Διερεύνηση της επίδρασης της γεωμετρίας δέσμης, κατά τον πειραματικό προσδιορισμό του ολικού γραμμικού συντελεστή εξασθένισης μ φωτονίων πολύ χαμηλών ενεργειών

Abstract

Στο ΕΠΤ-ΕΜΠ έχει αναπτυχθεί μεθοδολογία για τον πειραματικό προσδιορισμό του ολικού γραμμικού συντελεστή εξασθένισης περιβαλλοντικών υλικών, με σκοπό την πραγματοποίηση διορθώσεων αυταπορρόφησης κατά την περιβαλλοντική γ-φασματοσκοπία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε σειρά πειραμάτων για τη βελτίωση της γεωμετρίας πειράματος για ενέργειες φωτονίων στην περιοχή των 46.52keV, φωτοκορυφή η οποία εκπέμπεται από το Pb-210 και εμφανίζει ενδιαφέρον σε περιβαλλοντικές μετρήσεις και εφαρμογές. Η βελτιωμένη γεωμετρία προσδιορίστηκε πραγματοποιώντας μετρήσεις σε διάφορες γεωμετρίες, με απορροφητή απιονισμένο νερό, και συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με την τιμή από τη βάση δεδομένων XCOM του NIST. Με την προτεινόμενη από τις γεωμετρίες που εξετάστηκαν η απόκλιση από την τιμή του NIST βελτιώθηκε από -18%, με την μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενη γεωμετρία, σε 9.98%. Παρατηρήθηκε ότι οι αποκλίσεις που προκύπτουν για τον ολικό μαζικό συντελεστή μ/ρ είναι μικρότερες από αυτές που προκύπτουν για τον ολικό γραμμικό συντελεστή μ. Η βελτιωμένη γεωμετρία εξετάστηκε σε δείγματα με γνωστή σύσταση (TiO2, K2SO4, MgSO4 – 7H2O και μείγμα των δύο τελευταίων) διαφόρων πυκνοτήτων. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η βελτιωμένη γεωμετρία δίνει αποδεκτά αποτελέσματα για τα συγκεκριμένα δείγματα, με αποκλίσεις μικρότερες του ±10% για όλα τα δείγματα. Η συγκεκριμένη γεωμετρία μελετήθηκε επίσης σε περιβαλλοντικά δείγματα (χώμα που συλλέχθηκε στο πεδίο, κοκκομετρικά κλάσματα χώματος και παραπροϊόντα βιομηχανικών επεξεργασιών). Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι οι καμπύλες αναδρομής μ= f(E,ρ), οι οποίες είχαν υπολογιστεί στη ΔΔ Αναγνωστάκη επιβεβαιώνονται από τις συγκεκριμένες μετρήσεις για τα χώματα πεδίου, ενώ ο απευθείας πειραματικός προσδιορισμός του μ και ο πειραματικός προσδιορισμός του μ/ρ και πολλαπλασιασμός με την πυκνότητα του εκάστοτε δείγματος δίνουν αποτελέσματα που δεν διαφέρουν στατιστικά σημαντικά για όλα τα δείγματα που εξετάστηκαν. Ακόμη προέκυψε ότι ο συντελεστής μ των κοκκομετρικών κλασμάτων προβλέπεται ικανοποιητικά από τις καμπύλες αναδρομής του χώματος στο εύρος πυκνοτήτων που εξετάστηκε (0.763gr/cm3 έως 1.042gr/cm3), ενώ ο μαζικός συντελεστής μ/ρ δεν παρουσιάζει σημαντικές διαφορές μεταξύ των διαφόρων κλασμάτων. Τέλος, για τα παραπροϊόντα βιομηχανικών επεξεργασιών, προέκυψε ότι δεν μπορούν να ταυτιστούν με κανένα από τα υλικά για τα οποία έχουν προσδιοριστεί στο ΕΠΤ-ΕΜΠ καμπύλες αναδρομής, ακόμα και αν φαινομενικά μοιάζουν με κάποιο από αυτά. Έτσι, όταν η σύσταση του εξεταζόμενου δείγματος είναι άγνωστη πρέπει να ακολουθείται πειραματική διαδικασία για τον υπολογισμό των συντελεστών εξασθένισης.

The Nuclear Engineering Department of the National Technical University of Athens (NED-NTUA) has developed a methodology for the experimental determination of the total linear attenuation coefficient of environmental materials, appropriate for calculating self-absorption corrections in environmental gamma spectroscopy. In the present thesis, a series of experiments was performed in order to improve the geometry of the experimental procedure for photon energies in the area of the 46.52keV photopeak emitted by Pb-210, which is of great interest in environmental measurements and applications. The improved geometry was determined by performing measurements with different experimental geometries, using deionized water as an absorber, and comparing the results with the value suggested by the XCOM database of NIST. The improved experimental geometry, results in a deviation of -9.98% from the value suggested by NIST, compared to a deviation of 18% with the experimental geometry in use so far. It was observed that the deviations for the total mass attenuation coefficient μ/ρ are lower than those calculated for the total linear attenuation coefficient. The improved experimental geometry was evaluated in samples of known composition (TiO2, K2SO4, MgSO4 - 7H2O and a mixture of the last two) with various densities. The measurements show that the improved geometry gives acceptable results for these samples, with deviations of less than ± 10% in all cases. This geometry was also evaluated in environmental samples (soil collected in the field, soil size fractions generated by sieving and byproducts of industrial processes). The results show that the regression curves μ=f(E,ρ) for soil calculated by Anagnostakis are confirmed by the present calculations for field soils and for the soil size fractions, in the range of densities that were tested (0.763gr/cm3 to 1.042gr/cm3). It was also seen that that the mass attenuation coefficient of the size fractionated soil shows no significant differences between the various fractions. Also, both calculation methods for the linear attenuation coefficient μ ,either calculating directly the linear attenuation coefficient from the results of the experiment or calculating experimentally the mass attenuation coefficient multiplied with the density of the sample, give results with no significant differences for all samples tested. Finally, for the byproducts of industrial processes it was seen that they can not be matched with any of the materials of the regression curves, even if it appears similar to any of them. Therefore, when the chemical composition of the sample is unknown, an experimental procedure should be followed for the calculation of the both linear and mass attenuation coefficients.