Neutroniaktivaatio puun kosteudenmittauksessa

Suvi Päiviö

Lisensiaattitutkielma

Fysiikan laitos2009

Esipuhe

Työ on tehty ja on kiitoksen aika. Ensinnäkin tahdon kiittää ohjaajiani Ari Vir-tasta ja Taneli Kalvasta avusta ja tuesta tutkimuksen aikana. Tanelilta sain pal-jon apua MCNPX:n kiemuroihin ja hänen ansiotaan ovat myös hakemittaustenvalokuvat. Haluan kiittää myös Timo Riikilää, joka osallistui hakkeella tehtyi-hin mittauksiin ja piirsi CAD-kuvat käytetyistä mittausasetelmista.

Kiitän lisensiaattityöni tarkastajia Antti Karia ja Jaana Kumpulaista. Arvostanaikaa, jota käytitte työn eri versioiden parissa. Panoksenne auttoi parantamaantyötä.

Kiitokset kuuluvat myös Pauli Peuralle, Steffen Ketelhutille ja Pete Jonesil-le germaniumilmaisimen lainaamisesta. Aika ja kärsivällisyys, jota Pauli jaSteffen käytitte ilmaisimen oikean käytön ja kytkentöjen oikean suorittamisenopettamiseen, oli korvaamatonta.

Timo Järviselle kiitokset runkopuumittausten järjestämisestä. Mittaukset eivätolisi onnistuneet ilman mittaustilaa, jota järjestit VTT Jyväskylän tiloista. Myösapu nestetypen täytössä mittausten aikana oli arvokasta. Kiitokset myös run-kopuumittausten valokuvaamisesta.

Lisäksi haluan kiittää Antti Korpilahtea Metsäteho Oy:stä PUUNA-projektinorganisoimisesta. Metsäteho Oy:n lisäksi myös VTT Jyväskylä ja Metso PaperPori Oy osallistuivat projektin rahoittamiseen.

Kiitokset myös koko Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen henkilökunnalleyhteisistä työvuosista. Erityiskiitokset ystävälleni Lauralle päivittäisistä lou-nastunneista, joiden aikana sain tuulettaa tuntojani. Kiitokset myös muille ys-tävilleni ja perheelleni tuesta ja olkapäistä. Kiitän myös puolisoani Heikkiäkannustuksesta.

i

Sisältö

1 Johdanto 1

2 Tutkimuksen tavoitteet ja toteutus 4

3 Neutroniaktivaatio 53.1 Neutronien vuorovaikutukset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Neutroniaktivaatioanalyysi pienille ja suurille näytteille . . . . . 8

4 Neutronilähteet 114.1 Isotooppilähteet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 Neutronigeneraattorit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5 Gammasäteilyn ilmaisimista 155.1 Puolijohdeilmaisimet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.2 Uudet tuikemateriaalit puolijohteiden haastajina . . . . . . . . . 17

6 Simulaatio-ohjelma MCNPX 206.1 Datakirjastot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216.2 Geometrian luominen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.3 Kerättävä informaatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.4 Simulaation luotettavuus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

7 Hakemittaukset 277.1 Simulaatiot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277.2 Mittaukset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7.2.1 Ensimmäinen mittausgeometria . . . . . . . . . . . . . . 337.2.2 Toinen mittausgeometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.2.3 Kolmas mittausgeometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.2.4 Neljäs mittausgeometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.3 Tulokset ja niiden tarkastelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

8 Puunippumittaukset 468.1 Simulaatiot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468.2 Mittaukset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.3 Tulokset ja niiden tarkastelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

9 Johtopäätökset 57

10 Jatkotoimenpiteet 59

11 Yhteenveto 62

ii

1 Johdanto

Puun kosteuden online-mittaus on aiheuttanut ongelmia alan teollisuudellejo vuosikymmeniä. Tarkkaa tietoa puun kosteudesta tarvitaan, jotta puu voi-daan esimerkiksi käsitellä tai hinnoitella oikein. Esimerkiksi paperiteollisuu-dessa puun kosteus vaikuttaa jalostuksessa käytettävien kemikaalien suhtei-siin, vaneriteollisuudessa kuivumisaikaan ja kuivatuslämpötilaan sekä ener-giateollisuudessa polton hyötysuhteeseen. Puun tuottajalle sekä käsittelijälleolisi edullista, mikäli puu voitaisiin hinnoitella ja varastoida kosteutensa pe-rusteella jo sen saapuessa käsittelylaitokselle.

Luotettavaa ja tarkkaa kosteudenmittausta on etsitty monenlaisista menetel-mistä. Näitä ovat esimerkiksi lämpökaappimenetelmä, kuumailmakuivaus,uuttamismenetelmä, vastusmittaus, tehohäviömenetelmä, mikroaaltomene-telmä ja infrapunamenetelmä [21]. Online-mittauksiin näistä soveltuvat vas-tusmittaus, tehohäviö-, mikroaalto- ja infrapunamenetelmät. Kuivatus-punni-tusmenetelmät ovat tarkkoja, mutta niiden avulla kosteudenmääritys kestääuseita tunteja, jopa vuorokausia.

Suomen oloissa kosteudenmittauksen ongelmiksi ovat muodostuneet erityi-sesti lumi ja jää. Nämä nostavat puun pintakosteutta, vaikka kokonaiskosteusei olisikaan erityisen korkea. Mikäli kosteusmittaus perustuu menetelmään,joka tutkii puuta lähinnä vain pinnalta, saadaan helposti vääristyneitä tuloksiakosteudelle. Esimerkiksi infrapunasäteilyyn ja sähkönjohtavuuteen perustu-vat menetelmät tuottavat kosteusinformaation hyvin läheltä pintaa, jopa vainnoin 1 mm syvyydeltä.

Röntgensäteilyn absorptioon perustuvia tekniikoita on käytetty varsin tulok-sekkaasti homogeenisen ja tasapaksun puumassan (esimerkiksi hake) kos-teuspitoisuuden määrittämiseen online-mittauksena. Ongelmana näissä tek-niikoissa on erottaa kosteus tiheyden vaihteluista. Riittävään tarkkuuteen pää-semiseksi on turvauduttava yhdistelmämittauksiin. Kokopuun mittaukseenröntgenmenetelmät eivät sovellu, sillä kokopuu on liian tiheätä. Katsaus eri-laisiin kosteudenmittausmenetelmiin löytyy mm. Paperi ja Puu -lehden nume-rosta 3/2008. [15]

Tässä tutkimuksessa on käsitelty neutroniaktivaatiota [5]. Neutroniaktivaatio-menetelmä perustuu neutronien vuorovaikutuksiin aineessa. Neutronilähtees-tä emittoituvat neutronit etenevät tutkittavassa puussa ja menettävät energi-aansa elastisissa ja epäelastisissa törmäyksissä väliaineen ytimien kanssa, kun-nes niiden nopeudet ovat keskimäärin termisiä (0,025 eV). Tällaisilla nopeuk-silla neutronien absorboitumisen eli ns. neutronisieppauksen todennäköisyyson huomattava.

1

Neutronisieppauksessa väliaineen ydin AX absorboi neutronin ja muuttuu vi-ritystilassa olevaksi naapuri-isotoopikseen A+1X*. Viritystila purkautuu välit-tömästi ytimen emittoidessa yhden tai useampia sille ominaisia gammakvant-teja. Jos syntynyt isotooppi A+1X on radioaktiivinen, se hajotessaan emittoimahdollisesti vielä lisää gammakvantteja ja/tai muita hiukkasia.

Neutronisieppauksen vaikutusala on kullekin isotoopille ominainen, esimer-kiksi puun yleisimmille alkuaineille vedylle 0,3326 b, hiilelle 0,00353 b ja ha-pelle 0,00019 b (b = barn = 10−24 cm2). Koska vedyn vaikutusala on noin 100kertaa hiiltä suurempi, voidaan vedyn määrää puussa määrittää myös mittaa-malla termisten neutronien vuota. Tyypillisissä online-mittausjärjestelmissäpuun kosteuden määrittäminen perustuu vedyn määrän mittaamiseen tällätavalla.

Neutroniaktivaatiomenetelmällä voidaan mitata gammaspektroskopian kei-noin eri aineiden ydinten suhteellista määrää näytteessä. Koska hiilen määräpuussa on lähes vakio ja vetypitoisuus taas kasvaa kosteuden kasvaessa, pääs-tään kiinni kosteuspitoisuuteen tutkimalla vedyn ja hiilen suhdetta. Etuna ai-kaisempiin online-kosteudenmääritysmenetelmiin on se, että neutroniaktivaa-tiolla saavutetut tulokset eivät ole riippuvaisia siitä, miten kosteus on puuhunjakautunut. Merkitystä ei siis ole sillä, onko kosteus puun pinnalla esimerkiksilumena tai jäänä tai onko kosteus vapaata vettä vai kidevettä.

Suhteellisena mittauksena tulos riippuu vain vähän puun määrästä, laadusta,tiheydestä sekä veden olomuodosta. Näin ollen saadaan mitattua kattavastikeskimääräinen kosteus näytteessä. Neutroneiden avulla voidaan mitata myöskokopuuta, sillä neutronit läpäisevät hyvin materiaa. Poiketen monista muis-ta kosteudenmittausmenetelmistä, neutroniaktivaatio soveltuu hyvin suurtennäytteiden tutkimiseen.

Neutroniaktivaatio ratkaisee monta nykyisten kosteusmittausmenetelmienongelmista. Sillä voidaan mitata suuria näytteitä ja kokopuuta sekä oikeal-la laitteistolla mittauksesta saadaan myös tarpeeksi nopea, jotta sitä voidaankäyttää online-mittauksena. Myös lumen ja jään aiheuttamat ongelmat poistu-vat kun mitataan keskiarvoista kosteutta koko näytteessä.

Välittömiä neutroniaktivaatiogammoja ei ole aikaisemmin käytetty puun omi-naisuuksien tutkimiseen. Myöskään suuria puunäytteitä ei olla tutkittu neut-ronimenetelmillä. Offline-mittauksia on tehty käyttäen hyväksi ydinreaktoris-sa tuotettua intensiivistä neutronivuota (vrt. VTT:n tutkimusreaktorisäteily-tykset Otaniemessä). Näissä mittauksissa analysoitiin kuitenkin vain viiväs-tyneitä neutroniaktivaatiogammoja yksittäisistä, kooltaan pienistä näytteistäreaktorin sijaintipaikalla [16].

2

Vaikka välittömien neutroniaktivaatiogammojen mittausta ei ole käytetty ai-kaisemmin puun tutkimiseen, on menetelmällä tutkittu monia muita aineita janiiden ominaisuuksia. Esimerkiksi menetelmää on käytetty betonin [22], ko-titalouksien likavesien [14] ja räjähteiden [8] analysointiin. Puun kosteudenmittaaminen välittömien gammakvanttien avulla omaa siten hyvät mahdolli-suudet.

3

2 Tutkimuksen tavoitteet ja toteutus

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voidaanko neutroniaktivaatios-sa syntyviä vedyn ja hiilen välittömiä gammakvantteja mittaamalla määrittääpuunäytteen kosteutta. Tavoitteena oli myös tutkia, soveltuuko mittaus on-line-mittaukseksi suurille puumäärille ja millä ehdoin kosteudenmittaus oli-si mahdollista soveltaa teollisuusympäristöön. Alustavalla tasolla tutkittiinmyös mittauksen säteilyturvallisuutta.

Tutkimus toteutettiin mittaamalla ensin kohtalaisen pieniä (noin 80 litraa) eri-kosteuksisia hakemääriä ja sitten suurempia määriä (noin 10 tonnia) kokopuu-ta. Näytteitä säteilytettiin 252Cf-lähteellä tuotetuilla neutroneilla ja neutroniak-tivaation myötä syntynyt gammasäteily kerättiin energiaspektriksi. Saaduistaspektreistä tutkittiin, voidaanko vedyn ja hiilen aiheuttamat välittömät neut-roniaktivaatiogammat nähdä ja laskea kertyneestä spektristä.

Tavoitteena oli selvittää, onko vety/hiili-suhde mitattavissa ja nähdäänkö suh-teessa muutosta kosteuden muuttuessa. Koska vetypitoisuus kasvaa kosteu-den kasvaessa ja hiilipitoisuus pysyy vakiona, pitäisi vety/hiili-suhteessa nä-kyä kasvava trendi kosteuden kasvaessa. Tarkastelun kohteena olivat vedyntuottama 2223 keV energian omaava aktivaatiogamma sekä hiilen tuottamat1262 keV ja 3684 keV gammakvantit.

Mittausten tueksi suoritettiin simulaatioita MCNPX-ohjelmaa käyttäen. Ky-seessä on simulaatiokoodi, jolla voidaan mallintaa neutronien, fotonien jaelektronien kulkeutumista väliaineessa ja vuorovaikutuksia aineessa. Kysei-nen simulaatio-ohjelma on monipuolinen työkalu erilaisten neutroneja sisältä-vien ongelmien simulointiin ja sen sovelluskohteet ovat lukemattomat.

Simulaatioiden avulla pyrittiin tässä tutkimuksessa optimoimaan ja suunnitte-lemaan käytännön mittauksissa tarvittavia mittausgeometrioita. Simulaatioi-den avulla pystyttiin myös tarkastelemaan, millaisella alueella näytteessä mi-tattavat aktivaatiogammakvantit syntyivät. Lisäksi suoritettiin arvioita mit-tauksen säteilyturvallisuudesta sekä tarkasteltiin online-mittauksiin vaaditta-via reunaehtoja. Simuloiden saatuja tuloksia myös verrattiin mittaustuloksiin.

4

3 Neutroniaktivaatio

Neutroniaktivaatio perustuu neutronien ja aineen ytimien välisiin vuorovai-kutuksiin. Neutronisieppausta seuraavat ytimen emittoimat karakteristisetgammakvantit mahdollistavat ytimen tunnistamisen gammaspektrin avulla.Neutroniaktivaatioanalyysi (NAA) voidaan suorittaa erilaisilla menetelmillä.Näillä on omat nimityksensä.

Tässä tutkimuksessa käsitellään välittömien aktivaatiogammakvanttien mit-tausta (PGNAA = Prompt Gamma Neutron Activation Analysis), jossa gam-maspektriä kerätään samalla kun näytettä säteilytetään neutroneilla. On myösmahdollista tutkia viivästyneitä gammakvantteja (DGNAA = Delayed Gam-ma Neutron Activation Analysis), jolloin syntyvä gammasäteily mitataan vas-ta neutronisäteilytyksen jälkeen. Mikäli aktivointi tapahtuu nopeiden neutro-nien avulla, käytetään nimitystä FNAA (Fast Neutron Activation Analysis).Tässä menetelmässä alkuaineiden tunnistaminen tapahtuu neutronien epäe-lastisten sirontojen aiheuttamien gammakvanttien avulla. Muita analysointi-menetelmiä ovat mm. INAA (Instrumental Neutron Activation Analysis) jaRNAA (Radiochemical Neutron Activation Analysis).

3.1 Neutronien vuorovaikutukset

Neutronit ovat neutraaleja hiukkasia joten ne eivät koe sähköisiä vuorovai-kutuksia. Niiden suuren massan vuoksi vuorovaikutukset elektronien kanssaovat merkityksettömiä. Näin ollen neutronit pääsevät tunkeutumaan atominytimen voimakenttään ja vuorovaikutukset tapahtuvat ydinten kanssa.

Neutronit vuorovaikuttavat aineen kanssa eri tavoin. Reaktiot voidaan jakaakahteen päätyyppiin, joita ovat sironta ja absorptio. Sironnat jakautuvat elas-tisiin ja epäelastisiin sirontoihin. Absorptioreaktioita taas luokitellaan loppu-tuloksen perusteella. Mahdollisia reaktiotuotteita ovat gammasäteily, varatuthiukkaset, neutronit ja kohdeytimen fissio. Joskus sieppauksen seurauksenavoi olla useampia näistä. Kuvassa 1 on esitetty sirontojen ja absorptioreaktioi-den tyypit. Kulloinkin vallitseva vuorovaikutustyyppi riippuu voimakkaastineutronien energiasta.

Neutronit voidaan luokitella liike-energiansa perusteella erilaisiin luokkiin.Näitä jakoja on useita erilaisia, yksi esimerkki on esitetty taulukossa 1. Tau-lukkoon 1 on laskettu myös neutronien nopeudet kyseisillä energioilla. Näistänähdään, että vaikka puhutaan esimerkiksi hitaista neutroneista, ovat neutro-nien nopeudet todellisuudessa vielä hyvin suuria.

Kun neutronin energia on suuri, ovat epäelastiset eli kimmottomat sironnatkaikkein yleisimpiä. Kimmottomassa sironnassa neutroni törmää ytimeen ja

5

Kuva 1: Neutronin ja aineen väliset vuorovaikutukset. Yleisluokkia on kak-si, sironta ja absorptio. Nämä jakaantuvat useisiin erilaisiin vuorovaikutuksiinriippuen sironnan tyypistä tai absorptiossa emittoituvasta hiukkasesta tai fo-tonista. [27]

Taulukko 1: Neutronien luokittelu energian perusteella. [30]

Luokitus Energia Nopeus

erittäin nopeat neutronit yli 10 MeV 43700 km/snopeat neutronit 0,2–10 MeV 6200–43700 km/s

keskinopeat neutronit 0,1–200 keV 140–6200 km/shitaat (epitermiset) neutronit 0,4–100 eV 8,7–140 km/s

termiset neutronit 0,003–0,4 eV 0,76–8,7 km/skylmät neutronit alle 0,003 eV alle 0,76 km/s

6

virittää sen luovuttaen osan energiastaan ytimen viritysenergiaksi. Ytimen vi-ritystila purkautuu karakteristisena gammasäteilynä. Tätä on havainnollistet-tu kuvassa 2.

Kuva 2: Neutronin epäelastinen sironta ytimestä

Kun neutronin energia on pienempi kuin ytimen viritykseen tarvittava ener-gia, ovat elastiset sironnat todennäköisin vuorovaikutusmuoto. Elastisessa si-ronnassa neutroni luovuttaa osan energiastaan ytimen liike-energiaksi. Useinydin irtautuu molekyylisidoksestaan ja kulkeutuu jonkin matkaa rekyyli-ionina.

Epäelastiset ja elastiset törmäykset ytimiin hidastavat neutroneja. Kun neutro-nien energia putoaa termiselle tasolle (0,025 eV), tulee neutronisieppaus mah-dolliseksi. Neutronisieppauksessa ydin absorboi neutronin ja muuttuu viritys-tilassa olevaksi naapuri-isotoopikseen (kuva 3). Viritystila purkautuu ytimenemittoidessa karakteristisen välittömän gammakvantin. Tämän jälkeen ydinon usein edelleen radioaktiivinen ja voi emittoida viivästyneitä gammakvant-teja ja/tai hiukkasia.

Kuva 3: Neutronisieppaus

Neutroniaktivaatioanalyysi perustuu neutronisieppauksessa syntyvien gam-makvanttien analysointiin. Gammakvantit ovat karakteristisia isotoopeille, jo-

7

ten gamman energian avulla saadaan selville, mikä ydin neutronin sieppa-si. Lisäksi gammakvanttien lukumäärä riippuu kyseisen alkuaineen määrästänäytteessä ja neutronisieppauksen vaikutusalasta. Neutroniaktivaatioanalyysivoi perustua joko välittömien gammojen (PGNAA) tai viivästyneiden gammo-jen (DGNAA) mittaukseen.

3.2 Neutroniaktivaatioanalyysi pienille ja suurille näytteille

INAA (Instrumental Neutron Activation Analysis) on neutroniaktivaatioonperustuva menetelmä, jossa säteilytetään hyvin pientä (luokkaa 100 mg) näy-tettä voimakkaalla termisten neutronien vuolla ja mitataan aktivaatiogammo-ja. Koska käytettävä näyte on pieni, saadaan koko näyte katettua homogeeni-sella neutronivuolla ja aktivaatiogammojen määrä on suoraan verrannollinenkunkin aineen pitoisuuteen. [13] Syntyneet gammat on myös helppo mitata,sillä vaimentumista ei tapahdu ja pieni näyte on helppo ympäröidä ilmaisimil-la. INAA-menetelmällä on mahdollista selvittää aineen absoluuttinen koostu-mus, ilman tarvetta suhteelliselle mittaukselle.

Mikäli näyte on niin pieni, että neutronien absorptio ja sironta voidaan jättäähuomiotta, saadaan määritettyä halutun alkuaineen määrä näytteessä hyvintarkasti. Mitattujen karakterististen aktivaatiogammojen lukumäärä on ver-rannollinen kyseisen aineen ydinten määrään näytteessä, neutronisieppauk-sen vaikutusalaan, käytettyyn säteilytysaikaan sekä neutronivuohon.

Jos käytössä on standardinäytteitä, joiden koostumus tunnetaan, verrataanmitattavaa näytettä standardinäytteeseen. Tällöin aineen pitoisuus näyttees-sä voidaan laskea seuraavan yhtälön avulla

Cnäyte = CstandardiWstandardi

Wnäyte

Anäyte

Astandardi, (1)

missä C on konsentraatio, W paino ja A on aktiivisuus [33].

INAA-menetelmä ei sovellu puun kosteuden mittaamiseen teollisuuden tar-peisiin. Kosteuden vaihdellessa eri osissa puuta, on tehokkaampaa mitata kes-kiarvoista kosteutta kuin monta kosteusnäytettä. Keskiarvoiseen mittaukseenei alle 1 g kokoisilla näytteillä päästä.

Näytekoon kasvaessa tilanne mutkistuu, sillä sekä neutronien että syntynei-den gammojen vaimentuminen pitää ottaa huomioon. Kun neutroniaktivaa-tiomenetelmää sovelletaan suuremmille näytteille, ei alkuainepitoisuuksien

8

absoluuttinen määritys ole enää mahdollista. Tällöin on turvauduttava suh-teelliseen mittaukseen. Alkuaineiden pitoisuuksia suhteessa toisen alkuaineenpitoisuuteen on mahdollista määrittää suurestakin näytteestä. [1]

Neutroniaktivaatiomenetelmä on nykyisin laajasti käytössä myös suurtennäytteiden tapauksessa. Sille on kehitetty monia sovelluksia, esimerkiksi öljy-ja kaivosteollisuuden käyttöön [35] [7]. Menetelmää käytetään myös räjäh-teiden ja huumeiden havaitsemiseen tavarakonteista [5]. Analyysi perustuumateriaalien erilaisiin alkuainekoostumuksiin ja niiden suhteellisiin osuuksiinnäytteessä. Useimmiten kiinnostavat alkuaineet ovat esimerkiksi vety, hiili,typpi ja happi. Kuvassa 4 on esitetty useiden menetelmän kannalta kiinnos-tavien materiaalien alkuainejakaumaa. Kuvasta löytyvät myös puu ja vesi.

Kuva 4: Eri materiaalien vety-, hiili-, typpi- ja happijakaumat. [5]

Taulukossa 2 on esitetty suurimpia neutronisieppausvaikutusaloja yleisimmil-

9

le puun komponenteille. Tarkasteltaviksi neutroniaktivaatiogammoiksi tässätutkimuksessa valikoituivat vedyn gammakvantti (2223 keV) ja hiilen kaksialemman energian gammakvanttia (1262 keV ja 3684 keV). Hiilen 4945 keV:naktivaatiogamma jää hapen epäelastisesta sironnasta johtuvan gammapiikinalle, joten se ei sovellu käyttöön, mikäli lähteestä tulevilla neutroneilla onenergiaa yli 5 MeV. Mikäli neutronilähde tuottaa ainoastaan neutroneita, joi-den energia on tätä pienempi, jää hapen epäelastinen sironta pois spektristäja myös hiilen korkein gammaenergia vapautuu analyysiä varten. Esimerkik-si DD-reaktion (ks. luku 3.2) tuottamien neutroneiden energia (2,45 MeV) onsopiva.

Taulukko 2: Puussa esiintyvien alkuaineiden neutronisieppauksen vaikutusa-loja ja näitä vastaavien vapautuneiden välittömien gammakvanttien energiat.[13]

Alkuaine Gammaenergia [keV] Vaikutusala [b]

1H 2223.2 0.332612C 1261.8 0.0012412C 3683.9 0.0012212C 4945.3 0.0026116O 870.7 0.00017716O 1087.8 0.00015816O 2184.4 0.000164

10

4 Neutronilähteet

Neutroneja voidaan tuottaa erilaisilla menetelmillä perinteisistä isotooppi-lähteistä aina täysimittaisiin ydinreaktoreihin. Parhaiten kuhunkin sovelluk-seen sopiva neutronilähde määräytyy vaadittavan neutronivuon ja neutronienenergian perusteella. Myös lähteen hinnalla on merkitystä teollisissa sovelluk-sissa.

Isotooppilähteet ovat yksi edullisimmista tavoista tuottaa neutroneja. Niistäsaatavat neutronivuot ovat kuitenkin kohtalaisen alhaisia. Ydinreaktorit tuot-tavat todella suuria neutronivoita, mutta ovat massiivisia ja kalliita. Reakto-reita ei käsitellä tässä tutkimuksessa tarkemmin. Ydinreaktoreiden ja isotoop-pilähteiden väliin, sekä neutronituotossa että laitteiston hinnassa, sijoittuvatnykyaikaiset neutronigeneraattorit.

4.1 Isotooppilähteet

Online-mittauksissa on käytetty neutronilähteenä radioisotooppeihin perus-tuvia lähteitä, jotka tuottavat neutroneita joko spontaanilla fissiolla tai (γ,n)-ydinreaktiolla. Alfa-aktiivisiin radioisotooppeihin perustuvista neutroniläh-teistä yleisin on amerikiumin isotooppi 241 (241Am), jota on sekoitettu beryl-liumiin 9Be(α,n)12C -reaktion aikaansaamiseksi (AmBe-lähde). Neutronien li-säksi reaktiossa vapautuu korkeaenergisiä gammoja, jotka voivat häiritä suo-ritettavaa mittausta.

Toinen yleinen radioisotooppi, jota käytetään neutronilähteenä, onkalifornium-252 (252Cf). Se hajoaa 97 % alfahajoamisella ja 3 % spontaa-nilla fissiolla. Kaliforniumista vapautuu fissioytimien lisäksi keskimäärin3,8 neutronia fissiota kohden. Kaliforniumlähteet tuottavat jopa 2000 kertaaenemmän neutroneita kuin AmBe-lähteet, eikä niistä emittoidu häiritse-vää suurienergistä gammasäteilyä. Siksi niitä käytetään monissa herkissäsovelluksissa.

Kaliforniumin tuottamilla neutroneilla on jatkuva energiaspektri, jota on ha-vainnollistettu kuvassa 5. Neutronien energia piikittyy arvoon 0,7 MeV ja kes-kimääräinen energia on 2,14 MeV. Noin 7% neutroneista saa suuremman ener-gian kuin 5 MeV. [4]

Aktiivisimpien 252Cf -lähteiden neutronituotto on 107 - 109 neutronia sekun-nissa. Tämä on kuitenkin liian vähän nopeaan online-mittaukseen etenkin,kun 252Cf:n puoliintumisaika on vain 2,65 vuotta. Parhaassakin tapaukses-sa lähde joudutaan uusimaan kohtalaisen usein. Voimakkaasti radioaktiivisenlähteen käsittely, varastointi ja suojaaminen on lisäksi hyvin hankalaa ja ai-heuttaa suuria haasteita säteilyturvallisuuden kannalta.

11

Kuva 5: Kalifornium-252 tuottama neutronispektri [4]

4.2 Neutronigeneraattorit

Neutroneja voidaan tuottaa myös pienillä hiukkaskiihdyttimillä, neutroni-generaattoreilla. Näissä neutronituotto perustuu useimmiten vedyn isotoop-pien ydinreaktioihin. Neutronien tuottoon vedyn isotooppien avulla on kol-me mahdollista reaktiota: DD-, DT- ja TT-reaktiot. Reaktiot ja niiden tuotta-mien neutronien energiat on esitetty taulukossa 3.

Taulukko 3: Neutronituottoreaktiot vedyn isotoopeille.

Reaktio Neutronien energia

d +2 H −→ n +3 He (DD) 2,5 MeVd +3 H −→ n +4 He (DT) 14,1 MeVt +3 H −→ 2n +4 He (TT) 0–9 MeV

Kenttäkäyttöön soveltuvin reaktio on kahden deuterium-ytimen fuusio elins. DD-reaktio (deuterium D = vedyn isotooppi 2H), sillä radioaktiivisentritiumin käyttö aiheuttaa lisävaatimuksia laitteistolle ja säteilyturvallisuu-teen. DD-reaktio on esitetty kuvassa 6. Reaktio synnyttää lähes monoenergisiä2,45 MeV:n neutroneja sekä 3-heliumia. Mikäli sovellus vaatii jatkuvan ener-

12

gispektrin neutroneita, käytetään TT-reaktioon perustuvaa generaattoria. [17]

Kuva 6: Kaaviokuva DD-reaktiosta

Neutronigeneraattorien etu isotooppilähteisiin verrattuna on suuri neutroni-tuotto, jopa 1011 neutronia sekunnissa. Neutronien monoenergisyys voi myösolla sovellusta helpottava tekijä. Neutronigeneraattorin säteilyturvallisuuttaisotooppilähteisiin verrattuna parantaa mahdollisuus kytkeä generaattori poispäältä, kun sitä ei käytetä. [9]

Kuva 7: Neutronigeneraattorin rakenne [18]

Neutronigeneraattori koostuu ionilähteestä, kiihdytysosasta ja kohtiosta. Esi-merkki generaattorin rakenteesta on kuvassa 7. Ionilähde ionisoi deuterium-kaasua muodostaakseen intensiivisen tyypillisesti muutaman milliampeerinionisuihkun, joka ekstraktoidaan ionilähteestä ja kiihdytetään 100–200 kV

13

jännitteellä titaanikohtioon. Osa ionisuihkun deuteriumista reagoi kohtioonimplantoitujen deuterium-ytimien kanssa tuottaen neutroneita. Deuteriumio-nit, jotka eivät reagoi kohtion ydinten kanssa, jäävät kohtioon. Näin kohtiossaon aina riittävä määrä deuteriumia neutronituottoon. Tällaista ionisuihkullalatautuvaa kohtiota kutsutaan itselatautuvaksi kohtioksi. Itselatautuva kohtiopidentää neutronigeneraattorin käyttöikää moninkertaiseksi. [17]

Nykyiset neutronigeneraattorit ovat hyvin kompakteja laitteita ja vaativatvain vähän ulkopuolisia laitteita. Toimiakseen generaattori tarvitsee kuiten-kin tyhjiöpumppauksen, korkeajännitelähteen ionisuihkun kiihdyttämiseksi,RF-teholähteen sekä impedanssimuuntimen ionilähdettä varten. [17]

14

5 Gammasäteilyn ilmaisimista

Gammasäteily on sähkömagneettista säteilyä, eli luonteeltaan samanlaista aal-toliikettä kuin näkyvä valo. Säteilyn aallonpituus on kuitenkin huomattavastipienempi ja energia siten moninkertaisesti suurempi kuin näkyvällä valolla.Gammasäteilyä syntyy virittyneen ytimen viritystilan purkautuessa. Ytimenviritystila voi syntyä esimerkiksi neutronisieppauksen seurauksena.

Gammasäteily vaimenee väliaineessa erilaisten vuorovaikutusmekanismienmyötä. Tärkeimmät vuorovaikutusmuodot ovat valosähköinen ilmiö, Comp-tonin sironta ja parinmuodostus. Säteilyn vaimeneminen on eksponentiaalistaja noudattaa Beer-Lambertin yhtälöä

I = I0e−µd = I0e

−µρρd, (2)

missä I0 on fotonien alkuperäinen intensiteetti, d väliainekerroksen paksuus jaI fotonien intensiteetti väliainekerroksen läpäisemisen jälkeen, µ on lineaari-nen vaimennuskerroin [m−1], µρ on massavaimennuskerroin [m

2/kg] ja ρ on

väliaineen tiheys [kg/m3]. Puoliintumispaksuudeksi kutsutaan sitä väliaine-kerroksen paksuutta, jonka läpi kuljettuaan säteilyn intensiteetti puolittuu, eli

d1/2 =ln 2

µ=

ln 2

µρρ. (3)

Gammasäteilyn puoliintumispaksuuksia ja vaimentumista puumateriaalissa,tarkemmin sanottuna hakkeessa, on tarkasteltu luvun 7.3 taulukossa 15. Puo-liintumispaksuudet ovat kymmeniä senttimetrejä yli 1 MeV gammaenergioil-le, joten aktivaatiogammat pääsevät kohtalaisesti kulkeutumaan puun läpi.

5.1 Puolijohdeilmaisimet

Jotta neutroniaktivaatiossa syntynyt gammasäteily voidaan kokeellisesti ha-vaita ja analysoida, tarvitaan säteilyn ilmaisin. Tarkkaa energianerotusky-kyä vaativiin sovelluksiin on käytännöllistä valita hyvän energiaresoluutionomaava puolijohdeilmaisin.

Puoliarvoleveys (FWHM= Full Width at Half Maximum) on suure, jota käyte-tään kuvaamaan ilmaisimen energianerotuskykyä. Puoliarvoleveys määritel-lään piikin leveytenä kohdalla, jossa korkeus on puolet maksimista. Tätä onhavainnollistettu kuvassa 8.

15

Kuva 8: Puoliarvoleveyden määrittäminen.

Gammasäteilyn ilmaisimien havaitsemistehokkuutta kuvataan yleisesti suu-reella suhteellinen tehokkuus. Se määritellään vertaamalla tehokkuutta stan-dardin 76 · 76 mm2 (3” × 3”) NaI(Tl)-ilmaisimen tehokkuuteen 25 senttimet-rin etäisyydellä olevan 60Co-pistelähteen 1332,5 keV säteilylle. Tehokkaimpiengermaniumilmaisimien suhteellinen tehokkuus on yli 150 prosenttia. [31]

Yleisimmät puolijohdeilmaisinmateriaalit ovat pii ja germanium. Taulukossa 4on esitetty näiden ominaisuuksia. Järjestysluku, tiheys ja kidekoko vaikuttavathavaitsemistehokkuuteen, sillä mitä tiheämpää aine on ja mitä suurempia ki-teitä siitä voidaan valmistaa, sitä tehokkaammin se pysäyttää myös suuriener-gisiä gammoja. Kun kehitetään sovellusta, jossa havaittavan gammasäteilynenergia on useita megaelektronivoltteja, korostuu ilmaisimen hyvä havaitse-mistehokkuus. Pii-ilmaisimet eivät pienen kidekokonsa vuoksi ole hyödyllisiäMeV-luokan gammaspektroskopiassa.

Taulukko 4: Puolijohdemateriaalien tärkeimpiä ominaisuuksia gammaspekt-rometriassa.

Alkuaine Järjestysluku (Z) Tiheys [g/cm3] Yleinen kidekoko

Si 14 2,33 < 1 cmGe 32 5,323 5-10 cm

Puolijohdeilmaisin on käytännössä estosuuntaan kytketty diodi, jossa p- ja n-tyypin puolijohteet on kytketty yhteen tyhjennysalueen saavuttamiseksi. Kunliitoksen yli kytketään estosuuntainen korkeajännite, kasvaa tyhjennysalue

16

massiiviseksi, jopa koko kiteen kokoiseksi. Kun tälle tyhjennysalueelle osuugammakvantti, se synnyttää elektroni-aukkopareja. Syntyneiden varauksen-kuljettajien määrä on verrannollinen tyhjennysalueelle osuneen fotonin ener-giaan. Nämä varauksenkuljettajat keräytyvät diodin kentässä elektrodeille janäin saadaan kerättyä virtapulssi.

Puolijohdeilmaisimesta saatava pulssi on heikko, joten se vaatii vahvistuksenesivahvistimella ja lineaarivahvistimella. Esivahvistin on usein kytketty ilmai-simeen kiinteästi. Vahvistuksen jälkeen pulssit analysoidaan tarkoituksenmu-kaisesti. Useimmiten muodostetaan energispektri, jota voidaan analysoida tie-tokoneohjelmilla.

Luonnollisesta lämpöliikkeestä aiheutuvat termiset varauksenkuljettajat ai-heuttavat kohinaa puolijohteita käytettäessä. Tätä voidaan eliminoida jäähdyt-tämällä ilmaisinta esimerkiksi nestetypellä. Nestetypen käytössä on kuitenkinomat vaaransa ja ongelmansa. Teollisiin sovelluksiin onkin nykypäivänä tar-jolla myös sähköisiä jäähdytysjärjestelmiä.

Neutronisovelluksissa on tärkeää muistaa suojata puolijohdeilmaisinta liialtanopeiden neutronien kuormalta, sillä nopeat neutronit aiheuttavat vaurioitapuolijohdekiteessä. Vauriot näkyvät gammaspektrissä piikkeihin muodostu-vana häntänä. Piikit siis levenevät eli ilmaisimen energiaresoluutio huononeeneutronivaurioiden myötä.

Neutronivauriot on mahdollista poistaa ilmaisinkiteestä lämmittämällä kidet-tä noin 100◦ C lämpötilaan. Aika, joka kide tulee olla lämmitettynä, riip-puu ilmaisintyypin lisäksi neutronivaurioiden laajuudesta ja vaihtelee tun-neista useisiin vuorokausiin. [24] Neutronit alkavat huonontaa ilmaisimenenergiaresoluutiota, kun nopeiden neutronien kokonaisannos on luokkaa 109–1010 neutronia/cm2 [20]. Ilmaisimet eivät yleensä kärsi lämmityksestä, jotenneutronivauriot voidaan poistaa useita kertoja ilmaisimen eliniän aikana.

5.2 Uudet tuikemateriaalit puolijohteiden haastajina

Perinteiset tuikemateriaalit (NaI, BGO) eivät ole pystyneet kilpailemaan puo-lijohteiden kanssa energiaresoluution puolesta. Sitä vastoin useiden tuikema-teriaalien suuri tiheys ja kiteiden suuri koko tuovat mukanaan suuremmanhavaitsemistehokkuuden. Erityisesti korkeilla gammaenergioilla tämä ero ko-rostuu.

Viime vuosina tuikemateriaalit ovat kehittyneet merkittävästi. Uudenlaisillamateriaaleilla, kuten LaBr3(Ce), voidaan päästä tuikemateriaaleille ennennä-kemättömän hyvään energiaresoluution. Suhteellinen energiaresoluutio myösparanee energian kasvaessa.

17

Taulukossa 5 on esitelty uusien ja vanhojen tuikeaineiden ominaisuuksia [11].Valontuotto tulisi olla mahdollisimman suuri, jotta signaali saadaan talteen.Tuikahduksen sammumisaika taas tulisi olla mahdollisimman lyhyt, jotta il-maisin voisi vastaanottaa mahdollisimman paljon fotoneja menemättä tuk-koon.

Taulukko 5: Tuikeaineiden ominaisuuksia. BrilLanCe R© on Saint Gobain Crys-talsin tuotemerkki (LaBr3(Ce))-tuikeaineelle. [11] [28]

Tuikeaine Tiheys [g/cm3] Valontuotto [γ/keV] Sammumisaika (ns)

NaI(Tl) 3,67 41 230BGO 7,1 9 300LSO 7,4 26 40

BrilLanCe R© 380 5,29 63 16LaCl3(Ce) 5,07 70 16LaI3(Ce) 5,6 90 6–140

Kuva 9: Koboltti-60 spektri mitattuna 3” × 3” NaI(Tl)-ilmaisimella ja 3” × 3”BrilLanCe R© 380 (LaBr3(Ce)) -ilmaisimella. Ilmaisimien suhteelliset tehokkuu-det ovat 100 % natriumjodidille ja 143 % BrilLanCelle. Piikkien puoliarvole-veys on natriumjodidilla mitattuna 5,4 % ja BrilLanCen 2,1 %. [28]

Tuikemateriaalien valttina on myös edullisuus. Ne ovat huomattavasti puoli-johdeilmaisimia edullisempia, eivätkä ne myöskään kaipaa jäähdytystä. Ener-giaresoluution parantuessa uusien materiaalien myötä, alkavat tuikeilmaisi-met olla varteenotettavia kilpailijoita puolijohdeilmaisimille myös energiaher-kissä sovelluksissa. Kuvassa 9 on esitetty 60Co-lähteen gammaspektri mitattu-

18

na NaI(Tl)-ilmaisimella ja uudella LaBr3(Ce)-ilmaisimella. Uuden ilmaisimenenergianerotuskyky on huomattavasti parempi.

LaBr3(Ce)-ilmaisin ei kuitenkaan tuo merkittävää parannusta havaitsemiste-hokkuuteen verrattuna puolijohdeilmaisimeen, sillä sen tiheys on lähes samakuin germaniumin. Uusi ilmaisinmateriaali voittaa kuitenkin natriumjodidintiheydessä ja tehokkuudessa. Kidekokoa kasvattamalla voidaan tehokkuuttalisätä. BrilLanCe R©-ilmaisimia ei kuitenkaan ole toistaiseksi saatavissa suurem-paa kidekokoa kuin 3” × 3”.

19

6 Simulaatio-ohjelma MCNPX

Tämän luvun pääasiallisena kirjallisuuslähteenä on D. Pelowitzin MCNPXUser´s Manual [25]. Muut lähdeteokset on merkitty erikseen.

Tutkimuksessa tehtiin käytännön mittausten tueksi ja suunnittelun avuksi si-mulaatioita MCNPX-koodilla. MCNPX (Monte Carlo N-Particle transport co-de, versio X) on Monte Carlo -menetelmään perustuva ohjelmakoodi, jolla voi-daan simuloida neutronien, fotonien ja elektronien kulkeutumista väliainees-sa ja vuorovaikutuksia aineen kanssa. Monte Carlo on satunnaislukuihin pe-rustuva menetelmä, joka hyödyntää todennäköisyyslaskentaa ja tilastotiedet-tä. Ohjelma on kehitetty Los Alamos National Laboratoryssa ja se on käytössämaailmanlaajuisesti.

Ohjelma toimii siten, että se ottaa neutronin ja arpoo sille satunnaisen läh-tösuuunnan. Käyttäen tunnettuja fysiikan lakeja ja ohjelman sisältämien da-takirjastojen todennäköisyyksiä eri väliaineiden vuorovaikutuksille, ohjelma”arpoo” missä ja millainen vuorovaikutus tapahtuu. Neutronia seurataan niinkauan, kunnes se katoaa esimerkiksi sieppauksen seurauksena. Katoamiseenvoivat johtaa myös neutronin kulkeutuminen epäkiinnostavalle alueelle geo-metriassa tai sen energian putoaminen alle leikkausrajan.

Kun alkuperäinen neutroni on kadonnut, seuraa ohjelma vuorovaikutuksis-sa syntyneiden hiukkasten ja fotonien kulkua aloittaen viimeisimmästä syn-tyneestä hiukkasesta tai fotonista. Kun nämä sekundäärihiukkaset katoavat,on kierros suoritettu ja siirrytään seuraavaan neutroniin. Vaiheita toistamallasaadaan hiukkasten ja fotonien keskimääräiset elinkaaret selvitettyä. Tallenta-malla haluttu data simulaatiosta päästään tarkastelemaan näitä ilmiöitä.

Koodi voidaan asettaa laskemaan kulkeutumista useilla eri tavoilla: pelkätneutronit, fotonit tai elektronit, yhdistetty neutronien ja fotonien kulkeutumi-nen, jossa fotonit ovat syntyneet neutronien ja aineen välisissä vuorovaikutuk-sissa, fotonien synnyttämien elektronien kulkeutuminen, elektronien synnyt-tämien fotonien kulkeutuminen tai neutroneiden synnyttämien fotonien kul-keutuminen ja näiden fotonien aiheuttamien elektronien kulkeutuminen.

Simulaatiot ovat mahdollisia laajalla energia-alueella. Neutroneja voidaan si-muloida energiavälillä 10−11–20 MeV kaikille isotoopeille ja jopa 150 MeV as-ti osalle isotoopeista. Fotonien energia voi olla 1 keV – 100 GeV ja elektro-nien energia välillä 1 keV – 1 GeV. Laajat energiaskaalat mahdollistavat koodinhyödyntämisen moniin erilaisiin tarkoituksiin. MCNP-koodia on hyödynnettyesimerkiksi ydinreaktoreiden suunnittelussa [12] ja monien lääketieteellistensovellusten suunnittelussa, kuten sädehoitoon kuuluvat boorineutronikaap-paushoito (BNCT) [19][6], protoniterapia [32] ja tyköhoito [10]. Myös ydinvoi-

20

malaitosten turvallisuutta ja poikkeustilanteita voidaan simuloida ohjelmalla.

Ohjelmaa käytetään luomalla input-tiedosto, johon kirjataan ohjelman vaati-massa muodossa kaikki oleellinen tieto simulaation suorittamiseksi. Tiedos-to ajetaan sitten ohjelman läpi. Input-tiedostossa määritellään esimerkiksi si-mulaatiogeometria, käytetyt materiaalit, lähteen (neutroni-, fotoni- tai elektro-nilähde) sijainti sekä lähteen laatu. Input-tiedostossa määritellään myös, mi-tä tietoja simulaatiosta halutaan kerätä (tally) ja kuinka monta hiukkasta si-muloidaan. Liittessä A on esitetty esimerkki simulaatioissa käytetyistä input-tiedostoista.

6.1 Datakirjastot

MCNP-koodi käyttää vaikutusaloille ja muille tarvittaville parametreille laajo-ja datakirjastoja. Pääasiallisesti ohjelman tiedot ovat peräisin seuraavista läh-teistä: Evaluated Nuclear Data File (ENDF), Advanced Computational Tech-nology Initiative (ACTI), Evaluated Nuclear Data Library (ENDL), EvaluatedPhoton Data Library (EPDL), Activation Library (ACTL) sekä Nuclear Physics(T-16) Group.

MCNP-koodin sisältämät datataulukot voidaan jakaa yhdeksään luokkaan.Nämä ovat: 1) jatkuvaenergiset neutronien vuorovaikutukset, 2) diskreetitneutronivuorovaikutukset, 3) jatkuvaenergiset fotoatomaariset vuorovaiku-tukset, 4) jatkuvaenergiset fotoydinvuorovaikutukset, 5) neutronien dosimet-riset vaikutusalat, 6) neutroneiden S(α,β) terminen data, 7) moniryhmäisetneutronit, pariutuneet neutroni/fotoni ja varatut hiukkaset, jotka vaikuttavatneutroneilta, 8) moniryhmäiset fotonit ja 9) elektronien vuorovaikutukset.

Fotoatomaarisille vuorovaikutuksille ja elektroneille tarvitaan yksi alkuaine-taulukko, joka pätee saman alkuaineen kaikille isotoopeille. Neutronien vuo-rovaikutukset ja fotoydinreaktiot taas ovat riippuvaisia ytimen tarkasta koos-tumuksesta, joten jokaiselle isotoopille on oma taulukkonsa. Datataulukot kat-tavat ydinreaktiot, jotka aiheutuvat neutronien vuorovaikutuksista, neutro-nien indusoimista fotoneista, fotonien vuorovaikutuksista, neutroniaktivaa-tiosta sekä termisestä hiukkassironnasta.

Neutronivuorovaikutustaulukoita on tarjolla yhteensä yli 836 kappaletta noinsadalle eri isotoopille ja alkuaineelle. Yhtä isotooppia varten on olemassauseampia taulukoita, sillä taulukoiden tiedot ovat tuloksia erilaisista arvion-neista tai arvot ovat määritetty esimerkiksi tietylle lämpötilavälille. Käyttä-jä pystyy itse määrittelemään, minkä taulukon arvoja haluaa simulaatiossaankäyttää. Taulukoita päivitetään ohjelmaan, kun uutta tutkimustietoa ilmestyy,joten niiden määrä kasvaa.

21

Fotonien vuorovaikutustaulukot kattavat kaikki alkuaineet järjestyslukuvä-lillä Z = 1–100. Vuorovaikutustaulukkojen avulla MCNP pystyy ottamaanlaskuissa huomioon koherentin sekä epäkoherentin sironnan, parinmuodos-tuksen sekä valosähköisen absorption, johon liittyy mahdollisesti fluoresoivaemissio. Elektronit eivät olleet oleellisia tässä tutkimuksessa, joten niiden tar-kempi käsittely jätetään tässä huomiotta. Datakirjastot sisältävät myös paljoninformaatiota fissiosta, mutta nämäkään tiedot eivät ole oleellisia tämän tutki-muksen kannalta.

Käytetyt datakirjastot määritellään esimerkiksi materiaalivalintojen kautta.Simulaatiossa käytettävät materiaalit merkitään input-tiedostoon ns. ZAID-koodin avulla. ZAID-koodi sisältää informaation aineen järjestysluvusta Z,massaluvusta A sekä ID-tunnisteen, jolla määritellään kyseisen aineen simu-loinnissa käytettävä datakirjasto.

Ohjelmalla on mahdollista simuloida myös asioita, joihin ei ole taulukoituamittausdataa olemassa. Tällöin ohjelma käyttää fysikaalisia malleja asioidenlaskemisessa.

6.2 Geometrian luominen

Simulaatiogeometria on käyttäjän määrittämä 3-ulotteinen kokoonpano erimateriaaleista geometrisissä soluissa, joita rajoittavat pinnat. Solut määritel-lään leikkausten, yhdisteiden ja komplementtien avulla alueista, joita pinnatrajaavat. Pinnat määritellään antamalla ohjelmalle kertoimet pintayhtälöihin.MCNPX sisältää myös ”macrobody”-toiminnon, jonka avulla on mahdollistamallintaa peruskappaleita, kuten palloja, laatikoita ja sylintereitä. Näitä voi-daan yhdistellä samoin kuin yksittäisiä pintojakin käyttäen joukko-opin ope-raattoreita.

MCNP-ohjelman geometrian mallinnus on yleisempää kuin monissa muissamallinnusohjelmissa. Sen lisäksi, että käyttäjä voi yhdistellä monia valmiik-si määriteltyjä kappaleita, on mahdollista myös luoda itse halutunmuodoisiaalueita. Ohjelmalla voidaan siis simuloida hyvin monenmuotoisia kappaleita.

Simulaatiogeometrian luominen alkaa origon valinnalla. Tämä valinta kan-nattaa tehdä huolella, jotta kappaleiden sijoittelu olisi mahdollisimman yksin-kertaista. Ohjelma käyttää karteesista koordinaatistoa. Käyttäjä voi määrittääkoordinaattiakselit haluamallaan tavalla, mutta suositeltavaa olisi käyttää oi-keakätistä koordinaatistoa.

MCNP seuraa hiukkasia geometrian lävitse laskien käyttäjän määrittämien ra-joittavien pintojen ja seurattavan hiukkasen radan leikkauspisteitä ja määrittää

22

näin lyhimmän etäisyyden leikkauspisteeseen. Mikäli hiukkasen vapaa matka,eli etäisyys seuraavaan törmäykseen, on suurempi kuin etäisyys seuraavaanpintaan, siirtyy hiukkanen seuraavaan soluun, jossa hiukkasen seuraaminenjatkuu.

Input-tiedosto aloitetaan määrittelemällä solut simuloitavista kappaleista. Jo-kainen solu kuvataan solunumerolla, materiaalinumerolla sekä materiaalintiheydellä. Materiaalien määrittely tapahtuu input-tiedoston loppuvaiheessaZAID-koodien avulla. Solu on leikkaus, yhdiste tai komplementti tiedostossamääriteltävistä pinnoista.

Pintoja toteutettaessa tulee päättää, halutaanko luoda kappaleet pintojen vai”macrobodyjen” avulla. Simulaatioita toteutettiin aluksi pintojen avulla, mut-ta kun luodut geometriat muuttuivat monimutkaisemmiksi, siirryttiin mac-robodyjen käyttöön. Pintoja käytettäessä esimerkiksi kuution simuloimiseksitulee input-tiedostoon luoda kuusi pintaa (kuusi riviä koodia) ja kuutio muo-dostetaan näiden pintojen sopivalla leikkauksella. Macrobodyn luominen onyksinkertaisempaa ja kuution luominen onnistuu yhdellä rivillä, jossa anne-taan ohjelmalle kappaleen muoto (kuution tapauksessa koodi rpp) sekä jokai-sen sivun alkamis- ja päättymiskoordinaatit.

Kappaleiden luomisen jälkeen ohjelmalle kerrotaan, mitkä ovat merkitykselli-siä hiukkasia kyseisessä simulaatiossa. Kaikissa tehdyissä simulaatioissa tar-kasteltiin sekä neutroneja että fotoneja. Simulaatiomoodin valitsemisen jäl-keen annetaan jokaiselle solulle erikseen simuloitavien hiukkasten tärkeys so-lussa. Tärkeys 1 mahdollistaa hiukkasten seuraamisen, kun taas tärkeys 0 ka-dottaa hiukkaset niiden saapuessa kyseiseen soluun.

Ohjelma tarkastaa geometrian virheitä automaattisesti, eikä simulaation käyn-nistys onnistu puutteellisella geometrialla. Geometria on syytä aina luoda jatarkastaa huolella, jotta simulaatiolla mitattaisiin haluttua suuretta. Geomet-rian tarkastamisen avuksi voi käyttää esimerkiksi ohjelman piirtotoimintoa,jolla voidaan tarkastella tuotettua geometriaa eri suunnista.

Input-tiedostoon tulee antaa informaatio lähteen tyypistä (neutroni-/fotoni-/elektronilähde), tuottamasta energiasta ja lähteen sijainnista. Yksinkertaisin-ta on käyttää pistemäistä lähdettä, mutta lähde on myös esimerkiksi mahdol-lista laajentaa jonkin simulaatiossa olevan pinnan kokoiseksi. Tehdyissä simu-laatioissa käytettiin pistemäistä lähdettä, sillä todellinen säteilylähde on hyvinpieni verrattuna näytteen kokoon.

Ohjelmalla on mahdollista muokata myös lähteestä emittoituvien hiukkas-ten/fotonien kulmajakaumaa. Tämän tutkimuksen simulaatioissa käytettiinisotrooppista jakaumaa, eli lähde lähettää neutronit tasaisesti koko avaruus-

23

kulmaan. Tämä oli tilanne myös todellisen lähteen tapauksessa.

Tässä tutkimuksessa lähde oli aina neutronilähde. Simulaatioita tehtiin pää-asiallisesti 252Cf-lähteellä, jolloin lähteellä oli luvussa 4.1 olevan kuvan 5kaltainen energiaspektri. Joitakin simulaatioita tehtiin myös käyttäen DD-generaattorin tuottamia neutroneja, jolloin lähteestä emittoituvat neutronit oli-vat monoenergisiä (2,45 MeV).

6.3 Kerättävä informaatio

Käyttäjä voi määrittää MCNP-ohjelman laskemaan eri asioita erilaisilla lasku-reilla (tally). Mitattavia suureita ovat esimerkiksi hiukkasvirta ja hiukkasvuosekä energiajättö. Mitatut suureet on normitettu lähtöhiukkasta kohden, mi-käli käyttäjä ei toisin määrittele. Ohjelma on hyvin monipuolinen ja laaja mah-dollistaen jälleen hyödyntämisen hyvinkin erilaisiin sovelluksiin.

Taulukko 6: MCNP-koodin standardilaskurit ja niiden merkitys

Laskurin numero Laskettava suure Yksikkö

F1 virta pinnan yli hiukkastaF2 vuo pinnan yli hiukkasta/cm2

F4 vuo solun yli hiukkasta/cm2

F5 vuo piste- tai rengasilmaisimessa hiukkasta/cm2

F6 energiajättö MeV/gF7 fissioenergiajättö MeV/gF8 pulssin korkeus pulssia

Ohjelmassa on standardina seitsemän erilaista laskuria. Näihin sisältyy seit-semän neutroni-, kuusi fotoni- ja neljä elektronilaskuria. Näitä on käyttäjänvielä mahdollista modifioida eri tavoin. Taulukossa 6 on esitetty standardi-laskurien merkitys. Näiden fysikaalinen merkitys ja yksiköt on esitetty tau-lukossa 7 ja käytettyjen symbolien selitykset taulukossa 8. Standardilasku-rien lisäksi MCNP-koodi sisältää yhden erityisen laskurityypin ”verkkolasku-rin” (mesh tally). Tämä laskuri mahdollistaa laskennan myös simulaatiogeo-metriasta riippumattomassa verkossa, eli käytännössä missä tahansa pisteessägeometriaa riippumatta geometrian pinnoista ja soluista.

Yleistettynä voidaan sanoa, että MCNP-koodilla on mahdollista kerätä infor-maatiota mistä tahansa ominaisuuksista, jotka on mahdollista esittää muodos-sa

C =∫

φ(E) f (E)dE. (4)

24

Taulukko 7: MCNP-koodin laskurien fysikaaliset merkitykset

Fysikaalinen merkitys

F1 W J =∫

dE∫

dt∫

dA∫

dΩ∣

∣Ω̂ · n̂∣

∣ ψ(~r,Ω̂,E,t)F2 W

|µ|Aφ̄S =

1A

∫

dE∫

dt∫

dA∫

dΩψ(~r,Ω̂,E,t)

F4 W TlV φ̄V =1V

∫

dE∫

dt∫

dV∫

dΩψ(~r,Ω̂,E,t)

F5W·p(Ω̂P)e

−λ

R2φP =

∫

dE∫

dt∫

dΩψ(~r,Ω̂,E,t)F6 WTlσt(E)H(E)

ρam Ht =

ρam

∫

dE∫

dt∫

dV∫

dΩσt(E)H(E)ψ(~r,Ω̂,E,t)F7 WTlσf (E)Q

ρam H f =

ρam Q

∫

dE∫

dt∫

dV∫

dΩσf (E)ψ(~r,Ω̂,E,t)F8 WC biniin ED pulssia

Taulukko 8: Taulukossa 7 käytettyjen symbolien selitykset

W hiukkasen painoWC kollektiivinen paino

~r,Ω̂,E,t hiukkasen paikka- ja suuntavektorit [cm], energia [MeV], aika [108s]µ Ω · n̂

A,V pinta-ala [cm2] ja tilavuus [cm3]Tl polun pituus [cm]

p(Ω̂P) todenäköisyystiheysfunktio sironnalle ΩP suunnassa kohti pisteilmaisintaλ vapaiden matkojen lukumäärä hiukkasen sijainnista ilmaisimeenR lähteen etäisyys ilmaisimesta

σt(E) mikroskooppinen kokonaisvaikutusala [barn]σf (E) mikroskooppinen fissiovaikutusala [barn]H(E) törmäyslämmitys [MeV/törmäys]

ED kokonaisenergiajättö ilmaisimeenρa atomitiheys [atomia/barn-cm]ρg massatiheys [g/cm

3]m solun massa [g]Q fission Q-arvo [MeV]ψ kulmavuo [hiukkasta/cm2/sh/MeV/sterad]J kokonaisvirta pinnan yli

φ̄S keskimääräinen vuo pinnallaφ̄V keskimääräinen vuo solussaφP vuo pisteessä~rP piste, jossa ~rP on määriteltyHt kokonaisenergiajättö soluun [MeV/g]H f kokonaisfissioenergiajättö soluun [MeV/g]

25

Tässä φ(E) on energiasta riippuva vuo ja f (E) on summa tai tulo vaikutusala-kirjastoista löytyvistä ominaisuuksista tai vastefunktio, jonka käyttäjä määrit-telee.

Suoritetuissa simulaatioissa mitattiin neutronien ja fotonien vuota pinto-jen tai ilmaisinsolun läpi, fotonien energiajättöä ilmaisinkiteeseen ja (n,γ)-reaktioiden esiintymistiheyttä geometrian eri osissa.

6.4 Simulaation luotettavuus

Ohjelma antaa kerätylle informaatiolle suhteellisen virheen R. Jokaiselle las-ketulle spektrin energiavälille annetaan oma virheensä. Suhteellinen virhe ker-too simulaation luotettavuudesta taulukon 9 mukaisesti. Suhteellinen virhe olisuoritetuissa simulaatioissa luokkaa 0,001–0,12. Jokaisessa simulaatiospektris-sä oli energiavälejä, joiden virhe oli tätä suurempi, mutta tarkasteltujen piik-kien virheet olivat kuitenkin luotettavalla tasolla.

Taulukko 9: Suhteellisen virheen R suuruuden vaikutus simulaation luotetta-vuuteen

R Luotettavuus

0,5–1,0 ei luotettava0,2–0,5 kyseenalainen0,1–0,2 suuntaa-antava< 0,10 yleensä luotettava< 0,05 yleensä luotettava pistedetektoreille

Hiukkasmäärän kasvattaminen pienentää yleensä energiavälin virhettä kerät-tävän statistiikan kasvaessa ja parantaa näin simulaation tulosten luotetta-vuutta. Samalla kuitenkin kasvaa myös simulaation kesto. Tässä tutkimuk-sessa tehtiin simulaatioita, joissa simuloitujen hiukkasten määrä vaihteli välil-lä (1–200) · 106. Hiukkasmäärää varioitiin kussakin tilanteessa tarpeeksi suu-reksi, jotta simulaation tulokset saatiin luotettavalle tasolle. Simulaation kes-to riippuu paitsi hiukkasmäärästä, myös simuloitavasta geometriasta ja senkoosta, sekä tietysti käytössä olevan tietokoneen laskentatehosta. Tässä tutki-muksessa yhden simulaation kesto vaihteli muutamasta tunnista noin 10 päi-vään, riippuen mitä tarkasteltiin ja kuinka tarkkoja tuloksia haluttiin.

26

7 Hakemittaukset

Kesällä 2008 tehtiin ensimmäiset mittaukset neutroniaktivaatiomenetelmäähyödyntäen. Tarkastelun kohteena oli pieniä määriä (n. 80 l) erikosteuksisiaselluhakenäytteitä. Mittauksia suunniteltiin ja optimoitiin simulaatioin sekäsimulaatioiden ja mittausten tuloksia verrattiin toisiinsa.

7.1 Simulaatiot

Simulaatioita tehtiin sekä ennen kokeellisia mittauksia, että kokeellisten mit-tausten jälkeen tulosten yhtenevyyden tarkistamiseksi. Ennen mittauksia teh-tyjen simulaatioiden tarkoituksena oli suunnitella mittausasetelmaa ja enna-koida, saadaanko halutut vety- ja hiilipiikit näkyviin. Näissä alustavissa si-mulaatioissa käytettiin suurta kosteuden vaihteluväliä, jotta nähtäisiin, onkokosteusero havaittavissa spektreistä. Simuloidut kosteussuhteet olivat 0 % ja100 %. Mittausten suorittamisen jälkeen tehtiin uudet simulaatiot, joissa korjat-tiin geometria ja näytteiden kosteudet käytetyn kaltaisiksi ja tarkistettiin saa-tiinko toistettua mittausten tulokset. Kosteussuhteet olivat näissä simulaatiois-sa 5,95 % ja 81,7 %. Tuloksia verrattiin mittaamalla saatuihin.

Simulaatioissa käytetyt puuaineksen alkuainepitoisuudet oli laskettu käyttäenAlakankaan teoksesta [3] löytyviä kuivan puumassan keskiarvoja. Muille ai-neille koostumuksen määrittämiseen on käytetty MCNP-koodia varten kehi-tettyä taulukkoteosta [34]. Puun koostumus simulaatioissa on esitetty taulu-kossa 10. Tiheydet on arvioitu Alakankaan teoksen [3] tietoja käyttäen täysinkuivalle hakkeelle. Suurempien kosteuksien tiheydet laskettiin veden lisäyk-sen mukaan.

Ensimmäisessä geometriassa (kuva 10) simulaatio oli rakennettu 5 cm paksui-sen polyeteenilevyn päälle. Levyn leveys oli 75 cm ja pituus 150 cm. Levynpäällä oli 2 kappaletta 20 × 20 × 5 cm3 polyeteenilevyjä, joiden päällä oli po-lyeteenisylinteri. Neutronilähde 252Cf oli keskellä säteeltään 10 cm olevaa sy-linteriä. Sylinterin korkeus oli 20 cm. Lähde oli siten ympäröity joka puoleltavähintään 10 cm paksuisella polyeteenillä.

Selluhake oli pakattu 80 litran muovisaaviin. Ympyräpohjaisen saavin alahal-kaisija oli 40 cm ja ylähalkaisija 50 cm. Korkeus oli 54 cm. Hakesaavin edessäja takana oli 50× 50 × 5 cm3 kokoiset polyeteenilevyt. Germaniumilmaisin olisijoitettu puun oikealle puolelle 5 cm paksun ja 20 cm pitkän lyijykollimaat-torin sisään. Kollimaattorin sisään jäi 10 × 10 cm2 kokoinen tila ilmaisimelle.Lyijyjen alla oli 11 cm polyeteeniä, jotta ilmaisin nousisi sopivalle korkeudellelähteeseen nähden. Germaniumkide oli ympyräpohjainen lieriö, jonka halkai-sija oli 7,2 cm ja pituus 7,9 cm. Kiteen etäisyys puusta oli 12 cm.

27

Taulukko 10: Simulaatiossa käytetyn puuhakemallin alkuainekoostumukseteri kosteuksille. Kosteussuhteen ollessa 0 %, oli tiheys 170 kg/m3 ja kos-teussuhteelle 5,95 % tiheys oli 180 kg/m3. Kosteussuhteelle 81,7 % tiheys oli309 kg/m3 sekä suhteelle 100 % tiheys 340 kg/m3. Tiheydet on ilmoitettu ha-kekuutiota kohden. Alkuainepitoisuudet ovat massaprosentteja.

Alkuaine 0 % 5,95 % 81,7 % 100 %ρ = 170 kg/m3 ρ = 180 kg/m3 ρ = 309 kg/m3 ρ = 340 kg/m3

C 52,5 49,5 23,9 26,2H 6,1 6,3 8,4 8,6O 40,5 43,2 62,2 64,7N 0,4 0,38 0,22 0,2S 0,02 0,019 0,011 0,01Cl 0,0095 0,0090 0,0052 0,0048P 0,03 0,028 0,017 0,015K 0,15 0,14 0,08 0,075Ca 0,28 0,26 0,15 0,14Mg 0,05 0,047 0,028 0,025Mn 0,030 0,028 0,016 0,015Fe 0,0085 0,0080 0,0047 0,0043Zn 0,003 0,0028 0,0017 0,0015B 0,0006 0,00057 0,00033 0,0003

Cu 0,0004 0,00038 0,00022 0,0002

28

Kuva 10: Ensimmäinen mittausgeometria sivusta kuvattuna.

29

Kolmas geometria oli identtinen ensimmäisen kanssa muilta osin, paitsi il-maisimena oli germaniumin sijasta NaI. NaI-kiteen säde oli 5,08 cm ja pituus10,16 cm.

Toisessa geometriassa hakesaavi oli ympäröity parafiinilla, joka sisältää boo-raksia 20 %. Ilmaisimena oli BGO-kiteillä anticomptonsuojattu germanium(kts. kappale 7.2.2). Geometrian 2 simulaatioissa käytetyt koostumuksetBGO:lle ja booratulle parafiinille on esitetty taulukossa 11. Parafiiniä oli 20 cmpaksu, 70 cm korkea kerros puun vasemmalla puolella ja puun takana. Mit-tauspöydän alla oli myös betoniharkkoja ja parafiiniä. Kuvissa 11 ja 12 on ha-vainnollistettu geometriaa. Puun etupuolella oli 50 × 50 × 5 cm3 polyeteenile-vy. Saavin päällä oli myös 40 × 40 × 20 cm3 verran parafiiniä. Germaniumil-maisimen lisäksi simulaatiossa oli 10 kpl BGO-kiteitä. Nämä olivat halkaisijal-taan 1,6 cm ja pituudeltaan 15 cm. BGO-kiteet oli sijoitettu germaniumkiteenympärille. Lyijykollimaattori oli tässä simulaatiossa suurempi kuin muissa,paksuutta sillä oli 10 cm ja pituutta 40 cm. Kollimaattorin sisälle jäi 20× 20 cm2

kokoinen aukko, jossa ilmaisimet olivat. Simulaatiossa mitattiin gammojenenergiajättöä germaniumiin ja BGO-kiteisiin.

Taulukko 11: Simulaatioissa käytetyt booratun parafiiinin ja BGO:n koostu-mukset atomiprosentteina

Alkuaine Parafiini BGO

1H 63,412C 26,016O 7,91 63,211B 1,86

23Na 0,9370Ge 3,2472Ge 4,3373Ge 1,2374Ge 5,7676Ge 1,2383Bi 21,1

MCNPX:llä pystyy myös laskemaan tietyn reaktion lukumääriä suhteessa lä-hetettyyn neutroniin jossain geometrian solussa. Tulosten ja koodin toimivuu-den varmistamiseksi tehtiin tällaiset simulaatiot eri kosteuksille ja katsottiinonko neutronisieppausmäärissä eroja. Tarkasteltavana reaktiona oli neutroni-sieppaus sekä vedylle että hiilelle. Oletuksena oli, että neutronisieppauksenmäärä vedylle kasvaa, kun kosteuspitoisuus kasvaa. Tulokset (Taulukko 12)osoittivat koodin toimivan oikein.

30

Kuva 11: Toinen mittausgeometria kuvattuna sivusta.

31

Kuva 12: Toinen mittausgeometria kuvattuna ylhäältä.

Saaduista tuloksista laskettiin hiilen ja vedyn suhde sekä kuivassa että märäs-sä puussa. Näitä verrattiin hiilen ja vedyn atomimäärillä painotettuihin vaiku-tusalasuhteisiin ja todettiin, että reaktiomäärissä on todella ero. Vedyn reaktio-määrät kasvavat suhteessa hiilen määriin kosteuden kasvaessa. Koska lukuar-vot eivät vastaa toisiaan simuloitujen ja laskettujen H/C-suhteiden kohdalla,laskettiin vielä märemmän puun H/C-suhteen suhde kuivemman puun H/C-suhteeseen. Näin nähdään, että simuloiden saadut suhteet korreloivat hyvinlaskettujen arvojen kanssa.

Taulukko 12: MCNPX:n avulla saadut tulokset hiilen ja vedyn reaktiomääristäeri kosteuksille. Taulukossa on myös laskettu reaktiomäärien suhteet.

H/C (MCNPX) H/C (teoreettinen lasku)

5,95% 149 10081,7% 339 227

Märän ja kuivan suhde MCNPX Teoria2,275 2,270

32

7.2 Mittaukset

Kokeelliset mittaukset suoritettiin Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksenkiihdytinlaboratorion tiloissa ajalla 20.-30.5.2008, 11.-14.6.2008, 19.-25.6.2008 ja10.-12.8.2008. Jokainen mittaussarja tehtiin hiukan erilaisella geometrialla jaosittain erilaisella laitteistolla.

Mitattavana puuaineksena toimi selluhake, joka oli pakattu 80 litran muovi-saaveihin. Haketta saatiin VTT:ltä kahta eri kosteutta, joista sitten tehtiin laa-jempi mittaussarja lisäämällä vettä osaan hakkeista. Näin saatiin neljä mitat-tavaa näytettä kosteusvälille 5 − 80 %. Alkuperäiset hakkeen kosteussuhteetolivat (6 ± 1) % ja (56,4 ± 0,3) %. Nämä kosteudet oli määritetty kuivaus-menetelmällä. Lisäämällä kuivempaan hakkeeseen vettä tuotettiin seos, jon-ka kosteussuhde oli (29 ± 3) % ja vastaavasti lisäämällä vettä kosteampaanhakkeeseen tuotettiin (82 ± 4) % kostea hake. Haketta sisältävät muovisaa-vit peitettiin kansilla ja kannet tiivistettiin silikonilla, jotta kosteus ei päässythaihtumaan.

7.2.1 Ensimmäinen mittausgeometria

Mittauslaitteisto koottiin kiihdytinlaboratorion kellariin, huoneeseen, jonkakeskelle asetettiin pöytä. Pöydän päälle oli kiinnitetty 5 cm paksuinen polye-teenilevy. Levyn tarkoituksena oli estää neutronien päätymistä lattialle, jottalattiasta tulevat aktivaatiogammat eivät häiritsisi mittausta. Mittausgeometriaon esitetty kaavamaisesti kuvassa 10 ja valokuvana kuvassa 13.

Pöydälle nostettiin hakkeen sisältävä saavi ja germaniumilmaisin. Ilmaisin oliHPGe-ilmaisin (HP = high purity), jonka sylinterin-muotoisen kiteen pituusoli 7,9 cm ja halkaisija 7,6 cm. Ilmaisimen suhteellinen tehokkuus oli noin 80 %.Ilmaisin suojattiin lyijykollimaattorilla, jotta se havaitsisi vain puun suunnastatulevia gammoja, eikä esimerkiksi katosta tai seiniltä tulevia. Ilmaisimen toi-mintaan ja spektrinkeräykseen tarvittava elektroniikka koostui korkeajänni-telähteestä, esivahvistimesta, lineaarivahvistimesta, AD-muuntimesta ja mit-taustietokoneesta. Tietokoneessa oli GRAIN-spektrianalyysiohjelma. Käyte-tyn elektroniikan kaavio on esitettynä kuvassa 14.

Neutronilähde 252Cf sijoitettiin puuhakkeen viereen polyeteenistä valmiste-tussa säteilysuojassaan. Lähde tuotti 2 · 106 neutronia sekunnissa. Lähdettäympäröi suojassa joka suunnalta 10 cm polyeteeniä, jotta neutronit termali-soituisivat ja säteilyvaara huoneessa pienenisi. Lähde ja sen suoja ovat ku-vassa 15. Lähde on teräskapselin sisällä ja kapseliin on liitetty ruuvikierteel-lä muovitanko, jotta lähdettä voidaan käsitellä sormien altistumatta tarpeetto-man suurelle säteilyannokselle. Lähde ja puuhaketta sisältävä saavi ympäröi-

33

Kuva 13: Ensimmäinen mittausgeometria hakkeelle tehdyssä mittaussarjas-sa. Kuvassa etualalla germaniumilmaisin nestetyppisäiliöineen. Siniset tiiletmuodostavat lyijykollimaattorin ja valkoiset laatikot ovat boorattua parafii-nia. Mustat levyt ovat polyeteeniä ja harmaa saavi on täytetty mitattavalla sel-luhakkeella. Neutronilähde on hakesaavin takana polyeteenisuojassaan.

Kuva 14: Ensimmäisessä mittauksessa käytetyn kytkennän kaavio. (LA = li-neaarivahvistin, HV = korkeajännitelähde, ADC = analogidigitaalimuunnin jaPC = mittaustietokone)

34

tiin 5 cm paksuisilla polyeteenilevyillä neutronien termalisoitumisen tehosta-miseksi.

Kuva 15: Mittauksissa käytetty 252Cf-lähde vasemmalla. Lähde on suljettu te-räskapseliin ja kapseliin on kiinnitetty muovitanko käsittelyn helpottamiseksi.Oikealla lähteen polyeteenistä valmistettu säteilysuoja.

Mittaukset aloitettiin 20.5.2008 energia- ja tehokkuuskalibraatioilla 60Co-,Eu/Ba- ja 228Th -lähteitä käyttäen. Tilassa tehtiin myös taustamittaus ilman sä-teilylähteitä. Näiden jälkeen mitattiin jokaista neljää erikosteuksista puunäy-tettä noin puoli vuorokautta.

7.2.2 Toinen mittausgeometria

Jo ensimmäisellä mittauskonfiguraatiolla saatiin vedyn ja hiilen piikit näky-viin spektreihin. Spektreissä oli myös häiritseviä piikkejä, joiden oletettiin joh-tuvan ilmaisimen germaniumista ja seinien kaliumista. Oletettiin, että neutro-neja karkaa liikaa seinille ja pääsee ilmaisimeen aiheuttaen näissä materiaa-leissa aktivaatiota. Ilmiötä pyrittiin eliminoimaan lisäämällä enemmän lyijyäilmaisimen ympärille. Samoin lisättiin myös parafiinia näytteen ja lähteen ym-pärille.

Lisäksi otettiin käyttöön germaniumilmaisimen kanssa käytettävä anticomp-tonsuoja, jonka tehtävä oli pienentää muualta, kuin puunäytteestä tulevaataustaa merkittävästi. Anticomptonsuoja koostui kymmenestä BGO-kiteestä javalomonistinputkesta. Kuvissa 11 ja 12 on näkyvissä toisen mittausgeometrian

35

Kuva 16: Toinen mittausgeometria selluhakenäytteille. Laitteisto on kasattupöydän päälle. Mustat levyt ovat polyeteeniä, siniset tiilet lyijyä ja valkoisetlaatikot boorattua parafiinia. Hake on harmaassa muovisaavissa ja ilmaisin oi-kealla puolelle lyijykollimaattorin sisällä. Mittausasetelma painoi niin paljon,että pöytää piti tukea alta päin tunkilla ja sementtitiilillä.

36

kaavakuva sivusta ja ylhäältä kuvattuna. Kuvassa 16 on valokuva mittaukses-ta.

Anticomptonsuojan lisääminen monimutkaisti käytettyä elektroniikkaa jonkinverran. Aikaisempien laitteiden lisäksi tarvittiin valomonistinputkien korkea-jännitelähde, TFA-yksikkö (time fast amplifier), CF-yksikkö (constant fractiondiscriminator), koinsidenssiyksikkö ja viiveporttigeneraattori. TFA muutti il-maisimista saadun signaalin nopeammaksi ja CF muodosti signaaleista kantti-pulsseja. Tämän jälkeen kanttipulssit analysoitiin koinsidenssiyksikössä siten,että päällekkäin tulevat pulssit hylättiin ja vain eriaikaiset tapahtumat pääs-tettiin eteenpäin. Säilyneet pulssit vietiin viiveportin kautta analogidigitaali-muuntimelle ja sieltä tietokoneeseen. Kytkentää on havainnollistettu kuvas-sa 17. Mittaukset aloitettiin 11.6.2008 kalibraatiolla.

Tämän jälkeen mitattiin äärikosteuksisten (6 % ja 82 %) hakkeiden neutroniak-tivaatiogammoja noin vuorokauden ajan molempia.

Kuva 17: Kaavio toisessa mittausgeometriassa käytetyn elektroniikan kytken-nöistä.

7.2.3 Kolmas mittausgeometria

Kolmannessa mittauskonfiguraatiossa vaihdettiin Ge-ilmaisin NaI-tuikeilmai-simeen. Tarkoituksena oli testata, riittäisikö tavallisen NaI-kiteen energiare-soluutio tämän sovelluksen tarpeisiin. Käytetyn natriumjodidin kidekoko oli2” × 2”. Asetelma oli hyvin samankaltainen, kuin ensimmäisessä mittausgeo-metriassa, vain ilmaisin vaihdettiin. Elektroniset kytkennät olivat myös vas-taavat kuin mittausgeometriassa 1.

Energiakalibraatio tehtiin 60Co- ja 137Cs-lähteillä. Tämän lisäksi kalibraatioonotettiin mukaan vedyn neutroniaktivaatiopiikki. Tuikeilmaisimella mittasim-me vain äärikosteudet, eli kosteussuhteet 6 % ja 82 %. Molempia kosteuksiamitattiin noin 3 vuorokautta riittävän statistiikan kerryttämiseksi.

37

7.2.4 Neljäs mittausgeometria

Neljäs mittausgeometria oli pelkistetty. Kaikki ylimääräiset muovit ja mate-riaalit oli poistettu tuottamasta ylimääräisiä pulsseja spektriin. Hakesaavi olinostettu penkin päälle ja ilmaisin oli korokkeella lattiasta tulevan säteilyn pie-nentämiseksi. Lyijykollimaattoria ei käytetty ilmaisimen ympärillä, jotta väl-tettäisiin lyijyn tuottamat neutroniaktivaatiogammat. Kaliforniumlähde tei-pattiin kiinni hakesaavin kylkeen. Lähde oli siten ensimmäistä kertaa mittauk-sissa ilman polyeteenistä valmistettua säteilysuojaa.

Ilmaisimen ja puusaavin välinen etäisyys oli noin 15 cm. Käytetty geometriaon näkyvissä kuvassa 18. Ilmaisimena mittauksessa toimi germaniumilmaisinsamoilla oheislaitteilla ja kytkennöillä kuin ensimmäisissä mittauksissa. Yk-sinkertaistetussa geometriassa mitattiin vain äärikosteudet, kumpaakin noinvuorokausi.

Kuva 18: Neljännestä mittausgeometriasta oli poistettu kaikki ylimääräinenaines ja jätetty vain ilmaisin, puusaavi ja lähde. Lähde näkyy teipattuna kiinnipuusaavin kylkeen.

38

7.3 Tulokset ja niiden tarkastelu

Kuvissa 19,20 ja 21 on esitetty geometrioiden 1–3 mittauksista saadut spekt-rit eri kosteussuhteille. Saatuja spektrejä vertaamalla näkee hyvin germaniu-milmaisimen ja NaI-ilmaisimen väliset erot. Germaniumilmaisimella mitatuis-sa spektreissä on hyvä energiaresoluutio ja gammapiikit noudattavat hyvinGaussista jakaumaa. Tuikeilmaisimella mitatusta spektristä ei voida havaitakuin vedyn aiheuttama piikki kunnolla, muuten spektrin muodot ovat hyvinlaakeita.

102

103

104

105

106

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Inte

nsite

etti/

kana

va

Energia (keV)

C

H

C

Kosteus 5,95%Kosteus 81,7%

Kuva 19: Germaniumilmaisimella mitatut gammaspektrit selluhakenäytteistä,kun näytteen kosteussuhteet olivat 6 % ja 82 %.

Germaniumilmaisimella mitattuihin vedyn ja hiilen neutroniaktivaatiopiik-keihin sovitettiin Gaussin jakauman mukaiset käyrät. Sovitus onnistui hyvin.Haastellisinta oli hiilen 3684 keV piikin sovittaminen, sillä kohdassa oli suh-teellisen vähän statistiikkaa ja kohina oli suurta. Vähäinen statistiikka johtuisiitä, että kyseinen gammaenergia on suuri käytettyyn ilmaisinkiteen kokoonnähden. Näin ollen kaikkia ilmaisimeen saapuvia hiilen neutroniaktivaatio-gammoja ei saatu pysäytettyä ilmaisimeen ja ne jättivät vain osan energiastaanilmaisimeen aiheuttaen taustakohinaa.

Germanium- ja BGO-ilmaisimilla mitatussa spektrissä (kuva 20) huomataanantikoinsidenssikytkennän vaikutus spektriin verrattuna pelkällä germaniu-milmaisimella saatuihin (kuva 19) tuloksiin. Vaikka antikoinsidenssikytken-

39

101

102

103

104

105

106

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Inte

nsite

etti/

kana

va

Energia (keV)

C

H

C

Kosteus 5,95%Kosteus 81,7%

Kuva 20: Germaniumilmaisimella ja BGO-ilmaisimilla mitatut antikoinsidens-sivähennetyt spektrit 6 % ja 82 % kosteille selluhakkeille.

nän mittausaika oli noin kaksi kertaa pitempi kuin ensimmäisen mittausgeo-metrian tapauksessa, on mitattujen pulssien lukumäärä pienempi. Pääasialli-sesti kytkentä vähentää taustapulsseja, jolloin tarkasteltavat neutroniaktivaa-tiopiikit erottuvat paremmin spektristä.

Näiden mittaustulosten perusteella ei kuitenkaan voida varmasti sanoa, pa-rantaisiko antikoinsidenssikytkennän käyttö merkittävästi mittaustarkkuutta.Nyt tehdyissä mittauksissa mittausaika ei ollut molemmilla kytkennöillä sa-ma, vaan BGO-avustettu mittaus kesti kaksi kertaa kauemmin kuin pelkällägermaniumilmaisimella. Tarkasteltavat neutroniaktivaatiopiikit olisivat sitensaattaneet erottua yhtä hyvin pelkällä germaniumilmaisimella tehdyssä sa-manmittaisessa mittauksessa.

Koska merkittävää parannusta ei antikoinsidenssikytkennästä havaittu, jätet-tiin sen soveltaminen jatkomittauksissa pois. Laitteisto on kuitenkin huomat-tavasti monimutkaisempi kuin pelkän germaniumilmaisimen käyttö ja kunsuunnitellaan teollista sovellusta, pyrkimys yksinkertaiseen laitteistoon on tar-peen.

NaI-ilmaisimella (kuva 21) mitatusta spektristä ei voida erottaa piikiksi kut-suttavia muotoja vetypiikin lisäksi. Pientä kaareutumista on nähtävissä vety-piikkiä korkeammilla energioilla, mutta gaussisen jakauman sovitus ei onnis-

40

103

104

105

106

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Inte

nsite

etti/

kana

va

Energia (keV)

H

Kuva 21: NaI-ilmaisimella saatu gammaspektri 6 % kosteasta selluhakkeesta.

tu näin laakeisiin muotoihin. Spektreistä ei näin ollen onnistuttu määrittämäänhiilen piikkien pinta-aloja, joten varsinaista analyysiä ei voitu tehdä.

Käytössä ollut NaI-kide osoittautui liian pieneksi ja liian huonoksi energiare-soluutioltaan soveltuakseen tällaiseen mittaukseen. Suuremmalla kiteellä ha-vaitsemistehokkuus olisi suurempi, jonka ansiosta korkeamman energian pii-kit erottuisivat taustasta paremmin. Myös tuikemateriaalin vaihto uudempaanmateriaaliin, esimerkiksi LaBr3(Ce), parantaisi energiaresoluutiota merkittä-västi. Saattaa olla mahdollista, että tuikeilmaisinta voitaisiin käyttää lopulli-sessa sovelluksessa puun ominaisuuksien mittaamiseen, vaikka tässä tapauk-sessa se ei soveltunutkaan käyttöön.

Germaniumilmaisimella mitatuista spektreistä analysoitiin hiilen ja vedyn pii-kit, tehtiin niihin sovitukset ja määritettiin pinta-alat. Koska mittaukset oli teh-ty samalla ilmaisimella, jätettiin ilmaisimen tehokkuus huomioimatta ja las-kettiin intensiteettien sijaan piikkien pinta-alat. Sitten pinta-aloja verrattiin toi-siinsa, eli H/C-suhde määritettiin laskemalla

H

C=

Avetypiikki

Ahiilipiikki. (5)

Germaniumilmaisimella tehdyistä mittauksista määritetyt vety-hiili-suhteet

41

on esitetty taulukossa 13. Tuloksista nähdään, että H/C-suhde kasvaa kos-teuden kasvaessa, kun tarkastellaan hiilen 1262 keV aktivaatiogammaa, muttasuhde pienenee kun tarkasteltavana on hiilen 3684 keV gammaemissio.

Taulukko 13: Germaniumilmaisimella mitatuista gammaspektreistä analysoi-dut vety/hiili-suhteet erikosteuksisille selluhakkeille.

6 % 29 % 56 % 82 %

H/C1262 keV 157 174 200 233H/C3684 keV 675 756 652 599

Simulaatioiden tuloksille tehtiin vastaavanlainen tarkastelu piikkien pinta-alojen suhteen. Taulukossa 14 on vertailtu simulaatioista saatuja H/C-suhteitakokeellisesti mitattuihin. Tässä taulukossa on käytetty vain hiilen 3684 keV ak-tivaatiogammaa, sillä simulaatioissa ei saatu hiilen 1262 keV piikkiä näkyviintaustasta.

Taulukko 14: Simulaatioista ja germaniumilmaisimella mitatuista saadut ve-ty/hiili-suhteet äärikosteussuhteille.

Kosteus 6 % Kosteus 82 %Simulaatio Mittaus Simulaatio Mittaus

H/C3684 keV 1190 675 907 599

Lukuarvot eivät täsmää simuloiduissa ja mitatuissa H/C-suhteissa, sillä simu-laation ilmaisin on ideaalinen eikä todellisen ilmaisimen tehokkuutta ei olehuomioitu. Trendi on kuitenkin molemmissa sama: Vety/hiili-suhde pieneneekosteuden kasvaessa. Tämä oli yllättävä tulos, suhteen kun tulisi kasvaa kos-teuden kasvaessa. Syytä käytökselle lähdettiin selvittämään.

Kun kosteuspitoisuus kasvaa, kasvaa puun tiheys ja näin ollen myös gam-mojen absorptio puuhun. Erityisesti pienillä gammaenergioilla tämä absorp-tion kasvu on merkittävää. Taulukossa 4 on esitetty lineaariset vaimennusker-toimet puussa gammaenergian funktiona kosteuden ollessa 5,95 % ja 81,7 %.Puun koostumus on tässä tarkastelussa yksinkertaistettu käsittäen vain hiilen(52,7 m-%), hapen (40,8 m-%), vedyn (6,1 m-%) ja typen (0,4 m-%) komponen-tit. Absorptiokertoimet on laskettu National Institute of Standard and Techno-logy:n taulukoiden perusteella. [23]

Jotta saadaan selville, kuinka paljon absorption kasvu vaikuttaa hiilen eri piik-keihin, lasketaan suhteellinen absorptio näille energioille puumassan paksuu-den funktiona, eli määritetään säteilyn puoliintumispaksuudet. Tulokset on

42

esitetty taulukossa 15. Kiinnostava energia-alue on 1,25-3,5 MeV, jolla hiilen javedyn välittömien neutroniaktivaatiogammojen energiat sijaitsevat.

Taulukko 15: Vaimennuskertoimet ja puoliintumispaksuudet eri gammaener-gioille kahdessa erikosteuksisessa puussa.

Kosteussuhde 6 % Kosteussuhde 82 %ρ = 180 kg/hake-m3 ρ = 309 kg/hake-m3

E [MeV] µ/ρ [cm2/g] d1/2 [cm] µ/ρ [cm2/g] d1/2 [cm]

1 0,06766 56,9 0,06894 32,61,25 0,06050 63,6 0,06164 36,41,5 0,05507 69,9 0,05610 40,02 0,04726 81,4 0,04816 46,63 0,03792 101,5 0,03866 58,04 0,03246 118,5 0,03312 67,85 0,02888 133,3 0,02948 76,1

Hakenäytteen halkaisija oli maksimissaan 50 cm. Kuivemman hakkeen ta-pauksessa tarkasteltavien aktivaatiogammojen puoliintumispaksuus on yli60 cm, joten yli puolet gammakvanteista pääsee näytteen läpi. Absorptio eisiten ole suuressa roolissa. Kosteammassa hakkeessa puoliintumispaksuus onkuitenkin pienempi (40 cm) kuin näytekoko ja ainakin yksi puoliintuminenvoi tapahtua.

Ei mittausten eikä simulaatioiden tuloksissa nähty vety/hiili-suhteessa kas-vavaa trendiä oletetun mukaisesti. Hiilen matalamman energian suhteessa olihavaittavissa hienoista kasvua kosteuden myötä, mutta korkeamman energiansuhde ei vaikuttanut kasvavan. Syy löytyi lähteen suojana käytetystä polyetee-nistä.

Virheen jäljille päästiin, kun tehtiin simulaatio, joka kartoitti missä osassa geo-metriaa gammat syntyvät. Tätä on havainnollistettu kuvassa 22. Havaittiin, et-tä 95 % kaikista gammakvanteista syntyi jo lähteen polyeteenisuojassa ja vainhyvin pieni osa puussa. Mittauksen kohteena eivät siten olleet hakenäytteentuottamat neutroniaktivaatiogammat, vaan polyeteenin tuottamat.

Lähteen suojassa syntyneet neutroniaktivaatiogammat syntyivät ilmaisimestakatsoen puunäytteen takana. Syntyneet gammakvantit kulkivat puunäytteenläpi ilmaisimeen ja ehtivät vaimentua sitä enemmän, mitä kosteampaa puu oliennen ennen saapumistaan ilmaisimelle.

Matalamman energian gammat vaimentuvat voimakkaammin kuin korkeam-man kosteuden kasvaessa. Siten hiilen 1262 keV aktivaatiogamma absorboituu

43

Kuva 22: Simulaatio gammojen synnystä mittausgeometriassa. Punaisessa jakeltaisessa alueessa syntyy yhteensä noin 95% kaikista gammoista. Mitä sini-sempi alue, sitä vähemmän gammoja syntyy.

hakkeeseen enemmän kuin vedyn 2223 keV, ja H/C-suhde kasvaa. Korkeam-man energian hiilen piikin kohdalla tilanne on päinvastainen vedyn gamma-kvanttien vaimentuessa enemmän kuin hiilen 3684 keV gammat. Tällöin hiilenaktivaatiogammoja pääsee enemmän ilmaisimeen kuin vedyn ja H/C-suhdepienenee.

Tämän vuoksi tehtiin vielä mittaus geometrialla 4. Geometriassa oli pyrittyminimoimaan kaikki ylimääräinen vetyä ja hiiltä sisältävä materiaali, jotta eitarkoituksellisesti tuotettaisi tutkittavia aktivaatiogammoja muualla kuin ha-kemateriaalissa. Mittauksessa kuitenkin havaittiin, että käytetty määrä puuai-nesta (80 l) ei ole tarpeeksi suuri hidastamaan riittävästi neutroneja termisiksi.

Suurin osa nopeista neutroneista vain läpäisee hakemassan absorboitumattasiihen. Näin aktivaatiogammoja syntyy hakkeessa vain vähän ja suurin osamitatuista gammakvanteista oli peräisin jälleen muualta kuin näytteestä eliseinistä, katosta, lattiasta ja ilmaisimen materiaaleista. Puumassan täytyisi ollanoin sadasta tuhanteen kertaa suurempi, jotta mittaus toimisi suunnitellusti.Tämä oli positiivinen suuntaus, sillä projektin tarkoituksena olikin suunnitellasuuren kokoluokan puumassan kosteudenmittaukseen soveltuva laitteisto.

Kesän mittaukset olivat hyvin opettavaisia. Monien vaiheiden kautta löydet-tiin selitys järjestelmän käyttäytymiselle. Aluksi ongelmana oli neutroniläh-teen säteilysuoja ja termalisointiin käytetty muovi. Kun tämä korjattiin, huo-mattiin, että käytössä oleva puumassa ei riitä odotettujen tulosten saavutta-

44

miseen. Tehdyistä mittauksista opittiin kuitenkin merkittäviä asioita jatkomit-tauksien suunnittelua varten. Myös MCNPX-koodin tuomia mahdollisuuksiaopittiin laajemmin hyödyntämään.

45

8 Puunippumittaukset

8.1 Simulaatiot

Kun havaittiin, että aiemmissa simulaatioissa ja mittauksissa käyttämämmepuumassan suuruusluokka oli aivan liian pieni, ryhdyttiin suunnittelemaansuuremman kokoluokan mittauksia. Mittauksien suunnittelun tueksi tehtiinsimulaatioita MCNPX-koodilla. Simulaatioiden avulla selvitettiin neutronienkulkeutumista näytteissä, simuloitiin gammaspektrit ja määritettiin mille etäi-syydelle lähteestä ilmaisin on turvallista sijoittaa.

Neutronit kulkeutuvat puussa laajalle alueelle, mutta aktiivinen alue, jossasyntyy suurin osa aktivaatiogammoista, on vajaan puolentoista metrin sätei-nen. Tätä on havainnollistettu kuvassa 23, jossa on simuloitu aktivaatiogam-mojen tuotto 8 × 3 × 3 m3 kokoisessa puukasassa. Mikäli ilmaisin on sijoitet-tu sopivasti, pääsee suurin osa aktiivisella alueella syntyneistä aktivaatiogam-moista ilmaisimeen vaimentumatta merkittävästi matkalla.

Kuva 23: Simuloitu neutroniaktivaatiogammatuotto 8 × 3 × 3 m3 kokoisessapuukasassa. Puun yläpuolella oleva ympyrä on ilmaisin. Lähde on puunäyt-teen päällä.

Lähtökohtana mittausten suunnittelulle oli noin rekkakuormaskaalan puunip-pu. Kosteuspitoisuuksina käytettiin simulaatioissa 40 % ja 60 %. Näiden arvel-tiin olevan lähellä kokonaisen runkopuun kosteuksia niiden tullessa käsitte-lylaitokselle. Runkopuun tiheytenä käytettiin arvoa 560 kg/m3 pienemmällekosteudelle ja 640 kg/m3 suuremmalle. Puun koostumus näillä kosteusarvoil-la on esitetty taulukossa 16.

Simulaatiogeometria koostui 3 × 3 × 2,5 m3 yhtenäisestä runkopuunipusta.Runkojen väliin jäävää ilmaosuutta ei otettu huomioon tässä vaiheessa. Puu-

46

Taulukko 16: Suuren kokoluokan simulaatioissa käytetyn puun koostumus.

Pitoisuus m-%Alkuaine Kosteus 40 % Kosteus 60 %

C 37,5 32,8H 7,5 8,0O 54,3 58,6N 0.29 0,25S 0,014 0,013Cl 0,0068 0,0059P 0,021 0,019K 0,11 0,09Ca 0,20 0,18Mg 0,036 0,031Mn 0,021 0,019Fe 0,0061 0,0053Zn 0,0021 0,0019B 0,00043 0,00038

Cu 0,00029 0,00025

nippu oli sijoitettu pinta-alansa kokoisen 20 cm paksun betonikerroksen pääl-le ja betonin alla oli 30 cm hiekkaa. Tässä oli arvioitu mittausten tapahtuvanhallissa, jonka lattia on paksua betonia. Yli puolen metrin syvyyteen maahanjoutuneiden neutronien aiheuttamat gammat eivät enää ole merkityksellisiäilmaisimessa, joten tämän syvemmälle ei simulaatiota ulotettu.

Simulaatiot tehtiin 100 miljoonalle neutronille ja mitattiin neutronien aiheut-tama gammasäteily ilmaisimessa. Lisäksi mitattiin neutronivuo ilmaisimessa,jotta nähtäisiin onko neutroneista haittaa todelliselle germaniumilmaisimelle.

Ensiksi luotiin geometria, jossa neutronilähde oli keskellä puukasaa ja ilmaisi-mia oli kasan pinnalla. Tämä geometria ei kuitenkaan osoittautunut toimivak-si, sillä ilmaisimen ja lähteen välissä oli liian suuri massa puuta. Tällöin pää-osin lähteen läheisyydestä emittoituvat gammat ehtivät vaimentua voimak-kaasti ennen ilmaisimeen saapumistaan. Ja kun kosteus kasvaa, kasvaa myösabsorption voimakkuus. Tämä nähtiin tuloksissa H/C-suhteen pienenemise-nä kosteuden kasvaessa. Myöskään käytännön kannalta tällainen geometria eiolisi optimaalinen, sillä lähteen sijoittaminen puukasan sisälle on haasteellistaja epäkäytännöllistä.

Tämän jälkeen siirryttiin geometriaan, jossa 252Cf-lähde sijoitettiin puupinonpäälle ilmaisimen kanssa. Tällöin maasta aiheutuva gammasäteily putoaa mi-tättömän pieneksi ja mitataan yksinomaan puusta tulevaa säteilyä. Lisäksi ab-

47

sorption vaikutus saadaan poistettua, kun emittoituvat gammat eivät kulje pit-kää matkaa puun lävitse. Ongelmaksi tässä geometriassa muodostuu mahdol-lisesti liian suuri neutronivuo ilmaisimeen. Tätä voitiin tarkastella ennen mit-tauksia simuloimalla.

Kun oltiin saatu selville, että sekä ilmaisin että lähde kannattaa sijoittaa puuka-san päälle, ryhdyttiin simuloimaan ilmaisimen ja lähteen turvallista etäisyyt-tä. Etäisyyden olisi hyvä olla mahdollisimman pieni, jotta gammat eivät vai-mentuisi tarpeettoman paljon ennen pääsyään ilmaisimeen. Samalla kuitenkinetäisyyden on oltava riittävän suuri, jotta neutronit eivät aiheuta tarpeetontavahinkoa kalliille germaniumilmaisimelle.

Simuloitaviksi etäisyyksiksi valittiin 0,5 m, 1 m ja 1,5 m. 1,5 m etäisyydellä ole-va ilmaisin ei ollut aivan kasan päällä, vaan 5 cm kasan yläreunasta alaspäineli ikäänkuin kulman takana. Käytetyn neutronilähteen aktiivisuus oli 2 MBq.Tulokset neutronivuolle ilmaisimessa on esitetty taulukossa 17. Tuloksia ver-rattiin kokonaisannokseen, jonka germaniumilmaisimet kestävät ilman mer-kittäviä neutronivaurioita.

Taulukko 17: Neutronivuot ilmaisimessa eri etäisyyksillä. Taulukossa on an-nettu kokonaisneutronivuo sekunnissa, nopeiden neutronien vuo sekunnissaja nopeiden neutronien kuorma ilmaisimeen 10 vuorokauden mittauksen ai-kana.

Etäisyys Kokonaisvuo Nopeat neutronit Nopeat 10 päivässä

0,5 m 39,2 n/(s cm2) 29 n/(s cm2) 2,5 · 107 n/cm2

1,0 m 10,4 n/(s cm2) 8,5 n/(s cm2) 7,3 · 106 n/cm2

1,5 m 0,0002 n/(s cm2) 0,00009 n/(s cm2) 78 n/cm2

Tuloksista nähdään, että ilmaisin olisi turvallista sijoittaa jo puolen metrin etäi-syydelle lähteestä. Metrin etäisyydellä mittausta voitaisiin jatkaa jo useita vuo-sia ennen kuin ilmaisimeen osuisi nopeita neutroneja niin paljon, että merkittä-vää enenergiaresoluution huononemista tapahtuisi. Mikäli ilmaisin sijoitettai-siin 1,5 m päähän, ei siihen tulisi juuri lainkaan neutroneita. Tällä etäisyydellägammojakaan ei enää tule riittävästi.

Tulosten perusteella ilmaisin päätettiin sijoittaa 75 cm päähän lähteestä. Näinsaataisiin mahdollisimman suuri määrä gammasäteilyä kerättyä ilmaisimenkärsimättä neutronivahingoista.

48

8.2 Mittaukset

Mittaukset suoritettiin 17.–27.10.2008 VTT Jyväskylän tiloissa. Mitattavanakohteena käytössä oli ylivuotista (kuivaa) ja tuoretta (märkää) puuta. Puidenkosteuspitoisuudet olivat noin 30 % ja 55 %. Tällaisella kosteusvälillä menetel-män tulisi toimia lopullisessa käytännön sovelluksessakin.

Puut toimitettiin Metsäliiton toimesta VTT Jyväskylän pihalle 14.10.2008 ja neaseteltiin katettuun ulkovarastoon pankkojen päälle kouranosturilla. Kuvas-sa 24 näkyvät valmiit puupinot mittaushallissa. Halli oli jaettu keskeltä pui-sella väliseinällä, joka ei ylettynyt kattoon saakka. Molemmille puolille varas-toa rakennettiin puupino metallisten pankkojen väliin. Puukasojen leveys oli2,30 m. Pinojen korkeudet olivat 1,90 m (ylivuotinen) ja 2,10 m (tuore). Puidenpituus oli 4–5 metriä, mutta koko puumassa ei ollut yhtenäisesti näin pitkä pi-noamistavasta ja puiden erimittaisuudesta johtuen. Molemmissa mittauksissakaikki puut olivat kuitenkin samassa tasossa yli 3 m matkalta.

Kuva 24: Tuoreen puun pino mittaus-hallissa.

Kuva 25: Ylivuotisen puun pino mit-taushallissa.

Puumassat olivat suoritetussa mittauksessa suuria verrattuna hakemittauk-siin. Tuoretta puuta oli 13200 kg ja ylivuotista 9580 kg. Toimitetut tilavuudetolivat lähes yhtenevät, joten massaero selittyy kosteuserolla. Puiden irtotihey-det olivat saapuessa: tuoreempi puu 577 kg/m3 ja kuivempi 379 kg/m3.

Ylivuotista puuta kuivattiin lisää lämminilmapuhalluksella noin vuorokau-den ajan. Lisäkuivauksen jälkeen ylivuotisen puun tiheys voi olla lähempänä350 kg/m3. Kuvassa 26 näkyy kuivauksessa käytetty asetelma. Kuivausta olisijatkettu muuten pitempäänkin, mutta se aiheutti veden kondensoitumista mit-taushalliin. Mittauksessa käytetty elektroniikka olisi saattanut vaurioitua kon-densoituvasta vedestä, joten kuivaus lopetettiin ennen varsinaisten mittaustenalkua.

49

Kuva 26: Ylivuotista puuta kuivattiin lisää lämpöpuhaltimen avulla. Kasa pei-tettiin pressulla ja puhaltimella puhallettiin lämmintä ilmaa pinoon.

Käytetty mittauslaitteisto koostui germaniumilmaisimesta, kalifornium-252 neutronilähteestä (aktiivisuus 2 MBq), esivahvistimen jänniteläh-teestä, lineaarivahvistimesta, analogi-digitaalimuuntimesta, monikanava-analysaattorista, tarvittavista kaapeleista, sekä tietokoneesta, jossa oli Grain-spektrinkeräysohjelma. Elektroniikka ja ilmaisin olivat samat kuin kesän mit-tauksissa ensimmäisessä geometriassa. Mittaukseen tarvittava elektroniikkakoottiin kuvan 27 mukaisesti pöydälle, joka katettiin pressulla.

Mittausasetelma koottiin siten, että ilmaisin ja lähde sijoitettiin puukasan pääl-le. Ilmaisin oli HPGe. Germaniumilmaisimen alle laitettiin puulaveri, jotta saa-tiin aikaiseksi mahdollisimman tasainen alusta ja ilmaisin kiinnitettyä tuke-vasti kiinni. Ilmaisin oli omalla puisella alustallaan kiinni hihnoilla ja alustaoli kiinnitetty laverin päälle hihnoilla kuten kuvassa 28. Lopuksi ilmaisin pei-tettiin pressulla, jotta katosta mahdollisesti tippuva kondenssivesi ei kastelisiilmaisinta.

Lähde asetettiin puupinon päälle ja teipattiin kiinni pieneen oksaan, jotta seei putoaisi runkojen väliin. Lähteen sijainti määrättiin tehtyjen simulaatioidenperusteella, sen etäisyys ilmaisimesta oli molemmissa mittauksissa 76 cm. Ku-vassa 29 on esitetty ilmaisin ja lähde ylivuotisen puun mittauksessa. Tuoreenpuun mittauksessa asetelma oli identtinen.

Laitteisto koottiin 17.10.2008. Kaikki kytkennät tehtiin valmiiksi ja ilmaisin

50

Kuva 27: Käytetty mittauselektroniikka. Ylemmällä pöytätasolla tietokone, os-killoskooppi, ylijännitesuoja ja yleismittari. Alemmalla tasolla varsinainen il-maisinelektroniikka.

Kuva 28: Ilmaisin alustallaan tuoreen puukasan päällä. Kuvassa näkyvät myösilmaisimen typpitäytössä käytetty letku ja suppilo.

51

Kuva 29: Kuvassa etualalla ilmaisin pressulla peitettynä. Puiden päällä näkyylähde teipattuna pieneen oksaan.

täytettiin nestetypellä. Koska ilmaisin oli kuljetettu mittauspaikalle huoneen-lämpöisenä, piti odottaa sen jäähtymistä nestetypen lämpötilaan ennen kuinilmaisimen käyttöjännitteet voitiin kytkeä ja mittaus aloittaa. Jännitteet saatiinkytkettyä päälle seuraavana päivänä 18.10. kello 8.

Aluksi tarkastettiin karkeasti lineaarivahvistimen oikea asetus käyttämälläkoboltti-60 -lähdettä. Mittausalue ulotettiin noin 4,1 MeV asti, jotta hiilen kor-keampi piikki saataisiin varmasti näkyviin. Tämän jälkeen aloitettiin varsinai-nen mittaus. Ensimmäiseksi mitattiin kosteampaa puuta. Mittaus aloitettiin18.10.2008 kello 8:42 ja lopetettiin 22.10.2008 9:41.

Mittauksen ollessa käynnissä tiloissa ei tarvinnut oleskella muuten kuin nes-tetypen täytön ajan. Ilmaisimeen tuli lisätä nestetyppeä 8 tunnin välein, jottase pysyi kylmänä. Täytöt tehtiin aina kello 8, 16 ja 24.

Mittauksen päätyttyä 22.10. tehtiin energiakalibraatio käyttäen 137Cs ja 60Co -lähteitä. Lähteet asetettiin ilmaisimen välittömään läheisyyteen niiden heikonaktiivisuuden vuoksi. Kalibroinnin ajaksi 252Cf vietiin ulos hallista, jotta neut-ronien aiheuttamat gammat eivät häiritsisi mittausta. Kalibraatiomittaus olinoin 10 minuutin mittainen. Kalibroinnin jälkeen vietiin kaikki säteilylähteetpois mittauspaikalta ja mitattiin hallissa vallitsevaa taustasäteilyä noin 3,5 tun-nin ajan.

Tämän jälkeen aloitettiin mitta