Measurement of Radioactivities of Soil Samples from Antarctica Using HPGe Detectors

Abstract

On Earth, there are natural radioactive isotopes made by nuclear synthesis process in stars, and artificial radioactive isotopes made as a product of human activity. The 137Cs isotope, one of representative artificial radioactive isotopes, has been created from nuclear fission reactions in atomic power plants or nuclear bomb explosions, and spread out various parts of the world through fallout, ocean etc. Previous studies revealed that fallout is affecting the radioactive ecosystem of Antarctica. In this study, we measured radioactivities of 137Cs in soil samples collected from Antarctica. We also measured radioactivities of soil samples obtained in Korea. In order to measure the low-level radioactivity of soil samples efficiently, we conducted experiments using a High-Purity Germanium (HPGe) detector in the Cheongpyeong Underground Radiation Laboratory (CURL) located in the underground tunnel of the Cheongpyeong pumped-up power plant. Because CURL is located underground, it can block cosmic ray such as muon. Additional shielding system is designed to block the background radiation significantly using lead and copper blocks around the detector. First, an experiment using a standard source of various radioactive isotopes was conducted in order to understand the performance of the detector. The standard source is contained in a Marinelli beaker. By the known information about radioactivity values of each nuclide in the source, the energy and the detection efficiency were calibrated, and the energy resolution was also extracted. The measured detection efficiency is compared with the results obtained from the GEANT4 simulation, so that the dead layer of the crystal of detector is determined. In conclusion, the detection efficiency in all energy ranges can be obtained using the simulation setup. The experiment has been performed using five soil samples collected near the King Sejong Science Station in Antarctica, and two soil samples collected in Korea. Each sample was dried sufficiently, filtered through a 2 mm sieve, and contained in a Marinelli beaker. Measurements were carried out for about 1-2 weeks for each sample. In addition, to remove the background radioactivity, measurements with just an empty Marinelli beaker were taken, before and after each measurement during the entire experiment. The number of gamma rays emitted from the sample was obtained by analyzing the experimental results, and the radioactivity value was finally calculated using the detection efficiency value obtained from the GEANT4 simulation. As a result of the experiment, natural radioactive isotopes and artificial radioactive isotopes were found in all soil samples taken from Antarctica. In particular, the radioactivity of 137Cs was measured at an average of 1.65 Bq/kg in five regions, which was higher than the detection efficiency. The maximum value was 3.14 Bq/kg and the minimum 0.99 Bq/kg, showing different values for each region, and in some regions, the radioactivity was similar to that of the Korean soil sample. Compared with the report prepared by KINS, the radioactivity of Antarctica for some regions has a similar value to that of Korea, in terms of the natural radioactive isotope of 40K as well as of the artificial radioactive isotope of 137Cs. On the other hand, because the locality of the soil has different radioactivity for each region, a systematic soil sampling plan taking this into account is required. Further studies using other types of radioactive indicator samples such as moss and lichens and more soil samples are proposed.;지구상에는 별에서의 핵 합성 과정을 통해 만들어진 천연 방사성 동위원소와, 인간 활동의 산물로써 만들어지는 인공 방사성 동위원소가 존재한다. 인공 방사성 동위원소의 일종인 137Cs은 낙진, 해류 등의 경로를 통해 순환하는데, 이로 인해 남극의 방사성 생태계에 영향을 받는다는 선행연구가 있다. 따라서 본 연구는 남극에서 채취한 토양에서 137Cs의 방사능을 측정하고, 이를 한국 토양에서의 결과와 비교하였다. 토양 시료가 갖는 낮은 준위의 방사능을 효율적으로 측정하기 위해 청평 양수발전소의 지하 터널 내에 위치한 청평 지하 방사선 실험실에서 고순도 게르마늄 검출기를 이용해 실험이 진행되었다. 청평 지하 방사선 실험실은 지하에 위치하기 때문에 뮤온과 같은 우주선들을 지리적으로 막을 수 있고, 검출기에는 납과 구리 벽돌을 이용한 차폐체를 설치하여 배경 방사선을 차폐하도록 설계되었다. 먼저 검출기의 성능을 파악하기 위해 여러 방사성 동위원소들이 혼합된 표준 선원을 이용한 실험이 진행되었다. 표준 선원은 마리넬리 비커에 담겨있어, 고순도 게르마늄 검출기의 검출 효율을 매우 높일 수 있는 구조로 되어있다. 각 핵종의 방사능 값을 알고 있는 표준 선원을 측정해 에너지를 보정하고, 분해능과 검출 효율을 계산하였다. 이를 GEANT4 전산 모사에서 얻은 결과와 비교하며, 검출기의 비 검출 영역을 결정하게 된다. 결론적으로 모든 에너지 범위에서의 검출 효율을 전산 모사를 이용해 계산할 수 있다. 실험은 남극 세종 과학 기지 근방에서 채취한 5개의 토양 시료와, 한국에서 채취한 2개의 토양 시료를 이용했다. 모든 시료는 충분히 건조시켜 2mm 간격의 체로 거른 뒤 마리넬리 비커에 담았다. 측정은 각 시료 마다 약 1-2주간 진행되었다. 또한 배경 방사능을 제거하기 위해 빈 마리넬리 비커만 놓은 채 전체 실험의 전과 후에 측정하였다. 실험 결과를 분석하여 시료에서 방출된 감마선의 개수를 얻었으며, 전산 모사를 통해 얻은 검출 효율 값을 이용해 최종적으로 방사능 값을 계산하였다. 실험 결과, 남극에서 채취한 모든 토양 시료에서 자연 방사성 동위원소와 인공 방사성 동위원소가 발견되었다. 특히 137Cs의 방사능은 5개 지역 평균 1.65 Bq/kg 으로, 검출 효율 이상의 값으로 측정되었다. 최대 3.14 Bq/kg, 최소 0.99 Bq/kg 으로 지역마다 상이한 값을 보이며, 일부 지역에서는 한국 토양 시료의 결과와 비슷한 값의 방사능을 갖고 있었다. 한국원자력안전기술원에서 작성한 보고서와 비교하였을 때, 일부 지역에 대해서 남극의 방사능은 천연 방사성 동위원소인 40K 뿐만 아니라 인공 방사성 동위원소인 137Cs의 방사능도 한국의 방사능과 비슷한 값을 가진다. 반면 토양의 국지성으로 인하여 지역별로 상이한 방사능을 갖기 때문에, 이를 고려한 체계적인 토양 시료 채취 계획이 요구된다. 이끼와 지의류와 같은 다른 종류의 방사성 지표 시료를 이용하고, 더 많은 토양 시료를 이용한 추가적인 연구 진행이 제안된다.