Ανίχνευση ιχνοστοιχείων σε δείγματα περιβαλλοντικής σημασίας με χρήση μεθόδων πυρηνικής τεχνολογίας

Abstract

This doctoral thesis deals with the detection of trace elements in environmental samples implementing three nuclear technology methods: γ-spectroscopy, neutron activation with γ- spectroscopy analysis (NAA) and x-ray florescence analysis (XRF). In the γ-spectroscopy part, efficiency calibrations were performed for a wide range of the germanium detectors (GeLi, Ge, LEGe, XtRaGe) of the Nuclear Engineering Laboratory (NEL) of NTUA and for a variety of sample’s geometries (surface and volume samples). In the case of volume sample geometries, self-absorption corrections were included in the efficiency evaluation, when it was necessary. Concerning the neutron activation analysis part of the thesis, a neutron activation facility based on an isotopic Am-Be source was designed and manufactured for the analysis of environmental samples. Efficiency calibration was performed for the whole procedure, including neutron activation for a period of 4 days, followed by the γ-spectroscopic analysis of the activated sample, using standard reference materials. The calibration procedure resulted in estimating calibration factors for the quantitative determination of Al, As, Sb, Zn, Mn, Na, Κ in environmental samples. In the x-ray fluorescence analysis part of the thesis, a complete XFR facility was designed and constructed for the analysis of environmental samples. This facility consists of an x-ray chamber and two silicon detectors, a portable Si detector and a stable SiLi detector. Efficiency calibration of the whole procedure of XRF analysis using the x-ray chamber and the stable SiLi detector was performed. Two software codes were used and compared for x-rays spectra analysis: ‘SPUNAL’ used in NEL for γ-spectroscopy and ‘WINQXAS’ designed, under IAEA auspices, especially for XRF analysis. The calibration procedure resulted in estimating calibration factors for the quantitative determination of Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, As, Pb, Rb, Sr, Ba in environmental samples. Soil and fly ash samples were analyzed in NEL-NTUA using the above NAA and XRF facilities. Summarizing, with the completion of this doctoral thesis the γ-spectroscopy facilities of NEL have been calibrated for a variety of sample geometries; furthermore, the capacities of NEL-NTUA are being expanded in the field of the quantitative determination of nonradioactive elements using NAA and XRF analysis.

Η παρούσα ΔΔ αφορά στην ανίχνευση ιχνοστοιχείων σε περιβαλλοντικά δείγματα με τρεις από τις κυριότερες μεθόδους της πυρηνικής τεχνολογίας: την γ-φασματοσκοπία, την ανάλυση με νετρονική ενεργοποίηση (NAA) και την ανάλυση με φθορισμό ακτίνων-x (XRF). Όσον αφορά στη γ- φασματοσκοπία, βαθμονομήθηκαν ως προς την απόδοση οι ανιχνευτές γερμανίου GeLi, Ge, LEGe, XtRa του Εργαστηρίου Πυρηνικής Τεχνολογίας (ΕΠΤ) του ΕΜΠ για μία σειρά από γεωμετρίες δειγμάτων (επιφανειακές γεωμετρίες και γεωμετρίες όγκου). Για τη βαθμονόμηση απόδοσης για γεωμετρίες όγκου έγιναν διορθώσεις αυτοαπορρόφησης στις περιπτώσεις που κρίθηκε απαραίτητο. Όσον αφορά στην ανάλυση με νετρονική ενεργοποίηση, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε η διάταξη ΝΑΑ του ΕΠΤ-ΕΜΠ, με ισοτοπική πηγή νετρονίων Am-Be. Επίσης πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση της συνολικής διαδικασίας για νετρονική ενεργοποίηση 4 ημερών και συγκεκριμένα σενάρια γ- φασματοσκοπικής ανάλυσης με χρήση προτύπων υλικών αναφοράς από την οποία προέκυψαν συντελεστές για τον ποσοτικό προσδιορισμό Al, As, Sb, Zn, Mn, Na, Κ σε περιβαλλοντικά δείγματα Όσον αφορά στην ανάλυση με XRF, έγινε μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή της διάταξης XRF του ΕΠΤ-ΕΜΠ για τους δύο ανιχνευτές πυριτίου του ΕΠΤ, τον φορητό ανιχνευτή Si και τον σταθερό ανιχνευτή SiLi. Στη συνέχεια βαθμονομήθηκε η διαδικασία ανάλυσης στερεών δειγμάτων με φθορισμό ακτίνων-x που προέρχονται από μηχανή ακτίνων-x και αναλύονται στον σταθερό ανιχνευτή SiLi. Η βαθμονόμηση έγινε με δείγματα αναφοράς που παρασκευάσθηκαν από πρότυπα υλικά και αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας δύο κώδικες ανάλυσης φασμάτων: τον κώδικα ανάλυσης γ-φασμάτων SPUNAL του ΕΠΤ και τον κώδικα WINQXAS του ΔΟΑΕ που χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την ανάλυση φασμάτων με XRF. Από τη βαθμονόμηση προέκυψαν συντελεστές για τον ποσοτικό προσδιορισμό των στοιχείων Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, As, Pb, Rb, Sr, Ba σε περιβαλλοντικά δείγματα. Στα πλαίσια της ΔΔ έγιναν αναλύσεις δειγμάτων χώματος και ιπτάμενης τέφρας με ΝΑΑ και XRF στις διατάξεις αυτές. Συνοψίζοντας, με την ολοκλήρωση αυτής της Δ.Δ., οι ανιχνευτικές διατάξεις γ- φασματοσκοπίας του ΕΠΤ-ΕΜΠ, είναι πλέον βαθμονομημένες για μια ποικιλία γεωμετριών δειγμάτων, ενώ επιπλέον διευρύνθηκαν οι δυνατότητες του σε ένα νέο πεδίο, τον ποσοτικό προσδιορισμό μη ραδιενεργών ιχνοστοιχείων με χρήση δύο μεθόδων πυρηνικής τεχνολογίας της ΝΑΑ και της XRF.