Browsing by discipline "Radiokemia"

Sulfidimineraaleissa tapahtuva hapon tuotto ja sitä kautta muodostuva hapan valuma kuuluvat vakavimpiin kaivostoimintaan liittyviin ympäristöongelmiin, joilla on usein hyvin pitkäaikaisia vaikutuksia erityisesti alueen vesistöihin ja biodiversiteettiin. Hapan valuma on pohjimmiltaan luonnollinen ilmiö, mutta kaivostoiminta lähes poikkeuksetta kiihdyttää sitä merkittävästi. Happaman valuman muodostumista ja siihen liittyviä tekijöitä on tutkittu runsaasti. Ongelmallisen asiasta tekee kuitenkin se, että jokainen kaivos on ominaisuuksiltaan, olosuhteiltaan ja ympäristöltään erilainen, joten ympäristövaikutusten arvioinnissa pelkkä teoriatieto ei riitä, vaan tarvitaan ensisijaisesti kokeellista tietoa. Itä-Suomessa Pohjois-Karjalassa sijaitseva vuosien 1958—1961 välillä toiminnassa ollut Paukkajanvaaran testiluokan uraanikaivos ei tee asiassa poikkeusta. Kaivos on ollut sulkemisensa jälkeen altis happaman valuman muodostumiselle, eikä happaman valuman muodostumista alueella ole juurikaan aikaisemmin tutkittu. Vaikka hapan valuma mielletään usein ensisijaisesti elottoman luonnon kemialliseksi prosessiksi, johon ympäristön fysikaaliset olosuhteet vaikuttavat, on monien tutkimusten kautta korostunut biosfäärin merkitys valuman syntymisessä. Erityisesti sulfidia hapettavien (SOB) ja sulfaattia pelkistävien (SRB) bakteerien tiedetään olevan keskeisessä roolissa prosessiin liittyen. Tämän Pro gradu -tutkimuksen ensimmäisen puoliskon tarkoituksena oli tutkia kahden sulfidia hapettavan ja yhden kahdenarvoista rautaa hapettavan bakteerin vaikutusta Paukkajanvaaran kaivoksen maanäytteistä vesifaasiin uuttuvan sulfaatin määrään. Liuoksessa olevasta sulfaatista muodostuu ympäristössä rikkihappoa. Rikkihappo laskee ympäristön pH-arvoa, minkä vaikutukset ovat moninaiset. Sulfaatin määrittäminen tehtiin ionikromatografian avulla, ja eri kohdista kerätyille maanäytteille tehtiin myös gammaspektrometrinen analyysi Ra-226:n aktiivisuuden määrittämiseksi. Biomassan hyödyntämiseen ympäristön puhdistamisessa on kohdistunut vuosien varrella paljon tutkimusta. Biomassaa voidaan hyödyntää esimerkiksi erilaisten radionuklidien poistamiseen liuoksista. Merja Lusan Mibira-tutkimusryhmä on Helsingin yliopiston Radiokemian yksikössä tutkinut erityisesti ympäristöbakteerien vuorovaikutusta radionuklidien kanssa. Tämän Pro gradu -tutkimuksen toisessa osassa tutkittiin radiumin biosorptiota kahteen Mibira-ryhmän Lastensuosta aikaisemmin eristämään bakteeriin sekä kolmeen Paukkajanvaaran maanäytteistä eristettyyn bakteeriin. Ra-226 on uraanisarjaan kuuluva radionuklidi, jonka haitallisuus johtuu erityisesti sen tytärnuklidista, ilmakehään helposti siirtyvästä kaasumaisesta radonista, Rn-222. Paukkajanvaaran eristetyille bakteereille tehtiin myös biokemiallinen karakterisointi sekä fylogeneettinen puu 16S rRNA-geenisekvensoinnin avulla. Tutkielman kokeellinen osuus tehtiin kokonaisuudessaan Helsingin yliopiston Radiokemian yksikössä. Tutkimuksessa selvisi, että sulfidia hapettavat Acidithiobacillus thiooxidans ja Thiobacillus thioparus sekä kahdenarvoista rautaa hapettava Acidimicrobium ferrooxidans, lisäävät merkittävästi sulfaatin uuttumista Paukkajanvaaran kaivosalueen mineraalipitoisesta maa-aineksesta liuokseen. Radiumin sitoutumisen biosorptiolla havaittiin olevan kohtalaista maaperän Pseudomonas-bakteereihin sekä yhteen Serratia-suvun bakteeriin. Yksikään tutkimuksessa käytetystä viidestä bakteerista ei sitonut radiumia huomattavasti toisia paremmin. Sen sijaan radiumin sitoutumisen havaittiin riippuvan jonkin verran lämpötilasta jokaisen bakteerin kohdalla. Kaiken kaikkiaan tässä tutkimuksessa saatiin uutta tietoa Paukkajanvaaran maaperässä olevista bakteereista sekä niiden vuorovaikutuksesta radiumin kanssa. Samalla saatiin todettua Acidithiobacillus thiooxidansin, Thiobacillus thioparuksen ja Acidimicrobium ferrooxidansin merkitys hapon muodostuksessa Paukkajanvaaran maaperässä.

Uranium and thorium are naturally occurring radionuclides with trace concentrations found in seawater. The growing use of nuclear energy has increased the risk of non-negligible releases of radioactivity into the environment. Most of the radioactivity is derived from uranium, which is why it is essential to understand more about the speciation of uranium in seawater and evaluate its possible impact on living organisms. The significance of thorium speciation studies rises from the use of plutonium, a more toxic actinide used in nuclear activities. Thorium is chemically similar to plutonium but less toxic and with simpler solution chemistry, so it can be used as an analogue for plutonium speciation studies. In this thesis, the role of earth alkaline cations in the structure of uranyl carbonate complex was investigated. The Ca2UO2(CO3)3 complex was previously identified as the main uranyl species in seawater but the role of calcium cations in the structure was not yet established. We prepared artificial seawater free of Mg2+ and Ca2+ using Sr2+ as a spectroscopic probe, spiked it with uranium ([U]=5·10-5 M) and measured with EXAFS spectroscopy. Together with FTIR spectroscopy and DFT calculations, the formation of Sr2UO2(CO3)3 complex was identified. Bioaccumulation of uranium was studied in sea urchins in a marine-like environment exposing the sea urchins to uranium for at least 200 hours. The U concentration in the seawater was followed throughout the experiment and at the end of the experiment the sea urchins were sacrificed and measured with ICP-OES. Accumulation of uranium was found mostly in the entrails of the sea urchins and in the excrement. The measured U from the seawater settled to about 10 % of the added uranium suggesting that there might be an equilibrium between seawater, sea urchins and sand. Th stability in seawater was studied by using Xylenol Orange as a colored complexing agent and UV-vis spectroscopy to follow the change in thorium concentration in time. Results show that thorium is rather stable in seawater if it is examined with Teflon covered instruments to prevent the thorium adsorption onto surfaces.

On March 11th 2011 a powerful earthquake shook the Pacific Ocean triggering a tsunami that travelled over eastern Japan with devastating consequences. The tsunami waves also covered the Fukushima Dai-ichi nuclear power plant (FDNPP) causing the cooling systems to fail. This led to the biggest nuclear accident since Chernobyl in 1986. The partial melting of the fuel in the reactors caused the pressure and temperature to rise in the reactor pressure vessel, which led to major radioactive releases. The three most significant radionuclides were cesium isotopes (134Cs, 137Cs) and iodine isotope (131I). They all are highly volatile elements and that is why they were released in the early stage of the accident. Also lower amounts of intermediate volatile elements, such as strontium, were released. The release of refractory elements, such as plutonium, was negligible. The radionuclides travelled over the Pacific Ocean all the way to Europe and Finland, where elevated levels of radioactivity were detected but the levels were 4-5 orders of magnitude lower than those after the Chernobyl accident. In Japan, the most radioactive contamination was found north-west from the FDNPP (IAEA, 2015). The most contaminated areas had to be evacuated and still today the surrounding areas of the power plant are uninhabitable. The Fukushima accident has been widely studied over the past six years and the distribution of radionuclides and environmental effects are fairly well-known. Still more studies are needed to understand the long-term effects of the accident to the environment and humans. This study focuses on surface water samples collected on April 10th 2011, less than a month after the accident. The radionuclides studied in this research are isotopes of cesium, strontium, tritium and iodine. Both radiometric and mass spectrometric methods were used following sample pretreatment and chemical separation in determining the activity concentrations. The highest activity concentrations for all nuclides were found in the samples collected closest to the FDNPP. Cesium isotopes had the highest activity concentrations among all the nuclides measured, which could be expected due to the fact that both isotopes, 134Cs, 137Cs, were released in high amounts. Tritium levels were also over 200 times over the pre-accident background values in the most active samples. Strontium, being an intermediate volatility element, was not released in high amount and the measured results support this fact. The activity concentrations of 90Sr were very low with high uncertainties. 129I activity concentration was also highest in the sample collected closest to the FDNPP. Unfortunately, not all samples were measured due to too high activities for the accelerator mass spectrometer. Some observations could be made about the behavior of the radionuclides in the environment and especially their interactions with soil, since differences were detected in samples collected from different sites. Unfortunately, no further analysis could be perfomed to estimate the total areal contamination or distribution between soil and solution, because that would have required soil and vegetation samples in addition to the water samples.

Prostate cancer is the most common cancer in male population in the western world. In Finland around 5000 men are diagnosed with it every year. Most patients are diagnosed with localized prostate cancer, when the prognosis is good: the relative 5-year survival is over 90%. The metastasized form of prostate cancer can be considered fatal, since the 5-year survival rate for patients with metastases in distant organs is about 29%. Early diagnosis and clear and definite understanding of patient's tumor profile are fundamental parts of optimized treatment of prostate cancer. Proliferation and antiapoptotic characteristics of prostate cancer tissue is caused by altered androgen receptor signaling. Many treatment forms of prostate cancer are concentrating on inhibiting this signaling pathway. Furthermore expression of androgen receptors is increased in prostate cancer tissue compared to healthy tissue. These factors corroborate that androgen receptor is a good candidate for targeting and imaging prostate cancer. With positron emission tomography tracers it is possible to quantitatively detect receptors in vivo. Selective androgen receptor modulators are class of drug molecules that alter androgen receptor activity. They have high affinity to androgen receptor. The aim of this master's thesis was to produce a fluorine-18 and/or iodine-131 labelled selective androgen receptor modulator derivative that could be used for imaging androgen receptor lesions in metastatic prostate cancer. Two different selective androgen receptor modulators were investigated. The second one, a 4-(pyrrolidin-1-yl) benzonitrile derivative was labelled successfully with iodine-131. Its binding to androgen receptor was tentatively shown with LnCapAR cell line. The radiolabelled compound showed binding to androgen receptor with IC50 value of 0.1903 nM.

Silicon detectors with spatial resolution, such as strip and pixel detectors, are essential for high-energy physics experiments, where they are exposed to very high luminosities and particle fluences. Radiation causes damage in silicon and deteriorates detector performance. The main consequences of radiation damage are the increase in depletion voltage, the increase in detector leakage current leading to a worse signal-to-noise ratio, and the decrease in charge collection length and efficiency. One solution for mitigating the effect of increased leakage current is the use of capacitive coupling, which permits the separation of a signal from the leakage current flowing in the DC biasing circuit. This requires a bias resistor for each detector segment, with a suitable value of resistance in order to allow biasing of the detector while isolating the individual segments from each other. In this thesis, titanium nitride (TiN) is studied as potential bias resistor material in the form of very thin films with thicknesses of around 20 nm. Its resistivity at smaller resistor dimensions is expected to be sufficiently high to permit the fabrication of very small segments, for example pixels with an area of 25 × 25 µm2. This would be compatible with the very short charge collection length and caused by radiation damage. Furthermore, TiN is expected to be far less sensitive to radiation damage than the polycrystalline silicon commonly used as bias resistor, and it can be deposited at lower temperatures , which is beneficial by many aspects of semiconductor processing. In order to deposit suitable TiN thin films with good accuracy and repeatability, a new process of plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) was developed. Crystallinity, conformality, surface morphology, chemical composition and resistivity of the films obtained this way were studied. The new PEALD process allowed for the deposition of good-quality TiN thin films at 300 °C from the routinely used and easily available precursors TiCl4 and NH3. TiN films with two different thicknesses were processed into bias resistor test structures, which were then tested for radiation hardness by irradiation with protons and photons of different energies. As expected, the radiation hardness of the resistors was excellent and none of the performed irradiations had any effect on the resistors' performance. It was discovered that relatively short annealing treatments, which are used routinely for sintering of aluminium, increased the resistance of the test structures significantly. This presents a very simple and straightforward way to tune the resistance of the TiN resistor structures to a desired value. It was concluded that TiN resistors fabricated in the way presented in this thesis have great potential for use in segmented silicon particle detectors.

Suuri määrä ydinvoimaloita on tulossa lähivuosina ja -vuosikymmeninä käytöstäpoisto vaiheeseen. Valtavasta käytöstäpoisto- ja purkamistöistä syntyy tuhansia tonneja jätettä. Osa tästä jätteestä on metallijätettä, joka voidaan kierrättää ja käyttää uudelleen dekontaminoinnin jälkeen. Kirjallisuusosassa tarkastellaan erilaisia dekontaminaatiomenetelmiä sekä dekontaminoimisessa syntyvän happaman sekundäärisen liuosjätteen käsittelyä ioninvaihtimilla. Pääpaino on primääripiirien kemialliseen dekontaminaatioon soveltuvissa menetelmissä. Näistä CORD (Chemical Oxidation Reduction Decontamination) on yksi käytetyimmistä maailmalla. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää ioninvaihtomateriaaleja, jotka pystyisivät tehokkaasti ottamaan Co-60:a ja Ni-63:a CORD tyyppisistä dekontaminaatioliuoksista. Co-60 ja Ni-63 esiintyvät yleisesti primääripiirien korroosiokerroksissa. Co-60 usein määrittää käytössä olevan ydinvoimalan säteilytason ja Ni-63:stä tulee merkittävin säteilyn aiheuttaja 20 vuotta reaktorin sulkemisen jälkeen. Kokeellisessa osassa tutkittiin seitsemän epäorgaanisen ioninvaihtomateriaalin kykyä ottaa Co-60:a ja Ni-63:a CORD -tyyppisistä dekontaminaatioliuoksista. Tutkimuksissa selvitettiin materiaalien kemiallista kestävyyttä ravistelemalla ioninvaihtimia oksaali- ja permanganaattihapoissa kahden viikon ajan. Liuoksista mitattiin metallipitoisuus MP-AES:lla tai ICP-MS:llä. Lisäksi selvitettiin materiaalien ioninvaihtokyky nuklidien suhteen eri pH -arvoissa. Ioninvaihtokyvyn mittana käytettiin jakaantumiskerrointa. Näiden alkumittausten jälkeen jatkoon valittiin kolme materiaalia, joiden ioninvaihtokykyä testattiin happamissa oloissa oksaalihapossa ja kaliumpermanganaatissa. Lisäksi selvitettiin ioninvaihtimien tehoa, kun läsnä on myös kilpailevia ioneja (Fe, Cr, Ni /Co). Kd -arvot määritettiin mittaamalla Co-60 liuokset Wizardin gammalaskurilla ja Ni-63 liuokset Perkin Elmerin nestetuikelaitteella. Osa ioninvaihtimista ei toiminut juuri lainkaan happamissa oloissa eikä niiden tutkimista kannattanut jatkaa alkutestien jälkeen. Tutkimuksissa löytyi kolme hyvin tai kohtuullisesti happamissa oloissa toimivaa ioninvaihdinta: Sb2O5, CoTreat ja MnO2. Kd -arvot olivat pääasiassa parempia Co-60 kuin Ni-63 suhteen kaikissa testeissä. Sb2O5:lla saavutettiin pH:ssa 2 jopa Kd arvo 25 000 (Co-60) mutta arvo puolittui, kun mukana oli oksaalihappoa. Ni-63 suhteen Kd oli enää 100 – 1000 välillä oksaalihapossa. Mitatut tulokset vaihtelivat paljon eri kokeissa.