Environmental monitoring using multicoincidence nuclear spectroscopy

Abstract

A multicoincidence set-up for environmental monitoring first presented by Hrabar et al., 2025 was further characterized and developed using additional samples and improved detector components. The set-up consists of a single-sided silicon strip detector (SSSD) and a system of high-purity germanium (HPGe) crystals called COMPEX, surrounded by an anti-Compton shield (ACS) consisting of bismuth-germanate (BGO) crystals. Two different types of triggers for event recording were compared to evaluate the efficiency of removing background radiation effects by using gamma spectroscopy. This was done by measuring an aerosol filter sample collected from a crawlspace in Lund. To further validate the set-up, samples, provided through the IAEA-TERC tests for detector efficiency and activity measurements, were analyzed. The geometric efficiency of the COMPEX system operated in coincidence with the SSSD was evaluated and minimum detectable activities (MDAs) were determined. This was done for samples containing only Cs-134 as well as samples containing a mix of Cs-134 and Sr-90. The results showed that background interference was significantly reduced when using SSSD-initiated multicoincidence recording as opposed to using indiscriminate gamma-ray recording. This meant that the gamma-ray energy peaks in spectra could be unequivocally attributed to the decay chain of the filter sample isotopes and not background radiation. Furthermore, the determined detector efficiencies and subsequent MDAs did not vary significantly for a mixed sample compared to a sample containing only one isotope. This means that the set-up can perform well in analyzing samples consisting of more than one isotope.

Popular Abstract (Swedish)

Hur ofta tänker du på radioaktiv strålning? Inte så ofta, är förmodligen svaret för gemene man. Men strålning finns alltid runtomkring oss och varierar bara i mängd och styrka. Varje gång du vänder ansiktet mot solen bombarderas du av det. Om du går in i en grotta genomsyrar det luften omkring dig. Konsekvenserna av att exponeras för väldigt hög strålning varierar från omedelbar sjukdom till cancer som kan ge sig till känna först efter årtionden. Strålning har ingen doft, syns inte och gör inga ljud. Så hur vet vi att det finns och hur farligt det är?

Radioaktiv strålning uppstår när atomens innersta kärna är för instabil för att hålla sig samman. Atomkärnan frigör då lite av sin energi som strålning, antingen genom partiklar eller ljus, i en process som kallas för radioaktivt sönderfall. Detta sker ofta steg för steg tills en stabil atomkärna har uppnåtts. I din kropp kan det hända så ofta som 8000 gånger per sekund!

All strålning är inte den samma, och strålningsdetektorer måste vara anpassade för partiklar, som har massa och laddning, eller ljus, som är masslöst och neutralt laddat. Beroende på vilken sorts strålning som frigörs och vilken energi den har kan vi bestämma sönderfallskedjan och slutligen vilket det ursprungliga ämnet var, den så kallade radioisotopen. Detta hjälper oss att spåra ursprunget av strålningen; det kan komma från till exempel rymden, naturlig sten, tobak, kärnkraftverk eller kärnvapen.

Historiskt sett har radioaktiva prover bestämts delvis med gamma spektroskopi. Gamma strålning är ljus som radioisotopen avger som inte är synligt för ögat. Ljuset har åtskilda energier vilket agerar som ett fingeravtryck för radioisotopen och kan användas för att identifiera den. Men de flesta radioaktiva ämnen avger laddade partiklar tillsammans med ljuset. Att titta på dessa två sorters strålning tillsammans kan ge en ännu tydligare bild av ett prov genom att minska påverkan från utomstående radioaktiva ämnen. Det här kallas koincidensmätning, och det är ett relativt outforskat sätt att mäta strålning i miljön.

Se det som en polisuppställning, där varje person i uppställningen är en enskild energi i ljusspektrumet, en medbrottsling till den huvudmisstänkta radioisotopen. Vi kan avfärda energier som vi med säkerhet vet inte har något att göra med den misstänka, för att det inte fanns något samband mellan en laddad partikel och ljus. Det gör att vi med större säkerhet kan bestämma vem den misstänka radioisotopen är.

Koincidensmätning är ett nytt verktyg för att övervaka strålning i miljön och det ger oss mer tillit att bestämma radioaktiva källor och ursprunget av radioaktiva föroreningar. Det förbättrar tidigare metoder genom att damma av fingeravtrycket som hjälper oss identifiera det förövande ämnet eller ämnena. På så sätt belyser vi en fara vi inte kan se, lukta eller höra, samt ger oss en uppfattning om hur vi kan skydda mot den.

• author: Ademar, Bianca
• supervisor: Luis Sarmiento; Guillaume Pedehontaa-Hiaa
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSK04 20261
• year: 2026
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 9234256
• date added to LUP: 2026-06-17 13:34:25
• date last changed: 2026-06-17 13:34:25