Advanced

Methods for localizing and quantifying radionuclide sources and deposition using in situ gamma spectrometry : Critical review of the peak-to-valley method based on experimental studies and applications in Georgia and Japan

Östlund, Karl LU (2017)
Abstract (Swedish)

Inom beredskapen mot radiologiska och nukleära olyckor och katastrofer spelar strålningsmätningar en avgörande roll för att ta reda på vad som har hänt och hur farligt det är för människa, djur och natur och på vilket sätt det påverkar miljö och samhällsfunktioner. I Sverige och många andra länder i världen har allmänheten en rättighet att få reda på vad som hänt och vad de utsätts för i ett eventuellt olycksscenario. Till stor del besvaras detta av resultat från strålningsmätningar som utförs direkt efter olyckan och under en lång period därefter. Olyckorna eller händelserna kan vara begränsade i utbredning eller påverka gigantiska landområden. Det kan också vara en eller flera platser där man upptäckt strålkällor.... (More)

Inom beredskapen mot radiologiska och nukleära olyckor och katastrofer spelar strålningsmätningar en avgörande roll för att ta reda på vad som har hänt och hur farligt det är för människa, djur och natur och på vilket sätt det påverkar miljö och samhällsfunktioner. I Sverige och många andra länder i världen har allmänheten en rättighet att få reda på vad som hänt och vad de utsätts för i ett eventuellt olycksscenario. Till stor del besvaras detta av resultat från strålningsmätningar som utförs direkt efter olyckan och under en lång period därefter. Olyckorna eller händelserna kan vara begränsade i utbredning eller påverka gigantiska landområden. Det kan också vara en eller flera platser där man upptäckt strålkällor. Den gemensamma faktorn kring dessa händelser och platser är att man vet väldigt lite i början om vad som hänt eller hur läget egentligen är. För att på bästa sätt kunna förklara för allmänheten över tid och för att myndigheter ska kunna göra korrekta bedömningar, behövs resultat från mätningar med olika syfte. Mätningar i olika skeden behövs löpande, dvs. med långt tidsperspektiv för att göra en s.k. historiebeskrivning av händelsen (dokumentation) som visar vad som hände och vad vi utsattes för.

Mätningarna i början direkt efter olyckan eller händelsen syftar till att dels ta reda på var radioaktiviteten har tagit vägen och hur mycket som eventuellt har landat, eller finns på eller i marken. Ofta räcker det med att mäta doshastigheten i början tillsammans med att man gjort en mätning och konstaterat vilka radioaktiva ämnen (radionuklider) som kommit ut. Men speciellt för händelser där radioaktivitet spridits ut, så uppstår relativt snart högre krav på mätningarna och detaljnivån som efterfrågas är högre.

För att myndigheter skall kunna göra uppskattningar av hur dosen till invånare och i prioriterade delar av samhället kommer utveckla sig, behöver man i ett senare skede veta mer om hur de radioaktiva ämnen som släppts ut förflyttar sig i miljön, både mellan olika platser och hur de fördelar sig ned i marken. Om ett ämne relativt snabbt sjunker ned i marken så minskas stråldosen till människan ganska mycket bara för några centimeters nedträngning. Det som sker är att marken skärmar den radioaktiva beläggningen effektivt. Detsamma gäller för när radioaktiviteten tränger ned i snö. Om beläggningen ligger kvar upp på markytan eller snön så är det i ett lite senare perspektiv bra att veta detta, så att man kan göra prioriteringar i arbetet att återställa efter olyckan, det s.k. saneringsarbetet. Det blir samtidigt viktigare och viktigare för myndigheter att kunna stötta sig på fakta för att vinna allmänhetens förtroende när åtgärder gör intrång i enskildas människors liv som upplevs svåra att acceptera.

De radioaktiva ämnen som har visat sig vara av störst betydelse från de två senaste kärnkraftsolyckorna är 134Cs och 137Cs (Cesium). Den här avhandlingen har försökt att förbättra en befintlig metod som kallas peak-to-valley metoden, då intresset för uppskattningar var i marken radioaktiviteten befinner sig har ökat efter kärnkraftsolyckan i Fukushima, Japan. Metoden försöker använda specifika delar i ett spektrum från en detektor för att ge mer information än bara mängden radioaktiva ämnen på marken. Metoden är till för att försöka visa var det radioaktiva cesiumet befinner sig i marken.

Den här avhandlingen har utforskat nya sätt att applicera metoden med varierande resultat som följd. Genom att använda en tjock blycylinder runt detektorn som hindrar strålning från långt bort att nå detektorn, kan man på ett noggrannare sätt ta reda på nedträngningsdjup. Samtidigt får man naturligtvis reda på hur mycket radioaktivitet som finns på marken, fast för en betydligt mindre yta. Det finns en rad andra intressanta applikationer för en sådan metod, vilka kan vara väldigt intressanta att utforska i framtiden.

(Less)
Abstract

This thesis describes investigations made on mobile and stationary gamma

spectrometry made both under laboratory conditions and in situ. The objective has

been to identify and quantify radionuclides in the form of point sources,

contamination and widespread deposition in situations where the measurement

(More)

This thesis describes investigations made on mobile and stationary gamma

spectrometry made both under laboratory conditions and in situ. The objective has

been to identify and quantify radionuclides in the form of point sources,

contamination and widespread deposition in situations where the measurement

geometry is not known beforehand. Both scintillators and semiconductor detectors of

similar size were tested in a backpack configuration in the vicinity of an unmapped

underground waste storage in the Republic of Georgia. The results showed that a high

efficiency HPGe detector (>100% relative efficiency) was the best choice with respect

to sensitivity compared to LaBr3(Ce) and NaI(Tl) detectors. It was also the most

cumbersome system of them all in terms of field operability due to the liquid

nitrogen. The evaluation method of plotting the full energy peak count rate on maps

worked well, especially when assessment of the maps was made offline by an external

base support, which speeded up the field work significantly. A large part of the thesis

has been focused on evaluating and using the so-called peak-to-valley method (PTV

method). Measurements and simulations to investigate components in the pulse

height distribution contributing to the PTV ratio have been done both in a laboratory

and outdoors in a controlled radiation environment as well as in situ. The PTV

studies have been focused on investigating how well the method works for

quantification of 137Cs, with the aim of either finding a reliable point source depth, or

a factor to correct the estimated surface equivalent mean deposition in situ,

compensating for the shielding effects brought on by the ground penetration of 137Cs.

In order to better understand the scatter processes of 137Cs photons in the air, ground

and the surrounding material of the detector, simulations in MCNP5 and

measurements have been performed in various configurations.

The simulations and measurements performed with a well-characterized HPGe

detector in a low gamma background room, revealed a 25% difference in full energy

peak efficiency between simulation and measurement for 662 keV photons from

137Cs. The inner components of a detector appeared to have significant impact on

agreement between simulation and measurement and components contributing to

this impact were identified.

Regarding the PTV ratio three HPGe detectors were compared with respect to their

angular PTV ratio response, to prepare for a sensitive approach on estimating

deposition penetration depth of 137Cs in situ. Detectors of sizes ranging from 18% to

123% in relative efficiency showed similar PTV ratios for incident angles between 0°

and 90° when using a 30 keV valley interval. The point source measurements showed

that a field of view of about 3 m in radius was a good choice presenting the possibility

to resolve whether the deposition is on the ground surface or has penetrated beneath

the surface.

When the detector systems were brought to the fallout areas outside Fukushima

Daiichi in Japan the evaluation of the 137Cs PTV ratios showed perturbation, which

was ascribed the presence of 134Cs. The laboratory investigations of this perturbation

showed a significant disturbance down to a 134Cs:137Cs ratio in the deposition of

1:100. To follow up on earlier results indicating an improvement in the reliability of

the PTV ratio for both 137Cs and 134Cs, a collimator was applied at the in situ

measurement locations in the Fukushima Daiichi region. The collimation increased

the PTV ratio significantly for 134Cs but not so for 137Cs when both radionuclides

were present. This indicated that the 134Cs PTV ratio should be used instead of that

for 137Cs the first decade after an accident where both cesium radionuclides are

released. If no 134Cs is present the collimator will successfully improve the 137Cs PTV

ratio due to the advantages of limiting incident angles to those close to the detector.

(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Sanderson, David C.W., Scottish Universities Environmental Research Centre, University of Glasgow, Scotland
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
In situ gamma spectrometry
pages
76 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science
defense location
Room 2005-7, Medical Radiation Physics, Inga-Marie Nilssons gata 49, Malmö
defense date
2017-06-01 09:00
ISBN
978-91-7753-240-8
language
English
LU publication?
yes
id
3620282f-42f6-4471-9f15-cfe5deacbb5d
date added to LUP
2017-05-10 14:42:24
date last changed
2017-05-17 15:18:59
@phdthesis{3620282f-42f6-4471-9f15-cfe5deacbb5d,
  abstract     = {<p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">This thesis describes investigations made on mobile and stationary gamma</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">spectrometry made both under laboratory conditions and <i>in situ</i>. The objective has</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">been to identify and quantify radionuclides in the form of point sources,</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">contamination and widespread deposition in situations where the measurement</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">geometry is not known beforehand. Both scintillators and semiconductor detectors of</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">similar size were tested in a backpack configuration in the vicinity of an unmapped</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">underground waste storage in the Republic of Georgia. The results showed that a high</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">efficiency HPGe detector (&gt;100% relative efficiency) was the best choice with respect</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">to sensitivity compared to LaBr<sub>3</sub>(Ce) and NaI(Tl) detectors. It was also the most</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">cumbersome system of them all in terms of field operability due to the liquid</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">nitrogen. The evaluation method of plotting the full energy peak count rate on maps</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">worked well, especially when assessment of the maps was made offline by an external</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">base support, which speeded up the field work significantly. A large part of the thesis</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">has been focused on evaluating and using the so-called peak-to-valley method (PTV</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">method). Measurements and simulations to investigate components in the pulse</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">height distribution contributing to the PTV ratio have been done both in a laboratory</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">and outdoors in a controlled radiation environment as well as <i>in situ</i>. The PTV</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">studies have been focused on investigating how well the method works for</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">quantification of <sup>137</sup>Cs, with the aim of either finding a reliable point source depth, or</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">a factor to correct the estimated surface equivalent mean deposition in situ,</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">compensating for the shielding effects brought on by the ground penetration of <sup>137</sup>Cs.</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">In order to better understand the scatter processes of <sup>137</sup>Cs photons in the air, ground</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">and the surrounding material of the detector, simulations in MCNP5 and</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">measurements have been performed in various configurations.</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">The simulations and measurements performed with a well-characterized HPGe</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">detector in a low gamma background room, revealed a 25% difference in full energy</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">peak efficiency between simulation and measurement for 662 keV photons from</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;"><sup>137</sup>Cs. The inner components of a detector appeared to have significant impact on</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">agreement between simulation and measurement and components contributing to</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">this impact were identified.</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">Regarding the PTV ratio three HPGe detectors were compared with respect to their</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">angular PTV ratio response, to prepare for a sensitive approach on estimating</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">deposition penetration depth of <sup>137</sup>Cs <i>in situ</i>. Detectors of sizes ranging from 18% to</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">123% in relative efficiency showed similar PTV ratios for incident angles between 0°</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">and 90° when using a 30 keV valley interval. The point source measurements showed</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">that a field of view of about 3 m in radius was a good choice presenting the possibility</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">to resolve whether the deposition is on the ground surface or has penetrated beneath</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">the surface.</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">When the detector systems were brought to the fallout areas outside Fukushima</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">Daiichi in Japan the evaluation of the <sup>137</sup>Cs PTV ratios showed perturbation, which</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">was ascribed the presence of <sup>134</sup>Cs. The laboratory investigations of this perturbation</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">showed a significant disturbance down to a <sup>134</sup>Cs:<sup>137</sup>Cs ratio in the deposition of</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">1:100. To follow up on earlier results indicating an improvement in the reliability of</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">the PTV ratio for both <sup>137</sup>Cs and <sup>134</sup>Cs, a collimator was applied at the <i>in situ</i></p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">measurement locations in the Fukushima Daiichi region. The collimation increased</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">the PTV ratio significantly for <sup>134</sup>Cs but not so for <sup>137</sup>Cs when both radionuclides</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">were present. This indicated that the <sup>134</sup>Cs PTV ratio should be used instead of that</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">for <sup>137</sup>Cs the first decade after an accident where both cesium radionuclides are</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">released. If no <sup>134</sup>Cs is present the collimator will successfully improve the <sup>137</sup>Cs PTV</p><p style="margin: 0px; font-size: 11px; line-height: normal; font-family: Helvetica;">ratio due to the advantages of limiting incident angles to those close to the detector.</p>},
  author       = {Östlund, Karl},
  isbn         = {978-91-7753-240-8},
  keyword      = {In situ gamma spectrometry},
  language     = {eng},
  pages        = {76},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science},
  school       = {Lund University},
  title        = {Methods for localizing and quantifying radionuclide sources and deposition using in situ gamma spectrometry : Critical review of the peak-to-valley method based on experimental studies and applications in Georgia and Japan},
  year         = {2017},
}