Neutronimenetelmällä mahdollista määrittää puun ominaisuuksia

Transkriptio

1 Neutronimenetelmällä mahdollista määrittää puun ominaisuuksia Julkaisu: Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä & Ari Virtanen. Perusteet puun ominaisuuksien mittaamiseksi neutronimenetelmällä. Metsätehon raportti 205, s. Kirjoittajien yhteystiedot: Jyväskylän yliopisto, fysiikan laitos

2 Projektin tavoitteet ja menetelmät Kosteuden nopea tai on-line -mittaus kokopuusta on ollut haaste puuteollisuudelle vuosikymmeniä Kosteuden, tai kuiva-aineen, määritystä on kaivattu varsinkin kuitupuun mittaukseen Erityisesti puun pinta- ja sisäosien kosteusero vaikeuttaa oikeiden ja luotettavien mittaustulosten saantia mm. sähköisillä, mikroaalto ym. tekniikoilla Tarvitaan menetelmä, joka mittaa puun kokonaiskosteuden Tavoitteena oli selvittää, pystytäänkö neutroniaktivaatiomenetelmällä mittaamaan puun kosteuspitoisuutta ja mahdollisesti myös muita ominaisuuksia Mittauksen kohteena ovat alkuaineiden suhteelliset osuudet puussa, kosteuden tapauksessa vety ja hiili Hiilen osuus puussa on melko vakio, vedyn määrä muuttuu kosteuden funktiona Kosteuden kasvaessa vety/hiili-suhteen tulisi kasvaa Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 2

3 Neutroniaktivaatiomenetelmästä PGNAA eli herätegammaneutroniaktivaatio perustuu neutronisieppauksessa vapautuvan karakteristisen gamman mittaukseen. Neutronisieppaus on yksi neutronien ja aineen välisistä vuorovaikutuksista ja se tapahtuu termisille neutroneille. Neutronisieppauksessa kohdeydin muuttuu raskaammaksi isotoopiksi reaktiolla A X(n,γ) A+1 X vapauttaen välittömän karakteristisen gammakvantin. Mikäli näin syntyy radioaktiivinen ydin, hajoaa se ytimelle tyypillisen viiveen kuluttua emittoiden mahdollisen uuden gammakvantin ja muita hajoamistuotteita. Karakteristisen gammakvantin energia paljastaa, minkä alkuaineen atomi neutronin sieppasi. Syntyneiden gammojen määrä on verrannollinen alkuaineen määrään. Mittaamalla puusta tulevaa gammaspektriä voidaan määrittää alkuaineiden suhteelliset määrät näytteessä. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 3

4 Mittaukset hakkeesta 1/2 Kesällä 2008 suoritettiin mittauksia pienellä puumassalla Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion tiloissa Mitattavana puuaineksena oli 80 litraa selluhaketta Haketta oli neljää eri kosteutta, näytteiden kosteussuhteet vaihtelivat välillä 5 % - 80 % Mittauksia tehtiin neljällä eri konfiguraatiolla ja käyttäen kolmea erilaista ilmaisinjärjestelmää Germaniumilmaisin (HPGe) HPGe antikoinsidenssivähennettynä BGO-suojan avulla Tuikeilmaisin (NaI) Neljäs mittausgeometria pienen puumassan mittauksissa. Mittauslaitteisto koostui germaniumilmaisimesta, haketta täynnä olevasta muovisaavista sekä neutronilähteestä. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 4

5 Mittaukset hakkeesta 2/2 Neutronilähteenä mittauksissa käytettiin isotooppilähdettä, kalifornium-252, jonka aktiivisuus oli neutronia/s. Käytetyt mittausajat vaihtelivat 12 tunnista muutamaan vuorokauteen. Mittauksissa todettiin, että käytetty näytekoko oli aivan liian pieni, jotta neutronit termalisoituisivat ja absorboituisivat siihen. Suurin osa mittaustulosten gammoista tuli muualta kuin hakkeesta (seinistä, katosta, lattiasta). Tämän jälkeen tehtiin koejärjestely, jossa mitattiin käytäntöä vastaavissa oloissa kuitupuukuormaa. Kaliforniumlähde vasemmalla ja lähteen polyeteenistä valmistettu säteilysuoja oikealla. Neutronilähde on suljettu teräskapseliin ja kapseliin on kiinnitetty muovitanko käsittelyn helpottamiseksi. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 5

6 Mittaukset mäntykuitupuunipuista Uudet mittaukset suuresta puumassasta tehtiin VTT Jyväskylän tiloissa Mitattavana oli noin 10 tonnia sekä tuoretta että ylivuotista, kuivunutta mäntykuitupuuta Tuoreen puun kosteus oli n. 55 % ja ylivuotisen n. 30 % Molempia puukasoja mitattiin noin 4 vuorokautta Tarvittavat neutronit tuotettiin 252 Cflähteellä ja ilmaisimena oli germaniumilmaisin Ilmaisimen ja lähteen välinen etäisyys oli 76 cm Yllä tuoreen puun ja alla ylivuotisen puun pino mittaushallissa Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 6

7 Käytetty laitteisto Mittauselektroniikka Ylätasolla mittaustietokone, jossa GRAINspektrianalyysiohjelma Alatasolla ilmaisimen käyttöjännitelähde, esivahvistimen jännitelähde, lineaarivahvistin ja AD-muunnin Germaniumilmaisin Ilmaisin oli nestetyppijäähdytteinen, nestetyppeä lisättiin 8 tunnin välein Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 7

8 Mittaustulokset Vasemmalla kuivasta puusta saatu mittausspektri, oikealla tuoreen puun spektri Spektreihin on suurennettu hiilen 1262 kev ja 3684 kev piikit ja niiden ympäristöä Spektreissä näkyy voimakas gammatausta, joka aiheutuu korkeaenergisistä gammoista, jotka eivät absorboidu kokonaan ilmaisimeen. Korkeaenergiset gammat aiheutuvat neutronien epäelastisista sironnoista. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 8

9 Mittaustulosten analysointi Mittaustulokset analysoitiin etsimällä spektreistä hiilen (1262 kev ja 3684 kev) ja vedyn (2223 kev) neutronisieppauspiikit ja tekemällä piikkeihin Gaussin käyrän mukaiset sovitukset. Sovituksista saatiin piikkien pintaalat, joita verrattiin toisiinsa. Tuloksista nähdään, että H/Csuhde kasvaa kosteuden kasvaessa. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 9

10 Päätelmät H/C-suhde kasvaa kosteuden kasvaessa, joten se antaa indikaation puuaineksen kosteudesta Menetelmällä mitataan kokonaiskosteutta, eivätkä tulokset ole riippuvaisia siitä, miten vesi on puuhun jakautunut Pintakosteus (lumi, jää) Rakennevesi (sidottu, vapaa tai kidevesi) Tulokset ovat verrannollisia kuivattamalla tehtyjen kosteusmääritysten kanssa Absoluuttisia kosteuspitoisuuksia ei tässä saatujen tulosten perusteella voida esittää, vaan tarvitaan sarja mittaustuloksia ja kosteuden vertailumäärityksiä. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 10

11 Jatkossa 1/2 Lyhyempi mittausaika on oleellinen sovelluksen kannalta. Minuuttiluokan mittausaikaan voidaan päästä suuremman neutronituoton omaavalla lähteellä. Isotooppilähteitä on vaikea saada hyvin suurina aktiivisuuksina ja niissä on ongelmansa käsittelyn sekä säilytyksen säteilyturvallisuudessa. Neutroneja voidaan tuottaa tarpeeksi suurella intensiteetillä neutronigeneraattoreilla, jotka ovat pienikokoisia hiukkaskiihdyttimiä. Ne voidaan kytkeä pois päältä, kun neutronien tuotanto ei ole tarpeellista. Neutronigeneraattoreilla saadaan helposti luokkaa neutronia sekunnissa, eli intensiteetti saadaan 1000-kertaistettua verrattuna käytössä olleeseen isotooppilähteeseen. Tällöin myös mittausaika lyhenee tuhannesosaan. Generaattorin avulla saadaan myös vähennettyä spektrien häiritsevää gammataustaa, sillä se poistaa spektristä yli 2,45 MeV epäelastisten sirontojen aiheuttamat gammat. Kosteussovellukseen sopiva neutronigeneraattori on mahdollista rakentaa ja testata Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 11

12 Jatkossa 2/2 Mittausajan lyhentyessä neutronigeneraattorin myötä on mahdollista suorittaa sarja kalibraatiomittauksia erikosteuksisista puista, joiden avulla saadaan menetelmä normitettua absoluuttisiin kosteuspitoisuuksiin. Käytettävä ilmaisin tulee olla vielä jatkokehityksessä suuren energiaresoluution omaava germaniumilmaisin, mutta lopullisessa sovelluksessa voisi tulla kyseeseen edullisempi tuikeilmaisin. Mittausjärjestelmän kehitys ja optimointi kannattaa tehdä, kun tarkka sovelluskohde on määritetty. Metsätehon tuloskalvosarja 3/ Suvi Päiviö, Taneli Kalvas, Timo Riikilä, Ari Virtanen 12