Ανάπτυξη πυρηνικών τεχνικών στοιχειακής ανάλυσης δειγμάτων μεγάλου όγκου

Abstract

Aim of the present study was the development of a nuclear technique for non-destructive elemental analysis of bulk objects (up to a few kg in mass or up to several L in volume). In particular, main goal of the study was the evaluation and optimization of the methodology for large sample neutron activation analysis as well as the extension and application of the technique for the analysis of homogeneous and inhomogeneous bulk objects. The principles of large sample neutron activation analysis and the main parameters that differentiate analysis of large samples against the conventional technique of small sample analysis were studied. The work was emphasized on the required corrections for the effects of neutron self-shielding and gamma-ray self-attenuation within the sample material. The irradiation and gamma-spectrometry facilities as well as the sample geometry were simulated in detail using Monte Carlo codes and the results of the simulations were compared against experimental measurements. Furthermore, the study was focused on the analysis of large inhomogeneous samples and the evaluation of the inhomogeneity effect on the analysis results. Thus, a collimated scanning technique which combines simulations and experimental measurements was developed for the identification of inhomogeneities in large volume samples and the correction of their effect on the interpretation of gamma-spectrometry data. Additionally, the technique was applied for the analysis of bulk inhomogeneous samples and cultural heritage objects, demonstrating the great capabilities of the technique. The results of the present study allowed the development of a non-destructive technique for multi-element analysis of non homogeneous large samples and bulk objects of irregular shapes. Moreover, they extended the capabilities of the technique, providing an important analytical tool with a wide range of applications in several fields of science and technology, such as archaeometry and cultural heritage studies, material technology, geological, environmental and waste characterization studies.

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η ανάπτυξη πυρηνικών τεχνικών μη-καταστροφικής στοιχειακής ανάλυσης δειγμάτων μεγάλου όγκου, δειγμάτων δηλαδή με μάζα μερικών κιλών ή όγκο μερικών λίτρων. Πιο συγκεκριμένα, βασικός στόχος ήταν η αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της μεθοδολογίας για την ανάλυση δειγμάτων μεγάλου όγκου με την τεχνική της ανάλυσης με νετρονική ενεργοποίηση καθώς και η επέκταση και εφαρμογή της τεχνικής για την ανάλυση ομογενών και ανομοιογενών αντικειμένων. Στα πλαίσια αυτά, μελετήθηκαν οι βασικές παράμετροι που διαφοροποιούν την ανάλυση μεγάλων δειγμάτων από την «κλασική», ήδη καθιερωμένη, ανάλυση μικρών σε όγκο δειγμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις διορθώσεις που απαιτούνται για την αυτο-απορρόφηση των ακτίνων-γ και την αυτο-θωράκιση των νετρονίων στον όγκο του δείγματος. Η εργασία βασίστηκε στη λεπτομερή προσομοίωση διατάξεων ακτινοβόλησης, δειγμάτων και συστημάτων ανίχνευσης της ακτινοβολίας-γ, χρησιμοποιώντας συνδυασμό κωδίκων Monte Carlo, και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με πειραματικές μετρήσεις. Επιπλέον, το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην ανάλυση ανομοιογενών δειγμάτων και στη βαθύτερη μελέτη των επιδράσεων των ανομοιογενειών στη διαδικασία της ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε τεχνική που συνδυάζει πειραματικές μετρήσεις και προσομοιώσεις πετυχαίνοντας αφ’ενός την ανίχνευση της ύπαρξης ανομοιογενειών μέσα σε ένα δείγμα μεγάλου όγκου, αφ’ετέρου τη διόρθωση της επίδρασής τους στα αποτελέσματα της ανάλυσης. Στα πλαίσια, παράλληλα, επίδειξης των δυνατοτήτων της, η τεχνική εφαρμόστηκε για την ανάλυση ανομοιογενών δειγμάτων μεγάλου όγκου και ολόκληρων αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας επέτρεψαν την ανάπτυξη μιας μη-καταστροφικής τεχνικής για την πολυστοιχειακή ανάλυση μη ομογενών δειγμάτων μεγάλου όγκου καθώς και δειγμάτων διαφορετικών γεωμετρικών σχημάτων, προσφέροντας ένα σημαντικό αναλυτικό εργαλείο με εύρος εφαρμογών σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας όπως είναι η αρχαιομετρία και η διάσωση της πολιτιστικής κληρονομιάς, η τεχνολογία υλικών, η διαχείριση ηλεκτρονικών αποβλήτων, οι γεωλογικές και περιβαλλοντικές μελέτες.