Implementation, improvement and comparison of different calibration methods of high purity germanium detectors for gamma-ray spectrometry and exemplary application in radionuclide metrology

Abstract

Gammaspektrometrie ist ein hochspezialisierter Prozess der Aktivitätsbestimmung einer Probe über die Messung der Anzahl und Energie der von der Probe emittierten Photonen. Die Resultate sind jedoch nur so gut, wie die angewandten Methoden. Die korrekte und sorgfältige Kalibrierung der Messgeräte - in diesem Fall ein hochreiner Germaniumdetektor - ist daher von besonderer Bedeutung. Im Zuge dieser Arbeit werden Methoden zur Kalibrierung aufgezeigt. Des Weiteren wurde im Rahmen des European Metrology Research Programme (EMRP) MetroMETAL ein Detektormodell erstellt, validiert und getestet. Ziel von MetroMETAL ist unter anderem die Entwicklung von Referenzstandards für die in der Metallindustrie anfallenden Materialien wie Metall, Schlacke und Asche, die mit bekannten Aktivitäten üblicher Verunreinigungen wie 60Co, 137Cs, 192Ir, 226Ra und 241Am versetzt sind sowie die Evaluierung von Stärken und Schwächen unterschiedlicher Monte Carlo Codes. Prototypen der entwickelten Standards werden in den teilnehmenden Laboratorien vermessen und evaluiert. Die Resultate dieses Vergleichs nden sich im hinteren Teil dieser Arbeit. Eine besonders wichtige Anwendung für Gammaspektrometrie ist die Vermessung und Überwachung der natürlichen Strahlenbelastung in der Umwelt. Gerade bei der Vermessung von schwach aktiven Umweltproben ist die Verwendung gut kalibrierter Messgeräte essentiell. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden Donausedimentproben zweier österreichischer Wasserkraftwerke ausgewertet. Die laufende Ermittlung der Aktivität der Umwelt liefert notwendige Daten für das Verständnis natürlicher Transportprozesse und die Verteilung radioaktiven Materials und kann auch als Nulllinie im Katastrophenfall dienen.

Gamma-ray spectrometry is a highly sophisticated process of measuring and evaluating sample activity. The results of this technique are only as good as the procedures applied. In order to obtain signicant data, it is necessary to use a detector properly calibrated according to its application and use the correct reference materials and standards. The Joint Research Project MetroMETAL Ionising Radiation Metrology for the Metallurgical Industry (European Metrology Research Programme EMRP) has the goal to create "reference standards for composite steel, cast steel, slag and fume dust containing a known activity of some radionuclides (60Co, 137Cs, 192Ir, 226Ra and 241Am) considered as potential contaminants" that are "prepared in geometries/matrices that match the industrial environments for which they are designed". Prototypes of those standards are sent to the participating partners for evaluation. Part of the tasks of this project is the comparison of Monte Carlo codes for eciency and activity simulation in order to gain insight into their respective strengths and weaknesses. In that respect it is necessary to design a detector image for the use of Monte Carlo codes in radiation transport. In the course of this work a functioning and validated detector model has been created and tested by comparing simulated peak eciencies to the experimentally found values of the participating laboratories. The results of the intercomparisons are presented in this work. The goal of MetroMETAL is to provide recommendations on future measurement protocols, standards and methods in the metallurgical industry. Another application, where a properly calibrated detector is necessary, is the monitoring of environmental radiation levels. In that respect sediment samples taken at two hydroelectric power plants located on the Danube river are evaluated. Ongoing measurements establish a baseline for present and future reference. This is particularly relevant for assessment of radiation levels after accidents and understanding of environmental transport and distribution of radioactive material.