Aportaciones al estudio de los campos de radiación ionizante ambiental

Abstract

Amb aquesta tesi s'intenta aportar la informació necessària per a millorar el coneixement dels camps de radiació ionitzant ambiental d'origen natural, i contribuir així a la millora de la gestió de les estacions de vigilància radiològica ambiental. Es fa especial èmfasi en les variacions de la taxa de dosi ambiental i la seva relació amb diverses variables meteorològiques com la pressió atmosfèrica, la concentració de radó a l'aire, i la presència de descendents del radó (214Pb y 214Bi) a la pluja. D'aquesta forma, s'han modelitzat les oscil·lacions de la radiació ionitzant ambiental durant els episodis secs (absència de pluja) i durant certs episodis humits (presència de pluja). Els paràmetres d'aquest model s'han obtingut mitjançant les dades experimentals obtingudes durant diversos anys (1995 a 1998) a l'estació ESCRA. Posteriorment s'ha utilitzat el model per a reproduir la variació de la taxa de dosi natural durant l'any 1999, obtenint-se resultats molt satisfactoris. Pel que respecta als episodis humits, també s'han reproduït els increments de taxa de dosi ambiental natural durant i després de períodes de pluja, utilitzant les dades registrades amb l'equip SARAC. Aquest equip, que ha sigut desenvolupat íntegrament en el marc d'aquesta tesi i s'ha instal·lat a l'estació ESCRA, permet determinar la concentració d'emissors de radiació gamma de vida curta, presents a l'aigua de pluja. Un dels avantatges d'aquest dispositiu consisteix en que ofereix resultats de forma continua, donat que es troba totalment automatitzat. Per a la identificació de radionúclids emissors gamma utilitza un sistema d'espectrometria gamma amb cristall de germani intrínsec d'alta puresa (HPGe), refrigerat amb nitrogen líquid. El funcionament de l'equip SARAC ha permès determinar la concentració dels descendents del radó que són emissors gamma (214Pb y 214Bi) a l'aigua de pluja, i observar la seva variació al llarg de tot un episodi de pluja a intervals de 10 minuts.<br/><br/>S'aporten les tècniques necessàries per a determinar els factors de dosi que relacionen la concentració de radionúclids d'origen artificial depositats (per l'acció de la pluja) sobre el terreny que envolta l'estació ESCRA, amb la taxa de dosi mitjana en diverses posicions de la torre meteorològica de la estació. Per a la determinació dels factors de dosi s'han utilitzat tècniques de simulació Monte Carlo (MC) i diverses tècniques de reducció de variança per a minimitzar el temps de simulació. En concret, s'ha utilitzat un paquet de rutines de simulació denominat PENELOPE<br/><br/>Els resultats obtinguts en aquesta tesi indiquen que cada emplaçament a on s'ubica una estació de vigilància s'ha de caracteritzar meteorològicament i radiològiocament abans de la seva explotació, per tal de determinar de forma precisa els principals elements d'influència de la dosi ambiental. <br/><br/>La modelització de les variacions de la taxa de dosi ambiental d'origen natural en episodis secs i humits permetrà discriminar els increments de dosi deguts a causes artificials de les exclusivament naturals que són registrats per les estacions de vigilància radiològica ambiental. D'aquesta forma es podrà optimitzar la gestió de les alertes i reduir el nombre de falses alarmes.<br/><br/>En referència als episodis de pluja, l'equip SARAC és de gran utilitat, donat que a més de registrar els descendents de radó emissors gamma, també permet determinar de forma continua i in situ altres emissors gamma que puguin tenir un origen artificial.

Con esta tesis se pretende aportar la información necesaria para mejorar el conocimiento de los campos de radiación ionizante ambiental de origen natural y contribuir así a una mejor gestión de las estaciones de vigilancia radiológica ambiental. Se hace especial énfasis en las variaciones de la tasa de dosis ambiental y su relación con diversas variables meteorológicas tales como la presión atmosférica, la concentración de radón en el aire, y la presencia de descendientes del radón (214Pb y 214Bi) en la lluvia. De este modo, se han modelizado las oscilaciones de la radiación ionizante ambiental durante los episodios secos (ausencia de lluvia) y durante ciertos episodios húmedos (presencia de lluvia). Los parámetros de dicho modelo se han obtenido mediante los datos experimentales obtenidos durante varios años (1995 a 1998) en la estación ESCRA. Posteriormente se ha utilizado el modelo para reproducir la variación de la tasa de dosis natural durante el año 1999 obteniéndose resultados muy satisfactorios. Por lo que respecta a los episodios húmedos, también se han reproducido los incrementos de dosis ambiental natural durante y después de periodos de lluvia, empleando los datos registrados con el equipo SARAC. Dicho equipo, que ha sido desarrollado íntegramente en el marco de esta tesis y se ha instalado en la estación ESCRA, permite determinar la concentración de emisores de radiación gamma de vida corta, presentes en el agua de lluvia. La ventaja de dicho dispositivo consiste en que ofrece resultados de forma continua ya que se encuentra totalmente automatizado. Para la identificación de radionuicleidos emisores gamma utiliza un sistema de espectrometría gamma de germanio intrínseco de alta pureza refrigerado con nitrógeno líquido. La operación del equipo SARAC ha permitido determinar la concentración de los descendientes del radón emisores gamma 214Pb y 214Bi en el agua de lluvia y observar su variación temporal a lo largo de todo un episodio de lluvia a intervalos de 10 minutos.<br/><br/>Se aportan las técnicas necesarias para determinar los factores de dosis que relacionan la concentración de radionucleidos de origen artificial depositados (por la acción de la lluvia) en el terreno que rodea la estación ESCRA, con la tasa de dosis medida en distintas posiciones de la torre meteorológica de la estación. Para la determinación de los factores de dosis se han utilizado técnicas de simulación Monte Carlo (MC) y ciertas técnicas de reducción de varianza para minimizar el tiempo de simulación. En concreto se ha utilizado un paquete de rutinas de simulación denominado PENELOPE.<br/><br/>Los resultados obtenidos con esta tesis indican que cada emplazamiento donde se ubica una estación de vigilancia debe ser caracterizado meteorológicamente y radiológicamente con anterioridad a su explotación para determinar de forma precisa los principales elementos de influencia en la dosis ambiental. <br/><br/>La modelización las variaciones de la tasa de dosis ambiental de origen natural en episodios secos y húmedos permite discriminar los incrementos de dosis debidos a causas artificiales de los exclusivamente naturales que son registrados por las estaciones de vigilancia radiológica ambiental. De esta forma se podrá optimizar la gestión de las alertas y reducir el número de falsas alarmas.<br/><br/>En lo que se refiere a los episodios de lluvia, el equipo SARAC es de gran utilidad ya que además de registrar los descendientes de radón emisores gamma permite determinar de forma continua e in situ otros emisores gamma que pueden tener un origen artificial.

This thesis contributes to the knowledge of environmental ionizing radiation fields from natural origin. It is focused on the characterization of stations for the environmental ionizing radiation surveillance. We have modeled time variations of the environmental doserate related with the atmospheric pressure, the radon concentration in air, and rain precipitation. The presence of the radon progeny (214Pb and 214Bi - gamma emitters) in rain implies an increase on the environmental doserate. The model has been validated by means of experimental data, measured at the ESCRA Station (located in Barcelona) during several years (1995 to 1999). At wet (rain) periods, we have reproduced the increments of natural environmental doserate, using data collected with the SARAC device. This device has been developed entirely in the mark of this thesis and has been settled in the station ESCRA; it allows the measurement of short lived gamma emitters in rainwater. One of the goals of this device is that it is automated allowing the measurement of gamma emitters "in situ" each 10 minutes. Gamma emitters in rainwater are detected by mains of a High Purity Germanium Detector cooled with liquid nitrogen. The operation of the SARAC device has allowed the measurement of natural gamma emitter concentration in rainwater along rain episodes at intervals of 10 minutes.<br/><br/>To model the environmental doserate variations with time, is required to know some dose factors which relates the gamma emitters deposited on the soil, in the surroundings of the ESCRA Station, with the doserate measured at a point (the position of a gamma probe). These dose factors have been obtained by means of the simulation of the transport of the gamma and beta radiation emitted by the soil, and their interaction with gamma probes and the surroundings of the ESCRA Station. These simulations have been done with techniques of Monte Carlo (MC) for the transport of gamma and beta radiation, and also techniques of variance reduction to minimize the time of the simulations. To perform these simulations, we have used the simulation package PENELOPE.<br/><br/>The results obtained with this thesis shows that each station for the surveillance of environmental ionizing radiation should be meteorological and radiological characterized prior to its exploitation. It also implies the knowledge of the dose factors (at each probe location) of the main radionuclides (gamma emitters) presents in the soil and buildings surrounding the surveillance station. Monte Carlo simulation techniques described in this thesis could be used. The knowledge of the origin of natural variations of environmental doserate in dry and wet episodes allows discriminate those variations from artificial origin. This allows to optimize the administration of alerts and to reduce the number of false alarms.<br/><br/>The successful operation of the SARAC device is a goal that allows us to increase our knowledge of the environmental ionizing radiation fields during rain episodes.