Gama Işın Spektrometrelerinin Kalibrasyonu

Transkript

1 Gama Işın Spektrometrelerinin Kalibrasyonu -Gama ışın spektrometrelerin kalibrasyonunda amaç, ölçülen ışıma değerlerinin gamma ışını salgılayan kaynağın içerdiği potasyum, uranyum ve toryum konsantrasyonlarına dönüştürülebilmesi için gerekli katsayıların bulunmasını sağlamaktır. -Spektrometrik pencerelerdeki ışıma sayıları, önce yer dışı kaynaklardan gelen radyasyonun ölçümlere etkisinin yok edilmesi, yani çevre donanım, kozmik ışın ve radon düzeltmelerine tabi tutulması gerekmektedir. - Yer dışı radyasyon etkisinden arındırılan pencere değerleri, daha sonra üç grup halindeki kalibrasyon katsayıları ile işleme tabi tutulurlar. 1

2 - Bu üç grup halindeki kalibrasyon katsayıları bazı özel ortamlarda özel spektrometrik ölçmeler ve hesaplamalar sonucu elde edilirler. Bu üç grup kalibrasyon katsayıları şunlardır: 1) Gamma ışın spekrometrisi pencere değerlerindeki Compton olayı nedenli radyasyonun etkisinin giderilmesini sağlayacak sıyırma (stripping) katsayıları, 2) Kaynağa olan uzaklığın artmasıyla spektrometrenin algılayısısına ulaşan gamma ışını azalır. Radyasyonun uzaklıkla azalma miktarının belirlenmesine yarayan her bir pencere için uzaklık sönüm katsayıları (height attenuation coefficient), 3) Tüm düzeltme işlemelrinden sonra elde edilen pencere değerlerinin radyoaktif element konsantrasyonuna dönüştürülmesinde kullanılan spektrometre duyarlılık oranları (spectrometer sensitivities= system sensitivities). 2

3 Kalibrasyon blokları (pad) Sıyırma (stripping) katsayılarının bulunabilmesi için üzerinde ölçü alınan kum, çakıl, çimento ve radyoaktif element karışımı ile hazılanan beton bloklara kalibrasyon blokları veya kalibrasyon pad leri denir. Bu blokların yapımında kullanılan kum, çakıl ve çimentodan oluşan malzemelerin radyoaktif element içeriğinin düşük olması gerektiğinden, malzeme seçiminde oldukça titiz olunmalıdır. Kalibrasyon blokları en fazla 5, genellikle 4 bloktan oluşur. Birinci blok Boş Blok (eşik değer bloğu, background pad) olarak adlandırılır ve radyoaktif element konsantrasyonları bakımından çok düşüktür. İkinci bloğa Potasyum Bloğu adı verilir ve potasyum konsantrasyonu genellikle %6-8 arasındadır. 3

4 İdeal bir potasyum bloğunun potasyum konsantrasyonu %8, diğer elementlerin konsantrasyonları sıfır olmalıdır. Üçüncü blok Uranyum bloğu olup uranyum konsantrasyonun ppm arasında, diğer elementlerin konsantrasyonları ise yine sıfır olması beklenir. Uranyum bloğunun ideal uranyum konsantrasyonu 20 ppm dir. Dördüncü blok Toryum Bloğu olup toryum konsantrasyonu genellikle ppm arasında, ideal olarak 40 ppm ve diğer elementlerin ki sıfır civarındadır. Çünkü blokların yapımında kullanılan kum,çakıl ve çimentonun az da olsa radyoaktif element içermesi olağandır. Kalibrasyon bloklarının içindeki radyoaktif elementlerin dağılımı düzgün olmalı ve blokların boyutları her yönde sonsuza uzanan kaynak etkisi gösterecek büyüklükte olmalıdır. 4

5 Blokların kalınlığı ise blokların altından gelen radyasyonu önleyecek oranda olmalıdır. Bir başka deyişle, sonsuz derine uzanan kaynak etkisi gösterecek kalınlıkta olmalıdır. Kalibrasyon blokların kalınlık hesaplamaları için Grasty (1987) tarafından verilen eşitlik, kalınlık ile sonsuz kaynak yüzdesi arasındaki ilişkiyi açıkça ortaya koymaktadır. Sonsuz kaynak yüzdesi, P, 5

6 Buna göre hesaplanan kaynak kalınlığı ve sonsuz kaynak yüzdesi aşağıdaki çizelgede verilmektedir. 6

7 Kalibrasyon bloklarının boyutları yerden etütlerde kullanılacak portatif gamma ışını spektrometreleri için daha küçüktür. Havadan yapılacak etütler için yapılan kalibrasyon bloklarının boyutları daha büyüktür. Eni ve boyu 1 metre olan ve aynı elementi içeren portatif kalibrasyon bloklarından 64 tanesini bir araya getirerek havadan etütlerde yararlanabilecek bir kalibrasyon bloğu meydana getirilebilir. Kalibrasyon blokları radyoaktif element konsantrasyonu düşük olan sahalar üzerine inşa edilmelidir. 7

8 Aşağıdaki çizelgede MTA nın Ankara-Etimesgut da inşaa ettiği kalibrasyon bloklarının radyoaktif element konsantrasyonlarını göstermektedir. 8

9 Kalibrasyon ölçmelerinde ölü zaman ve ışın bindirmesi olayı düzeltmeleri Tüm gamma ışın spektrometresi ölçmelerinde, herhangi bir penceredeki ölçüm değeri yani ışıma sayısı, belli bir zaman aralığında algılanan gamma ışını sayısını ifade eder. Eğer bir spektrometrenin bir gamma ışını gelmiş ve meydana getirdiği ışıma PMT ile yükseltilip sinyal analizcisinden de geçiyor ve kaydediliyorsa, spektrometre bu esnada bir başka gamma ışınına karşı duyarsız kalabilmektedir. Sinyal analizcinin işlemde olduğu an gelen gamma ışınlarının meydana getirecekleri sinyalleri analizciye gelmeden sönümlenirler. Bir spektrometreye gelen gamma ışınının elektrik sinyaline dönüşüp analizciden geçerek ilgili pencerede sayılmasına kadar yani kaydedilmesine kadar geçen zamana Ölü zaman denir. Spektrometrenin bu ölü zamanı süresince sağır olduğunu ve gelen gerçek gamma ışınının sayısını göstermediğini söylemek mümkündür. Bu olay daha çok büyük hacimli kristale sahip spektrometrelerle kalibrasyon blokları üzerinde alınan ölçümlerde görülür ve bu ölçümler sonucu bulunacak sıyırma katsayılarının hatalı olarak hesaplanmasına neden olur. 9

10 Bu hatanın giderilmesi için kalibrasyon bloklarındaki ölçümlere ölü zaman düzeltmesi uygulanır. Spektrometre kristallerinin genellikle 4 tanesinin bir araya konması ile kristal paketleri oluşturulur. Kalibrasyon blokları üzerinde birinci paketin TC (toplam pencere)penceresindeki ışıma sayısı T1, ikinci paketin TC (toplam pencere) penceresindeki ışıma sayısı T2 ve her iki paketin aynı anda ölçüm yapması halinde TC (toplam pencere) penceresindeki ışıma sayısı Tt ise ölü zaman t t=(2t-tt)/(ttt) bağıntısı ile bulunur. 10

11 Her pencereye uygulanacak ölü zaman düzeltmesi t belirlenir. N ölü zaman düzeltmesi uygulanmış değeri, N=Nr/(1-t.Nr) eşitliğinden hesaplanır. Nr= ilgili penceredeki ölçülen ışıma sayısı t= ölü zaman değeri. 11

12 Sıyırma katsayılarının (stripping coefficients) heaplanması Yüksek enerjili gamma ışınları, yayınımları esnasında yolları üzerinde bulunan çeşitli parçacıklarla çarpışmaları sonucu enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Enerji düzeyleri düşen gamma ışınları, spektrometrenin düzük enerji düzeyli pencerelerinde kendilerini gösterirler, yani ışıma meydan getirirler. Bu olay Compton olayıdır. Uranyum veya toryum pencerelerinde ölçülen ışıma sayıları sadece uranyum veya toryum elementlerinden ileri gelen ışımaları değil, aynı zamanda bir miktarda toryum elementinden salgılanan gamma ışını sayısını içeriyor olacaktır. 12

13 Spektrometre pencerelerinin sadece kendi adını taşıyan ilgili radyoaktif elementten gelen ışıma sayısının miktarını bulmak için sıyırma katsayılarının hesaplanmasına gereksinim duyulmaktadır. Sıyırma katsayılarının hesabında, boş blok üzerindeki pencere ortalamalarının diğer bloklar üzerinde kendi karşılığı olan pencere ortalamalarından çıkartılması ile bulunan değerler kullanılır. Yine sıyırma katsayıları hesabında, boş bloğun K, U ve Th konsantrasyon değerleri diğer bloklardaki K, U ve Th konsantrasyon değerlerinden çıkartılmak suretiyle bulunan değerler kullanılır. 13

14 Uzaklık sönüm katsayısı Bir kaynak tarafından salgılanan ve spekrometrenin algılayıcısına doğru yol alan gamma ışınları, içinden geçtikleri ortam tarafından sönüme uğratılırlar. Sönümün şiddeti, ışınların geçtiği ortamın özgül ağırlığına ve büyüklüğüne bağlıdır. Havadan gamma ışın spektrometri etütlerinde algılayıcı ile yer arasında hava kütlesi olduğundan, kütle büyüklüğünün ölçüsü hava aracının uçuş yüksekliği olacaktır. Spektrometre alıcısı ile yer arasındaki kütle büyüklüğü arttıkça, bir başka deyişle uçuş yüksekliği arttıkça yerden gelen gamma ışınları daha fazla sönüme uğrayacak, yani spektrometre algılayıcısına daha az ışın ulaşacaktır. 14

15 Yerden spektrometrik etütlerde, spektrometre aleti yerden sabit bir yükseklikte (yaklaşık cm) tutularak ölçümler yapıldığından sönüm katsayısı hesaplamalarına ve düzeltmelerine gerek yoktur. Işıma sayısı ise radyoaktif element konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Uçuş yüksekliğinin artması ile spektrometrede daha az ışıma meydana geleceğinden sanki yerin radyoaktif element konsantrasyonu daha düşükmüş gibi yanlış bir sonuca varılabilecektir. Diğer taraftan, etüt esnasında hava aracının yerden yüksekliği yani uçuş yüksekliği tüm uçuş hattı boyunca sabit olmamaktadır. Hava aracı arazinin bazı kesimlerinde yere daha yakın uçabilmektedir. 15

16 Radyasyon kaynağı ile spektrometre algılayıcısı arasındaki uzaklık azaldığından, algılayıcıya daha çok ışın ulaşabilecek, bu da kaynaktaki radyoaktif element konsantrasyonunun daha yüksek çıkmasına yani yanlış değerlendirme yapılmasına neden olabilecektir. Bu nedenle havadan gamma ışın spektrometresi ölçmeleri, bir başka jeofizik yöntem olan gravimetrik yöntemde olduğu gibi belli bir yüksekliğe indirgenir. İndirgemenin yapılabilmesi için de, her şeyden önce gamma ışınlarının enerjilerine bağlı olarak uzaklıkla sönüm katsayılarının ve yüksekliğinin bilinmesi gerekir. 16

17 Her pencerenin, yani her radyoaktif elementten salgılanan gamma ışınlarının uzaklıkla sönüm katsayısını bulmak için Dinamik Test Sahası denilen bir arazi üzerinde çeşitli seviyelerden bir dizi uçuşlar yaparak spektrometrik ölçüler almak gerekir. Dinamik test sahası, bir deniz veya göl kenarında, düz ve rasyoaktif element konsantrasyonu dağılımı düzgün olan bir arazi parçasıdır. Göl veya herhangi bir su kütlesinin uzunluğu 1-3 dakikalık bir uçuşa, yani saniyelik ölçü alımına uygun olmalıdır. Uçuşlar hem kara hem de su kütlesi üzerinde aynı gün ve saatlerde yapılmalıdır. 17

18 Önce hem kara hem de su kütlesi üzerinde ve çeşitli yükseklikteki uçuşlarda ölçülen pencerelerdeki ışıma sayılarının birim zaman ortalamaları bulunur. Daha sonra, su kütlesi üzerindeki pencere ortalamaları, karada aynı yükseklikten alınan karşılıklı pencere ortalamalarından çıkarılmak suretiyle yer dışı radyasyon ile radon gazı düzeltmesi yapılmış olur. Bu şekilde elde edilen K, U ve Th pencereleri ortalamaları sıyırma işlemine tabi tutulurlar. TC penceresi değeri için sıyırma işlemi uygulanmaz. Çünkü herhangi bir radyoaktif elementin enerji seviyesine ayarlanmış pencere değildir. Sonra her pencereye ait sönüm katsayıları bulunur. 18

19 Gamma ışını spektrometrelerinde duyarlılık ve hesaplanması Spektrometre duyarlılığı, birim konsantrasyondaki bir radyoaktif elementin ilgili pencerede meydana getirdiği ışıma olarak tanımlanabilir. Dinamik test sahaları, düzgün dağılımlı radyoaktif element konsantrasyonlarına sahip olmaları ve sahip oldukları düz arazilerin sonsuza uzanımlı kaynak etkisi yaratmaları bakımından spektrometre duyarlılığının belirlenmesi için ideal mekanlardır. Ancak bu sahaların kara kesiminde kalan bölümlerinin potasyum, uranyum ve toryum konsantrasyonlarının bilinmesi gerekir. Bu da daha önce kalibrasyonu yapılmış portatif el spektrometreleri yardımıyla sahanın etüdü veya sahadan alınan numunelerin kimyasal analizlerinin yapılması ile mümkündür. 19

20 Dinamik test sahalarının kara kesimindeki radyoaktif element konsantrasyonlarının belirlenmesinde genellikle portatif element konsantrasyonlarının belirlenmesinde genellikle portatif el spektrometreleri kullanılmaktadır. Dinamik test sahasında, gerek kimyasal analiz için alınacak numunelerin, gerek portatif el spektrometresi ile yapılacak ölçmelerin, uçuş profilinin arazi üzerindeki izdüşümünden her iki yana metre kadar açılarak meydana getirilen dikdörtgen içinde olması ve 100*100 metre karelajında yapılması numunelerin veya ölçmelerin sahayı yeterince temsil etmesi açısından önemlidir. 20

21 Her numune veya spektrometrik ölçüm alınan noktada bulunan potasyum, uranyum ve toryum konsantrasyonlarının tüm saha ortalaması alınarak dinamik test sahası için, K, U ve Th konsantrasyonları bulunmuş olur. Bir spektrmetrenin pencere duyarlılıklarının hesabı için, önce test sahasında uçulan ve yapılcak etüt uçuşları yüksekliğindeki bir profilden alınan (genellikle 400 feet=120 m) verilere yerdışı radyasyon düzletmesi ve sıyırma işlemi uygulanır. Daha sonra, bu düzletme ve sıyırma işlemi sonucunda bulunan K, U ve Th pencerelerindeki net ışıma sayıları kullanılarak spektrometrenin pencerelerinin duyarlılıkları hesaplanmış olur. 21

22 Çizelgede, Ankara-Gölbaşı dinamik test sahası radyoaktif element konsantrasyonlarının ve sahadaki uçuş verilerinin kullanılması ile elde edilen spektrometre pencere duyarlılıkları verilmiştir. Bu duyarlılıklar, 33.5 litre hacimli kristale sahip MTA Genel Müdürlüğüne ait havadan etüt spektrometresinin 120 metre uçuş yüksekliği için hesaplanmış duyarlılıklardır. 22

23 Radyometrik etüt planlama 23

24 Gözönüne alınacak etkenler Radyometrik verinin probabilistik özelliği, ölçümü yapılacak radyoaktif cismin fiziksel-kimyasal özellikleri ve ölçme sistemi olmak üzere iki ana unsurdan ileri geldiği söylenebilir. Ölçümü yapılacak simin fiziksel-kimyasal özelliklerinin kontrol altına alınması veya müdahale edilmesi sözkonusu olmadığından, bu unsurun radyometrik verinin probabilistik özelliğine olan etkisinin oranını ve şiddetini değiştirmesi mümkün değildir. İkinci unsur olan ölçüm sistemi, cisim ile ölçü araçları arasındaki mesafe, spektrometre-algılayıcı kristalinin hacmi, alet grubunun elektronik yapısı, ölçüm sistemini taşıyan aracın hızı ve ölçüm zamanı aralığı gibi bileşenlere sahiptir. Radyometrik verinin kalite ve güvenirliğini belirleyen bu unsurlardan ikincisi bir ölçüde değiştirilebilir veya kontrol altına alınabilir. 24

25 Radyometrik kaynak ile algılayıcı arasındaki uzaklık Radyometrik etüt esnasinda algılayıcının-spektrometre-cisme, havadan etüt ise hava aracının yere olan uzaklığı, verinin sağlıklı ve güvenilir olması bakımından önemli bir etkendir. Bir radyoaktif kaynaktan yayınan gamma ışınları, mesafe arttıkça hızla sönüme uğrarlar. Bu yüzden de gamma ışınlarının pek azı spektrometrenin kristaline ulaşabilirler veya hiç ulaşamazlar. Ölçüm aracına yani spektrometreye az sayıda ulşan gamma ışınlarından elde edilen sonuçların yeteri kadar sağlıklı ve güvenilir olamayacağı açıktır. Her ne kadar uzaklık düzeltmesi olarak anılan uçuş yüksekliği düzeltmesi yapılıp veri belli bir yüksekliğe indirgeniyor ise de, ön test uçuşları ile belirlenip kullanılan katsayılar, ancak belli bir yükseklik aralığı için geçerlidir. Bu yüzden, sönüm katsayılarının belirlendiği dinamik test sahası uçuş yüksekliklerinin altında veya üstündeki yüksekliklerde etüt uçuşu yapılması, verilerin güvenilirliğini azaltacaktır. 25

26 Bir havadan spekrometrik etütde, belirlenen uçuş yüksekliğinden ancak %20 oranında bir sapmamın kabul edilebilirliği savunulmaktedır. Oldukça dağlık ve engebeli arazilerin havadan spektrometrik etüdünde hava aracının yerden sabit bir yükselikte seyretmesi güç olacağından, bu tür araziler için kullanılacak hava aracının performansının yeterli ve uçuş hatları yönünün özenle seçilmiş olması gerekmektedir. Arazinin çok engebeli veya dağlık oluşu, spektrometrik anomalilerin genliğini %10-30 arasında bir oranda azaltmaktadır. 26

27 Uçuş yüksekliğine bağlı olarak bir spektrometre algılayıcısının gördüğü alanın yani arazi parçasının alanının da değişeceğinden, ki bu bir koninin tabanıdır, algılayıcıya gelen gamma ışını sayısıda değişecektir. Daha yüksekteki bir algılayıcı daha geniş bir alanı görmesine karşın, sönüme uğramaları nedeniyle daha az gamma ışını algılayabilecektir. 27

28 Diğer taraftan, uçuş yüksekliği ile yer ayrımlılığı da artacaktır. 28

29 Kristal hacmi Doğal olarak, daha büyük hacimli spektrometre kristaline daha çok gamma ışını çarpacaktır. Gamma ışınlarının meydana getireceği ışıma sayısının çokluğu da, ölçümlerdeki istatistikli güvenilirliği artıracaktır. Kristal hacminin artması, spektrometre duyarlılığının artmasına, verilerdeki istatistiki belirsizliklerin ve hata oranlarının azalmasına neden olmaktadır. Bunlara ilaveten, kristal hacminin artması ile K, U ve Th pencerelerindeki spektral piklerin daha belirgin olarak ortaya çıktığı ve pikin ayrımlılığının arttığı da bilinmektedir. 29

30 Araç hızı ve ölçüm zamanı aralığı Hava aracı hızının düşük olması, hava aracının gamma ışını radyasyonu ölçülecek yerin üzerinde daha uzun bir süre kalması ve dolayısıyla spektrometre kristaline daha çok gamma ışınının ulaşmasını sağlayacaktır. Bu da yine verinin sağlıklı ve güvenilir olmasını sağlayan bir başka etmendir. Maksimum hava aracı hızı, ölçme zamanı aralığı ve uçuş yüksekliği arasında t=h/4v biçiminde bir deneysel ilişki vardır. Bu eşitlikte t ölçüm zamanı aralığı, h uçuş yüksekliği ve v kristal hacmini ifade etmektedir. Hedeflenen radyoaktivite anomalisinin dalga boyu ile uçuş yüksekliği arasındaki ilişki ise h=2w bağıntısı biçiminde verilmektedir. Gerek bu eşitlikten gerekse bir önceki eşitlikten yararlanarak aranan kütlenin radyoaktif element konsantrasyonu anomalisinin dalga boyu, hava aracının hızı ve ölçüm süresi gibi parametrelerden herhangi birisi belirlenip etüt planlamasına gidilebilir. 30

31 Örneğin: 60 metre dalga boyu olan konsantrasyon anomalilerinin yakalanabilmesi için uçuş yüksekliği en fazla 120 metre olmalıdır.spektrometre her bir saniyede bir ışıma sayısı,okuyacak ise hava aracının hızı en fazla 108 km/ saat olmalıdır Ölçüm zamanı aralığı ile hava aracı hızı ters ilişkilidir. Havadan spektrometrik etütlerde, ölçüm zamanı aralığı genellikle bir saniye seçilirken, bölgesel amaçlı etütlerde bu aralık 3 sn kadar çıkabilmektedir. Havadan spektrometrik etütlerde hava aracının hızı ve ölçüm zamanı aralığı önemli ve kritik parametreler değillerdir. Bu yüzden havadan etüt planlamaları yapılırken bu parametrelerin seçimine daha az önem gösterilir. Uçuş hızında meydana gelebilecek bir artma, algılayıcıya ulaşan gamma ışını sayısına çok fazla değiştirmeyecektir. 31

32 Uçuş hatları aralığı Havadan spektrometrik etütlerde uçuş profilleri aralığı, aranan kütlenin boyutları, uçuş yüksekliği ve etüt amacı gibi faktörlere bağlı olarak belirlenir. Daha sık uçuş profili aralığı ile etüt sahasından daha ayrıntılı bilgi sahibi olunacağı gibi küçük boyutlu hedef kütlelerin yakalanması şansı da artacaktır. Diğer taraftan, daha sık profil aralıkları yapılan etüdün maliyetinin de daha yüksek olmasına neden olacaktır. 32

33 Pitlin ve Duval (1980), havadan spektrometrik etütlerin planlanması konusunda yaptıkları çalışmada, uçuş yüksekliği ile arazide taranan şeridin genişliği arasındaki ilişkiyi yandaki şekildeki gibi göstermişlerdir. 33

34 Ayrıca bu ilişkiye, taranan arazi şeridinin sonsuza uanımlı kaynak yüzdesi de dahil edilmiştir. Yandaki şekil 5.4 den yararlanılarak, önceden belirlenen uçuş yüksekliği ve sonsuza uzanımlı kaynak yüzdesine bağlı olarak taranacak arazi şeridinin genişliği belirlenebilmektedir. Bunlara ek olarak, uçuş profilleri aralığı, uçuş yüksekliği ve taranan arazi şeridinin arazinin tamamına oranı birbiriyle Şekil 5.5 deki gibi ilişkilidir. 34

35 Bölgesel etütlerde uçuş profilleri aralığı genellikle 3 km den fazla, yerel ayrıntılı etütlerde ise 3 km den az (1-2 km) olarak belirlenmektedir. Eğer hava aracı, bir uçuş profilinin 5 km lik bir bölümü içindeki bir noktadan uçuş profilleri aralığının % 150 si kadar sapması veya geçmesi gereken noktadan planlanan profil aralığının iki katı kadar sapması hallerinde, o uçuş profili tekrar uçularak ölçüler yenilenmelidir. 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 44

45 45

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50