Resumen:
La espectrometría gamma in situ con detectores de germanio hiperpuro es una técnica pasiva,
no destructiva, que permite la identificación y la cuantificación de los radionúclidos presentes
en el medioambiente. Esta técnica requiere una calibración en energía para la parte cualitativa
y una calibración en eficiencia para la parte cuantitativa, esta última calibración no es trivial,
ya que cada detector tiene una respuesta única y particular para cada energía de los fotones
gamma emitidos por radionúclidos en el medioambiente. Esta respuesta, en la geometría in
situ, depende tanto de las características del detector como de la distribución vertical y
horizontal de los emisores gamma.
Para este trabajo se realizaron dos calibraciones en eficiencia para el sistema de
espectrometría gamma in situ GeRe-3522 de la Unidad Académica de Estudios Nucleares de
la Universidad Autónoma de Zacatecas. La primer calibración consiste en calcular tres
factores que describen la respuesta del detector, para una energía determinada, en la
geometría in situ; la eficiencia a un haz paralelo de fotones en la línea central del detector
(𝑁̇0𝜑), el flujo de fotones que arriban al detector por unidad de actividad en el suelo (𝜑𝐴𝑠) y el
factor de corrección angular (𝑁̇𝑁̇0). Este último es el factor crítico de esta calibración, ya que
depende únicamente de las características del detector, y se determina como la integral de 0
a π/2 radianes de la función de respuesta angular del detector (ṄṄ0=1φ∫ φcos θcos θ2cosθ1Ṅ (θ)Ṅ0
d cos θ), la cual se determinó en forma empírica. Al tener estos tres factores, para cada energía de los rayos gamma de interés, es posible determinar la actividad específica de los radionúclidos presentes en el medioambiente a partir de mediciones in situ.
La segunda calibración se realizó mediante simulación del transporte de la radiación gamma
a través de la materia usando el método Monte Carlo con el código MCNPX del laboratorio
de Los Álamos (EUA), para las simulaciones se creó un modelo del detector, modelos de seis
suelos diferentes (seis composiciones químicas diferentes con cinco densidades diferentes
cada uno) y una fuente radiactiva inmersa en los suelos, esta fuente emite los fotones gamma
de las energías más abundantes en el medioambiente, que pertenecen a los radionúclidos de
la serie del torio, de la serie del uranio y del potasio-40 (normalizados a una abundancia
relativa de 1:1:1). A partir de las simulaciones de la interacción de la radiación gamma desde
que es emitida hasta que llega e interacciona con el detector, se obtuvieron los factores de
eficiencia absoluta que permiten convertir las mediciones in situ, de suelos con las
características simuladas, en actividad específica.
Descripción:
In situ gamma-ray spectrometry using hyperpure germanium detectors is a passive, nondestructive technique which allows both the identification and quantification of radionuclides
present in the environment. This technique requires an energy calibration (qualitative) and
an efficiency calibration as an energy function (quantitative); this last one is not trivial, since
each detector has a unique and a particular response for every gamma photon energy emitted
by radionuclides in environment. This response, in situ geometry, depends on both the
characteristics of the detector and the vertical and horizontal distribution of the gamma
emitters.
For this work, two efficiency calibrations were performed for the GeRe-3522 in situ gamma
spectrometry system of the Academic Unit of Nuclear Studies of the Universidad Autónoma
de Zacatecas. The first calibration consisted in calculating three factors that describe the
detector response for a given energy in the in situ geometry; Firstly, the efficiency of a
parallel beam of photons in the central line of the detector (
𝑁̇0
𝜑
),secondly, the flow of photons
arriving at the detector per unit of activity in the ground (
𝜑
𝐴𝑠
) and finally, the angular
correction factor (
𝑁̇
𝑁̇0
). The latter is a critical factor of this calibration, since it depends on the
characteristics of the detector, and is determined as the integral of 0 to π / 2 radians of the
detector's angular response function (
Ṅ
Ṅ
0
=
1
φ
∫ φcosθ
cos θ2
cos θ1
Ṅ (θ)
Ṅ
0
d cos θ) which was
determined empirically. By having these three factors for the energy of every gamma rays of
interest, it is possible to determine the specific activity of the radionuclides present in the
environment from an in situ measurements.
The second calibration was performed by simulating the transport of gamma radiation
through matter using the Monte Carlo method with the MCNPX code from the Los Alamos
(USA) laboratory. For the simulations a detector model was created, six-floor different
models (six different chemical compositions with five different densities each) and a
radioactive source immersed in the soils, this source emits the gamma photons of the most
abundant energies in the environment, which belong to the radionuclides of the thorium and
uranium series, and potassium-40 (normalized to a relative abundance of 1: 1: 1). From the
simulations of the interaction of the gamma radiation following its emition until it arrives
and interacts with the detector, the absolute efficiency factors were obtained to allow
converting the in situ measurements of soils with the simulated characteristics, into specific
activity.