EXPLORANIUM GR-130 minispec- Gammaspektrometrin käyttöohje

Transkriptio

1 Pohjois-Suomen yksikkö Q 15/25/2006/1 Rovaniemi EXPLORANIUM GR-130 minispec- Gammaspektrometrin käyttöohje Pertti Turunen 2006

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä Tekijät Pertti Turunen Raportin laji Käyttöohje Toimeksiantaja Raportin nimi EXPLORANIUM GR-130 minispec-gammaspektrometrin käyttöohje Tiivistelmä Raportin ensimmäisessä osassa käsitellään aineen atomaarista rakennetta, radioaktiivisuuden perusteita, radioaktiivisuuden esiintymistä luonnossa, gammasäteilyn mittaamista sekä gammaspektrometriaa. Toisessa osassa esitetään EXPLORANIUM GR-130-gammaspektrometrin käyttöohje. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Gammasäteily, gammaspektrometria, EXPLORANIUM GR-130 minispec Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Q15 Kokonaissivumäärä 147 s. + 2 liitettä Kieli suomi Yksikkö ja vastuualue Pohjois-Suomen yksikkö / 501 Allekirjoitus/nimen selvennys Arkistotunnus Q 15/25/2006/1 Hinta Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Julkisuus Julkinen Pertti Turunen

3 GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Authors Pertti Turunen DOCUMENTATION PAGE Date Type of report User manual Commissioned by Title of report EXPLORANIUM GR-130 -gammaspektrometrin käyttöohje [= Instructions fo use of EXPLORANIUM GR-130 -gammaspectrometer] Abstract The first part of the report deals with the atomic structure of matter, principles of radioactivity, occurrence of radioactivity in nature, measurement of gamma radiation, and gamma ray spectrometry. The second part of the report presents instructions for use of EXPLORANIUM GR- 130-gammaspectrometer. Keywords Gamma radiation, gamma ray spectrometry, EXPLORANIUM GR-130 minispec Geographical area Map sheet Other information Report serial Q 15 Total pages 147 p. + 2 apps. Language Finnish Unit and section Northern Finland Office / 501 Archive code Q 15/25/2006/1 Price Project code Confidentiality Public Pertti Turunen

4 Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 AINEEN RAKENTEESTA JA STANDARDIMALLISTA Tiivistelmä Johdanto Aineen rakenteesta Kvanttiteoria Heisenbergin epämäärisyysperiaate Sähkömagneettinen vuorovaikutus Vahva ydinvoima Heikko ydinvoima Yhteenveto standardimallista 9 2 RADIOAKTIIVISUUS Tiivistelmä Historiaa Määritelmiä Nuklidikartta Sidosenergia Radioaktiivinen hajoaminen Alfa-säteily Beta-säteily Gamma-säteily Muita radioaktiivisuuden ja säteilyn lajeja 24 3 GAMMASPEKTROMETRIASTA Johdanto Gammasäteily Gammasäteilyn vuorovaikutus aineen kanssa Yleistä Valosähköinen ilmiö Comptonin sironta Parinmuodostus Lisää vuorovaikutuksista Muita vuorovaikutuksia Säteilyn mittaamisesta Yleistä Skintillaatiodetektori Puolijohdeilmaisin Mitä detektorissa tapahtuu Iso detektori Pieni detektori Todellinen detektori Todellisen detektorin mittaama gammaspektri. 42

5 3.6.1 Yleistä Summautuminen Röntgenspektrit Takasironta Annihilaatiosäteily Betaspektri Spektrimittauksista Muutamia spektrin kvantitatiivisia ominaisuuksia Tehokkuus Resoluutio Minimihavaittavuus Peak-to-Compton ratio Spektrin muodon riippuminen gamman energiasta Gammasäteilyn vaimeneminen aineessa Johdanto Geometrinen vaimeneminen Absorptiovaimeneminen Puoliintumispaksuus Keskimääräinen vapaa matka Tärkeimpien radionuklidien gammaspektrit Kalium Uraani Torium 62 4 LUONNON RADIOAKTIIVISUUDESTA Radioaktiivisuus luonnossa Puoliintumisajat Radioaktiiviset hajoamissarjat Primordiaaliset radioaktiiviset nuklidit Yleistä Kalium Uraani Torium Kosmogeeniset nuklidit Antropogeeniset isotoopit Radioaktiivisuuden käyttökohteita geotieteissä Radioaktiivisuuden esiintyminen kivissä Radioaktiiviset nuklidit Radionuklidien geologinen käyttäytyminen Radioaktiivisten alkuaineiden pitoisuudet pääkivilajiluokissa Gammamittaukset geotieteissä 86 5 SÄTEILYN SUUREET Johdanto Säteilykenttää luonnehtivat suureet Hiukkasten määrä Säteilyenergia Hiukkaskertymä Hiukkaskertymänopeus Energiakertymä 91

6 5.2.6 Energiakertymänopeus Vuorovaikutussuhteet Vaikutusala Matkavaimennuskerroin Massavaimennuskerroin Vuorovaikutustaajuus Energialuovutuksen massakerroin Jarrutuskyky Massajarrutuskyky Dosimetriasuureet Absorboitunut annos Absorptioannosnopeus Kerma ja cema Kermanopeus ja cemanopeus Säteilytys Säteilytysnopeus Annosekvivalentti Annosekvivalenttinopeus Radioaktiivisuuden suureet Aktiivisuus Ominaisuusaktiivisuus Hajoamisvakio Puoliintumisaika 98 6 EXPLORANIUM GR-130 MINISPEC-GAMMASPETROMETRIN KÄYTTÖOHJE Aluksi Akkujen lataaminen Mittaaminen GR-130:llä Datan tallentaminen muistiin Stabilointi Spektrimittaus Nuklidien tunnistuskirjasto Muisti SET UP-asetukset SPECVIEW-OHJELMA Yleistä Asennus Toiminta Kursorin käytöstä Kirjaston lataus GR-130:lle Muutama sana käytännön mittauksesta ESIMERKKEJÄ GR-130:LLÄ MITATUISTA SPEKTREISTÄ Taustasäteily Cesium Amerikium Torium-malmi Uraanimalmi 144

7 Kirjallisuusluettelo LIITTEET: Liite 1. Liite 2. Virheilmoitukset GR-130:n menut

8 1 1 AINEEN RAKENTEESTA JA STANDARDIMALLISTA 1.1 Tiivistelmä Vallitsevan atomiteorian mukaan maailmankaikkeuden materia koostuu muutamasta harvasta materiaalisesta alkeishiukkasesta ja niiden vuorovaikutuksia säätelevästä myös materiaalisesta voimavaikutuspartikkelista. Perushiukkasista elektroni on hyvin todennäköisesti todellinen alkeishiukkanen, mutta toiset niistä kuten protoni voidaan jakaa alkeellisempiin osiin. Vielä ei tiedetä ovatko niiden rakennuspalikat, kvarkit, aineen rakenteen perimmäinen pohja. Atomiteorian luonteeseen kuuluu, etteivät nämä palikat koskaan esiinny yksinään vaan yhden tai kahden muun kvarkin seurassa. Aineen pitämiseksi koossa niin atomi- kuin galaksitasollakin tarvitaan liimahiukkasia. Materiaalihiukkaset ja liimana toimivat voimanvälityshiukkaset voivat muuttua toisikseen, sillä suhteellisuusteorian mukaan aine ja energia ovat yhtä. Luonnon neljä perusvoimaa edellyttävät kukin oman liimahiukkasensa olemassaoloa, ja näistä toistaiseksi tunnetaan kolme. Ainetta makroskooppisella tasolla pitää koossa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen, fotoni, joka sitoo atomit molekyyleiksi ja atomitasolla vangitsee elektronit atomin ytimen ympärille. Ytimet koostuvat nukleoneista ja nämä edelleen kvarkeista. Kvarkitkaan eivät pysy yhdessä ilman omaa liimaansa, gluoneja, jotka muodostavat vahvan ydinvoiman. Radioaktiivista hajoamista säätelee heikko ydinvoima. Neljäs luonnon voimavaikutus, painovoima, poikkeaa muista eikä sen voimanvälityshiukkasta ole havaittu. Atomi- ja alkeishiukkasluokan hiukkasten käyttäytymistä säätelevät omat erikoiset lakinsa, joiden kokoelma tunnetaan kvanttiteorian nimellä. Makroskooppisessa maailmassa nämä lait vaikuttavat paradoksaalisilta. Niiden mukaan syy- ja seuraussuhteet eivät yksittäistapauksessa ole tärkeitä, vaikkakin hiukkasten määrän ollessa suuri niiden kokonaiskäyttäytyminen lähenee "terveen järjen" mukaista käyttäytymistä. Hiukkasia hallitsee myös ns. Heisenbergin epämääräisyysperiaate, jonka mukaan luonnon ehdottomien lakien rikkominen on sallittua ja tavallistakin kunhan rikos on riittävän pienimittakaavainen eikä lain rikkomisesta edes periaatteessa ole mahdollista jäädä kiinni. Tämä periaate tuottaa energiasta virtuaalisia hiukkasia joiden avulla esim. radioaktiivinen β-hajoaminen on mahdollista selittää. Jos energiaa on käytettävissä riittävästi, tavallisten alkeishiukkasten lisäksi syntyy useita tavallisissa oloissa tuntemattomia eksoottisia hiukkasia. Niitä ei tarvita maailmankaikkeuden rakentamiseen eikä syytä näiden olemassaololle tunneta. Siten vaikka nykyinen atomiteoria, standardimalli, kuvaakin alkeishiukkasten käyttäytymistä hyvin tarkasti, se ei selitä kaikkia ilmiöitä eikä siten voine olla lopullinen totuus. 1.2 Johdanto Vallitsevan atomiteorian, ns. standardimallin, mukaan maailmankaikkeuden materia koostuu ainehiukkasista ja niiden keskinäisiä suhteita säätelevistä voimavaikutuksista samaan tapaan kuin ihmisen kieli koostuu sanoista ja kielioppisäännöistä. Samalla tavalla kuin kielioppisääntöjen ilmaisemiseen tarvitaan sanoja, myös standardimallin mukaan useimmat voimavaikutusten välittäjät ovat materiaalisia. Aine ja sitä koossapitävät voimat ovat yhtä ja toisistaan erottamattomia, ja niiden hiukkaset voivat muuttua toisikseen.

9 2 Kemiallisin keinoin ainetta tutkittaessa päädytään molekyylitasolle eli tasolle, jossa kemialliset reaktiot tapahtuvat. Näissä reaktioissa alkuaineet eivät muutu toisiksi vaikka reaktion tulos saattaakin olla makroskooppisesti hyvin erilainen kuin lähtömateriaali. Kun molekyylien tutkimista jatketaan fysikaalisin menetelmin, todetaan niiden koostuvan alkeellisemmista hiukkasista, atomeista. Kiihdytinfysiikassa käytettävin menetelmin kuitenkin päädyttiin jo sata vuotta sitten johtopäätökseen, etteivät atomitkaan muodosta lopullista aineen rakenteen perustasoa. Atomin havaittiin koostuvan ytimestä ja sitä ympäröivästä elektroniverhosta. Elektroni on nykyisen käsityksen mukaan jaettavaksi mahdoton perushiukkanen - ei ole pienempiä hiukkasia miksi se voisi jakaantua mutta ydin on kyetty hajottamaan protoneiksi ja neutroneiksi sekä sadoiksi muiksi partikkeleiksi. Näiden rakenteessa ja käyttäytymisessä havaittiin säännönmukaisuuksia, joiden perusteella on päätelty niiden koostuvan standardimallin fundamentaalisimmista hiukkasista, kvarkeista. Standardimallikaan ei voi olla lopullinen teoria, koska se ei selitä kaikkea kuten sitä miksi hiukkasilla on massa. Malli ennustaa kuitenkin monet hiukkasten piirteet erittäin tarkasti, ja kvarkkienkin olemassaolo on todistettu viime vuosikymmenet kestäneen tutkimuksen tuloksena. Kaikki luonnon ilmiöt, radioaktiivisuus muiden mukana, voidaankin selittää elektronin sekä kvarkkien välisiksi vuorovaikutusilmiöiksi. 1.3 Aineen rakenteesta Standardimallin mukaan aine koostuu atomeista, joista pienimmän ytimen läpimitta on 1.6 fm eli 1.6*10-15 m. Ydintä kiertää yksi elektroni, jonka etäisyys ytimestä ja siten atomin keskipisteestä on 106 pm eli 106*10-12 m. Atomi on suurimmaksi osaksi tyhjää tilaa. Kaksi atomia voidaan kuitenkin siirtää vain niin lähelle toisiaan, että niiden elektroniverhot koskettavat toisiaan. Tällaisessa tapauksessa elektronit saattavat kuulua molemmille atomeille ja ne muodostavat molekyylin. Kemialliset reaktiot ovat atomien elektronien välisiä vuorovaikutuksia. Elektronit ovat pienimpiä alkeishiukkasia, niin pieniä, ettei niiden koosta voida sanoa muuta kuin että se on pienempi kuin m. Elektronien tunnetuin ja merkittävän ominaisuus on sähkövaraus, joka on kaikilla elektroneilla saman suuruinen. Kaikki luonnossa havaittavat tai ihmisen luomat varaukset ovat jaettavaksi mahdottoman alkeisvarauksen monikertoja. Historiallisista syistä elektronin varausta sanotaan negatiiviseksi. Elektronit kiertävät ydintä, jonka ympärille ne ajautuvat sähkömagneettisen voimavaikutuksen houkuttelemina. Sähkömagneettinen voima on yksi luonnon neljästä voimavaikutuksesta. Ydin vetää elektroneja puoleensa, koska se koostuu positiivisesti varatuista hiukkasista, protoneista. Protonin varaus on saman suuruinen kuin elektronin mutta vastakkaismerkkinen eli positiivinen. Protoni on n kertaa massiivisempi kuin elektroni ja siitä syystä atomin massa keskittyy ytimeen. Protonin lisäksi ytimessä on sähköisesti neutraaleja hiukkasia, neutroneita, jotka ovat (lähes) protonien kaltaisia varauseroa lukuun ottamatta. Protonien määrää ytimessä (Z) sanotaan atomin järjestysluvuksi ja protonien ja neutronien yhteismäärää atomipainoksi (A). Järjestysluku määrää sen minkä alkuaineen atomista on kysymys. Elektronien määrä atomin ympärillä on sama kuin protonien määrä ja atomi on tällöin kokonaisuutena neutraali. Neutroneja on sama määrä kuin protoneja tai hiukan enemmän. Alkuaineilla saattaa olla lukuisia isotooppeja, joilla on yhteinen järjestysluku mutta erilainen atomipaino. Makroskooppisessakin maailmassa on monia säilymislakeja, ja ne ihminen ymmärtää itsestään selvyyksinä: jokin ominaisuus kuten massa ei yksinkertaisesti voi kadota vaan sen minkä tahansa prosessin jälkeen on oltava sama kuin ennen prosessia. Säilymislait ovat tehokkaimpia työkaluja,

10 3 joilla hiukkasmaailman prosesseja voidaan tutkia ja tulkita. Hiukkasmaailmassakin on olemassa monia ominaisuuksia, joiden on säilyttävä. Erikoisilta nämä vaikuttavat siksi, että ominaisuuskirjat voidaan pitää tasapainossa luomalla ominaisuus ja antiominaisuus tyhjästä. Esim. fotoni, jonka varaus ja massa ovat nollia, saattaa muuttua elektronipositronipariksi. Näiden varaukset -e ja +e luodaan tyhjästä minkä luonto sallii, sillä kokonaisvaraus ennen muutosta on sama kuin sen jälkeen. Samalla fotonin energia muuttuu suhteellisuusteorian mukaisesti kahden aineellisen hiukkasen massaksi. 1.4 Kvanttiteoria Atomaaristen partikkelien käyttäytymistä voidaan kuvata klassisen mekaniikan ja arkipäivän käsittein molekyylitasolle saakka. Atomien ja alkeishiukkasten käyttäytymisen on havaittu poikkeavan radikaalisti makroskooppisten kappaleiden "terveen järjen" mukaisesta käyttäytymisestä. Tätä hiukkasten käyttäytymisteoriaa kutsutaan kvanttiteoriaksi. Sen lakien alaisten hiukkasten väliset vuorovaikutukset saattavat olla makroskooppisen maailman käsittein tarkasteltuina paradoksaalisia, mutta ne ovat niitä sääntöjä joita hiukkaset noudattavat ja tottelevat. Elektronien kiertoliike ytimen ympäri on yksi näitä käsittämättömiä ilmiöitä. Kiertoliikkeessä olevan hiukkasen tulisi menettää koko ajan liike-energiaansa säteilemällä, ja näin sen tulisi syöksyä ytimeen sähkömagneettisen vetovoiman vetämänä. Näin ei kuitenkaan tapahdu. Luonto kieltää elektronia syöksymästä ytimeen. Kvanttiteorian keskeisiä käsitteitä on hiukkasten aalto-hiukkasdualismi. Klassisessa fysiikassa voimavaikutuksia välittäväksi tekijäksi selitetään kentät, jotka siirtävät energiaa aaltoina. Aaltoja ei voida pitää äärellisinä kokonaisuuksina, eikä niiden energia sijaitse yhdessä paikassa, koska määritelmänsä mukaan aallon sijainti vaihtelee ajan mukana. Esim. ääniaalto on ilmanpaineen muuttumista ja vesiaalto vedenpinnan deformoitumista. Aallolla ei ole alkua eikä loppua ja esim. puhdas siniaalto toistuu 2π:n periodein. Hiukkaset taas ovat erillisiä homogeenisia kappaleita, joiden energia on keskittynyt äärelliseen tilaan. Hiukkaset sijaitsevat tietyssä paikassa, niitä voi olla vain yksi yhdessä paikassa ja siirtyäkseen paikasta toiseen hiukkasen on noudatettava kinematiikan, kiihtyvyyden, nopeuden ym. lakeja. Hiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa energia ja liikemäärä säilyvät. Magneetin ympäristössä vallitsee tunnetusti magneettikenttä. Jos kentän lähdettä siirretään, tieto siitä siirtyy kentän välityksellä valonnopeudella kaikkiin suuntiin samalla kun kenttään syntyy sähköinen komponentti. Kun kenttää tarkastellaan lähemmin, se tietyllä tavalla järjestetyissä kokeissa edelleenkin näyttää aallolta, mutta joissakin toisissa kokeissa vaikuttaa koostuvan hiukkasmaisista energiapakkauksista. Molemmat koetulokset ja niiden tulkinnat ovat oikeita kyseessä on kvanttimekaniikan mukainen hiukkasten aalto-hiukkasdualismi. Atomaarisilla hiukkasilla on sekä aaltojen että hiukkasten piirteitä, ja se kumpaa piirrettä kuvaavan tuloksen jokin koe antaa, riippuu siitä kumpaa kokeella mitataan. Jos ytimen ympärillä kiertävää elektronia ei havainnoida, luonto ei tee päätöstä siitä onko elektronilla enemmän aalto vai hiukkasluonnetta. Kun mitataan hiukkasluonteen ominaisuutta, luonto antaa hiukkaselle hiukkasominaisuudelle arvon mutta samalla tämän kanssa kytkeyksissä oleva aaltoluonneominaisuus jää epämääräiseksi. On huomattava, että aalto ja hiukkanen eivät ole sitä mitä alkeishiukkanen "tosiasiassa" on vaan ne ovat malleja, joiden avulla tilannetta tarkastellaan. "Totuus" on ainakin toistaiseksi väistänyt ihmisen ymmärrysyrityksiä.

11 4 Yksi kvanttiteorian perussääntöjä on hiukkasten keskinäistä kanssakäymistä säätelevä ns. Paulin kieltosääntö. Sen mukaan ainehiukkaset eivät voi olla samassa tilassa jos niiden kaikki kvanttiluvut ovat samoja; esim. atomissa ei ole kahta kaikilta ominaisuuksiltaan samanlaista elektronia. Kvanttiluvuilla tarkoitetaan atomaaristen hiukkasten ominaisuuksia. Toinen sääntö on Heisenbergin epämääräisyysperiaate. 1.5 Heisenbergin epämäärisyysperiaate Heisenbergin kvanttimekaanisen epämääräisyysperiaatteen mukaan on mahdotonta mitata samanaikaisesti hiukkasen paikkaa ja liikemäärää (nopeuden ja massan tuloa) mielivaltaisen tarkasti. Mitä tarkemmin toinen suureista tunnetaan, sitä epämääräisempi on toisen arvoa. Matemaattisesti sanottuna x * p 1 / 2 ħ, missä x = paikan epävarmuus p = liikemäärän epävarmuus ħ = h/2π = * Js h on Planckin vakio ja se on yksi luonnon perusvakioita. Tämä kvanttimekaniikan ehkä fundamentaalisin yhtälö tarkoittaa, että paikan ja liikemäärän samanaikaisen mittauksen epätarkkuus ei missään oloissa edes periaatteessa ole luonnon määräämää arvoa pienempi. Jos toinen suureista pystyttäisiin määrittämään ehdottoman tarkasti, toisen suureen arvosta ei samaan aikaan olisi mitään tietoa. Ilmiö voidaan kvalitatiivisesti selittää siten, että tarkkaan mittaukseen tarvitaan lyhytaaltoista valoa, koska yleensäkin tutkimussignaalin aallonpituus määrää sen miten tarkkoja havaintoja voidaan tehdä. Metrin mitalla ei voida mitata millin pituisia matkoja. Mittaukseen käytettävän valon aallonpituuden lyhetessä sen energia fysiikan lakien mukaan kuitenkin kasvaa, ja valon energia potkaisee tutkittavan hiukkasen pois. Hiukkasen paikka jää sitä epäselvemmäksi mitä enemmän aallolla on energiaa eli mitä lyhytaaltoisempaa se on eli mitä tarkemmin nopeus halutaan mitata. Suureiden epävarmuus ei ole kiinni siitä mitataanko niitä vai ei vaan niiden "todellisissa" arvoissa on ihmisestä riippumatta tämä määrittelemättömyys mukana. Sama periaate koskee paikan ja liikemäärän lisäksi kaikkia muitakin sellaisia suurepareja, joiden tulon dimensio on Joule*sekunti. Erikoisen tärkeän suureparin muodostavat energia ja aika. Hiukkasen energia saattaa hyvin lyhyen ajan poiketa runsaastikin siitä mitä energia oli juuri ennen tuota ajanhetkeä tai sen jälkeen. Tällä on hyvin perustavaa laatua olevia seurauksia. Kiihdytinkokeissa on nimittäin havaittu, että joissakin hiukkasten välisissä reaktioissa ainehiukkanen emittoi massiivisen voimanvälityshiukkasen, joka saman tien hajoaa kevyemmiksi partikkeleiksi. Koska voimanvälityshiukkasen energia saattaa olla paljon emohiukkasta suurempi, energian säilymisen periaate näyttää rikkoutuvan raskaan hiukkasen lyhyen eliniän ajaksi. Reaktio on kuitenkin sallittu Heisenbergin yhtälön saneleman lain nojalla. Massiivinen ja lyhytikäinen hiukkanen on virtuaalinen ja ilmiön jälkeen kokonaisenergia on sama kuin ennen sitä. Virtuaalinen hiukkanen on olemassa niin lyhyen aikaa, ettei sitä voida edes periaatteessa havaita. Atomaaristen hiukkasten elämässä virtuaaliset hiukkaset ovat jokapäiväistä todellisuutta. Luonto ei koe rikkovansa lakejaan luodessaan hiukkasia tyhjästä hyvin lyhyeksi aikaa. Reaalisia hiukkasia ympäröikin koko ajan pilvi virtuaalisia hiukkasia, jotka palaavat saman tien lähtöpaik-

12 5 kaansa ja katoavat jos ne eivät elinaikanaan tavoita vastaanottavaa hiukkasta. Jos näin tapahtuu, virtuaalinen hiukkanen joutuu toisen hiukkasen vastaanottamaksi ja muuttuu todelliseksi. Virtuaalinen hiukkanen saattaa muuttua todelliseksi jos käytettävissä on niin paljon ulkoisesta lähteestä saatavaa energiaa, että energialaina voidaan maksaa takaisin epämääräisyysperiaatteelle ennen laina-ajan umpeen kulumista. 1.6 Sähkömagneettinen vuorovaikutus Materian rakenteessa yhtä tärkeitä tekijöitä ainehiukkasten kanssa ovat ne voimavaikutukset, jotka kontrolloivat hiukkasten välistä kanssakäymistä. Voimavaikutuksia tunnetaan neljä, joista makroskooppisella tasolla tulevat esille painovoima ja sähkömagnetismi. Painovoima on heikoin kaikista luonnon voimavaikutuksista ja sillä on radioaktiivisuuden kanssa niin vähän tekemistä, ettei sitä tarkastella tämän enempää. Sähkömagneettinen voimavaikutus on luonnon voimista se, joka pitää aineen koossa makroskooppisella tasolla. Pöytälevyn lujuus, peilin heijastavuus ja nesteen viskositeetti ovat tämän voiman aiheuttamia minkä lisäksi se ilmenee sähköisinä ja mag -neettisina ilmiöinä sekä valona ja radioaktiivisena gammasäteilynä. Elektronit tuntevat tämän voimavaikutuksen positiivisesti varatun atomiytimen läheisyydessä ja sen vaikutuksesta joutuvat vangituksi ytimen ympärille. Vapautuminen vankilasta on mahdollinen, mutta vain jos siitä maksuksi tarvittava energia saadaan ulkoisesta lähteestä. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjä on teorian ja kokeidenkin mukaan energiapakkaus nimeltään fotoni (tai γ-kvantti). Se on puhdasta energiaa, massaton ja liikkuu aina valonnopeudella. Kun hiukkasen lähettämä virtuaalinen fotoni joutuu toisen hiukkasen vastaanottamaksi, fotoni muuttuu todelliseksi, hiukkaset tulevat tietoisiksi toisistaan ja niiden välillä vallitsee voimavaikutus. Hiukkasten voidaan katsoa pallottelevan fotonia välillään, ja voimavaikutus niiden välillä kestää niin kauan kuin pallottelu jatkuu. Sähkömagneettisen voimavaikutuksen voimakkuus pienenee etäisyyden neliön mukaan, mutta sen vaikutusala on ääretön. Kuvassa 1 esitetään kaavakuva standardimallin mukaisesta sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Kaksi elektronia lähestyy toisiaan ajan kuluessa vasemmalta oikealle. Elektroneja ympäröi virtuaalisten fotonien pilvi, ja keskellä kuvaa elektronit vaihtavat voimanvaikutusbosonin eli fotonin. Koska elektronit ovat samanmerkkisiä, ne tuntevat bosonin välittämän voiman karkottavana ja siksi ne alkavat siirtyä toisistaan poispäin. Sähkömagneettiset kentät, radioaallot, lämpösäteily, näkyvä valo, röntgensäteet ja gammasäteet muodostavat jatkuvan spektrin. Vaikka eri taajuisen säteilyn syntymekanismi vaihteleekin, kaikissa on kyseessä sama ilmiö jonka välittää γ- kvantti - sama γ-kvantti, jota mitataan ja selitetään gammaspektrometriassa.

13 6 Kuva 1. Sähkömagneettisen voimavaikutuksen välittyminen fotonin vaihdolla. 1.7 Vahva ydinvoima Ytimessä olevat protonit ovat kaikki sähköiseltä varaukseltaan samanmerkkisiä, minkä seurauksena niiden välillä vallitsee sähköinen hylkimisvoima. Koska kuitenkin ydin pysyy koossa, täytyy olla olemassa voimavaikutus, joka on vahvempi kuin vastakkaiseen suuntaan vaikuttava sähkömagneettinen hylkimisvoima. Tälle annettiin aikoinaan nimi vahva ydinvoima, ja se onkin kolmas luonnon voimavaikutuksista ja vahvin kaikista, sata kertaa vahvempi kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus ja kertaa vahvempi kuin heikko ydinvoima. Vahvaa ydinvoimaa on olemassa kahta lajia, joista toista sanotaan värivoimaksi ja toista residuaaliseksi vahvaksi voimaksi. Residuaalisen vahvan ydinvoiman välittäjähiukkanen on nimeltään mesoni. Standardimallin mukaan protoneja ja neutroneja (eli yhteisnimitykseltään nukleoneja) ympäröi virtuaalisten mesonien pilvi. Koska mesonit ovat suhteellisen raskaita, niiden elinikä on pieni - epämääräisyysperiaatteelta lainattu aika on massiivisen hiukkasen kohdalla lyhyt. Ne eivät ehdi elinaikanaan matkustaa kovinkaan kauas ennen kuin energialaina on maksettava takaisin. Jos ulottuvilla on toinen nukleoni, se saattaa ottaa mesonin vastaan jolloin siitä tulee todellinen, ja näin luonto pakottaa kaksi nukleonia muodostamaan atomin ytimen. Mesonin suuren massan takia voiman kantomatka on pieni, m eli 1 fm, ja tätä suuremmilla etäisyyksillä se on nolla. Tässä suhteessa se poikkeaa sähkömagneettisesta voimavaikutuksesta, jonka kantama on ääretön. Atomin elämä on dynaamista sen lisäksi että elektronit kiertävät ydintä huoneen lämpötilassakin tuhansien sekuntikilometrien nopeudella, myöskään nukleonit ytimessä eivät vietä staattista elä -mää vaan ne ottavat vastaan ja lähettävät edelleen mesoneita koko ajan. Varsinainen dynaamisuus atomissa keskittyy kuitenkin nukleonien sisäiseen rakenteeseen. Protoni ja neutroni on nimittäin kiihdytinkokeissa pystytty jakamaan tämänhetkisen teorian fundamentaalisimpiin osiin, kvarkkeihin. Kvarkit eivät muodosta nukleonia ilman omaa voimaansa. Sitä sanotaan vahvaksi värivoimaksi. Kvarkkien elämän rinnalla ytimenkin kvanttimekaaninen käyttäytyminen vaikuttaa yksinkertaiselta. Protoni ja neutroni koostuvat molemmat kolmesta kvarkista, joille on annettu mielivaltaiset nimet up (u) ja down (d). Protonin kvarkkirakenne on (uud) ja neutronin (udd). Kvarkit eroavat

14 7 toisistaan sähkövarauksiensa puolesta - u:n varaus on +⅔e ja d:n -⅓e, missä e on elektronin alkeisvaraus. Elektronin jakamaton alkeisvaraus ei ole jakamaton kvarkkien maailmassa. Samaan tapaan kuin nukleonit pallottelevat mesoneja ja näin muodostavat atomin ytimen, kvarkit pallottelevat gluoneiksi sanottuja liimahiukkasia. Erona mesoneihin nähden on kuitenkin se, että kvarkkien välisen etäisyyden kasvaessa niiden välillä vallitseva vetovoima kasvaa. Näin kvarkit on vangittu nukleonin sisään. Siellä ne saavat vapaasti vaellella, mutta niillä ei ole ulospääsyä. Luonto ei salli kvarkkien esiintyvän paljaana vaan ainoastaan kolmen (tai kahden, mesonit koostuvat kahdesta kvarkista) kvarkin muodostaman hiukkasen kaapuun verhoutuneena. Jos kvarkki koetetaan siirtää kauemmaksi muista, niiden välinen yhteenkuuluvuus kasvaa. Jos kvarkin siirtämiseen käytetään riittävästi energiaa, gluonien muodostama voimavaikutus lopulta murtuu, mutta koska läsnä on paljon energiaa, osa siitä materialisoituu suhteellisuusteorian mukaan ja muuttuu kvarkiksi irrotetun kvarkin paikalle. Siirretty kvarkkikin saa energiasta materialisoituvan parin, ja koko toimenpiteestä seurauksena syntyy ylimääräinen mesoni. Ensi kuulemalta aineen kvarkkirakenteessa näyttää olevan vakava ristiriita. Protoni koostuu kahdesta up- ja yhdestä down-kvarkistasillä. Up-kvarkin massa on 5 MeV, down-kvarkin 8 MeV ja protonin 938 MeV. Suhteellisuusteoria ja Heisenbergin periaate selittävät kuitenkin tämän paradoksin. Kvarkit sijaitsevat m läpimitaltaan olevan protonin sisällä missä ne poukkoilevat lähes valonnopeudella ja näin ne ovat voimakkaasti relativistisia eli niiden massa on huomattavasti lepomassaa suurempi. Heisenbergin mukaan kvarkkien paikan ja liikemäärän epävarmuuksien tulon on oltava suurempi kuin ħ. Jotta tämä sääntö tulisi täytetyksi ja koska kvarkin sijaintialueen läpimitta on vain m, liikemäärän epävarmuuden on oltava luokkaa 100 MeV kaikissa kolmessa avaruuden suunnassa. Kolmen kvarkin yhteenlaskettu liikemassa on näin samaa luokkaa protonin ja neutronin massan kanssa ja ristiriita poistuu. Gluoneilla on oma varauksensa, joka antaa saman ominaisuuden myös kvarkeille. Ominaisuutta sanotaan väriksi ja se on analoginen sähköisen varauksen kanssa. Värillä ei ole muuta tekemistä arkipäivän värien kanssa kuin analogia. Jos kolme kvarkkimaailman väriä, punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi ristityt, joutuvat yhteen, summaväri on valkoinen eli värivaraus katoaa. Eriväriset gluonit vetävät toisiaan puoleensa ja samanväriset karkottavat toisiaan. Kvarkit voivat muodostaa hiukkasen vain sillä tavalla, että hiukkanen on valkoinen. Antikvarkeilla on antiväri, joka myös pystyy kumoamaan värin vaikutuksen. Nukleonin dynaamista luonnetta kuvaa oheinen taiteilijan näkemys. Kuvan kolmea kvarkkia ympäröi virtuaalisten kvarkkien ja gluonien pilvi. Gluoneilla on kolmenlaisia värivarauksia, punaisia, sinisiä ja vihreitä sekä lisäksi antipunaisia, antisinisiä ja antivihreitä. Gluonit liikkuvat valonnopeudella ja joutuvat toisen kvarkin vastaanottamaksi tai palautuvat sen lähettäneeseen kvarkkiin ja katoavat.

15 8 Kuva 2. Taiteilijan näkemys nukleonin dynaamisesta luonteesta. 1.8 Heikko ydinvoima Neljättä luonnon voimavaikutuksista ja mm. β-aktiivisuuden takana olevaa voimaa sanotaan heikoksi ydinvoimaksi. Se on kymmenen tuhatta kertaa heikompi kuin vahva ydinvoima ja se vaikuttaa luonnon voimista vähiten tärkeältä, mutta jos sen voimakkuus poikkeaisi vähänkin siitä mikä se on, maailma olisi aivan toisenlainen. Heikko ydinvoima ja sähkömagneettinen voima on sekä teoriassa että käytännössä pystytty todistamaan yhden laajemman voimavaikutuksen ilmenemismuodoiksi samaan tapaan kuin sähkö ja magnetismi ovat sähkömagnetismin ilmenemismuotoja. Yhdistynyt voima edellyttää neljä voimanvälittäjähiukkasta, välibosonia, joista yksi on jo tuttu fotoni. Kolme muuta heikon voiman kuljettajaa ovat W +, W - ja Z 0, missä yläindeksit tarkoittavat bosonien varauksia elektronin varauksina. Fotonia lukuun ottamatta kaikki ovat hyvin massiivisia, lähes sata kertaa massiivisempia kuin protoni. W-bosonia tarvitaan selittämään esim. β-aktiivisuutta. Kun neutroni muuttuu protoniksi, se emittoi W - -hiukkasen. Varauksien summa ennen bosonin syntymistä on sama kuin sen jälkeen. Paradoksaaliselta vaikuttaa se, että bosonin massa on sata kertaa suurempi kuin sen lähettäneen neut-

16 9 ronin massa, mutta se on mahdollista, koska syntynyt W-partikkeli on virtuaalinen. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan partikkeli lainaa epätarkkuusperiaatteelta energiaa riittävän määrän syntyäkseen. Mitä suurempi lainattu energia on, sitä lyhempi on laina-aika, ja W-bosoni joutuu hajoamaan niiksi hiukkasiksi, jotka havaitaan β-hajoamisen seurauksena eli elektroniksi ja antineutriinoksi. Jälkimmäisen syntyminen on tarpeen jotta impulssimomentti säilyisi. Heikon voiman vaikutusala on pieni, <10-17 m, mikä aiheutuu voimanvaikutusbosonien massiivisuudesta. Energiaa epätarkkuusperiaatteelta tarvitaan niin paljon, että sen laina-aika on niin lyhyt, ettei edes valo ehdi liikkua tuona aikana atomin läpimittaa pitempää matkaa. Jos energiaa olisi tarpeeksi lainattavaksi, laina-aika voisi olla pitempi, bosoneilla olisi enemmän elin-aikaa ja ne voisivat matkustella laajemmin. Korkeilla energioilla sähkömagneettinen ja heikko ydinvoima alkavat lähestyä toisiaan, ja riittävän korkeilla energioilla voimat yhdistyvät. Kuvassa 3 esitetään ydinreaktio, jonka välittää heikko ydinvoima. Tässä β-hiukkasen synnyttävässä reaktiossa down-kvarkki muuttuu up-kvarkiksi, jolloin varaus siirtyy nukleonin ulkopuolelle W - -bosonin välittämänä. Neutroni muuttuu protoniksi säteilemällä elektronin ja antineutriinon. Kuva 3. β-hajonta heikon ydinvoiman välittämänä reaktiona. 1.9 Yhteenveto standardimallista Kuvan 4 kaavion esittämän standardimallin mukaan aine koostuu atomeista, joiden läpimitta on luokkaa m. Atomissa on ydin, läpimitaltaan m, ja sitä ympäröivä elektronien pilvi. Elektronit määräävät aineen kemialliset ominaisuudet sekä sen miten lähekkäin ytimet normaalioloissa ovat. Ydin koostuu edelleen protoneista ja neutroneista, jotka molemmat ovat läpimitaltaan kymmenesosa ytimestä. Protonien määrä sanelee sen mitä alkuainetta ydin on ja myös elektronien määrän atomin ympärillä ja samoin neutronien lukumäärä ytimessä määräytyy protonien mukaan. Protonit ja neutronit koostuvat edelleen kukin kolmesta kvarkista, joiden kokoa ei ole pystytty mittaamaan, mutta se on, samoin kuin elektroninkin läpimitta, on pienempi kuin m. Elektronit pysyvät atomin ympärillä sähköisen vetovoiman turvin. Ytimen pitää koossa nukleonien pallopeli mesoneilla ja edelleen nukleonit pysyvät koossa gluonien välittäessä voimavaikutusta. Materiaalihiukkaset koostuvat kahdesta ryhmästä, leptoneista ja kvarkeista, jotka ovat nykyisen tiedon mukaan perushiukkasia. Leptonit eivät tunne vahvaa vuorovaikutusta, ja tunnetuin niistä on elektroni. Elektronista on olemassa kaksi raskaampaa painosta, myoni ja tauoni. Nämä eivät

17 10 eroa elektronista muuten kuin massaltaan ja hajoamistaipumukseltaan siinä kun elektroni on pysyvä - se ei voi hajota alkeellisemmiksi hiukkasiksi. Kuva 4. Atomin rakenne standardimallin mukaan. Kutakin kolmea elektronin painosta seuraa oma neutriinonsa. Ne ovat merkillisiä energiapakkauksia, jotka oli otettava hypoteettisina olioina selittämään muuten kiellettyä joidenkin säilymislakien vahingoittumista. Neutriinoilla ei ilmeisesti ole massaa tai se on hyvin pieni ja ne liikkuvat aina valonnopeudella. Varauksettomina ja massattomina ne reagoivat hyvin heikosti muun aineen kanssa ja voivat vaikeuksitta lävistää maapallonkin hidastamatta menoaan. Kaikilla leptoneilla on antipartikkelinsa. Niihin on myös liitettävä oma säilymislakinsa, ns. leptoniluvun säilyminen. Partikkeleilla leptoniluku on +1, antipartikkeleilla -1 ja ei-leptoneilla 0. Toinen ainehiukkasten perusryhmä ovat kvarkit. Ne eivät esiinny yksittäin vain vaan parittein tai kolmittain. Edelliset ilmenevät ulkomaailmalle mesoneina, jälkimmäiset baryoneina eli protoneina ja neutroneina. Kvarkit ovat fermioneja eli niiden spin on ±1/2. Täten mesonien spin on 0 tai 1 (ts. ne ovat bosoneita) ja bayonien 2 tai 3/2. Spin on yksi alkeishiukkasten kvanttiluku,

18 11 jonka likimääräisenä vastineena makroskooppisessa maailmassa on hyrrän pyöriminen akselinsa ympäri. Hiukkasilla on useita muitakin tässä ohitettuja kvanttilukuja, joiden havainnollistaminen on yhtä työlästä ja ymmärtäminen vielä työläämpää. Taulukossa 1 esitetään edellä tarkastellut hiukkaset ja niiden välisiä vuorovaikutuksia välittävät voimanvaikutuspartikkelit taulukkona. Taulukko ilmoittaa tiiviissä muodossa standardimallin antaman kuvan aineen ja maailmankaikkeuden rakenteesta. Taulukko 1. Standardimallin mukaiset luonnon voimavaikutukset. Voimavaikutus Vaikutukselle Vaikutus- Suht. Vaihdetut Merkitys maailmankaikkeudessa alttiit alue voimakkuus hiukkaset hiukkaset Kvarkit Gluonit Pitää kvarkit yhdessä => nukleonit Vahva ~10-15 m 1 Hadronit Mesonit Pitää nukleonit yhdessä => atomiytimet Sähkö- Varatut 4 ~10-2 Fotonit Määrää atomien, molekyylien, kiinteiden magneettinen partikkelit aineiden ja nesteiden rakenteen Heikko Kvarkit ja ~10-17 m ~10-5 Välibosonit Välittää kvarkkien ja leptonien muunnok leptonit sissa; auttaa määrittämään atomiydinten koostumusta Painovoima Kaikki 4 ~10-39 Gravitonit Järjestää aineen planeetoiksi, tähdiksi ja galakseiksi Standardimallin mukaan kvarkkeja on kuusi, samoin leptoneita. Voimanvaikutusbosoneita tunnetaan neljä. Hiukkasten massat vaihtelevat hyvin paljon. Jokapäiväisen elämän kannalta riittää tietää, että aine koostuu kahdesta kvarkista (u ja d), elektronista, kolmesta gluonista (g, r ja b) sekä fotonista ja neutriinoista. Muut hiukkaset ovat maankamaran olosuhteissa harvinaisia ja vähämerkityksisiä. 2 RADIOAKTIIVISUUS 2.1 Tiivistelmä Radioaktiivinen hajoaminen tarkoittaa epästabiilin ytimen spontaania, ilman ulkopuolista vaikutusta tapahtuvaa reaktiota, jossa ydin muuttuu ns. tytärytimeksi ja radioaktiiviseksi säteilyksi. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa tilastollisia ja matemaattisia lakeja. Yksittäisen radioaktiivisen ytimen hajoaminen on tilastollinen tapahtuma, eikä hajoamishetkeä tai hajoavaa ydintä ole mahdollista määrätä etukäteen. Näytteen radioaktiivisuutta voidaan nostaa tai laskea jos kyetään rikastamaan tai vähentämään sen sisältämien radioaktiivisten isotooppien suhteellista määrää, mutta itse radioaktiiviseen hajoamiseen ei pystytä millään kemiallisella tai fysikaalisella tavalla vaikuttamaan.

19 12 Radioaktiivisuuden taustalla ovat atomin ydintä koossapitävät ja hajottavat voimat. Jos nämä ovat samaa keskinäistä suuruusluokkaa, ytimen pyrkiminen energeettisesti stabiilimpaan tilaan saattaa ilmetä siitä poistuvina hiukkasina tai puhtaana energiana. Ydin pysyy koossa vahvan ydinvoiman turvin, jonka muodostavat mesonit, suhteellisen massiiviset hiukkaset, joita protonit ja neutronit pallottelevat välillään. Mesonien massiivisuuden takia pallopelin pieni kantomatka sanelee ytimen koon. Tätä suuremmilla etäisyyksillä protonien välinen sähkömagneettinen poistovoima, jota välittää gammasäteilynä ilmenevä fotoni, on suurempi kuin vahva ydinvoima, ja nukleonit ovat vapaita ytimen vetovoiman kahleista. Mitä raskaampi ydin on, sitä enemmän sen muodostavat protonit ja neutronit vievät tilaa, ja lyijyä raskaammat ytimet ovat läpimitaltaan niin suuria, ettei vahva ydinvoima pysty pitämään niitä koossa. Raskaat ytimet ovat pääasiassa α- aktiivisia eli ne säteilevät helium-atomin ytimiä samalla kun muuttuvat järjestysluvultaan alemmiksi alkuaineiksi, useiden hajoamisten jälkeen stabiileiksi lyijy-ytimiksi. Keveillä alkuaineilla on stabiilien isotooppien lisäksi lähinnä β-aktiivisia isotooppeja. Jos ytimessä on ylimääräinen annos neutroneita, ydin pyrkii vapautumaan liioista neutroneista, ja sille on energeettisesti edullisinta siirtyä stabiiliin tilaan muuttamalla osa neutroneista protoneiksi. Tässä tapauksessa alkuaine muuttuu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä yhtä ylemmäksi mutta sen atomipaino säilyy. Ulkopuoliselle havainnoijalle siirtyminen tasapainoa kohti näkyy β - -aktiivisuutena eli elektronin poistumisena ytimestä. Jos protoneja on liian paljon suhteessa neutronien määrään, tapahtuu nukleonien muuttuminen toisikseen vastakkaiseen suuntaan eli protoni muuttuu neutroniksi samalla kun ydin siirtyy taulukossa yhtä kevyemmäksi alkuaineeksi. Ulospäin reaktio näkyy negatiivisen elektronin eli positronin syntymisenä, β + - aktiivisuutena. Näiden hiukkassäteilylajien lisäksi esiintyy vielä korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä, γ- säteilyä. Radioaktiivinen α- ja β-hajoaminen eivät tavallisesti tapahdu yksinään, vaan ytimeen jää usein ylimääräistä energiaa, ja atomin virittynyt tila purkautuu kun se vapauttaa ylijäämäenergian yhtenä tai useampana γ-kvanttina. Gammakvantti poistuu ytimestä valonnopeudella ja sen kantomatka on suuri mutta äärellinen, koska γ-kvantti törmäilee tielleen sattuviin atomeihin, vuorovaikuttaa sähkömagneettisesti näiden kanssa ja menettää energiaansa. Energian aleneminen ei vaikuta γ-kvantin nopeuteen mutta laskee sen taajuutta. Energiansa γ-kvantti menettää kolmessa reaktiossa; valosähköisessä ilmiössä, Comptonin sironnassa ja parinmuodostuksessa. Gammasäteilyn energia on sen synnyttäneelle radioaktiiviselle hajoamiselle tyypillinen ja vaihtelee välillä 40 kev - 4 MeV. Tämän energian mittaaminen antaa mahdollisuuden identifioida radioaktiivinen ydin. 2.2 Historiaa Radioaktiivisuus löytyi vahingossa 1895 kun W. Röntgen totesi, että suojatut valokuvalevyt valottuivat katodisädeputken lähellä. Tuntemattomia valottajasäteitä kutsuttiin X-säteiksi. Nykyään ne tunnetaan röntgensäteiden nimellä ja ne ovat hyvin lyhytaaltoisia γ-säteitä. Pitempiaaltoisina niitä nimitetään fotoneiksi ja ne ovat yksi neljän voimavaikutuksen välittäjähiukkasesta. Säteiden löytymisen aikaan tutkijoilla ei ollut käsitystä siitä mistä säteet tulivat ja mitä ne olivat. H. Becquerel totesi 1896, että myös uraanisuola lähettää säteitä, jotka valottavat valokuvaemulsiota ja ionisoivat ilmaa, mutta eivät läpäise materiaaleja. Erona katodiputkisäteisiin nähden oli vielä se, että näitä α-säteiksi kutsuttuja säteitä tuli spontaanisti, ilman ulkoista jännitettä.

20 13 Myöhemmin todettiin, että säteet koostuivat helium-atomin ytimistä. Koska nämä ovat runsaat 7000 kertaa elektronia massiivisempia, on ymmärrettävää miksi niiden tunkeutumiskyky aineeseen oli pieni. Toinen radioaktiivisuuden laji sai nimekseen β-säteily. Se oli läpitunkevampaa kuin α-säteily, mihin on syynä se, että se koostuu kevyistä elektroneista. Kolmas säteilyn laji, γ-säteily, johon sähkö- ja magneettikenttä eivät vaikuta, löydettiin Se osoittautui myöhemmin röntgensäteilyn tapaan lyhytaaltoiseksi sähkömagneettiseksi säteilyksi. Sen tunkeutumiskyky aineeseen on suuri. 2.3 Määritelmiä Hiukkasen energian perusyksikkönä käytetään elektronivolttia (ev). Yksi elektronivoltti on se energia, jonka elektroni saa liikkuessaan yhden voltin potentiaalieron läpi. Koska elektronivoltti on hyvin pieni yksikkö, tavallisin käytössä oleva yksikkö on megaelektronivoltti; 1 MeV = 10 6 ev. Hiukkasen massasta puhuttaessa käytetään myös samaa yksikköä, koska suhteellisuusteorian mukaan massasta voidaan käyttää energian yksikköjä yhtälön E = mc 2 mukaisesti. Hiukkasen kokonaisenergialla tarkoitetaan sen lepomassan ja liike-energian summaa. Nopeasti liikkuvat hiukkaset ovat voimakkaasti relativistisia (= massa riippuu liikenopeudesta) ja niiden liikeenergia saattaa olla paljon suurempi kuin niiden lepomassa. Energian yksikköinä lausuttuina protonin ja neutronin massat ovat 931 MeV ja elektronin massa on MeV. β-hajoamisessa välittävän virtuaalisen W-bosonin massa on MeV eli 83 GeV. Tytär-hiukkanen on 90 kertaa emohiukkasta massiivisempi ja kertaa omaa tytärtään massiivisempi. Ristiriita on kuitenkin sallittu, koska se on riittävän lyhytkestoinen eli laina-aika on niin lyhyt, ettei sitä tarvitse maksaa oikealla energialla. 2.4 Nuklidikartta Ensimmäisessä luvussa kerrotulla tavalla atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Protonit ovat positiivisesti varattuja ja lähellä toisiaan ollessaan karkottavat toisiaan. Neutroneita tarvitaan stabiloimaan ydintä, ja niitä on kevyissä ytimissä vetyä ja heliumia lukuun ottamatta sama määrä kuin protoneja, yleensä kuitenkin enemmän. Voidaan kuvitella, että neutronit toimivat ytimessä sementin tavoin ja muuraavat protonit yhteen. Seuraavassa kuvassa esitetään isotooppien ryhmittyminen protoni- ja neutroniluvun mukaan. Kaikkiaan nuklideja tunnetaan ainakin 2500, joista stabiileja on ainakin 274. Teoreettisesti nuklideja on konstruoitavissa n Kuvan mukaan joillain alkuaineilla saattaa olla jopa 40 isotooppia, joista suurimmillaan kymmenkunta on stabiileja. Kuvasta näkyy, että neutronien määrä kasvaa järjestyslukua ja protonien määrää nopeammin. Pysyvät nuklidit on kuvaan merkitty mustilla täplillä. Nämä ulottuvat kevyimmästä ytimestä, vedystä eteenpäin järjestyslukuun 82 saakka, joka on lyijy. Luonnossa tavataan atomeja järjestyslukuun 92 eli uraaniin saakka, mutta kaikki lukua 82 suuremmat ytimet ovat radioaktiivisia ja siten pysymättömiä. Ydin on labiili ja siten radioaktiivinen silloin kun vahvan voiman ydintä koossapitävä voima ja sähkömagneettisen voiman hylkimisvoima ovat samaa suuruusluokkaa. Lyijyä raskaammat ytimet ovat läpimitaltaan niin suuria, ettei vahva ydinvoima pysty pitämään niitä koossa väli-

21 14 bosonien massiivisuuden takia epämääräisyysperiaatteelta lainattava energia on niin suuri, että laina-aika jää lyhyeksi eikä bosoni ehdi liikkua tuona aikana riittävän kauas. Raskaat ytimet ovat pääasiassa α-aktiivisia eli ne säteilevät helium-atomin ytimiä samalla kun kevenevät eli siirtyvät kuviossa origoa kohti. Useiden hajoamisten jälkeen ne muuttuvat stabiileiksi lyijy-ytimiksi. Myös keveillä alkuaineilla on stabiilien isotooppien lisäksi suuri määrä radioaktiivisia isotooppeja. Jos ytimessä on ylimääräinen annos neutroneita, ne sijaitsevat kuviossa stabiilien ydinten vyöhykkeen alapuolella. Ydin pyrkii vapautumaan ylimääräisistä neutroneista, ja sille on energeettisesti edullisinta siirtyä stabiiliin tilaan muuttamalla osa neutroneista protoneiksi. Tässä tapauksessa alkuaine muuttuu taulukossa seuraavaa ylemmäksi mutta sen atomipaino säilyy. Ulkopuoliselle havainnoijalle siirtyminen tasapainoa kohti näkyy β -aktiivisuutena eli elektronien poistumisena ytimestä. Jos protoneja on liian paljon suhteessa neutronien määrään, missä tapauksessa isotooppi on stabiilien ydinten vyöhykkeen yläpuolella, tapahtuu nukleonien muuttuminen toisikseen vastakkaiseen suuntaan eli protoni muuttuu neutroniksi. Samalla ydin muuttuu taulukossa yhtä kevyemmäksi alkuaineeksi. Ulospäin reaktio näkyy negatiivisen elektronin eli positronin syntymisenä. Tätä sanotaan β + -aktiivisuudeksi. Kuva 5. Nuklidikartta. Pysyvät nuklidit merkitty tummilla täplillä. Näiden hiukkassäteilylajien lisäksi esiintyy myös korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä, γ- säteilyä. Sitä syntyy muiden säteilylajien yhteydessä ja joskus yksinäänkin kun ydin vapauttaa ylimääräistä energiaa lähettämällä γ-kvantin.

22 Sidosenergia Nuklidin sidosenergia on se energia, joka tarvitaan hajottamaan nuklidi nukleoneiksi. Kääntäen sidosenergia on se energia, joka vapautuu kun nukleonit tulevat toistensa vaikutuspiiriin ja muodostavat ytimen. Sidosenergia kuvaa ytimen stabiilisuutta. Ytimen massa on pienempi kuin sen muodostamien nukleonien yhteinen lepomassa. Tähän on syynä se, että energia, joka tarvitaan sitomaan nukleonit ytimeksi otetaan rakennuspalikoiden massoista. Mitä suurempi osuus lepomassoista muuttuu sidosenergiaksi, sitä stabiilimpi muodostunut ydin on. Kuva 6. Ytimen sidosenergia nukleonia kohti. Ytimen stabiilisuutta kuvaa parhaiten sidosenergia nukleonia kohti. Kuvassa 6 esitetään kaavio, jossa sidosenergia nukleonia kohti esitetään massaluvun funktiona. Sidosenergia nukleonia kohti on suurin nuklideilla 58 Fe ja 62 Ni. Näitä kevyemmät ytimet ovat syntyneet fuusiossa kun kaksi kevyttä ydintä yhtyvät ja muodostavat raskaamman ytimen. Satojen miljoonien asteiden lämpötiloja tarvitaan jotta rautaa muodostuisi, mutta tätä raskaammilla ytimillä lämpötilan nousukaan ei riitä vastustamaan protonien keskinäisiä hylkimisvoimia. Rautaa raskaammat ytimet syntyvätkin tähdissä ns. neutronikaappausketjuissa. Ydin kaappaa ulkopuolelta neutronin, jolloin ytimestä tulee radioaktiivinen. β-hiukkasen emittoimalla nuklidi kasvattaa järjestyslukuaan ja näin syntyy uusi raskaampi alkuaine. 2.6 Radioaktiivinen hajoaminen Radioaktiivinen hajoaminen tarkoittaa epästabiilin ytimen spontaania, ilman ulkopuolista vaikutusta tapahtuvaa reaktiota, jossa ydin muuttuu ns. tytärytimeksi ja radioaktiiviseksi säteilyksi. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa samoja matemaattisia lakeja riippumatta säteilyn laadusta. Yksittäisen radioaktiivisen ytimen hajoaminen on täysin tilastollinen tapahtuma, eikä hajoamishetkeä ole mahdollista määrittää etukäteen.

23 16 Ydinlajin eli nuklidin taipumusta hajoamiseen kuvastaa hajoamisvakio λ siten, että λ t on todennäköisyys sille, että ydin hajoaa aikavälin t kuluessa kun t on pieni. Tavallisesti tarkasteltavana oleva aktiivisten ydinten määrä N(t) on hyvin suuri. Tällöin ajassa dt niistä hajoaa murto-osa λdt, ja kokonaismäärän ajanhetkenä t ilmoittaa yhtälö N(t) = N 0 *exp(-λt), missä N 0 on ydinten määrä hetkellä t = 0. Hajoamisvakion sijasta yleisesti käytetään keskielinaikaa τ, joka on eksponentiaalisesti vaimenevalle ilmiölle kuten radioaktiiviselle hajoamiselle hajoamisvakion käänteisarvo τ = 1/λ. Keskielinajan kuluessa ydinten luku ja aktiivisuus alenevat osaan 1/e alkuperäisestä. Puoliintumisaika on se aikaväli, jonka kuluessa ydinten määrä tai aktiivisuus pienenee puoleen. Tämä aika on T = ln2*τ, eli puoliintumisaika on n. 69 % keskimääräisestä elinajasta. Jokaisen puoliintumisajan suuruisen aikavälin kuluessa ydinten määrä ja aktiivisuus pienenevät puoleen, kahdessa puoliintumisajassa ¼:aan, kolmessa ⅛:aan jne. Seuraava kaavio kuvaa ydinten lukua ajan funktiona kolmen eri puoliintumisajan tapauksessa. 100 Radioaktiivisten ydinten suhteellinen määrä T 2T 4T Aika Kuva 7. Ydinten suhteellisen määrän muutos ajan funktiona kun puoliintumisaika on T, 2T ja 4T. 2.7 Alfa-säteily Alfa-säteet havaittiin spontaaneista radioaktiivisista säteistä ensimmäiseksi, mikä on syynä säteiden saamaan nimitykseen. Aluksi tosin säteilyä sanottiin keksijänsä mukaan Becquerelin säteilyksi. Alfa-hajonnassa radioaktiivisesta ytimestä poistuu helium-atomin ydin esim. seuraavan reaktion mukaisesti: U 90Th He Uraaniydin on kooltaan niin suuri, että se on labiili ja siksi se menettää α-hiukkasen. Reaktiossa massa pienenee kahden protonin ja kahden neutronin verran eli 4 amy (atomimassayksikköä). Protonien määrän menetys johtaa siihen, että uraanin ydin muuttuu toriumin ytimeksi ja jäljelle

24 17 jäänyt ydin menettää kaksi elektronia, koska sen protonien vetovoima ei ole riittävä elektronien vangitsemiseen. Irronnut α-hiukkanen on hyvin stabiili ja se käyttäytyy kuin oikea alkeishiukkanen protonin tai neutronin tavoin. Suuren massansa takia se etenee suuntaansa muuttamatta törmäillessään ympäröivän aineen kuten ilman molekyyleihin menettäen jokaisessa kohtaamisessa osan liike-energiastaan. Helium-ytimen tunkeutumissyvyys aineeseen onkin pieni; tavallinen paperiliuska riittää sen pysäyttämiseksi. Ydin on positiivisesti varattu ja lyhyen ajan kuluessa se vetää puoleensa kaksi elektronia. Näin koko reaktiosta on syntynyt yksi toriumin ja yksi heliumin atomi. Näistä edelleen toriumin atomi on radioaktiivinen. Alfa-hajoaminen on yleistä raskailla nuklideilla. Kevein tunnettu α-aktiivinen nuklidi on 142 Ce, ja kaikki tätä raskaammat nuklidit ovat energiasyistä epästabiileja alfa-hajoamisen jälkeen. Useimmilla on kuitenkin havaittaviksi liian pitkät puoliintumisajat, niin että käytännössä α- aktiivisina pidetään vasta lyijyä raskaampia nuklideja. Hajoamisessa syntyvien α-hiukkasten energia on tyypillisesti muutamia MeV. Syynä siihen, että ydin hajoaa lähettämällä α-hiukkasen eikä yksittäisiä nukleoneja, on α- hiukkasen suuri sidosenergia, n. 7.1 MeV/nukleoni. Jotta ytimestä voitaisiin poistaa nukleoni, pitäisi siihen tuoda sidosenergian verran energiaa eli hajoaminen ei tapahtuisi spontaanisti. Jos ytimestä taas lähtee α-hiukkanen, tämän sidosenergia on käytettävissä hiukkasen poistamiseen. Ei voida olettaa, että ytimessä seikkailisi protonien ja neutronien joukossa myös α-hiukkasia. Alfahajoamista voidaan ajatella prosessina, jossa neljä nukleonia yhtyy α-hiukkaseksi ytimen pinnalla ja näin vapautuva sidosenergia riittää poistamaan sen ytimestä. Poistuvan hiukkasen energian pitää olla niin suuri, että se riittää voittamaan sidosenergian lisäksi myös Coulombin vallin. Käytännössä α-hiukkasen energia ei riitä Coulombin vallin ylittämiseen - silti hajoamisia tapahtuu koko ajan. Coulombin vallin ylittämistä ei voida selittää eikä ymmärtää klassisen fysiikan menetelmin. Vahvan ydinvoiman ylläpitämä ydin on kuin kupissa, jonka reunat kuvaavat potentiaalivallia (Kuva 8). α-hiukkasten energia on 4-9 MeV samalla kun Coulombin vallin korkeus on luokkaa 40 MeV. Valli on siis korkeampi kuin ytimien energia, ja klassisen mekaniikan mukaan α-hiukkasen poistuminen ytimestä edellyttää ulkoisen energian saamista potentiaalivallin ylittämistä varten. Koska hajoaminen on kuitenkin spontaani, johon ei voida vaikuttaa millään tavalla, ei ulkoinen energia voi olla hajoamisen syy. Kvanttimekaniikka sallii "paradoksaalisen" tunneloitumisen esim. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen nojalla. Sen mukaan hiukkasen paikka on epämääräinen, ja ollessaan ytimen ulkopinnan lähellä tämä paikka saattaa jonakin hetkenä sijaita pinnan ulkopuolella. Toisaalta α- hiukkasella on myös aallon ominaisuuksia, ja aallon amplitudi voidaan tulkita todennäköisyydeksi, jolla hiukkanen on löydettävissä tästä paikasta. Aalto on olemassa kaikkialla, myös Coulombin vallin ulkopuolella. Vaikka sen amplitudi saattaakin olla pieni, on olemassa nollasta poikkeava todennäköisyys, että α-hiukkanen jonakin hetkenä sijaitsee Coulombin vallin ulkopuolella. Ulkopuolinen tarkkailija toteaa α-hajoamisen tapahtuneen. Se mitä radioaktiivisessa (tai missä tahansa) ytimessä tosiasiassa tapahtuu ei ole itsestään selvää. Atomin ydin ei ole staattinen vaan hyvin dynaaminen paikka. Protonit hylkivät toisiaan, mutta vahva ydinvoima pakottaa ne mesonien avulla pysymään ytimessä. Partikkelien liike ytimen sisällä on nopeaa niin että olosuhteet siellä vastaavat hyvin korkeaa lämpötilaa. Nukleoneilla ei ole identiteettiä vaan ne vaihtuvat toisikseen; protoni voi muuttua neutroniksi ja päinvastoin. Nukleonit lähettelevät koko ajan virtuaalisia hiukkasia, jotka vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa tai palaavat takaisin lähettämäänsä nukleoniin. Ytimessä voi edelleen syntyä tyhjästä protoni ja antiprotoni, elektroni ja positroni tai muita hiukkasia epämääräisyys-periaatteen

25 18 sallimaksi ajaksi kunhan ne annihiloituvat ennen kuin niiden olemassaolo havaitaan. Edes ajan suunta ytimen sisällä ei ole itsestään selvä, koska virtuaalisten hiukkasten joukossa on mm. positroneja. Niiden etenemistä aika-avaruudessa voidaan kuvata ajassa taaksepäin menevinä elektroneina tai päinvastoin. Tyhjästä saattaa syntyä elektroni, joka matkustaa vähän matkaa ajassa eteenpäin, ymmärtää olemattomuutensa ja palaa sinne mistä lähti eli ajassa taaksepäin. Kvanttimekaniikan sallimaa on myös esim. se, että fotoni (jota ei ole) luo elektronin ja positronin, jotka saman tien annihiloituvat ja luovat sen fotonin joka loi elektroni-positroniparin. Myös aineen ja energian ekvivalenttisuus ovat ytimessä todellisuutta eli energia muuttuu koko ajan ainehiukkasiksi ja aine energiaksi. On vielä otettava huomioon mm. Paulin kieltosäännön asettamat rajoitukset sekä aalto-hiukkasdualismi. Ydin on kvanttimekaaninen systeemi, jossa millään parametrilla ei ole tarkasti määritettyä arvoa, koska luonnon ei ole ollut tarpeellista antaa niille tarkkoja arvoja. Lisäksi on otettava huomioon nukleonien ja mesonien sisäinen kvarkkirakenne ja niitä koossa pitävät gluonit värivarauksineen. Ytimen kohdalla voidaankin puhua kuvaannollisesti ydinpuurosta. Standardimalli ei välttämättä kerro totuutta ytimestä vaan se on malli, jonka valossa ydintä tarkastellaan. Kuva 8. Alfahiukkasen energia suhteessa ytimen energiaan ja Coulombin valliin. Alfa-hiukkaset ovat hyvin massiivisia, yli 7000 kertaa elektronia massiivisempia, mutta silti ne lähtevät ytimestä suurella km/s nopeudella. Nopeasti liikkuvat varatut hiukkaset luovat voimakkaan sähköisen kentän ympäristöönsä, mikä poistaa kuorielektroneja väliaineen atomeilta. Näin nämä raskaat ammukset aiheuttavat n ionisaatioita sentin matkalla. Yhden ionin syntymiseen kuluu keskimäärin 33.5 ev, mikä energia otetaan α-hiukkasen liike-energiasta, ja suuresta lähtönopeudestaan huolimatta pysähtyvät esim. ilmassa kymmenen sentin matkalla sen jälkeen kun aikaa hajoamisesta on kulunut 10-8 s.

26 Beta-säteily Beta-aktiivisuutta esiintyy ytimillä, joilla on liikaa joko protoneja tai neutroneja verrattuna siihen lukumäärään, joka samalla massaluvun arvolla antaa ytimen, jolla on suurin sidosenergia. β- prosessin kautta ytimet hakeutuvat isobaareja (vyöhykkeitä joilla protonien ja neutronien summa vakio) pitkin massapinnan stabiileimpaan kohtaan. β-hajonnassa emittoituu β-hiukkanen, joka voi olla joko negatiivinen elektroni β - tai harvemmin esiintyvä positiivinen elektroni eli positroni β +. Atomimassayksikön rinnalla elektronin massa voidaan jättää huomiotta, joten tytärytimen massaluku on sama kuin emoytimen. Tytärytimen protoniluku on yhtä suurempi tai β + -hajoamisessa pienempi kuin emoytimen protoniluku. Tyypillinen β-reaktio on esim. seuraava: B C e Beta-hajoamisessa neutroni muuttuu protoniksi. Kvanttimekaanisen tarkastelun mukaan muutoksen takana on heikko ydinvoima. Protoni koostuu yhdestä up- ja kahdesta down-kvarkista ja neutroni kahdesta up- ja yhdestä down-kvarkista. Down-kvarkin varaus on -⅓ ja up-kvarkin varaus +⅔, mistä neutronin varaukseksi seuraa 0 ja protonin +1. Betahajoamisessa toinen neutronin down-kvarkeista muuttuu up-kvarkiksi samalla kun kvarkin varaus muuttuu +⅔ -⅓; ts. pienenee yhdellä. Varaus ei kuitenkaan voi kadota tai siirtyä yksinään, vaan siirtoon tarvitaan heikon ydinvoiman synnyttämä virtuaalinen W - -bosoni. Sen massa on lähes sata kertaa suurempi kuin emoneutronin massa ja siksi se on hyvin lyhytikäinen. W-bosoni hajoaa sekunnin kuluttua elektroniksi ja valonnopeudella liikkuvaksi antineutriinoksi. Jälkimmäistä aluksi hypoteettista hiukkasta tarvittiin jotta impulssimomentti olisi säilynyt eräissä reaktioissa. Neutriinot ovat hyvin pienimassaisia tai massattomia ja varauksettomia hiukkasia. Bosonin varaus periytyy elektronille. Elektronin lepomassa on kertaa pienempi kuin sen synnyttäneen bosonin kokonaisenergia, ja vaikka osa energiasta kulkeutuukin pois antineutriinon mukana, myös hajonnasta merkkinä olevalle elektronille jää runsaasti energiaa. Käytännössä se näkyy elektronin suurena, lähellä valonnopeutta olevana nopeutena. Beta-hiukkanen menettää kuitenkin energiansa suuren ionisoimis- ja virittämistaipumuksensa takia. Pienemmän massansa, suuremman nopeutensa ja pienemmän sähkövarauksensa takia sen tunkeutumissyvyys aineeseen on huomattavasti suurempi kuin yhtä energisellä α-hiukkasella. Siinä kun α-hiukkanen etenee suoraan muuttamatta etenemissuuntaansa törmäysten takia, β-hiukkanen poikkeaa suunnastaan jokaisen törmäyksen yhteydessä ja sen etenemistie on hyvin mutkikas. Sentin matkalla ilmassa β-hiukkanen aiheuttaa luokkaa 100 ionisaatiota. Negatiivisella beta-säteilyllä on olemassa positiivinen sisarsäteily, β + -säteily. Se syntyy analogisella tavalla β - -hajoamisen kanssa sellaisissa ytimissä, joissa protoneja on liian paljon neutronien määrään verrattuna. Reaktiossa protoni muuttuu neutroniksi ja ulos tulee neutriinon lisäksi positroni. Positroni menettää elektronin tavoin energiaansa törmäyksissä väliaineen atomien kanssa. Kuitenkin positroni ennen pitkää kohtaa antihiukkasensa, ja seurauksena on annihilaatio ja fotoniparin muodostuminen. Toinen muoto β + -säteilyä tunnetaan elektronikaappauksena. Siinä yksi ytimen protoneista kaappaa elektronin sisimmältä elektronikuorelta. Hiukkasten sähkövaraukset kumoavat toisensa ja protoni muuttuu neutroniksi. Tällainen reaktio on esim. seuraava:

27 Be 1e Li Tässä reaktiossa ytimen järjestysluku laskee yhdellä ja massa säilyy. β-säteilyssä energia jakaantuu β-hiukkasen ja neutriinon kesken ja β-hiukkasen energia vaihtelee nollan ja nuklidille ominaisen maksimienergian välillä niin että energiaspektri on jatkuva. Keskimääräinen energia on yleensä n. 40 % maksimista. Kuvassa 9 esitetään tyypillinen β-spektri. Jos β-hiukkanen joutuu ytimen vaikutuspiiriin, se vuorovaikuttaa sähköisesti ytimen kanssa ja menettää nopeuttaan. Samalla se menettää energiaansa, joka ilmenee röntgensäteilynä, ns. jarrutussäteilynä (Bremsstrahlung). Kuva 9. Tyypillinen β-spektri. 2.9 Gamma-säteily Kolmas radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvä säteily tunnetaan gammasäteilynä. Se ei koostu hiukkasista samalla tavalla kuin α- tai β-säteily vaan sähkömagneettisista γ-kvanteista. Hyvin korkeilla energioilla kuten juuri γ-säteilyssä sähkömagneettisella säteilyllä on pääasiassa hiukkaspiirteitä, mutta sähkömagneettisen spektrin toisessa päässä, radioaaltoalueella, sitä on luonnollista tarkastella aaltoliikkeenä. Sähkömagneettinen spektri jaetaan taajuuden perusteella osiin taulukon 2 mukaisesti.

28 21 Taulukko 2. Sähkömagneettisen säteilyn spektri. Nimitys Aallonpituus (m) Taajuus (Hz) Energia (ev) Syntymistaso Radioaallot > 0.1 < 3 x 10 9 < 10-5 Ytimen spinin käännös Mikroaallot x x Molekyylien rotaatiot Infrapuna-aallot x x x Elektronit, molekyylit Näkyvä valo 7 x x x x Ulkoelektronit Ultravioletti 4 x x x Ulkoelektronit Röntgensäteet x x Sisäelektronit Gammasäteet < > 3 x > 10 5 Ydin Sähkömagneettiset säteet ovat pohjimmiltaan avaruuden sähkömagneettisen kentän vääristymiä. Ne vuorovaikuttavat atomien kanssa sähköisesti vaikka niillä ei ole varausta. Siinä kun α- ja β- hiukkasilla on äärellinen kantomatka - minkä takia ne voidaan täydellisesti pysäyttää fotonit vuorovaikuttavat todennäköisyyslakien mukaan. Yksittäisellä fotonilla ole määriteltyä kantomatkaa, mutta suuren fotonijoukon intensiteetti laskee eksponentiaalisesti väliaineen paksuuden kasvaessa. Sähkömagneettiset aallot eivät tarvitse väliainetta etenemiseen. Sen takia valo ja radioaallot voivat edetä avaruudessa kaukana olevista tähdistä maahan tyhjön läpi. Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus tyhjössä on km/s taajuudesta riippumatta. Sähkön ja magnetismin läheistä yhteyttä osoittaa sekin, että väliaineessa, jonka sähköinen dielektrisyysvakio on ε ja magneettinen permeabiliteetti µ, sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus on 1/(εµ) ½. Korkeataajuisessa päässä spektriä, jossa sijaitsevat röntgen- ja gammasäteily, tarkastelukulma on kätevämpi vaihtaa aalloista hiukkasiin. Nämä säteilyn lajit ilmenevät energiapakkauksina, joita sanotaan fotoneiksi tai γ-kvanteiksi. Näiden aineettomien, valonnopeudella liikkuvien hiukkasten energia määräytyy pelkästään aaltoluonteen ominaisuuden, taajuuden, mukaan ja on E = h * ν, missä h on Planckin vakio ( *10-34 Js) ja ν on säteilyn taajuus. Röntgensäteilyä syntyy kun liikkuvat elektronit törmäävät aineeseen, vuorovaikuttavat ytimen protonien tai elektroniverhon kanssa ja pysähtyvät. Elektronien liike-energia muuttuu tällöin hyvin lyhytaaltoiseksi röntgensäteilyksi, joka leviää valonnopeudella ympäristöönsä. Röntgensäteilyssä on erotettavissa kaksi komponenttia, jatkuvaspektrinen jarrutussäteily ja viivaspektrin antava karakteristinen säteily. Jarrutussäteilyä syntyy kun elektronit saavat suuria kiihtyvyyksiä ohittaessaan ytimen. Karakteristinen säteily syntyy kun elektronit törmäävät kohdeatomin elektronikuoreen, jotka palautuvat entiseen tilaansa lähettämällä sähkömagneettista säteilyä. Röntgensäteiden energia on hyvin korkea ja siksi niiden tunkeutumissyvyys aineeseen on suuri. Gammasäteiden ja röntgensäteiden energioiden ja taajuuksien välillä ei ole selvää luonnollista rajaa. Säteilylajien välillä on kuitenkin periaatteellinen ero, sillä γ-säteet syntyvät ytimessä kun ytimen viritetty tila purkaantuu. Radioaktiivinen α- ja β-hajoaminen eivät tavallisesti tapahdu yksinään, vaan ytimeen jää usein ylimääräistä energiaa, ja atomin virittynyt tila purkautuu kun se vapauttaa ylijäämäenergian yhtenä tai useampana γ-kvanttina. Koska β-säteilyssä tapahtuu hiukkasten muuntumista toisiksi, on todennäköisempää, että β-hajoamisen jälkeen ydin on virittyneessä tilassa kuin α-hajoamisen jälkeen. Aikaa varsinaisen hajoamisen ja γ-kvantin emittoitumisen välillä kuluu tavallisesti niin vähän, että molempia säteilyjä voidaan käytännössä pitää samanaikaisina. Tyypillisesti aikaero on luokkaa 10-8 s mutta se vaihtelee sekunnista

29 22 vuosiin. Jälkimmäisessä tapauksessa puhutaan isomeerisestä tilasta ja gamman poistumisesta isomeerisenä transitiona. Vaikka yleensä sanotaankin, että jonkin nuklidin alfa- tai beta-hajoamiseen liittyy gamma-säteilyä, tarkasti ottaen gammasäteily tulee aina tytär- eikä emonuklidista. γ-reaktio on esim. seuraava: U 92 U + 0 γ Tässä enemmän tai vähemmän pitkäkestoisessa isomeerisessä tilassa oleva uraaniydin emittoi ylijäämäenergiansa γ-kvanttina ja siirtyy alemmalle energiatasolle. Gammakvantti poistuu ytimestä valonnopeudella, ja sen kantomatka on suuri. Kuitenkin γ- kvantti törmäilee tielleen sattuviin atomeihin, vuorovaikuttaa sähkömagneettisesti näiden kanssa ja menettää energiaansa. Energian aleneminen ei vaikuta γ-kvantin nopeuteen mutta laskee sen taajuutta. Kuvassa 10 esitetään eri taajuisen γ-säteilyn tunkeutumissyvyys lyijyyn, betoniin, veteen ja ilmaan. Energiansa γ-kvantti menettää kolmessa reaktiossa; valosähköisessä ilmiössä, Comptonin sironnassa ja parinmuodostuksessa. Valosähköisessä ilmiössä fotoni menettää kaiken energiansa kiertoradalla olevalle elektronille. Fotoni katoaa ja sen absorpoinut atomi ionisoituu kun valoelektroni ejektoituu. Tämä ilmiö on todennäköisimmillään hyvin matalilla energioilla (< 50 kev) ja silloin kun Z on korkea. Comptonin sironta aiheuttaa fotonin energian osittaisen absorption vuorovaikuttamalla vapaan elektronin kanssa. Elektroni potkaistaan pois ja fotoni menettää edelleen energiaansa muissa vuorovaikutuksissa, energian salliessa uusissa Comptonin sironnoissa. Gammasäteilyn suunta näissä muuttuu ja sitä voidaan havaita myös "kulman takana". Comptonin sirontaa tapahtuu kaikissa materiaaleissa kun energia on välillä MeV. Parinmuodostus tapahtuu vain kun fotonin energia ylittää 1.02 MeV. Parinmuodostuksessa fotoni yksinkertaisesti katoaa ytimen sähkökenttään ja sen energiasta syntyy elektronipositronipari. Positroni kohtaa välittömästi vapaan elektronin väliaineessa jolloin tapahtuu annihilaatio kun hiukkasten massat muuttuvat energiaksi. Energia ilmenee kahtena MeV:n energiaisena fotonina, jotka edelleen aiheuttavat Comptonin sironnan tai valosähköisen ilmiön.

30 23 Kuva 10. Eri taajuisen γ-säteilyn tunkeutuminen lyijyyn, betoniin, veteen ja ilmaan. Radioaktiivisen säteilyn energia on nuklidille ominainen. Esim. 238 Cm-nuklidin emittoiman α- hiukkasen energia on aina 6.52 MeV ja 135 Ba-nuklidin emittoiman γ-kvantin energia on aina 268 kev. Useilla radioaktiivisilla nuklideilla on useampia kuin yksi hajoamisreitti mikä tarkoittaa, että sama nuklidi saattaa säteillä eri energistä ja erilaatuista säteilyä. Voidaan kysyä sitä mihin fotonin energia sisältyy. Fotonilla on hyvin vähän parametreja ja tunnuslukuja. Sillä ei ole massaa, kokoa, paikkaa eikä spiniä. Fotoni liikkuu aina valonnopeudella eikä sen energia vaikuta nopeuteen. Fotoni voidaan pysäyttää mutta samalla se lakkaa olemasta. Fotonin silmin maailma näyttää toiselta kuin ihmisestä, sillä suhteellisuusteorian mukaan nopeuden lähestyessä valonnopeutta aika hidastuu ja mittatikut lyhenevät. Valonnopeudella etenevän fotonin kannalta aika on kokonaan pysähtynyt. Ainoat fotoneja toisistaan erottavat parametrit ovat niiden taajuus ja energia. Kvanttimaailman hiukkasten välisessä kanssakäymisessä syy- ja seuraussuhteille ei aseteta kovin suurta painoarvoa. Tämänkin perusteella voidaan hyväksyä, että taajuus ei määrää fotonin energiaa vaan fotoni itsessään on puhdasta energiaa ja tämän suuruus ilmenee taajuutena. Gammasäteilyn energia on sen synnyttäneelle radioaktiiviselle hajoamiselle tyypillinen ja vaihtelee välillä 40 kev - 4 MeV. Tämän energian mittaaminen antaa mahdollisuuden identifioida näytteen radioaktiivisen säteilyn luonnetta ja laatua ja tähän identifiointimahdollisuuteen perustuu γ-sädespektrometria.

31 24 Kuva 11. a) Valosähköinen ilmiö. b) Comptonin sironta. c) Parinmuodostus Muita radioaktiivisuuden ja säteilyn lajeja Muunkinlaista radioaktiivisuutta kuin edellä on kerrottu esiintyy. Protoniaktiivisuudessa ytimestä poistuu kokonainen protoni ja hiilihajoamisessa 14 C-ydin. Ihmisen luoma säteilylaji on neutronisäteily, jota syntyy hiukkaskiihdyttimissä. Vapaana neutroni on epävakaa ja hajoaa 15 mi-

32 25 nuutissa protoniksi emittoimalla elektronin. Kiihdyttimissä on pystytty luomaan monia muitakin alkeishiukkasia - sääntönä voidaan pitää sitä, että mitä enemmän energiaa on käytettävissä, sitä laajempi on syntyvien hiukkasten variaatio. Esim. elektronin isommista veljistä, pioneista, jotka ovat 270 kertaa elektronia massiivisempia, varatut ovat eliniältään 26*10-9 sekuntia mutta neutraalit vain sekuntia. Jälkimmäiset hajoavat γ-kvanteiksi, edelliset myoneiksi ja edelleen β-hiukkasiksi. Radioaktiivisuuteen voidaan lukea myös monissa reaktioissa syntyvät neutriinot. 3 GAMMASPEKTROMETRIASTA 3.1 Johdanto Kaikki geologiset materiaalit ovat jossakin määrin radioaktiivisia. Joissakin tapauksissa radioaktiivisuus saattaa olla lähes olematonta, koska radioaktiivisuuden keston ja intensiteetin kirjo on suunnattoman laaja. Nopeimmat puoliintumisajat ovat sekunnin murto-osia ja on epävarmaa onko lyhintä mahdollista puoliintumisaikaa mahdollista edes määritellä. Pisimmillään ajat ovat maailmankaikkeuden iän suuruusluokkaa. Säteilyn intensiteetti riippuu hajoavien atomien määrästä ja puoliintumisajasta. Myös radioaktiivisuuden laatu vaihtelee. Tärkeimmät moodit ovat α-, β- ja γ-säteily, joista geologisessa tutkimuksessa käyttökelpoisin kivimateriaalin koostumuksen tutkimukseen käytettynä lienee γ-säteily. Gammasäteily on puhdasta energiaa, joka leviää atomista satunnaiseen suuntaan valon nopeudella. Säteen läpitunkevuuden määrää sen energia, joka määräytyy alkuperäisen ytimen ominaisuuksien perusteella. Jos säteen energia pystytään määrittämään riittävän luotettavasti, on mahdollista päätellä sen emittoineen nuklidin identiteetti. Gammaspektrometriassa mitataan tutkittavan materiaalin gammasäteilyn energiaspektriä. Radioaktiivisia isotooppeja tunnetaan tuhansia, mutta kallioperänäytteiden kohdalla vain kolmella niistä on käytännön merkitystä. Kiteisen kallioperän kivet ovat syntyneet ja kiteytyneet niin kauan aikaa sitten että tuolloin mukana mahdollisesti olleet muut radionuklidit ovat vähentyneet havaintorajan alapuolelle. Vain 40 K, 238 U ja 232 Th ovat puoliintumisajaltaan niin pitkiä, että niitä on miljardien vuosien jälkeenkin mitattavaksi riittävä määrä. Neljäs pitkäikäinen nuklidi on 235 U, mutta sen osuus luonnon kokonaisuraanista on niin pieni että sen vaikutus uraanispektriin on lähinnä sekoittava. Gammaspektrometrian käyttö rajoittuukin niiden kivien tutkimiseen, joissa näitä nuklideja on luonnostaan. Jos mittaukset ovat riittävän korkealaatuisia, laitteet on mahdollista kalibroida niin, että mittaustuloksista voidaan laskea kyseisten nuklidien suhteellinen osuus kivissä. On ollut tavallista, että spektristä mitataan vain kolme ikkunaa, jotka vastaavat mainittujen kolmen nuklidin gammaenergioita. Kuitenkin on hyödyllistä tarkastella koko spektriä, koska säteilyssä on yleensä mukana kaikkia kolmea radionuklidia. Toiseksi toriumin ja uraanin hajoamissarjat säteilevät useammalla kuin yhdellä energialla ja mittauksen luotettavuus kasvaa jos pystytään tunnistamaan spektristä useampia kuin yksi energiapiikki. Tavallista on, että varsinaiset gammaspektrometrit mittaavat spektriä vähintään 256 kanavalla. Ongelmaksi tässä saatetaan kokea se, että korkeilla energioilla ei saada mielekkään ajan kuluessa rekisteröidyksi yhtään pulssia. Gammaspektrin mittaaminen on käytännössä työlästä erikoisesti jos halutaan korkealaatuista dataa, jossa signaalin voimakkuus on hyvä. Gammapulssien rekisteröiminen voi tapahtua usealla tavalla, mutta kaikissa niissä on pohjimmiltaan kyse gammasäteen ja ilmaisinmateriaalin atomien välisistä vuorovaikutuksista. Näissä monimutkaisissa tapahtumissa osa gamman energiasta siir-

33 26 tyy kohdeatomin elektroneille. Yksinkertaisessa mittauksessa rekisteröidään syntyneiden elektronien muodostaman sähkövirran voimakkuutta, mutta jos kunkin pulssin jälkeen mitataan elektronien yhteisenergia, saadaan selville alkuperäisen gamman energia. 3.2 Gammasäteily Fotoni eli gammakvantti on energiapakkaus, joka liikkuu nopeudella c (= km/s) tyhjössä. Suhteellisuusteorian mukaan aika ja valonnopeus muodostavat yhdessä oman ulottuvuutensa, jolla on matkan dimensio. Edelleen suhteellisuusteorian mukaan liikkuvan kohteen kokema aika kuluu hitaammin nopeuden kasvaessa kunnes valonnopeudessa aika pysähtyy. Valonnopeudella liikkuvalle fotonille ei ole olemassa aikaa vaan se näkee kaikki tapahtumat samanaikaisesti. Valonnopeus on fotonin ominaisuus, josta se ei voi poiketa. Kaikissa törmäyksissä ja reaktioissa, joissa fotoni menettää energiaansa ja jotka johtaisivat massallisen partikkelin nopeuden alenemiseen, fotoni jatkaa samalla nopeudella kunnes se menetettyään kaiken energiansa lakkaa olemasta. Fotonilla (eli energialla) ja aineella on kuitenkin olemassa läheinen yhteys, ja fotoni voi joskus muuttua materiaksi, jota koskevat valonnopeuden lähestymisessä vastaan tulevat rajoitukset. Energian ja massan välinen verrannollisuuskerroin on juuri valonnopeus c. Edelleen energian fundamentaalista olemusta maailmankaikkeuden rakenteessa kuvastaa se, että kvanttimekaaninen Heisenbergin epämääräisyysperiaate koskee niitä suurepareja, joiden tulon dimensio on joule*sekunti, missä joule on energian yksikkö. Vielä fotoni on ainehiukkasten keskinäistä vuorovaikutusta säätelevän sähkömagneettisen vuorovaikutuksen tarvitsema voiman-välityshiukkanen eli bosoni. Tällaisena fotonin kantomatka on ääretön eli kahden kappaleen välinen vetotai poistovoima ei millään niiden välisellä etäisyydellä katoa kokonaan. Vielä tulkoon mainituksi, että tyhjön magneettinen permeabiliteetti ja sähköinen dielektrisyys ovat läheisessä yhteydessä valonnopeuteen, sillä näiden välillä on voimassa yhtälö c = (µ 0 ε 0 ) -½, ts. nämä avaruuden kaksi magneettista ja sähköistä ominaisuutta määräävät sen kuinka nopeasti fotonit avaruudessa etenevät. Voidaan sanoa, että koska valonnopeus on johdettavissa avaruuden ominaisuuksista, myös valonnopeus on avaruuden ominaisuus. Energia luonnossa ilmenee sähkömagneettisena säteilynä, jonka ainoa muuttuva parametri on taajuus. Jos energian määrä kasvaa, kasvaa myös sen taajuus. Energian siirtymisnopeus on aina sama ja se on massatonta ja aineetonta olemusta. Kaikki luonnon systeemit alkeishiukkasista galakseihin pyrkivät energeettisesti edullisempiin tiloihin, ja kaiken luonnossa tapahtuvan toiminnan voidaan katsoa olevan pyrkimystä tätä päämäärää kohti. Täten myös radioaktiivisuus voidaan tulkita atomien tarpeeksi säästää energiaa. Säästetystä energiasta atomit ovat kuitenkin valmiit saman tien luopumaan, sillä heti kun hiukkanen siirtyy alemmalle energiatasolle, se emittoi näin säästämänsä energian valonnopeudella avaruuteen. Radioaktiivisuus voidaan nähdä myös taisteluna atomia (ja sen osia) koossapitävien ja hajottavien voimien välillä. Silloin kun hajottava sähkömagneettinen karkotusvoima pääsee voitolle atomia koossapitävästä vahvasta ydinvoimasta, atomista poistuu ainehiukkasia hyvin suurella nopeudella. Samalla koossapitävä voima pääsee ainakin tilapäisesti voitolle vastavoimastaan ja tilanne stabiloituu. Gammasäteily on atomin ytimen koostumuksen uudelleenjärjestelyssä vapautunutta energiaa. Ydin pysyy koossa vain hyvin vahvojen voimien turvin ja kaikki sieltä ulos tuleva on hyvin energeettistä. Gammasäteet ovat korkeaenergisimpiä kaikesta luonnon säteilystä. Radioaktiivisista ytimistä lähtöisin olevien gammasäteiden fotonit ovat kertaa energisempiä kuin näkyvän valon fotonit. Supernovissa ja galakseissa tapahtuvien väkivaltaisten prosessien synnyttä-

34 27 mät fotonit saattavat olla kertaa gammasäteitä energisempiä. Matalataajuisempaa ja energisempää säteilyä on atomin elektroniverhon uudelleenjärjestelyn yhteydessä syntyvä röntgensäteily. Gammasäteily liittyy aina muihin radioaktiivisen säteilyn lajeihin, alfa- tai betasäteilyyn. Radioaktiivisen hajoamisen jälkeen ydin saattaa olla virittyneessä tilassa, joka purkautuu kun ydin lähettää yhden tai useampia γ-kvantteja. Alfasäteily koostuu helium-atomin ytimistä, joita muutamat nuklidit emittoivat. Alfahiukkanen on n kertaa massiivisempi kuin elektroni ja näin massiivisen hiukkasen emittoiminen edellyttää niin korkean ytimen ympärille olevan sidosenergiavallin ylittämistä ettei hiukkasen syntymisessä vapautunut sidosenergia riitä sen ylittämiseen. Hiukkasen ulostulo voidaan selittää kvanttimekaanisella tunneloitumisilmiöllä. Alfahiukkasen poistuttua ydin keventyy ja muuttuu toisen alkuaineen ytimeksi samalla kun ylimääräiset kaksi elektronia lähtevät omille teilleen. Ydin jää todennäköisesti virittyneeseen tilaan eli sen muodostavien nukleonien liike-energiat ovat suuremmat kuin on välttämätöntä, ja siksi ylimääräinen energia poistuu ytimestä gammasäteilynä. Myös toiseen radioaktiivisuuden lajiin, β-säteilyyn, liittyy γ-säteilyä. Betareaktiossa yhden neutronin kvarkit järjestyvät uudelleen niin että ytimestä poistuu yksi elektroni ja neutroni muuttuu protoniksi. Ytimen massa ei muutu mutta järjestysluku nousee yhdellä. Tämänkin reaktion jälkeen ydin on luultavasti virittyneessä tilassa ja se purkautuu γ-kvantin poistamisella. Koska β-hajoamisessa hiukkanen muuttuu toiseksi, on todennäköisempää että tytärydin on virittyneessä tilassa kuin α-hajoamisessa, jossa ytimestä poistuu neljä nukleonia. Gammakvantti poistuu aina tytärytimestä eli sen jälkeen kun radioaktiivinen hajoaminen on tapahtunut. Yleensä aikaväli alfan tai betan ja gamman välillä on niin pieni, ~10-8 s, että gammasäteilyä pidetään samanaikaisena varsinaisen hajoamisen kanssa ja sen katsotaan kuuluvan emoytimen ominaisuuksiin. Joillakin nuklideilla väliaika on pitempi kuin edellä on mainittu ja tällöin puhutaan isomeerisestä tilasta. Aika alkuperäisen hiukkassäteilyn ja gamman välillä saattaa olla pisimmillään vuosia ja ajan pituudella tarkoitetaan normaalia puoliintumisaikaa. Pitkäikäisin lienee 192 Ir, jonka isomeerisen tilan puoliintumisaika on 241 vuotta. Isomeerinen tila saattaa syntyä myös ulkoisen γ-kvantin virittäessä atomin. Geofysiikan kannalta tärkeintä gammasäteilyssä ei ole sen syntymismekanismin tunteminen vaan se, että säteilyn energia on karakteristinen sen emittoineelle nuklidille. Jokainen isotooppi lähettää lajilleen tyypillistä samantaajuista gammasäteilyä. Siksi jos pystytään määrittämään ytimestä tulevan γ-kvantin energia, on mahdollista, että saadaan selville mikä isotooppi on säteilyn takana. Energian määrittämisessä on omat tekniset vaatimuksensa ja ongelmansa minkä lisäksi probleema ei ole yksikäsitteinen, sillä useat ytimet saattavat säteillä energiaa yhteisellä taajuudella tai niin lähellä toisiaan olevilla taajuuksilla, ettei mittaussysteemin resoluutio kykene tekemään eroa niiden välille. 3.3 Gammasäteilyn vuorovaikutus aineen kanssa Yleistä Gammakvanttia voidaan pitää pistemäisenä energiakeskittymänä. Materian läpi edetessään se kohtaa alkeishiukkasia ja atomeja, joilla on atomilajille tyypillinen poikkileikkauspinta-ala. Koska atomin läpimitta on luokkaa 10-8 cm ja ytimen cm, fotoni edetessään välttämättä törmäilee niihin. Mitä suurempia läpimitat ovat, sitä todennäköisempää on, että fotoni osuu samaan paikkaan elektronin tai ytimen kanssa eli aineen materiaalilla on merkitystä sille miten usein reaktioita tapahtuu. Kun energiakvantti osuu ainehiukkaseen, se muuttuu hetkeksi hiuk-

35 28 kasen liike-energiaa ja menettää huomattavasti nopeuttaan. Se voi myös materialisoitua ytimen voimakkaassa sähkökentässä kahdeksi hiukkaseksi. Koska fotoni on varaukseton, se ei vuorovaikuta aineen atomien kanssa tavallisen varauksellisen hiukkasen tavoin, ja siksi se voi edetä aineeseen paljon syvemmälle. Reaktioiden välistä keskimääräistä välimatkaa sanotaan keskimääräiseksi vapaaksi matkaksi. Kiinteissä aineissa se on matalaenergiaisilla röntgensäteillä muutamia millimetrejä ja korkeaenergiaisilla gammasäteillä kymmeniä senttimetrejä. Kun vuorovaikutus tapahtuu, se voi muuttaa perusteellisesti fotonin etenemissuuntaa tai saada sen katoamaan täydellisesti. Fotonin energia siirtyy kokonaan tai osittain yhden tai useamman elektronin energiaksi. Koska näin syntyneet sekundaariset elektronit ovat energeettisiä ja varattuja, ne vuorovaikuttavat aineen atomien kanssa Coulombin voiman kautta. Tämä voima jarruttaa niiden liikettä ja siksi nopeat elektronit hidastuvat ja menettävät energiansa jarrutussäteilynä. Tämän taajuus on röntgensäteiden alueella mutta se nostaa myös gammaspektrin matalaenergistä päätä. Jarrutussäteilyn suhteellinen osuus kasvaa väliaineen atomien järjestysluvun kasvaessa. Kun gammasäde liikkuu materian läpi, sen ja materia-atomien välinen energian vuorovaikutus voi tapahtua yhdeksällä tavalla joista kuitenkin vain kolmella on merkitystä tässä tapauksessa. Matalilla energioilla, tyypillisesti alhaisella kiloelektronivolttialueella, dominoi valosähköinen ilmiö. Tässä tapauksessa gamman energia käytetään rataelektronin irrottamiseen atomin vaikutuspiiristä ja loppu energiasta kiihdyttää elektronin suureen nopeuteen. Energioilla, jotka ylittävät MeV, gamman energia saattaa muuttua atomin magneettikentässä aineeksi. Tällöin syntyy elektroni ja positroni. Näiden lepomassa on vakio ja mahdollisesti ylijäänyt gamman energia käytetään syntyneiden hiukkasten kiihdyttämiseen. Molemmissa mainituissa tapauksissa alkuperäinen gammasäde katoaa ja lakkaa olemasta. Näiden välisellä energia-alueella fotonin energiasta osa siirtyy elektronille ja fotonin suunta muuttuu sitä enemmän mitä enemmän se menettää energiaansa. Tätä sanotaan Comptonin sironnaksi. Näiden reaktioiden ymmärtämisellä on perustava merkitys gammaspektrin ymmärtämisessä ja tulkinnassa. Siksi seuraavassa tarkastellaan kutakin mainittua reaktiota lähemmin Valosähköinen ilmiö Valosähköinen ilmiö eli valosähköinen absorptio on yksinkertaisin kolmesta tässä käsiteltävästä gammakvantin ja aineen välisestä reaktiosta. Tässä reaktiossa gamma- (tai röntgen)säde vuorovaikuttaa absorboivan materiaalin atomin kanssa, säde katoaa kokonaan ja sen energia siirtyy atomin rataelektronille. Koska tämä energia tavallisesti on moninkertainen elektronin sidosenergialle, elektroni saa suuren nopeuden. Sen kineettinen energia on sama kuin tulevan säteen energia vähennettynä elektronin alkuperäisellä sidosenergialla. Atomin elektronikehälle jää tyhjä tila, joka täyttyy vapaan elektronin siirtyessä siihen. Siirtyvä elektroni vapauttaa sidosenergiansa karakteristisena röntgensäteilynä, ja tämä edelleen reagoi naapuriatomien ulkoelektronien kanssa ja potkaisee ne nopeaan liikkeeseen. Näin pulssin energia muuntuu nopeiden elektronien joukon liike-energiaksi. Nämä vuorovaikuttavat aineen atomien elektronien kanssa karkottavan Coulombin voiman kautta. Prosessissa syntyy yksi ionipari jokaista 30 kev:ä kohti. Detektorin reunalla ollessaan röntgensäde saattaa myös karata detektorista. Jos detektorista ei karkaa mitään, reaktioissa luotujen elektronien kineettisten energioiden summan täytyy olla sama kuin alkuperäisen gammakvantin energia.

36 29 Valosähköinen ilmiö tapahtuu atomin rataelektronin kanssa eikä se voi tapahtua vapaan elektronin kanssa. Todennäköisyys, että valosähköinen ilmiö tapahtuu, riippuu monimutkaisella tavalla atomin järjestysluvusta Z ja gamman energiasta E ja voidaan ilmaista poikkileikkauksen J avulla. Tälle suureelle ei ole yksinkertaista kaavaa mutta se on suunnilleen τ ~ Z n /Eγ 3.5, missä eksponentti n vaihtelee välillä 4-5. Tästä syystä sekä tehokkaan detektorin että säteilynsuojausmateriaalin on oltava materiaalia, jonka Z-luku on korkea. Kuva 12. Valosähköinen ilmiö: a) Fotoni potkaisee rataelektronin liikkeelle; b) Vapaa tila täyttyy toisella elektronilla ja sidosenergia vapautuu röntgensäteilynä Comptonin sironta Comptonin sironta eli Comptonin efekti on gammaspektrometrian kannalta tärkeä prosessi, koska sen esiintymistodennäköisyys on suuri luonnon radioaktiivisuuden aiheuttaman gammasäteilyn esiintymisalueella. Prosessi on elektronin ja fotonin välillä tapahtuva reaktio eikä ytimellä ole siinä osaa. Sironnassa fotoni muuttaa jyrkästi etenemissuuntaansa ja luovuttaa osan energiastaan elektronille. Elektroni lähtee omaan suuntaansa ja sille liike-energiaksi siirtyvän energian suuruus riippuu fotonin siroamissuuntakulmasta. Jos fotonin suunta muuttuu vähän, vain

37 30 vähän energiaa siirtyy elektronille, ja maksimaalinen energiansiirto tapahtuu kun fotoni siroaa tulosuuntaansa. Koska kaikki sirontakulmat ovat mahdollisia, syntyvien elektronien energiat vaihtelevat jatkuvasti nollasta maksimienergiaan saakka, joka on n MeV pienempi kuin tulevan gamman energia. Siroamisen jälkeen fotonin energia on pienentynyt elektronille siirtyneellä energiamäärällä ja se voi aiheuttaa uuden reaktion tai paeta detektorista. θ on γ-kvantin sirontakulma kuvassa 13 ja se määrää kuinka suuri osa gamman energiasta jää tässä reaktiossa detektoriin mitattavaksi. Jos θ = 0 o, gammakvantti jatkaa suoraa etenemistään elektronin kohtaamisen jälkeen eikä yhtään energiaa siirry pois. Toisessa ääripäässä θ = 180 o ja gamma ponnahtaa takaisin tulosuuntaansa, kaikki sen energia ei siirry elektronille. Kaikilla muilla sirontakulman arvoilla elektronin energia on näiden kahden välissä. Gammareaktio tapahtuu yleensä atomiin sidotun, usein ulkoradan elektronin kanssa, mikä pehmentää Comptonin sironnan vastefunktiota. Kuvassa 13 esitetään Comptonin sironnan tapahtumat. Comptonin sironnan todennäköisyys absorbaattorin atomia kohti riippuu sirottavien elektronien määrästä ja kasvaa lineaarisesti Z:n mukana: σ Zf(Eγ). Kuva 13. Comptonin sironnassa γ-kvantti potkaisee elektronin radaltaan ja siroaa kulmaan θ. Kuvassa 14 on kaavakuva Comptonin sironnan synnyttämästä γ-spektristä. Täyden energian piikki on alkuperäisen säteilyn energian kohdalla. Piikistä alaspäin energia-akselilla oleva töyräs, ns. Comptonin reuna, vastaa 180 o sironneita fotoneja ja tästä alaspäin oleva ns. Comptonin kontinuumi muihin kulmiin sironneita fotoneja. Comptonin reunan terävät piirteet pehmenevät ja osa pulsseista siirtyy myös Comptonin reunan ja varsinaisen piikin väliselle alueelle. On tavallista, että fotoni karkaa NaI-kiteestä aiheuttamatta reaktiota. Myös tämä prosessi tuottaa spektriin pulsseja, jotka ovat alkuperäisen fotonin energian alapuolella.

38 31 Kuva 14. Comptonin sironnan synnyttämä gammaspektri. Kuva 15. Parinmuodostus ja positronin annihilaatio ulkopuolisen elektronin kanssa. Oikealla parinmuodostuksen gammaspektri.

39 Parinmuodostus Kolmas tärkeä prosessi on nimeltään parinmuodostus. Jos fotonin energia on suuri ja absorboivan materiaalin atomiluku on riittävän korkea, sähkökenttä ytimen läheisyydessä saattaa olla niin korkea, että fotoni materialisoituu aineeksi. Pienin mahdollinen gamman energia, jolla tämä voi tapahtua, on MeV. Jos energia on tätä suurempi, ylimääräenergia siirtyy syntyvien hiukkasten liike-energiaksi. Parinmuodostuksessa gammakvantti lakkaa olemasta samalla kun sen energia muuntuu e + e -pariksi. Synnyttyään hiukkaset menettävät energiansa väliaineen atomien sähkökenttien jarruttamina ja pysähtyvät kiinteissä aineissa muutaman millin matkalla. Positroni kohtaa vapaan elektronin ja annihiloituu sen kanssa tuottaen kaksi fotonia: e + + e - γ + γ. Tämä tapahtuu nanosekunnin sisällä parinmuodostumisesta ja käytännössä parinmuodostus ilmeneekin näinä fotoneina. Molempien gammojen energia on 511 kev. Ne voivat aiheuttaa omat valosähköisen ilmiön ja Comptonin sironnan reaktionsa. Fotoneista toinen tai molemmat voivat myös karata kiteestä, mistä merkkinä spektrissä näkyy yksi tai kaksi karkauspiikkiä. Karkauspiikki syntyy koska detektoriin varastoituu vain hiukkasen kineettinen energia ja karkaavan fotonin osuus alkuperäisen gamman energiasta jää rekisteröimättä. Pakopiikki sijaitsee MeV ja kaksoispakopiikki MeV alkuperäisen gamman energiaa alempana. Parinmuodostusta tapahtuu energeettisten gammasäteiden reaktioissa. Reaktion esiintymistodennäköisyys vaihtelee likimääräisesti absorboivan aineen atomien järjestysluvun neliöön verrannollisena: κ Z 2 lne γ. Kuvassa 15 esitetään vielä pelkän parinmuodostuksen synnyttämä gammaspektri. Suurin osa parintuottoprosesseista synnyttää elektronin, joka jää rekisteröitäväksi ja positronin, jonka annihilaatiosäteily synnyttää Comptonin sirontoja ja valosähköisiä absorptioita jotka edelleen rekisteröidään. (Näiden prosessien vaikutusta ei näy kuvassa.) Osa annihilaatiogammoista karkaa detektorista synnyttäen pakopiikin MeV alemmaksi. Joissakin tapauksissa molemmat gammat karkaavat jolloin syntyy kaksoispakopiikki MeV kokonaisenergiapiikkiä alemmaksi Lisää vuorovaikutuksista Kunkin kolmen reaktion todennäköisyys riippuu gammasäteen energiasta ja absorbaattorin atomien järjestysluvusta. Valosähköinen absorptio dominoi matalilla energioilla ja sitä korostaa korkea järjestysluku. Siksi gammadetektorimateriaalien järjestysluvun on oltava korkea. Comptonin sironta on tavallisin vuorovaikutus alueella muutamista sadoista kev:stä useihin MeV:hin. Parinmuodostus dominoi korkeilla energioilla ja myös sitä vahvistaa korkea järjestysluku. Suurissa detektoreissa moninkertaiset reaktiot ovat tavallisia niin että usean peräkkäisen Comptonin sironnan tai parinmuodostuksen jälkeen saattaa muodostua annihilaatiofotoneja. Koska nämä reaktiot tapahtuvat lyhyen aikavälin sisällä, tallentuneet energiat summautuvat yhteen ja muodostavat mittauspulssin. Kuvassa 16 esitetään kaavio, josta selviää Comptonin sironnan suhteellinen osuus silloin kun gamman energia vaihtelee välillä MeV eli luonnon radioaktiivisuuden emittoimien gammakvanttien energia-alueella. Pystyakselilla on materiaalin atomien järjestysluku. Tavallisilla kivillä tämä luku vaihtelee välillä ja vain jos kivessä on mukana hyvin runsaasti raskaita alkuaineita, luku nousee merkittävästi varjostetulta kaistalta. Valosähköistä efektiä tapahtuu kaikilla energia-alueilla, mutta tavallisten kivien kohdalla sen osuus jää korkeintaan pariinkymmeneen prosenttiin. Comptonin sironta dominoi tavallisten kivien alueella ja parinmuodostus tulee kyseeseen vasta >1 MeV energioilla. Täten Comptonin sironta on tärkein gamma-

40 33 spektriin pulsseja tuottava prosessi. Comptonin sironta tuottaa myös monimutkaisia spektrejä yksinkertaisimmissakin teoreettisissa tapauksissa. Kuva 16. Comptonin sironnan suhteellinen osuus prosentteina gammojen energian ja aineen järjestysluvun funktiona. Valosähköisen efektin ja Comptonin sironnan, jotka tapahtuvat elektronien kanssa, poikkileikkaukset ovat verrannollisia elektronitiheyteen. Parinmuodostus tapahtuu ytimen kanssa ja sen poikkileikkaus on verrannollinen Z 2 :een eli ytimen poikkileikkauksen pinta-alaan. Parinmuodostuksen merkitys kasvaa Z-luvun kasvaessa. Todennäköisyys, että gammasäde reagoi aineen atomien kanssa on mainittujen poikkileikkausten summa eli µ = τ + σ + κ. Tätä sanotaan lineaariseksi vaimennuskertoimeksi tai matkavaimennuskertoimeksi. Keskimääräinen vapaa matka λ määritellään tämän käänteislukuna: λ = 1/µ. Tyypilliset λ:n arvot vaihtelevat muutamista milleistä muutamiin kymmeniin sentteihin kiinteässä aineessa radioaktiivisuuden yhteydessä vastaantulevien gammojen energioilla. Lineaarisen vaimennuskertoimen riippuvuus aineen tiheydestä ρ rajoittaa sen käyttöä ja käyttökelpoisempi termi onkin massavaimennuskerroin, joka määritellään µ/ρ. Tämä ei riipu materiaalin fysikaalisesta tilasta. Matkavaimennuskertoimen avulla ilmaistuna gammasädevuon intensiteetti syvyydellä t on I = I 0 e -µt. Gammakvanttien pysähtymisaika kaasuissa on nanosekunteja ja kiinteissä aineissa pikosekunteja. Varausten keräysaika ionisaatiokammiosta voi olla millisekuntien pituinen, puolijohteissa

41 34 nanosekuntien pituinen. Gammasäteilyn jakauma noudattaa satunnaisilmiöiden tapaan Poissonin statistiikkaa Muita vuorovaikutuksia Käytännössä tilanne ei ole näin yksinkertainen vaan γ-kvantit voivat reagoida muillakin tavoilla tai muut reaktiot saattavat aiheuttaa omat valepulssinsa, jotka summautuvat spektriin. Näitä luetellaan lyhyesti seuraavassa. Oman kohinansa spektriin aiheuttavat muut radioaktiivisen säteilyn lajit eli α- ja β-säteily. Alfasäteily aiheuttaa energiasta riippuen useita ionisaatioita senttiä kohti. Näin vapautuu termisiä tai nopeita elektroneja mitattavaksi. Betasäteily tuottaa nopeita elektroneja. Nämä reagoivat atomien sähkökentän kanssa, hidastuvat termisiksi ja summautuvat gammasäteilyn aiheuttamien elektronien määrään ja joutuvat rekisteröidyiksi. Tällä tavalla syntyvien elektronien energia on satunnainen eli prosessi nostaa spektrin yleistä tasoa. Termiset elektronit ovat elektroneja, joiden lämpöliikkestä aiheutuva kineettinen energia on keskimäärin ev. Joskus energia saattaa olla riittävä work function-vallin ylittämiseksi. Work function on se kineettisen energian häviö, jonka elektroni kokee voittaessaan atomin sähköisen vetovoiman. Tuloksena on spektrin alapäähän sijoittuvia pulsseja, joita voidaan välttää jos valomonistinputki voidaan jäähdyttää. Kohinapulsseja aiheutuu myös laitteiston omasta radioaktiivisuudesta, koska lasi sisältää 40 K- ja Th-ytimiä. Myös kosminen säteily saattaa aiheuttaa omat pulssinsa. Jos materiaalissa tapahtuu β + -reaktio, atomi emittoi positronin. Se kohtaa pian vapaan elektronin ja annihiloituu sen kanssa tuottaen kaksi gammakvanttia. Nämä näkyvät spektrissä 511 kevannihilaatiopiikkinä, joka on Dopplerin efektin takia leveämpi kuin voisi odottaa. Liikemäärän säilymisen vuoksi toinen annihilaatiokvanteista liikkuu detektorin suuntaan ja toinen vastakkaiseen, mikä saa aikaan Dopplerin levenemisen. Hyvin merkittävä prosessi on elektronin ja atomin Coulombin kenttien synnyttämä kaikissa gammaspektreissä näkyvä jarrutussäteily, Bremsstrahlung. Jarrutussäteilyä syntyy kun nopea elektroni joutuu ytimen sähkökenttään. Kenttä hidastaa sen liikettä jolloin ylimääräinen liikeenergia vapautuu röntgenalueen säteilynä. Elektronin hidastuminen luo sarjan fotoneja, joiden maksimienergia ei voi olla elektronin energiaa suurempi. Ilmiö kohottaa spektrin matalataajuista taustaa ja vaikeuttaa muiden piikkien tunnistamista. Jarrutussäteilyyn johtava vuorovaikutus on voimakkainta jos absorbaattorin järjestysluku on korkea ja β-säteilyn energia on korkea. Tästä seuraa laitetekninen seikka, että kaiken detektorin lähellä olevan laitemateriaalin olisi oltava mahdollisimman matalan Z-luvun omaavaa materiaalia. Tavallinen suojausmateriaali on lyijy, joka toisaalta aiheuttaa huomattavan voimakasta takaisinsirontaa. Lyijy voidaan vuorata kadmiumilla ja kuparilla, jotka vaimentavat lyijyn jarrutussäteilyn laskemalla sen taajuutta. Atomin elektronien siirtyessä energeettisesti edullisempiin paikkoihin ylimääräinen energia vapautuu röntgensäteilynä. Tällä säteilyllä on karakteristiset taajuudet ja se aiheuttaa piikkejä myös gammaspektrin matalaenergiseen päähän.

42 35 Vielä on havaittu, että neutronisäteily saattaa virittää ytimen, joka pian virityksen jälkeen palaa alkuperäiseen tilaansa ja emittoi γ-kvantin. Tällä ei ole mitään tekemistä mitattavan säteilyn kanssa ja se muodostaa spektriin oman kohinaksi katsottavan pulssinsa. Kuva 17. Jarrutussäteilyn syntyminen. 3.4 Säteilyn mittaamisesta Yleistä Vain varatut hiukkaset vuorovaikuttavat jatkuvasti aineen kanssa, ja ne ovat siksi ainoa säteilytyyppi, joka voidaan suoraan havaita säteilynilmaisimilla. Gammasäteily ei koostu materiaalisista hiukkasista eikä se ole sähköisesti varattua minkä vuoksi sen mittaamisessa on turvauduttava epäsuoraan menetelmään. Varauksettoman partikkelin tai energiakvantin täytyy ensin joutua johonkin kolmesta mainitusta reaktiosta, joka muuttaa sen energian kokonaan tai osittain sekundaarisiksi varatuiksi partikkeleiksi. Tämän jälkeen alkuperäisen säteilyn ominaisuudet päätellään tutkimalla näin syntyneitä partikkeleita. Reaktioita tapahtuu vain harvoin eikä ole epätavallista, että varaukseton säteily etenee useiden senttien matkan kiinteässäkin aineessa ennen reaktion tapahtumista. Säteilynilmaisimen onkin oltava riittävän suurikokoinen jotta säteily ei karkaisi detektorista ennen reaktiota. Myös sen materiaalille asetetaan suuria vaatimuksia. Gammasäteilyä voidaan mitata usealla erilaisella järjestelyllä joilla kaikilla on yhteisiä piirteitä. Tärkeimmän komponentin, gammasädeilmaisimen, yleisiä ideaalisia ominaisuuksia ovat seuraavat, jossakin määrin ristiriitaiset piirteet: ulostulon on oltava verrannollinen gammasäteen energiaan materiaalin absorptio-ominaisuuksien on oltava korkeat eli tehokkuuden on oltava hyvä signaalinkeruun mekanismi on oltava riittävän helposti järjestettävissä hyvä energiaresoluutio stabiilius ajan mukana, lämpötilan suhteen ja käyttöparametrien suhteen kohtuullinen hinta kohtuullinen koko

43 36 Korkea absorptiokerroin edellyttää suurta kokoa tai korkeaa atomilukua. Koska koon on yleensä oltava kohtuullinen, jäävät kaasudetektorit pois. Monien materiaalien käyttöä rajoittaa se, että detektorin sähköisten ominaisuuksien on oltava tarkoitukseen sopivat. Sähköisiltä ominaisuuksiltaan sopivia materiaaleja ovat puolijohteeet. Niiden käyttö säteilyn ilmaisimena perustuu siihen, että säteily muuttaa kiteen sähkönjohtavuutta. Ilmaisimen muodostaa periaatteessa kahden johtavan elektrodin välissä oleva puolijohdekide. Puolijohdeilmaisimen erotuskyky on parempi kuin tuikeilmaisimen. Toisessa yleisessä ilmaisintyypissä, tuikeilmaisimessa eli skintillaatiodetektorissa, gammankvantti tuottaa varattuja sekundaarisia hiukkasia ja nämä siirtävät energiansa edelleen detektoriaineen atomeille, joiden viritystila purkautuu näkyvän valon välähdyksenä. Tämä valo irrottaa valokennon valoherkältä katodilta fotoelektroneja, joiden lukumäärä moninkertaistetaan valomonistinputkella. Näin saatava sähköpulssi on verrannollinen gamman energiaan Skintillaatiodetektori Skintillaatiodetektorin eli tuikeilmaisimen taustalla olevat fysikaaliset prosessit ovat loistevalo ja valosähköinen ilmiö. Kun gammasäde osuu skintillaattorikiteen atomeihin, syntyy sekundaarisia elektroneja edellä esitetyillä tavoilla. Nämä korkeaenergiset elektronit törmäävät edelleen atomien rataelektroneihin ja nostamalla ne ylemmälle radalle saavat ne virittyneeseen tilaan. Kun viritystila purkautuu, vapautuva energia poistuu atomista fotonina, jonka taajuus on näkyvän valon alueella. Tämä valo ohjataan optisen ikkunan kautta valomonistinputken valokatodille. Valokatodi on rakennettu materiaalista, jossa syntyy valosähköinen ilmiö kun sen pintaan osuu valonsäde. Valomonistinputki koostuu valokatodista, fokusointielektrodeista ja suunnilleen kymmenestä dynodista, joiden tehtävänä on monistaa niihin osuvia elektroneja. Jokaisessa törmäyksessä dynodiin syntyy uusia elektroneja ja viimeisen dynodin jälkeen sähköinen pulssi on miljoona kertaa alkuperäistä voimakkaampi. Pulssi ohjataan voimakkaan sähkökentän ohjaamana anodille jossa se havaitaan ja ohjataan edelleen mittauslaitteelle käsiteltäväksi ja talletettavaksi. Tuikeilmaisimesta saatava pulssi on verrannollinen säteilyn energiaan ja laitteella voidaan näin ollen mitata myös säteilylähteen energiaspektri. Kuva 18. Skintillaatiodetektorin periaatteellinen rakenne.

44 37 Hyvän skintillaatiodetektorimateriaalin ominaisuuksia ovat läpinäkyvyys, saatavuus riittävän suurikokoisena ja kyky tuottaa gamman energiaan verrannollisia valopulsseja. Suhteellisen harvoilla materiaaleilla ovat kaikki ominaisuudet hyvät. Talliumilla aktivoitua natriumjodidi- ja cesiumjodidikiteitä käytetään usein. NaI:n resoluutio-ominaisuudet ovat hyvät ja sitä on taloudellisesti saatavilla. Jodin korkea Z-luku (Z I = 53) nostaa tehokkuutta. Kiteen aktivoimiseksi lisätään pieni määrä talliumia. Paras resoluutio 137 Cs:n 662 kev-gammapiikin rekisteröinnissä saadaan kun pitkän kiteen koko on 7.5 cm * 7.5 cm. Jos koko kasvaa tai pienenee, resoluutio heikkenee. Tuikeilmaisimella on parempi tehokkuus kuin puolijohdeilmaisimella koska se rekisteröi käytännössä kaikki ilmaisimeen tulleet gammakvantit. Puolijohdeilmaisimen tehokkuus on tavallisesti % tuikeilmaisimen tehokkuudesta Puolijohdeilmaisin Tuikeilmaisimen tavoin myös puolijohdeilmaisimen toiminta perustuu pääasiassa valosähköiseen ionisaatioon. Siinä kun skintillaattoreilla mitataan elektroni-ionipareja, puolijohteilla mitataan elektroni-aukkopareja. Atomissa elektronit ovat järjestyneet muutamiin kvanttilukujen määräämiin energiatasoihin. Kiteiden periodinen kerrosrakenne synnyttää kiteeseen energiavöitä, joihin liikkuvien elektronien energia on rajoitettu. Vöiden välillä on kiellettyjen energioiden aukko. Energialtaan alin vyö on valenssivyö, johon kuuluvat ne elektronit, jotka ovat sitoutuneet kiteen kerroksiin. Seuraavaksi ylempänä on konduktiovyö, jossa olevat elektronit voivat liikkua vapaasti kiteessä. Tässä vyössä olevat elektronit määräävät materiaalin sähkönjohtavuuden. Kahden vyön välillä on aukko, jonka suuruus määrää sen onko kyseessä eriste vai puolijohde. Elektronin lähdettyä liikkeelle sen on ensin ylitettävä tämä aukko jotta se voisi päästä konduktiovyölle. Aukon leveys eristeillä on >5 ev eikä normaali lämpövärähtely ole riittävä sen ylittämiseen. Tämän seuraus on se, ettei eriste johda sähköä. Metalleilla aukon leveys on ~ 1 ev ja elektronit tarvitsevat vain pienen määrän energiaa lähteäkseen liikkeelle. Pelkkä elektronien lämpöliike riittää tähän. Metalli ei sovi detektorimateriaaliksi, koska gammasäteiden aiheuttama virta olisi hyvin pieni normaalin taustavirran rinnalla. Puolijohteilla valenssivyö on täynnä mutta sen ja johtavuusvyön välinen aukko on suuruudeltaan vain ~1 ev, mikä on samaa luokkaa lämpöliikkeen antaman energian kanssa. Tällaisen aineen johtavuusvyössä on aina jonkin verran varauksenkuljettajia eli materiaali johtaa huonosti sähköä. Elektronien määrä riippuu lämpötilasta ja taustavirta saadaan pienenemään alentamalla detektorin lämpötilaa. Kiteen elektroneilla on aina lämpöenergiaa jonka turvin valenssielektroni saattaa nousta valenssivyöltä johtavuusvyölle. Tämän tapahtumistodennäköisyys riippuu voimakkaasti lämpötilasta ja energia-aukon leveydestä. Ulkoisen kentän vaikutuksesta johtavuusvyölle joutunut elektroni lähtee liikkeelle ja jättää jälkeensä tyhjän tilan eli aukon, johon saattaa siirtyä toinen elektroni. Positiivista varausta vastaava aukko liikkuu vastakkaiseen suuntaan kuin elektroni. Sekä elektroni että aukko ovat osatekijöitä materiaalin johtavuuden määräytymisessä. Luonnollisista (intrinsic, i) puolijohteista piillä elektronien ja aukkojen määrä huoneenlämmössä on /cm 3 ja germaniumilla /cm 3. Metalleilla vastaava lukumäärä on ~10 22 /cm 3. Luonnollisia puolijohteita käsitellään paremmin käytettäviksi lisäämällä niihin epäpuhtauksia. Näiden atomit korvaavat alkuperäisen materiaalin atomeja mutta koska ne ovat toista alkuainetta,

45 38 niiden elektronien määrä on toinen. Ylimääräiset elektronit sitoutuvat atomiin vain heikosti ja ne helposti nousevat johtavuusvyölle. Näin puolijohteen elektronien määrä saadaan ppm:n luokkaa olevalla epäpuhtauksien lisäämisellä nousemaan tasolle ~10 17 /cm 3. Jos lisättävässä aineessa on enemmän elektroneja kuin alkuperäisessä, saadaan kuvatunlainen p-puolijohde. Epäpuhtauksia sanotaan donoreiksi ja puolijohteessa pääasiallisina varauksenkuljettajina toimivat elektronit. Jos epäpuhtaudessa on alkuperäismateriaalia vähemmän elektroneja, puolijohteeseen syntyy ylimäärä aukkoja. Saadaan n-puolijohde ja epäpuhtauksia sanotaan akseptoreiksi. Varauksenkuljettajina toimivat pääasiassa aukot. Kun p- ja n-tyypin puolijohde liitetään yhteen, elektroneja ja aukkoja ajautuu lämpöliikkeen vaikutuksesta rajapinnan yli. Jos parin yli kytketään estosuuntainen jännite, kontaktin ympäristöön syntyy varaukseton vyöhyke, ns. katoalue. Koska siellä ei ole varauksenkuljettajia, aine ei johda sähköä. Kun alueeseen osuu gammasäde ja synnyttää elektroneja ja aukkoja, sähkönjohtavuus muuttuu. Tässä alueessa tapahtuviin reaktioihin perustuu puolijohdedetektorin toiminta. Aukon pienuus toisaalta parantaa ja toisaalta heikentää aineen laatua detektorimateriaalina. Jos elektroni-aukko-parin muodostusenergia on pieni, fotoni luo paljon elektroneja rekisteröitäväksi. Toisaalta matalan energia-aukon yli elektroni pääsee lämpövärähtelyn turvin hyppäämään helpommin kuin suuren aukon yli mikä lisää kohinaa mittaukseen. Si- ja Ge-detektorit vaativatkin viilennystä jotta käytännön toiminta olisi mahdollista. Nestemäisellä typellä -200 o C lämpötilaan viilennetyissä detektoreissa lämpöliikkeestä syntyvä virta saadaan lasketuksi tasolle A. Gammasäde synnyttää puolijohdedetektorissa elektroneja, joiden energia on huomattavasti korkeampi kuin tarvittaisiin nostamaan ne johtavuusvyölle. Samoin syntyy vastaavansyvyisiä aukkoja. Elektronit ja aukot järjestyvät olemassa oleville energiavöille ja tässä prosessissa luovat uusia matalaenergisempiä elektroni-aukkopareja. Näiden määrä n riippuu gamman energiasta E ja elektroni-aukko-parin luontienergiasta g yksinkertaisesti: n = E/g. Elektronien ja aukkojen määrän luotettava laskeminen edellyttää, että varauksenkuljettajien mobiilius on hyvä. Puolijohdedetektorit ovat p-i-n-diodi-rakenteisia, joissa intrinsinen alue luodaan tyhjentämällä se varauksenkuljettajista diodin yli kytketyllä estojännitteellä. Koska alueella ei ole varauksenkuljettajia, siellä ei voi kulkea sähkövirtaa. Kun alueeseen tulevat fotonit reagoivat katoalueen atomien kanssa, varauksenkuljettajat vapautuvat ja ne siirretään elektrodeille sähkökentän avulla. Näin syntyvä varaus integroidaan esivahvistimella ja muutetaan jännitepulssiksi, jonka amplitudi on verrannollinen alkuperäiseen fotonin energiaan. Elektronien ja aukkojen liikkumisnopeus riippuu ulkoisesta jännitteestä ja lämpötilasta ja on kiinteillä aineilla kymmeniä kilometrejä sekunnissa kyllästyen jännitteestä riippumattomaksi tasolle 100 km/s. Aikaa, joka kuluu jotta elektronit ja aukot liikkuvat elektrodeille sanotaan varauksen keräysajaksi (charge collection time). Koska varauksien nopeus on ~1 mm/10 ns, tavallisenkokoisen detektorin kohdalla keskimääräinen etenemismatka on 25 mm. Varauksen keräysaika on 250 ns eli keräystaajuus on luokkaa 4 MHz mikä on huomattavasti nopeampaa kuin skintillaatiodetektoreissa. Asialla on merkitystä esim. detektorin resoluution määräytymisessä. Jos keruutaajuus on liian nopea, peräkkäiset toisistaan riippumattomat pulssit summautuvat yhteen ja spektrin korkeaenergiseen päähän syntyy ylimääräisiä summapulsseja. Samoin jos taajuus on liian hidas, yhden pulssin keräysaikana ehtii syntyä useita gammareaktioita jotka tässäkin tapauksessa summautuvat. Molemmissa tapauksissa ylimääräiset virhepulssit syntyvät todellisten piikkien korkeuden kustannuksella.

46 39 Puolijohteiden etuna on parempi energiaresoluutio, alempi kohinataso ja parempi paikallinen resoluutio kuin skintillaattoreilla. Germanium-detektoreilla on mahdollista saavuttaa energiaresoluutioita E/dE = Mitä detektorissa tapahtuu Radioaktiivisuus on luonnon prosesseista satunnaisimpia eikä siihen voida millään tavalla vaikuttaa. Yksittäisen ytimen hajoamisesta ei voida sanoa muuta kuin että 50 % todennäköisyydellä ydin hajoaa puoliintumisajan kuluessa. Säteilyn intensiteetti jossakin geologisessa muodostumassa riippuu puoliintumisajan lisäksi radioaktiivisten nuklidien määrästä. Detektorikalustoa ei voida rekisteröintiajan pidentämisen lisäksi millään tavalla virittää niin että mittaustulosten tilastollinen heilahtelu saataisiin pienenemään mitattujen pulssien määrän kasvun myötä. Kuitenkin detektorilla on suuri merkitys sille millainen gammaspektristä muodostuu. Oma merkityksensä on sillä mihin periaatteeseen havaitseminen perustuu, mutta myös detektorin koolla on spektrin ulkonäköön merkitystä. Spektrin ymmärtämisen ja tulkitsemisen kannalta on tarpeellista tarkastella detektorin koon vaikutusta mittaustuloksiin. Tärkeimpänä periaatteena on se missä määrin detektorin reuna on otettava huomioon, koska reunan läpi osa reaktioissa syntyneistä γ-pulsseista karkaa havaitsemattomiin Iso detektori Ison detektorin ulkopinta on niin kaukana, että se voidaan jättää huomiotta. Tällaisessa detektorissa jokainen tuleva γ-kvantti aiheuttaa reaktion ja kaikki sen synnyttämät varaukset jäävät mitattaviksi. Kuvassa 19 esitetään yksinkertainen kaavakuva tällaisessa ilmaisimessa tapahtuvista reaktioista. Detektorissa tapahtuu kolme primaarista vuorovaikutusta. γ 1 katoaa valosähköisessä absorptiossa ja tuloksena on valoelektroni ja Auger-elektroneja, joiden yhteinen liikeenergia on sama kuin alkuperäisen gamman energia. Jos γ-säteet ovat identtisiä, kaikki valosähköiset absorptiot synnyttävät samanlaisen mittaustuloksen, γ 1 :n energian kohdalla olevan piikin. Toinen gammasäde synnyttää Comptonin sironnan, josta syntyy elektroni ja alkuperäistä matalaenergisempi γ-kvantti. Myöhemmin tapahtuu toinen sironta ja lopuksi kun gamman energia on laskenut riittävästi, se katoaa valosähköisessä absorptiossa. Alkuperäisen gamman energia jakaantuu tässä tapauksessa sironneiden elektronien ja valoelektronien kesken. Koko reaktiosarjan kesto on niin lyhyt, että detektori summaa ne yhdeksi pulssiksi, jonka suuruus on sama kuin gamman energia. Eri gammojen kohdalla sirontojen määrä vaihtelee, mutta elektronien energioiden summa on vakio. Parinmuodostusreaktiossa syntyy elektroni-positroni-pari, joista jälkimmäinen kohtaa vapaan elektronin ja annihiloituu tuottaen kaksi fotonia. Näin tämäkin primaarireaktio tuottaa sarjan sironta- ja valoelektroneja, joiden energioiden summa on sama kuin alkuperäisen gamman energia. Vaikka reaktioiden ja syntyvien elektronien määrä vaihteleekin fotonista toiseen, fotonien ollessa identtisiä myös detektorin reaktio on sama. Isolla detektorilla mitatussa spektrissä näkyy piikki vain alkuperäisen gamman energian kohdalla.

47 40 Kuva 19. Kaavakuva isosta detektorista Pieni detektori Pienellä detektorilla tässä tarkoitetaan detektoria, jossa ei mahdu tapahtumaan monen peräkkäisen reaktion sarjaa. Seuraavan kuvan mukaan valosähköinen absorptio onnistuu edellisen tapaan ja sen kautta vapautuneet elektronit kasvattavat kokonaisenergiapiikin korkeutta. Comptonin sironta synnyttää rekyylielektronin mutta loput gamman energiasta karkaa detektorista. Tämän seurauksena Comptonin kontinuumi kehittyy normaalisti mutta koska yhdenkään gamman koko energia ei pääse varastoitumaan, varsinaista piikkiä alkuperäisen gamman energian kohtaan ei synny. Myöskään parintuotosta ei synny piikkiä gamman energian kohdalle, mutta koska molemmat gammat karkaavat, detektoriin varastoituu vain elektroni ja positronin kineettinen energia. Tuloksena on kaksoispakopiikki MeV alkuperäisen gamman energiaa alempana. Kuva 20. Kaavakuva pienestä detektorista.

48 Todellinen detektori Todellisen detektorin antama tulos on kahden esitetyn välissä. Siinä detektorin ulkoreuna on otettava huomioon ja sen läpi karkaa osa gammasäteilystä, mutta detektorin koko on riittävä jotta suuri osa peräkkäisistä reaktiosarjoista mahtuu tapahtumaan siinä ja tallentumaan mitattavaksi. Kuvassa 21 esitetään tällaisen detektorin periaatekuva. Siinä valosähköinen absorptio tapahtuu samoin kuin muissakin kaavakuvissa, samoin voi tapahtua monta peräkkäistä Comptonin sirontaa ennen kuin fotoni karkaa detektorista. Nämä tapaukset ryhmittyvät Comptonin reunan ja kokonaisenergiapiikin väliselle alueelle. Ensimmäinen parinmuodostuspakopiikki 511 kev kokonaisenergiapiikkiä alempana syntyy kun yksi annihilaation jälkeisistä fotoneista karkaa detektorista. Kaksoispiikki 1022 kev alempana syntyy kun molemmat karkaavat. Kuva 21. Kaavakuva todellisesta detektorista. Kuvassa 22 esitetään kaavakuvat kolmen eri kokoisen ilmaisimen mittaamat gammaspektrit. Silloinkin kun gammat ovat monoenergisiä, todellisessa spektrissä on tässä yksinkertaisessa teoreettisessa tapauksessa useita piikkejä. Käytännössä piirteitä on paljon enemmän. Kuva 22. Suuren, pienen ja todellisen detektorin mittaama gammaspektri.

49 Todellisen detektorin mittaama gammaspektri Yleistä Gammamittauksen hyväksikäyttäjän kannalta edullisinta olisi jos ilmaisin olisi niin suuri, että vain tulevien gammakvanttien kohdalla olisi selvä piikki, jonka korkeus suoraan kertoisi gammoja emittoivien nuklidien pitoisuuden kivessä. Käytännössä spektri muodostuu monesta muustakin piirteestä kuten seuraavasta tarkastelusta ilmenee. Kuvassa 23 esitetään todellinen puolijohdeilmaisimella mitattu gammaspektri. Näytteenä on 133 Ba, joka elektronikaappauksella muuttuu 133 Cs:ksi. Reaktioon liittyy yhdeksän γ-kvanttia, jotka syntyvät taulukon 3 ilmoittamalla tavalla. Taulukko Ba 133 Cs-reaktiossa vapautuvat γ-kvantit. Siirtymä Energia (kev) Siirtymä Energia (kev) 3/2+ 7/ /2+ 7/ /2+ 5/ /2+ 7/ /2+ 5/ /2+ 5/ /2+ 5/ /2+ 3/ /2+ 5/ Spektrin piikit ovat hyvin teräviä, kapeita ja selkeitä. Jokainen pulssi näkyy omana piikkinään, ja piikin korkeus vallitsevasta nollatasosta kuvastaa säteilyn intensiivisyyttä eli suhteellista osuutta. Tässä usean piikin tapauksessa muutamat spektrin piirteet katoavat lähes täysin, mutta yleisenä piirteenä näkyy spektrin tason nousu matalan energian suuntaan siirryttäessä. Tähän on syynä Comptonin sironnan synnyttämä Comptonin kontinuumi, joka näkyy selvästi kuvan 22 kaaviossa. Kun bariumin spektrissä on useita piikkejä joista kukin synnyttää oman kontinuuminsa, summaspektristä saattavat yksittäiset luonteenomaiset piirteet kadota. Selkeä Comptonin reuna näkyy vain 223 kev-piikin alapuolella. Comptonin reunalla spektrissä ovat ne elektronit, jotka syntyvät silloin kun gamman sirontakulma on 180 o mikä vastaa fotonin maksimienergiahäviötä Comptonin sironnassa. Comptonin laakso sijaitsee täyden energian piikin ja Comptonin reunan välissä (varjostettu alue kuvan 22 oikeanpuoleisessa spektrissä). Tällä alueella olevat pulssit syntyvät moninkertaisen Comptonin sironnan seurauksena kun fotoni lopuksi karkaa detektorista. Sironta, jonka tuottama energia varastoituu Comptonin reunan lähelle, jättää gammalle jonkin verran energiaa. Tämä energia voi synnyttää uusia sirontoja, jotka lisäävät varastoituneen energian määrää. Jos fotoni lopuksi karkaa detektorista ja vie mukanaan energiaa, varastoituneen energian määrä on vähän pienempi kuin täyden energian piikkiin tarvitaan. Silloin pulssi sijoittuu Comptonin laaksoon, jolloin Comptonin kontinuumin ja reunan muoto vääristyvät ennustetusta.

50 43 Kuva Ba:n gammaspektri Summautuminen Vaikka barium ei säteile 383 kev:n yläpuolella olevia pulsseja ja voidaan olettaa että kuvan standardispektrissä on huolehdittu siitä, ettei näyte ole saastunut, spektrissä on kuitenkin runsaasti pulsseja ja selkeitä piikkejä tämän energian yläpuolella. Kyseessä on pulssien summautuminen. Pulssit voivat summautua yhdeksi pulssiksi kahdella tavalla. Jos kaksi erillistä gammasädettä tulee detektoriin niin että niiden aikaväli on hyvin pieni, ne aiheuttavat omat reaktionsa ja elektronin tuottonsa, jotka spektrometri lukee yhdestä pulssista aiheutuneiksi. Summapulssin energia on liian suuri ja spektrissä se nostaa yleistä tasoa, todennäköisesti korkeaenergisessä päässä. Se voi jopa synnyttää ylimääräisiä piikkejä spektrin yläpäähän missä ei ole mitään luonnollisia isotooppeja. Tälle alueelle tuleva energia on otettu täyden energian piikistä eli se laskee todellisen piikin korkeutta. Ylimääräisen piikin paikka saattaa olla todelliseen energiaan nähden kaksinkertaisen energian kohdalla. Tämä satunnainen summautuminen riippuu säteilyn intensiteetistä ja

51 44 sen vaikutusta on mahdollista vähentää rekisteröinnin yhteydessä. Jos uusi pulssi tulee detektorista ennen kuin signaalinkäsittelysysteemi on saanut edellisen käsittelyn valmiiksi, uusi pulssi yksinkertaisesti hylätään. Toiseksi moniin radioaktiivisiin hajoamisiin liittyy useita eri energisiä gammapulsseja. Nämä ovat erillisiä kvantteja mutta niiden emittoitumisaikojen aikaero on niin pieni, että mittaussysteemin kannalta ne ovat samanaikaisia. Kaikki pulssit summautuvat järjestelmässä yhdeksi pulssiksi, jonka energia on taas spektrin yläpäässä. Samalla tavalla kuin edellä satunnaisen summautumisen kohdalla ilmiö laskee kokonaisenergiapiikin korkeutta ja alentaa tehokkuutta. Koinsidenssisummautuminen riippuu geometriasta siten että ilmiö on suurimmillaan jos säteilylähde on hyvin lähellä detektoria tai detektori on suurikokoinen. Läheltä katsottuna detektori näkyy suuressa kulmassa ja todennäköisyys, että satunnaiseen suuntaan lähtevä γ-pulssi osuu detektoriin on suurempi kuin kaukaisesta lähteestä lähteneen pulssin todennäköisyys. Koska toisenkin pulssin suunta on satunnainen, todennäköisyys, että kaksi peräkkäistä pulssia osuu detektoriin, on näiden todennäköisyyksien tulo, ja mitä kauempana lähde on, sitä pienempi tulo on. Koinsidenssisummautumista ei ole mahdollista rajoittaa samanlaisella yksinkertaisella järjestelyllä kuin satunnaista summautumista. Tavallisista kivinäytemittauksessa vastaan tulevista nuklideista 40 K:n kohdalla summautumisesta ei ole pelkoa mutta uraani ja torium hajoavat monimutkaisella tavalla jolloin ilmiö on mahdollinen. Bariumin monilla eri pulsseilla on voimakas taipumus summautua kuten kuvan 23 spektristä näkee Röntgenspektrit Kuvan 23 spektrin alapäässä kanavien alueella näkyy jyrkkä tasonmuutos. Tähän on syynä jarrutussäteily. Sitä syntyy kun elektronien etenemissuunta muuttuu ytimien coulombisen vetovoiman takia. Jos varauksen etenemissuunta muuttuu, se on kiihtyvässä liikkeessä jolloin se säteilee ympäristöönsä sähkömagneettista säteilyä. Tässä tapauksessa säteily on röntgenalueella ja sen osuus kasvaa voimakkaasti elektronien energian kasvaessa. Koska osa röntgensäteistä karkaa detektorista, niiden energiaa ei käytetty elektronien muodostamiseen ja se jää rekisteröimättä. Rekisteröitävän pulssin paikka on karanneen säteen energian verran alkuperäisen gamman energiasta alaspäin. Jos lähes kaikki röntgensäteet karkaavat, rekisteröitäväksi jää vain pieni määrä energiaa. Toinen röntgensäteilyn laji eli karakteristinen röntgensäteily syntyy valosähköiseen ilmiön sivutuotteena. Fotoni potkaisee jodin K-kehän elektronin pois atomin vaikutuspiiristä ja tyhjän tilan täyttävä elektroni vapauttaa ylimääräisen energiansa röntgensäteilynä. L-sarjan pulsseja on mahdollista suodattaa pois gammasäteilymittauksessa, koska ne ovat eri energia-alueella kuin gammasäteet. K-sarjan kohdalla tilanne on toinen eikä ole olemassa keinoa jolla eri tavalla syntyneet mutta samaenergiaiset säteilykvantit pystyttäisiin erottamaan toisistaan. Jos prosessi tapahtuu ilmaisimen reunan lähellä, on mahdollista, että röntgensäde karkaa detektorista. Jodin röntgensäteen energia on 28 kev ja spektriin syntyy pakopiikki 28 kev kokonaisenergiapiikin alapuolelle. Kuvassa Co:n kokonaisenergiapiikin paikka on 68 kev ja sen alapuolella 40 kev:n kohdalla on röntgensäteiden aiheuttama pakopiikki. Piikin voimakkuus riippuu valosähköisestä poikkipinta-alasta sekä lähteen ja detektorin keskinäisestä geometriasta. Kun gammasäteiden energia kasvaa, jodin pakopiikin suhteellinen voimakkuus pienenee nopeasti. Myöskään jodin K-kynnysarvon alapuolella (33.2 kev) sitä ei esiinny. Karakteristinen rönt-

52 45 gensäteily, jota syntyy valosähköisen ilmiön yhteydessä kun pois potkaistun elektronin paikka täyttyy, kasvattaa spektriin omat karkauspiikkinsä. Nämä esiintyvät tyypillisesti matalaenergisten gammojen alapuolella ja silloin kun detektorin pinta-ala tilavuuteen nähden on suuri. Kuvan spektrissä näkyy kaksi röntgenpiikkiä n. 30 kev:n kohdalla. Kuva Co:n gamma- ja röntgenspektri. Spektrin muoto saattaa vääristyä silloin kun tulevan gammasäteen energia on korkea, koska myös sekundaaristen elektronien energia voi tällöin olla korkea. Silloin niiden etenemismatka on pitkä ja ne saattavat karata detektorista. Silloin korkeiden gammojen energiasta jää suhteellisesti suurempi osa mittaamatta kuin matalien; samoin Comptonin kontinuumin matalien energioiden suhteellinen osuus kasvaa Takasironta On olemassa useita ilmiöitä, jotka vaikuttavat spektrin ulkonäköön ja saattavat vaikuttaa todellisilta pulsseilta mutta jotka ovat radionuklidien etsinnän kannalta kohinaa. Yksi näistä on spektrissä lähes aina esiintyvä ns. takaisinsirontapiikki. Ilmiö syntyy detektoria ympäröivässä suojusmateriaalissa, jossa tapahtuneen Comptonin sironnan poikkeuttama gammakvantti joutuu detektoriin ja tulee rekisteröidyksi.

53 46 Comptonin sironnan kokeneiden fotonien energia on luokkaa 200 kev riippumatta fotonin alkuperäisestä energiasta. Detektorin suojusmateriaalista sironneen gammavirran energiajakaumassa on siten anomalia tällä energialla ja spektriin syntyy välttämättä takaisinsirontapiikki. Piikin voimakkuus riippuu sirottajamateriaalista ja sen geometriasta. Esim. lyijyllä piikki on paljon vähemmän kehittynyt kuin vastaavan muotoisella raudalla, koska lyijyn valosähköinen poikkileikkaus on suurempi kuin raudan. Lyijyyn tulevista gammoista suurempi osa absorboituu kuin rautaan tulevista. Pienikokoisesta sirottajasta syntyvä piikki on laajempi ja korkeampi kuin suuresta. Pienen suojakilven spektri on vielä monimutkaisempi kuin suuren. Kuvassa 25 esitetään 7 Be:n spektri, jossa energialla 200 kev näkyy selvä piikki. Se on takaisinsirontapiikki, jonka spektri on myös esitetty kuvassa. Kuva Be:n takaisinsirontaspektri ja sen summautuminen kokonaisspektriin. Myös valosähköinen absorptio detektoria ympäröivässä materiaalissa saattaa tuottaa karakteristista röntgensäteilyä. Tämä syntyy samalla tavalla kuin mainittu karakteristinen röntgensäteily mutta detektorin sijasta syntymäpaikkana on sen ulkopuolinen materiaali. Ilmiö syntyy sitä todennäköisemmin mitä korkeampi Z-luku aineella on. Samanlainen materiaali sopii myös säteilysuojaukseen. Suojaimessa käytetäänkin sisäpinnalla matalamman Z-luvun materiaalia, joka absorboi korkeaenergisen röntgensäteilyn ja lähettää itse vain omaa matalaenergistä röntgensäteilyään.

54 Annihilaatiosäteily Edelleen jos gammalähteen hajoamiseen liittyy positronien tuottoa, nämä lähettävät 511 kev annihilaatiopulsseja kohdattuaan elektronin. Tämän energian kohdalle syntyy oma piikkinsä, jolla ei ole tekemistä lähteen gamma-aktiivisuuden kanssa. Jos gammakvanttien energia on korkea, suojamateriaalissa tapahtunut parinmuodostus saattaa tuottaa annihilaatiopiikin energian 511 kev kohtaan. Tämä piikki on samassa paikassa kuin positronisäteilyn piikki mutta sillä on toinen aiheuttaja. Kuvassa 26 on 92 Y:n spektri, jossa on hyvin voimakas annihilaatiopiikki. Lisäksi spektrissä näkyy takaisinsirontapiikki, yksinkertainen pakopiikki sekä annihilaatio- ja kokonaisenergiapiikin summapiikki. Kuva Y:n gammaspektri voimakkaine annihilaatiopiikkeineen Betaspektri Betasäteilyn tuottamat elektronit on pidettävä poissa detektorista, koska ne mitattaisiin normaaleina gammojen tuottamina elektroneina spektriin mukaan. Elektronien pääsy detektoriin voidaan estää detektorin ulkopuolisella absorbaattorilla. Absorbointiprosessissa kuitenkin syntyy jarrutussäteilyä, josta osa saattaa joutua detektoriin mitattavaksi. Spektrin alkupään noususta osa

55 48 tulee gammojen tuottamien elektronien hidastumisesta ja osa detektorin ulkopuolisesta betasäteilystä. Kuvan 27 spektreistä ylemmässä on mukana sekä β- että γ-säteily. Alemmassa elektronien vaikutus on suodatettu pois. Nähdään, että β-säteily saattaa varjostaa vakavasti gammaspektrin piirteitä. 92 Y:n säteilemien elektronien energia on 3.6 MeV. Kuva Y:n β+γ-spektri (ylempi) ja γ-spektri (alempi). 3.7 Spektrimittauksista Kokonaisgammamittauksen periaatteellisesta ongelmasta saa käsityksen seuraavasta kuvasta. Siinä on 238 U:n todellinen gammaspektri, jossa pulssien lukumäärä kussakin kanavassa esitetään säteilyenergian funktiona. Spektrin taso on matalilla energioilla korkea, koska tällä alueella esiintyy monenlaisia sekundaarisia pulsseja. Kokonaispulssimäärästä 87 % sijoittuu energian 400 kev alapuolelle, jossa kuitenkin on vain yksi todellinen piikki. Mittaustulos toisin sanoen koostuu lähes yhdeksänkymmenprosenttisesti muista kuin mielenkiinnon kohteena olevista pulsseista. Vaikka jonkin mielenkiintoisen nuklidin osuus kivessä kasvaisi kymmenkertaiseksi, mitattu kokonaispulssimäärä kasvaisi vain vähän. Spektrimittauksessa pulssit jaotellaan kuvan 29 mukaisiin energialaatikoihin tai yksinkertaisemmassa versiossa valitaan tiettyjä energiaikkunoita, joissa mielenkiinnon kohteena olevat nuklidit näkyvät.

56 49 Kuva U:n gammaspektri. Kuvassa 29 on esimerkki kolmesta spektristä, jotka on mitattu natriumjodidiskintillaattorilla metrin korkeudessa 2 % K-, 100 ppm eu- ja 1000 ppm eth-lähteen päällä. Pystyakseli kertoo suhteellisen pulssien määrän. Kaliumin spektrissä näkyy yksi piikki energian 1.46 MeV kohdalla. Siitä vasemmalle näkyvä nousu pienentyvän energian suuntaan on Comptonin sironnan aiheuttamaa taustaa. Uraanin spektrissä on piikit energioilla 0.60, 1.12, 1.76, 2.20 ja 2.45 MeV. Nämä ovat uraanin hajoamissarjan tytärisotooppien aiheuttamia piikkejä ja niiden olemassaolo osoittaa lähteen olevan radioaktiivisessa tasapainossa. Toriumin spektriä dominoi korkea piikki energialla 2.61 MeV, joka on sen hajoamissarjan isotoopin 208 Tl aiheuttama. Tämän alapuolella energioilla 2.10 ja 1.59 MeV on myös selvät karkaussäteilyn synnyttämät piikit. Kun 2.61 MeV pulssi tulee detektorikiteeseen, se saattaa materialisoitua elektroni-positronipariksi. Jos näin käy, kvantti ei tule lasketuksi mukaan 2.61 MeV-piikkiin. Positronin elinaika elektronien keskellä on lyhyt ja se annihiloituu elektronin kanssa kahdeksi MeV fotoniksi. Yksi tai molemmat näistä saattavat karata detektorista. Jos vain toinen karkaa, varastoituu detektoriin alkuperäisen kvantin 2.61 MeV sijasta = 2.10 MeV ja jos molemmat karkaavat, varastoituu 1.59 MeV. Siten molemmat karkauspiikit toriumin spektrissä kuuluvat varsinaisesti 2.61 MeV-piikkiin eivätkä ole omia piikkejään. Tosiasiassa 1.59 MeV:n piikissä on superponoituneena 228 Ac:n vaikutus energialla MeV.

57 50 Kuva 29. Kaliumin, uraanin ja toriumin NaI-gammaspektrit. Kaliumia, uraania ja toriumia mitataan kolmessa energiaikkunassa, jotka määritellään seuraavasti: Taulukko 4. Kaliumin, uraanin ja toriumin ikkunat. Nuklidi Ikkuna/MeV 40 K U Th Tulokseksi saadaan 40 K:n sekä kahden sarjan gammaspektrometrauksen kannalta merkittävimmän tyttären emittoiman gammapulssien määrän ja sekundaaristen reaktioiden tuottaman taustan summa. Uraanipitoisuuden määritykseen käytetyn 214 Bi:n ja toriumin määritykseen käytetyn 208 Tl:n ikkunan nettopulssien määrittäminen on jonkin verran tulkinnanvaraista. Edellä tarkasteltujen monenlaisten reaktioiden perusteella on lisäksi selvää, että kuhunkin ikkunaan kuuluvia pulsseja vuotaa muihin ikkunoihin. Ikkunoiden välisen interferenssin takia osa toriumin hajoamissarjaan kuuluvista gammakvanteista joutuu uraani- ja kaliumikkunoihin, osa uraaniin kuuluvista kvanteista joutuu kaliumin ikkunaan ja vähäinen määrä toriumin ikkunaan sekä hyvin pieni määrä kaliumin ikkunaan kuuluvista kvanteista joutuu uraanin ikkunaan. Torium-ikkunan signaaleista 86 % on peräisin toriumista ja 2 % uraanista. Osa uraanin 2.45 MeV-piikistä vuotaa torium-ikkunaan tasolla oleva tausta on tällä korkean energian alueella peräisin pääasiassa

58 51 kosmisesta säteilystä. Kaliumikkunan rekisteröinneistä 75 % on peräisin alla olevan geologian kaliumista. Uraanin ja toriumin osuus ikkunan rekisteröinneistä on %. Osa kalium-säteilystä tulee detektorin lasin kaliumista. Kvantitatiivisessa työssä vuodot naapurikanaviin on otettava huomioon. 3.8 Muutamia spektrin kvantitatiivisia ominaisuuksia Tehokkuus Detektorin tehokkuus on sen mitta kuinka monta pulssia mitataan jotakin γ-kvanttimäärää kohti. Detektoreja voidaan luonnehtia erilaisilla tehokkuuksilla ja näihin vaikuttaa detektorikiteen muoto ja koko sekä näytteen ja detektorin välinen geometria. Matalilla energioilla detektorin tehokkuus riippuu sen poikkileikkauspinta-alasta ja ikkunan paksuudesta kun taas korkeilla energioilla määräävänä tekijänä on detektorin tilavuus. Absoluuttinen tehokkuus ilmoittaa kuinka monta hiukkasta rekisteröidään suhteessa lähteen kaikkiin suuntiin emittoimiin hiukkasiin. Suhteellisella tehokkuudella tarkoitetaan jonkin detektorin tehokkuuden suhdetta johonkin toiseen. Tavallisesti vertauksen kohteena on 7.5 cm läpimittainen ja 7.5 cm pitkä NaI-kide kun molempia pidetään 25 cm päässä pistelähteestä ja käytetään vain energiaa kev. Yli 100 % tehokkuus on siten mielekäs. Sisäinen tehokkuus on mitattujen hiukkasten määrä suhteessa detektoriin osuneisiin hiukkasiin. Piikin kokonaisenergiatehokkuus on tehokkuus tuottaa vain kokonaisenergiapiikkejä eikä mitä tahansa pulsseja. Absoluuttinen ja suhteellinen tehokkuus määritetään spektristä, joka mitataan 25.0 sentin päässä detektorin edessä olevasta 60 Co-lähteestä. Tehokkaan detektorin on kyettävä absorboimaan suuri osa gammasäteen energiasta. Tämän takia detektori rakennetaan sopivan kokoiseksi tai valitaan detektorimateriaaliksi riittävän suuri järjestysluku Z Resoluutio Jokaisella γ-säteellä on oma tarkka, sen tuottaneen ydinreaktion sille antama energia. Ideaalitilanteessa kaikkien samaenergiaisten fotonien pitäisi aiheuttaa detektorissa identtinen reaktio, jonka pitäisi spektrissä näkyä yhtenä viivana. Näin ei käytännössä ole, ja siihen on olemassa monta syytä. Esim. identtisten fotonien tuottamien elektroni-positroniparien määrä voi vaihdella kilpailevien energiahäviömekanismien takia. Detektorin ikkunan läpi menevät fotonit saattavat menettää energiaansa eri tavalla ja detektorin kiteessä varauksen kertyminen vaihtelee. Tuloksena viivan sijasta on Gaussin kelloa muistuttava piikki. Resoluutio mitataan piikin leveytenä sen korkeuden puolivälistä (Full With at Half the Maximum, FWHM) kuvan 30 mukaisesti. Mitä kapeampi piikki on, sitä parempi on resoluutio. Toinen mitta on piikin muoto, joka määritellään FWTM:n (Full With at One-tenth the Maximum) ja FWHM:n suhteena. Teoreettiselle Gaussin kellolle FWTM/FWHM ~1.83. Kolmas mitta resoluutiolle on piikin maksimikorkeuden suhde Compton-sironnan muodostamaan taustaan nähden, jota käsitellään tuonnempana. Hyvä resoluutio on kolmella tavalla merkittävä asia. Kapea piikki on merkkinä siitä, että kide toimii asianmukaisesti. Toiseksi jos kaksi piikkiä koostuu yhtä monesta pulssista, kapeampi

59 52 näistä on välttämättä korkeampi. Piikin suhde taustaan on tällöin korostuneempi ja tulos on kaikin muodoin tarkempi. Kolmanneksi kaksi tai useampi limittäin olevaa piikkiä erottuvat toisistaan paremmin jos resoluutio on parempi. Puolijohdedetektorit ovat energiaresoluutioltaan huomattavasti muita säteilydetektoreja parempia useista syistä. Perussyynä on se, että näissä tarvitaan hyvin pieni energiamäärä tuottamaan tarvittava määrä varauksenkuljettajia ja siksi vastaavaenergisen fotonin aiheuttama ulostulosignaali on huomattavasti muita tyyppejä voimakkaampi. Esim. fotonin energian ollessa 3 ev Ge-kiteessä syntyvien elektronien määrä on kaksi kertalukua suurempi kuin kaasu- ja kolme kertalukua suurempi kuin skintillaatiodetektorissa. Valomonistinputkessa ja suhteellisuuslaskurissa ulostulosignaalit saadaan tarvittaessa hyvinkin suuriksi, mutta samalla vahvistuvat myös virheet. Puolijohdedetektoreissa resoluutio voi olla <1 % ja skintillaatiodetektoreissa 5-10 %. Mitä parempi resoluutio on, sitä lähempänä toisiaan olevat piikit voidaan erotella toisistaan. Resoluutiota huonontaa detektorin komponenttien vaeltelu, satunnainen kohina laitteistossa ja säteilyn tilastollinen fluktuaatio. Tilastollista heilahtelua voidaan selventää seuraavalla esimerkillä: Oletetaan, että detektoriin tulee yksi 0.5 MeV:n gammakvantti, joka varastoituu skintillaatiokiteeseen. Jos skintillaattorin tehokkuus on 12 %, ja valontuikahduksen luomiseen tarvitaan 3 ev, syntyy fotonia. Näistä voidaan olettaa saavuttavan valokatodin. Jos valokatodin tehokkuus on 20 %, syntyy 3000 valoelektronia vahvistettaviksi. (Tässä määrässä oleva fluktuaatio vahvistuu samoin.) Koska radioaktiivinen säteily noudattaa Poissonin statistiikkaa, mittaustuloksen stardardipoikkeama on 3000 eli 1.8 % alkuperäisestä. Jos elektroneja syntyisi kymmenkertainen määrä, standardipoikkeama olisi vain 0.6 %. Skintillaatioputkessa energiaresoluutiota pienentää se, että valoelektronin muodostamiseen tarvitaan suuruusluokaltaan 100 ev ja siten syntyvien varausten määrä on muutamia tuhansia. Tilastollinen fluktuaatio näin pienessä määrässä on suuri. Paras saavutettavissa oleva resoluutio on 7.5% - 8.5% 137 Cs:n γ-energialle 662 kev kiteellä, jonka läpimitta on 7.5 cm ja pituus 7.5 cm. Jos kide on suurempi tai pienempi, resoluutio heikkenee.

60 53 Kuva 30. Resoluutiomäärityksessä käytettyjä mittoja ja resoluution määrittely. Seuraavassa kuvassa esitetään kaksi samasta lähteestä mitattua spektriä, toinen mitattuna NaIdetektorilla ja toinen germaniumilla. Kyseessä on 38 Cl:n spektri. Nähdään, että NaI-detektori ei kykene erottelemaan energialla 1.2 MeV olevia pakopiikkejä toisistaan eikä piikin MeV vieressä oleva pakopiikki erotu ollenkaan. Puolijohdeilmaisimessa lähelläkin toisiaan olevan piikit erottuvat toisistaan. Jos spektri olisi todella kompleksinen kymmenine piikkeineen, germanium-detektori olisi ylivoimainen. Kuva Cl:n spektri NaI- ilmaisimella (vasemmalla) ja Ge-ilmaisimella (oikealla) mitattuna.

61 Minimihavaittavuus Minimihavaittavuus (Minimum Detectable Activity, MDA) pulsseina sekunnissa on pienin aktiivisuus joka voidaan havaita kutakin tarkoitusta varten jonakin ajanjaksona. Tällä on erityistä merkitystä matala-aktiivisten näytteiden kohdalla ja mitattaessa kompleksisten lähteiden heikosti säteileviä kaistoja. Sekä tehokkuus että resoluutio vaikuttavat minimihavaittavuuteen, koska mitä enemmän pulsseja havaitaan ja mitä kapeammalta kaistalta niitä löydetään, sitä pienempi aktiivisuus voi olla ja silti antaa havaittavan piikin havaintoaikana. Myös Compton-sironta vaikuttaa kompleksisten lähteiden matalaenergisten spektriviivojen minimihavaittavuuteen. Osa fotonien energiasta katoaa törmäyksessä puolijohdekiteen atomien kanssa ja heikentyneet fotonit saattavat karata kiteestä. Tuloksena on matalaenergisten pulssien satunnainen jakauma sen sijaan että esiintyisi yksi piikki täydellä energialla. Nämä matalaenergiset pulssit nostavat taustaa piikkiä alemmilla energioilla ja tekevät heikkojen spektriviivojen tai matala-aktiivisten komponenttien mittaamisen vaikeaksi Peak-to-Compton ratio P/C-suhde määritellään 60 Co:n kev-piikin korkeuden ja energiavälillä kev olevan Comptonin kontinuumin keskiarvon suhteena. Suure on analoginen signaali/kohina-suhteen kanssa ja sillä on yhteys detektorin resoluutioon ja tehokkuuteen. Mitä parempi resoluutio on, sitä korkeampi täyden energian piikki on ja sitä suurempi on suhde. Samoin mitä parempi täyden energian piikin tehokkuus on, sitä enemmän siinä on pulsseja mikä taaskin nostaa suhdetta. Mitä suurempi detektori on, sitä parempi on todennäköisyys, että gammasäde absorpoituu kokonaan. Tällöin kokonaisenergiapiikki kasvaa, Comptonin kontinuumiin jää vähemmän pulsseja ja P/C-suhde kasvaa. P/C-suhde vaihtelee muutamien kymmenien ja sadan välillä. Käytännössä korkea P/C-suhde tarkoittaa parempaa statistiikkaa. 3.9 Spektrin muodon riippuminen gamman energiasta Gammaspektrin ulkomuoto riippuu myös ilmaisimeen tulevien gammojen energiasta. Syynä tähän on se, että kolme kyseeseen tulevaa reaktiota aineen atomien kanssa tapahtuvat aikaisemmin esitetyllä tavalla eri suhteessa eri energioilla. Seuraava neljän kuvan sarja valaisee tilannetta. Kuvassa 32 on neljä paria, joista oikealla ilmoitetaan monoenergisen gammasäteilyn energia ja säteilyn intensiteetti. Neljässä kuvan esittämässä tapauksessa gammojen energia vaihtelee mutta niiden intensiteetti on kaikissa sama. Ilmaisimena on NaI-detektori. Kun gammojen energia on 60 kev, kyseeseen tulee lähes kaikissa tapauksissa valosähköinen absorptio ja detektorilla mitataan yksi piikki. Se muistuttaa muodoltaan Gaussin käyrää. Spektrissä näkyy myös toinen piikki, joka syntyy valosähköistä ilmiötä seuraavien jodin röntgensäteiden karkaamisesta detektorin reunan läpi. Ilman karkausta näidenkin energia tulisi luetuksi mukaan kokoenergiapiikkiin jolloin piikki olisi korkeampi. Kun gamman energia kasvaa, spektri muuttuu monimutkaisemmaksi. 320 kev:n kuvassa Comptonin sironta alkaa näkyä Comptonin reunan ja kontinuumin kehittymisenä. Kokonaisenergiapiikin korkeus laskevat energian lisääntyessä, koska Comptonin sironnan suhteellinen osuus kasvaa ja valosähköisen ilmiön osuus pienenee. Comptonin reaktiossa suuri osuus gamman energiasta leviää kontinuumin alueelle piikin kustannuksella. Energian kasvaessa yli 1.022

62 55 MeV:n spektriin syntyy parinmuodostuksesta kertovia pakopiikkejä. Annihilaatiopiikki (511 kev) aiheutuu detektorin ulkopuolella tapahtuvasta parinmuodostuksesta. Tämä piikki ei siis kuulu spektriin samalla tavalla kuin muut piikit. Kuva 32. Monoenergisten gammojen synnyttämiä spektrejä NaI-detektorissa. Matalilla energioilla gammojen energia ja intensiteetti näkyvät spektristä suhteellisen yksikäsitteisesti. Energian kasvaessa energian, intensiteetin ja amplitudin välinen yksikäsitteisyys katoaa

63 56 nopeasti. Täyden energian piikin ympäristössä informaatio energiasta ja intensiteetistä säilyy, mutta alemmissa energiaikkunoissa saattaa olla kontribuutiota mistä tahansa korkeampienergiaisesta pulssista. Tämä tekee kompleksisten gammaspektrien tulkinnan vaikeaksi Gammasäteilyn vaimeneminen aineessa Johdanto Vaimeneminen riippuu voimakkaasti väliaineen tiheydestä. Jos gammalähteen lähellä mitataan säteilyä, sen intensiteetti pienenee vain vähän jos anturia viedään kymmenen senttiä kauemmaksi lähteestä, mutta kun säteily tulee kiven läpi, kymmenen sentin lisäys kivikerroksen paksuudessa saattaa vaimentaa säteilyn intensiteetin havaitsemiskynnyksen alapuolelle. Vaimeneminen määrää myös sen kuinka suuri on gammasäteilyn syvyysulottuvuus eli kuinka syvältä kalliosta mittaus sisältää informaatiota. Säteilylähteestä detektoriin saapuvien fotonien määrä riippuu siis lähteen ja detektorin välimatkasta sekä väliaineen tiheydestä. Etäisyys vaikuttaa sen takia, että kaikkiin suuntiin lähtevä säteily hajaantuu etäisyyden mukana kasvavan pallon pinnan kasvaessa eli verrannollisena etäisyyden neliöön. Absorptiovaimeneminen on seurausta fotonien törmäilemisestä väliaineen atomeihin ja tästä aiheutuvasta energian menettämisestä Counts Distance (cm) 10 Kuva 33. Pistemäisestä lähteestä detektoriin saapuvien fotonien määrä etäisyyden funktiona.

64 Geometrinen vaimeneminen Geometrinen vaimeneminen vastaa yleistä geofysikaalisten kenttien vaimenemista. Gammasäteilyn etenemissuunta lähteestä on satunnainen ja ilmaisin näkyy lähteestä aina kulmassa, joka on korkeintaan puoliavaruuden suuruinen. Tämän takia säteilykvanteista korkeintaan 50 % saavuttaa detektorin. Kun etäisyys kasvaa, detektori näkyy yhä pienemmässä kulmassa ja osumistodennäköisyys pienenee. Kuvassa 33 on esitetty pistemäisestä lähteestä lähtevien fotonien osuminen detektoriin kun lähteen ja detektorin välimatka kasvaa. Jos etäisyys on = 0 eli lähde on detektorin pinnalla, kaikkiin suuntiin lähtevistä gammoista puolet (50 %) osuu detektoriin. Kun 7.6 * 7.6 cm kokoisen ilmaisimen etäisyys on 10 cm, vain vajaat 12 % lähteen säteilemistä pulsseista joutuu mitattavaksi Absorptiovaimeneminen Toiseksi säteilyn intensiteetti riippuu siitä miten usein fotonit joutuvat vuorovaikutukseen väliaineen atomien kanssa. Mitä todennäköisempi törmäys on, sitä todennäköisemmin se tapahtuu ja sitä todennäköisemmin gamman energia kuluu valosähköisessä reaktiossa, Comptonin sironnassa tai parinmuodostuksessa (tai muissa harvinaisemmissa reaktioissa). Gamma lakkaa olemasta tai ainakin sen energia alenee niin ettei sitä enää voi lukea alkuperäiseen gammavuohon kuuluvaksi. Vaikutusala (Cross Section) voidaan tulkita ytimen ympärillä olevaksi fotonin kulkusuuntaa vastaan kohtisuorassa olevaksi pinta-alaksi, johon osuessaan tuleva fotoni aina aiheuttaa kyseisen reaktion. Vaikutusala voi todellisuudessa olla paljon pienempi tai suurempi kuin ytimen poikkipinta-ala. Todennäköisyyttä, että jokin vuorovaikutus tapahtuu, kuvaa matkavaimennuskerroin (Linear Attenuation Coefficient) µ, joka on valosähköisen vaikutusalan, Comptonin sironnan vaikutusalan ja parinmuodostuksen vaikutusalan summa. Jos matkavaimennuskerroin normeerataan aineen tiheydellä, saadaan massavaimennuskerroin µ/ρ, jonka yksikkönä käytetään cm 2 /g Puoliintumispaksuus Gammasädevuon intensiteetti syvyydellä x aineessa on I I = 0 e µ x missä µ on materiaalin matkavaimennuskerroin. Yhtälöstä nähdään, ettei vuon intensiteetti saavuta nolla-arvoa millään äärellisellä etäisyydellä. Tässä suhteessa gammasäteet eroavat hiukkassäteilystä. Tämä tarkoittaa, ettei tietyn gammasäteen tunkeutumissyvyys aineeseen ole yksikäsitteisesti määritettävissä sen enempää kuin radioaktiivisen ytimen iän määritys. Samalla tavalla kuin kunkin radioaktiivisen aineen vähenemistä voidaan luonnehtia puoliintumisajan käsitteellä, gammasäteilyn tunkeutumissyvyyttä aineeseen voidaan kuvata puoliintumispaksuudella (Half- Value Layer, HVL). HVL on se syvyys, jolle edettyään gammavuo on menettänyt intensiteetistään puolet. Radioaktiivisuudelta suojautumisessa käytetty toinen suure on kymmenyskerroksen

65 58 (Tenth-Value Layer, TVL) paksuus, joka tarkoittaa sen kerroksen paksuutta, jonka läpi mentyään gammasädevuo on heikentynyt kymmenenteen osaansa alkuperäisestä Keskimääräinen vapaa matka Keskimääräinen vapaa matka (Mean Free Path, myös keskimääräinen törmäysväli) on fotonin kulkema keskimääräinen matka väliaineessa ennen ensimmäistä vuorovaikutusta tai kahden vuorovaikutuksen välillä. Se määritellään matkavaimennuskertoimen käänteislukuna λ = 1/µ. Keskimääräinen vapaa matka on eksponentiaalisesti vaimenevan jakauman keskiarvo. Seuraavassa taulukossa on muutamien aineiden arvoja λ:lle. Taulukko 5. Keskimääräinen vapaa matka eräissä aineissa. Aine λ (cm) Cu 9.6 Pb 10.2 Fe 10.6 Al 26.1 Betoni Tärkeimpien radionuklidien gammaspektrit Kalium Kaliumilta tunnetaan 21 isotooppia, joista stabiilien 39 K:n osuus on on % ja 41 K:n osuus %. 40 K:n osuus luonnon kokonaiskaliumista on %. Isotoopit, joiden A < 39, ovat β + -säteilijöitä ja isotoopit, joiden A > 41, ovat β -säteilijöitä. Monien kaliumin isotooppien hajoamisiin liittyy runsaastikin γ-säteilyä, mutta koska isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat kymmenestä millisekunnista 22 tuntiin, ei niillä ole merkitystä kallionäytteiden tutkimisessa. Kaliumin isotooppi 40 K on voimakas β - -emittoija. Sen puoliintumisaika on miljardia vuotta. Tärkeämpään hajoamismoodiin eli β -hajoamiseen jossa 40 K muuttuu 40 Ca:ksi, ei liity γ- säteilyä. Todennäköisyydellä % kalium hajoaa suoraan 40 Ar:ksi kaapattuaan elektronin. Suurimmassa osassa tapauksia elektronikaappaus johtaa välitasolle, joka purkautuu kev:n γ-säteilynä. Hajoamiseen liittyy vielä kahdeksan mahdollista röntgensädettä, joiden esiintymistodennäköisyys on < 1 % ja energia < 3.2 kev. Kaliumin gammaspektri on yksinkertainen moniin muihin spektreihin verrattuna säteilyn monoenergisyyden takia. Kuvassa 34 esitetään 40 K:n gammaspektri mitattuna NaI(Tl)- detektorilla. Siinä näkyy selkeä mutta leveä piikki, jonka energia on 1.46 MeV. Tämän yläpuolisilla energioilla pulsseja on rekisteröity vain vähän. Comptonin ilmiön mukaiset piirteet näkyvät spektrissä selvästi, samoin jarrutussäteilyn synnyttämä taustannousu spektrin matalilla energioilla.

66 59 Graniitin K-pitoisuus on luokkaa 4 % mistä määrästä % eli 4.7 ppm on radioaktiivista isotooppia. Kilossa graniittia on siten 4.7 mg isotooppia 40 K. Koska yksi 40 K-atomi painaa 67*10-27 kg, radioaktiivisten ydinten määrä kiloa kohti on 70*10 18 kpl. Näistä puolet hajoaa 1.28*10 9 vuodessa (4*10 16 sekunnissa), mistä tulee 875 hajoamista sekuntia kohti. Näistä kuitenkin vain % eli 93 siirtyy elektronikaappauksen ja β + -emittoimisen kautta siihen tilaan, jonka jälkeen gammapulssin syntyminen on mahdollinen. Kuva K:n gammaspektri NaI(Tl)-ilmaisimella mitattuna. Kuvassa 35 esitetään 40 K:n gammaspektri puolijohdeilmaisimella mitattuna. Verrattaessa kuvaa edelliseen havaitaan, että 1.46 MeV-piikki on huomattavasti terävämpi ja piikin korkeuden suhde Comptonin taustaan on ~100 kun se edellä oli ~10. Piikin yläpuolella näkyy selvästi summautumisen synnyttämiä pulsseja. Moninkertaisen sironnan synnyttämä anomalia piikin ja Comptonin reunan välillä erottuu selvästi. Matalaenergiaista spektrin päätä nostaa tässäkin jarrutussäteily. Energian 200 kev kohdalla näkyvä töyräs on takaisinsironnan aiheuttama ja se näkyy epäselvemmin myös NaI-spektrissä. Koska alkuperäisen gamman energia on >1.022 MeV, parinmuodostus on mahdollinen ja siitä merkkinä näkyy kaksi pakopiikkiä. Ne näkyvät myös edellisessä kuvassa vaikkakin epäselvemmin. Myös annihilaatiosäteilyn piikki on näkyvissä - NaI-mittauksessa se summautuu kaksoispakopiikin kanssa.

67 60 Kuva K:n gammaspektri Ge(Li)-ilmaisimella mitattuna Uraani Yleistä Uraanilta tunnetaan 25 isotooppia, jotka kaikki ovat radioaktiivisia. Luonnossa yleisin on 238 U, jonka osuus on %, toiseksi yleisin on 235 U prosenttiosuudella ja kolmantena 234 U, jonka osuus on %. Näiden lisäksi on olemassa kaksi suhteellisen pitkäikäistä isotooppia ( 233 U 160 tuhatta vuotta ja 236 U 23 miljoonaa vuotta), joiden osuus kokonaisuraanista kuitenkin on häviävän pieni. Gammaspektrometrian kannalta ylivoimaisesti tärkein on 238 U, jonka puoliintumisaika on 4.468*10 9 vuotta sekä 235 U, jonka puoliintumisaika on 7.038*10 8 vuotta. Eri isotoopit hajoavat yleensä α-moodin kautta, jonkin verran myös β-hajoamisina, elektronikaappauksina ja muina reaktioina. Näiden hajoamisiin liittyy runsaasti erilaisia gammaja röntgensäteitä, joiden merkitys kallionäytteiden tarkastelussa on kuitenkin olematon. Uraanin hajoaminen poikkeaa edellä käsitellystä kaliumista erikoisesti siinä, että myös tytärnuklidi on radioaktiivinen. Tämä tuottaa oman radioaktiivisen tyttärensä ja niin edelleen kunnes saavutetaan stabiili lyijyn ydin. Koska useimpiin hajoamisiin liittyy joukko γ-pulsseja, radioaktiivisessa tasapainossa (tilassa jolloin tyttärien tuottonopeus on sama kuin niiden hajoamisnopeus) oleva uraaniesiintymä tuottaa hyvin monenlaisia gammakvantteja. Gammaspektri on vastaavasti monimutkainen erikoisesti kun otetaan huomioon sekundaariset reaktiot. Luonnon uraanimalmin kohdalla on vielä otettava huomioon, että koska 235 U ja 238 U ovat kemiallisesti samanlaisia, molempia on malmissa mukana ja spektrissä näkyy molempien piikit. 235 U:n piikit näkyvät heikommin koska niiden osuus kokonaisgammamäärästä on pienempi. Molempien piikit jäävät kuitenkin vismutin piikkien varjoon.

68 Radonsarja Kuvassa 36 esitetään uraanin tärkeämpi hajoamissarja, ns. uraanin radonsarja. Alas vasemmalle menevä nuoli tarkoittaa α- ja oikealle menevä nuoli β -hajoamista. Kaaviossa näkyy neljä nuklidia, joilla on kaksi vaihtoehtoista hajoamismoodia. Kolmessa tapauksessa α-hajoamisen osuus on >99.98 %; 214 Bi:n β-hajoamistodennäköisyys on %. Päätejäsenten 238 U:n ja 206 Pb:n lisäksi sarjaan kuuluu seitsemäntoista radioaktiivista jäsentä. Gammaspektrometrian sarjan tärkein jäsen on 214 Bi, jonka hajoamiseen 210 Po:ksi liittyy yli 200 gammapulssia ja jota gammaspektrometrauksessa havainnoidaan. Kuva 36. Uraanin radon-sarjan jäsenet Aktiniumsarja Toisen uraanin hajoamissarjan, ns. aktiniumsarjan lähtöjäsen on 235 U. Tämä sarja ei ole kuitenkaan gammaspektrometrian kannalta tärkeä, koska 235 U:n osuus luonnon uraanista on pieni eikä sarjaan muutenkaan liity merkittäviä gammapiikkejä.

69 Uraanimalmi Uraanimalmin spektri on erilainen kuin minkä tahansa uraanin isotoopin spektri, koska malmi koostuu kaikista isotoopeista stabiiliin lyijyyn saakka. Merkittävin gammapiikkien aiheuttaja on hajoamissarjan loppupuolella oleva 214 Bi, jonka hajoamiseen liittyy runsaasti intensiivisiä pulsseja. Uraanimalmin spektrissä näkyykin lähes yksinomaan vismutin piikkejä. Näistä merkittävin on energialla 1760 kev, jonka korkeudesta ja pinta-alasta lasketaan gammaspektrometriassa ekvivalenttinen uraanipitoisuus eli se pitoisuus, joka uraanilla on oltava, jotta sekundaarisessa tasapainossa oleva uraaninen hajoamissarja pitäisi yllä mitatun määrän vismuttia. Muutkin piikit ovat tyypillisiä uraanimalmille ja spektristä oppii nopeasti tunnistamaan karakteristiset piirteet. Kuva 37. Uraanimalmin gammaspektri NaI(Tl)-detektorilla mitattuna Torium Yleistä Uraanin hajoamissarjojen lisäksi kivinäytteiden tarkastelussa vastaantuleva hajoamissarja on toriumin sarja. Siihen kuuluu päätejäsenten 232 Th ja 208 Pb lisäksi kymmenen radioaktiivista jäsentä. Haarautuvia hajoamisia on vain yksi ja 212 Bi:n β hajoamisen todennäköisyys on %. 232 Th:n osuus luonnon toriumista on 100 %. Muiden isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat mikrosekunneista vuoteen. Puoliintumisajan lyhyyden takia niillä ei ole tässä merkitystä. Kuvassa 38 esitetään toriumin hajoamissarja.

70 63 Kuva Th:n hajoamissarja Torium-malmi Torium-malmin gammaspektri poikkeaa uraanin tavoin puhtaan 232 Th:n spektristä. Syynä ei ole niinkään toriumin muiden isotooppien sekoittava vaikutus vaan uraanin ja kaliumin määrän vaihtelu. Monimutkaisuutta aiheuttaa se, että sekä kaliumin, uraanin että toriumin määrä lisääntyy magmakivissä piin lisääntymisen myötä. Näiden suhteelliset määrät säilyvät suhteellisen vakiona, mikä tarkoittaa, että spektrissä on usein kaikkien näiden kolmen tekijän jäljet. Koska luonnossa tavattavien malmien pitoisuudet saattavat kuitenkin vaihdella, spektri on usein kompleksinen. Kivinäytteiden kannalta yksinkertaistavana tekijänä on se, että toriummalmit ovat aina radioaktiivisessa tasapainossa, koska tasapainoisen tytärsarjan muodostuminen vie vain viitisenkymmentä vuotta. Torium ei lisäksi ole niin altis ympäristön olosuhteiden muutoksien vaikutuksille kuin uraani. Kuvassa 39 torium-malmin spektri skintillometrillä mitattuna. 208 Tl:n piikki MeV:n kohdalla erottuu dekadin korkuisena piikkinä taustasta. Kaliumin ja uraanin piikit ovat selvästi alemmilla energioilla.

71 64 Kuva 39. Torium-malmin gammaspektri NaI(Tl)-ilmaisimella mitattuna. 4 LUONNON RADIOAKTIIVISUUDESTA 4.1 Radioaktiivisuus luonnossa Maapallo on ollut alusta lähtien radioaktiivinen ja radioaktiivisuus on luonnollinen osa maapallon ympäristöä. Säteileviä nuklideja löytyy ilmasta, vedestä, maaperästä, kasveista ja eläimistä. Ihminen hengittää joka päivä radioaktiivisia ytimiä ja syö niitä ruokansa ja juo juomansa mukana. Radioaktiivisuus on yleistä kivissä ja irtomaassa, merien vedessä ja talojen rakennusaineissa. Ihmisen saamasta radioaktiivisuusannoksesta n. 82 % on luonnollisista syistä, lähinnä radonista, aiheutuvaa. Lopuista <1% tulee ydinvoimaloista ja ydinlaskeumista ja loput lääketieteellisistä tutkimuksista. Luonnollisen radioaktiivisen säteilyn tasot eivät ole kaikkialla samat vaan vaihtelevat paikasta toiseen. Tämä aiheutuu siitä, että eri alueiden irtomaiden aktiivisuus vaihtelee sen mukaan mikä sen lähtömateriaalin, kallioperän, uraanipitoisuus on. Maankuori sisältää pieniä määriä uraania, toriumia ja radiumia sekä useiden muiden alkuaineiden kuten kaliumin radioaktiivisia isotooppeja. Kivissä ja irtomaissa olevan luonnollisen radioaktiivisuuden osuus ihmisen saamasta kokonaisradioaktiivisuusannoksesta on n. 28 mrem eli 8 %. Taulukossa 6 ilmoitetaan tärkeimpien radioaktiivisten nuklidien ja niiden hajontojen määrä, jonka neliökilometrin laajuinen ja metrin paksuinen laatta irtomaita (ρ = 1600 kg/m 3 ) tyypillisesti säteilee.

72 65 Taulukko 6. Irtomaiden radioaktiiviset nuklidit. Nuklidi Arvioitu aktiivisuus Bq/kg Nuklidin massa kg Kokonaisaktiivisuus GBq U Th K Ra g 80 Rn 10 kbq/m 3 14 µg 9.4 Taulukossa 7 ilmoitetaan erilaisten vesien radioaktiivisuuksia. Myös meret sisältävät huomattavan määrän radioaktiivisia nuklideja. Taulukossa 4 ilmoitetaan maailman merien kokonaisradioaktiivisuus. Tyynen meren tilavuus on 6.5 * m 3, Atlantin 3.1 * m 3 ja kaikkien merien yhteensä 13 * m 3. Taulukko 7. Meri-, pinta- ja pohjaveden radioaktiivisuuksia. Nuklidi Merivesi Pintavesi Pohjavesi Bq/l Bq/l Bq/l 40 K Rb 0.1 U ~0.037 ~ Ra Ra > H Taulukko 8. Maailman merien kokonaisradioaktiivisuus. Nuklidi Aktiivisuus mbq/1 Tyyni meri EBq Atlantti EBq Kaikki EBq U K H C R

73 66 Merissä tapahtuu yli 15 miljardia miljardia radioaktiivista hajoamista sekunnissa, mistä 40 K:n osuus on >90 %. Seuraavassa taulukossa esitetään eräiden rakennusmateriaalien uraanin, toriumin ja radioaktiivisen kaliumin arvioituja suhteellisia pitoisuuksia ja näiden aiheuttamia hajoamisia sekunnissa kiloa kohti. Taulukko 9. Rakennusmateriaalien radioaktiivisuuksia. Materiaali Uraani Torium Kalium ppm Bq/kg ppm Bq/kg ppm Bq/kg Graniitti Hiekkakivi Sementti Kalkkikivibetoni Hiekkakivibetoni Kuiva tapetti Luonnon kipsi Puu luvun puolivälin ydinasekokeet tuottivat omia radioaktiivisia isotooppejaan, joilla kuitenkin yleensä on suhteellisen lyhyt puoliintumisaika. Seuraavassa taulukossa ilmoitetaan ilmakehässä tehtyjen ydinkokeiden aiheuttaman radioaktiivisen laskeuman aktiivisuus. Tritiumin pitoisuus on laskettu vedestä, kryptonin ilmasta ja muiden irtomaista pohjoiselta pallonpuoliskolta leveyspiirien o tienoilta. Tritiumin pitoisuus on nykyään kadonnut ja cesiumin ja strontiumin pitoisuudet ovat puoliintuneet. Taulukko 10. Radioaktiivisen laskeuman isotooppeja. Radionuklidi Pitoisuus (mbq/g) 3 H useita satoja 85 Kr 0.37 mbq/l 239 Pu Pu Pu Cs Sr Ihmiskehossa on pieniä määriä radioaktiivisia nuklideja, tärkeimpänä 40 K ja muina uraani, torium, radon ja 14 C. 40 K:n osuus 70 kg painoisessa ihmisessä on 17 mg eli %, mikä

74 67 tuottaa 4400 hajoamista sekunnissa. Kalium edustaa 98.6 % ihmisruumiin radioaktiivisuudesta. Päivittäisen radioaktiivisen kaliumin vaihtuvuus on n. 0.4 mg. Luonnosta on löydetty yli 60 radionuklidia. Ne voidaan jakaa alkuperänsä perusteella kolmeen luokkaan, primordiaalisiin, kosmogeenisiin ja ihmisen tuottamiin. Ensiksi mainitut ovat maan syntymisen ajalta peräisin olevia, kosmogeenisia syntyy koko ajan kosmisen säteilyn vaikutuksesta ja viimeksi mainittuja on tuotettu vasta viime aikoina. Eri nuklidiryhmien osuus ihmisen saamassa säteilyannoksessa on taulukon 11 mukainen Taulukko 11. Tyypillinen arvioitu vuotuinen annosekvivalentti luonnon lähteistä. Lähde Efektiivinen annosekvivalentti (mrem/vuosi) Sisäinen Ulkoinen Σ Kosmiset säteet + neutronit Kosmogeeniset nuklidit Primordiaaliset nuklidit K Rb U-sarja U Th Ra Th Yhteensä Kosmisten säteiden määrä vaihtelee leveysasteen mukaan, koska maan ilmakehä suodattaa napaalueilla ohuempana säteilyä vähemmän kuin lähempänä päiväntasaajaa. Radioaktiiviset materiaalit voivat esiintyä kaikissa aineen olomuodoissa. Radioaktiivisuutta on ilmassa, puhtailla pinnoilla, vedessä tai kiinteissä aineissa. Radioaktiiviseksi saastumiseksi sanotaan radioaktiivisen materiaalin joutumista sellaiseen paikkaan minne sitä ei haluta tai missä se saattaa olla vahingollista. Luonnossa tavatuista 92 alkuaineesta kolmisenkymmentä on radioaktiivisia seuraavan kuvion mukaisesti.

75 68 Kuva 40. Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä ja radioaktiiviset nuklidit. 4.2 Puoliintumisajat Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu spontaanisti. Yksittäisen ytimen hajoamisajankohtaa ei voida ennalta määrittää, mutta voidaan ilmoittaa todennäköisyys jolla hajoaminen tapahtuu tietyn ajan kuluessa. Radioaktiivisen nuklidin puoliintumisaika on se ajanjakso, jonka sisällä puolet mistä tahansa määrästä kyseisiä nuklideja hajoaa. Puoliintumisajat vaihtelevat silmänräpäyksestä maailmankaikkeuden iän suuruusluokkaan. Joidenkin ytimien oletetaan teorian perusteella olevan radioaktiivisia, mutta puoliintumisajan pituuden takia monista ehdokkaista ei toistaiseksi ole saatu varmoja tietoja. Edellä sanotun mukaisesti radioaktiivisuuden voidaan katsoa olevan seurausta siitä, ettei vahva ydinvoima kykene voittamaan protonien välistä sähkömagneettista hylkimisvoimaa. Mitä suurempi protonien tai neutronien välinen epäsuhta on, sitä suurempi tarve ytimellä on siirtyä stabiilia tilaa kohti ja sitä nopeammin hajoaminen tapahtuu. Seuraavassa kuviossa esitetään puoliintumisaikojen jakautuminen protonien ja neutronien lukumäärän vaihdellessa. Mitä kauempana stabiilista ytimestä nuklidi on, sitä pienempi on puoliintumisaika.

76 69 Kuva 41. Nuklidit puoliintumisajan mukaan ryhmiteltyinä. Seuraavassa taulukossa ilmoitetaan muutamien radioaktiivisten ytimien hajoamismoodit ja puoliintumisajat. Yleensä β-hajoaminen on nopeaa ja α-hajoaminen hidasta, taulukon mukaan ei kuitenkaan aina. Taulukko 12. Radionuklidien puoliintumisaikoja. Nuklidi Moodi Puoliintumisaika 3 H β a 8 Be α 6.7*10-18 s 14 C β a 40 K β +,e.c.,β *10 9 a 60 Co β a 87 Rb β - 4.9*10 10 a 131 I β d 138 La e.c., β *10 11 a 147 Sm α 1.08*10 11 a 176 Lu β - 3.6*10 10 a 187 Re β - 4.5*10 10 a

77 Rn α 3.82 d 224 Ra α 3.66 d 226 Ra α 1600 a 228 Ra α 5.75 a 228 Th α a 232 Th α 1.4*10 10 a 235 U α 7.04*10 8 a 238 U α 4.46*10 9 a 239 Pu α a 4.3 Radioaktiiviset hajoamissarjat Radioaktiivisuus luonnossa esiintyy paitsi yksittäisinä aktiivisina nuklideina myös kolmena hajoamissarjana, joissa jokainen jäsen ensimmäisen jälkeen syntyy edellisen tyttärenä. Kolmen sarjan lähtönuklidit ovat 238 U, 235 U ja 232 Th ja nimet uraanisarja, aktiniumsarja ja toriumsarja. Aktiniumsarjalla on vähän käytännön merkitystä, koska 235 U:n pitoisuus luonnossa on pieni, vain 0.7 % kokonaisuraanipitoisuudesta. Kaikki hajoamissarjat päätyvät stabiileihin mutta erilaisiin lyijyn isotooppeihin. Taulukko 13. Uraani-, aktinium- ja toriumsarjat. Nuklidi Moodi T½ Nuklidi Moodi T½ Nuklidi Moodi T½ 238 U α a 234 Th β d 234 Pa β m 234 U α a 230 Th α a 226 Ra α 1600 a 222 Rn α 3.82 d 218 Po α 3.11 m 214 Pb β m 214 Bi β m 214 Po α s 210 Pb β a 210 Bi β d 210 Po α d 206 Pb 235 U α a 231 Th β h 231 Pa α a 227 Ac β a 227 Th α d 223 Fr β m 223 Ra α d 219 Rn α 3.96 s 215 Po α s 211 Pb β m 211 Bi β m 211 Po α 0.52 s 207 Tl β m 207 Pb 232 Th α a 228 Ra β a 228 Ac β h 228 Th α a 224 Ra α 3.66 d 220 Rn α 55.6 s 216 Po α 0.15 s 212 Pb β h 212 Bi β h 212 Po α s 208 Tl β m 208 Pb Radioaktiivisilla sarjoilla on paljonkin käyttöä geotieteissä. Niitä käytetään mm. luonnollisina merkkiaineina tutkittaessa materiaalien liikkumista geologisessa ympäristössä. Tärkein käyttö on kuitenkin geologisten systeemien iänmäärityksessä. Puoliintumisaikojen suuren vaihtelun takia voidaan tutkia geologisia rakenteita, joiden ikä vaihtelee päivistä miljardeihin vuosiin. Uraani- ja toriumsarjojen isotooppeja käytetään mm. sedimenttien ja biologisten materiaalien iänmäärityksessä, sedimentoitumisnopeuden ja kivi/vesi-vuorovaikutusprosessien tutkimuksissa, jäätiköitymisen ja muinaisen ilmaston historian tutkimuksessa, nuoren vulkaanisen materiaalin

78 71 iänmäärityksessä ja magman syntymisen tutkimisessa sekä hydrologisten systeemien geokemiallisessa karakterisoinnissa. 4.4 Primordiaaliset radioaktiiviset nuklidit Yleistä Primordiaaliset radionuklidit ovat jäänteitä ajalta jolloin maa ja avaruus syntyivät. Nämä ytimet syntyivät alun suuressa pamauksessa, supernovissa tai muissa tähtien väkivaltaisissa prosesseissa. Edellytyksenä näin vanhojen nuklidien olemassaololle nykyään on niiden satojen miljoonien vuosien luokkaa oleva puoliintumisaika. Jos radionuklidin ikä on suurempi kuin 30 puoliintumisaikaa, sen määrä käy niin pieneksi, ettei se ole käytännössä mitattavissa. Tuolloin ytimien määrä on laskenut miljardisosaan alkuperäisestä. Taulukko 14. Tärkeimmät primordiaaliset radioaktiiviset nuklidit. Nuklidi Puoliintumisaika Esiintyminen luonnossa 235 U a 0.72% luonnon uraanista 238 U a % luonnon uraanista; ppm kivistä 232 Th a ppm kivissä; 10.7 ppm maankuoressa 226 Ra 1600 a 16 Bq/kg kalkkikivissä; 48 Bq/kg magmakivissä 222 Rn 3.82 d 0.6 Bq/m 3-28 Bq/m 3 40 K a Bq/g irtomaissa Muutamia muita tämän ryhmän radionuklideja ovat 50 V, 87 Rb, 113 Cd, 115 In, 123 Te, 138 La, 142 Ce, 144 Nd, 147 Sm, 152 Gd, 174 Hf, 176 Lu, 187 Re, 190 Pt, 192 Pt, 209 Bi. Primordiaaliset nuklidit jaetaan kahteen ryhmään; yksittäin esiintyviin ja sarjoina esiintyviin. Kaksi merkittävintä yksittäin esiintyvää radionuklidia ovat 40 K ja 87 Rb. 40 K on β- (87.3 %) ja γ- (10.67 %) emittoija ja sillä on ihmiselle marginaalista terveydellistä merkitystä mm. sen takia, että sitä on mu-kana rakennusmateriaaleissa kuten tiilissä ja betonissa. Radioaktiivisen kaliumin osuus koko-naiskaliumissa on % ja keskimääräinen pitoisuus kallioperässä ppm, mikä vastaa aktiivisuutta 600 Bq/kg. 87 Rb on puhdas β-säteilijä ja sitä on kallioperässä keskimäärin 70 ppm. Sillä on vähän merkitystä ihmisen terveyden kannalta. Muiden yksittäisten radionuklidien kohdalla puoliintumisaikojen, isotooppien määrien ja alkuainepitoisuuksien kombinaatiot ovat sellaiset, ettei niilläkään ole käytännön merkitystä. Uraani-, torium- ja aktiniumsarjat sekä kalium ja rubidium ovat lähtöisin maan kuoren ja vaipan kivistä. Kun sula magma jäähtyy, magmaattisen differentiaation kautta muodostuu silikaattimineraaleja. Jäähtymisen alkuvaiheissa silikaatit ovat emäksisiä (rauta- ja magnesiumpitoisia) ja niistä puuttuu alumiini, pii, natrium ja kalium. Nämä kivet ovat väriltään tummia. Kun jäähtyminen ja differentiaatio etenevät, tasapaino kääntyy vastakkaiseksi ja syntyy piitä ja alumiinia sisältäviä väriltään enimmäkseen vaaleita tai laikukkaita happamia kiviä. Uraani ja torium eivät sovi pääsilikaattien kiderakenteeseen minkä lisäksi niiden määrät ovat niin pieniä, etteivät ne tavallisesti muodosta omia mineraalejaan. Tästä seuraa, että magman loppuosa jäähtyessään

79 72 muodostaa sekalaisia mineraaleja, joissa uraani ja torium ovat hivenaineina. Viimeksi kiteytyvät silikaatit sisältävät eniten kaliumia ja rubidiumia. Taulukko 15. Primordiaalisten nuklidien määrä (ppm) emäksissä ja happamissa kivissä. Alkuaine Emäksinen Hapan Uraani Torium Kalium 0.8 % 4 % Rubidium Fysikaalinen ja kemiallinen rapautuminen hajottavat kivet irtomaiksi. Fysikaalinen rapautuminen etenee kiven kiteiden pintoja pitkin, jolloin jäljelle voi jäädä radioaktiivisia ja kemialliselle rapautumiselle vastustuskykyisiä rakeita. Rapautumisen ollessa kemiallista tai biologista, radioaktiiviset nuklidit saattavat kerrostua savimineraalien mukana. Tuloksena saattaa olla alkuperäisen mineraalin hiekka, jossa ei ole radionuklideja, hienojakoisia savimineraaleja, joissa on jonkin verran rikastuneita radionuklideja tai pieniä määriä vastustuskykyisiä raskaita mineraaleja, joissa on hajoamissarjoihin kuuluvia radionuklideja. Kalium ja rubidium huuhtoutuvat pois. Pääasiassa savikivistä, hiekkakivistä ja karbonaattikivistä koostuvat sedimenttikivet kattavat 85 % maapallon maa-alueesta. Torium ja uraani näissä kivissä ovat magmakivien tapaan vähäisiä. Vesi saattaa mobiloida tai kerrostaa radionuklideja ja humushapot saattavat luoda uraanitaskuja. Uraanilla on yhtymistaipumus raakaöljyn kanssa. Savikivet sisältävät tavallisesti vähintään 35 % savimineraaleja ja kalium on yleinen alkuaine. Savikivet voivat absorboida sarjoihin kuuluvia radionuklideja minkä lisäksi niitä saattaa olla myös kivien iskosmateriaaleissa. Hiekkakivet koostuvat jyväsistä jotka ovat pääasiassa kvartsia mutta saattavat sisältää myös kaliumia sisältävää maasälpää. Hiekkakivet itsessään ovat heikosti radioaktiivisia, mutta hiekkakivien reuna-alueilla saattaa olla uraanikerrostumia. Karbonaattikiviä ovat kalkkikivet ja dolomiitit. Karbonaattimineraalit ovat suhteellisen tyhjiä radionuklideista, vaikka rakeiden välitiloissa saattaakin olla merivedestä rikastuneita radioaktiivisia alkuaineita. Torium köyhtyy merivedessä eikä joudu merieläinten aineenvaihduntaan ja on siksi, samoin kuin kalium, harvinaista kalkkikivissä. Sen sijaan uraani voi olla mukana pelkistävissä olosuhteissa kun orgaaninen aines sedimentoituu. Uraani saattaa korvata kalsiumin tai joutua fosfaattimineraalien absorboimaksi. Metamorfisten kivien radioaktiiviset piirteet ovat samat kuin lähtökivillä. Radioaktiivisuus irtomaissa seuraa alkuperäiskiven ominaisuuksista. Se alenee veden liuotuksen takia ja laimentuu huokoisuuden lisääntymisen ja veden määrän kasvun takia. Sitä lisää veden tai sadannan mukana mahdollisesti tuleva radioaktiivisuus. Elävän luonnon kannalta irtomaiden 25 ensimmäistä senttiä ovat merkittävin radioaktiivisuuden annoksen aiheuttaja Kalium Kaliumin radioaktiivinen isotooppi 40 K on voimakas β-emittoija. Sen puoliintumisaika on 1.28 miljardia vuotta. Radioaktiivisen isotoopin osuus luonnon kaliumsuoloissa on vain %

80 73 vaikka joissakin suolaesiintymissä radioaktiivisen kaliumin osuus saattaa olla suurempikin. Pieni pitoisuus tarkoittaa suhteellisen pientä määrää 40 K-hajoamisia ajan mukana niin että kaliumin aktiivisuus on vain tuhannesosa vastaavan painoisesta määrästä uraanisuolaa. Koska kalium on välttämätön kasvien ja eläinten elämälle, sitä on lähes kaikissa ruokatarvikkeissa. Kemiallisesti kalium on metalli ja metalleista toiseksi kevyin ja seitsemänneksi yleisin maankuoressa, missä sen suhteellinen osuus on 2.4 painoprosenttia. Kaliumin tiheys on 862 kg/m 3. Kalium on välttämätöntä kasvien kasvulle ja sitä on lähes aina irtomaissa. Kalium ei esiinny yksinään luonnossa. Sen mineraalit ovat liukenemattomia ja metallin irrottaminen niistä on suuritöistä. Se on reaktiivisimpia ja elektropositiivisimpia metalleja, se on pehmeää, leikkautuu helposti veitsellä ja muistuttaa ulkonäöltään hopeaa. Ilmassa kalium hapettuu nopeasti. Vedessä se hajoaa ja syttyy tuleen. Kaliumilta tunnetaan 17 isotooppia, joista stabiilien 39 K:n osuus on % ja 41 K:n osuus 6.88 %. Muut 40 K:a lukuunottamatta hajoavat sekuntien tai korkeintaan tuntien puoliintumisajoin säteilemällä β + - tai β - -hiukkasen. Kaliumin radioaktiivisuus ei aiheuta merkittävää terveydellistä vaaraa. Lannoitekäytön lisäksi monilla kaliumin suoloilla on tärkeää taloudellista merkitystä Uraani Uraania on kaikkialla maapallolla. Se on yleisempää kuin elohopea, antimoni, hopea tai kadmium ja yhtä tavallista kuin molybdeeni, tina, sinkki tai arseeni. Se esiintyy useissa mineraaleissa, joista yleisin on pikivälke. Uraani on raskas (tiheys kg/m 3 ), hopeanvalkoinen metalli. Se on vähän pehmeämpää kuin teräs, taottava, taipuisa ja heikosti paramagneettinen. Ilmassa uraanimetalli peittyy hapettumiskerroksella. Uraani liukenee happoihin mutta ei emäksiin. Uraani ja sen yhdisteet ovat myrkyllisiä, sekä kemiallisesti että radiologisesti. Uraanilla on 16 isotooppia, jotka kaikki ovat radioaktiivisia. Luonnon uraani koostuu isotoopeista 238 U, 235 U ja 234 U, joiden osuudet ovat %, % ja %. Uraanin alkuperää ei varmuudella tiedetä, mutta pidetään mahdollisena, että se on raskaampien alkuaineiden hajoamistuote. Raskaammat aineet ovat syntyneet suuressa alkupamauksessa, supernovassa tai muissa tähtien väkivaltaisissa prosesseissa. Uraani on useimpien kivien hivenaine ja sitä tavataan myös meressä. Tyypilliset pitoisuudet ovat miljoonasosia seuraavan taulukon mukaisesti. Taulukko 16. Uraanin pitoisuuksia geologisissa muodostumissa. Kivilaji Pitoisuus (ppm) Rikas malmi Köyhä malmi 1000 Graniitti 3.9 Sedimenttikivet 2 Maan kuori keskimäärin 1.4 Merivesi Uraani on voimakas radioaktiivinen säteilijä. Kilon uraanimalmia, jonka pitoisuus on 0.2 %, radioaktiivisuus on Bq. Puolet uraanin aktiivisuudesta tulee nuklidista 238 U, toinen puoli

81 74 nuklidista 234 U ja nuklidille 235 U jää vain häviävän pieni osuus. Uraani on tärkeä ydinenergian lähde. Kun 235 U-ydintä, jossa on 92 protonia ja 143 neutronia, ammutaan hitaalla (termisellä) neutronilla, atomi joutuu epästabiiliin tilaan ja hajoaa kahteen suunnilleen yhtä suureen osaan. Hajoamisen takia vapautuu myös muutama neutroni ja uraaniytimen sidosenergiaa. Vapautuneet nopeat neutronit hidastetaan grafiitilla tai vedellä jonka jälkeen ne törmäävät naapuriatomeihin ja saavat ne hajoamaan. Prosessi etenee ja tapahtuu ketjureaktio, fissio, joka on sekä atomipommin että ydinvoimalan toiminnan perustana. Uraanin toinen isotooppi, 238 U, ei hajoa fission kautta. Jos kuitenkin 238 U sieppaa neutronin (reaktio 238 U + n 239 U + β 239 Np + β 239 Pu), ydin muuttuu 239 Pu:n ytimeksi, joka käyttäytyy samaan tapaan 235 U:n kanssa. Plutoniumissa myös nopeat neutronit aiheuttavat fission eikä hidastaminen ole tarpeellista. Kolmasosa ydinvoimalan tuottamasta energiasta tuleekin reaktorissa luodun plutoniumin fissiosta. Ydinvoimaloissa käytetään polttoaineena luonnon uraania, jossa fissiokykyisen 235 U-isotoopin pitoisuus on 0.7 %. Kevytvesireaktoreissa sen osuus on 3-4 %. 235 U-ytimen fissiossa vapautuu energiaa 170 MeV eli 2.7 * J. Jos hiilimolekyyli palaa kemiallisesti, vapautuva energia on 4 ev eli vähemmän kuin neljäskymmenes miljoonas osa fissiosta. Kilo uraania tuottaa saman energian kuin 3000 tonnia kivihiiltä. Ihmisen jokapäiväisen elämän kannalta uraania merkittävämpi on sen hajoamissarjassa esiintyvä radon. Radon on väritön, tuoksuton ja radioaktiivinen jalokaasu. Radonin emonuklidi on radium, jonka pitoisuus graniitissa on tyypillisesti ppb. Rapautumisen seurauksena radium vapautuu ja nousee irtomaihin. Radon-kaasu nousee talojen sisälle, ja vaikka sen puoliintumisaika onkin vain 3.8 päivää, se α-aktiivisena on merkittävä terveysriski hengitettynä. Pienestä tunkeutumiskyvystään huolimatta nämä energiset ja raskaat hiukkaset saattavat vahingoittaa keuhkojen seinämiä. Turvallisuusrajaksi katsotaan energian 750 MeV vapautuminen tunnissa Torium Toriumin arvellaan olevan kolme kertaa yleisempää kuin uraanin ja yhtä yleistä kuin lyijyn tai molybdeenin. Torium-metalli on ydinvoiman polttoainetta. Oletettavasti maapallon toriumvarat ovat tältä kannalta suuremmat kuin uraani- ja fossiilisten polttoaineiden varat yhteensä, mutta teknisistä syistä toriumia ei toistaiseksi käytetä polttoaineena. Toriumia saadaan kaupallisesti monatsiitti-mineraalista, joka sisältää 3-9 % ThO 2. Puhdas torium on hopeanvalkoista metallia, joka ei hapetu ilmassa kuukausiin mutta muuttuu lopulta harmaaksi ja mustaksi. Torium on pehmeää, hyvin taipuisaa ja muovailtavaa. Toriumin sulamispiste on korkea, 3300 o C, tiheys kg/m 3, eikä se liukene helposti happoihin. Toriumilla on useita teollisuuskäyttöjä, joista monet perustuvat sen palaessaan synnyttämään voimakkaan valkoiseen valoon. Toriumilla on 25 isotooppia, joiden atomimassat vaihtelevat välillä Kaikki ovat epästabiileja. 232 Th esiintyy luonnossa ja sen puoliintumisaika on 1.4 * vuotta. Se on α- emittoija ja käy hajotessaan läpi kuusi α- ja neljä β-hajoamista ennen päätymistään stabiiliin 208 Pb-isotooppiin.

82 Kosmogeeniset nuklidit Kosminen säteily koostuu kahdesta osasta, primaarisesta ja sekundaarisesta. Primaarisäteily koostuu edelleen kahdesta alkuperän mukaan jaotellusta komponentista; galaktisesta ja solaarisesta. Primaarinen säteily vaimenee yläilmakehässä kun hiukkaset törmäillessään ilmakehän atomeihin saavat aikaan ydinreaktioita ja synnyttävät sekundaarisia partikkeleita. Kosminen säteily maanpinnalla alle kolmen kilometrin korkeuksiin saakka koostuu lähes kokonaan sekundaa -risesta säteilystä. Auringon aiheuttamista ja kauempaa avaruudesta tulevista kosmisista säteistä 85 % on protoneja, 14 % α-hiukkasia ja 1 % raskaampia ytimiä. Niiden energiat vaihtelevat paljon ja saattavat olla hyvin korkeita, jopa >10 18 ev. Matalaenergiset tulevat auringosta ja korkeaenergiset muualta avaruudesta. Korkeaenergiset säteet tunkeutuvat ilmakehään ja reagoivat ilmakehän vety-, happi ja argonatomien kanssa tuottaen kaskadeja sekundaarisia partikkeleita kuten fotoneja, elektroneja, protoneja, neutroneja, myoneja, pioneja ja neutriinoja. Näiden ja stabiilien ytimien välisissä vuorovaikutuksissa syntyy joukko epästabiileja nuklideja. Koska kosmogeeniset nuklidit syntyvät in-situ maankamaran pintamateriaaleissa, ne ovat käyttökelpoisia mm. ajoituksessa. Kuva 42. Kosmogeenisen nuklidin syntyminen, joutuminen maaperään ja kulkeutuminen ravintoketjussa. Tärkein syntyneistä radionuklideista on 14 C, koska sitä voidaan käyttää holoseenin orgaanisten materiaalien ajoitukseen. Nuklidi hapettuu ilmassa nopeasti hiilidioksidiksi. Suurin osa muistakin syntyneistä nuklideista hapettuu ja tarttuu aerosolihiukkasiin, jotka edelleen toimivat sadepisaroiden tiivistymiskeskuksina. Vain % ilmakehässä syntyneistä radionuklideista kerrostuu muuten kuin sateen välityksellä maan pinnalle. Kosmogeenisten radionuklidien määrä ilmakehässä vaihtelee ajan ja paikan mukana.vaihtelu voi olla päivittäistä, vuodenaikaista, pituuspiirin mukaista ja auringonpilkkujakson mukaista. Maan magneettikenttä vaikuttaa varattujen partikkelien liikkeeseen, ja tunnetusti tämän kentän suuruus ja suunta vaihtelevat paikallisesti ja ajallisesti. Myös irtomaapeite ja topografia suojaavat kal-

83 76 lioperää säteilyltä eri tavalla eri paikoissa, samoin eroosion vaikutus on eri paikoissa erilainen. Joidenkin kosmogeenisten radionuklidien ( 3 H, 14 C, 22 Na ja 37 Ar) määrä on lisääntynyt ydinkokeiden aikana. Kosmogeenisten nuklidien puoliintumisajat ovat yleensä pienempiä kuin primordiaalisten nuklidien puoliintumisajat. Tärkeimmät näistä ovat seuraavat: Taulukko 17. Tärkeimmät kosmogeeniset radionuklidit. Nuklidi T ½ Lähde Luonnollinen aktiivisuus 14 C 5730 a 14 N(n,p), 14 C 220 Bq/kg orgaanisessa materiaalissa 3 H a N, O, 6 Li(n,α) 3, H 1.2 mbq/kg 7 Be d N, O 10 mbq/kg Muutamia muita tämän ryhmän radionuklideja ovat 0 Be ( a), 26 Al( a), 36 Cl ( a), 80 Kr, 32 Si, 39 Ar, 22 Na, 35 S, 37 Ar, 33 P, 32 P, 38 Mg, 24 Na, 38 S, 31 Si, 18 F, 39 Cl, 38 Cl, 34 Cl, 41 Ca ( a), 129 I ( a). Vuotuinen kosmisen säteilyn annos riippuu vähän havaintopaikan leveyspiiristä ja paljon sen korkeudesta. Leveysasteriippuvuus aiheutuu kahdesta syystä. Ilmakehä napa-alueilla on ohuempi kuin lähempänä päiväntasaajaa ja siten sen suodattava vaikutus on pienempi. Toiseksi maapallon magneettikenttä ohjaa varattuja partikkeleita magneettisten napojen suuntaan. Siirryttäessä maanpinnalla päiväntasaajalta navalle kosmisen säteilyn määrä kasvaa n. 10 %, mutta 18 km korkeudessa kasvu on 75 %. Kuvassa 43 esitetään kosmisen säteilyn vuotuisen annoksen riippuvuus oleskelukorkeudesta. Ihmisen saaman kosmisen säteilyn annos vuodessa on luokkaa 27 mrem. Kosmogeenisen ja terrestriaalisen säteilyn yhteismäärä on voimakkuudeltaan 5-10 µr/h. Säteilyn määrä riippuu myös siitä kuinka usein hän lentää, kuinka korkea on lentokorkeus ja siitä kuinka kauan lennot kestävät. Työkseen lentävillä kosmisen säteilyn annos on terveyden kannalta merkittävä. Kosmogeenisia nuklideja on käytetty ainakin jäätikkömoreenien ja vulkaanisten kerrostumien ajoitukseen, tektonisten siirtymien tutkimiseen sekä kalliopiirrosten ja vanhojen rantaviivojen ajoitukseen.

84 Kosminen säteilyannos (mrem/a) Korkeus merenpinnasta (m) Kuva 43. Kosmisen säteilyannoksen korkeusriippuvuus. 4.6 Antropogeeniset isotoopit Ihminen on käyttänyt radioaktiivisuutta satojen vuosien ajan ja siten muuttanut "luonnollisia" säteilyoloja. Tällä vuosisadalla atomiteorian kehityttyä teoriaa ryhdyttiin soveltamaan käytäntöön ja alettiin tuottaa uusia, aikaisemmin luonnosta löytymättömiä isotooppeja. Niitä on muinoin ollut olemassa, mutta lyhytikäisinä ne ovat vähentyneet havaitsemiskynnyksen alapuolelle. Ihmisen tuottamia radionuklideja on joutunut luontoon kahdella tavalla, vahingossa niin kuin Chernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa ja tietoisesti kuten ydinpommiräjäytyksissä. Vuosina räjäytettiin ilmakehässä 423 ydinlatausta. Näistä ilmakehään joutuneen 137 Cs-nuklidin aktiivisuudeksi on laskettu 740 Pbq. Kumulatiivinen 239,240 Pu-laskeuma pohjoisen pallonpuoliskon keskileveysasteilla on ~50 Bq/m 2 (3,000 hajontaa minuutissa neliömetriä kohti) ja 137 Cs-aktiivisuus enemmän kuin 1,000 Bq/m 2. Muutamat muut radionuklidit seuraavat näitä isotooppeja; esim. 241 Am, joka on vaarallisemman 241 Pu:n tytärydin. Seuraavassa taulukossa on muutamia ihmisen tuottamia radionuklideja. Taulukko 18. Ihmisen tuottamia radionuklideja. Nuklidi Puoliintumisaika Lähde 3 H a Ydinasekokeet, ydinreaktorit, jälleenkäsittely 131 I 8.04 d Ydinasekokeet, ydinreaktorit; käyttö kilpirauhashoidossa 129 I a Ydinasekokeet, ydinreaktorit 137 Cs a Ydinasekokeet, ydinreaktorit 90 Sr a Ydinasekokeet, ydinreaktorit

85 78 99 Tc a 239 Pu a + ß) 99 Mo:n hajoamistuote; käytetään lääketieteessä 238 U:n neutronipommitustulos ( 238 U + n U Np + ß Pu Chernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa 1986 luontoon joutui suuria määriä erilaisia radioaktiivisia nuklideja taulukon 19 mukaisesti. Luontoon levinneen radioaktiivisuuden kokonaismäärä oli n. 3*10 17 Bq, mistä koko Euroopan alueelle levinneenä olisi tullut n Bq/m 2. Voimalaitoksen läheisyydessä voimakkaimmin saastuneilla alueilla laskeuman suuruudeksi on laskettu Bq/m 2. Myös 14 C:n ja 3 H:n määrä on lisääntynyt ihmisen toimien seurauksena, samoin plutoniumin isotooppien määrä. Taulukko 19. Chernobylin onnettomuudessa ympäristöön levinneet radioaktiiviset nuklidit. Nuklidi Aktiivisuus (Bq) Puoliintumisaika 137 Cs a 134 Cs 5* a 90 Sr 7.8* a 106 Ru 3.5* d 144 Ce 9* d 110 Ag 1.5* s 125 Sb 3* a 239,240 Pu 5.5* a/6537 a 238 Pu 2.6* a 241 Pu 5.1* a 241 Am 6* a 242 Cm 6* d 243,244 Cm 6* a/18.11 a 4.7 Radioaktiivisuuden käyttökohteita geotieteissä Käytännössä kaikki luonnon materiaalit sisältävät enemmän tai vähemmän radionuklideja, mitä käytetään hyväksi monilla tieteenaloilla ja teollisuudessa. Geotieteissä tutkitaan luonnollisten radionuklidien käyttäytymistä selvittäessä maankuoren ja vaipan kehittymistä, seurattaessa hydrologisen kierron prosesseja ja selvitettäessä ilmakehän koostumusta. Kivien, mineraalien, veden ja orgaanisen materiaalin radioaktiivisuutta käytetään laajasti määrittämään geologisten ja arkeologisten materiaalien ja pohjaveden ikää. Radioaktiivisen hajoamisen tuottaman energian oletetaan olevan tärkein syy sille miksi maan sisäosat ovat kuumia. Litosfäärin laattojen liikkeiden, vuorten orogenian ja vulkanismin syynä on radionuklidien olemassaolo. Paikallisessa skaalassa radioaktiivinen hajoaminen synnyttää voimakkaan lämpövuon, joka aiheuttaa pohjavedessä konvektiovirtauksia ja nämä edelleen voivat aiheuttaa hydrotermisen systeemin ja niihin liittyvän mineralisaatioiden muodostumisen. Ilmakehässä toteutetuista ydinkokeista on geotieteissä ollut myös hyötyä. Kokeiden tuottamat ja muuten luonnossa esiintymättömät radionuklidit ovat levinneet kaikkialle maapallolle ja joutu-

86 79 neet ekosysteemiin, vesiin ja sedimentaatioon. Näitä voidaan jatkossa käyttää kaikkialla maapallolla hyödyksi monien geologisten prosessien etenemisen selvityksessä. Radioaktiivisuuden menestyksellisin sovellus geotieteissä on sen käyttö geologiassa tapahtuvia prosesseja mittaavana luonnon kellona. Tämän kellon monipuolisuus on huomattava, sillä se toimii menestyksellisesti useamman kuin 15 kertaluvun alueella ulottuen minuuteista miljardeihin vuosiin. Geologiseen ja arkeologiseen iänmääritykseen käytetään useita radionuklideja: tähdissä syntyneitä primordiaalisia nuklideja, luonnollisten hajoamissarjojen tuottamia nuklideja, luonnollisten reaktioiden ilmakehässä synnyttämiä kosmogeenisia radionuklideja ja ihmisen luomissa ydinreaktioissa tuotettuja antropogeenisia radionuklideja. Radioaktiivisuuden käyttö kellona perustuu siihen, että radioaktiivinen hajoaminen on riippumaton ympäristön fysikaalisista ja kemiallisista olosuhteista ja niiden muutoksista. Tietyn radionuklidin hajoamisnopeus määräytyy puoliintumisajan mukaan. Jotta iänmääritys olisi tarkka, on eduksi jos puoliintumisaika on samaa suuruusluokkaa kuin määritettävän materiaalin ikä. Luonnon radionuklidien puoliintumisajat vaihtelevatkin sekuntien murto-osista yli kymmeneen miljardiin vuoteen. Tämän takia hyvin laaja iänmäärityshaarukka on mahdollinen niin että maan ja aurinkokunnan ikä pystytään määrittämään. Jotkin iänmääritysmenetelmistä perustuvat radionuklidien ja niiden tytärnuklidien suhteisiin. Seuraavassa taulukossa luetellaan radioaktiivisuuden käyttökohteita geotieteissä. Taulukko 20. Radioaktiivisuuden käyttökohteita geotutkimuksessa. Tutkimuskohde Ilmakehän tutkimukset Dispersio-, kuljetus- ja sekoitusprosessit paikallisessa, alueellisessa ja globaalissa skaalassa Vesihöyryn kulkeutuminen Stratosfäärin ja troposfäärin välinen vaihtaminen CO 2 :n ja CH 4 :n lähteet ja nielut Ilmakehän kerrostamistutkimukset Käytetyt isotoopit 3 H, 85 Kr, 222 Rn, 14 C 3 H 3 H, 14 C, 85 Kr, 7 Be, 10 Be 3 H, 14 C 36 Cl, 7 Be, 10 Be, 90 Sr, 137 Cs Mantereellisen hydrosfäärin tutkimukset Pohjavesivarojen täydentyminen Ilmastustutkimukset Pinta- ja pohjaveden välinen yhteys Pohjaveden iänmääritys Kallion ja veden vuorovaikutus Järvien ja altaiden sedimentaationopeuden määritys Radioaktiivisen jätteen poisto Valtamerien tutkimukset Kierto- ja sekoitusprosessit Vesimassojen iänmääritys Antropogeenisen CO 2 :n kulkeutuminen meriin Merisedimenttien iänmääritys Merenpinnan korkeusvaihtelun historia 3 H, 36 Cl 85 Kr 3 H, 222 Rn, 14 C 3 H, 14 C, 85 Kr, 39 Ar, 36 Cl, 81 Kr 238 U, 234 U, 226 Ra, 228 R2 137 Cs, 210 Pb 36 Cl, 129 J 3 H, 14 C, 85 Kr 3 H, 14 C, 39 Ar, 85 Kr 14 K 14 K, 40 K 14 C, 234 U, 230 Th

87 80 Litosfääritutkimukset Kivien ja mineraalien iänmääritys Karbonaattiesiintymien iänmääritys Lakustriinisten sedimenttien iänmääritys Paljastumien iänmääritys Maanpinnan eroosio Mineraalitutkimukset Maanjäristysten monitorointi Paleoseismisyys ja tulivuoren purkaukset 143 Nd, 40 K, 39 Ar, 87 Rb, 176 Lu, 174 Hf, 147 Sm, 187 Re, U- ja Th-sarjat 14 C, 234 U, 230 Th 137 Cs, 210 Pb, 14 C, 234 U, 230 Th 10 Be, 14 C, 26 Al, 36 Cl 137 Cs, 210 Pb, 10 Be U- ja Th-sarjat 222 Ra 36 Cl, 26 Al, 10 Be 4.8 Radioaktiivisuuden esiintyminen kivissä Radioaktiiviset nuklidit Luonnosta on löydetty 92 alkuainetta ja ihminen on rakentanut niitä tusinan verran lisää. Stabiileja alkuaineita on 82 ja stabiileja isotooppeja n Radioaktiivisia isotooppeja voidaan rakentaa lisäämällä ytimiin neutroneja, mutta ytimen pysyvyys käy nopeasti heikoksi niin että teoreettisesti on arvioitu olevan mahdollista rakentaa n isotooppia. Näitä onkin pystytty tekemään n. 2500, joista suurin osa hajoaa sekunnin murto-osassa β - - tai β + -reaktion kautta. Luonnosta on löydetty n. 60 radioaktiivista isotooppia. Näistä monella on merkitystä tutkittaessa maan ilma- ja vesikehää, elollista luontoa sekä irtomaiden pintaosia, mutta geologiassa varsinaista merkitystä on vain neljällä lähtöytimellä, 40 K:lla, 232 Th:lla, 238 U:lla ja 235 U:lla sekä kolmen viimeksi mainitun 35 tyttärellä. Vain näiden neljän puoliintumisaika on niin pitkä että niiden määrä on merkittävä vielä miljardien vuosien kuluttua. 235 U:sta alkunsa saavalla aktiniumsarjalla on vielä käytännön prospektauksessa vain vähän merkitystä, koska 235 U:n osuus luonnon kokonaisuraanista on vain 0.7 %. Yleisin kivissä säteilevä nuklidi on 40 K. Kalium käsittää 2.6 % maankuoresta ja luonnon kaliumista % on radioaktiivista isotooppia 40 K. Sen β -B -hajoamisen tuottaman monoenergisen gammasäteilyn energia on 1.46 MeV ja puoliintumisaika 1.3*10 9 vuotta. Kaliumin voimakas säteily hankaloittaa uraanin pitoisuuden mittaamista koska näiden säteilyt menevät osittain päällekkäin. Uraanisäteily tulee pääasiassa isotoopin 238 U tyttäristä. 238 U:n puoliintumisaika on 4.51*10 9 vuotta ja 14 peräkkäisen hajoamisen jälkeen se päätyy stabiiliin 206 Pb-isotooppiin. Moniin näistä hajoamisista liittyy gammasäteilyä, mutta 238 U itse ei lähetä γ-säteilyä. Tärkeimmät säteilijät ovat hajoamissarjan kahdeksas ja yhdeksäs jäsen, 214 Pb ja 214 Bi. Torium-sarjan alkujäsen on 232 Th, jonka puoliintumisaika on 1.39*10 10 vuotta. Uraanin tavoin 232 Th ei ole gammasäteilijä ja kiven torium-pitoisuus on määritettävä sen tytärydinten säteilyn perusteella. Kenttämittausten kannalta sarjan tärkein jäsen on sen yhdeksäs jäsen, 208 Tl. Erona uraanin ja toriumin sarjojen välillä on, että uraanin sarjassa on muutamia pitkäikäisiä isotooppeja kun toriumin sarjassa pitkäikäisin on vain kuusivuotias. Jotta radioaktiivisuuteen perustuvat mittaukset olisivat luotettavia, hajoamissarjan kaikkien jäsenten on oltava tasapainossa. Kiven historian aikana on saattanut olla olosuhteita, joissa jokin jäsen on mobiloitunut ja siirtynyt pois. Siirtyminen on saattanut olla suurta niin ettei esim. laboratoriotutkimukseen käytettävissä näytteissä ei ole mukana kaikkia jäseniä. Siirtyminen on voi

88 81 olla myös vähäistä niin että kairansydännäytteen mukaan siirtymistä on tapahtunut mutta esim. kuutiometrin kokoisen näytteen mittakaavassa ei. Toriumin tyttärien pienet puoliintumisajat tekevät uraanin ja toriumin tässä suhteessa hyvin erilaisiksi. Tasapainon saavuttamiseksi lasketaan tarvittavan pitkäikäisimmän jäsenen seitsenkertainen elinaika. Toriumin pitkäikäisimmän tyttären puoliintumisaika on 5.75 vuotta jolloin tasapaino saavutetaan jo vähemmässä kuin 50 vuodessa. Vaikka kaikki toriumin hajoamistuotteet siirtyisivät tutkimusalueelta pois, geologisesti mitättömän lyhyen ajan kuluttua hajoamistuotteita on jälleen olemassa täydellinen sarja. Uraanin kohdalla pitkäikäisin tytär on puoliintumisajaltaan vuotta ja täydellisen tytärsarjan kehittyminen vie puoli miljoonaa vuotta. Radioaktiiviseen tasapainoon vaikuttavat radioelementtien ja niiden ympäristön mineralogia, esim. sulfidien tai karbonaattien läsnä- tai poissaolo. Tasapainon aste riippuu voimakkaasti ilmastosta, topografiasta ja pintahydrologiasta. Tasapainon määrityksen tarkkuus on riippuvainen tutkitun näytteen tilavuudesta. Pienessä näytteessä epätasapaino on todennäköisempi kuin suuressa. Radioaktiivisen tasapainon käsite soveltuu vain uraaniin ja toriumiin; kaliumin suhteen se ei ole relevantti Radionuklidien geologinen käyttäytyminen Kalium Kalium on alkalimetalleihin kuuluva ja helposti hapettuva litofiilinen alkuaine. Se on rikastunut litosfäärin graniittikoostumuksiseen mantereiseen kuoreen, joka ympäristöään kevyempänä on joutunut maapallon pintaan. Yleisimmät kaliumia sisältävät mineraalit ovat alkalimaasälvät sekä biotiitti ja muskoviitti. Kalium on magmakivissä painoprosentteina mitattuna seitsemänneksi runsain alkuaine. Kaliumin kolmesta luonnossa esiintyvästä isotoopista yksi on radioaktiivinen. Se jakautuu radioaktiivisessa hajoamisessa kahteen pysyvään tytärisotooppiin, jotka ovat kalsium ja argon. Osa kaliumia sisältävistä silikaateista hajoaa rapautumisessa täydellisesti. Toisaalta rapautumisen kiillemineraaleissa aiheuttama lähes ainoa muutos on kaliumin poistuminen niiden hilasta. Sekä rapautumisessa että hydrotermisessä prosessissa veden kanssa kosketuksiin joutuneissa maasälvissä ja kiilteissä voi tapahtua kaliumin liuokseen vapauttava hydrolyysi. Se voi tuottaa kaliumin hilasta irtautumisessa progressiivisen sarjan mineraaleja, joista seuraava on aina edellistä kaliumista köyhempi. Kaikissa tapauksissa vapautunut kalium siirtyy ionina liuokseen ja kulkeutuu järviin ja jokiin ja sitä kautta mereen. Rapautumispaikalle kalium jää ainoastaan kuivan ilmaston alueilla. Alumiinirikkaat rapautumisjäännökset muodostavat savimineraaleja, joista yleisimpiä ovat illiitti, montmorilloniitti ja kaoliini. Rapautumisessa liuokseen joutunut kalium pyrkii pian poistumaan siitä. Merivedessä esiintyykin vain pieni osa kaikesta siihen liuenneesta kaliumista. Kalium poistuu merivedestä adsorpoitumalla savimineraaleihin tai olemalla heti liuokseen jouduttuaan mukana kiilteen tyyppisten mineraalien muodostumisessa. Lisäksi merellisissä organismeissa on kaliumin kerääjiä ja meren pohjalla tapahtuvassa rapautumisessa syntyy kaliumia sitovia mineraaleja. Kaliumilla on merkittävä osa happamien syväkivien ja vulkaniittien ja niihin liittyvien porfyyristen sulfidimalmien yhteydessä esiintyvässä hydrotermisessä muuttumisessa. Saman graniitti-

89 82 intruusion yhteydessä on hydrotermistä muuttumista voinut tapahtua useassa peräkkäisessä vaiheessa. Porfyyrinen sulfidimalmi voi esiintyä intruusion yläosassa tai sen yläpuolella tai yhtä aikaa kummallakin tavalla. Hydroterminen muuttuminen etenee intruusiosta ulospäin vyöhykkeittäin. Kaliumin määrä vähenee muuttumisvyöhykkeissä sisimmästä ulospäin. Porfyyrisiin sulfidimalmeihin liittyvässä hydrotermisessä muuttumisessa sisimpänä on malmia ympäröivä kaliumvyöhyke. Tälle sisimmälle muuttumisvyöhykkeelle tyypillisimmät mineraalit ovat hydrotermisessä prosessissa primaaristi tai uudelleen kiteytyneenä syntyneet kalimaasälpä ja biotiitti. Kaliumvyöhykettä ympäröi fylliittinen muuttuminen. Sille tyypillinen mineraaliseurue on kvartsi-serisiitti-pyriitti. Uloimmaksi levittäytyy niin kutsuttu propyliittinen muuttumisvyöhyke, missä hydroterminen muuttuminen on tuottanut keskimääräisen tai alhaisen lämpötilan mineraaliseurueen. Hydrotermiseen muuttumiseen tarvittavan lämmön syöttäjä on kuuma magma. Hydrotermisten liuosten alkuperä voi olla magmaattinen tai meteorinen (yleensä pohjavesi). Magmakivissä kaliumia ei tavata yksinkertaisina yhdisteinä, vaan se muodostaa ainoastaan kompleksisia yhdisteitä yhdessä muiden kationien kanssa. Kalium tarvitsee huomattavan suuren atomisäteen takia suhteellisen suuren tilan mineraalien hilassa. Siksi se magmaattisessa differentiaatiossa mielellään rikastuu jäännössuliin ja puuttuu siten magman varhaisemmista kiteytymistä. Tästä syystä kalium esiintyy ensimmäisen kerran vasta happamissa, graniitin koostumusta lähestyvissä kivissä. Valtaosa kaliumin kokonaismäärästä on maasälvissä. Sedimenttikivissä kaliumia esiintyy pääasiassa hiekkakivissä, konglomeraateissa, savissa ja evaporaateissa. Hiekkakivien ja konglomeraattien ainekset ovat rapautumiselle vastustuskykyisiä keski- ja karkearakeisia materiaaleja, jotka ovat hiekkoina, sorina ja lohkareina kerrostuneet mataliin meriin, järviin ja autiomaihin. Parhaiten rapautumista kestävät runsaiten esiintyvät magmaattisessa differentiaatiossa viimeisinä kiteytyvät merkittävimmät kaliumia sisältävät mineraalit. Savet ovat rapautumistuotteista koostuvia hydrolysaattisedimenttejä, joiden rakeet ovat erittäin pienikokoisia ja usein kooltaan kolloidipartikkelien luokkaa. Ne koostuvat pääosin vaihtelevasti kaliumia sisältävistä illiittiluokan, montmorilloniittiluokan ja kaoliiniluokan savimineraaleista. Evaporaatit ovat vesiliuoksista haihtumisen seurauksena kerrostuvia sedimenttejä, jotka ovat ainoat merkittävät kaliumin raaka-ainelähteet. Metamorfisissa kivissä alkuperäinen mineraalikoostumus ja kiven rakenne ovat saaneet uuden muodon. Niissä kalium ei pääsääntöisesti ole liikkunut paikaltaan. Selkeän poikkeuksen tähän muodostavat migmatiitit, joissa kalium on voinut siirtyä alkuperäkivestä syntyneeseen graniittisulaan. Kaliumin eri isotoopit ovat keskenään kemiallisesti samanlaisia. Siksi kaliumissa on aina samassa suhteessa radioaktiivista isotooppia. Kaliumin hajoamisnopeus on 3.3 gammahajoamista sekunnissa grammaa kohti. 238 U:n aktiivisuus on ± Bq/mg. Milligrammat lasketaan kokonaisuraanista. 232 Th:n aktiivisuus on 4.1 Bq/mg kokonaistoriumista Uraani Uraani on vahvasti litofiilinen ja helposti hapettuva alkuaine minkä takia se on rikastunut geologisen ajan kuluessa maapallon kuoreen erilaisissa geologisissa prosesseissa. Uraanin keskipitoisuus maankuoren kivissä on 1.4 ppm. Happamissa kivissä uraania on moninkertainen määrä emäksisiin nähden, ja kilpialueiden graniittipohjaiset kivet sisältävätkin runsaasti uraania. Ylei-

90 83 syytensä takia uraani on merkittävimpiä radionuklideja geologiassa, sillä spektrimittauksessa se näkyy selkeänä omana piikkinään. Luonnossa uraanin rikastumiseen vaikuttaa uraanin liukenevuus, kuljetus ja saostuminen. Uraanin käyttäytymiseen ja kiertokulkuun vaikuttavat hyvin voimakkaasti hapetus-pelkistysolosuhteet ja käytettävissä olevan veden määrä. Uraanin liukeneminen luonnon pinta- ja pohjavesiin riippuu monista tekijöistä kuten lähtömateriaalin U-pitoisuudesta, veden määrästä ja sen ph:sta, ilmasto-olosuhteista sekä komplekseja muodostavien ionien ja saostavien aineiden olemassaolosta. Uraanin liukenemiseksi kemiallisten olosuhteiden täytyy olla sopivat. Olosuhteiden on kuitenkin pysyttävä pitkään sopivassa Eh-pH-kentässä, jotta maksimaalinen uraanin liukenevuus ja kuljetus ovat mahdollisia. Hyvä liukenevuus mahdollistaa uraanin voimakkaan mobiilisuuden luonnossa laajalla Eh-pH-alueella. Uraanin geokemialliselle käyttäytymiselle vesi ja riittävä lämpötila ovat välttämättömiä. Pintaosien rapaumavyöhykkeessä veden lämpötila on alhainen, mutta syvemmälle mentäessä lämpötila kasvaa ja paine lisääntyy. Vesipitoisten sedimenttien diageneesissä vapautuu ylimääräistä vettä, joka kulkeutuu kivessä olevia läpäiseviä vyöhykkeitä pitkin ja liuottaa uraania. Lämpötilan kohotessa lisää vettä vapautuu metamorfoosissa, jossa tapahtuu mineraalien uudelleenkiteytymistä ja mineraalien välisiä reaktioita. Metamorfisissa prosesseissa vapautuva vesi on peräisin vesipitoisista mineraaleista kuten kiilteistä. Ne sisältävät usein myös uraania. Vesi voi olla hyvin kuumaa ja sillä on tärkeä merkitys hydrotermisissä prosesseissa. Erilaisilla Eh-pH-alueilla saostuu erilaisia uraanimineraaleja; esim. hapekkaan pintaveden liuottama uraani saattaa saostua veden kohdatessa happaman turpeen. Syvemmällä kalliossa uraanin geokemiallista käyttäytymistä kontrolloi myös lämpötila, jolloin prosessit jaetaan korkean ja matalan lämpötilan prosesseihin. Uraanin käyttäytymistä eri lämpötila- ja hapetus-pelkistysalueilla käytetään geologiassa hyväksi tutkittaessa maapallon geologista historiaa. Uraanin määrä, liikkuvuus ja rikastuminen maan kuoressa on vaihdellut geologisen ajan kuluessa fysiko-kemiallisten olosuhteiden muuttuessa, lähinnä happipitoisuuden mukaan. Mineraalien kiteytymissarjassa uraani on tiiviisti mukana, jolloin korkeimmat uraanipitoisuudet kerääntyvät nuorimpiin graniittisiin kiviin. Kuitenkin suurin osa graniittisista kivistä syntyy muuta kautta kuin kiteytymissarjan tuloksena. Korkean lämpötilan metamorfoosi aiheuttaa maankuoren osittaista sulamista, jolloin syntyy graniittista kivisulaa, johon uraani rikastuu. Usein sulavat sedimentit ovat jo alun perin rikastuneet uraanista. Näissä sulissa uraani rikastuu edelleen pegmatiitteihin. Graniittiutumiseen ja graniittisten sulien syntyyn liittyvät myös ns. hydrotermiset prosessit, joilla on hyvin tärkeä merkitys uraani- ja myös muiden vastaavien malmiesiintymien synnyn kannalta. Ultramafisten ja mafisten kivien uraanipitoisuus on yleensä alhainen. Poikkeuksena ovat näiden kivien muunnokset kuten kimberliitit ja lamproiitit joista jotkut voivat olla rikastuneet uraanin suhteen huomattavasti verrattuna muihin ultramafisiin kiviin. Detritaalista (yksittäisinä rakeina kerrostunutta) uraania esiintyy arkeeisissa kvartsipalloisissa konglomeraateissa, joihin uraniniitti on voinut kerrostua omina rakeinaan, koska ilmasto-olosuhteet ovat olleet hyvin pelkistävät. Vapaa happi on puuttunut eikä uraani ole hapettunut. Sedimenttisten kivien uraanipitoisuus vaihtelee kivien iän myötä. Arkeeisissa sedimenttikivissä uraanipitoisuus on yleensä alhainen mutta myöhäisproterotsooisissa kivissä uraanipitoisuus on

91 84 ainakin kaksi kertaa suurempi kuin arkeeisissa kivissä. Uraanipitoisuus geologisesti nuorissa sedimenttikivissä vaihtelee paljon. Yleensä se on huomattavasti korkeampi kuin arkeeisissa kivissä. Mustaliuskeet ja muut hiilipitoiset liuskeet ovat usein uraanirikkaita. Niiden uraanipitoisuus voi olla hyvinkin korkea. Uraani on saostunut samanaikaisesti sedimenttien kanssa. Kun sedimenttien ja kivien lämpötila ja paine nousevat riittävästi, tapahtuu mineraalien uudelleen kiteytymistä ja mineraalien välisiä reaktioita, joiden lopputuloksena saattaa olla kivi, josta on vaikeaa tunnistaa lähtökiveä vaikka kemiallinen koostumus ei muutu. Yleensä metamorfoosiin liittyy myös ainesten vaeltamista liuoksena, jolloin kiven alkuperäinen koostumus muuttuu. Liuosten vaeltamien on merkittävää varsinkin malmiesiintymien synnyn kannalta. Tähän liittyy myös hydroterminen malminmuodostus. Metamorfisten kivien uraanipitoisuus riippuu ensisijaisesti alkuperäisen kivien U-pitoisuudesta. Uraani mobiloituu ja kiteytyy uudelleen metamorfisissa prosesseissa. Mobiloitumiseen vaikuttavat vesipitoiset liuokset, jotka kuljettavat uraania ja joista uraani voi saostua C lämpötiloissa. Korkean metamorfoosin gneisseissä on yleensä uraania, jos lähtösedimentti on ollut uraanipitoinen. Kuusivalenttisessa tilassa uraani tulee hyvin mobiiliksi. Tämä sallii eristämisen ja suotuisissa oloissa konsentroitumisen. Täten uraani voi kulkeutua myöhäisissä hydrotermisissä olosuhteissa ja saostua kauas toriumista ja kaliumista. Uraanin absoluuttinen pitoisuus voi vaihdella paljon mutta uraani/torium-suhde on vakaampi. Se kertoo ensimmäiseksi uraanin rikastumisesta. Uraani voi supergeenisissä oloissa siirtyä mekaanisesti, mutta tavallisesti uraani liikkuu liuenneena uranyylikompleksina karbonaatti-, sulfaatti- ja kloridi-ionien kanssa. Pelkistävissä oloissa uranyyli-ioni saostuu oksideina. Hapettavissa oloissa sekundaariset uraanimineraalit saostuvat kun liuokset evaporoituvat ja saattavat muodostaa fosfaatteja, arsenaatteja, vanadaatteja tai silikaatteja kuparin, kalsiumin, kaliumin tai muiden metallien kanssa. Uraani rikastuu yleisesti mustaliuskeisiin. Uraanin liukenevuus ja mobiilisuus synnyttää useimpien malmiesiintymien lähistölle primaarisia ja sekundaarisia haloja. Koska radon on kaasu, joka liukenee helposti veteen, se saattaa läpäisevissä kivissä aiheuttaa vääriä tulkintoja gammasäteilyn lähteestä. Säteilyä saatetaan rekisteröidä kaukanakin varsinaisesta säteilylähteestä. Suurin osa uraanin hajoamissarjan nuklidien säteilemistä gammasäteistä ei tule uraanista vaan sen sarjan tyttäristä. Mitattu säteilylukema voidaan suhteuttaa emonuklidiin olettamalla että tyttären ja emon välillä on suora yhteys. Tämä pitää paikkansa silloin kun hajoamissarja on sekulaarisessa tasapainossa. Radioaktiivinen hajoamissarja on sekulaarisessa tasapainossa silloin kun jokaisen sarjan tuottaman tyttären atomien lukumäärä on sama kuin tyttären radioaktiivisen hajoamisen kautta menettämien atomien lukumäärä. Kun tämä tila esiintyy, on mahdollista määrittää emoytimien määrä mittaamalla tyttären radioaktiivisuus. Tasapainotilaoletus saattaa olla perusteeton silloin kun yksi tai useampi tytärnuklidi on menettänyt atomeitaan muulla tavalla kuin radioaktiivisen hajoamisen kautta tai jos emonuklidit ovat kerrostuneet äskettäin. Koska jokainen tytär on oma kokonaisuutensa omine fysikaalisine ja kemiallisine ominaisuuksineen, se saattaa käyttäytyä eri tavalla joissakin olosuhteissa kuin toiset tyttäret. Esimerkiksi 222 Rn on

92 85 kaasu eli se pääsee poistumaan helpommin kuin kiinteät alkuaineet. Toiseksi radiumin, uraanin ja toriumin liukenevuudet vaihtelevat. Myös kiven sisällä saattaa olla olosuhteissa vaihtelua joka sekoittaa radioaktiivista tasapainoa. Radioelementtien ja ympäristön mineraalien välille saattaa syntyä pelkistävät tai hapettavat olosuhteet, esim. sulfidien läsnä- tai poissaolo karbonaateissa. Uraani esiintyy kuusi- tai nelivalentisessa tilassa. Ensin mainitussa tilassa se on hyvin mobiili luonnossa. Hapettavassa ympäristössä uraani muuttuu kuusivalenttiseksi. Tasapainon aste on siten voimakkaasti riippuva ilmastosta, topografiasta ja maanpinnan hydrologiasta. Myös näytteen koolla on merkitystä, sillä liikkuminen saattaa olla merkittävää sydännäytteen mittakaavassa mutta merkityksetöntä gammaluotauksen tutkimussyvyyden mittakaavassa. Jos kiven uraanisisältö nousee, sen keskimääräinen Z kasvaa ja matalilla energioilla Comptonin sironnan osuus pienenee valosähköisen ilmiön osuuden kasvaessa. Tämä johtaa epälineaariseen riippuvuuteen uraanin todellisen määrän ja säteilytuloksista lasketun uraanin määrän välillä. Tämä Z-efekti aiheuttaa merkittävän virheen tuloksiin jos uraanin osuus kivessä ylittää 0.4 %. Virheen merkitystä voidaan pienentää mittaamalla korkeaenergisiä gammasäteitä jolloin Z:n kasvamisella on vähemmän merkitystä Torium Uraanin tavoin myös torium on voimakkaasti litofiilinen alkuaine. Siksi toriumin geokemiallinen käyttäytyminen on lähellä uraanin geokemiallista käyttäytymistä luonnossa, varsinkin korkeissa lämpötiloissa, joissa torium voi korvata uraania mineraalien hilassa. Alhaisissa lämpötiloissa alkuaineiden käyttäytyminen poikkeaa kuitenkin huomattavasti toisistaan, minkä vuoksi Th/Usuhteita voidaan käyttää hyväksi arvioidessa esimerkiksi malmiesiintymien syntyä. Torium esiintyy geokemiallisissa ympäristöissä ainoastaan yhdellä hapetusasteella Th 4+. Yleensä torium on, päinvastoin kuin uraani, hyvin liukenematon veteen, mutta se voi muodostaa vedessä kolloidisia polymeerikomplekseja jos ph-arvot ovat suurempia kuin 3. Tässä suhteessa toriumin geokemia muistuttaa paljon piihapon, titaanin, zirkonin, hafniumin ja joidenkin harvinaisten maametallien geokemiallista käyttäytymistä. Toriumia tavataankin zirkoni-, uraani- ja harvinaisia maametalleja sisältävistä mineraaleista, joissa se syrjäyttää lantanideja. Voimakkaan kemiallisen varauksen ja suuren ionikokonsa vuoksi toriumilla on voimakas taipumus muodostaa kompleksi-ioneja kloridien, fluoridien, nitraattien, sulfaattien, karbonaattien ja hydroksidien kanssa. Silikaatti-, fosfaatti- ja orgaaniset kompleksit ovat myös mahdollisia. Nämä laajentavat toriumin mobiilisuutta tietyissä ph- ja Eh-olosuhteissa. Magmaattisissa kivissä toriumin samoin kuin uraaninkin määrä lisääntyy kiven piihapon määrän kasvaessa kiteytymissarjassa eli torium rikastuu graniittisiin kiviin. Erityisesti torium rikastuu alkalikiviin, joissa alkalimetallien pitoisuus on suuri ja piihappopitoisuus pieni. Koska graniitteja voi syntyä myös sedimenttien sulamisen kautta, riippuu graniittisten kivien toriumpitoisuus alkuperäisen sedimentin toriumpitoisuudesta. Sen takia kaikki graniitit eivät ole torium-rikkaita mutta alkalikivet ja myös alkaligraniitit sen sijaan ovat. Th/U-suhdetta voidaan tämän takia käyttää myös arvioitaessa eri graniittisten kivien syntyä. Magmaattisissa kivissä Th/U-suhde on

93 ppm ja toriumpitoisuudet 1-30 ppm. Emäksisillä kivillä toriumpitoisuus on n. 1 ppm ja graniiteilla n. 30 ppm. Toriumilla ja savimineraaleilla on läheinen yhteys niiden esiintymisessä. Torium ja uraani ovat peräisin happamista magmakivistä. Toriumin yhdisteet ovat liukenemattomia, niillä on rajoitettu liikkuvuus ja ne liikkuvat enimmäkseen suspensiossa. Siksi niillä on taipumus saostua residuaalimineraaleissa kuten savissa, joihin torium kiinnittyy absorption kautta. Uraani hapettuu helposti bakteerireaktioiden kautta uranyyli-ioniksi, joka on äärimmäisen liukeneva ja mobiili. Pelkistävässä ympäristössä ioni muodostaa yhdisteitä orgaanisen aineen kanssa, joka kiinnittää ne sedimentteihin. Siten useimmat orgaaniset savikivet ovat anomaalisen radioaktiivisia. 4.9 Radioaktiivisten alkuaineiden pitoisuudet pääkivilajiluokissa Yleisenä sääntönä sekä kaliumin, uraanin että toriumin määrä lisääntyy magmakivissä piin lisääntymisen myötä. Näiden suhteelliset määrät säilyvät vakiona, mikä tarkoittaa, että säteilyn määrä hyvin usein tarkoittaa myös uraanin määrän kasvamista. Taulukko 21. Eri kivilajiluokkien radioaktiivisten alkuaineiden pitoisuuksia. Kivilajiluokka U (ppm) Th (ppm) K (%) Happamat ektrusiivit Happamat intrusiivit Intermediaariset ektrusiivit Intermediaariset intrusiivit Emäksiset ekstrusiivit Emäksiset intrusiivit Ultraemäksiset kivet Alkaliset intermediaariset maasälpäintrusiivit Alkaliset intermediaariset maasälpäekstrusiivit Alkaliset happamat maasälpäintrusiivit Alkaliset emäksiset maasälpäintrusiivit Kemialliset sedimenttikivet Karbonaatit Detritaaliset sedimenttikivet Metamorfiset magmakivet Metamorfiset sedimenttikivet Gammamittaukset geotieteissä Gammaspektrometriaa käytetään laajalti radioaktiivisen materiaalin tutkimisessa isotooppien tunnistamiseen ja säteilykenttien luonnehtimiseen. Sovelluskohteita on niin tieteessä kuin teollisuudessa. Spektrien laatu on parantunut erikoisesti puolijohdeilmaisinten kehittymisen myötä ja

94 87 kiteiden tilavuutta on pystytty kasvattamaan. Tilavuuden kasvu merkitsee monimutkaisten spektrien mittaamisen luotettavuuden paranemista kun energiaresoluutio paranee. Elintärkeä osuus gammaspektrometrialla on astrofysiikassa, missä kaikki tieto saadaan sähkömagneettista säteilyä havainnoimalla. Koska γ-säteiden energiakaista on näkyvää valoa laajempi ja energian absoluuttiset arvot monta kertalukua korkeampia, ne sisältävät paljon enemmän informaatiota lähteestä kuin valo. Kosmiset γ-säteet ovat syntyneet jollakin muulla tavalla kuin radioaktiivisen hajoamisen sivutuotteina. Siinä kun α- tai β-hajoamisen yhteydessä esiintyvät γ- kvantit ovat energialtaan luokkaa 10 6 ev, kosmisissa säteissä on havaittu arvon ev ylittäviä superkvantteja. Gammaspektrimittauksia käytetään myös geologisissa tutkimuksissa. Niillä on mahdollista havaita hyvinkin pieniä radionuklidipitoisuuksia, sillä nykyisten laitteiden herkkyys on kertaluokkaa parempi kuin taustasäteily. Muiden geofysikaalisten mittausten tapaan γ-säteilymittaus vähentää näytteenoton tarvetta. Gammamittauksella voidaan tutkia suuria tilavuuksia tai kartoittaa suuria pinta-aloja. Koska useimmat mittaukset tehdään paikan päällä, vähenevät monenlaiset näytteenkäsittely-, kuljetus-, varastointi-, turvallisuus- ja laatuongelmat. Mittauksen antamat tulokset ovat nopeasti saatavilla, monesti reaaliajassa, ja gammamittaukset soveltuvat erittäin hyvin monenlaisiin pitkäaikaisiin monitorointeihin. Mittaustulosten analysointi on kvantitatiivista ja tulokseksi saadaan radioaktiivisen nuklidin nimi ja pitoisuus. Alkuperäinen lentogammaspektrometrian käytön tarkoitus oli uraanin etsiminen. Tähän tarkoitukseen käytettiin aluksi totaalisäteilyä, joka on peräisin paitsi uraaniesiintymistä myös muista lähteistä. Sittemmin on ollut tapana mitata säteilyä kolmessa ikkunassa, jotka on valittu kolmen tärkeimmän radionuklidin tunnistamisen kannalta optimaalisesti. Tutkimuskohteetkin ovat laajentuneet puhtaan uraanin etsimisen ulkopuolelle niin että lentogammamittauksilla kvantifioidaan ja kuvataan kallio- ja maaperän pintaosien radioaktiivisuutta. Kun systeemi on kalibroitu asianmukaisesti, data voidaan muuntaa vastaamaan radionuklidien todellisia pitoisuuksia. Uraanin määrä arvioidaan 214 Bi-piikin korkeudesta ja samalla oletetaan, että uraani ja sen hajoamistuotteet ovat pitkäaikaisessa tasapainossa. Samalla tavalla arvioidaan kaliumin määrä 40 K-ikkunasta ja ekvivalenttinen toriumin määrä 208 Tl-ikkunasta. Lentomittaustulosten lopullista esittämistä varten on alkuperäisille rekisteröintituloksille tehtävä joukko korjauksia, koska ilmassa on radioaktiivista radonia ja muita säteilijöitä. Lentomittauksessa on otettava huomioon myös kosminen säteily ja ilma-aluksen radioaktiivisuus. Lentogammamittausten käyttökelpoisuus riippuu siitä kuinka suuressa määrin radionuklidien jakaantuminen irtomaissa on yhteydessä mineralisoitumisprosessien aiheuttamiin kallioperän pitoisuusmuutoksiin ja kuinka suuressa määrin kallioperän radioaktiivisten alkuaineiden määrä heijastuu niissä irtomaissa, jotka voidaan yhdistää kallioperän lähteisiin. Sovelluskohteita ovat paljastumien litologia, korkea-asteisen metamorfismin ja hydrotermisen muuttumisen alueiden tunnistaminen, mahdollisten uraanimineralisaatioiden etsiminen ja sellaisten alueiden löytäminen missä radonin tasot ovat merkittäviä terveysriskin kannalta. Maanpinnalta tehtävissä mittauksissa on lentomittauksiin nähden vain laadullisia eroja. Maanpintamittaukset antavat lentomittausta tarkemman kuvan radioaktiivisuuden jakautumisesta paitsi paikallisesti myös spektraalisesti. Tähän on syynä se, että vaikka lentokaluston detektorikide onkin iso, lentokone ei voi mitata kauan aikaa yhtä pistettä edetessään lentolinjalla. Toiseksi gammasäteilyn intensiteetti laskee neliöllisesti etäisyyden lähteestä kasvaessa minkä lisäksi ilman atomit vaimentavat intensiteettiä eksponentiaalisesti. Heikosti säteilevässä energiaikkunassa saattaa muutenkin harvakseltaan tulevia kvantteja lyhyen mittausajan ja ilman aiheuttaman vaimennuksen vuoksi tulla lentokoneen detektoriin niin vähän, että spektrin tilastollinen heilahtelu

95 88 on suurta. Maanpintamittauksessa detektori saadaan helposti senttien päähän lähteestä jolloin etäisyyden aiheuttama vaimennus on vähäistä. 5 SÄTEILYN SUUREET 5.1 Johdanto Gammasäteily vaikuttaa monella tavalla aineeseen. Eri tarkoituksia varten on ollut tarpeellista määritellä erilaisia suureita, jotka kuvaavat säteilyn vaikutuksia tuolla alueella. Tällaisia ovat säteilykenttää luonnehtivat suureet, vuorovaikutussuureet, dosimetriasuureet sekä annosekvivalentti ja siitä johdetut suureet. Viimeksi mainitut ovat tekemisissä säteilyn terveysvaikutusten kanssa. Kivien gammasäteilyn tutkimuksissa käytetään eri ryhmiin kuuluvia suureita. Seuraavassa taulukossa ilmoitetaan yleisimmät radioaktiivisuuden suureet. Taulukko 22. Radioaktiivisuuteen liittyviä suureita. Suure Symboli Yksikkö Nimi Vanha yksikkö Hiukkasten määrä N - Säteilyenergia R J Joule Hiukkaskertymä Φ m -2 Hiukkaskertymänopeus Φ & m -2 s -1 Energiakertymä Ψ Jm -2 Energiakertymänopeus Ψ & Wm -2 Vaikutusala σ m 2 Matkavaimennuskerroin µ m -1 Massavaimennuskerroin µ m m 2 kg -1 Vuorovaikutustaajuus ν m -3 s -1 Energialuovutuksen massakerroin µ k /ρ m 2 kg -1 Jarrutuskyky S Jm -1 Massajarrutuskyky S/ρ Jm 2 kg -1 Absorboitunut annos D Jkg -1 Gray Rad Absorptioannosnopeus D & Jkg s -1 Kerma K Jkg -1 Gray Rad Cema C Jkg -1 Gray Rad Kermanopeus K & Jkg -1 s -1 Cemanopeus C & Jkg s -1 Säteilytys X Askg -1 Röntgen Säteilytysnopeus X & Akg -1 Annosekvivalentti H Jkg -1 Sievert Rem Annosekvivalenttinopeus H & Jkg -1 s -1 Aktiivisuus A s -1 Becquerel Curie Massa-aktiivisuus α s -1 kg -1 Aktiivisuuspitoisuus c A s -1 m -3 Aktiivisuuskate A S s -1 m -2

96 89 Hajoamisvakio λ s -1 Puoliintumisaika T 1/2 s SI-järjestelmän ulkopuolisista yksiköistä käytetyimpiä on Röntgen, jonka suuruinen gammasäteilyn määrä on silloin kun se muodostaa normaalilämpötila-paineisessa kuivassa ilmassa 2.08 * 10 9 ioniparia kuutiosenttiä kohti. Curie ilmoittaa niiden partikkelien määrän, jotka yksi gramma radiumia säteilee sekunnissa. Curien lukuarvo on 3.7* Seuraava taulukko ilmoittaa muutamia yksiköiden välisiä muunnoskertoimia. Taulukko 23. Radioaktiivisuuden suureiden muunnoskertoimia. Lähtöyksikö Kerroin Tuloyksikkö Lähtöyksikkö Kerroin Tuloyksikkö Ci 3.7 x Bq Bq 2.7 x Ci Mci 37.0 PBq PBq MCi kci PBq PBq kci kci 37.0 TBq TBq kci pci Bq Bq 27 pci dps 1 Bq Bq 1 dps dpm Bq Bq 60.0 dpm dpm mbq mbq dpm dpm pci pci 2.22 dpm mci/km Bq/m 2 Bq/m mci/km 2 pci/g 37.0 Bq/kg Bq/kg pci/g pci/l 37.0 mbq/l mbq/l pci/l pci/l 37.0 Bq/m 3 Bq/m pci/l fci/m mbq/m 3 mbq/m fci/m 3 nci/m 2 1 mci/km 2 mci/km 2 1 nci/m 2 gray (Gy) 100 rad rad 0.01 gray (Gy) rem 0.01 Sv Sv 100 rem mrem/yr 0.01 msv/y msv/y 100 mrem/yr 5.2 Säteilykenttää luonnehtivat suureet Säteilyn ja sen vaikutusten mittaamiseksi tarvitaan erilaisia suureita. Toisissa on kyse säteilyhiukkasten (joita gammakvanttien eli fotonien lisäksi ovat elektronit, protonit ja neutronit) lukumäärästä ja niiden kuljettamasta energiasta Hiukkasten määrä Hiukkasten määrällä voidaan tarkoittaa lähteen emittoimien hiukkasten määrää, detektoriin tai muuhun kohteeseen osuvien hiukkasten määrää tai tarkasteltavan tilan läpi siirtyneiden hiukkasten määrää. Hiukkasten määrä on laaduton luku.

97 Säteilyenergia Hiukkasen energian perusyksikkönä käytetään elektronivolttia (ev). Yksi elektronivoltti on se energia, jonka elektroni saa liikkuessaan yhden voltin potentiaalieron läpi. Koska elektronivoltti on hyvin pieni yksikkö, tavallisin käytössä oleva yksikkö on megaelektronivoltti; 1 MeV = 10 6 ev. Hiukkasen massasta puhuttaessa käytetään myös samaa yksikköä, koska suhteellisuusteorian mukaan massasta voidaan käyttää energian yksikköjä yhtälön E = mc 2 mukaisesti. Hiukkasen kokonaisenergialla tarkoitetaan sen lepomassan ja liike-energian summaa. Nopeasti liikkuvat hiukkaset ovat voimakkaasti relativistisia ja niiden liike-energia saattaa olla paljon suurempi kuin niiden lepomassa. Energian yksikköinä lausuttuina protonin ja neutronin massat ovat 931 MeV ja elektronin massa on MeV. β-hajoamisessa välittävän virtuaalisen W-bosonin massa on MeV eli 83 GeV. Tytärhiukkanen on 90 kertaa emohiukkasta massiivisempi ja kertaa omaa tytärtään massiivisempi. Gammasäteilyyn luetaan ne fotonit, joiden energia on >10 5 ev eli 100 kev. Taajuutena tämä vastaa aluetta >3*10 19 Hz eli >30 EHz. Aallonpituudeltaan gammasäteet ovat pienempiä kuin m eli 10 pm Hiukkaskertymä Ajatellaan säteilykentässä olevan pisteen ympäriltä rajatuksi pallon muotoinen alue. Merkitään tämän pallon isoympyrän pinta-alaa da. Hiukkaskertymän (tai hiukkasvuon) Φ määrittelee lauseke dn Φ = da, jossa hiukkasmäärä dn on tähän palloon mittauksen aikana tulleiden hiukkasten tai sähkömagneettisen säteilyn kvanttien määrä. Hiukkaskertymän yksikkö on 1/m Hiukkaskertymänopeus Hiukkaskertymänopeus φ mittaa hiukkaskertymän vaihteluita ajan mukana. Se saadaan jakamalla infinitesimaalisen mittausajan dt aikana tapahtunut hiukkaskertymän muutos dφ kyseisellä aikavälillä dt: Φ & dφ = dt Hiukkaskertymänopeuden yksikkö on 1/m 2 s.

98 Energiakertymä Energiakertymä Ψ mittaa säteilyenergiaa, jonka kyseiset hiukkaset tuovat tarkastelun kohteena olevaan alueeseen. Se määritellään seuraavalla yhtälöllä: dr Ψ = da R on säteilyenergia. Yksikkö on J/m Energiakertymänopeus Energiakertymän vaihteluita ajan mukana mittaa energiakertymänopeus: dψ Ψ & =. dt Energiakertymänopeuden yksikkö on J/m 2 s eli W/m Vuorovaikutussuhteet Vaikutusala Gammasäteilyn absorptio aineessa määräytyy kvantin ja atomin välisen vuorovaikutuksen todennäköisyydestä. Tätä kuvataan atomin paikalle ajatellulla kovalla pallolla, jonka isoympyrän pinta-alan suuruus kuvaa vuorovaikutuksen todennäköisyyttä, ns. atomaarista vaikutusalaa σ. Kvantti vuorovaikuttaa atomin kanssa jos sen rata kulkee tällaisen pallon läpi. Atomaarisen vaikutusalan yksikkö on barn (1 barn = m 2 ). Vaikutusala on kullekin aineelle erilainen ja se riippuu lisäksi kvanttien energiasta Matkavaimennuskerroin Matkavaimennuskerroin kuvaa todennäköisyyttä, jolla gammakvantti reagoi aineen atomin kanssa. Mitä syvemmälle aineeseen kvantti tunkeutuu, sitä todennäköisemmin se joutuu vuorovaikutukseen jonkin atomin kanssa. Matkavaimennuskerroin on valosähköisen ilmiön, Comptonin sironnan ja parinmuodostuksen esiintymistodennäköisyyden summa ja sen dimensio on 1/m. Matemaattisesti määriteltynä matkavaimennuskerroin on vuorovaikutusten suhteellinen määrä dn/n pituusyksikköä dl kohti:

99 92 µ = 1 N dn dl Massavaimennuskerroin Mitä tiheämmässä aineessa on atomeita, sitä useammin reaktio tapahtuu ja sitä suurempi on matkavaimennuskerroin. Tämän takia jollekin aineelle ei voida ilmoittaa yksikäsitteistä kerrointa. Jos matkavaimennuskerroin jaetaan tiheydellä, saadaan aineelle ominainen suure, massavaimennuskerroin eli 1 µ m = µ. ρ Massavaimennuskertoimen yksikkö on m 2 /kg Vuorovaikutustaajuus Vuorovaikutustaajuus (vuorovaikutusten lukumäärä aikayksikössä tilavuusyksikköä kohti) on ν = φ 0 Σ, missä Σ on makroskooppinen vaikutusala ja φ 0 on hiukkasvuon tiheys. Vuorovaikutustaajuuden dimensio on 1/m 3 s Energialuovutuksen massakerroin Jos ε on gammojen energia, ε/ε on se murto-osa joka sen energiasta siirtyy väliaineeseen yhdessä vuorovaikutuksessa. Energialuovutuksen massakerroin eli energiansiirtokerroin eli massan energia-absorptiokerroin määritellään µ ε Σ k =, ρ ε ρ jonka dimensio on m 2 /kg Jarrutuskyky Hiukkasen hidastumista ja energian siirtymistä väliaineeseen kuvaa väliaineen jarrutuskyky, hiukkasen energian menetys de lyhyellä matkalla dl:

100 93 S de =. dl Suureen yksikkö on J/m, myös MeV/cm tai kev/µm ja se tunnetaan myös nimellä energiansiirtokyky. Raskaan ionisoivan hiukkasen jarruuntuminen on verrannollinen järjestysluvun neliöön ja väliaineen elektronitiheyteen sekä kääntäen verrannollinen hiukkasen nopeuden neliöön. Jos kahden hiukkasen liike-energiat ovat samat, raskas hiukkanen menettää enemmän energiaa matkayksikköä kohden kuin kevyt ja kulkee näin lyhyemmän matkan Massajarrutuskyky Hiukkasen massajarrutuskyky, S/ρ (yksikkö J/m 2 kg) vaihtelee vain vähän eri väliaineissa, sillä vetyä raskaampien alkuaineiden Z/A on lähes vakio. Ainekerroksen paksuutta kuvataan usein pituusmitan l sijasta pinta-alamassalla ρl, jonka yksikkö on g/cm 2. Täten massajarrutuskyky tarkoittaa energianmenetystä pinta-alamassayksikköä kohti. 5.4 Dosimetriasuureet Säteilyn vaikutus perustuu paitsi säteilykentän voimakkuuteen myös säteilyn ja aineen välisiin vuorovaikutuksiin. Kyseessä on kaksivaiheinen prosessi: ensimmäisessä vaiheessa säteilyn energia tuottaa sekundaarisia hiukkasia ja siirtyy näille. Tätä energian muuntumista mittaavia suureita ovat kerma, cema ja säteilytys. Kudokseen siirtynyt energia kuluu lopulta kudoksessa tapahtuviin atomi- ja molekyylitason muutoksiin, joista saattaa olla seurauksena muutoksia solujen tasolla ja lopulta koko elimistöä koskevia vaurioita. Tätä toista vaihetta, energian siirtymistä aineeseen, mittaa ennen muuta absorboitunut annos. Dosimetriasuureiden tavoitteena on saada mitta säteilykentän voimakkuuden ja säteilyn aiheuttamien todellisten ja potentiaalisten vaikutusten vastaavuussuhteille Absorboitunut annos Absorboitunut annos on keskimääräinen ionisoivasta säteilystä tarkastelukohteeseen siirtynyt energia massayksikköä kohti: de D =. dm Absorboituneen annoksen yksikön J/kg nimi on gray (Gy). Käytöstä poistunut absorboituneen annoksen yksikkö on; 1 rad = 0,01 Gy Absorptioannosnopeus Absorptioannosnopeus kuvaa absorboituneen annoksen ajallisia vaihteluita:

101 94 dd D & =.. dt Absorptioannosnopeuden yksikkönä käytetään yleensä graytä tunnissa tai vuodessa (Gy/h tai Gy/a) tai näiden kerrannaisia (mgy/h, µgy/h, mgy/a tai µgy/a) Kerma ja cema Kerma (kinetic energy released per unit mass, vapautunut kineettinen energia yksikkömassaa kohti) mittaa varauksettomien hiukkasten, esim. gammasäteiden, tuottamien varattujen sekundaarihiukkasten, lähinnä elektronien liike-energiaa näiden syntymähetkellä. Kermaa vastaava varattujen hiukkasten kuten elektronien, protonien tai alfahiukkasten energianluovutusta mittaava suure on cema (converted energy per unit mass, muuttunut energia massayksikköä kohti). Cema mittaa energiaa, jonka varatut primaarihiukkaset menettävät törmäyksissä väliaineen atomien elektroneihin. Tähän energiaan luetaan siis sekä sekundaarielektronien irrottamiseen kuluva energia että niiden liike-energia. Kerman ja ceman välinen ero on siinä, että kerma mittaa vuorovaikutuksen tapahtumapaikalta poistuville (sekundaari)hiukkasille luovutettua energiaa ja cema mittaa energiaa, jonka vuorovaikutustapahtuman paikalle tulevat varatut (primaari)hiukkaset menettävät. Kerma (K) on varauksettomien hiukkasten luovuttama energia massan yksikköä kohti. Varauksettomat hiukkaset tuottavat varattuja hiukkasia säteilykentän tiettyä pistettä ympäröivässä massa-alkiossa dm. Kerma on näiden varattujen hiukkasten syntyessään saama liike-energia jaettuna kyseisen alkion massalla: K detr =, dm missä suureeseen de tr sisältyy myös augerelektronien liike-energia ja jarrutussäteilyksi muuntuva energia. Kerman yksikön J/kg erityisnimi on gray (Gy). Cema määritellään vastaavasti Ec C =, dm missä suureeseen dec sisältyy koko se energia, jonka tarkastelutilaan tulevat varatut hiukkaset menettävät törmäyksissä atomien elektroneihin, säteilyn irrottamien elektronien sidosenergia mukaan lukien. Myös ceman yksikön J/kg erityisnimi on gray (Gy).

102 Kermanopeus ja cemanopeus Kerman ja ceman muutoksia ajan mukana mittaavat suureet kermanopeus dk K & = dt ja cemanopeus dc C & =. dt Kermanopeuden ja cemanopeuden perusyksikkö Gy/s on yleensä lukuarvoltaan niin pieni, että on tavallisempaa käyttää yksikköä graytä tunnissa (Gy/h) tai graytä minuutissa (Gy/min) Säteilytys Säteilytys tarkoittaa ionisoivan säteilyn aineessa synnyttämää sähkövarausta jaettuna massalla, johon ionisoiva säteily kohdistuu. Syntyvien ionien kokonaisvaraus on dq ja massan määrä dm. Säteilytyksen X määrittelee kaava dq X = dm Säteilytyksen yksiköllä As/kg ei ole erityisnimeä. Vanha yksikkö röntgen vastaa arvoa 2, C/kg Säteilytysnopeus Säteilytyksen ajallisia vaihteluita kuvaa suure säteilytysnopeus: dx X & = dt Säteilytysnopeuden yksikkö on A/kg = C/kg s. Tavallisimmin käytetty yksikkö on röntgen tunnissa, R/h, tai tästä johdetut pienemmät yksiköt kuten mr/h ja mm. kairanreikäluotauksissa µr/h.

103 Annosekvivalentti Vertailtaessa eri lähteistä peräisin olevan säteilyn vaikutusta elävään organismiin määritetään annokset, joilla on sama vaikutus organismiin tämän elinaikana. Perussäteilyksi, jonka vaikutukseen kyseisen säteilyn vaikutuksia verrataan, on valittu 200 kev:n röntgensäteily. Tietynlajisen ja -energisen säteilyn suhteellinen biologinen tehokkuus on kyseisen säteilyn annoksen ja saman vaikutuksen aiheuttavan perussäteilyn annoksen suhde. Samankin säteilyn suhteellinen biologinen tehokkuus saa eri arvoja samoissa säteilytysolosuhteissa sen mukaan, minkälainen kohde on säteilylle alttiina ja mistä säteilyn seurausvaikutuksesta on kyse. Sen käyttö on rajoittunut säteilybiologiseen tutkimukseen. Jotta eri säteilytysolosuhteissa saatujen annosten yhteisvaikutuksen arvioiminen olisi mahdollista, annoksia on painotettava niiden biologisen tehokkuuden huomioon ottavilla normituskertoimilla. Säteilysuojelun tarpeisiin riittävän käyttökelpoinen normituskerroin saadaan suhteellisen biologisen tehokkuuden arvioidusta ylärajasta. Tätä normituskerrointa, joka on paljas luku, sanotaan laatutekijäksi (Q). Eri säteilylajien absorboituneen annoksen D biologista vaikutusta tietyssä kohdepisteessä kuvaava annosekvivalentti H määritellään absorboituneen annoksen arvon ja säteilyn paikallisen laatutekijän tulona tässä pisteessä: H = Q D. Koska Q on laaduton suure, on annosekvivalentilla sama yksikkö kuin absorboituneella annoksella eli J/kg. Annosekvivalentin yksikön erityisnimi on sievert (Sv). Vanhemmissa teksteissä esiintyvä rem (1 rem = 0,01 Sv) on käytöstä poistunut yksikkö Annosekvivalenttinopeus Annosekvivalentin ajallista arvoa mittaa annosekvivalenttinopeus: dh H & = dt Yksikkö on J/kg s. 5.5 Radioaktiivisuuden suureet Aktiivisuus Aktiivisuus A on hajoamistapahtumien nopeuden mitta. Aktiivisuus ilmaisee, kuinka monta ydinmuutosta tarkasteltavassa ainemäärässä tapahtuu yhden sekunnin aikana eli dn A =. dt

104 97 Negatiivinen etumerkki ilmaisee sen, että ytimien määrä vähenee hajoamisessa. Aktiivisuuden yksikkö on becquerel (Bq), joka tarkoittaa hajoamisten määrää sekunnissa. Vanhentunut mutta monesti käytettävä yksikkö on curie (Ci). Näiden välillä on yhteys 1 Ci = 3.7*10 10 Bq eli curie on erittäin iso suure. Aktiivisuus voidaan myös ilmoittaa pinta-alaa, tilavuutta tai massaa kohti, jolloin on kysymys aktiivisuuspitoisuudesta Ominaisuusaktiivisuus Ominaisaktiivisuudella tarkoitetaan aktiivisuutta ilmaistuna massaa, tilavuutta tai pinta-alaa kohti. Massa-aktiivisuus α on tiettyyn määrään ainetta sisältyvä aktiivisuus jaettuna massalla: A α =. m Yksikkö on Bq/kg. Aktiivisuuspitoisuus c A on tietyssä tilassa oleva aktiivisuus jaettuna tilavuudella: c A = A V Yksikkö on Bq/m3. Aktiivisuuskate A S on tietyllä pinnalla oleva aktiivisuus jaettuna pinta-alalla: A A S =. S Yksikkö on Bq/m Hajoamisvakio Hajoamisvakio λ on todennäköisyys sille, että radioaktiivinen ydin hajoaa aikayksikössä. Suurelle joukolle radioaktiivisia ytimiä on voimassa N t λt = N 0 e, missä N 0 on tarkastelun aloitushetkellä (t = 0) oleva radioaktiivisten ydinten määrä ja N t on vastaava määrä ajanhetkellä t.

105 Puoliintumisaika Puoliintumisaika T ½ on se ajanjakso, jonka kuluessa radioaktiivisten ydinten lukumäärä vähenee puoleen. Hajoamisvakion λ avulla määriteltynä ln 2 T 1 / 2 =. λ

106 99 6 EXPLORANIUM GR-130 MINISPEC-GAMMASPETROMETRIN KÄYTTÖOHJE 6.1 Aluksi GR-130-gammaspektrometrilla on mahdollista etsiä ja löytää radioaktiivista materiaalia sekä automaattisesti tunnistaa säteilevät nuklidit. Kannettava ja maastokelpoinen laite soveltuu mm. seuraaviin sovelluksiin: Radioaktiivisen materiaalin aiheuttaman vahingon tunnistaminen ja riskin määritteleminen Materiaalien tarkastus radioaktiivisen saastuneisuuden varalta Radioaktiivisia materiaaleja sisältävien laitteiden tarkistus vuotojen varalta Kaatopaikkojen ja muiden maa-alueiden tarkistus radioaktiivisten jätteiden varalta Työntekijöiden annosnopeuden ja säteilyannoksen monitorointi Radioaktiivisten säteilylähteiden monitorointi Radioaktiivisten säteilylähteiden tarkistus Tuntemattoman radioaktiivisen nuklidin tunnistus Radioaktiivisen materiaalin luokittelu Kuva 44. Exploranium GR-130 minispec-gammaspektrometri.

107 100 Laitteessa on natrium-jodidi (NaI) detektori sekä nuklidin tunnistus- ja annosmittausmahdollisuudet säteilytysnopeuden arvoon10 µsv/h (2 mr/h) saakka. (Säteilytys on fotonien ilma-alkiossa tuottamien samanmerkkisten ionien varausten summa jaettuna ilma-alkion massalla. Nämä varaukset syntyvät kun fotonin tässä ilma-alkiossa tuottamat elektronit pysähtyvät täydellisesti ilmassa. Säteilytysnopeus on aikavälin kuluessa tapahtunut säteilytyksen muutos jaettuna tällä aikavälillä. Näitä ja muita suureita tarkastellaan lähemmin luvussa 5 SÄTEILYN SUUREET.) GR-130-gammaspektrometrillä voidaan mittauksia tehdä kolmella tavalla, kartoitusmoodissa, annosmittausmoodissa ja nuklidin identifiointi- eli analysointimoodissa. Kartoitusmoodissa GR- 130 toimii skintillometrina ja tulostaa näyttöön vastaanotettujen pulssien määrän sekuntia kohti. Korkeudeltaan vaihteleva äänisignaali ilmoittaa säteilyn intensiteetin noususta etukäteen asetetun rajan yläpuolelle. Kuvaruutuun tulostuva pylväsdiagrammi viimeksi kuluneen minuutin ajalta kertoo säteilyn tason vaihteluista esim. edettäessä linjalla paikasta toiseen. Annosmittausmoodissa GR-130 näyttää annosnopeuden valittavissa yksiköissä sekä kumuloituneen annoksen mittauksen aloituksen jälkeen. Näillä mittauksilla on merkitystä terveyden kannalta. Nuklidin tunnistamismoodissa GR-130 kerää pulsseja ja jakaa ne luokkiin pulssien energian suhteen. Spektrin synnyttäneiden nuklidien tunnistaminen nuklidikirjaston avulla on mahdollista. GR-130:n ilmaisimena toimii 74 cm 3 tilavuinen sylinterin muotoinen NaI-detektori. Se sijaitsee laitteen etupäässä niin että punainen täplä on sen keskipisteen kohdalla. Laitteessa on vain yksi operointinappi, joka sijaitsee kahvan päällä. Sillä on neljä asentoa, joiden toiminto riippuu siitä missä paikassa toimintokaaviota ollaan. Asennot ovat eteen, taakse, vasemmalle ja oikealle. Nappia voidaan painaa myös alaspäin mutta tälle ei ole mitään vaikutusta. Näyttönä on 128*128-pikselinen LCD, joka ei ole välttämättä kovin sovelias viileällä säällä ja niukassa valaistuksessa. Hämärässä on apua taustavalosta; myös näytön kontrastia voidaan vähän säätää. Laitteeseen kuuluu muovinen suoja-alusta, jonka on syytä aina olla paikoillaan. Alusta suojaa kolhuilta ja estää itse laitetta kastumasta jos se lasketaan märkään maahan. Voimanlähteenä on kaksi ladattavaa NiCd-akkua. Lataus tapahtuu kytkemällä latauslaitteen pistoke laitteen takaseinässä olevan kannen takana olevaan 3VDC-reikään. Täysillä akuilla toiminta-aika on 25 tuntia. Alkaliparistoja käytettäessä latauslaitetta ei saa käyttää. GR-130 on toimintakuntoinen heti kun latauslaite on kytketty verkkoon vaikka akut olisivat tyhjät. Laitteen keräämä data puretaan tietokoneelle takakannen takana olevan COM-merkinnällä varustetun RS-232-portin kautta. Laitteen mukana on tähän tarkoitukseen varattu kaapeli, jonka toinen pää kytketään tietokoneen COM-porttiin. Tietokoneesta voidaan ladata samaa tietä kirjastoja GR-130:n käyttöön. Tietokoneeseen on ladattava Windows-ohjelma SpecView. Ohjelman avulla puretaan data spektrometrista tietokoneeseen, katsellaan mittaustuloksia, ladataan kirjastoja ja tehdään tuloskäsittelyä. Spektrin stabilointia varten laitteen mukana on säteilylähde, joka sisältää 0.25 µci:n vahvuista 137 Cs:a. Tämän vahvuinen säteilylähde ei edellytä lupaa käyttöä varten. Säteilevä materiaali on asennettu keltapunaiseen muovisylinteriin, joka mahtuu laitteen suoja-alustassa olevaan reikään stabilointimittausta varten.

108 101 Laitetta voidaan kantaa maastossa ja muuallakin pehmeässä vinyylisessä olkalaukussa. Jos laukkua käytetään mittaukseen, on stabilointiin käytettävän lähteen oltava muualla kuin laukussa. Lisäksi on olemassa polyuteraanista valmistettu iso kovakantinen laukku, joka on ilman- ja vedenpitävä. Laite avataan vapauttamalla ensin ilmaruuvi. GR-130:n mukana on englanninkielinen manuaali, josta mukaillen tämä käyttöohje on tehty. 6.2 Akkujen lataaminen GR-130 tarvitsee kaksi D-kokoa olevaa nikkeli-kadmium-akkua toimiakseen. Ladattaessa akkujen tulee olla paikallaan laitteen takaseinässä olevan oven takana. Akut ladataan laitteen mukana tulleella GR-110/130 NiCd-latauslaitteella. Latausvirta on 500 ma ja latausaika on 8-10 tuntia. Akku on ladattava täyteen ja käytettävä tyhjäksi ennen uudelleenlatausta. Akkujen lataaminen tapahtuu seuraavasti: Kytke GR-130 OFF-asentoon ja avaa akkukotelon kansi. Kytke latauslaitteen pistoke alempaan porttiin, joka on merkattu 3VDC:llä. Kytke kaapelin toinen pää pistorasiaan. Vihreä LED-valo syttyy merkiksi verkkoyhteydestä. Keltainen LED ilmoittaa, että lataus on käynnissä. Punainen LED on merkkinä virhetilanteesta. Tällainen on esim. kaapelin huono kytkentä GR-130:een. Jätä laite latautumaan vihreän ja keltaisen LEDin palaessa 8-10 tunniksi. Irrota pistoke spektrometristä ja pistorasiasta. Sulje akkukotelon kansi. Laite on valmis mittaukseen. ANALYSIS COM 3VDC Kuva 45. GR-130:n takaseinä. GR-130-spektrometrissä on turvallisinta käyttää vain NiCd-akkuja. Alkaliparistot toimivat kyllä mutta on olemassa vaara, että niitä yritetään epähuomiossa ladata, mistä seuraa vakava vahinko laitteelle. NiCd-akkuja ja alkaliparistoja ei myöskään saa molempia asentaa samanaikaisesti koneeseen. Jos patterien tyyppi vaihdetaan, on käytävä liitteen 2 set up-menussa 31 vaihtamassa myös patterin tyyppi.

109 102 Taulukko 24. Latauslaitteen merkkivalojen merkitys. Vihreä Keltainen Punainen Varaustila Toiminto LED LED LED ON ON OFF Latautuu Ei mitään. ON OFF/vilkkuu OFF Lataus lopussa Irrota laturi. ON OFF OFF Heikkovirtalataus menossa Irrota laturi tai jatka latausta. ON ON ON Oikosulku Tarkista kaapeli ja pistoke. Akut voivat olla huonokuntoisia. ON OFF ON Huono kontakti Tarkista kontaktit ja akkujen asennot. OFF OFF OFF Ei verkkoyhteyttä Tarkista kaapeli ja verkkoyhteys. 6.3 Mittaaminen GR-130:llä Kytketään virta päälle. Tämä tapahtuu painaltamalla nopeasti kahvan päällä olevaa kytkintä taaksepäin ON-merkin suuntaan. Näyttöön ilmestyy kuvan 46 mukainen ilmoitus ja kuuluu sekunnin pituinen piippaus. Laitteen toiminta testataan automaattisesti ja jos jotakin epäilyttävää ilmenee, virheen koodi ilmoitetaan. Näistä tehdään selkoa liitteessä 1. Jos toiminnassa ei havaita virheitä, näyttöön tulostuu kuvan 46 mukainen ilmoitus. EXPLORANUM GR-130 Version 5.15 Serial # 1378 Kuva 46. Aloitusmenu. Taustavalon kytkeminen päälle tapahtuu virran päälle panemisen yhteydessä. Kun virta on poissa päältä, painetaan ohjauskytkintä ON-suuntaan n. 3 sekunnin ajan. Näyttöön ilmestyy tällöin taustavalo ja se jää päälle kunnes virta kytketään pois. Jos akkujen jännite on alle 2.2 V, taustavalo ei kytkeydy päälle. Taustavalon pitäminen päällä alentaa akkujen käyttöaikaa 50 %. Virta kytketään pois manuaalisesti painamalla keinukytkintä eteenpäin OFF-suuntaan 3 sekunnin ajan. Näyttöön tulostuu jäljellä oleva aika sekunteina ja lopuksi virta sammuu. Jos kytkin vapautetaan ennen kuin näyttö sammuu, virran katkaisutoiminta keskeytyy.

110 103 Toinen mahdollisuus virran katkaisemiseksi on jättää laite säätökytkimeen koskematta johonkin menuun 2.5 minuutiksi. Virta kytkeytyy automaattisesti pois. Virran pois kytkeytyminen ei toimi mittausmoodeissa, muutamissa ylläpitomoodeissa ja kaukosäädinoperaatioissa. Akkujen jäljellä oleva lataustaso ilmoitetaan näytön yläreunassa olevalla patterin kuvalla. NiCd-akkujen kohdalla näyttö ei ole tarkka vaan on parempi pitää itse kirjaa mittaukseen käytetystä ajasta. Akkujen tehon laskettua lähelle minimiä kuuluu kolme piippausta ja näyttöön ilmestyy LOW-ilmoitus. Tämän jälkeen on 2-10 minuuttia mittausaikaa jäljellä ennen kuin virta kytkeytyy pois päältä. LOW Täysi lataus Puolilataus Varoitus alhaisesta latauksesta Kuva 47. Paristokuvioiden merkitys. Näytön kontrastin säätäminen tapahtuu välittömästi (minuutin kuluessa) laitteen virran päälle kytkemisen jälkeen. Säätönappulasta käännetään vasemmalle jos halutaan kontrasti vähäisemmäksi ja oikealle jos se halutaan tummemmaksi. Säätömahdollisuus rajoittuu kymmeneen askeleeseen ja rajan saavuttamisesta ilmoitetaan äänimerkillä. Kontrastin muutos pysyy voimassa vaikka virta kytkettäisiin pois. Päämenu. Kun laitteeseen kytketään virta päälle, näyttöön ilmestyy viereisen kuvion näköinen päämenu. Säätönappulalla voidaan liikkua menussa ylös ja alas napauttamalla sitä lyhyesti ylös tai alas. Virran uudelleen kytkemisen jälkeen toiminta jatkuu samasta menun toiminnosta mihin edellinen toiminta päätettiin. Toiminnot valitaan painamalla nappulaa pitkään alas. MAIN MENU SURVEY STABILIZATION ANALYSIS DOSE METER DATA MEMORY SET UP MAINTENANCE Kuva 48. Päämenu. SURVEY- eli totaalisäteilyn mittausmoodi kytketään päälle painamalla SURVEYn päällä nappulaa alaspäin. Näyttöön tulostuu kuvan 49 mukainen ilmoitus. Paristokuvio ilmoittaa akkujen lataustilan.

111 104 15:12 on kellonaika MEAS on merkkinä mittauksen olemisesta päällä. Jos mittaus keskeytetään painamalla nappia pitkään alas, tämän paikalle ilmestyy STOP. 54 cps tarkoittaa mitattujen säteilypulssien määrää sekunnissa ja lukema päivittyy näytteenottokeston välein. 1 on näytteenoton kesto sekunteina. Tässä tapauksessa näyttö päivittyy sekunnin välein. Jos kesto on esim. 5 sekuntia, pulssilukema päivittyy viiden sekunnin välein samalla kun mittausaika juoksee näytössä: 1, 2, 3, 4, 5 jne. Näytön pohjalla olevaan kaavioon tulostuu 60 viimeisintä lukemaa graafina. 100 on maksiminäytön arvo. Se skaalautuu automaattisesti suurimman näytössä olevan lukeman mukaisesti. Mittaus keskeytetään painamalla nappulaa pitkään alas Päämenuun siirrytään painamalla nappulaa keskeytyksen jälkeen uudestaan pitkään alas. SURVEY 15:12 MEAS 54 cps Kuva 49. SURVEY-moodin näyttö. ALARM (= hälytys). Kun SET UP-alimenusta säädettävä hälytyssignaali on OFFasennossa, toimii automaattinen hälytyssignaali. Menusta säädetään haluttu hälytystaso, jonka ylityttyä kuuluu piippaus ja näyttöön ilmestyy ALARM kellonajan viereen. OVF (= ylivuoto). Jos SET UP-alimenusta on näytön maksimilukemaksi valittu arvo ylittyy, näyttöön ilmestyy ilmoitus OVF. Muistiin menevään dataan ilmoitus ei vaikuta. >65535 cps. Hyvin voimakkaassa säteilykentässä saattaa pulssien määrä olla suurempi kuin pulssia sekunnissa. Tämä on suurin lukema mitä laitteen NaI-ilmaisin pystyy havaitsemaan. Tällainen säteilyn intensiteetti on niin voimakas, että säteilykentästä on poistuttava terveydellisistä syistä. Hyvin voimakkaassa magneettikentässä (kestomagneettien lähellä) valomonistinputki toimii epätäydellisesti ja saattaa johtaa väärään (liian pieneen) mitattujen pulssien määrään.

112 Datan tallentaminen muistiin Mitattu data voidaan tallentaa laitteen muistiin ja edelleen mikrolle. Valinta tehdään SURVEYmoodin SET UP-menussa. Näytössä on ilmoitus SURVEY -> MEM. Talletus jatkuu kunnes muisti täyttyy tai moodin päälläolo keskeytetään pitkällä DOWN-painalluksella. Aina uuden aloituksen jälkeen systeemi kirjoittaa muistiin uudet otsikkotiedot mikä tekee mahdolliseksi erotella eri kerroilla tai paikoissa tehtyjä mittauksia toisistaan. Muistiin tallennus on päällä niin kauan kunnes se estetään SET UP-menussa. Muistiin mahtuu n lukemaa, mikä tietää sekunnin välein 4.5 tunnin mittausta. Muistin täytyttyä näyttöön ilmestyy ilmoitus MF (= muisti täynnä) samalla kun kuuluu kolmen piippauksen varoitussignaali ja SURVEY -> MEM-ilmoitus katoaa. Kun muisti täyttyy tai mittaus muuten lopetetaan, muistissa olevat mittaustulokset voidaan siirtää tietokoneelle. Tätä varten siirrytään MAIN MENU-valikkoon ja valitaan sieltä DATA MEMORY ja edelleen DUMP. Kun datan siirto päättyy, muisti voidaan tyhjentää ERASE-komennolla. Tämä tapahtuu painamalla nappia lyhyesti kolme kertaa alas kehotteen TO ERASE MEMORY PUSH BUTTON DOWN THREE TIMES! jälkeen. Toiminto voidaan keskeyttää painamalla nappia ensimmäisen tai toisen alaspainalluksen jälkeen kerran ylös. Muistin tyhjentämisen jälkeen mittausta voidaan jatkaa. Purkaminen tietokoneeseen tapahtuu mukana olevan kaapelin kautta ja käyttämällä CDROMilla toimitettua SpecView-ohjelmaa. Valmistaja suosittelee, että GR-130 kytketään OFF-asentoon ennen kuin datansiirtokaapeli kiinnitetään laitteen takaseinässä olevaan COM-pistokkeeseen transienttijännitteiden mahdollisesti aiheuttamien vahinkojen välttämiseksi. Data on mahdollista rekisteröidä myös suoraan tietokoneeseen. Tästä annetaan tarkemmat ohjeet laitteen manuaalissa. 6.5 Stabilointi Kun spektrometri kytketään päälle, laitteen elektroniset komponenttien arvot ajautuvat komponenttien lämmetessä ennen vakiintumistaan. Ulkoisen lämpötilan muutokset saattavat pahentaa tilannetta. NaI-kiteissä ajautuminen on tyypillisesti ± 15 % lämpötilan muuttuessa 10 -> + 50 o C. Jos ajautumista ei oteta huomioon, datan laatu kärsii. Korjaaminen tehdään STABILIZATION-operaatiolla. Tasaisessa lämpötilassa stabilointi tarvitsee toteuttaa vain kerran päivässä, mutta usein sen joutuu tekemään useammin. Sen tekeminen on olennaista ennen ANALYSYS- ja DOSE-mittauksia. Näissä moodeissa stabilointiin on syytä kun GR-130:n näyttöön ilmestyy kuvan 50 mukainen sanoma. Mittausta voidaan jatkaa ilman stabilointiakin painamalla pitkään DOWN; kuitenkin stabilointia suositellaan tehtäväksi aina sitä pyydettäessä ja milloin itse sitä haluaa.

113 106 MAIN MENU STAB-TIMEOUT exceeded STABILIZATION recommended LONG PRESS DOWN TO CONTINUE OR UP TO EXIT Kuva 50. Ilmoitus stabiloinnin tarpeesta. STAB MAIN MENU STAB PUT Cs SOURCE TO THE HEAD OF THE GR-130 LONG PRESS DOWN TO CONTINUE OR UP TO EXIT STABILIZATION IN PROGRESS TIMEOUT 1 (2,3,...) STABILIZATION OK PEAK ch FWHM 7.2 % GAIN 96 REMOVE Cs SOURCE LONG PRESS DOWN Kuva 51. Aseta Cs-lähde paikoilleen. Kuva 52. Stabilointi käynnissä. Kuva 53. Stabilointi valmis. Stabilointia varten laitteen mukana on matala-aktiivinen 0.25 µci 137 Cs radioaktiivinen lähde. Lähteen käyttöön ei vaadita lupaa luparaja on 0.3 µci. Stabilointia varten valitaan päämenusta STABILIZATION. Näyttöön ilmestyy 51 mukainen teksti. Keltaiseen massaan upotettu stabilointilähde asetetaan suojakengässä olevaan reikään tai muuten GR-130:n etuseinässä olevan täplän kohdalle tekstipuoli laitteeseen päin. Näyttöön ilmestyy kuvan 52 mukainen ilmoitus, jossa juoksevat numerot mittaavat aikaa. Koko toimenpide kestää puolisen minuuttia. Prosessin loppupuolella sana TIMEOUT korvautuu sanalla COMPUTING. Kun stabilointi on valmis, näyttöön ilmestyy kuvan 53 kaltainen ilmoitus. Annetulla informaatiolla on seuraava merkitys: STABILIZATION OK ilmoittaa, että stabilointi onnistui. PEAK ch ilmoittaa, että cesium-piikki korjauksen jälkeen on kanavalla Laitteen ollessa säädettynä 1.5 MeV-energialle, cesiumin sijaintikanavan tulisi olla 110 ± 1.0 ja energialla 3.0 MeV kanavalla 55 ± 0.5. Jos piikki on ilmoitetun alueen ulkopuolella, stabilointi on virheellinen tai laitteessa on vikaa. FWHM 7.2 % on detektorin resoluution mittana käytetty mitta, Full Width Half Maximum eli piikin puoliarvoleveys Tämän arvon on eri mittauksissa oltava puolen prosentin tarkkuu-

114 107 della vakio jos detektori on kunnossa. Jos FWHM:n vaihtelu on suurempi kuin yksi prosentti, ilmaisin on menossa epäkuntoon. Yli 10 % poikkeama on merkkinä vakavasta ongelmasta joka kaipaa korjausta. GAIN 96 on systeemin automaattinen vahvistuslukema. Huonelämpötilassa arvon pitäisi olla suunnilleen 125 ja välillä Liian matalasta arvosta tulostuu virheilmoitus. Pitkä DOWN siirtää toiminnan päämenuun. Cesium-nappi on myös poistettava. 6.6 Spektrimittaus Tässä moodissa tehdään yksityiskohtaisia spektrianalyysejä, identifioidaan piikkejä ja radionuklideja. Aina ennen spektrimittausta on tarpeellista tehdä stabilointioperaatio. Kun spektrimittaus (ANALYSIS) asetetaan päälle, näyttöön tulostuu kuvan 54 kaltainen kuvio. Suorakaiteen sisälle piirtyy spektri energian funktiona. Muulla ilmoitetulla informaatiolla on seuraava merkitys: ANALYSIS 15: MEAS DT 30 % VS 10K CA 117 CC 140 RI# 0 CO 1381 LT 32 ST 50 15:12 kellonaika. Kuva 54. Spektrimittaus. 116 muistiin talletettujen spektrien määrä. MEAS ilmoittaa, että mittaus on käynnissä. DT on systeemin kuollut aika prosentteina. Tämä lukema ilmoittaa kuinka kiireinen mittauselektroniikka on. Korkea lukema ilmoittaa, että ollaan korkean säteilyn kentässä. VS on näytössä olevan spektrin vertikaalinen skaala. Skaala säätyy automaattisesti niin, että spektrin suurin lukema mahtuu näyttöön. Skaalaa voidaan muuttaa ylös- tai alaspäin klikkaamalla nappia ylös tai alas. CA on kanavaosoite. Lukema ilmoittaa näytössä olevan kursorin sijainnin. Kursori on pieni vertikaalinen viivanpätkä, jota voidaan siirtää oikealle tai vasemmalle klikkaamalla nappulaa vastaavaan suuntaan. Kursoria käytetään haluttaessa nähdä tietyn kanavan tai valitun ROI:n (Region of Interest) sisältö. Näytön koko on 128 pikseliä. Jos on kyseessä

115 kanavan mittaus, graafisessa näytössä on kaksi kanavaa summattu yhteen ja kursori siirtyy seuraavaan asemaan vasta kahden siirron jälkeen. CC on kursorin sisältö. Lukema ilmoittaa kursorin ilmoittaman kanavan mittaamien pulssien määrän. RI# ilmoittaa valittujen ROI:den lukumäärän. ROI#1, 2 ja 3 valitaan SETUP-menussa siirtämällä kursoria. ROI:n sisältö ilmoitetaan olipa kursori millä tahansa kanavalla ROI:n sisällä. CO ilmoittaa lukemien määrän valitussa ROI:ssa eli kaikkien ROI:hin kuuluvien kanavien lukemien summan. ST ilmoittaa mittaukseen kulutettavaksi tarkoitetun ajan sekunneissa. Sitä voi muuttaa SETUP-menussa. LT (tai CT) ilmoittaa mittaukseen kuluneen ajan sekunteina. LT osoittaa, että SETUP-menussa on valittu LIVE TIME, missä moodissa systeemin kello automaattisesti korjaa systeemin kuolleen ajan. Jos yhden sekunnin mittauksen kuollut aika on 3 ms, yhteen mittaukseen tosiasiassa käytetään sekuntia. Oletusmoodi LT korjaa kuolleena aikana tulleiden pulssien vaikutuksen. Toinen vaihtoehto CT osoittaa, että SETUP-menussa on valittu CLOCK TIME. Tässä moodissa kuolleen ajan korjausta ei tehdä. Kun mittaukseen käytettäväksi asetettu aika on kulunut, datankeruu päättyy ja näyttöön tulostuu kuva 55. Jos tämän jälkeen laitteella ei tehdä mitään, kahden ja puolen minuutin kuluttua virta kytkeytyy pois päältä. Kun virta kytketään uudelleen päälle, toiminta jatkuu kuvan 55 menusta jossa spektri voidaan esim. tallettaa. ANALYSIS -1 STORE SPECTRUM START MEAS SEE SPECTRUM PEAK ANALYSIS NUCLIDE IDENT OUTPUT SPECTRUM MAIN MENU Kuva 55. Spektrin käsittelykehote. Jos millä tahansa kanavalla mitattujen pulssien määrä ylittää pulssia, mittaus keskeytyy ja näyttöön tulostuu ilmoitus TERMINATED BECAUSE OF OVERFLOW. Painamalla nappia lyhyesti alas toiminta jatkuu kuvan 55 menusta. Jos virta ehtii kytkeytyä pois päältä, toiminta uudelleen aloituksenjälkeen jatkuu päämenusta. Näillä toiminnoilla voidaan tarkastella muistiin kerättyä dataa eri tavoilla. GR-130 muistaa aikaisemmin tehdyt operaatiot ja valitsee todennäköi-

116 109 simmin tehtävät vaihtoehdot. Säätönapilla ylös tai alas napauttamalla päästään kuitenkin muihin toimintoihin. STORE SPECTRUM - Spektrin tallennus Tämä toiminto tallettaa viimeksi mitatun spektrin muistiin, antaa sille juoksevan numeron ja varustaa sen mittausajan päivämäärällä ja kellonajalla. Kaikki muistiin talletettu data voidaan purkaa tietokoneelle. Spektrin tallettaminen tapahtuu siirtämällä toiminto tekstin STORE SPECTRUM päälle ja painalla pitkään alas. Näyttöön ilmestyy kuva 56. GR-130 voi tallettaa maksimissaan kanavaista spektriä muistiin. Tässä tapauksessa on talletettu kymmenen spektriä ja jäljellä on tilaa 112 spektrille. Muistiin voidaan samanaikaisesti tallettaa DOSE-, SURVEY- ja SPECTRAL-dataa. Nämä kaikki vievät oman osansa muistista. ANALYSIS -1 SPECTRUM #10 STORED IN MEMORY AVAILABLE SPACE FOR 112 SPECTRA LONG PRESS DOWN TO CONTINUE Kuva 56. Kuittaus spektrin talletuksesta. START MEAS - Mittauksen aloitus Mittaus voidaan aloittaa myös tästä painamalla pitkään alas. Toinen mahdollisuus on mennä päävalikkoon ja valita ANALYSIS. SEE SPECTRUM - Spektrin katselu Viimeisin mitattu spektri näkyy tässä samalla tavoin kuin kuvassa 54. Oikean reunan energia on 1.5 tai 3.0 MeV sen mukaan mitä SETUP-menussa on valittu. Kursoria voidaan kuljettaa spektrin yli painamalla säätönappia oikealle tai vasemmalle. Ylös- ja alassiirtäminen muuttaa spektrin vertikaalista skaalaa. Numerot näytössä ilmoittavat koko spektrin tai kursorin sijaintipaikan lukemia:

117 110 ANALYSIS 13: MEAS CA 117 CC 140 RI# 0 CO 1381 LT 50 ST 50 Kuva 57. Spektrin tarkastelunäyttö. 13:01 Aika 116 MEAS Muistiin talletettujen spektrien lukumäärä CA 117 Kursori sijaitsee kanavalla 117 CC 140 Pulssien määrä tällä kanavalla = 140 pulssia RI #0 Kursori sijaitsee ROI:ssa 0 CO 1381 Kokonaispulssimäärä valitussa ROI:ssa LT 50 Ajoaika = 50 s ST 50 Mittausaika = 50 s Valmistaja ilmoittaa kaavan, jolla kanavanumero on muunnettavissa energiaksi: MeV-alue: Energia (kev) = A*P 2 + B*P + C MeV-alue: Energia (kev) = A*(P/2) 2 + B*P/2 + C, missä A = B = C = P on kanavan numero REAK ANALYSIS - Piikkianalyysi Tällä toimenpiteellä voidaan automaattisesti analysoida viimeksi mitatun spektrin piikkejä. Tulokset näytetään energian mukaan kasvavassa järjestyksessä. Kuvassa 58 esitetään esimerkkitulostus.

118 111 PEAKS PpkeV FWHM AREA PpkeV Piikin paikka yksikköinä kev. Kuva 58. Löydetyt piikit. FWHM Puoliarvoleveys antaa käsityksen piikin laadusta. Väärien tulosten välttämiseksi resoluutioltaan poikkeavat piikit jätetään tulostamatta. Tämän takia spektrissä saattaa olla enemmän piikkejä kuin tässä listassa. AREA Piikin nettopinta-ala. Tämä arvo on kunkin piikin suhteellisen intensiteetin mitta. Pinta-ala lasketaan poistamalla lineaarinen nollataso. more Joskus näytön pohjalla on sana more. Tämä tarkoittaa, että piikkejä on enemmän kuin näyttöön mahtuu. Lyhyellä klikkauksella alas löytyy seuraava sivu piikkejä. Pitkä alas palauttaa toiminnan ANALYSIS-1-menuun. Jos tämän jälkeen siirrytään spektrin katseluun, analysoidut piikit näkyvät tummennettuina. Jos kursori viedään piikin huipulle, näytön yläosaan tulostuu piikin energia. Energian tarkkuus on tyypillisesti ±20 kev. NUCLIDE IDENT - Nuklidin tunnistaminen Tämä toiminto vertaa viimeisimmän mitatun spektrin piikkejä sisäisen kirjaston tietoihin ja tulostaa listan löytämistään piikeistä voimakkuusjärjestyksessä. Oheisessa kuvassa on esimerkkikuva listasta. NUCL IDENT Cs N.I RETURN Kuva 59. Lista tunnistetuista nuklideista.

119 112 Cs-137 ilmoittaa, että 137 Cs-piikki tunnistettiin. Jos löydetään muita piikkejä, ne listataan samalla tavalla tarkoittaa piikin pinta-ala. N.I. Kaikki ne piikit, joille ei löydy selitystä kirjastosta, varustetaan tällä merkinnällä (N.I. = Not Identified, tunnistamaton). Kaikkien näiden piikkien pinta-alojen summa ilmoitetaan myös. Jos kursori viedään jonkin piikin päälle ja nappulaa painetaan pitkään alas, ilmestyy kuvan 60 mukainen ilmoitus. Annetuilla tiedoilla on seuraava merkitys: NUCL IDENT Cs-137 1/1 * * LONG PRESS DOWN TO CONTINUE Kuva 60. Piikkien lisäanalysointia. Cs-137 on tunnistetun isotoopin nimi 1/1 ilmoittaa, että vain yksi piikki oli riittävä tunnistamista varten * Nämä piikit tunnistettiin piikkianalyysitoiminnossa 662 on tunnistetun piikin energiataso yksikkönä kev 7.3 on tämän piikin FWHM. Se on piikkianalyysin laadun indikaattori ilmoittaa pulssien määrän aikayksikössä piikin alueella ja antaa käsityksen piikin amplitudista. Taustan vaikutus eliminoidaan lineaarisella interpolaatiolla.? tarkoittaa, ettei piikkiä ole pystytty identifioimaan kirjastossa olleiden tietojen perusteella. 6.7 Nuklidien tunnistuskirjasto Laitteen muistissa olevassa kirjastossa ovat seuraavat nuklidit: Am Amerikium 137 Cs Cesium 60 Co Koboltti 57 Co Koboltti 40 K Kalium 192 Ir Iridium 226 Ra Radium 232 Th Torium

120 113 Kun GR-130 löytää kirjastossa olevat nuklidit riittävän tarkasti, tunnistetut nuklidit näytetään. Jos löydetyt piikit eivät käy yksiin kirjaston tietojen kanssa, näytetään N.I. (Not Identified = tunnnistamaton). 6.8 Muisti Kun päämenusta valitaan DATA MEMORY (Datamuisti), näyttöön ilmestyy kuvan 61 luettelo. Tämän menun kautta on mahdollista tarkistaa ja käsitellä systeemin muistissa olevaa dataa. STATUS Muistin tila Valitsemalla STATUS näyttöön saadaan datamuistin tilatietoja. GR-130 voi tallentaa dataa kolmesta toimintamoodista (SURVEY, DOSE ja ANALYSIS) erilaisissa formaateissa. Jokainen datajoukko varustetaan otsikolla, josta ilmenee datan tyyppi. DOSE ja SURVEY luokitellaan näytteiksi (SAMPLE) ja ANALYSIS luokitellaan spektriksi. Esimerkkinäyttö on kuvassa 61. DATA STATUS DUMP ERASE SPEC SCAN MAIN MENU Kuva 61. Muistinäyttö. STORED ilmoittaa datavaraston tilan. Tässä tapauksessa on 45 näytettä ja yksi todellinen 256-kanavainen spektri. Jokainen uuden dataryhmän tallennus muistiin tarkoittaa myös uuden otsikon tallentamista, mikä vie viiden näytteen tallennuksen verran muistitilaa. SAMPLES 45 voi tarkoittaa esim. että talletettuna on yksi otsikkotieto ja 40 näytettä, 2 otsikkoa ja 35 näytettä, jne. SPACE AVAILABLE tarkoittaa käytettävissä olevaa muistia näytteille tai spektreille. Tässä tapauksessa käytettävissä on joukolle DOSE- tai SURVEY-dataa tai 121:lle 256-kanavaiselle spektrille tai jollekin muulle kombinaatiolle.

121 114 DATA STORED SAMPLES 45 SPECTRA 1 SPACE AVAILABLE SAMPLES or SPECTRA 121 Kuva 62. Muistin tila. DOSE- ja SURVEY-data tallennetaan identtisessä formaatissa (vain otsikkotieto tekee eron näiden välille) ja molemmilla datatyypeillä on identtiset kokoformaatit. Kaikessa datan tallentamisessa otsikko tallennetaan ensin ja datanäytteet tallennetaan erikseen. Otsikko vie 30 tavua ja jokainen näyte vie 4 tavua. Siten 10 näytteen tallentaminen vaatii muistia seuraavasti: Otsikko 30 tavua 10 näytettä 70 tavua Yhteensä 70 tavua Täten datan viemän muistin määrä on tallennettujen näytteiden lukumäärän funktio. Systeemi laskee automaattisesti jäljellä olevan muistin määrän tämän tiedon perusteella mutta olettaa otsikkoa olevan vain yhden yksikön verran ja lopun olevan dataa. Jos tehdään erillisiä mittauksia, on otettava huomioon ylimääräisten otsikoiden viemä muisti. Siksi jäljellä olevan muistin määrä näytössä on vain viitteellinen. ANALYSIS-moodissa dataa tallennetaan eri tavalla ja jokainen lukema tarkoittaa 256-kanavaista spektriä. Tämän takia muistiin mahtuvien spektrien määrä on DOSE- tai SURVEY-dataa vähäisempi. DUMP Datan purkaminen tietokoneelle DUMP-toiminnon valitseminen sallii tallennetun SURVEY-, DOSE- ja spektridatan siirron ulkoiselle tietokoneelle siirtokaapelin kautta käyttäen mukana toimitettua ohjelmaa. On välttämätöntä, että GR-130:stä kytketään virta pois ennen siirtokaapelin kiinnittämistä. Tällä vältetään jännitepulssien aiheuttama datan korruptoituminen. DUMP-toiminnon valitseminen tuottaa kuvan 63 mukaisen ilmoituksen. Kun tietokoneohjelma on käytössä, data siirretään tietokoneelle painamalla DOWN. Napin painaminen ylös keskeyttää toiminnon. Jos tiedonsiirto ei käynnisty, on nappia painettava uudestaan DOWN kontaktin varmistamiseksi.

122 115 DATA TO DUMP MEMORY PUSH BUTTON DOWN TO CALCEL PUSH BUTTON UP Kuva 63. Muistin tallennus tietokoneelle. ERASE Muistin tyhjentäminen ERASE-toiminnon valitseminen tulostaa kuvan 64 mukaisen ilmoituksen. Kun nappia painalletaan kolme kertaa alas, muisti tyhjentyy täysin. Kahdella ensimmäisellä painalluksella näytön alalaitaan tulostuu CLEAR (tyhjä). Toiminto voidaan keskeyttää painamalla nappia ensimmäisen tai toisen CLEAR-ilmoituksen jälkeen ylös. Kolmannen alas painamisen jälkeen dataa ei saada millään tavalla pelastetuksi. DATA TO ERASE MEMORY PUSH BUTTON DOWN THREE TIMES! TO CALCEL PUSH BUTTON UP Kuva 64. Muistin tyhjennys. SPEC SCAN Spektrien selaus Tällä toiminnolla käyttäjä pääsee tutkimaan ja uudelleen analysoimaan muistiin talletettuja spektrejä. Painamalla LONG DOWN näyttöön tulostuu kuvan 65 mukainen ilmoitus. Napauttamalla oikealle tai vasemmalle valitaan haluttu spektri. Spektrin numero on sama kuin tallentamisen yhteydessä annettu numero. Tallennetun spektrin päivämäärä ja kellonaika ilmoitetaan myös. Päivämäärä ilmoitetaan muodossa vuosi/kuukausi/päivä. Kun spektri on valittu, LONG DOWN aktivoi sen ja spektri näytetään kuvan 54 mukaisesti. SET UP-menussa valitut ROIt (Region Of Interest = kiinnostava alue) näkyvät korostettuina spektrin näytössä.

123 116 DATA MEMORY SPECTRUM # 1 YY/MM/DD HH:MM:SS Kuva 65. Spektrien selaus. ANALYSIS-M Spektri muistissa Tämä menu on samanlainen kuin kuvassa 55, mutta spektrin talletus on tässä estetty. SPEC SCAN-toiminnolla valitaan toinen spektri muistista. Menun muilla operaatioilla tehdään piikkianalyysiä, nuklidien identifiointia jne samoin kuin edellä on selostettu. SET UP SURVEY ANALYSIS ROI S DOSE METER CAL/CLOCK BATTERY MAIN MENU Kuva 66. Asetukset-menu. 6.9 SET UP-asetukset Kuvassa 67 esitetyllä alimenulla asetetaan GR-130:n toimintaparametrit. Valinta tehdään korostamalla kyseinen toiminto lyhyellä klikkauksella ylös tai alas ja valinta tehdään LONG DOWNkäskyllä. Toiminnon sisällä parametristä valitaan sopiva arvo klikkaamalla vasemmalle tai oikealle.

124 117 SET UP SURVEY ANALYSIS ROI S DOSE METER CAL/CLOCK BATTERY MAIN MENU Kuva 67. Asetukset-menu. SURVEY SURVEY:n valinta antaa mahdollisuuden asettaa SURVEY-moodin parametrit kuvan 68 mukaisesti. SET UP 1 OUTPUT TO OFF SAMPLE TIME 10s CHART RANGE 100 AUDIO METER OFF ALARM LEVEL 2000 Kuva 68. SURVEY-moodin asetukset. OUTPUT TO Tallennusmahdollisuudet Off mittaustulokset näkyvät näytöllä mutta eivät tallennu mihinkään MEM mittaustulokset tallentuvat laitteen sisäiseen muistiin PC mittaustulokset menevät RS-232-portin kautta tietokoneseen SAMPLE TIME Mittausaika Mittausaika ilmoittaa miten pitkän ajan kuluessa rekisteröidyt signaalit summataan mittaustulokseen. Valittavat mahdollisuudet ovat 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50 tai 60 sekuntia. Viiden sekunnin mittausaika antaa tarkkoja arvoja useimmissa tapauksissa. Oletusarvona on kuitenkin yksi sekunti, koska säteilyn etsinnässä se on sopiva aika. Äänisignaaliin mittausaika ei vaikuta.

125 118 CHART RANGE Piirtoalue Tämä asettaa suurimman pulssien määrää kuvaavan vertikaalisen akselin ylärajan graafista käyrämuotoista näyttöä varten. Valintamahdollisuudet ovat 100, 200, 300, 1k, 2k, 5k, 10k, 20k, 50k tai automaattinen. Kiinteän skaalan valinta helpottaa eri mittaustulosten vertailua ja suhteellisten muutosten havainnollistamista. Automaattinen valitsee aina sellaisen skaalan, että kaikki näytössä olevat havainnot mahtuvat kuvaan. Jos kiinteä skaala on valittu ja sen maksimiarvo ylitetään, OVF (ylivuoto) ilmestyy näyttöön ilmoittamaan tästä. Automaattinen moodi muuttaa vertikaalista skaalausta näytön optimaalisen toiminnan kannalta. Jos esim. piirtoalueessa on 500 pulssia ja säteilytaso kasvaa 60 %, automaattinen muuttaa skaalaksi Jos pulssien määrä ylittää 65535, skaala jää arvoon 64k. Jos säteilyn taso laskee, näytössä oleva maksimilukema määrää vertikaalisen skaalan. Kun se poistuu näytöstä, näyttöä skaalataan seuraavaksi suurimman luvun mukaan. AUDIO METER Äänisignaali Tätä valintaa käytetään määrittämään äänisignaalin toimintaa. Vaihtoehdot ovat ON, 50, 100, 150, 200, 250 ja OFF. ON Päällä. Säteilyn tason vaihtelu näkyy paitsi näytössä myös kuuluu vaihtelevan korkeana äänisignaalina. Äkillinen säteilyn tason nousu kuuluu korkeudeltaan nousevana signaalina. Tällä on merkitystä kenttätyöskentelyssä kun ei tarvitse seurata näytön lukemia. Äänisignaalin reaktio on nopea, koska sitä varten säteilyn tasoa havainnoidaan 20 Hz taajuudella eli 50 ms välein Näillä arvoilla voidaan määrätä se taso, jonka ylityksen jälkeen äänisignaali aktivoituu. OFF- Pois. Tämä kytkee äänimittarin pois päältä ja sallii valittavan hälytystason. ALARM LEVEL Hälytystaso Mahdolliset arvot ovat OFF, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000 ja Nämä lukuarvot ilmoittavat valittavan hälytyksen kynnysarvon. Kun kynnysarvo ylitetään, kiinteätaajuinen ääni kuuluu ja näyttöön ilmestyy ALARM. ANALYSIS Spektrimittaus Tämä valinta tulostaa kuvan 69 menun, jonka avulla voidaan asettaa ANALYSIS-moodin parametreja:

126 119 SET UP 2 DISP MODE 128 CH MEAS TIME 10 s MEAS MODE LIVE RANGE 3.0 MeV AUDIO OFF SAMPLING SINGLE Kuva 69. Spektrimittauksen asetukset. DISP MODE Näyttömoodi. Arvot ovat 128 ja 256. GR-130 on 256-kanavainen spektrometri mutta näytössä on vain 128 pikseliä vaaka-akselilla. 128 kanavaa. Jos tämä valitaan, näyttöön ilmestyy 128 ensimmäistä kanavaa 256- kanavaisesta spektristä. Näyttöön ilmestyy myös kuvan 70 ensimmäinen suorakulmio kuvaamaan näytössä olevia kanavia. Jos kursoria siirretään näytön oikean laidan ohi, ilmestyy kuvan 70 keskimmäinen suorakulmio. Samoin saadaan kolmaskin suorakulmio. Kanavat Kanavat Kanavat Kuva 70. Näytön sijainti kanava-avaruudessa. 256 kanavaa. Tämä valinta näyttää kaikkien 256 kanavan sisällön. Koska pikseleitä on vain 128, kahden vierekkäisen kanavan sisällön keskiarvo esitetään. Kursorin siirtämisellä kunkin kanavan todellinen sisältö saadaan näkyviin. Kursori näennäisesti liikkuu vain joka toisella klikkauksella. MEAS TIME Mittausaika. Spektrin mittaukseen käytetyn keräysajan valintamahdollisuudet ovat 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 1200, 1800, 3600 ja 5400 sekuntia. Parametrin oikea valinta on tärkeä, sillä liian lyhyt mittausaika tuottaa epäluotettavia tuloksia energia-alueella, jossa pulssilukema on hyvin matala. Toisaalta liian pitkä aika on epätarkoituksenmukainen. Mittausaika on valittava säteilyn määrän ja käytettävissä olevan ajan mukaan. MEAS MODE Mittausmoodi. Valinnat ovat LIVE ja CLOCK. Kun spektrometri kerää dataa, jokainen tuleva signaalipulssi ilmaisimesta vie äärellisen käsittelyajan. Käsittelyssä selvitetään mihin spektrin kanavaan gammasäteen energia kuuluu. Käsittely-

127 120 aikaa sanotaan kuolleeksi ajaksi ja se ilmaistaan tavallisesti prosentteina kokonaisajasta. Esim. kuvassa 54 kuollut aika on 30 %. Jos tulevia pulsseja on hyvin paljon, kuollut aika on suuri. Jos kuollut aika on 50 %, puolet tulevista pulsseista jää mittaamatta. Siksi systeemi on aktiivinen vain osan ajasta. Hyvin matalilla pulssilukemilla kuollut aika on suhteellisen merkityksetön. Kuollut aika otetaan huomioon normalisoimalla data seuraavasti: LT = ST DT, missä LT = Live-Time = Aktiivinen aika ST = Sample-Time = Näytteenottoaika DT = Dead-Time = Kuollut aika. Näytössä näkyvä kuollut aika lasketaan kaavasta DT = [(ST LT)/ST]*100. Kuolleen ajan olisi hyvä olla alle 20 %, koska voimakkaassa säteilykentässä sironta saattaa aiheuttaa ongelmia spektrimittaukseen. Koska säteily vaimenee etäisyyden neliön käänteislukuun verrannollisena, muutaman metrin siirtyminen saattaa pienentää kuollutta aikaa, parantaa spektrin laatua ja alentaa mittaajan altistumista säteilylle. LIVE Aktiivinen. Tämä valinta asettaa päälle automaattisen korjausmenetelmän, joka kasvattaa mittausaikaa kuolleen ajan verran eli lopulliseen dataan on tehty kuolleen ajan korjaus. Täten jos asetettu mittausaika on 100 sekuntia ja kuollut aika on 10 %, todellinen mittausaika on 110 sekuntia. Näin spektri edustaa niitä pulsseja, jotka olisi mitattu 100 sekunnin tapauksessa ellei kuolleen ajan ongelmaa olisi olemassa. Huonona puolena automaattisessa korjauksessa on se, että mittausaika on vaihteleva. CLOCK Vakio. Tässä moodissa mittaus kestää asetetun ajan verran ja korjaukset on tehtävä manuaalisesti. Datassa on mukana aktiivinen aika ja korjaus on helppo tehdä taulukkolaskentaohjelmalla. CLOCK-moodia käytetään silloin kun on tarpeellista soveltaa muuttumatonta mittausaikaa. Jos on tarpeen vain tunnistaa säteilevä nuklidi, on käytettävä CLOCK-moodia. Muulloin voi käyttää LIVE-moodia kunhan ottaa huomioon, että mittausaika saattaa olla pitkä. RANGE Energia-alue. Valinnat ovat 1.5 ja 3.0 MeV. Koska useimmat keinotekoiset isotoopit (kuten cesium, amerikium, jodi ja koboltti) näkyvät spektrin matalaenergisessa päässä, 1.5 MeV-alue antaa tarkemman kuvan kuin 3.0 MeV-alue. Toisaalta torium ja uraani näkyvät paremmin 3.0 MeV-alueella. Skaalalla MeV yksittäinen kanava vastaa suunnilleen 6 kev:n ja MeV-skaalalla 12 kev:n energialeveyttä. Tämä valinta vaikuttaa vain ANALYSIS-moodin mittauksiin. SURVEY-moodissa käytetään aina 1.5 MeV:n aluetta. AUDIO Äänisignaali. Valinnat ovat ON ja OFF. ON Päällä. Systeemi piippaa merkiksi siitä, että mittausaika on loppunut. OFF Pois päältä. Systeemi ei ilmoita mittausajan loppumisesta.

128 121 SAMPLING Mittaus. Valinnat ovat SINGLE, REP-MEM ja REP-PC. SINGLE Yksinkertainen. Tässä oletustoiminnossa laite mittaa spektriä säädetyn ajan ja palautuu kuvan 54 ANALYSIS-menuun. REP-MEM Spektri muistiin. Spektri talletetaan automaattisesti muistiin mittausajan päätyttyä. Uusi mittaus alkaa seuraavassa asetettavan toistoajan jälkeen. REP.TIME Toistoaika. REP-MEM-moodissa ilmestyy tämä parametrin asettamistoiminto. Tässä asetetaan mittausaika. Valinnat ovat 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60 ja 120 minuuttia. Minimilukema riippuu asetetusta mittausajasta. Esim. jos MEAS TIME = 20 s, SAMPLING = REP-MEM, REP.TIME = 1 min, systeemi mittaa 20 s pitkän spektrin ja tallentaa sen muistiin. 40 s myöhemmin mittaus toistetaan ja näin jatketaan kunnes muisti täyttyy tai mittaus muuten keskeytetään. REP-PC Spektri tietokoneelle. Toiminto on sama kuin edellisessä paitsi että data siirretään tietokoneelle RS-232-porttiin kytketyn kaapelin kautta. Tiedonsiirtoon tarvitaan SpecView-ohjelmaa. ROIs Mielenkiinnon kohteet. Tämä valinta sallii asetettavan kolme ROIta (Region-of-Interest, mielenkiinnon kohde) kullekin mittausalueelle. Nämä ovat ikkunoita, jotka ovat jonkin mielenkiintoisen piikin ympäristössä; tyypillisesti kaliumin, uraanin ja toriumin pääpiikkien kohdalla. Systeemi vaatii, että ROI#1 on alemmalla energialla kuin ROI#2 ja edelleen ROI#2 alemmalla kuin ROI#3. Jos nämä asettaa toisin, systeemi nimeää ne uudelleen tämän periaatteen mukaan. ROI-ikkunoiden sisältöä päästään tarkastamaan kuvan 57 esittämässä menussa. RI ilmoittaa missä ikkunassa kursori on ja CO tämän ikkunan pulssien määrän. Ikkunoiden ulkopuolella RI on = 0 ja CO näyttää koko spektrin pulssien määrää. GR-130:n oletusarvoisosta ROI:sta yksi on 137 Cs:n ja kaksi 60 Co:n piikkien kohdalla. Oikeat kanavat riippuvat energia-alueesta ja ne asetetaan yllä olevassa SET UP-menussa (kuva 69). Seuraavassa kaaviossa kanavien valinta nuklideille 137 Cs (662 kev), 60 Co (1173 kev) ja 60 Co (1332 kev): Taulukko 25. GR-130:n oletus-roi:t. ROI Alue MeV Alue MeV #1 ch ch #2 ch ch #3 ch ch DOSE METER - Annosmittari. Tätä mittausmahdollisuutta käytetään silloin kun tutkitaan säteilyn terveydellisiä vaikutuksia. Tarkempi selvitys asiasta on laitteen englanninkielisessä käyttöoppaassa. CAL/CLOCK Kello. Tämä valinta tekee mahdolliseksi asettaa kello ja päivyri oikeaan aikaan. Talletettuun dataan liittyy päivämäärän ja ajankohdan tieto, ja näiden tietojen on syytä olla oikeita. Kello asetetaan aikaan klikkaamalla vasemmalle tai oikealle muutettavan parametrin

129 122 valitsemiseksi ja klikkaamalla ylös tai alas ajan muuttamiseksi. Kursorin ollessa sekuntien kohdalla ylöspäin klikkaus nollaa sekunnit. Jos sekuntilukema oli yli 30, samalla päivittyy minuuttilukema ylöspäin. BATTERY Akut. Laitteeseen on mahdollista kytkeä alkali- tai nikkeli-kadmium-akut. Akkujen tyyppi on ilmoitettava. Ikonin näyttämä alue on alkaliparistoille V ja NiCaparistoille volttia. Väärin ilmoitettu patterityyppi ei vahingoita laitetta mutta voi alentaa patterin käyttöikää. Tärkeintä on huomata, ettei alkalipattereita yritetä ladata. MAIN MENU Päämenu. Tämän valinnan kautta päästään pois tästä SET UP-menusta. MAINTENANCE Ylläpito. Tällä alimenulla valitaan kuvassa 71 esitettyjä erikoistoimenpiteitä. LIBRARY Kirjasto. LONG DOWN näyttää käytössä olevan kirjaston ja listaa kaikki kirjaston isotoopit. Nämä on esitetty kohdassa Nuklidien tunnistuskirjasto. Uusi kirjasto voidaan asettaa manuaalissa ilmoitetulla tavalla. MAINTENANCE LIBRARY NICD CONDITION REMOTE DEFAULT MAIN MENU Kuva 71. Ylläpitomenu. NiCd COND Nikkeli-kadmium-akkujen ylläpito. Tämä toiminto aktivoituu vain jos SETUP-menussa on akuiksi valittu NiCd. Kun valinta tehdään, näytössä lukee NiCd DISCHARGING 2.4V Nikkeli-kadmium-akkujen ongelma on se, että ne voivat kehittää muistiefektin. Jos patterit toistuvasti puretaan vain osittain ja sen jälkeen ladataan uudestaan, patterien kapasiteetti laskee eivätkä ne lataudu täyteen. Tämän efektin eliminoimiseksi ja patterien kapasiteetin palauttamiseksi NiCd COND-toiminto purkaa akut asteittain 2.0 V:n tasolle ja automaattisesti kytkee sähköt pois päältä. Tämä toiminto olisi aktivoitava kerran kuussa ja antaa patterien purkautua yön kuluessa. Seuraavana päivänä latauslaite kytketään päälle ja latausta jatketaan ainakin kuuden tunnin ajan. Tämä lisää patterien ikää huomattavasti. REMOTE Nuklidikirjaston lataus. REMOTE-moodilla ladataan kirjastoja. Moodia ei voi kytkeä vahingossa päälle, koska sen aktivoituminen edellyttää kaapeliyhteyttä tietokoneeseen. Uusia kirjastoja tarvitsee ladata harvoin ja niihin kuuluvien nuklidien valinnassa on oltava varovainen, koska NaI-ilmaisimen rajallisen resoluution takia piikit saattavat mennä limittäin ja

130 123 tehdä tarkan identifioinnin vaikeaksi. Laitteen manuaalissa annetaan ohjeet kirjastojen lataamisesta. DEFAULT Oletusarvojen palautus. Tämä toiminto valitaan jos tehtaalla asetetut laitteen toiminnan oletusarvot halutaan palauttaa. Näyttöön tulostuu kuva 72. Oletusarvot palautuvat jos nappia painetaan kolme kertaa alas. Näyttöön tulostuu jokaisen painamisen jälkeen LOAD. Ylöspainaminen lopettaa toiminnon. MAINTENANCE DEFAULT LOADED PUSH BUTTON DOWN THREE TIMES! TO CANCEL PUSH BUTTON UP Kuva 72. Oletusarvojen palautus. Palautuksen jälkeen näyttöön tulostuu kuvan 73 ilmoitus. Toiminto tyhjentää systeemi- ja datamuistin. MAINTENANCE DEFAULTS HAVE BEEN LOADED USER MUST RESET PARAMETERS TO SUIT THE APPLICATION LONG PRESS DOWN TO CONTINUE Kuva 73. Kuittaus oletusarvojen palautuksesta.

131 124 7 SPECVIEW-OHJELMA GR-130:n mukana tulee datan purku- ja tarkasteluohjelma SpecView. Ohjelma toimii Windows 95:ssä ja 98 sekä 2000:ssa ja myös XP:ssä. Sen avulla voidaan siirtää dataa spektrometrista tietokoneelle, katsella mittaustuloksia ja tulostaa dataa. 7.1 Yleistä Käytössä olevan ohjelman versionumero on 3.1. Sillä voidaan tulostaa dataa ASCII- ja taulukkolaskentaformaateissa. 7.2 Asennus Ohjelma toimitetaan CD-ROMilla. Asennus tapahtuu seuraavasti: Asetetaan CD-levyke asemaan Annetaan käskyt RUN ja BROWSE, jolla etsitään CD-asema Valitaan Setup file ja OPEN sekä OK Kun asennus on valmis, poistetaan asennuslevyke asemasta. 7.3 Toiminta Ohjelma ajetaan kuvaruudulla olevaa ikonia napsauttamalla. Näyttöön ilmestyy seuraava kuva:

132 125 Kuva 74. Ohjelman SpecView -aloitusnäyttö. Aloitetaan käskyllä Tällä toiminnolla siirretään laitteen muistiin tallennettua dataa tietokoneen muistiin tai näyttöön. Kytketään GR-130:n takaseinässä (kuva 45) oleva COM-portti tietokoneen RS-232 sisääntuloporttiin mukana seuraavalla tiedonsiirtokaapelilla SpecView-ohjelman näytössä kuvassa 74 näkyvästä Com Port# -valitsimesta valitaan oikea luku (1-9). Tämä on tavallisesti 1. Jos valinta on väärä, ilmestyy seuraava näyttö:

133 126 Jos valinta on oikein, datan tallennus jatkuu ilman lisäilmoituksia Valitaan hiirellä Ilmoitetaan edelleen tallennustiedoston nimi ja hakemisto Klikataan Save Näytössä näkyy tallennustiedoston nimi ja polku samalla kun näytän alalaidassa vilkkuu punaisena Näytön oikeaan ylälaiteen ilmestyy siirretyn tiedoston koko (Size 0) GR-130:ssä siirrytään päämenun (kuva 48) paikkaan DATA MEMORY ja valitaan edelleen DUMP (siirto tietokoneen muistiin) GR-130:n näyttöön ilmestyy kuvan 75 mukainen kehote Jos halutaan siirtää data tietokoneen muistiin, painetaan nappia pitkään alas Jos nappia painetaan ylös, toiminto keskeytyy DATA MEMORY TO DUMP MEMORY PUSH BUTTON DOWN TO CANCEL PUSH BUTTON UP Kuva 75. Datan siirtokehote. Datan siirto alkaa ja Size-numero näytön oikealla yläkulmassa lähtee juoksemaan. Samalla GR-130:n näytössä on teksti TRANSFERRING Kun siirto loppuu, näyttöön jäävä luku on talletetun tiedoston koko tavuina. Kun siirto on valmis, painetaan punaisena välkkyvää palkkia, jolloin toiminto päättyy Tämän jälkeen SpecView-ohjelman näytössä on seuraavaa tietoa:

134 127 Tämä tarkoittaa, että siirretyn datan joukossa oli 16 spektrimittausta, 7 SURVEY-mittausta ja 3 annosmittusta. Spektridatan kohdalla luku tarkoittaa tiedostossa olevien spektrien määrän. Muissa tapauksissa kyseessä on datablokkien määrä. Joka kerran kun mittaus näissä moodeissa lopetetaan, syntyy uusi tiedosto, jossa on oma otsikkotietonsa. Tarkistusvirhe Datansiirron aikana jokainen tietokoneelle lähetetty tavu lasketaan ja siirron jälkeen tarkistetaan tulivatko kaikki tavut tietokoneelle. Siirron aikana tavuja saattaa kadota. Pieni kadonneiden tavujen määrä ei ole vakavaa mutta joskus koko tiedosto saattaa korruptoitua. Jos Checksum Error-ilmoitus tulee, siirto tulisi tehdä uudestaan käyttäen uutta tiedostonimeä. Jos ilmoitus tulee uudestaan, on tarkastettava tietokoneelle siirretyn datan laatu. Jos se näyttää olevan kunnossa, virheilmoitus voidaan unohtaa. Jos selviä virheitä löytyy, GR-130:n muistin kanssa on ongelmia. Apua voi yrittää etsiä manuaalin kohdasta Tämä toiminto mahdollistaa tallennetun datan lataamisen analysointia varten. Analysoitava tiedosto valitaan tavalliseen tapaan tietokoneen muistista. Valitun tiedoston nimi näkyy näytön oikeassa yläkulmassa. Taustaspektri voidaan valita käytettäväksi referenssispektrinä vertailuja ym. varten. Näytölle ilmestyy seuraavaa:

135 128 Kuva 76. Taustaspektrin valinta. Kuvan tekstit tarkoittavat seuraavaa: Taustaspektrioptio laskee keskiarvon kaikista valituista tiedoston spektreistä. 1. Syötä taustaspektrin laskemiseen käytettävät spektrit joko sarjaportin tai tiedoston lukemisen kautta. Jos syöttöspektrejä ei ole olemassa, paina CANCEL (ohitus) ja käytä syöttöfunktiota ensin. 2. Valitse halutut spektrit juoksevan numeron perusteella. 3. Tausta tallennetaan tiedostoon BG.DEF installointihakemistoon ja se säilyy kunnes sen päälle kirjoitetaan uusi spektri tai se tuhotaan. Taustaspektri voidaan luoda tai valita seuraavasti: RECALL from a File sallii aikaisemmin tallennetun tiedoston valinnan muistista Select All Spectra ottaa kaikki spektrit auki olevasta tiedostosta ja laskee niiden keskiarvon From To Tällä toiminnolla valitaan joukko spektrejä (tai vain yksi) auki olevasta datatiedostosta. Näistä lasketaan keskiarvo. Save as Background Vihreän palkin painaminen tallentaa valitun tiedoston taustareferenssiksi. Tämä toiminto näyttää valitun spektrin ja tietoa sen otsikosta. +/- -nappuloilla päästään valitsemaan spektrit, ja ne esitetään sinisinä. Valitun spektrin järjestysnumero esitetään numerona alueen keskellä. Myös kuvan alalaidassa olevasta palkista näkyy piirretyn spektrin sijainti luku-

136 129 suoralla. Toinen spektri voidaan valita myös napsauttamalla sinistä kolmiota ja siirtämällä se halutun spektrin numeron kohdalle. Punaisen kolmion avulla voidaan valita näyttöön kaksi spektriä eri väreillä piirrettynä. Kuva 77. Mitatun spektrin tarkastelua. Vertikaalinen skaala on automaattinen. Vasemman laidan ylös- ja alas-nuolia voidaan käyttää siirtymiseen pystysuunnassa. Sekä pysty- että vaaka-akseleita voidaan skaalata napsauttamalla akselia, poistamalla voimassa olevat arvot ja syöttämällä uudet ja hyväksymällä ne painamalla ENTER. Skaalaus palautuu automaattiseksi kun uusi spektri valitaan. Horisontaalisen akselin kev-arvot systeemi laskee kalibrointidatan perusteella kanavanumeroista. Oletusarvona pystyakselilla on lineaarinen skaala, mutta se voidaan muuttaa logaritmiseksi napsauttamalla Linear Scale-tekstiä. Toisella klikkauksella lineaarinen skaala palautuu. Klikkaamalla Background-laatikkoa OFF muuttuu ON-asentoon ja valittu taustaspektri ilmestyy näyttöön mustana. Näytön yläkulmassa olevan legenda-laatikon sisällä olevia punaista, sinistä tai mustaa käyrää napauttamalla saadaan esiin suuri määrä erilaisia tehosteita kuvan piirtoa ja visualisointia varten.

137 Kursorin käytöstä Kursorilla on muutamia toimintoja, jotka saadaan käyttöön seuraavasti: Vie kursori johonkin spektrin alueelle ja klikkaa oikeaa hiirtä Valitse SHOW Näytä Valitse Cursor Display Kursorin näyttö Näyttöön ilmestyy kuvassa 78 esitetty joukko laatikoita Klikkaa vasemmalla hiirellä laatikkoa E aktivoidaksesi systeemin Klikkaa vasemmalla hiirellä laatikkoa F ja valitse Cursor Style Kursorin tyyli, Point Style Pisteen tyyli ja Color Väri Klikkaa vasemmalla hiirellä laatikkoa G ja valitse Snap to Point Kiinnity pisteeseen sekä klikkaa vasemmalla hiirellä lukitaksesi kursorin käyrään Siirrä hiirtä kunnes kursori leikkaa vertikaalista tai horisontaalista mustaa viivaa. Näyttöön ilmestyy merkki. Pidä hiiren vasen nappi alhaalla ja siirrä kursoria. Nyt kursori seuraa spektriviivaa ja näyttää x-akselin arvon (energian) laatikossa C. Y-akselin arvo (pulssien määrä) on laatikossa D. Kursorinuolia laatikossa A voidaan myös käyttää siirtämään kursoria. Kuva 78. Kursorin käyttömahdollisuuksia. Tämä valinta tuottaa samanlaisen näytön kuin spektrin kohdalla edellä. +/- -nappuloilla valitaan erilliset datatiedostot. Otsikkotieto vasemmalla ylhäällä varmistaa mitä datajoukkoa ollaan käsittelemässä. AVERAGE (keskiarvo) napilla valitaan näytössä näkyvä määrä pisteitä keskiarvon laskemiseksi. Tämä vähentää satunnaisen kohinan määrää. Alkuperäinen data näkyy harmaana taustalla. FILTERING (suodatus). Ylös- ja alas-nuolilla lasketaan keskiarvo datapisteistä. Koska kyseessä on liukuva keskiarvo, paikallinen resoluutio ei muutu mutta suodatus laskee amplitudia.

138 131 Kuva 79. SURVEY-datan tarkastelua. X-akselin yksikön vaihtoehtoina ovat sekunnit tai mittausajankohdan kellonaika. Vaihtoehdot valitaan napsauttamalla Seconds/Time-painikkeesta. Y-akselin yksiköt ovat pulsseja/sekunti. Skaalaus voidaan tehdä manuaalisesti tai ylös- ja alasnuolien avulla. Tämä on sama kuin edellä ollut SURVEY-moodin näyttö, mutta tässä käsitellään annosmittausta.

139 132 Kuva 80. Annosmittauksen tarkastelua. Vertikaalinen akseli on valituissa yksiköissä, jotka käyvät ilmi otsikosta. Data skaalataan automaattisesti arvoksi Täten korkeintaan nsv/h näkyvät sellaisinaan, mutta yli nsv/h arvot skaalataan µsv/h-yksiköiksi. Tämä muutos näkyy otsikkotiedoissa. Muistissa olevaa kirjastoa on mahdollista räätälöidä tässä. Kirjastolle voidaan antaa nimi ja se voidaan ladata GR-130:n muistiin niin että sitä voidaan käyttää nuklidien identifioimiseen. Kun toiminto valitaan, näyttöön ilmestyvät olemassa olevat kirjastot kuvan 81 ilmoittamalla tavalla.

140 133 Kuva 81. Käytössä oleva nuklidikirjasto Current Library Käytössä oleva kirjasto, tavallisesti nimeltään Default.lib Customize Library Kirjaston räätälöiminen. Napin painallus tuo näyttöön kuvan 82 mukaisen kuvan. Vasemmalla oleva taulukko tarkoittaa uutta tehtävää kirjastoa ja oikealla olevassa taulukossa ovat mahdolliset käytössä olevat nuklidit. Uuden kirjaston tekeminen tapahtuu seuraavasti: Klikkaa Library Title Kirjaston nimi ja anna kirjastolle uusi nimi. Nimi saa olla korkeintaan 16 merkkiä pitkä. Klikkaa haluttua isotooppia oikealla olevassa taulukossa Klikkaa ADD (lisää)-nappia, jolloin valittu isotooppi ilmestyy vasempaan taulukkoon Nuklidien poistaminen tapahtuu aktivoimalla poistettava nuklidi ja painamalla REMOVEnäppäintä (REMOVE = poista) Kun kirjasto on valmis, se talletetaan painamalla SAVE LIBRARY Milloin tahansa kirjaston rakentaminen voidaan keskeyttää CANCEL-nappulalla

141 134 Kaksoisklikataan SpecView-hakemistossa Library-kansiota ja tallennetaan kirjasto antamalla sille uusi nimi, jonka tarkennin on.lib sekä painamalla SAVE-nappia. Näyttöön ilmestyy ensimmäinen kirjastomenu kuvassa 81 ja vasemmalla olevassa listassa näkyy uusi kirjasto. 7.5 Kirjaston lataus GR-130:lle Valitse ladattava kirjasto listasta ja klikkaa Tarkista kirjaston detaljit varmistuaksesi, että tämä on oikea kirjasto Varmista että GR-130 on päällä ja kaapeli on kytkettynä sen ja tietokoneen RS-232-portin välille Tee seuraava GR-130:llä: Valitse MAINTENANCE (Ylläpito) päämenusta Valitse REMOTE (Kauko-) GR-130:n näytössä tulisi näkyä WAITING FOR PC RESPONSE (Odotetaan tietokoneen vastausta) Klikkaa UPLOAD LIBRARY (Lataa kirjasto) tietokoneelta Näyttöön tulostuu erilaisia ilmoituksia. Muutaman sekunnin jälkeen GR-130:n näyttö palaa päämenuun ja tietokoneelle tulostuu Transfer OK (Siirto kunnossa) Klikkaa OK tietokoneella kirjaston latausohjelman sulkemiseksi Katkaise GR-130:n virta ja irrota kaapeli Kuva 82. Nuklidikirjaston tekeminen

142 135 Latauksen onnistumisen varmistus: Kytke GR-130:een virta päälle Valitse MAINTENANCE Valitse LIBRARY 2 01:07:07 10:52:07 cpm Live time (s) 1 01:07:07 10:51:57 cpm Live time (s) Klikkaa LONG DOWN (Pitkään alas) Näytössä tulisi näkyä aktiivisen kirjaston nimi ja lista sen isotoopeista Uusi kirjasto on nyt asennettu GR-130:een ja se säilyy muistissa kunnes jokin seuraavista tapahtuu: Uusi kirjasto asennetaan Oletusparametrit ladataan missä tapauksessa oletuskirjasto latautuu RAM-paristo tyhjenee. Tällöin GR-130:n näyttöön tulostuu virheilmoitus

143 136 Nuclide.def-tiedostossa on seuraavat nuklidit: Taulukko 26. Tiedostossa Nuclide.def olevat nuklidit. 241 Am 133 Ba 207 Bi 109 Cd 139 Ce 57 Co 58 Co 60 Co 51 Cr 137 Cs 152 Eu 154 Eu 18 F 59 Fe 67 Ga 123 I 125 I 129 I 131 I 111 In 192 Ir 40 K 85 Kr 54 Mn 99 Mo 22 Na 24 Na 237 Np 103 Pd 239 Pu 226 Ra 75 Se 153 Sm 113 Sn 85 Sr 99m Tc 232 Th 201 Tl 233 U 235 U 235/8 U Köyhdytetty U 133 Xe 88 Y 90m Y Kirjaston valinta on monimutkainen ongelma. NaI-detektoreiden resoluutio on rajoitettu, minkä takia monet piikit saattavat mennä päällekkäin ja tehdä tarkan identifioimisen vaikeaksi. Näiden ongelmien minimoimiseksi valmistaja suosittelee seuraavien sääntöjen noudattamista kirjaston muodostamisessa: Valitse minimimäärä isotooppeja kunkin ongelman ratkaisemisen kannalta Valitse vaaditut isotoopit huolellisesti Kun uusi kirjasto ladataan GR-130:een, käyttäjän tulisi testata se huolellisesti sen varmistamiseksi, että sen toiminta on virheetöntä HUOM! Jos havaitset virheitä tunnistuksessa, ilmoita asiasta geofyysikolle. Ilmoita myös minkä isotoopin systeemi tunnisti väärin. Vastaavanlaiset käskyt toimivat myös SURVEY- ja DOSE-mittauksella. Näillä toiminnoilla on mahdollista tallentaa dataa haluttuun tiedostoon taulukkolaskentaformaatissa kuten COMMA- DELIMITED text (Pilkulla erotettu data). Tarkentimena on.csv. Näitä tiedostoja voidaan lukea

144 137 useisiin ohjelmiin ja käsitellä niitä halutulla tavalla. Napin painamisen jälkeen on valittava datatiedoston hakemisto ja nimi. Tiedoston sisältö on seuraavanlainen: Kanava 0: Spektrin numero + päivämäärä + aika + mittauksen kesto. Päivämäärä on muodossa Vuosi:kuukausi:päivä Kanava 1: Spektrin kanava numero 1 Kanava 2: Ensimmäinen datapiste Kanava 254: Viimeinen datapiste Kanava 255: Kosminen säteily Data ilmoitetaan yksikköinä pulssia/minuutti. Tietokoneen muistiin tallennettua dataa on mahdollista lukea antamalla käsky Valitaan haluttu spektri, minkä jälkeen sitä voidaan tarkastella samalla tavalla kuin juuri mitattua spektriä. Ohjelman toiminta lopetetaan napsauttamalla painiketta Näyttöön ilmestyy kuvan 74 kaavio. Valitsemalla File ja Exit ohjelman suoritus päättyy. 7.6 Muutama sana käytännön mittauksesta Gammaspektrometrin tärkein osa on sen kide, joka mittaa tulevien pulssien määrän. Kide on kuvan 83 ilmoittamassa kohdassa laitteen etupäässä. Laitteen etuseinästä kiteen keskipisteeseen on matkaa 40 mm ja pohjasta n. 50 mm. Mittauksessa kiteen keskipiste on tuotava mahdollisimman lähelle säteilylähdettä, koska etäisyyden kasvaessa säteilyn intensiteetti heikkenee voimakkaasti. Jos mitataan irtokivien säteilyä, näyte voidaan tuoda laitteen eteen kiinni sen etuseinään. Jos mitataan kallion pinnan tai esim. kairansydänlaatikon säteilyä, GR-130 voidaan hyvin asettaa vaaka-asentoon, koska pystyyn asetettuna sen näytön seuraaminen on hankalaa. Spektrejä mitattaessa, jolloin mittausaika saattaa olla tunninkin pituinen, laite voidaan asettaa pystyasentoon.

145 138 Kuva 83. GR-130:n kiteen keskipisteen sijainti. Gammasäteilyn suuren energian vuoksi kvantit läpäisevät materiaaleja ja tulevat kiteeseen myös takaapäin. Laitetta on hankala suojata ulkopuoliselta säteilyltä eikä säteilyä käytännössä voi kollimoida. Sen takia tarkan säteilypaikan löytäminen ei ole helppoa, koska kaikki n. 30 sentin etäisyydellä kiteestä olevat kivet aiheuttavat säteilyyn oman osansa. Jos säteilyä haetaan kairansydänlaatikosta, vieressä olevan kivet häiritsevät mittausta, ja tarkan säteilyn paikan löytäminen edellyttää näytteen siirtämistä ainakin metrin päähän häiriölähteistä. Jos sydänlaatikot ovat päällekkäin, säteilyä tulee myös tutkittavan laatikon alla olevista kivistä. Akut kestävät hyvin yhden päivän mittauksen. Akut olisi mikäli mahdollista purettava tyhjiksi ennen uutta lataamista. Laite on sisätiloissa toimittaessa mittauskelpoinen tyhjilläkin akuilla jos latauslaite kytketään verkkoon. Kuitenkin on saatu havaintoja virheellisestä toiminnasta tällaisessa tapauksessa. Onkin varminta tehdä lataus erikseen ennen mittausta. Kaikista mittauksista GR-130:n muistiin tallentuu mittauksen aloitusajankohta. Tämä onkin ainoa tieto jonka perusteella mittaus voidaan identifioida. Siksi on välttämätöntä, että päivän aikana tehtävistä mittauksista pidetään pöytäkirjaa. Siihen merkataan mittauskohde sekä laitteen näytössä näkyvä aloitushetken kellonaika (sekä päivämäärä). Kun dataa myöhemmin käsitellään, pöytäkirjan avulla kukin mittaustapahtuma, spektri tai tavallinen säteilymittaus, voidaan identifioida. Stabilointi on syytä tehdä mahdollisimman usein jos on tarkoitus vertailla spektrejä toisiinsa tai tutkia spektrejä muutenkin kuin nuklidin tunnistamistarkoituksessa. Samoin mittausajan on oltava riittävän pitkä jotta korkeillakin energioilla pulsseja tulisi riittävästi ja kohina häiritsisi mahdollisimman vähän.

146 139 8 ESIMERKKEJÄ GR-130:LLÄ MITATUISTA SPEKTREISTÄ 8.1 Taustasäteily Taustasäteily häiritsee aina mittausta, koska se synnyttää spektriin omat piikkinsä tai ainakin nostaa sen tasoa. Taustasäteilystä ei käytännössä milloinkaan pääse täysin eroon. Taustasäteily on syytä selvittää aina näytteiden mittaamisten yhteydessä vähintään kerran päivässä ja tallentaa se tiedostoon muun datan mukana. Hyvä tapa on mitata taustaspektri tai totaalikenttämittauksessa taustan taso ensimmäiseksi ennen mittausten aloittamista sekä viimeiseksi. Jos mittauksen jatkuvat koko päivän, on paikallaan mitata tausta muulloinkin erikoisesti jos sen tasossa todetaan muutoksia. Kuvassa 84 esitetään kolme esimerkkiä tyypillisistä taustaspektreistä. Ylimpänä vihreänä on tavallinen rakennuksessa tai maastossa mitattu spektri, jossa erikoisesti 40 K:n piikki näkyy ja sen sironta synnyttää matalia energioita kohti nousevan Comptonin kontinuumin. Keskimmäisenä sinisellä on samassa paikassa olevassa 10 mm lyijyvuorauksella varustetussa laatikossa mitattu spektri. Matalien energioiden kohdalla se poikkeaa edellisestä. Tämä on tulkittavissa siten, että korkeaenergiaiset kaliumin pulssit läpäisevät lyijysuojauksen, mutta <500 kev alueella vain 10 % kvanteista pääsee suojauksen sisään mitattavaksi. Toisena piirteenä on n. 100 kev:n kohdalla lyijyn takaisinsirontapiikki. Se syntyy lyijyvuorauksesta takaisin ilmaisimeen sironneista pulsseista Taustaspektrejä Toimistorakennus Lyijylaatikko Järven jää 10 2 Pulssia minuutissa/kanava Energia (MeV) Kuva 84. Erilaisia taustaspektrejä.

147 140 Kolmanneksi punaisella on esitetty käytännön olosuhteissa vähiten säteilevässä ympäristössä eli järven jäällä 500 m etäisyydellä rannasta mitattu spektri. Kaliumin piikkiä ei näy mutta korkeiden energioiden piikki on voimakas. Spektrin taso nousee tässäkin tapauksissa matalia energioita kohti, mutta spektrin taso on runsaan dekadin verran edellistä alempana. Jos heikosti säteilevän näytteen spektri mitataan huonetiloissa, saattaa olla tarpeellista vähentää taustan vaikutus. Se on kuitenkin vaikeaa, koska eri mittauskerroilla esim. kaliumin piikki mitataan eri kanavilla eikä kanavalukemien vähentäminen toisistaan suoraan anna oikeaa tulosta. Sen sijaan syntyy valeanomalioita, joiden tunnistamisessa saattaa auttaa tieto, että ne tyypillisesti ovat maksimi-minimityyppisiä. On turvallisinta piirtää näytteen spektri samaan kuvaan taustan kanssa ja tarkastella kombinaatiota visuaalisesti. Jos on mahdollista mitata näytteitä säteilyltä suojatussa tilassa tai järvellä, taustan vaikutus spektrin muotoon on niin pieni, ettei minkäänlainen taustan poistamisoperaatio yleensä ole tarpeellinen. 8.2 Cesium 137 Kuvassa 85 esitetään spektrometrin stabiloimiseen käytettävän 137 Cs-näytteen gammaspektri. 137 Cs on voimakas monoenerginen gammasäteilijä, jonka valopiikki on energialla MeV. Puoliintumisaika on vuotta, mistä syystä pitkän ajan kuluessa tehtyjä mittauksia toisiinsa verrattaessa saattaa olla tarpeellista huomata, että säteilylähteen intensiteetti laskee kuukaudessa 0.1 %. Kuvassa on kaksi spektriä, joista punainen (alempi) on mitattu järven jäällä puolen kilometrin päässä rannasta ja sininen (ylempi) GTK:n Rovaniemen toimistolla huoneessa 325. Suurimpana erona spektrien välillä on numerolla 5 merkitty 40 K:n piikki. Se puuttuu kokonaan järvimittauksesta, koska rannoilta tuleva kaliumsäteily vaimenee mittaamiskyvyn alapuolelle. Sisätiloissa ja muuallakin maan päällä spektriä häiritsee kaliumin piikki. Kuten aikaisemmin on mainittu, lähes kaikessa rakennus- ja maamateriaalissa on kaliumia. Piikin poistamiseksi mittaukset olisi tehtävä lyijyllä vuoratussa laboratoriotilassa. Tällöinkin on huomattava, että lyijyn takaisinsirontapiikki 250 kev:n kohdalla kehittyy voimakkaaksi eikä sitä voi välttää. Mittauslaitteesta tapahtuva takaisinsironta näkyy myös kuvan spektreissä merkattuna numerolla 2. Numero 1 on bariumin ( 137 Cs hajoaa 137 Ba:ksi) röntgensädepiikki. 137 Cs:n valopiikki energialla 0.66 MeV näkyy erittäin selvästi pari dekadia ympäristöään vahvempana. Comptonin reuna on se spektrin paikka, johon sijoittuvat 180 o sironneet gammapulssit. Se on n. 210 kev täyden valopiikin alapuolella. Numerolla 6 on ilmoitettu ne korkeaenergiset pulssit, joiden energia on >1.5 MeV. Näissä on mukana hajasäteilyä sekä myös avaruussäteilystä peräisin olevia gammakvantteja.

148 bariumin K-sarjan röngensädepiikki 2 takaisinsirontapiikki 3 Comptonin reuna Cs:n energialla 0.66 MeV 5 40 K:n piikki energialla 1.46 MeV 6 kosminen säteily, energia > 1.5 MeV 3 Pulssia minuutissa/kanava Kanava Kuva Cs:n spektrejä. 8.3 Amerikium 241 Kuvassa 86 esitetään 241 Am:n spektri. Amerikiumia käytetään mm. palovaroittimissa. Palovaroittimen toiminta perustuu amerikiumin lähettämään alfasäteilyyn. Alfapartikkelit ionisoivat ilman happi- ja typpiatomeita. Ionien välittämä sähkövirta kulkee laitteeseen rakennettujen elektrodien välillä, mutta savuhiukkaset, jotka absorboivat tehokkaasti alfahiukkasia, estävät ionien muodostumisen ja katkaisevat sähkövirran. Amerikium-241:n puoliintumisaika on 432 vuotta ja hajotessaan se lähettää alfasäteilyn lisäksi myös gammasäteilyä. Tämän säteilyn energia on hyvin matala. Pääpiikki (1) esiintyy energialla 59 kev, minkä lisäksi spektrissä on joukko röntgensädepiikkejä välillä kev. Tässä mittauksessa 100 kev:n alapuolella näkyy kolme piikkiä. Niistä mikään ei osu 59 kev:n kohdalle. Tämä tarkoittaa, ettei GR-130-laitetta voi kaikissa tapauksissa käyttää kovin tarkkaan mittaukseen vaan lähinnä kvalitatiiviseen tarkasteluun.

149 Am:n piikki + röntgenpiikit Cs:n piikki energialla 0.66 MeV Tl:n piikki energialla 0.91 MeV Bi:n piikki energialla 1.12 MeV 5 40 K:n piikki energialla 1.46 MeV 6 kosminen säteily, energia > 1.5 MeV Pulssia minuutissa/kanava Kanava Kuva Am:n spektrejä. Spektrin korkeaenergiaisessa päässä näkyy 40 K:n voimakas piikki (5) sekä 1.5 MeV:tä korkeampienergiaisten pulssien piikki (6). 2 on 137 Cs:n jälki. Näyte on ollut samassa huoneessa mittausaikana. Vaikka se on ollut 5 cm paksun lyijysuojan takana, se erottuu selvästi spektrissä. 3 on toriumin hajoamissarjaan kuuluvan 208 Tl:iin ja 4 uraanin hajoamissarjaan kuuluvan 214 Bi:iin piikki energioilla 908 ja 1120 kev. 8.4 Torium-malmi Toriumia sisältävä kivi antaa kuvan 87 mukaisen monimutkaisen spektrin. Alemmassa kuvassa identifioidaan toriumin hajoamissarjaan kuuluvat piikit.

150 Pulssia minuutissa/kanava Kanava Kuva 87. Torium-malmin gammaspektri. Yläkuva mitattu GR-130:lla; alakuva laboratorioolosuhteissa NaI-ilmaisimella ( Kuvista ylempi on mitattu GR-130:llä ja alempi on laboratorio-olosuhteissa NaI-detektorilla mitattu spektri. Kahta kuvaa vertaamalla saadaan käsitys GR-130:n toiminnan oikeellisuudesta. On huomattava, että kahden kuvan kanavalukemat eivät ole vertailukelpoisia laboratoriolaitteessa on 250 kanavaa silloin kun GR-130:ssä on 200. Kuvista nähdään, että GR-130:n toiminta on erinomaista kevyeksi kenttälaitteeksi.

151 Uraanimalmi 10 5 JAL-83-L21 JAL-83-L61 JAL-83-L88 MIK-82-L71 Sivakkaharju 10 4 Pulssia minuutissa/kanava Kanava Kuva 88. Uraanimalmien spektrejä. Uraanimalmin spektri on monimutkaisin tässä esitettävistä spektreistä. Kuten aikaisemmin on mainittu, spektri koostuu käytännössä kokonaan 214 Bi:n sadoista gammapulsseista. Kuvassa 88 esitetään viisi voimakkaasti säteilevistä näytteistä mitattua spektriä. Vaikka mittaukset on tehty toimistohuoneessa ilman mitään suojausta, 40 K:n piikki kanavan 120 tienoilla ei erotu muusta taustasta. Spektrit muistuttavat keskialueella huomattavasti toisiaan, mutta matalilla ja korkeilla energioilla on erojakin. Tärkein piikki, josta ekvivalenttisen uraanin määrä näytteessä lasketaan, on kanavan 135 ympärillä energian ollessa 1760 kev. Toinen merkittävä piikki, josta spektrin

152 145 helposti tunnistaa uraanin spektriksi, on kanavan 50 tienoilla. Tämä vastaa 214 Bi:n pulssia energialla 609 kev. Jos näytteessä on mukana sekä uraania että toriumia, spektri on sekava. Sen ulkonäkö riippuu myös näiden nuklidien keskinäisestä suhteellisesta osuudesta. Kuvassa 89 on mukana myös kaliumin piikki Bi 208Tl 40K Pulssia minuutissa/kanava Energia (MeV) 3 Kuva 89. Spektrissä kaliumin, uraanin ja toriumin piikit. Kirjallisuusluettelo Aarkrog, A Source terms and inventories of anthropogenic radionuclides. Report No. DK Roskilde, Denmark : Riso National Laboratory. Aarkrog, A Source terms and inventories of anthropogenic radionuclides. Roskilde, Denmark. Riso National Laboratory. Adams, J. A. and Gasparini, P Gamma-ray spectrometry of rocks. Amsterdam : Elsevier. 295 s. Anonymous GR-130 minispec User Manual. EXPLORANIUM Radiation Detection Systems, 80 s.

153 146 Durrance, E. M Radioactivity in geology: principles and applications. Chichester : Ellis Horwood. 441 s. Eisenbud, M Environmental Radioactivity From Natural, Industrial, and Military Sources. New York: Academic Press. Gilmore, G. and Hemingway, J Practical gamma-ray spectrometry. Bath : John Wiley & Sons. 314 ss Killeen, P. G Borehole logging for uranium by measurement of natural gamma radiation - a review; International Journal of Applied Radiation and Isotopes, Vol. 34, No. 1, Kogan, R. M., Nazarov, I. M. and Fridman, Sh. D Gamma spectrometry of natural environments and formations. Jerusalem : Israel Program for Scientific Translations. 337 s. Krane, K.S Introductory nuclear physics. New York : John Wiley & Sons. 845 s. Leino, M. ja Äystö, J Ytimeen! Tiede 2000, Vol. 14, No. 2,, NCRP 1984 Exposures From the Uranium Series With Emphasis on Radon and its Daughters. Report No. 77. Bethesda, MD: National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP). NCRP 1987 Exposure of the Population in the United States and Canada from Natural Background Radiation. Report No. 94. Bethesda, MD: NCRP. NCRP 1988 Measurements of Radon and Radon Daughters in Air. Report No. 97. Bethesda, MD: NCRP. NRC Background as a Residual Radioactive Criteria for Decommissioning (Draft Report). NUREG/1501. U.S. Nuclear Regulatory Commission. Peltoniemi, M Maa- ja kallioperän geofysikaaliset tutkimusmenetelmät. Otakustantamo, Hämeenlinna. 411 s Riordan, M The hunting of the quark. New York: Simon & Schuster. 399 s. Segrè, E Nuclei and particles. Reading: The Benjamin Cummings Publishing Company. 966 s. Serra, O Fundamentals of well-log interpretation, 1. The acquisition of logging data. Amsterdam: Elsevier, Developments in petroleum science 15A, 423 s. Sherwood, M. ja Sutton, C Fysiikan lait. Tieteen maailma 14, Kööpenhamina: Bonniers Bøger, 124 s. Sutton, C The particle connection. New York: Simon and Schuster. 175 s.

154 147 Sverjensky, D. A., Hemley, J. J. and D'Angelo, W. M Thermodynamic assessment of hydrothermal alkali feldspar mica-aluminosilicate equilibria. Geochim. Cosmochim. Acta, 55, Säteily- ja ydinturvallisuus kirjasarja STUK. Toivonen, H., Rytömaa, T. Vuorinen, A Säteily ja turvallisuus. Helsinki: Säteilyturvakeskus ja Valtion painatuskeskus. 640 s. Turunen, P., Vanhanen, E., Rossi, S. ja Sutinen, R Luonnon gammaspektrometrian käyttö geologisessa tutkimuksessa ja malminetsinnässä. GTK, arkistoraportti C/Q25/2000/ s. UNSCEAR 1982 United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR). Ionizing Radiation: Sources and Biological Effects. New York: United Nations Publication. UNSCEAR 1993 Sources and Effects of Ionizing Radiation. New York: United Nations Publication. Watkins, P Story of the W and Z. Cambridge: University Press, Cambridge, 240 s. Zee, A Fearful symmetry. New York: Macmillan. 322 s.

155 Liite 1 Virheilmoitukset #1 SLAVE ERROR SWITCH OFF Koneen virhe. Ilmoitus viittaa vakavaan sisäiseen dataprosessorin virheeseen. Toimintaa on mahdotonta jatkaa. Virheen korjaamiseksi on otettava yhteys valmistajaan. #2 MEMORY ERROR Muistivirhe. Datamuistin testaus epäonnistui. Muisti epästabiili ja jatko mahdoton. #3 NO SURVEY COUNTS Ei mittauspulsseja. Ilmoituksella tarkoitetaan, että pulssilukema on minimin alapuolella. Virhe on tilapäinen ja poistuu jos seuraava mittaus on kunnossa. #4 GAIN ERROR SYSTEM UNUSABLE CONSULT MANUAL Vahvistusvirhe järjestelmä käyttökelvoton hae ohjeita käsikirjasta. Virhe ei välttämättä ole fataalinen, koska se voi tarkoittaa, että väärää isotooppia on käytetty systeemin stabilointiin. Tarkista että stabilointinäyte on kunnossa ja toista stabilointi. Jos virhe esiintyy stabiloinnin aikana, stabilointinäyte on kunnossa ja stabilointi on tehty oikein, ilmoitus tarkoittaa, ettei automaattinen järjestelmän virityskorjaus ole mahdollinen. Tavallisesti tämä viittaa ilmaisinongelmiin. Mittauslaite on täysin käyttökelvoton ANALYSIS- tai SURVEY-moodeissa, koska kalibrointi ei onnistu. Laitetta saattaa kuitenkin olla mahdollista käyttää lyhyen aikaa SURVEY-moodissa missä kalibrointi ei ole olennainen. Laite on toimitettava huoltoon mahdollisimman pian. #40 - #255 REMOTE only Kirjaston latausmoodi. Tämä sisältää sarjan ilmoituksia mutta vain jos systeemi on REMOTE-moodissa. Näyttöilmoitukset SERIAL # - Sarjanumero. Näyttää laitteen sarjanumeron käynnistyksen yhteydessä. Version (3V03) Versionumero. Ohjelmiston versionumero, näkyy käynnistyksen yhteydessä. STABILIZATION in PROGRESS Stabilointi meneillään. Ilmoitus tarkoittaa, että stabilointi on käynnissä. Stabiloinnin tarkoituksena on tutkia laitteen oikea toiminta ja asettaa systeemin viritys optimaaliseen tilaan. REMOVE Cs SOURCE Poista Cs-näyte. Stabilointi on suoritettu ja Cs-näyte voidaan poistaa ja viedä se riittävän kauas häiritsemästä mittauksia. CANNOT FIND Cs-137 Cs-137:n piikkiä ei löydy. Stabilointiprosessi ei löydä 137 Cs:n piikkiä energian 0.66 MeV läheisyydestä. Tähän voi olla väärän näytteen käyttäminen, stabilointi ilman näytettä, liian pitkä matka näytteen ja laitteen välillä, jne. Tarkista, että stabilointi on tehty sivuilla ilmoitetulla tavalla. STABILIZATION WAS INTERRUPTED Stabilointi keskeytyi. Stabilointi on keskeytetty ohjausnapista. Toiminto on käynnistettävä uudestaan päämenusta. PRESS BUTTON DOWN Paina nappia alas. Ohjausnappia on painallettava lyhyesti kahvassa ilmoitettuun ON-suuntaan eli klikattava alas.

156 LONG PRESS DOWN TO CONTINUE Paina pitkään alas jatkaaksesi. Nappia on painettava alas pitkään (~1 sekunti), jolloin ohjelma siirtyy seuraavaan näyttöön. UP TO CONTINUE Jatketaan painamalla ylös. Painamalla nappia lyhyesti ylös voidaan estää seuraavaa toimintoa aktivoitumasta. CONTROL IS CHANGED TO THE REMOTE MODE Kontrolli siirtyy kirjaston latausmoodiin. RS-232-portin kautta laitteeseen yhteydessä oleva tietokone on ottanut kontrollin ja antaa käskyjä laitteelle. REMOTE CONTROL ALREADY ACTIVE Ulkoinen kontrolli jo aktiivinen. Ulkoisen tietokoneen antama toiminto tarpeeton, koska systeemi on jo REMOTE-moodissa. LOAD DEFAULTS PUSH DOWN TO LOAD or UP TO LEAVE Ladataan oletusarvot paina alas ladataksesi tai ylös jättääksesi lataamatta. Alaspainettaessa tehtaalla asetetut oletusarvot ladataan koneeseen ja ylöspainettaessa ne jätetään ennalleen. Ylläpitomenussa on osio joka sallii ladattavan alkuperäiset arvot. Tätä toimintoa käytetään jos laitteessa on datamuistiongelmia, koska se tyhjentää systeemi-ramin. DEFAULT PARAMETERS HAVE BEEN LOADED/USER MUST RESET PARAMETERS Oletusarvoiset parametrit ladattu/käyttäjän on asetettava parametrit uudelleen. Oletusparametrit on ladattu ja käyttäjää huomautetaan, että kaikki aikaisemmin asetetut erityisparametrit on valittava uudelleen, koska niille on asetettu uudet arvot. STAB TIMEOUT exceeded STABILIZATION is recommended Stabiloinnin voimassaoloaika ylitetty stabilointia suositellaan. Kun stabilointi tehdään, 60 minuutin laskuri käynnistyy. Jos ANALYSIS- tai DOSE METER-moodit asetetaan päälle yli 60 minuutin kuluttua, tulostuu tämä ilmoitus. Stabilointi on tehtävä jotta mitattava data on kunnollista. WAIT FOR NEXT START at Odotetaan seuraavaa mittausta. Kun datan tallennus muistiin on valittu SETUP-ANALYSIS-moodissa, käyttäjän on valittava näytteenoton aikaväli. Tämä ilmoitus näytetään jos GR-130 odottaa mittausajan loppumista ennen seuraavan mittauksen alkamista. Siten jos tehdään yhden minuutin mittaus viiden minuutin välein, mittauksen päätyttyä tämä ilmoitus näkyy näytössä neljän minuutin odotusvälin ajan kunnes seuraavan mittauksen on määrä alkaa. LOW BATTERY Paristo tyhjä. Paristot on ladattava tai vaihdettava. Tämän ilmoituksen jälkeen ei ole suositeltavaa jatkaa mittausta, koska systeemi katkaisee virran automaattisesti patterin tason laskettua tietyn rajan alapuolelle. OVERLOAD Ylikuorma. Ilmoitus tarkoittaa, että GR-130:n signaalinkäsittelykyvyt on ylitetty. Joissakin tapauksessa operaatio keskeytyy ja muissa tapauksissa ylikuorman aikana kerätty data on laadultaan kyseenalaista eikä välttämättä käyttökelpoista. OVF Ylivuoto. ANALYSIS-moodissa ilmoitus tarkoittaa, että spektridatan keräysaikana yhdessä tai useammassa kanavassa on tapahtunut ylivuoto. Maksimipulssilukema kullakin kanavalla on pulssia sekunnissa, ja jos tämä ylitetään, varoitusilmoitus OVF ilmestyy. Kyseisten kanavien amplitudi jäädytetään maksimitasolle. Vain ylivuotaneet kanavat ovat ongelmallisia ja muu osa spektristä on käyttökelpoista. SURVEY-moodissa ilmoitus tarkoittaa, että graafin piirtämistä varten asetettu yläraja on ylitetty.

157 OVLD Ylikuorma annosmittauksessa. Totaaliannosmittauksen yksiköiden päällä näkyvä ilmoitus tarkoittaa, että jonakin hetkenä DOSE-moodiin siirtymisen jälkeen annosnopeus joutui ylivuototilaan. Tämä tarkoittaa, ettei kokonaisannoslukeman tarkkuuteen ole luottamista. MF Muisti täynnä.

158 Liite 2 GR-130:n menut 1 MAIN MENU SURVEY => 2 STABILIZATION => 3 ANALYSIS => 7 DOSE METER => 14 DATA MEMORY => 15 SET UP => 25 MAINTENANCE => 32 2 SURVEY Kokonaissäteilyn mittaus => 1 3 STABILIZATION Spektrimittauksen stabilointi => 4 4 STAB PUT CS SOURCE TO THE HEAD OF THE GR-130 LONG PRESS DOWN TO CONTINUE OR UP TO EXIT => 5 5 STAB STABILIZATION IN PROGRESS TIMEOUT 22 S LONG PRESS DOWN TO CONTINUE OR UP TO EXIT => 6

159 6 STAB STABILIZATION OK PEAK 55.0 CH FWHM 6.9 % GAIN 166 REMOVE CS SOURCE LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => 1 7 ANALYSIS SPEKTRIN MITTAUS => 8 8 ANALYSIS 1 STORE SPECTRUM => 9 START MEAS => 7 SEE SPECTRUM => 10 PEAK ANALYSYS => 11 NUCLIDE IDENT => 12 OUTPUT SPECTRUM => 13 MAIN MENU => 1 9 SPECTRUM -> MEM SPECTRUM # 1 STORED IN MEMORY AVAILABLE SPACE FOR 121 SPECTRA LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => 8 10 ANALYSIS NÄYTETÄÄN VIIMEISIN MITTAUS => 8

160 11 PEAKS LISTATAAN PIIKKIEN ENERGIAT, LEVEYDET JA PINTA-ALAT => 8 12 NUCL IDENT LISTATAAN TUNNISTETUT JA TUNNISTAMATTOMAT NUKLIDIT LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => 8 13 SPECTRUM -> PC PRESS BUTTON UP TO START DATA TRANSFER DATAN SIIRTO PC:LLE => 8 14 DOSE METER ANNOSMITTAUS => 1 15 DATA MEMORY STATUS => 16 DUMP => 17 ERASE => 19 SPEC SCAN => 21 MAIN MENU => 1

161 16 DATA MEMORY STORED SAMPLES 9 SPECTRA 7 SPACE AVAILABLE SAMPLES OR SPECTRA 115 LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => DATA MEMORY TO DUMP MEMORY PUSH BUTTON DOWN => 18 TO CANCEL PUSH BUTTON UP => DATA MEMORY TRANSFERRING SIIRRETÄÄN DATA PC:LLE => DATA MEMORY TO ERASE MEMORY PUSH DOWN THREE TIMES! TO CANCEL PUSH BUTTON UP CLEAR CLEAR CLEAR => DATA MEMORY STORED MEMORY IS EMPTY SPACE AVAILABLE SAMPLES OR SPECTRA 122 LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => 15

162 21 DATA MEMORY SPECTRUM # 1 04/09/21 09:39:36 => ANALYSIS Näytetään valittu spektri => ANALYSIS M SPEC SCAN => 24 START MEAS => 7 SEE SPECTRUM => 22 PEAK ANALYSYS => 11 NUCLIDE IDENT => 12 MAIN MENU => 1 24 ANALYSIS M 04/09/21 09:39:36 => SET UP SURVEY => 26 ANALYSIS => 27 ROI'S => 28 DOSE METER => 29 CAL/CLOCK => 30 BATTERY => 31 MAIN MENU => 1

163 26 SET UP 1 OUTPUT TO SAMPLE TIME CHART RANGE AUDIO METER MEM/PC/OFF 1 60 S AUTO/100-50K ON/50-250/OFF (ALARM LEVEL /OFF) => 1 27 SET UP 2 DISP MODE MEAS TIME MEAS MODE RANGE AUDIO SAMPLING 128/256 CH S LIVE/CLOCK 1.5/3.0 MEV ON/OFF SINGLE/REP-MEM (REP.TIME 120 MIN) => 1 28 SET UP 4 #1 FROM: 50 CH TO: 60 CH #2 FROM: 89 CH TO: 100 CH #3 FROM: 102 CH TO: 113 CH => 1 29 SET UP 3 OUTPUT TO MEAS UNIT AVERAGE AVER. TIME MEM/PC/OFF SV/R/GY ON/OFF 3/5/10 S CORRECTION % ALARM LEVEL /OFF => 1

164 30 CAL/CLOCK DD-MM-YY HH:MM:SS 10:30:10 => 1 31 SET UP 5 BATTERY TYPE NICD/ALKALINE => 1 32 MAINTENANCE LIBRARY => 33 NICD COND => 34 REMOTE => 35 DEFAULT => 36 MAIN MENU => 1 33 MAINTENANCE DEFAULT CS-137 CO- 60 IR-192 AM-241 RA-226 TH-232 K-40 LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => NICD DISCHARGING 2.6 V => 32

165 35 REMOTE WAITING FOR PC RESPONSE TO CANCEL PUSH BUTTON UP => 1 36 MAINTENANCE DEFAULT LOADED PUSH BUTTON DOWN THREE TIMES! LOAD LOAD LOAD => 37 TO CANCEL PUSH BUTTON UP => 1 37 MAINTENANCE DEFAULTS HAVE BEEN LOADED USER MUST RESET PARAMETERS TO SUIT THE APPLICATION LONG PRESS DOWN TO CONTINUE => 1