Title
Примена аналитичког, експерименталног полуемпиријског и Монте Карло метода за калибрацију ефикасности HPGe детектора у гама спектрометрији узорака из животне средине
Creator
Krneta Nikolić, Jelena D., 1975-
Copyright date
2015
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 09.07.2015.
Other responsibilities
mentor
Puzović, Jovan, 1960-
član komisije
Todorović, Dragana, 1968-
član komisije
Dimitrijević, Marija
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Fizički fakultet
Alternative title
Application of analytical, experimental, semiempirical and Monte Carlo methods for efficiency calibration of HPGe detectors in environmental samples gamma spectrometry.
Publisher
[Ј. Крнета Николић]
Format
145 листова
description
Физика језгара и честица - Гамаспектрометрија / Nuclear and particle phusics - Gamma spectrometry
Abstract (sr)
Квалитет гама спектрометријских мерења у општем сучају директно зависи
од познавања ефикасности детекције за посебне случајеве геометрије мерења и
карактеристика мереног узорка. С обзиром на то да узорци који се мере могу бити
веома различити по хемијском саставу и геометрији, калибрација није доступна у
свакој ситуацији. Поред тога, код мерења у контактној геометрији, што је
најчешћи случај приликом мерења узорака из животне средине, феномен
коинцидентног сумирања пертурбује спектар и мења површине испод пикова у
спектру што резултује нетачним резултатима мерења. Тада се јавља потреба за
развијањем различитих метода за калибрацију и специфичних референтних
материјала за сваки појединачни случај. Методе калибрације могу подразумевати
мерење сертификованих извора или секундарних референтних материјала,
одређивање параметара потребних за израчунавање ефикасности или симулирање
спектралног одговора инструмента.
У овом раду представљено je и примењено неколико различитих приступа
калибрацији ефикасности мерног система. То су:
- Експериментални метод, који подразумева мерење секундарних
референтних материјала који су по геометрији и хемијском саставу
најприближнији узорцима који се мере. Овај метод даје најтачније резултате али
истовремено захтева дуго време припреме секундарних референтних материјала и
дуго време мерења. Све ово може бити извор низа мерних несигурности које су
последица управо те припреме.
-Аналитички метод, који подразумева успостављање аналитичке
зависности између ефикасности и геометријских карактеристика мереног узорка и
детектора. Овај метод је апроксимативан с обзиром на то да су интеграли који
описују зависност за цилиндричне геометрије врло компликовани и њихово
решавање је могуће једино нумеричким путем. Уведене апроксимације доприносе
мерној несигурности али у оквирима потреба мерења узорака из животне средине
могу бити прихватљиве.
-Полуемиемпиријски метод (представљен у овом раду програмом за
трансфер ефикасности, EFFTRAN) користи зависност ефикасности детектора од
ефективног просторног угла под којим се узорак налази у односу на детектор и на
основу тога рачуна трансфер ефикасности од референтне калибрационе криве до
криве за реалну мерну геометрију и корекцију на коинцидентна сумирања.
-Монте-Карло метод (представљен у овом раду програмским пакетима
PHOTON и GEANT4) који се користи за симулацију спектралног одговора
детектора на основу познавања процеса који доводе до депоновања енергије у
медијуму детектора и случајног избора бројева.
Сваки од наведених метода је примењен за калибрацију HPGe детектора
који се користе у Лабораторији за заштиту од зрачења и заштиту животне средине
Института за нуклеарне науке Винча. Као резултат добијене су ефикасности
детектора, са придруженим мерним несигурностима. С обзиром на то да се
мерење секундарних референтних материјала сматра најтачнијим методом
калибрације, ефикасности добијене другим методама су упоређене са
експерименталним резултатима да би се утврдило слагање или неслагање у
оквиру мерне несигурности. Поређењем је установљено да се ефикасности
добијене аналитичком методом разликују у односу на експериментално добијене
ефикасности у опсегу од 1 до 14%, при чему су вредности одређиване за 3
геометрије које су најчешће у употреби у мерењу узорака из животне средине.
Резултати добијени трансфером ефикасности, коришћењем калибрације за
тачкасти извор као референтне калибрације, одступају од експерименталних од
мање од 1% до више од 20%. Највећа одступања су уочена код матрикса веће
густине и то на крајевима опсега испитиваних енергија. Остали резултати се
налазе у оквиру мерне несигурности. Ефикасности су одређиване и Монте Карло
симулацијом помоћу два различита програма. Резултати добијени применом
програмског пакета GEANT4 показују одступање од експерименталних вредности
која су реда величине неколико процената и та одступања су последица
дефинисања геометрије детектора. Симулација програмом PHOTON је дала
задовољавајуће резултате са одступањима која се крећу од мање од 1% до
приближно 20% у односу на експерименталне резултате, али уз изостављање
најнижих енергија, за које су одступања била неприхватљиво велика.
Додатни критеријум за поређење различитих метода калибрације била је
тачност која је проверена мерењем узорака из животне средине познате
активности. Ови узорци су мерени у оквиру различитих међулабораторијских
интеркомпарација или су као секундарни референтни материјал набављени од
сертификоване лабораторије.
Након мерења, активности радионуклида у узорцима добијени су
коришћењем ефикасности добијених различитим методама. Поређењем овако
добијених активности са референтним вредностима датим за те узорке, извршено
је објективно поређење свих метода и установљена њихова еквиваленција по
резултатима. Tакође, утврђене су границе применљивости аналитичког модела и
програмског пакета PHOTON. Дате су и препоруке у вези са комбиновањем
различитих приступа за будуће калибрације.
У овој дисертацији први пут је примењено више принципијелно
различитих метода на калибрацију детектора за мерење узорака из животне
средине у цилиндричној геометрији.
Abstract (en)
The quality of the gamma spectrometry measurements is in general directly
dependent on determining of the efficiency for the specific measurement geometry and
measured sample characteristics. Due to the fact that measured samples can be very
versatile in terms of geometry and chemical composition, the efficiency calibration is
not readily available. That is when the need for developing different efficiency
calibration methods and specific reference materials becomes obvious. Methods of
efficiency calibration may consist of measurement of certified sources and secondary
reference materials, determination of the parameters needed for efficiency calculation or
simulation of the detector system response. Besides, the measurement in contact
geometry, such is the case in measurement of environmental samples, implies the
perturbation of the spectrum via coincidence summing effect, which leads to incorrect
results of the measurement.
Several methods for efficiency calibration of the measurement system are
presented and utilized in this thesis. These are:
- Experimental method, which implies the measurement of the secondary
reference materials that are similar to the realistic samples in terms of geometry and
composition. This method produces high accuracy results but at the same time requires
long time for production of the secondary reference materials and long measurement
time. All this can be the source of large measurement uncertainty.
-Analytical method, which implies the existence of analytical dependence
between the efficiency and geometrical characteristics of the measured sample and
detector. This method is approximate, due to the fact that the integrals describing the
efficiency dependence for cylindrical geometry are very complex and their solution is
only possible by using a numerical integration. The approximations introduced in the
calculation contribute to the uncertainty of the results, but can be acceptable in case of
environmental samples.
-Semi empirical method (represented in this thesis by EFFTRAN – efficiency
transfer software) utilizes the dependence of the efficiency on the solid angle between
the sample and detector and calculates the transfer of the efficiency from the reference
calibration curve and coincidence summing corrections, accordingly.
-Monte Carlo method (represented in this thesis by software package GEANT4
and PHOTON) utilizes Monte Carlo simulation of the detector spectral response based
on known processes that lead to photon energy deposition in the medium and random
number generation.
Each of mentioned methods is applied for efficiency calibration of the HPGe
detectors readily used in the Laboratory for Radiation and Environment Protection of
the Institute for Nuclear Sciences Vinča. As the result, detector efficiencies and
associated uncertainties are obtained. Since the measurement of the secondary reference
materials is considered to produce the most accurate results, efficiencies obtained using
other methods are compared to the experimental results in order to establish the
accordance of the results within the uncertainty limits.
The comparison determined that the efficiencies obtained using analytical
method differ from the experimental results within the range of 1 to 14%, for the 3
measurement geometries that were analyzed and that are most frequently in use for
environmental samples measurement. Results obtained by the efficiency transfer, using
point source calibration as the reference, differ from the experimental results that ranges
from less than 1% to more than 20%. The largest discrepancies are for high density
matrices and at the edges of the investigated energy span. Other results obtained by this
method are within the measurement uncertainty limits. Efficiency calibration by Monte
Carlo simulation was performed using two different software. Results obtained by using
GEANT4 software package show discrepancies from the experimental results that are
of order of magnitude of several percent, which is the consequence of detector geometry
definition. Simulation performed by PHOTON software produced satisfactory results
with the discrepancies that ranged from less than 1% up to 20%, with the remark that the
lowest energies were omitted due to unacceptably large discrepancy.
Additional criterion for comparison of different efficiency calibration methods
was testing of the accuracy by measurement of the realistic environmental samples.
These samples were measured within different interlaboratory intercomparisons, or were
acquired from certified laboratory as a secondary reference material. After
measurement, the radionuclide activities in the samples were calculated using
efficiencies obtained by different methods. By comparing the results with the activity
target values provided by the intercomparison organizer, an objective accuracy
comparison was performed and the equivalence of the results was determined. Also, the
limits of the aplicability of anaytical method and PHOTON simulation were established.
Recommendations regarding future efficiency calibrations are stated.
This thesis applies, for the first time, several principielly different approaches to
efficiency calibration of the HPGe detectors for environmental samples measurement in
cylindrical geometry.
Authors Key words
калибрација ефикасности, HPGe детектор, секундарни референтни
материјала, трансфер ефикасности, виртуелни тачкасти детектор, Монте Карло
симулација
Authors Key words
efficiency calibration, HPGe detector, secondary reference materials,
efficiency transfer, virtual point detector, Monte Carlo Simulation
Classification
539.12(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
Квалитет гама спектрометријских мерења у општем сучају директно зависи
од познавања ефикасности детекције за посебне случајеве геометрије мерења и
карактеристика мереног узорка. С обзиром на то да узорци који се мере могу бити
веома различити по хемијском саставу и геометрији, калибрација није доступна у
свакој ситуацији. Поред тога, код мерења у контактној геометрији, што је
најчешћи случај приликом мерења узорака из животне средине, феномен
коинцидентног сумирања пертурбује спектар и мења површине испод пикова у
спектру што резултује нетачним резултатима мерења. Тада се јавља потреба за
развијањем различитих метода за калибрацију и специфичних референтних
материјала за сваки појединачни случај. Методе калибрације могу подразумевати
мерење сертификованих извора или секундарних референтних материјала,
одређивање параметара потребних за израчунавање ефикасности или симулирање
спектралног одговора инструмента.
У овом раду представљено je и примењено неколико различитих приступа
калибрацији ефикасности мерног система. То су:
- Експериментални метод, који подразумева мерење секундарних
референтних материјала који су по геометрији и хемијском саставу
најприближнији узорцима који се мере. Овај метод даје најтачније резултате али
истовремено захтева дуго време припреме секундарних референтних материјала и
дуго време мерења. Све ово може бити извор низа мерних несигурности које су
последица управо те припреме.
-Аналитички метод, који подразумева успостављање аналитичке
зависности између ефикасности и геометријских карактеристика мереног узорка и
детектора. Овај метод је апроксимативан с обзиром на то да су интеграли који
описују зависност за цилиндричне геометрије врло компликовани и њихово
решавање је могуће једино нумеричким путем. Уведене апроксимације доприносе
мерној несигурности али у оквирима потреба мерења узорака из животне средине
могу бити прихватљиве.
-Полуемиемпиријски метод (представљен у овом раду програмом за
трансфер ефикасности, EFFTRAN) користи зависност ефикасности детектора од
ефективног просторног угла под којим се узорак налази у односу на детектор и на
основу тога рачуна трансфер ефикасности од референтне калибрационе криве до
криве за реалну мерну геометрију и корекцију на коинцидентна сумирања.
-Монте-Карло метод (представљен у овом раду програмским пакетима
PHOTON и GEANT4) који се користи за симулацију спектралног одговора
детектора на основу познавања процеса који доводе до депоновања енергије у
медијуму детектора и случајног избора бројева.
Сваки од наведених метода је примењен за калибрацију HPGe детектора
који се користе у Лабораторији за заштиту од зрачења и заштиту животне средине
Института за нуклеарне науке Винча. Као резултат добијене су ефикасности
детектора, са придруженим мерним несигурностима. С обзиром на то да се
мерење секундарних референтних материјала сматра најтачнијим методом
калибрације, ефикасности добијене другим методама су упоређене са
експерименталним резултатима да би се утврдило слагање или неслагање у
оквиру мерне несигурности. Поређењем је установљено да се ефикасности
добијене аналитичком методом разликују у односу на експериментално добијене
ефикасности у опсегу од 1 до 14%, при чему су вредности одређиване за 3
геометрије које су најчешће у употреби у мерењу узорака из животне средине.
Резултати добијени трансфером ефикасности, коришћењем калибрације за
тачкасти извор као референтне калибрације, одступају од експерименталних од
мање од 1% до више од 20%. Највећа одступања су уочена код матрикса веће
густине и то на крајевима опсега испитиваних енергија. Остали резултати се
налазе у оквиру мерне несигурности. Ефикасности су одређиване и Монте Карло
симулацијом помоћу два различита програма. Резултати добијени применом
програмског пакета GEANT4 показују одступање од експерименталних вредности
која су реда величине неколико процената и та одступања су последица
дефинисања геометрије детектора. Симулација програмом PHOTON је дала
задовољавајуће резултате са одступањима која се крећу од мање од 1% до
приближно 20% у односу на експерименталне резултате, али уз изостављање
најнижих енергија, за које су одступања била неприхватљиво велика.
Додатни критеријум за поређење различитих метода калибрације била је
тачност која је проверена мерењем узорака из животне средине познате
активности. Ови узорци су мерени у оквиру различитих међулабораторијских
интеркомпарација или су као секундарни референтни материјал набављени од
сертификоване лабораторије.
Након мерења, активности радионуклида у узорцима добијени су
коришћењем ефикасности добијених различитим методама. Поређењем овако
добијених активности са референтним вредностима датим за те узорке, извршено
је објективно поређење свих метода и установљена њихова еквиваленција по
резултатима. Tакође, утврђене су границе применљивости аналитичког модела и
програмског пакета PHOTON. Дате су и препоруке у вези са комбиновањем
различитих приступа за будуће калибрације.
У овој дисертацији први пут је примењено више принципијелно
различитих метода на калибрацију детектора за мерење узорака из животне
средине у цилиндричној геометрији.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.