Posiadany spektrometr alfa służy do badań aktywności powierzchniowej alfa próbek o rozmiarach do 45×40 cm. Urządzenie charakteryzuje się rekordowo niskim biegiem własnym, uzyskiwanym dzięki zastosowaniu zaawansowanej analizy kształtu rejestrowanych impulsów. Spektrometr został zbudowany na bazie prototypu przez firmę XIA (USA) – ZDFK zakupił pierwszy wyprodukowany egzemplarz. Oprócz IF UJ aktualnie na świecie pracują jeszcze 4 takie urządzenia (jedno w Japonii i trzy egzemplarze w USA). W przypadku detektora pracującego w IF UJ zastosowaliśmy dodatkowe oczyszczanie gazowego argonu, używanego jako gazu licznikowego. Metody oczyszczania Ar z promieniotwórczych izotopów radonu i kryptonu (główne źródła tła) zostały opracowane i zaimplementowane przez pracowników ZDFK i przyczyniają się do znacznego obniżenia tła spektrometru, a co za tym idzie podniesienia jego czułości. Wykorzystywany jest on do prowadzenia zaawansowanych badań aktywności powierzchniowych elementów stosowanych w detektorach podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta oraz detektorach ciemnej materii.

Pracownia chemiczna

W pełni wyposażona pracownia chemiczna służy przygotowaniu próbek pomiarowych. W laboratorium przeprowadza się procesy chemiczne w celu badania technik usuwania izotopów radioaktywnych z powierzchni materiałów. Na wyposażeniu pracowni znajdują się m. in.:
- płuczki ultradźwiękowe,
- aparatura do elektropolerowania,
- wyciągi chemiczne,
- dejonizator wody,
- etc.

Kontakt: dr Grzegorz Zuzel

The main task of the laboratory for alpha-spectrometry is the assessment of raw material samples (e.g. in plastics, metals) for their content of alpha-particle emitters.

Several alpha-particle detectors (including the unique large-surface argon detector and high-resolution silicon spectrometers) provide means for research of the best materials for low-background experiments such as GERDA, DarkSide and Borexino.

Sample preparation is possible in a dedicated chemical laboratory. The laboratory is used for the assessment of various radioactive isotopes removal techniques, such as:
- ultrasonic cleaning baths,
- chemical treatment (etching) of surfaces,
- electropolishing
- etc.

Contact: dr Grzegorz Zuzel

Posiadany spektrometr gamma został zbudowany we współpracy z firmą Detector Systems GmbH z Niemiec. Jest on oparty o duży (45 % wydajności względnej) kryształ germanowy wysokiej czystości (HPGe) typu n z dedykowanymi wewnętrznymi osłonami wykonanymi z ołowiu o bardzo niskiej zawartości ²¹⁰Pb.

Detektor z kriostatem zamontowany jest w masywnej osłonie ołowianej wyposażonej w aktywne veto mionowe (detektor gazowy). Osłona pasywna (ołów o zawartości ²¹⁰Pb poniżej 3 Bq/kg) i aktywna (detektory gazowe otaczające system z trzech stron) zostały zaprojektowane i wykonane pod kierunkiem członków zespołu badawczego z ZDFK.

Opisany spektrometr gamma jest najczulszy w kraju, biorąc pod uwagę pomiary izotopów z łańcuchów U/Th, oraz jednym z najczulszych na świecie pod kątem rejestracji ²¹⁰Pb.

Parametry pomiaru:

• Geometria pomiaru 4π lub 2π
• Detektory pomiarowe: 2 detektory typu Si(Li) o średnicy 50 mm pracujące w antykoincydencji
• Detektory osłony mionowej: 2 detektory gazowe o wymiarach 600 mm × 600 mm i 745 mm × 745 mm
• Ciągły przepływ gazu P-10.

Tło:

• Osłona bierna wielowarstwowa: miedź elektrolityczna i ołów niskoaktywny, Pb-210 < 2 Bq/kg
• Elektroniczna osłona antyzakłóceniowa detektorów półprzewodnikowych.

Tło mierzone w oknie energetycznym dla cząstek beta:

• 2π – 0.14 cpm (zliczeń na minutę)
• 4π – 0.25 cpm.

Odpowiedź systemu detekcyjnego na cząstki beta np. Bi-210:

• 2π – 0.0124 cpm/(Bq/kg)
• 4π – 0.0235 cpm/(Bq/kg).

Schemat układu pomiarowego (odpowiedzi na impuls tła oraz mierzonego sygnału):

Wielkopowierzchniowy spektrometr alfa-beta

Kolejnym spektrometrem beta, którym dysponuje ZDFK, jest spektrometr oparty o detektory gazowe z cienkim okienkiem, w którym badane może być jednocześnie (niezależnie) 5 próbek, z czego 4 o średnicy 57 mm i jedna o średnicy 127 mm. Spektrometr ten wyposażony jest we wbudowane veta mionowe i charakteryzuje się bardzo niskim tłem własnym.

Omawiane urządzenie jest dostępne komercyjnie (Canberra System LB-4200 z modułami LB42-F2 i LB42-F5), jednak spektrometr z modułem LB42-F5 (detektor o średnicy 127 mm) jest jednym z nielicznych w Europie i pozwala na badania aktywności powierzchniowej alfa i beta oraz aktywność beta z tzw. grubych źródeł.

System komór emanacyjnych został wykonany przez firmę PREVAC na podstawie projektu wykonanego w ZDFK. Składa się on z dwóch komór (objętość 50 L i 250 L) wykonanych w reżimie ultra-wysokiej próżni, umożliwiających badanie odpowiednio dużych próbek. Komory wyposażone są w pełni automatyczny system pompujący. Ponadto posiadają system grzewczy, pozwalający badać emanację radonu od temperatur pokojowych do 150 °C (stabilność na poziomie 1 °C). Do detekcji emanowanego z próbek radonu wykorzystano detektor kriogeniczny, który także jest oryginalną i unikatową konstrukcją powstałą w ZDFK.

Cały system wykonany jest ze stali nierdzewnej, a wszystkie wewnętrzne powierzchnie zostały elektro-polerowane. Dzięki temu, oraz dzięki konstrukcji minimalizującej długości spawów, system charakteryzuje się niezwykle niskim biegiem własnym, pozwalającym ba obserwację pojedynczych atomów ²²²Rn. Dzięki zastosowaniu detektora kriogenicznego możliwa jest obserwacja emanacji w czasie rzeczywistym oraz rejestracja krótkożyciowego izotopu ²²⁰Rn. Obserwacja emanacji nawet pojedynczych atomów Rn w czasie rzeczywistym, możliwość rejestracji emanowanego ²²⁰Rn oraz badanie emanacji w funkcji temperatury stanowią o unikatowości posiadanego urządzenia, które nie ma odpowiednika na świecie i pozwala badać emisję radonu na niespotykanym dotychczas poziomie.

Example of application and results.
We have measured the radon diffusion, solubility and permeability coefficients of various foils being of interest for big experiments e.g. the BOREXINO etc.
For example:
A very strong influence of water on the Rn diffusion through nylon foils was found.

For more results and details see:
Wójcik M. et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 449 (2000) 158-171;
Zuzel G. et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 498 (2003) 240–255;

Our method enables to measure diffusion (and effective permeability) coefficients down to 10-12 m2/s.

For more results and details see:
M. 358 Wójcik, G. Zuzel, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 524 (2004) 355–365

[in Polish]

Metody badawcze:

            Do badań wykorzystywana jest prototypowa aparatura pomiarowa, której konstrukcja oparta jest na spektrometrii alfa z wykorzystaniem dwóch małych komór Lucas’a (komór scyntylacyjnych z ZnS(Ag)). Podstawą zaletą metody wyznaczania badanych cech jest zastosowanie zależności analitycznych opisujących proces dyfuzji, rozpuszczalności i przenikalności radonu przez folie opublikowane w czasopismach naukowych.

Źródła radonu-222:

            Radon-222 jest pierwiastkiem promieniotwórczym wchodzącym w skład naturalnego szeregu promieniotwórczego uranu-238. Występuje na Ziemi, w warunkach normalnych, w stanie gazowym. Powstaje w wyniku rozpadu alfa radu-226, który jest w warunkach normalnych ciałem stałym. Powstały po rozpadzie radu-226, radon-222 już jako gaz, ze względu na swój wystarczająco długi czas życia (t_1/2=91,8 h), wydostaje się ze ścian budynków i podłoża do atmosfery stając się dla człowieka głównym naturalnym źródłem promieniowania jonizującego. Pierwiastek ten jest obecny w środowisku naturalnym człowieka zarówno w glebie, która dostarcza do atmosfery 81% radonu, roślinach i wodzie gruntowej, które dostarczają 18% radonu. Jego źródłem są również materiały budowlane, wody oceaniczne itd. Radon-222 stanowi najsilniejsze naturalne źródło promieniowania jonizującego dla przeciętnego człowieka. Obliczono, że statystyczny mieszkaniec Polski w 2006, otrzymał 40% swej średniej dawki skutecznej właśnie od radonu obecnego w pomieszczeniach mieszkalnych (www.paa.gov.pl).

Znaczenie aplikacyjne metody badania przenikalności radonu

            Ponieważ, radon wydostaje się ze ścian i podłoża do powietrza atmosferycznego, którym oddychamy należy zmniejszyć możliwości przenikania tego gazu ze ścian i podłoża do powietrza, a szczególnie w budynkach mieszkalnych. Są więc dwa sposoby, po pierwsze budować na terenach gdzie z podłoża wydostaje się mniej radonu (duża ilość radonu wydostaje się z podłoża w Sudetach ze względu na budowę geologiczną tego obszaru),  a także budować budynki z materiałów o mniejszej zawartości radu-226 (wyeliminować popioły). Druga metoda ograniczenia stężenia radonu w pomieszczeniach zamkniętych sprowadza się do zastosowania dodatkowych materiałów izolacyjnych, pod fundamentami i posadzkami zarówno w nowym jak i starym budownictwie, w postaci folii o małej przenikalności radonu-222. W Polsce zgodnie z zarządzeniem Prezesa PAA z 1995, średnia wartość rocznego stężenia radonu-222 w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi nie może przekraczać 200 Bqm^-3 (a 400 Bqm^-3 dla budynków oddanych przed 01.01.1998). Z przeprowadzonych licznych badań wynika, że przeciętne stężenie radonu w polskich mieszkaniach wynosi około 50 Bqm^-3, natomiast w słabo wentylowanych piwnicach może przekraczać 400 Bqm^-3. Dla porównania na terenie Polski, przeciętne stężenie radonu-222 na otwartej przestrzeni w powietrzu na wysokości 2 m.n.p.g. wynosi kilka Bqm^-3 (Łódź – 5, Ciosny – 6, Kraków – 10, z pracy Podstawczyńska i in. Prace geograficzne, 122, 2009).

    Aby chronić mieszkania przed dużym stężeniem radonu należy stosować odpowiednie folie jako bariery dla radonu. W celu oceny skuteczności takich folii, jako bariery radonowej należy zmierzyć przenikalność radonu przez tę folię w sposób ilościowy. Informacje takie umożliwią poprawny wybór izolacji do tych zastosowań w budownictwie.

Folie, jako bariery radonowe

    W ostatnich latach badano współczynnik dyfuzji radonu (D) dla wielu różnych typów folii i wykazano, że jego wartość średnia bliska jest 10*10^-12 m²s^-1. Wyraźnie najlepszą barierą radonową, spośród przebadanych przez nich materiałów okazał się PP (polypropylene), dla którego wartość współczynnik dyfuzji wyniósł 0.27*10^-12 m²s^-1, natomiast ewidentnie najsłabszą barierę radonową stanowi EPDM (ethylene propylene diene monomer) 245*10^-12 m²s^-1. Obecnie ocenia się, że maksymalny akceptowalny współczynnik dyfuzji radonu przez folię wynosi 10*10^-12 m²s^-1.

Contemporary topics in LTR-LAB

Example: Power spectrum for 4 different ELF Station; From: Nieckarz Z., PhD Thesis, Faculty of Biology and Earth Sciences of the Jagiellonian University