Måling af radioaktivitet fra luften - Viden (JP)

More documents

Recommendations

Info

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
Page 1: Måling af radioaktivitet fra lufte

Måling af radioaktivitet fra luften - Viden (JP)

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?