από τον κρύσταλλο τύπο-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 θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται στον κρύσταλλο τύπου-p συνδυάζονται γρήγορα με οπές και συλλαμβάνονται από κάποιες από τις κενές θέσεις σθένους στον κρύσταλλο 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 ηλεκτρονικό 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) στο χώρο. 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 δεν συμβάλλουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα, η περιοχή απεμπλουτισμού έχει μεγάλη ειδική ηλεκτρική αντίσταση σε σχέση με τις γειτονικές της περιοχές. Το δυναμικό Vc της επαφής της 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 45

δυναμικό Vc=1Volt είναι ανεπαρκές για να προκληθεί γρήγορη κίνηση των φορτίων. 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 ηλεκτρονίων-οπών από αλληλεπίδραση ιοντίζοντος σωματιδίου έξω από την απεμπλουτισμένη περιοχή δεν θα δώσει σήμα, διότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου εκεί είναι μηδενική και τα ηλεκτρόνια-οπές θα επανασυνδεθούν, επομένως, θέλουμε όσο μεγαλύτερη γίνεται περιοχή απεμπλουτισμού. Σε μονοδιάστατο πρόβλημα αποδεικνύεται ότι το πάχος d της απεμπλουτισμένης περιοχής είναι ανάλογο της τετραγωνικής ρίζας του λόγου V/N, όπου V η τάση αντίστροφης πόλωσης και Ν η πυκνότητα προσμίξεων στον ημιαγωγό. Πολλοί ανιχνευτές λειτουργούν με τάσεις αντίστροφης πόλωσης τόσο μεγάλες, ώστε η περιοχή απεμπλουτισμού εκτείνεται σε ολόκληρο τον όγκο του 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 μειώσεις έχουν επιτευχθεί μόνο σε κρυστάλλους γερμανίου, όπου πραγματοποιούνται προσμίξεις της τάξης 10 10 άτομα ανά cm 3 που αντιστοιχούν σε επίπεδα μικρότερα του ενός ατόμου πρόσμιξης ανά 10 12 άτομα του κρυστάλλου. Ανιχνευτές κατασκευασμένοι από τέτοιο υπερκαθαρό γερμάνιο ονομάζονται ενδογενείς ανιχνευτές γερμανίου ή ανιχνευτές γερμανίου υψηλής καθαρότητας (HPGe). Τέτοιοι ανιχνευτές 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 (Full Width Half Maximum) από 0,8 ως 1,2 kev για φωτόνια 122 kev και από 1,7 ως 2,3 kev για φωτόνια 1333 kev. 46

Εικόνα 4.3.1: (α) ζεύξη p-n, (β) δεσμευμένα ηλεκτρικά φορτία q(x), (γ) ηλεκτρικό δυναμικό V(x) και (δ) ένταση του ηλεκτρικού πεδίου E(x). 4.3.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ -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 η τομή της ευαίσθητης περιοχής του, που είναι κάθετη προς την διεύθυνση, κατά την οποία επιτρέπεται η είσοδος των φωτονίων στον ανιχνευτή. 47

-Ρεύμα διαρροής Χαρακτηρίζεται το ρεύμα που διαρρέει τον ανιχνευτή, όταν σ' αυτόν έχει εφαρμοστεί η τάση λειτουργίας και δεν είναι εκτεθειμένος σε ακτινοβολία. Αποτελείται από δυο συνιστώσες. Η μια 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 δυο φωτόνια με παραπλήσιες ενέργειες και βέβαια όσο μικρότερο είναι το μέγεθος R που την ορίζει τόσο καλύτερη είναι αυτή η διάκριση. R = (ΣRi 2 ) 0,5 Όπου Ri οφείλεται σε διάφορους παράγοντες όπως, η στατιστικότητα του φαινομένου της δημιουργίας οπών και ηλεκτρονίων, ο θόρυβος του ανιχνευτή και του ενισχυτή, η ανομοιογένεια του κρυσταλλικού πλέγματος του ημιαγωγού, το μη σταθερό εύρος της περιοχής, η ποικιλία των γωνιών πρόσπτωσης των σωματιδίων και το μεταβλητό πλάτος του παραθύρου από την μία θέση στην άλλη. Η διαφορετική διακριτική ικανότητα δύο ανιχνευτών φαίνεται χαρακτηριστικά αν συγκριθούν ένας ανιχνευτής NaI (TI) με ένα HPGe. Η πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα του HPGe φαίνεται π.χ. 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. 48

Σχήμα 4.3.2: γ-φάσμα Εu 152. Το επάνω φάσμα με ανιχνευτή NaI (TI), το κάτω φάσμα με ανιχνευτή HPGE -Απόδοση του ανιχνευτή Όταν ένα σωματίδιο εισέρχεται στον ανιχνευτή υπάρχει πεπερασμένη πιθανότητα το σωματίδιο αυτό να διασχίσει τον ανιχνευτή και να εξέλθει από αυτόν χωρίς αλληλεπίδραση με το υλικό του ανιχνευτή. Ορίζεται ως εσωτερική απόδοση το μέγεθος: Ε int = αριθμός παλμών που μετρήθηκαν ρυθμός των σωματιδίων που προσπίπτουν στον ανιχνευτή Η Ε int εξαρτάται από το υλικό και τις διαστάσεις του ανιχνευτή καθώς και από το είδος και την ενέργεια του σωματιδίου. Στη διαδικασία της ανίχνευσης δεν προσπίπτουν στον ανιχνευτή όλα τα σωματίδια που εκπέμπονται από την πηγή. 49

Ορίζεται ως απόλυτη απόδοση της μέτρησης το μέγεθος: E abs = αριθμός παλμών που μετρήθηκαν αριθμός σωματιδίων που εκπέμπονται απο την πηγή Η απόλυτη απόδοση του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου Ε abs εξαρτάται όχι μόνο από τα χαρακτηριστικά του ανιχνευτή, εν προκειμένω από την εσωτερική απόδοση Ε int, αλλά και από τη γεωμετρία της διάταξης της μέτρησης, διότι στις περισσότερες διατάξεις μέτρησης ένα ποσοστό μόνο των εκπεμπόμενων από την πηγή σωματιδίων προσπίπτει στον ανιχνευτή επειδή οι πηγές που χρησιμοποιήσαμε εκπέμπουν ισοτροπικά. Στη συγκεκριμένη διπλωματική μας ενδιαφέρει η απόλυτη απόδοση. 50

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 5.1. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΧΩΡΟΥΣ ΤΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ Οι μετρήσεις έγιναν στον χώρο της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κατά το χρονικό διάστημα Μαΐου-Νοεμβρίου του 2014.Συγκεκριμένα, διεξήχθησαν μετρήσεις σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες. Η μία έγινε στην ταράτσα του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής σχολής του Α.Π.Θ. όπου βρίσκεται εγκατεστημένη η αντλία αέρα ενώ η δεύτερη ακριβώς έξω από το εργαστήριο πυρηνικής τεχνολογίας του Α.Π.Θ. Παρακάτω παρατίθενται τα αποτελέσματα των μετρήσεων για το κάθε όργανο ξεχωριστά. Στην εικόνα 5.1.1 φαίνονται και τα τρία όργανα που χρησιμοποιήσαμε στην ταράτσα δηλαδή την αντλία, τον Alphaguard και τον Silena ενώ στην εικόνα 5.1.2 έχουμε μόνο τον Alphaguard και τον Silena έξω από το εργαστήριο. Εικόνα 5.1.1: Τυπική εικόνα των μετρήσεων μας όπου βρίσκεται η αντλία αέρα, ο Alphaguardκαι ο Silenaστην ταράτσα της πολυτεχνικής σχολής 51

Εικόνα 5.1.2: Ο Alphaguard και ο Silena έξω από το εργαστήριο πυρηνικής τεχνολογίας 5.2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ALPHAGUARD Μετρήσεις στην ταράτσα Οι μετρήσεις με το όργανο Alphaguard έγιναν στην ταράτσα του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής στις παρακάτω ημερομηνίες, προσπαθώντας τα κρατήσουμε ένα εύλογο διάστημα διακύμανσης των μετρήσεων τόσο όσον αφορά τις μετρήσεις ανά εβδομάδα αλλά και όσον αφορά την ώρα την οποία γίνονταν οι μετρήσεις. Από αυτές λαμβάναμε τη συγκέντρωση του Ραδονίου σε Bq/m 3. Το χρονικό διάστημα μέτρησης ήταν 65 λεπτά. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι συγκέντρωσης του Ραδονίου σε Bq/m 3 καθώς και οι ημερομηνίες που διεξήχθησαν οι παρακάτω μετρήσεις. 52

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Alphaguard Bq/m 3 ± 3/5/2014 19,375-7/5/2014 19,5-9/5/2014 13,5714-21/6/2014 10 6 8/7/2014 8,5 5 17/7/2014 10 9 21/7/2014 20 10 28/7/2014 13 9 7/8/2014 12 3 11/8/2014 12 2 14/8/2014 11 2 25/8/2014 10 2 1/9/2014 10 4 5/9/2014 13 7 28/9/2014 14 7 14/10/2014 12 9 21/10/2014 14 7 29/10/2014 10 10 3/11/2014 15 10 5/11/2014 12 5 11/11/2014 20 10 15/11/2014 18 12 20/11/2014 10 5 25/11/2014 15 7 Πίνακας 5.2.1: Αποτελέσματα μετρήσεων με τον Alphaguard στην ταράτσα της πολυτεχνικής σχολής 53

Στο διάγραμμα 5.2.1 φαίνεται η κατανομή όλων των μετρήσεων. Από τον πίνακα παραπάνω προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή της συγκέντρωσης είναι 20 Bq/m 3, η ελάχιστη 8,5 Bq/m 3 ενώ η μέση τιμή για το σύνολο των μετρήσεων είναι 13,41 Bq/m 3. 25 Rn-222 Alphaguard 20 Bq/m3 15 10 5 0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνία Διάγραμμα 5.2.1: Κατανομή της συγκέντρωσης του ραδονίου με τον μετρητή Alphaguard Μετρήσεις έξω από το εργαστήριο πυρηνικής τεχνολογίας του Α.Π.Θ. Κατά το ίδιο χρονικό διάστημα πραγματοποιήσαμε μετρήσεις και έξω από το εργαστήριο πυρηνικής τεχνολογίας του Α.Π.Θ. Οι μετρήσεις με το όργανο Alphaguard έγιναν στις παρακάτω ημερομηνίες και από αυτές λαμβάναμε τη συγκέντρωση του Ραδονίου σε Bq/m 3. Το χρονικό διάστημα μέτρησης ήταν πάλι 65 λεπτά. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι συγκέντρωσης του Ραδονίου σε Bq/m 3 καθώς και οι ημερομηνίες που διεξήχθησαν οι παρακάτω μετρήσεις, οι οποίες ήταν πυκνότερες από ότι στην ταράτσα. 54

Alphaguard ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Bq/m 3 4/5/2014 25,0 7/5/2014 40,0 15/5/2014 19,0 17/5/2014 18,0 19/5/2014 18,0 21/5/2014 15,0 22/5/2014 18,0 24/5/2014 17,0 26/5/2014 13,0 27/5/2014 10,0 28/5/2014 15,0 29/5/2014 18,0 31/5/2014 17,0 2/6/2014 8,0 12/6/2014 10,0 13/6/2014 10,0 19/6/2014 25,0 25/6/2014 15,0 30/6/2014 11,0 2/7/2014 9,0 5/7/2014 18,0 6/7/2014 12,0 7/7/2014 9,0 8/7/2014 17,0 9/7/2014 12,0 10/7/2014 9,0 13/7/2014 20,0 14/7/2014 15,0 15/7/2014 12,0 55

17/7/2014 13,0 19/7/2014 13,0 21/7/2014 13,0 25/7/2014 12,0 28/7/2014 13,0 30/7/2014 19,0 5/8/2014 23,0 6/8/2014 20,0 8/8/2014 25,0 9/8/2014 21,0 3/9/2014 15,0 10/9/2014 20,0 12/9/2014 14,0 17/9/2014 9,0 22/9/2014 17,0 23/9/2014 15,0 24/9/2014 17,0 25/9/2014 17,0 29/9/2014 15,0 30/9/2014 15,0 1/10/2014 17,0 2/10/2014 18,0 3/10/2014 18,0 4/10/2014 20,0 5/10/2014 20,0 6/10/2014 19,0 7/10/2014 16,0 8/10/2014 12,0 9/10/2014 7,0 10/10/2014 20,0 11/10/2014 13,0 56

12/10/2014 19,0 13/10/2014 18,0 14/10/2014 20,0 15/10/2014 20,0 16/10/2014 20,0 17/10/2014 17,0 18/10/2014 10,0 19/10/2014 13,0 20/10/2014 13,0 22/10/2014 20,0 23/10/2014 10,0 24/10/2014 15,0 25/10/2014 15,0 7/11/2014 10,0 10/11/2014 13,0 Πίνακας 5.2.2: Αποτελέσματα μετρήσεων με τον Alphaguard έξω από το εργαστήριο πυρηνικής τεχνολογίας του Α.Π.Θ. Στο διάγραμμα 5.2.2 φαίνεται η κατανομή όλων των μετρήσεων. Από τον πίνακα παραπάνω προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή της συγκέντρωσης είναι 40 Bq/m 3, η ελάχιστη 7 Bq/m 3 ενώ η μέση τιμή για το σύνολο των μετρήσεων είναι 15,9 Bq/m 3. 57

Bq/m3 45.0 Rn-222 Alphaguard 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.2.2: Κατανομή της συγκέντρωσης του ραδονίου με τον μετρητή Alphaguard έξω από τον χώρο του εργαστηρίου 5.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΟN SILENA Μετρήσεις στην ταράτσα Με το όργανο Silena μετρήθηκαν οι συγκεντρώσεις του Ραδονίου και των θυγατρικών στην ταράτσα του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής. O κύκλος των μετρήσεων διαρκούσε 65 λεπτά, από τα οποία 15 λεπτά γινόταν η άντληση δείγματος αέρα και μέσα στα επόμενα 50 ολοκληρωνόταν ο κύκλος των μετρήσεων.οι μετρήσεις ήταν οι παρακάτω: 58

ΗΜΕΡΑ WLR %WLR QRA QRB QRC %QRA %QRB Po-218 Pb-214 Bi-214 %QRC 3/5/2014 0,000868 55,8 0,79 118,5 2,3 63,1 5,26 28,6 21/6/2014 0,000822 69,4 7,43 38,7 1,35 103,3 4,27 32,1 8/7/2014 0,000828 49 5,42 45,2 2,67 53,6 3,07 43,9 17/7/2014 0,000896 47,8 5,36 45,5 2,66 55,8 3,79 37,6 21/7/2014 0,001293 47,5 2,61 65,1 7,21 25,7 2,29 72,3 28/7/2014 0,002567 28,2 16,47 26 7,81 32,2 10,29 23,3 7/8/2014 0,001684 34,1 9,28 34,6 6,85 30,2 4,82 39,4 11/8/2014 0,001397 53,6 5,17 46,3 2,28 79,6 9,33 20,5 14/8/2014 0,001423 36,5 3,75 54,4 6,37 30 4,41 40,6 25/8/2014 0,001062 44,6 7,02 39,8 4,34 37,8 2,69 55,2 1/9/2014 0,00223 31,8 9,52 34,2 5,83 40 11,56 20,2 5/9/2014 0,000971 47,4 8,66 35,8 3,25 47,8 2,81 50,1 28/9/2014 0,0024 28,1 12 30,5 9,52 29,9 7,55 30,4 14/10/2014 0,001311 40,6 7,58 38,3 5,73 32 3,11 53,2 21/10/2014 0,001759 36,3 10,74 32,2 7,86 27,1 3,79 50,1 29/10/2014 0,003399 24 19,16 24,1 10,77 27 13,78 20,2 3/11/2014 0,001493 35,6 5,49 45 6,44 30,3 4,53 40,2 5/11/2014 0,002029 30,5 9,09 35 6,77 33,2 8,41 25,8 11/11/2014 0,000834 50,3 3,13 59,5 3,95 37,1 2,03 65,9 15/11/2014 0,00085 26,8 2,953 55,5 3,394 48 2,68 55 22/11/2014 0,002356 39,1 5,01 47,8 6,31 32 13,01 24,1 25/11/2014 0,002664 35,5 10,95 40,1 7,475 43,4 12,79 23,4 Πίνακας 5.3.1: Αποτελέσματα μετρήσεων με τον Silena στην ταράτσα της πολυτεχνικής σχολής Όπου όπως προαναφέρθηκε: WLR = Working Level Ραδονίου QRA =... 218 Po σε Bq/m 3 QRB = 214 Pb σε Bq/m 3 59

QRC =... 214 Bi σε Bq/m 3 SWLR =...Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης WLR SQRA =...Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης QRA SQRB =...Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης QRB SQRC = Ποσοστό (%) απόκλισης μέτρησης QRC Στα παρακάτω διαγράμματα, φαίνεται η κατανομή των συγκεντρώσεων του Ραδονίου και των θυγατρικών του, όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα. Συγκεκριμένα: Στο πρώτο διάγραμμα έχουμε την κατανομή των συγκεντρώσεων του 218 Po σε Bq/m 3. 25 Po-218 Po-218 σε Bq/m3 20 15 10 5 0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.3.1:Κατανομή της συγκέντρωσης του Po-218 με τον Silena Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, οι μέγιστες, ελάχιστες και μέσες τιμές του 218 Po όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα είναι: μέγιστη 19,16 Bq/m 3, ελάχιστη 0,79 Bq/m 3, μέση συνολική 7,62 Bq/m 3. 60

Στο δεύτερο διάγραμμα έχουμε την κατανομή των συγκεντρώσεων του 214 Pb σε Bq/m 3. 12 Pb-214 Pb-214 σε Bq/m3 10 8 6 4 2 0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.3.2:Kατανομή της συγκέντρωσης του Pb-214 με τον Silena Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, οι μέγιστες, ελάχιστες και μέσες τιμές του 214 Pb όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα είναι: μέγιστη 10,77 Bq/m 3, ελάχιστη 1,35 Bq/m 3, μέση συνολική 5,5 Bq/m 3. Στο τρίτο διάγραμμα έχουμε την κατανομή των συγκεντρώσεων του 214 Bi σε Bq/m 3. Bi-214 σε Bq/m3 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Bi-214 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.3.3:Kατανομή της συγκέντρωσης του Bi-214 με τον Silena 61

Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, οι μέγιστες, ελάχιστες και μέσες τιμές του 214 Bi όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα είναι: μέγιστη 13,78 Bq/m 3, ελάχιστη 2,03 Bq/m 3, μέση συνολική 6,2 Bq/m 3. Tα συνοπτικά στατιστικά στοιχεία που προκύπτουν, συμπεριλαμβανομένου της μέσης, μέγιστης και ελάχιστης τιμής για το Po-218, Pb-214 και Bi-214 φαίνονται τον παρακάτω πίνακα: Po-218 Pb-214 Bi-214 Μέση τιμή 7,62 10,77 6,2 Τυπικό σφάλμα 0,95 0,54 0,83 Μέση απόκλιση 4,46 2,53 3,91 Διακύμανση 19,88 6,41 15,3 Μέγιστη τιμή 0,79 5,5 13,78 Ελάχιστη τιμή 19,16 1,35 2,03 Πίνακας 5.3.2: Στατιστικά στοιχεία Po-218,Pb-214, Bi-214 με τον Silena στην ταράτσα Παρακάτω παρατίθενται συνολικά τα ιστογράμματα για το Po-218 το Pb-214 και το Bi-214 ώστε να έχουμε μια συνολική εικόνα των συγκεντρώσεων των θυγατρικών του ραδονίου: 62

Συχνότητα Συχνότητα Συχνότητα Po-218 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 Bq/m 3 Pb-214 10 8 6 4 2 0 0 10 Bq/m 3 Bi-214 12 10 8 6 4 2 0 0 10 Bq/m 3 Διάγραμμα 5.3.5: Ιστογράμματα Po-218, Pb-214 και Βi-214 63

Μετρήσεις έξω από το εργαστήριο πυρηνικής τεχνολογίας του Α.Π.Θ. Με το όργανο Silena μετρήθηκαν οι συγκεντρώσεις του Ραδονίου και των θυγατρικών του έξω από το εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας του Α.Π.Θ. O κύκλος των μετρήσεων διαρκούσε και εδώ 65 λεπτά, από τα οποία 15 λεπτά γινόταν η άντληση δείγματος αέρα και μέσα στα επόμενα 50 ολοκληρωνόταν ο κύκλος των μετρήσεων. Οι μετρήσεις ήταν οι παρακάτω: ΗΜΕΡΑ WLR QRA Po-218 %QRA QRB Pb-214 %QRB QRC Bi-214 %QRC 4/5/2014 0,0006 0,4 161,3 0,8 145,3 4,7 27,6 7/5/2014 0,0007 2,0 100,0 1,2 120,0 4,0 35,5 15/5/2014 0,0008 5,3 45,6 2,2 62,9 3,4 39,7 17/5/2014 0,0007 6,0 43,0 1,7 78,8 3,0 41,7 19/5/2014 0,002 17,2 25,4 6,5 34,7 6,7 31,0 21/5/2014 0,0021 15,7 26,6 5,8 38,7 8,1 26,1 22/5/2014 0,0034 20,6 23,3 13,7 21,7 10,0 27,3 24/5/2014 0,0007 1,5 85,0 2,7 50,2 3,0 43,2 26/5/2014 0,0009 5,9 43,4 0,1 999,0 7,7 20,4 27/5/2014 0,002 15,7 26,7 3,0 72,4 11,2 19,4 28/5/2014 0,0015 13,1 29,2 4,9 39,4 4,8 37,3 29/5/2014 0,0007 6,4 41,5 1,0 131,5 3,6 34,4 31/5/2014 0,0007 6,4 41,5 1,2 103,6 3,1 38,9 2/6/2014 0,001 8,8 35,5 3,2 48,1 2,8 50,0 12/6/2014 0,0009 8,5 36,1 2,6 58,6 3,3 42,7 13/6/2014 0,0014 3,0 61,4 8,4 22,8 1,2 136,1 19/6/2014 0,0017 12,1 30,3 6,7 30,6 4,1 45,4 25/6/2014 0,0016 11,7 30,9 3,6 54,2 7,8 24,8 30/6/2014 0,0008 3,2 59,1 3,9 37,3 1,8 71,6 2/7/2014 0,0014 5,4 45,2 6,1 30,9 3,9 44,2 5/7/2014 0,0009 2,6 65,1 1,6 90,4 6,2 25,1 6/7/2014 0,0011 5,7 44,2 4,8 35,3 2,9 53,6 7/7/2014 0,0008 0,8 116,2 2,6 59,2 4,0 34,7 64

8/7/2014 0,0025 19,7 23,8 3,5 69,3 14,6 16,8 9/7/2014 0,0012 10,3 32,8 4,8 35,8 2,2 67,5 10/7/2014 0,0009 6,5 41,4 2,3 63,4 3,6 38,2 13/7/2014 0,0017 20,3 41,4 3,6 56,4 6,5 29,0 14/7/2014 0,0017 11,4 35,6 4,9 31,2 6,7 41,5 15/7/2014 0,0006 5,4 45,5 2,4 51,0 1,2 88,9 17/7/2014 0,0023 12,5 29,9 10,7 22,9 5,0 43,6 19/7/2014 0,0017 7,9 37,4 4,3 47,6 9,3 22,3 21/7/2014 0,0012 4,8 47,9 3,1 55,4 6,2 27,4 25/7/2014 0,0024 33,2 18,4 3,4 71,3 10,3 21,7 28/7/2014 0,002 9,8 33,7 8,0 28,1 6,1 34,1 30/7/2014 0,002 7,5 30,2 7,2 38,6 8,4 31,5 5/8/2014 0,0025 6,8 40,3 13,9 18,5 3,9 58,6 6/8/2014 0,0016 8,6 36,0 4,4 45,5 7,7 25,4 8/8/2014 0,0024 8,5 36,1 8,1 30,3 10,6 22,6 9/8/2014 0,0018 10,9 31,9 4,4 47,3 8,7 23,5 3/9/2014 0,0008 5,4 45,4 2,5 56,5 2,9 45,5 10/9/2014 0,0019 6,5 41,4 7,3 30,0 7,3 29,0 12/9/2014 0,0013 10,4 32,8 1,9 94,2 7,6 23,3 17/9/2014 0,0021 14,3 27,9 6,9 33,0 7,5 28,6 22/9/2014 0,0028 13,1 29,2 7,8 33,8 13,9 18,8 23/9/2014 0,0009 1,5 86,0 4,2 36,2 2,0 50,2 24/9/2014 0,0013 6,5 41,3 6,5 28,1 1,9 84,4 25/9/2014 0,001 11,0 31,7 0,9 165,8 5,3 27,7 29/9/2014 0,001 10,5 33,3 9,3 28,6 7,7 24,1 30/9/2014 0,0017 9,1 35,0 6,1 34,4 6,5 30,1 1/10/2014 0,0025 17,5 25,2 10,0 25,1 6,0 37,7 2/10/2014 0,0037 15,3 27,0 14,3 21,4 13,0 22,3 3/10/2014 0,0012 7,9 37,6 5,7 31,3 2,4 66,1 4/10/2014 0,0012 1,9 75,8 4,6 37,4 4,8 35,9 65

5/10/2014 0,0019 5,6 44,7 8,1 27,2 6,2 33,3 6/10/2014 0,0018 7,4 38,8 5,9 35,4 7,5 27,2 7/10/2014 0,0012 3,6 55,3 4,2 40,7 4,8 34,3 8/10/2014 0,0018 12,1 30,2 6,6 32,3 5,7 34,7 9/10/2014 0,0016 9,9 33,6 6,1 32,8 4,6 40,0 10/10/2014 0,003 12,5 29,9 10,2 27,1 12,9 20,1 11/10/2014 0,0019 4,7 48,5 8,1 27,3 6,7 31,3 12/10/2014 0,0012 5,4 45,4 3,8 45,5 5,2 32,2 13/10/2014 0,0031 20,7 23,2 10,6 26,4 10,8 24,2 14/10/2014 0,0018 6,4 41,8 7,5 28,5 5,6 35,2 15/10/2014 0,004 27,1 20,3 14,7 21,6 12,3 23,2 16/10/2014 0,0017 9,2 34,8 6,2 32,5 5,6 34,5 17/10/2014 0,0037 20,1 23,6 12,7 24,0 14,3 20,4 18/10/2014 0,0006 3,2 58,6 2,1 56,8 1,8 62,0 19/10/2014 0,0009 12,2 30,2 1,4 105,4 4,0 34,7 20/10/2014 0,0022 18,7 24,4 4,1 56,8 11,3 50,0 22/10/2014 0,0034 14,7 27,5 12,4 23,7 13,2 21,3 23/10/2014 0,0011 7,4 38,7 4,5 36,8 2,4 61,8 24/10/2014 0,0016 8,5 36,2 5,2 37,4 6,0 31,3 25/10/2014 0,002 15,2 27,0 5,0 43,9 8,5 24,6 7/11/2014 0,002 9,1 35,7 5,1 40,5 7,5 27,8 10/11/2014 0,0024 12,9 29,4 9,7 25,4 6,9 32,8 Πίνακας 5.3.6: Αποτελέσματα μετρήσεων με τον Silena έξω από το εργαστήριο Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνεται η κατανομή των συγκεντρώσεων του Ραδονίου και των θυγατρικών του όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα. Συγκεκριμένα: 66

Pο-218 σε Bq/m3 Στο πρώτο διάγραμμα έχουμε την κατανομή των συγκεντρώσεων του 218 Po σε Bq/m 3. 35.0 Po-218 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.3.5: Κατανομή της συγκέντρωσης του Po-218 με τον Silena Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, οι μέγιστες, ελάχιστες και μέσες τιμές του 218 Po όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα είναι: μέγιστη 33,2Bq/m 3, ελάχιστη 0,4Bq/m 3, μέση συνολική 9,9Bq/m 3. Στο δεύτερο διάγραμμα έχουμε την κατανομή των συγκεντρώσεων του 214 Pb σε Bq/m 3. 67

Βi-214 σε Bq/m3 Pb-214 σε Bq/m3 16.0 Pb-214 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.3.6: Kατανομή της συγκέντρωσης του Pb-214 με τον Silena Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, οι μέγιστες, ελάχιστες και μέσες τιμές του 214 Pb όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα είναι: μέγιστη 14,7 Bq/m 3, ελάχιστη 0,1 Bq/m 3, μέση συνολική 5,6 Bq/m 3 Στο τρίτο διάγραμμα έχουμε την κατανομή των συγκεντρώσεων του 214 Bi σε Bq/m 3. 16.0 Bi-214 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 21/4/2014 10/6/2014 30/7/2014 18/9/2014 7/11/2014 27/12/2014 Ημερομηνίες Διάγραμμα 5.3.7:Kατανομή της συγκέντρωσης του Bi-214 με τον Silena 68

Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, οι μέγιστες, ελάχιστες και μέσες τιμές του 214 Bi όπως προκύπτουν από τις συνολικές μετρήσεις που έγιναν κατά το παραπάνω διάστημα είναι: μέγιστη 14,6 Bq/m 3, ελάχιστη 1,2 Bq/m 3, μέση συνολική 6,3Bq/m 3. Tα συνοπτικά στατιστικά στοιχεία που προκύπτουν, συμπεριλαμβανομένου της μέσης, μέγιστης και ελάχιστης τιμής φαίνονται τον παρακάτω πίνακα: Po-218 Pb-214 Bi-214 Μέση τιμή 9,9 5,6 6,3 Τυπικό σφάλμα 0,71 0,4 0,39 Μέση απόκλιση 6,16 3,5 3,38 Διακύμανση 37,95 12,21 11,46 Μέγιστη τιμή 33,2 14,7 14,6 Ελάχιστη τιμή 0,4 0,1 1,2 εργαστήριο Πίνακας 5.3.7: Στατιστικά στοιχεία Po-218, Pb-214 και Bi-214 από Silena έξω από το Παρακάτω παρατίθενται συνολικά τα ιστογράμματα για το Po-218 το Pb-214 και το Bi-214 ώστε να έχουμε μια συνολική εικόνα των συγκεντρώσεων των θυγατρικών του ραδονίου: 69

Συχνότητα Συχνότητα Συχνότητα Po-218 14 12 10 8 6 4 2 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Po-218 Pb-214 14 12 10 8 6 4 2 0 0 3 6 9 12 15 Pb-214 Bi-214 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Bi-214 Διάγραμμα 5.3.9: Ιστογράμματα Po-218, Pb-214 και Βi-214 70

5.4 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΛΥΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ HPGe Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η απόλυτη απόδοσή του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου Ε abs εξαρτάται όχι μόνο από τα χαρακτηριστικά του, εν προκειμένω από την εσωτερική απόδοση Ε int, αλλά και από τη γεωμετρία της διάταξης της μέτρησης. Αυτό συμβαίνει διότι στις περισσότερες διατάξεις μέτρησης ένα ποσοστό μόνο των εκπεμπόμενων από την πηγή σωματιδίων προσπίπτει στον ανιχνευτή καθώς οι πηγές που χρησιμοποιούμε εκπέμπουν ισοτροπικά. Στην συγκεκριμένη εργασία η γεωμετρία μας είναι το παρακάτω φίλτρο: Εικόνα 5.4.1: Φίλτρο που χρησιμοποιήσαμε στις μετρήσεις μας 71

Εικόνα 5.4.2: Πλάγια όψη του φίλτρου (πάχος 2 χιλιοστά) Η E abs του ανιχνευτή για τη συγκεκριμένη γεωμετρία του φίλτρου έχει υπολογιστεί για τις τρείς παρακάτω ενέργειες και για τα συγκεκριμένα νουκλίδια: Νουκλίδιο kev Eabs Cs-137 661.657 0.03405 I-131 364.49 0.054 Cs-134 795.846 0.025899 Πίνακας 5.4.1: Απόλυτη απόδοση του ανιχνευτή HPGe για συγκεκριμένη γεωμετρία του φίλτρου και συγκεκριμένα νουκλίδια Από τα παραπάνω προκύπτει η εξής γραφική παράσταση: 72

0.06 0.05 0.04 y = 11.057x -0.9 R² = 0.9779 E abs 0.03 0.02 0.01 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 kev Διάγραμμα 5.4.4 : Απόδοση συναρτήσει της ενέργειας Επομένως η E abs που θέλουμε να υπολογίσουμε στην παρούσα διπλωματική δίνεται από τις παρακάτω σχέσεις και είναι συνάρτηση της ενέργειας: y=11,05x -0,9 R 2 =0,977 Έτσι, βρίσκουμε για τις ενέργειες που μας ενδιαφέρουν, δηλαδή για τον Pb-214 την 351,9 kev και για το Bi-214 την 609,3 kev τις αντίστοιχες αποδόσεις. Νουκλίδια Ενέργειες kev Eabs Pb-214 351,9 0,056 Bi-214 609,3 0,034 Πίνακας 5.4.2: Απόλυτη απόδοση του ανιχνευτή HPGe για το Pb-214 και Bi-214 73

Ικανότητα κατακράτησης σωματιδίων σε % 5.5 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΑΤΑΚΡΑΤΗΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ Η απόδοση κατακράτησης σωματιδίων του φίλτρου έχει υπολογιστεί ήδη και απεικονίζεται καλύτερα στο παρακάτω διάγραμμα: 100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 Μέση διάμετρος σωματιδίων σε μm Διάγραμμα 5.4.3: Απόδοση κατακράτησης σωματιδίων του φίλτρου Σύμφωνα με την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε απο τον Δρ.Ελευθεριάδη στο ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ στο φίλτρο για σωματίδια διαμέτρου από 0,01 μm - 10 μm η συνολική απόδοση είναι 41,42%. 74

5.6 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΘΥΓΑΤΡΙΚΩΝ ΤΟΥ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ γ-φασματοσκοπια 5.6.1 ΠΛΗΡΗΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕ ΣΥΝΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΟΥ Po-218 Η μέθοδος που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διπλωματική για την μέτρηση των θυγατρικών του ραδονίου, βασίζεται στην χρησιμοποίηση ενός δειγματολήπτη αέρα που απορροφά ένα δείγμα αέρα το οποίο συλλέγει τα μικροσωματίδια σε ένα φίλτρο και έπειτα, χρησιμοποιώντας γ-φασματοσκοπία μετράμε την συγκέντρωση των θυγατρικών που συλλέγονται από την απορρόφησή τους στο φίλτρο. Ορίζουμε τα παρακάτω: C1,C2,C3 είναι οι συγκεντρώσεις των θυγατρικών του ραδονίου, δηλαδή του Po-218, Pb-214 και Bi-214 (πυρήνες ανά μονάδα όγκου του δείγματος αέρα). Π είναι ο όγκος του αέρα που περνάει μέσα από το φίλτρο ανά μονάδα χρόνου (lt/min) πολλαπλασιασμένος με την απόδοση του φίλτρου που, όπως έχει αναφερθεί παραπάνω, είναι ίση με 0,4142 (41,42%). Ν1, Ν2 και Ν3 είναι ο αριθμός των πυρήνων των Po-218, Pb-214 και Bi-214 αντίστοιχα στο φίλτρο. λ1,λ2 και λ3 είναι οι σταθερές διάσπασης των Po-218, Pb-214 και Bi-214 H επικάθηση των ατόμων των Po-218, Pb-214 και Bi-214 στο φίλτρο μετά την δειγματοληψία αρχίζει την στιγμή t=0 και περιγράφεται από τις ακόλουθες διαφορικές εξισώσεις: dn1 dt = ΠC 1-λ 1 Ν 1 dn2 dt =ΠC 2 -λ 2 Ν 2 + λ 1 Ν 1 dn3 dt = ΠC 3-λ 3 Ν 3 +λ 2 Ν 2 Με αρχικές συνθήκες ίσες με μηδέν γιατί στο φίλτρο αρχικά δεν έχουμε κάποιο θυγατρικό. Οι λύσεις των εξισώσεων αυτών είναι: Ν 1 (t)= ΠC1 λ1 (1-e λ1t ) Ν 2 (t)= Π(C1+C2) (1-e λ2t ) + ΠC1 λ2 λ2 λ1 (e λ2t e λ1t ) 75

Και Ν 3 (t)= Π(C1+C2+C3) λ3 Πλ2C1 (λ2 λ1)(λ3 λ1) (e λ3t e λ1t ) (1 e λ3t ) + Π(λ2C2 λ1c1 λ1c2) (λ2 λ1)(λ3 λ2) (e λ3t e λ2t ) + Τελικά ο αριθμός των πυρήνων όταν το φίλτρο απομακρυνθεί μετά από χρόνο Τ1 θα είναι: Ν 1 0 =Ν 1 (Τ 1 )= ΠC1 λ1 (1-e λ1τ1 ) Ν 0 2 =Ν 2 (Τ 1 )= Π(C1+C2) (1-e λ2τ1 ) + ΠC1 λ2 λ2 λ1 (e λ2τ1 e λ1τ1 ) Ν 3 0= Ν 3 (Τ 1 )= Π(C1+C2+C3) λ3 Πλ2C1 (λ2 λ1)(λ3 λ1) (e λ3τ1 e λ1τ1 ) (1 e λ3τ1 ) + Π(λ2C2 λ1c1 λ1c2) (e λ3τ1 e λ2τ1 ) + (λ2 λ1)(λ3 λ2) Αφού έχει σταματήσει η απορρόφηση, η ποσότητα των Po-218, Pb-214 και Bi-214 στο φίλτρο δίνεται από τις παρακάτω εξισώσεις (Εδώ τ=0 είναι ο χρόνος όπου η απορρόφηση έχει σταματήσει και το φίλτρο έχει απομακρυνθεί από την αντλία αέρα, και είναι ο ίδιος χρόνος για τον οποίο t=τ1, όπου Τ1 ο χρόνος δειγματοληψίας, στην παρούσα διπλωματική τα 15 λεπτά): dn1 dτ = -λ 1Ν 1 dn2 dτ = λ 1Ν 1 -λ 2 Ν 2 dn3 dτ = λ 2Ν 2 -λ 3 Ν 3 Με αρχικές συνθήκες: 0 Ν 1 (0)=Ν 1 0 Ν 2 (0)=Ν 2 0 Ν 3 (0)=Ν 3 Λύνοντας τις εξισώσεις αυτές έχουμε: 76

Ν 1 (τ)=ν 1 0 e λ1τ Ν 2 (τ)=ν 1 0 λ1(e λ2τ e λ1τ ) λ1 λ2 0 Ν 3 (τ)=ν λ1λ2 (e λ2τ e λ3τ 1 λ1 λ2 λ3 λ2 + Ν 2 0 e λ2τ e λ3τ e λ1τ 0 )+ Ν λ2(e λ2τ e λ3τ ) 2 +Ν 0 3 e λ3τ λ1 λ3 λ3 λ2 Θέλουμε να βρούμε τον αριθμό των πυρήνων που θα διασπαστούν μεταξύ δύο χρονικών στιγμών από Τ2 έως Τ2+ΤΜ1. Στο Po-218 πραγματοποιείται μόνο διάσπαση και επομένως, μπορούμε να βρούμε τους πυρήνες που διασπάστηκαν απλά αφαιρώντας τον τελικό αριθμό πυρήνων από τον αρχικό αριθμό πυρήνων. Για το Pb-214 και το Bi-214 χρησιμοποιούμε ολοκλήρωση της ενεργότητας των πυρήνων αυτών έτσι ώστε να υπολογίσουμε τους πυρήνες που διασπάστηκαν κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Αυτό γίνεται επειδή κατά τη διάρκεια της μέτρησης δεν πραγματοποιείται μόνο διάσπαση των πυρήνων αλλά και ταυτόχρονη αύξηση αυτών, εξαιτίας της διάσπασης των προηγούμενων νουκλιδίων της σειράς διαδοχικών διασπάσεων. Επομένως ο αριθμός των πυρήνων του Po-218, Pb-214 και Bi-214 που διασπάστηκαν μεταξύ δύο χρονικών στιγμών Τ2έως Τ2+ΤΜ1είναι αντίστοιχα : Δ 1 = Ν 1 (Τ 2 )-Ν 1 (Τ 2 +Τ Μ1 )=Ν 1 0 e λ1τ2 (1 e λ1τμ1 ) Τ2+ΤΜ1 λ1λ2ν0 Δ 2 = λ 2 Ν 2 (τ)dτ = 1 [ 1 Τ2 λ2 λ1 λ1 e λ1τ2 (1 e λ1τμ1 ) 1 λ2 e λ2τ2 (1 e λ2τμ1 ] +Ν 2 0 e λ2τ2 (1 e λ2τμ1 ) Τ2+ΤΜ1 Δ 3 = λ 3 Ν 3 (τ)dτ = Τ2 e λ3τμ1 )]+ ( λ1λ2λ3ν 1 0 λ1λ2λ3ν0 1 λ2λ3ν 0 2 (λ3 λ2)(λ2 λ1) e λ2τμ1 )] +Ν 3 0 e λ3τ2 (1 e λ3τμ1 ) (λ3 λ1)(λ2 λ1) [ 1 λ1 e λ1τ2 (1 e λ1τμ1 ) 1 λ3 e λ3τ2 (1 (λ3 λ2) ) [ 1 λ3 e λ3τ2 (1 e λ3τμ1 ) 1 λ2 e λ2τ2 (1 77

5.6.2 ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΧΩΡΙΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ Po-218 Επειδή το Po-218 δεν μπορούμε να το ανιχνεύσουμε μέσω της γ-φασματοσκοπίας γιατί διασπάται μόνο με α ακτινοβολία ορίζουμε τα παρακάτω: C2,C3 είναι οι συγκεντρώσεις του Pb-214 και Bi-214 (πυρήνες ανά μονάδα όγκου του δείγματος αέρα). Π είναι ο όγκος του αέρα που περνάει μέσα από το φίλτρο ανά μονάδα χρόνου (lt/min) πολλαπλασιασμένος με την απόδοση του φίλτρου που, όπως έχει αναφερθεί παραπάνω, είναι ίση με 0,4142 (41,42%). Ν2 και Ν3 είναι ο αριθμός των πυρήνων των Pb-214 και Bi-214 αντίστοιχα στο φίλτρο. λ2 και λ3 είναι οι σταθερές διάσπασης των Pb-214 και Bi-214 H επικάθηση των ατόμων των Pb-214 και Bi-214 στο φίλτρο μετά την δειγματοληψία αρχίζει την στιγμή t=0 και περιγράφεται από τις ακόλουθες διαφορικές εξισώσεις: dn2 dt =ΠC 2 -λ 2 Ν 2 dn3 dt = ΠC 3-λ 3 Ν 3 +λ 2 Ν 2 Με αρχικές συνθήκες ίσες με μηδέν γιατί στο φίλτρο αρχικά δεν έχουμε κάποιο θυγατρικό. Οι λύσεις των εξισώσεων αυτών είναι: Ν 2 (t)= ΠC2 λ2 (1 e λ2t ) Και Ν 3 (t)= Π(C2+C3) λ3 (1 e λ3t ) + ΠC2 λ2 λ3 (e λ2t e λ3t ) Τελικά ο αριθμός των πυρήνων όταν το φίλτρο απομακρυνθεί μετά από χρόνο Τ1θα είναι: Ν 2 0 =Ν 2 (Τ 1 )= ΠC2 λ2 (1 e λ2τ1 ) Ν 30 =Ν 3 (Τ 1 )= Π(C2+C3) λ3 (1 e λ3t1 ) + ΠC2 λ2 λ3 (e λ2t1 e λ3t1 ) 78

Αφού έχει σταματήσει η απορρόφηση, η ποσότητα των Pb-214 και Bi-214 στο φίλτρο δίνεται από τις παρακάτω εξισώσεις (Εδώ τ=0 είναι ο χρόνος όπου η απορρόφηση έχει σταματήσει και το φίλτρο έχει απομακρυνθεί από την αντλία αέρα, και είναι ο ίδιος χρόνος για τον οποίο t=τ1, όπου Τ1 ο χρόνος δειγματοληψίας, στην παρούσα διπλωματική τα 15 λεπτά): dn2 dτ = λ 1Ν 1 -λ 2 Ν 2 dn3 dτ = λ 2Ν 2 -λ 3 Ν 3 Με αρχικές συνθήκες: Ν 2 (0)=Ν 2 0 Ν 3 (0)=Ν 3 0 Λύνοντας τις εξισώσεις αυτές έχουμε: Ν 2 (τ)= Ν 2 0 e λ2τ Ν 3 (τ)= Ν 2 0 λ2(e λ2τ e λ3τ ) λ3 λ2 +Ν 3 0 e λ3τ Θέλουμε να βρούμε τον αριθμό των πυρήνων που θα διασπαστούν μεταξύ δύο χρονικών στιγμών από Τ2έως Τ2+ΤΜ1. Εδώ, επειδή δεν λαμβάνουμε υπόψη το Po-218, θεωρούμε ότι στο Pb- 214 πραγματοποιείται μόνο διάσπαση και επομένως, μπορούμε να βρούμε τους πυρήνες που διασπάστηκαν απλά αφαιρώντας τον τελικό αριθμό πυρήνων από τον αρχικό αριθμό πυρήνων. Για το Bi-214 χρησιμοποιούμε ολοκλήρωση της ενεργότητας των πυρήνων αυτών, έτσι ώστε να υπολογίσουμε τους πυρήνες που διασπάστηκαν κατά τη διάρκεια της μέτρησης.επομένως, ο αριθμός των πυρήνων του Pb-214 και Bi-214 που διασπάστηκαν μεταξύ δύο χρονικών στιγμών Τ2έως Τ2+ΤΜ1είναι αντίστοιχα : Δ 2 = Ν 2 (T 2 ) Ν 2 (T M1 ) = Ν 2 (T 2 )(1 e λ2τμ1 ) Τ2+ΤΜ1 Δ 3 = λ 3 Ν 3 (τ)dτ = ( λ2λ3ν 2 0 Τ2 ) [ 1 (λ2 λ3) λ3 e λ3τ2 (1 e λ3τμ1 ) 1 λ2 e λ2τ2 (1 e λ2τμ1 )] +Ν 30 e λ3τ2 (1 e λ3τμ1 ) 79

5.7 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΥΠΕΡΚΑΘΑΡΟΥ ΓΕΡΜΑΝΙΟΥ HPGe Οι μετρήσεις έγιναν στην ταράτσα του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής γιατί εκεί είναι εγκατεστημένη η αντλία αέρα, στην οποία τοποθετούμε το φίλτρο για την συλλογή δείγματος αέρα και με την οποία θα προσδιορίσουμε την συγκέντρωση των θυγατρικών του ραδονίου. Η αντλία που χρησιμοποιήθηκε για την απορρόφηση του αέρα είναι της εταιρείας F&J και ο τύπος της είναι DH-304E. Ο χρόνος που διαρκούσε η άντληση του δείγματος αέρα στο φίλτρο ήταν Τ1=15 min. Σχολής Εικόνα 5.7.1:Αντλία απορρόφησης αέρα στην ταράτσα του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής 80

Εικόνα 5.7.2:Οθόνη υγρών κρυστάλλων της αντλίας απορρόφησης αέρα, όπου πήραμε τα αποτελέσματα για την παροχή αέρα Έπειτα, ακολουθεί ο χρόνος που μεσολαβεί από την στιγμή που το φίλτρο απομακρύνεται από την αντλία αέρα μέχρι να το τοποθετήσουμε στον ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου HPGe της εταιρίας Eurisys Mesures.Ο χρόνος αυτός αναφέρεται στον παρακάτω πίνακα ως χρόνος Τ2. Στη συνέχεια, έχουμε την τοποθέτηση του φίλτρου μέσα στον ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου και ενεργοποίηση κατάλληλου λογισμικού (Assayer) για δύο διαστήματα μέτρησης στον ανιχνευτή ΤΜ1 και ΤΜ2. Επιλέξαμε δύο διαστήματα γιατί χρειαζόμαστε τουλάχιστον 3 εξισώσεις για τους 3 αγνώστους C1,C2,C3 που μας δίνουν τις συγκεντρώσεις του πολωνίου Po- 218, του βισμουθίου Bi-214 και του μολύβδου Pb-214, οι οποίες είναι οι ζητούμενες. Όπως βλέπουμε στην αρχή, έχουμε ένα διάστημα μέτρησης 30 λεπτών ενώ μετά είχαμε δύο διαστήματα. Τα διαστήματα αυτά ήταν 30 λεπτά αλλά έπειτα τα μειώσαμε στα 20, σε μια προσπάθεια βελτιστοποιήσης των αποτελεσμάτων. Θεωρούμε ότι κατά τη διάρκεια της μέτρησης έχουμε σταθερή συγκέντρωση των θυγατρικών. Όπως γνωρίζουμε κατά τη διάρκεια της μέτρησης, ο κρύσταλλος απαριθμεί τα φωτόνια που προσπίπτουν σ αυτόν και στέλνει παλμό ανάλογο της ενέργειας του προσπίπτοντος φωτονίου, που αποτυπώνεται σε ένα φάσμα στον υπολογιστή. Μετά το τέλος της μέτρησης, αποθηκεύουμε το φάσμα το οποίο προκύπτει, στο οποίο διακρίνονται οι σημαντικές φωτοκορυφές των ισοτόπων της σειράς ουρανίου και συγκεκριμένα των Pb-214 και Bi-214, τα οποία εκπέμπουν ακτινοβολία γ. Σε ένα τέτοιο φάσμα, μία ακτινοβολία γ συγκεκριμένης ενέργειας θα αναπαρίσταται με μια κανονική 81

(Gaussian) κατανομή που θα απλώνεται γύρω από ένα κεντρικό σημείο, το οποίο θα αντιστοιχεί στην ενέργεια της ακτινοβολίας γ. Είναι γνωστό ότι το πολώνιο 218 (Po-218) διασπάται εκπέμποντας ακτινοβολία α στον μόλυβδο 214 (Pb-214) με χρόνο ημιζωής τα 27 min και στο βισμούθιο 214 (Bi-214) με χρόνο ημιζωής 19,7 min που εκπέμπουν ακτινοβολία γ. Για να βρούμε τις φωτοκορυφές στις οποίες η πιθανότητα εκπομπής των συγκεκριμένων νουκλιδίων είναι η μεγαλύτερη, χρησιμοποιούμε τον fractional yield FY,που εκφράζει αυτή ακριβώς την πιθανότητα για το κάθε νουκλίδιο. Συγκεκριμένα: -Στο Bi-214 η μεγαλύτερη πιθανότητα εκπομπής του ( FY= 46,1 %) εμφανίζεται στα 609,3 kev. -Στο Pb-214 η μεγαλύτερη πιθανότητα εκπομπής του ( FY= 37,6 %) εμφανίζεται στα 351,9 kev. Τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, στα οποία η ακτίνα μέτρησης είναι 4 cm : Εικόνα 5.7.2: Φίλτρα που χρησιμοποιήσαμε στις μετρήσεις μας πριν και μετά την μέτρηση Κατά τη διάρκεια της μέτρησης, εκτός από τα φωτόνια που ξεκινάνε από το φίλτρο, έχουμε και τη μέτρηση φωτονίων που εισέρχονται στη μετρητική διάταξη από το γύρω περιβάλλον (υπόβαθρο). Για τον ανιχνευτή που χρησιμοποιήσαμε, γνωρίζουμε ότι η ροή των φωτονίων υποβάθρου είναι διαφορετική για κάθε μια από τις ενέργειες και είναι ίση με 0,0139356 φωτόνια/s και 0,0102602 φωτόνια/s για τις ενέργειες 352 kev και 609 kev αντίστοιχα. Άρα, πολλαπλασιάζοντας με τον χρόνο μέτρησης που έχουμε κάθε φορά, προκύπτουν τα φωτόνια που προέρχονται από το υπόβαθρο. Επομένως, τα τελικά φωτόνια προκύπτουν αφαιρώντας τα φωτόνια υποβάθρου από τα φωτόνια που μετρήθηκαν στον ανιχνευτή. Όλα τα παραπάνω, δηλαδή οι χρόνοι 82