Måling af radioaktivitet fra luften - Viden (JP)

Måling af radioaktivitet
fra luften
Radioaktivitet
Radioaktiviteten på
Bornholm er for nylig
blevet kortlagt fra luften.
Selvom dette lyder ligetil
har projektet krævet radikal
nytænkning og udvikling
af helt nye
beregningsmetoder.
Af Uffe Korsbech og
Helle Karina Aage
Nød lærer nøgen kvinde
at spinde – siger et
gammelt ordsprog og
hentyder til, at hvis mennesker
virkelig kommer i bekneb, så
findes der altid en løsning på et
problem. Det er en sådan situation,
der har gjort Danmark til
“verdensmester” i måling af
lave niveauer af radioaktiv forurening
og naturlig radioaktivitet
over store landområder.
Det startede en dag i 1992
ved eftermiddagsteen på Afdelingen
for Elektrofysik – AEF –
(nu Institut for Automation) på
Danmarks Tekniske Universitet
(DTU). Der var besøg fra
Beredskabsstyrelsen i anledning
af, at man gerne ville starte et
samarbejde om at få opbygget
et luftbåret dansk målesystem
til hurtig kortlægning af radioaktivt
nedfald. Det var havariet
af Tjernobyl-reaktoren i 1986,
som gjorde, at man ikke ville se
bort fra muligheden for forurening
fra et havari på et andet,
tilsvarende østeuropæisk Akraftværk.
En stor udfordring
Opgaven lød meget interessant.
På AEF havde man i adskillige
år arbejdet med at måle naturlig
radioaktivitet i borehuller i
jorden; så hvorfor ikke prøve at
måle radioaktivitet fra luften
også? Der var bare et lille
“men” ved sagen, blev det oplyst.
Det var myndighedernes
krav om, at udstyret skulle være
i stand til at kortlægge en forurening
af den størrelse, som
Danmark blev ramt af efter
Tjernobyl-havariet; og det var
en meget svag forurening –
langt mindre end det naturlige
strålingsniveau her i landet.
I andre europæiske lande
havde man allerede luftbåret
måleudstyr til opmåling af radioaktivt
nedfald, og næsten
alle steder havde det politiske
krav til følsomhed været, at
man skulle være i stand til at
kortlægge en forurening af
samme styrke som den, det
pågældende land blev ramt af
ved Tjernobyl-havariet. Da
disse lande havde fået en væ-
Disse flotte ispolerede klipper med hellerisninger er også svagt radioaktive!
Grundfjeld ved Sandvig tæt ved Hammeren på Nordbornholm.
Foto: Kaj Raunsgaard Pedersen
sentligt kraftigere forurening
end Danmark, var en meget
stor følsomhed ikke nødvendig.
Det var den derimod for det
planlagte danske udstyr.
Det helt usædvanlige krav
virkede fristende, og et langvarigt
samarbejde blev igangsat.
De bedste, store gammastålingsdetektorer
i verden blev
indkøbt, og sammen med dem
blev der anskaffet elektronisk
analyseudstyr. Det hele blev
afprøvet i en kælder på DTU,
og et år senere blev de første
luftbårne prøveopmålinger gennemført
ved Vandel i Sønderjylland.
Det var nemlig Hærens
helikoptere fra flyvestation Vandel,
der var bedst egnede til at
indgå i et dansk beredskab for
opmåling af radioaktivt nedfald.
Nye metoder skulle udvikles
Da resultaterne for de første
opmålinger ved Vandel forelå,
blev det klart, at der skulle gøres
en meget stor indsats, før
udstyret kunne foretage en opmåling
ved de krævede lave
niveauer. Jens Hovgaard startede
et ph.d.-projekt ved DTU
rettet mod at “presse” de bedste
oplysninger ud af målte
gamma-spektre.
Selvom udstyret var det bedste,
der kunne købes i verden,
var det ikke stabilt nok. I et
samarbejde med leverandøren
blev der derfor lavet om på
både hardware og software.
Derefter var der selve databehandlingen.
Her måtte der
udvikles noget helt nyt. På
grund af statistiske udsving ser
de målte spektre forskellige ud.
(Oftest med en måling pr. sekund.)
Men principielt kan alle
målte spektre bygges op af
nogle få grundspektre. I årevis
har forskere søgt at finde sådanne
grundspektre for naturlig
16 Aktuel Naturvidenskab 2/2000

NASVD står for "Noise Adjusted
Singular Value Decomposition". Inden
for statistik kendes en metode kaldet
"Singular Value Decomposition". Den
benyttes til at uddrage fælles træk ved
mange sæt af samhørende data. Et
gamma-spektrum er et sådant sæt af
samhørende data, nemlig fordelingen
af tælletal (registreringer) i forskellige
energi-intervaller, som spektrene kan
opdeles i. Måler man flere gange meget
længe et bestemt sted (og med
detektoren i en bestemt højde) vil man
altid nå frem til det samme glatte spektrum.
Måles der kortvarigt, vil den statistiske
"støj" (usikkerhed) få spektrene
til at se forskellige ud. Men bag ved
disse støjfyldte spektre "gemmer" det
rigtige spektrum sig – og man kan få
det frem ved at tage middelværdien af
de målte spektre. Flytter man sig til et
andet sted, gælder det samme; kun
ved at måle længe eller mange gange
finder man det rigtige spektrum.
Ved en luftbåren opmåling kan
man kun bruge ét sekund på hvert
Måling af gamma-fotoner
Når man flyver i 100 m højde over et
landområde, kan man måle gammastrålingen
fra radioaktivitet på og i jorden.
Gamma-fotoner (kvanter) kan
måles flere hundrede meter over jordoverfladen,
men der bliver færre og
færre, jo længere man når op.
Fotonerne kan nemlig støde mod
elektronerne i luftens atomer. Herved
skifter fotonerne retning og mister
energi. Typisk starter en gamma-foton
med en energi på mellem 200 keV og
2000 keV (kilo elektronvolt). Efter 2-10
sammenstød mod elektroner er
fotonernes energi nået ned under 100
keV, og så kan de absorberes helt af
luftens atomer og forsvinder altså.
Gamma-fotoner, der udsendes fra
forskellige radioaktive stoffer, har forskellig
energi. Energien kan derfor benyttes
som et “fingeraftryk“ af det stof,
der udsendte fotonen. Det benyttes
f.eks., når man måler gamma-strålingen
i borehuller. Den naturlige
gamma-stråling stammer fra kalium,
uran og thorium samt henfaldsprodukter
af de sidstnævnte to grundstoffer.
Da ler, sand, kalk, tørv m.m.
radioaktivitet bl.a. ved at måle
eller beregne enhedsspektre for
uran, thorium og kalium for to
eller flere flyvehøjder. Men det
er ikke lykkedes at finde grundspektre,
der kan bruges i praksis.
Den nye metode: NASVD
"sted". De målte spektre er derfor forskellige
- både fordi der måles forskellige
steder og på grund af den "statistiske
støj". Men bag ved de målte, "støjfyldte"
spektre ligger der spektre, der
har mange ligheder. De skyldes jo alle
et begrænset antal radioaktive stoffer;
og de er alle målt i 80-100 m højde, så
det er næsten den samme mængde
luft, der hele tiden dæmper strålingen.
NASVD er en regne-metode, hvor
alle målte spektre indgår i en række
matrix-beregninger, der som resultat
giver en række "grundspektre" – kaldet
spektrale komponenter. Beregningerne
fortæller også, hvor meget af de enkelte
spektrale komponenter, man skal
medtage for at "rekonstruere" de målte
spektre. Man kan foretage en fuldstændig
rekonstruktion, der også omfatter
den “statistiske” støj indeholdt i de målte
spektre. Det gør man ikke – man benytter
kun de spektrale komponenter, der
indeholder reel information. Herved fås
rekonstruerede spektre, der svarer til
de målte spektre uden disses statisti-
indeholder forskellige mængder af
disse stoffer, “fortæller” gamma-strålingen,
hvilke geologiske aflejringer
der befinder sig omkring borehullet i
forskellige dybder.
Når man måler gamma-stråling,
der har passeret 100 m luft, udviskes
de karakteristiske energier for stråling
fra forskellige stoffer, og det bliver sværere
at “tolke“ de målte gamma-spektre
– altså sammensætningen af fotoner
af mange forskellige energier.
Til at måle gamma-spektrene benyttes
en stor glasklar krystal af NaI
på 80 kg. En gamma-foton, der rammer
ind i en stor krystal, vil ofte miste
al sin energi, som i krystallen omdannes
til lys. Jo mere gamma-energi, jo
kraftigere lys. Krystallen tilkobles nogle
lysfølsomme detektorer, der laver
lysglimtene om til kortvarige elektriske
spændinger, der efterfølgende
sorteres efter størrelse. Herved konstaterer
man, hvor mange gammafotoner
af forskellig energi, der er
opfanget af detektoren - dvs. man får
opmålt et gamma-spektrum.
Jens Hovgaard gik en anden
vej. Han lod måleresultaterne
selv “bestemme”, hvordan
grundspektrene (komponenterne)
skulle se ud. Metoden
kaldes NASVD (Noise
Adjusted Singular Value
Aktuel Naturvidenskab 2/2000 17
ske støj. Beregningen af koncentrationer
af radioaktive stoffer ud fra de rekonstruerede
spektre giver derfor bedre
resultater end benyttelsen af de målte
spektre.
Et radikalt brud
Anvendelsen af NASVD-metoden er et
meget radikalt brud med tidligere metoder
for uddragning af information fra
gamma-spektre. Går man et skridt videre
end til at benytte rekonstruerede
spektre, skal man tænke på en helt ny
måde – og helst have et godt kendskab
til matrix-regninger. Uden for Danmark
og Canada, hvor metoden indtil nu er
blevet benyttet, er selv forskere meget
tøvende over for den nye metode. For
nogle forekommer det at være magi, at
man kan rekonstruere spektre, der er
bedre end de enkelte målte spektre.
Magi er det nu ikke, og det, der gøres,
er reelt blot, at man på en snedig måde
lader alle spektre i et målesæt "være
med til at bestemme", inden for hvilke
rammer, de enkelte rekonstruktioner
100.00
Tælletal Målt spektrum
10.00
Cs
1.00
0.10
0.01
"Radon"
skal ske.
I princippet kan NASVD-metoden
benyttes overalt, hvor man skal hente
information ud af et stort antal gammaspektre.
Det nyeste er en ide med at
benytte to forskellige detektorer samtidigt
til luftbårne opmålinger. Med en
stor NaI detektor kan man foretage
hurtige målinger (og det gør man i dag).
Men er der mange forskellige radioaktive
stoffer til stede – hvilket kunne
være tilfældet efter et stort nukleart
uheld – kan de ikke identificeres med
en NaI detektor. Det kan man til gengæld
med en detektor med en Gekrystal.
Men denne kan ikke måle hurtigt.
Hensigten er så, at Ge-detektoren
skal “fortælle”, hvilke stoffer der er målt
under en overflyvning, mens NaI-detektoren
skal “fortælle”, hvor de findes.
De første laboratorieforsøg med
afprøvning af denne metode foregår
for tiden på DTU. Går det efter planen,
kan metoden præsenteres ved en stor
international øvelse i opmåling af radioaktivitet,
der skal afholdes i 2001.
Rekonstrueret spektrum
0 Energi
Figuren viser én af anvendelserne af den nye databehandling.
Der ses et typisk spektrum for 6 sekunders måling med naturlig radioaktivitet samt
cæsium-137 (dobbelt så meget som i Dannmark). Der ses „toppe“, der skyldes
stråling fra thorium, uran, kalium og cæsium-137; og ved siden af cæsium-137
anes stråling fra radon. Cirklerne viser det målte spektrum, mens den fuldt optrukne
kurve er det rekonstruerede spektrum.
På grund af „statistisk støj“ svinger punkterne (cirklerne) for det målte spektrum op
og ned omkring det rekonstruerede spektrum. Dette kan opfattes som det ideelle
spektrum for en meget langvarig måling, hvor den statistiske støj er blevet meget
lille. Ved rekonstruktionen har man udnyttet viden fra flere tusinde andre spektre
i samme måleserie.
Decomposition – se boks). Ved
metoden mister man i første
omgang alle oplysninger om
mængden af den radioaktivitet,
som har givet strålingen. Men
komponenterne kan bruges til
at rekonstruere de målte spektre
K
U
Th
(næsten) uden statistisk støj, og
herved kan man afsløre detaljer,
der ellers drukner i støjen. Cæsium-137,
der kun leverer 2-3
procent af den samlede stråling,
kan på denne måde måles og
kortlægges.

Helikopteren “hænger” i luften over et
fladt område på Bornholm, hvor man
kender koncentrationerne af uran,
thorium og kalium i jorden. På den
måde kalibrerer man udstyret, dvs.
finder sammenhængen mellem gammaspektrenes
form og indholdet af den
naturlige radioaktivitet i jorden.
Radioaktivitet i Letland
De første større opmålinger
blev foretaget i Letland. Det
startede så småt i 1995, og i
1996 blev mange områder
opmålt af Kim Bargholz og
Frank Andersen. Formålet var
dels at søge efter “forsvundne”
radioaktive kilder fra Sovjettiden,
dels at kortlægge cæsium-137
forureningen i udvalgte
områder. Der blev ikke
fundet radioaktive kilder ud
over nogle sten fra en tidligere
skorsten på en fabrik. Ved et
uheld var man på et metalanlæg
kommet til at smelte en radioaktiv
kilde, og radioaktiviteten
havnede i skorstenen. Det viste
sig i øvrigt, at der var lige så
lidt forurening fra Tjernobyl
som i Danmark. Det blev også
konstateret, at cæsium-forureningen
i skovområder og især i
moseområder lå meget tæt ved
overfladen af jorden, mens cæsium-137
i landbrugsområder
var blandet ned i jorden, så
man næsten ikke kunne måle
strålingen herfra.
I forbindelse med den efterfølgende
databehandling i Danmark
udviklede Helle Karina
Aage (DTU) sammen med Jens
Hovgaard en metode til at bestemme
“indholdet” af cæsium-
137 i de målte spektre. Metoden
viste tydligt, at i moser blev
cæsium-137 holdt tæt oppe ved
jordoverfladen, så moser fremstod
som “røde pletter” på
forureningskortene. I et område
med i øvrigt meget lave cæsium-niveauer
var der dog en
rød plet på 100 m i diameter,
der ikke var en mose (se figur).
Det geografiske kort, der var til
rådighed, viste et åbent område
med nogle få bygninger. Her
Radioaktive
jordlag
Forskellige jord- og bjergarter indeholder
radioaktive mineraler. På det
sydlige Bornholm findes der jordlag,
som geologerne kalder alunskifre.
Lagene, som har et forhøjet uranindhold,
er aflejret på bunden af et
hav under en meget langvarig
“forureningsepisode”, hvor dødt organisk
materiale har opslugt al ilten
i vandet. Lagene er meget gamle
– de stammer fra den geologiske tid
Kambrium dvs. 500 mio. år før nu. I
følge gamle målinger har skifrene et
uranindhold på 100 gram uran pr.
ton skifer. I alunskiferområdet er der
også let forhøjede niveauer af K og
Th.
Visse typer af granit indeholder
også radioaktive mineraler, hvilket
ses på kortet ved Rønne og Hammeren.
Andre steder i Danmark antyder
forhøjede K-niveauer i ler-aflejringer,
at der er en del illit heri. Indholdet af
Th i lerede aflejringer er stærkt afhængig
af "kilden" til lermineralerne.
Blandt mineraler (i sandkornsstørrelse)
i Danmark synes zirkon at være
den vigtigste “uran-bærer”.
I det ikke-bornholmske Danmark
er Th i mineraler især knyttet til
monazit, som kan indeholde meget
høje koncentrationer af Th.
burde der ikke være forhøjet
cæsium-137 niveau. I længere
tid troede man derfor, at beregningsmetoden
alligevel ikke var
så god. Men under et besøg i
Letland i 1999 blev den mystiske
“røde plet” undersøgt. Det
viste sig, at et savværk havde
opsamlet en enorm bunke af
grene og bark. Så selv om cæsium-forureningen
på egnen
var meget lille, var der dog opsamlet
så meget på nåle og
bark, at det tydeligt registreredes
ved den nye metode. Ved
tidligere kendte metoder ville
man ikke have opdaget, at der
var cæsium-137 til stede.
Opmåling af Bornholm
I sommeren 1999 afsluttedes en
opmåling af den naturlige radioaktivitet
på Bornholm. I
næsten 100 år har man vidst, at
den bornholmske undergrund
er mere radioaktiv end andre
steder i Danmark, men der var
ikke foretaget nogen systematisk
undersøgelse. Hertil kom,
at man de senere år havde konstateret,
at radon-niveauerne i
indeluften i en del bornholmske
huse var så høje, at der
burde sættes ind herimod. Radon,
som er en ædel gasart,
fremkommer ved radioaktivt
henfald af naturligt radium,
som findes sammen med uran i
Kortet viser meget lave cæsium-137
niveauer ved Saldus i Letland. De
højeste niveauer (større, røde pletter)
falder næsten alle sammen med
moseområder. Men en af pletterne gør
ikke; og det gav længe hovedbrud.
18 Aktuel Naturvidenskab 2/2000

jorden. Indånding af radon
menes at indebære en risiko for
lungekræft. Et af formålene
med opmålingen af Bornholm
var derfor at kontrollere, om man
kendte alle “radon-områder”.
Der blev fløjet i 80-100 m
højde i lige linier i retningen
nord-syd eller omvendt. Hvert
sekund blev der opmålt og
gemt et gamma-spektrum. Afstanden
mellem flyvelinierne
var 250 m. Detektorerne kan
“se” ca. 150 m til siden, så hele
området blev dækket bortset fra
selve byen Rønne. Dels må
man under normale forhold
ikke flyve i 100 m højde over
større byområder, dels ville
detektorerne ikke kunne “se”
jorden, som jo her dækkes af
bygninger. Øens få minkfarme
blev heller ikke overfløjet; mink
bryder sig absolut ikke om lyden
fra en stærkt støjende helikopter.
Strålingen på Bornholm
Den målte fordeling af uran
viste ingen større overraskelser.
Alle steder, hvor grundfjeldet
Foto: Valdemar Poulsen
når tæt op til jordoverfladen,
ses de højeste urankoncentrationerne.
Det gælder således for
kystklipperne mod vest, nord
og øst. Stenbrud ses også tydeligt
– f. eks. øst for Rønne. På
Alunskifer ved Læsåen på Sydbornholm.
Aktuel Naturvidenskab 2/2000 19
Kortet over “uranforekomster”, som er
et af resultaterne af kortlægningen af
Bornholm. Bemærk de kraftigt røde
områder ved Hammeren, Rønne og
Læsåen.
Gengivelsen her yder ikke kortet fuld retfærdighed,
da der er tale om et indscannet papirprint.
forhånd var man også klar over,
at alun-skiferen ved Læsåen
indeholder en del uran. Derimod
var det lidt overraskende,
at der også er forhøjet uran i to
områder ved sydkysten. En
undersøgelse på stedet viste
imidlertid, at markjorden i områderne
indeholder en betydelig
andel sten fra alunskiferen. I de
to områder er der også let forhøjede
koncentrationer af
thorium og kalium, så det samlede
strålingsniveau er lige så
højt som over nordkystens klipper.
Det kraftigste strålingsniveau
(målt med håndbårne
detektorer) findes dog ved det
nedlagte stenbrud på Hammeren.
Ikke blot indeholder granitten
en del naturlig radioaktivitet,
men her bestråles man
både nedefra og fra siden.
På Dueodde er strålingsniveauet
meget lavt. Sandet her
indeholder meget lidt naturlig
radioaktivitet. (Kun kalk som f.
eks. i Faxe kalkbrud er mindre
radioaktivt.)
Bornholmsopmålingerne blev gennemført
i et samarbejde mellem
Beredskabsstyrelsen, Danmarks
Tekniske Universitet, Hærens Flyvekorps,
Beredskabscenter Bornholm,
Statens Institut for Strålehygiejne
samt Danmarks og Grønlands Geologiske
Undersøgelse.
Om forfatterne
Uffe Korsbech er lektor og
Helle Karina Aage er
forskningsasistent ved
Institut for Automation
DTU, Bygning 326-327
2800 Lyngby
Tlf.: 4525 3550
Fax: 4588 7133
www.iau.dtu.dk
Yderligere oplysninger
Se nærmere om Bornholmsopmålingerne
på internetsiderne:
www.iau.dtu.dk/bornholm/
index.html eller
www.beredskabsstyrelsen.dk/info/
bornholm/bornholm.htm
www.beredskabsstyrelsen.dk/nuc/
nukleartkontor.asp