Development of nuclear techniques for elemental analysis of large volume samples

Aim of the present study was the development of a nuclear technique for non-destructive elemental analysis of bulk objects (up to a few kg in mass or up to several L in volume). In particular, main goal of the study was the evaluation and optimization of the methodology for large sample neutron activation analysis as well as the extension and application of the technique for the analysis of homogeneous and inhomogeneous bulk objects. The principles of large sample neutron activation analysis and the main parameters that differentiate analysis of large samples against the conventional technique of small sample analysis were studied. The work was emphasized on the required corrections for the effects of neutron self-shielding and gamma-ray self-attenuation within the sample material. The irradiation and gamma-spectrometry facilities as well as the sample geometry were simulated in detail using Monte Carlo codes and the results of the simulations were compared against experimental measurements. Furthermore, the study was focused on the analysis of large inhomogeneous samples and the evaluation of the inhomogeneity effect on the analysis results. Thus, a collimated scanning technique which combines simulations and experimental measurements was developed for the identification of inhomogeneities in large volume samples and the correction of their effect on the interpretation of gamma-spectrometry data. Additionally, the technique was applied for the analysis of bulk inhomogeneous samples and cultural heritage objects, demonstrating the great capabilities of the technique. The results of the present study allowed the development of a non-destructive technique for multi-element analysis of non homogeneous large samples and bulk objects of irregular shapes. Moreover, they extended the capabilities of the technique, providing an important analytical tool with a wide range of applications in several fields of science and technology, such as archaeometry and cultural heritage studies, material technology, geological, environmental and waste characterization studies.Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η ανάπτυξη πυρηνικών τεχνικών μη-καταστροφικής στοιχειακής ανάλυσης δειγμάτων μεγάλου όγκου, δειγμάτων δηλαδή με μάζα μερικών κιλών ή όγκο μερικών λίτρων. Πιο συγκεκριμένα, βασικός στόχος ήταν η αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της μεθοδολογίας για την ανάλυση δειγμάτων μεγάλου όγκου με την τεχνική της ανάλυσης με νετρονική ενεργοποίηση καθώς και η επέκταση και εφαρμογή της τεχνικής για την ανάλυση ομογενών και ανομοιογενών αντικειμένων. Στα πλαίσια αυτά, μελετήθηκαν οι βασικές παράμετροι που διαφοροποιούν την ανάλυση μεγάλων δειγμάτων από την «κλασική», ήδη καθιερωμένη, ανάλυση μικρών σε όγκο δειγμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις διορθώσεις που απαιτούνται για την αυτο-απορρόφηση των ακτίνων-γ και την αυτο-θωράκιση των νετρονίων στον όγκο του δείγματος. Η εργασία βασίστηκε στη λεπτομερή προσομοίωση διατάξεων ακτινοβόλησης, δειγμάτων και συστημάτων ανίχνευσης της ακτινοβολίας-γ, χρησιμοποιώντας συνδυασμό κωδίκων Monte Carlo, και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με πειραματικές μετρήσεις. Επιπλέον, το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην ανάλυση ανομοιογενών δειγμάτων και στη βαθύτερη μελέτη των επιδράσεων των ανομοιογενειών στη διαδικασία της ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε τεχνική που συνδυάζει πειραματικές μετρήσεις και προσομοιώσεις πετυχαίνοντας αφ’ενός την ανίχνευση της ύπαρξης ανομοιογενειών μέσα σε ένα δείγμα μεγάλου όγκου, αφ’ετέρου τη διόρθωση της επίδρασής τους στα αποτελέσματα της ανάλυσης. Στα πλαίσια, παράλληλα, επίδειξης των δυνατοτήτων της, η τεχνική εφαρμόστηκε για την ανάλυση ανομοιογενών δειγμάτων μεγάλου όγκου και ολόκληρων αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας επέτρεψαν την ανάπτυξη μιας μη-καταστροφικής τεχνικής για την πολυστοιχειακή ανάλυση μη ομογενών δειγμάτων μεγάλου όγκου καθώς και δειγμάτων διαφορετικών γεωμετρικών σχημάτων, προσφέροντας ένα σημαντικό αναλυτικό εργαλείο με εύρος εφαρμογών σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας όπως είναι η αρχαιομετρία και η διάσωση της πολιτιστικής κληρονομιάς, η τεχνολογία υλικών, η διαχείριση ηλεκτρονικών αποβλήτων, οι γεωλογικές και περιβαλλοντικές μελέτες

Development of nuclear techniques for elemental analysis of large volume samples

182 σ.Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η ανάπτυξη πυρηνικών τεχνικών μη-καταστροφικής στοιχειακής ανάλυσης δειγμάτων μεγάλου όγκου, δειγμάτων δηλαδή με μάζα μερικών κιλών ή όγκο μερικών λίτρων. Πιο συγκεκριμένα, βασικός στόχος ήταν η αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της μεθοδολογίας για την ανάλυση δειγμάτων μεγάλου όγκου με την τεχνική της ανάλυσης με νετρονική ενεργοποίηση καθώς και η επέκταση και εφαρμογή της τεχνικής για την ανάλυση ομογενών και ανομοιογενών αντικειμένων. Στα πλαίσια αυτά, μελετήθηκαν οι βασικές παράμετροι που διαφοροποιούν την ανάλυση μεγάλων δειγμάτων από την «κλασική», ήδη καθιερωμένη, ανάλυση μικρών σε όγκο δειγμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις διορθώσεις που απαιτούνται για την αυτο-απορρόφηση των ακτίνων-γ και την αυτο-θωράκιση των νετρονίων στον όγκο του δείγματος. Η εργασία βασίστηκε στη λεπτομερή προσομοίωση διατάξεων ακτινοβόλησης, δειγμάτων και συστημάτων ανίχνευσης της ακτινοβολίας-γ, χρησιμοποιώντας συνδυασμό κωδίκων Monte Carlo, και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με πειραματικές μετρήσεις. Επιπλέον, το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην ανάλυση ανομοιογενών δειγμάτων και στη βαθύτερη μελέτη των επιδράσεων των ανομοιογενειών στη διαδικασία της ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε τεχνική που συνδυάζει πειραματικές μετρήσεις και προσομοιώσεις πετυχαίνοντας αφ’ενός την ανίχνευση της ύπαρξης ανομοιογενειών μέσα σε ένα δείγμα μεγάλου όγκου, αφ’ετέρου τη διόρθωση της επίδρασής τους στα αποτελέσματα της ανάλυσης. Στα πλαίσια, παράλληλα, επίδειξης των δυνατοτήτων της, η τεχνική εφαρμόστηκε για την ανάλυση ανομοιογενών δειγμάτων μεγάλου όγκου και ολόκληρων αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας επέτρεψαν την ανάπτυξη μιας μη- καταστροφικής τεχνικής για την πολυστοιχειακή ανάλυση μη ομογενών δειγμάτων μεγάλου όγκου καθώς και δειγμάτων διαφορετικών γεωμετρικών σχημάτων, προσφέροντας ένα σημαντικό αναλυτικό εργαλείο με εύρος εφαρμογών σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας όπως είναι η αρχαιομετρία και η διάσωση της πολιτιστικής κληρονομιάς, η τεχνολογία υλικών, η διαχείριση ηλεκτρονικών αποβλήτων, οι γεωλογικές και περιβαλλοντικές μελέτες.Aim of the present study was the development of a nuclear technique for nondestructive elemental analysis of bulk objects (up to a few kg in mass or up to several L in volume). In particular, main goal of the study was the evaluation and optimization of the methodology for large sample neutron activation analysis as well as the extension and application of the technique for the analysis of homogeneous and inhomogeneous bulk objects. The principles of large sample neutron activation analysis and the main parameters that differentiate analysis of large samples against the conventional technique of small sample analysis were studied. The work was emphasized on the required corrections for the effects of neutron self-shielding and gamma-ray selfattenuation within the sample material. The irradiation and gamma-spectrometry facilities as well as the sample geometry were simulated in detail using Monte Carlo codes and the results of the simulations were compared against experimental measurements. Furthermore, the study was focused on the analysis of large inhomogeneous samples and the evaluation of the inhomogeneity effect on the analysis results. Thus, a collimated scanning technique which combines simulations and experimental measurements was developed for the identification of inhomogeneities in large volume samples and the correction of their effect on the interpretation of gamma-spectrometry data. Additionally, the technique was applied for the analysis of bulk inhomogeneous samples and cultural heritage objects, demonstrating the great capabilities of the technique. The results of the present study allowed the development of a non-destructive technique for multi-element analysis of non homogeneous large samples and bulk objects of irregular shapes. Moreover, they extended the capabilities of the technique, providing an important analytical tool with a wide range of applications in several fields of science and technology, such as archaeometry and cultural heritage studies, material technology, geological, environmental and waste characterization studies.Θεοδώρα Δ. Βασιλοπούλο

Determination of true coincidence correction factors for HPGe detectors using Monte-Carlo simulation techniques

214 σ.Μεταπτυχιακή Εργασία - - Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Διεπιστημονικό - Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) "Φυσική & Τεχνολογικές Εφαρμογές"Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η βαθμονόμηση απόδοσης φωτοκορυφής του ημιαγωγού ανιχνευτή Γερμανίου (Ge) του Εργαστηρίου Πυρηνικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (Ε.Π.Τ.-Ε.Μ.Π.) καθώς και ο υπολογισμός των αντίστοιχων συντελεστών διόρθωσης ως προς το φαινόμενο της πραγματικής σύμπτωσης. Για τη βαθμονόμηση χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος προσομοίωσης Monte Carlo και πιο συγκεκριμένα ο κώδικας PENELOPE. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίθηκαν με αυτά που προέκυψαν από τις πειραματικές μετρήσεις στην ανιχνευτική διάταξη. Πειράματα και προσομοιώσεις διεξήχθησαν για πλήθος σημειακών πηγών αλλά και για πηγές όγκου, οι οποίες ενδιαφέρουν ιδιαίτερα την ερευνητική δραστηριότητα του εργαστηρίου. Προσδιορίστηκαν οι ακριβείς διαστάσεις του κρυστάλλου του ανιχνευτή, οι τιμές των οποίων είτε δεν δίνονταν από τον κατασκευαστή είτε δίνονταν κατ’εκτίμηση. Υπολογίστηκε η απόδοση φωτοκορυφής, η ολική απόδοση και ο λόγος ολικής απόδοσης - απόδοσης φωτοκορυφής για μια σειρά ενεργειών-ισοτόπων. Εκτιμήθηκαν με χρήση του προγράμματος TrueCoinc οι συντελεστές διόρθωσης λόγω του φαινομένου της πραγματικής σύμπτωσης και εφαρμόστηκαν για τη διόρθωση της τιμής της ραδιενέργειας σε δείγμα 134Cs. Διερευνήθηκε η εξάρτηση της απόδοσης του ανιχνευτή από τις παραμέτρους της προσομοίωσης και πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της ενεργειακής διαμέρισης που επιλέγεται στον υπολογισμό της απόδοσης φωτοκορυφής. Μελετήθηκαν ακόμα φαινόμενα όπως αυτό της ακτινοβολίας πέδησης (bremsstrahlung) και αναπτύχθηκε μεθοδολογία υπολογισμού της απόδοσης για περιπτώσεις όπου η επίδραση του φαινομένου είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν συνέβαλλαν στην εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων σε σχέση με τη διαδικασία βαθμονόμησης ανιχνευτών και θα αξιοποιηθούν στην περαιτέρω δραστηριότητα του εργαστηρίου, ιδιαίτερα στη μελέτη και ανάλυση ραδιενεργών δειγμάτων όγκου.The aim of this thesis is the full-energy peak efficiency calibration of the semiconductor Germanium detector that is settled in the Nuclear Engineering Department of the National Technical University of Athens (N.E.D.-N.T.U.A.) and the calculation of the true coincidence correction factors. The Monte Carlo simulation technique and the code PENELOPE were used for the calibration. Simulation results were compared to the results derived from experimental calculations. Experiments and simulations were carried out for several point sources as well as for volume sources, which are of great interest regarding the research activity of the particular Lab. The dimensions of the Germanium crystal of the detector, which were only estimated or not given at all by the manufacturer, were defined. Peak efficiency, total efficiency and peak to total ratio were calculated for a wide range of energies-isotopes. Using the TrueCoinc program, true coincidence correction factors were derived and then applied for the correction of the 134Cs radioactivity in a volume sample. The dependence of the peak efficiency on the simulation parameters was examined. Phenomena such as the Bremsstrahlung effect were studied while a method was developed and applied in order to take into account these effects. Useful conclusions regarding the calibration procedure were derived. Results obtained will be used in the future research activity of the Nuclear Engineering Department of the National Technical University of Athens, especially in the gamma spectroscopic analysis of radioactive volume samples.Θεοδώρα Δ. Βασιλοπούλο

The effect of a combined Zumba and strength training program on physical fitness and health of middle-aged women

The scarce spare time in everyday living and the need to improve different aspects of the health and fitness of the individual have led scientists to the design of concurrent aerobic and neuromuscular training programs. Despite the intense scientific interest, however, there is still lack of scientific evidence on the effective and safe combination of the training load parameters and the duration of detraining from exercise programs. The current study investigated the effects of a concurrent Zumba and strength program on health indices and overall fitness in middle aged females, compared its effectiveness with that of a concurrent aerobic dance and strength program and studied the detraining effects a month after the end of the training programs. Fifty-four untrained middle-aged women (40-55 yrs) volunteered for the study and they were randomly assigned to one of the following three groups: A concurrent Zumba and strength program (ZG), a concurrent aerobic dance and strength program (AG) or a control group (CG). The ZG and AG participated in a 12-week training program that was performed 3 days per week and consisted of either Zumba or dance aerobic (low impact steps, intensity of 65-85% HRmax and duration of 18-36 min) and calisthenics exercises (2-5 sets per exercise of 4-15 repetitions per set). The two ZG and AG training programs differed only in the aerobic mode of exercise (either Zumba or aerobic dance). The training load (volume and intensity) was equated between the two groups. Body composition, waist-to-hip ratio, blood pressure, respiratory function, flexibility, static and dynamic balance, muscle endurance and power, and aerobic capacity were measured prior, two days after and one month after the completion of the training programs. Two-way ANOVAs (group: ZG, AG and CG; time pre, post, and a month later-detraining), with repeated measures on the ‘time’ factor and Sidak’s multiple comparisons were used to analyze the data. Both ZG and AG significantly improved health (4-10%), functional capacity (4-45%) and physical fitness indices (9-83%) (p0.05). A month after the completion of both exercise programs all the beneficial effects of exercise were still apparent and significantly different than at baseline measures (p0,05). Αμέσως μετά καθώς και 1 μήνα μετά την παρέμβαση, οι δύο ομάδες άσκησης παρουσίασαν στατιστικά σημαντική διαφορά με την ομάδα ελέγχου (p<0,01-0,05). Και τα δύο προγράμματα άσκησης (Zumba και ενδυνάμωσης και αερόβιου χορού και ενδυνάμωσης) ήταν αποτελεσματικά στη βελτίωση των δεικτών υγείας και των ικανοτήτων της φυσικής κατάστασης που αξιολογήθηκαν, και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια για την προαγωγή της υγείας και τη βελτίωση της φυσικής κατάστασης των ασκούμενων

A Chair-Based Music–Kinetic Combined Exercise Program as an Alternative Approach for Increasing Health, Functional Capacity, and Physical Fitness Indices in Middle-Aged Pre-Menopausal Women

Lately, chairs have been widely used as a cheap, easily accessible, safe, and effective training means in different settings (e.g., in gyms, the house, workplaces, and in rehabilitation). This study investigated the effectiveness of a 10-week chair-based music–kinetic integrated combined exercise program on health, functional capacity, and physical fitness indicators of middle-aged pre-menopausal women. A total of 40 healthy women (40–53 years) were assigned to two groups: exercise (EG) and control (CG). The EG followed a 10-week (3 times/weekly; 30 training sessions) chair-based exercise program including aerobic dance, flexibility, coordination, and strength exercises with body weight or auxiliary means. Selected indicators of health, functional capacity, and physical fitness were evaluated before and after the 10 weeks. Following the program, the EG significantly reduced their body fat (−2.5%), blood pressure (by −4.5 to −5.5%), the time during the timed up-and-go (TUG) test (by −10.27%), heart rate (by −6.35 to −13.78%), and the rate of perceived exertion (by −24.45 to −25.88%), while increasing respiratory function (3.5–4%), flexibility (12.17%), balance (50.38–51.07%), maximal handgrip strength (10–12.17%), and endurance strength (43.87–55.91%). The chair-based combined music–kinetic exercise program was effective and could be safely used in different settings to improve health, functional capacity, and physical fitness in middle-aged women

Neutron streaming studies along JET shielding penetrations

Neutronic benchmark experiments are carried out at JET aiming to assess the neutronic codes and data used in ITER analysis. Among other activities, experiments are performed in order to validate neutron streaming simulations along long penetrations in the JET shielding configuration. In this work, neutron streaming calculations along the JET personnel entrance maze are presented. Simulations were performed using the MCNP code for Deuterium-Deuterium and Deuterium- Tritium plasma sources. The results of the simulations were compared against experimental data obtained using thermoluminescence detectors and activation foils

An Enjoyable Workplace Combined Exercise Program for Health Promotion in Trained Employees: Yoga, Pilates, and Circuit Strength Training

Corporate wellness has become an important public health priority through the designing and implementation of different workplace exercise interventions. The objectives of this study were to investigate: (a) the effectiveness of a 4-month workplace combined yoga, Pilates, and circuit strength training program (outside work shift) on health indices, functional capacity, and physical fitness in office employees; and (b) the employees’ enjoyment following the program. Fifty physically active office employees (26–55 years old) were equally divided into training (TG) and control groups (CG). The TG followed a 4-month (3 times/week, 50–60 min/training) combined yoga, Pilates, and circuit strength training program. Health indices (body composition, body mass, circumferences, musculoskeletal pains), functional capacity (flexibility, balance), and physical fitness (strength, aerobic capacity) were measured before and after the 4-month time period. After the completion of the program, the TG participants’ enjoyment was assessed. The TG significantly improved (p p > 0.05). Furthermore, a great percentage of employees (84%) reported high levels of enjoyment. This program could be effectively and safely used in workplace settings as an enjoyable intervention to improve specific health, functional capacity, and physical fitness indices in office employees

Neutron streaming studies along JET shielding penetrations

Neutronic benchmark experiments are carried out at JET aiming to assess the neutronic codes and data used in ITER analysis. Among other activities, experiments are performed in order to validate neutron streaming simulations along long penetrations in the JET shielding configuration. In this work, neutron streaming calculations along the JET personnel entrance maze are presented. Simulations were performed using the MCNP code for Deuterium-Deuterium and Deuterium- Tritium plasma sources. The results of the simulations were compared against experimental data obtained using thermoluminescence detectors and activation foils