Μελέτη της απόκρισης ανιχνευτή γερμανίου πειραματικά και με τεχνικές προσομοίωσης MONTE-CARLO

Παπαδιονυσίου, Μαριάννα; Papadionysiou, Marianna

dc.contributor.author	Παπαδιονυσίου, Μαριάννα	el
dc.contributor.author	Papadionysiou, Marianna	en
dc.date.accessioned	2015-06-23T12:33:52Z
dc.date.available	2015-06-23T12:33:52Z
dc.date.issued	2015-06-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40871
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9975
dc.rights	Default License
dc.subject	Ανιχνευτές γερμανίου	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Πραγματικές συμπτώσεις	el
dc.subject	Αυτοαπορρόφηση	el
dc.subject	Βαθμονόμηση	el
dc.subject	Υποστρώματα	el
dc.subject	Σπάνιες γαίες	el
dc.subject	Germanium detectors	en
dc.subject	Monte-Carlo	en
dc.subject	PENELOPE	en
dc.subject	EFFTRAN	en
dc.subject	TrueCoinc	en
dc.subject	Calibration	en
dc.subject	True coincidence	en
dc.subject	Self-absorption	en
dc.subject	Background	en
dc.subject	Rare earths	en
dc.title	Μελέτη της απόκρισης ανιχνευτή γερμανίου πειραματικά και με τεχνικές προσομοίωσης MONTE-CARLO	el
dc.title	Study of the response of a germanium detector with the use of experimental methods and Monte-Carlo simulation techniques	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πυρηνική τεχνολογία	el
heal.classification	Nuclear engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-04-07
heal.abstract	The aim of the present diploma thesis is the study of the response and the calibration of a high-purity germanium detector of relative efficiency equal to 40%, which is used for the γ-spectroscopic analysis of environmental samples, mainly, at the Nuclear Engineering Department of the National Technical University of Athens (NED-NTUA). The γ-spectroscopic analysis, which is often called γ-spectroscopy, constitutes one of the most popular methods for the quantitative and the qualitative designation of radioactivity, of natural or artificial origin, ofevery kind of sample. In addition, within this diploma thesis, an application is presented, concerning the γ-spectroscopic analysis of a sample of natural radioactivity. The basis of γ-spectroscopic analysis is the appropriate calibration of the detectors used for the samples under examination. The calculation of the efficiency of the detector is studied extensively, for several sample geometries, with experimental and computational methods and with the use of various computational tools. The efficiency calibration is performed via Monte Carlo simulation and more specifically with the use of the PENELOPE code and the EFFTRAN programme. However, for the realisation of Monte Carlo simulations, it is necessary to know the geometrical characteristics ofthe detector, as accurately as possible. This obstacle is overcome by combining simulation and experiment. Apart from the calibration of the detector, the most important factors that affect γ-spectra are studied, such as the true coincidence phenomenon, the phenomenon of self-absorption of the source and the effect of the background radiation. Initially, a review of γ-spectroscopic analysis with germanium detectors takes place, as this is performed in NED-NTUA. Germanium detectors are described in general and, in particular, the high purity germanium detector of relative efficiency of 40%. The different expressions of efficiency are recorded and the procedure of experimental calibration of a germanium detector is analysed. This is followed by a brief presentation of the rationale of Monte Carlo simulation codes and further information is given about the function of the PENELOPE code and the preparation of necessary input files. Additionally, the post-processing of the simulation results is outlined, aiming at the calculation of its efficiency. Finally, there is a brief presentation of the function and the potential of the EFFTRAN programme, which is used for the efficiency transfer from one geometry to another. The efficiency calibration of the high purity germanium detector of relative efficiency of 40% (NED-NTUA) is carried out, via computational methods. The procedure for the calculation of geometrical characteristics is presented, concerning this specific detector. These characteristics are necessary, as was already mentioned, for the Monte Carlo simulations. Subsequently, the efficiency calibration curves are defined for the detector, via simulations performed by the PENELOPE code and the EFFTRAN programme, for three volume geometries, which are used extensively at NED-NTUA. The results of the simulations of the codes are compared with each other and with respective experimental data, aiming at the validation of the code and programme used. Finally, we examine the hypothesis that the total-to-peak ratio (ttp) of a detector, for photons of a specific energy, can be considered irrespective to the geometry of the sample. A detailed review follows, concerning the true coincidence phenomenon and the various factors that contribute to its occurrence and magnitude are described, together with several methods for its elimination.Then corrections for the phenomenon are applied to the high purity germanium detector of relative efficiency of 40%, with the use of the TrueCoinc and EFFTRAN programmes. Corrections take place for a 134Cs source. The efficiency of the TrueCoinc programme is examined when different calibration curves are used as input, which are defined for different parts of the spectrum and comprise various factors. Finally a comparison of the efficiency and the accuracy of the two programmes, TrueCoinc and EFFTRAN, is made. Afterwards, the phenomenon of self-absorption and its effect in γ-spectroscopy are described in detail. Correction methods are presented and particular emphasis is placed on the method based on the reduction of the full energy peak efficiency, from the material of the calibration source to the material of the sample. This method is applied in the case of the high purity germanium detector of relative efficiency of 40%, and the effect of the phenomenon is examined, on photons of different energy and on different materials with different density. In addition we compare the effect of the phenomenon between the examined detector and the XtRa (EXtended Range, XtRa) detector of NED-NTYA. Additionally, the effect of the background radiation on the γ-spectroscopic analysis is presented. More specifically, a detailed description is performed, concerning the factors that contribute to the background radiation. The methodology of the calculation of values concerning the estimation of the radioactivity of the background is presented. Subsequently, we examine the variation of the background of different energy peaks, depending on the conditions under which the spectrum was acquired, for example the time of the year, for the high purity germanium detector of relative efficiency of 40%. The magnitude and significance of the said variations are examined and the detection levels for the specific detector are defined. The Diploma thesis is completed with the qualitative and quantitative estimation of the radioactivity of rare earths enrichment products, using the high purity germanium detector of relative efficiency of 40%. Firstly, a short review is presented, concerning the procedure of the preparation of a sample of this kind and the radiological properties of NORM materials and especially those that originate from the industrial processing of rare earths. A new calibration of the detector takes place, for a volume geometry of 14.5cm3, using Monte Carlo techniques. After the estimation of the concentration of the sample for the most important isotopes of natural origin, we examine the effect of the distance sample-detector on the true coincidence phenomenon, on this specific geometry.	en
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η μελέτη της απόκρισης και η βαθμονόμηση ενός ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου σχετικής απόδοσης 40%, ο οποίος χρησιμοποιείται για τη γ-φασματοσκοπική ανάλυση δειγμάτων κυρίως περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος στο Εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας της σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΠΤ-ΕΜΠ). Η γ-φασματοσκοπική ανάλυση, η οποία συχνά καλείται και γ-φασματοσκοπία, αποτελεί μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους ποσοτικού και ποιοτικού προσδιορισμού της φυσικής και τεχνητά επαγόμενης ραδιενέργειας σε πάσης φύσεως δείγματα. Στα πλαίσια της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας παρουσιάζεται και μια εφαρμογή γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης για τη μελέτη δείγματος φυσικής ραδιενέργειας. Η βάση της γ-φασματοσκοπικής ανάλυσης είναι η κατάλληλη βαθμονόμηση απόδοσης των ανιχνευτών που χρησιμοποιούνται για τα εκάστοτε δείγματα που εξετάζονται. Μελετάται εκτενώς ο προσδιορισμός της απόδοσης του ανιχνευτή γερμανίου για διάφορες γεωμετρίες δειγμάτων, με πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους και με τη χρήση διαφόρων υπολογιστικών εργαλείων. Η βαθμονόμηση απόδοσης πραγματοποιείται με χρήση προσομοίωσης Monte-Carlo και πιο συγκεκριμένα με χρήση του κώδικα PENELOPE και του προγράμματος EFFTRAN. Για την εφαρμογή τεχνικών προσομοίωσης Monte Carlo ωστόσο πρέπει να είναι γνωστά με ικανοποιητική ακρίβεια τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του ανιχνευτικού συστήματος. Η δυσκολία αυτή ξεπεράστηκε μέσω του συνδυασμού προσομοίωσης και πειράματος. Εκτός από τη βαθμονόμηση της διάταξης μελετώνται επιπλέον και οι βασικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τα γ-φάσματα: το φαινόμενο της πραγματικής σύμπτωσης, το φαινόμενο της αυτοαπορρόφησης της πηγής και η επίδραση του υποστρώματος της ανιχνευτικής διάταξης. Αρχικά πραγματοποιείται μια ανασκόπηση της -φασματοσκοπικής ανάλυσης με ανιχνευτές γερμανίου, όπως αυτή εφαρμόζεται στο ΕΠΤ-ΕΜΠ. Γίνεται μια γενική περιγραφή των διατάξεων γ-φασματοσκοπίας ανιχνευτών γερμανίου και ειδικά του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου σχετικής απόδοσης 40%. Στη συνέχεια καταγράφονται οι διαφορετικές εκφράσεις της απόδοσης και περιγράφεται η διαδικασία βαθμονόμησης απόδοσης ανιχνευτή γερμανίου με πειραματικές μεθόδους. Έπειτα γίνεται μια σύντομη περιγραφή της λογικής που ακολουθούν οι κώδικες προσομοίωσης Monte Carlo και δίνονται περισσότερα στοιχεία για τη λειτουργία του κώδικα PENELOPE και την προετοιμασία των απαραίτητων αρχείων εισόδου. Ακόμα, περιγράφεται ο τρόπος χρήσης των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, με σκοπό τον υπολογιστικό προσδιορισμό των αποδόσεων. Τέλος, γίνεται μία συνοπτική παρουσίαση της λειτουργίας και των δυνατοτήτων του προγράμματος EFFTRAN το οποίο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά απόδοσης από μία γεωμετρία σε άλλη. Στη συνέχεια πραγματοποιείται η βαθμονόμηση απόδοσης, με υπολογιστικές μεθόδους, του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου του ΕΠΤ-ΕΜΠ με σχετική απόδοση 40%. Παρουσιάζεται η διαδικασία προσδιορισμού των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του συγκεκριμένου ανιχνευτή, η οποία, όπως αναφέρθηκε ήδη, είναι απαραίτητη προκειμένου να είναι δυνατή η χρήση προσομοίωσης Monte Carlo. Στη συνέχεια, προσδιορίζονται οι καμπύλες βαθμονόμησης απόδοσης του ανιχνευτή, μέσω προσομοίωσης με τους κώδικες PENELOPE και EFFRTAN, για τρεις γεωμετρίες δείγματος όγκου, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στο ΕΠΤ-ΕΜΠ. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των κωδίκων συγκρίνονται τόσο μεταξύ τους όσο και με αντίστοιχα πειραματικά, με σκοπό και την αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων κωδίκων. Τέλος εξετάζεται η υπόθεση ότι ο λόγος total-to-peak (ttp) μιας ανιχνευτικής διάταξης για φωτόνια συγκεκριμένης ενέργειας, μπορεί να θεωρηθεί ανεξάρτητος της γεωμετρίας του δείγματος. Ακολουθεί μια αναλυτική ανασκόπηση του φαινομένου της πραγματικής σύμπτωσης και παρατίθενται οι παράγοντες που διέπουν την εμφάνιση και έντασή του και παρουσιάζονται συνοπτικά διάφορες μέθοδοι αντιμετώπισης του. Στη συνέχεια εφαρμόζονται διορθώσεις για το φαινόμενο της πραγματικής σύμπτωσης στον ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου με σχετική απόδοση 40%, με τη χρήση των προγραμμάτων TrueCoinc και EFFTRAN. Οι διορθώσεις πραγματοποιούνται για πηγή 134Cs. Διερευνάται η αποδοτικότητα του προγράμματος TrueCoinc με την εισαγωγή διαφορετικών καμπύλων βαθμονόμησης οι οποίες προσδιορίζονται για διαφορετικά τμήματα του φάσματος και συνυπολογίζουν διαφορετικούς παράγοντες. Τέλος πραγματοποιείται σύγκριση της αποτελεσματικότητας των δύο προγραμμάτων TrueCoinc και EFFTRAN. Έπειτα περιγράφεται με λεπτομέρεια το φαινόμενο της αυτοαπορρόφησης και η επίδρασή του στη γ-φασματοσκοπία. Παρουσιάζονται μέθοδοι διόρθωσης για το φαινόμενο, με ιδιαίτερη έμφαση στη μέθοδο η οποία έγκειται στην αναγωγή της απόδοσης πλήρους φωτοκορυφής από το υλικό της πηγής βαθμονόμησης στο υλικό του δείγματος. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται για την περίπτωση του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου με σχετική απόδοση 40% και διερευνάται η επίδραση του φαινομένου, σε φωτόνια διαφορετικών ενεργειών, για διάφορα υλικά με διαφορετικές πυκνότητες. Ακόμη πραγματοποιείται μελέτη της επίδρασης του φαινομένου και σύγκριση μεταξύ του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου σχετικής απόδοσης 40% και του ανιχνευτή XtRa (EXtended Range, XtRa) του ΕΠΤ-ΕΜΠ. Επιπλέον παρουσιάζεται η επίδραση του υποστρώματος στη γ- φασματοσκοπική ανάλυση. Συγκεκριμένα πραγματοποιείται αναλυτική περιγραφή των παραγόντων που συνεισφέρουν στη δημιουργία υποστρώματος και η επιρροή αυτού στο γ-φάσμα. Ακόμη παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού των μεγεθών που αφορούν την εκτίμηση της ραδιενέργειας του υποστρώματος. Στη συνέχεια εξετάζονται οι διακυμάνσεις του υποστρώματος στις διάφορες φωτοκορυφές ενδιαφέροντος, ανάλογα με τις συνθήκες λήψης του φάσματος, όπως για παράδειγμα την εποχή του χρόνου, για τον ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου με σχετική απόδοση 40%. Διερευνάται η ένταση και η σημασία αυτών των διακυμάνσεων και προσδιορίζονται τα κατώτερα επίπεδα ανίχνευσης για το συγκεκριμένο ανιχνευτή. Η Διπλωματική Εργασία ολοκληρώνεται με τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της ραδιενέργειας υλικού εμπλουτισμού σπανίων γαιών με τη χρήση του ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου με σχετική απόδοση 40%. Αρχικά γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση της διαδικασίας που ακολουθείται για την προετοιμασία ενός τέτοιου δείγματος και για τις ραδιολογικές ιδιότητες των υλικών NORM και συγκεκριμένα των σπανίων γαιών. Στη συνέχεια πραγματοποιείται εκ νέου βαθμονόμηση του ανιχνευτή σε γεωμετρία όγκου 14.5cm3 με τη χρήση προσομοιώσεων Monte-Carlo. Μετά των προσδιορισμό της ενεργότητας του δείγματος για τα σημαντικότερα ισότοπα φυσικής προέλευσης μελετάται η επίδραση της απόστασης δείγματος-ανιχνευτή στο φαινόμενο της πραγματικής σύμπτωσης, για τη συγκεκριμένη γεωμετρία δείγματος.	el
heal.advisorName	Αναγνωστάκης, Μάριος	el
heal.committeeMemberName	Αναγνωστάκης, Μάριος	el
heal.committeeMemberName	Πετρόπουλος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ρούνη, Παναγιώτα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Πυρηνικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	290 σ.
heal.fullTextAvailability	true