For prompt gamma ray imaging for biomedical applications and environmental radiation monitoring, we propose herein a multiple-scattering Compton camera (MSCC). MSCC consists of three or more semiconductor layers with good energy resolution, and has potential for simultaneous detection and differentiation of multiple radio-isotopes based on the measured energies, as well as three-dimensional (3D) imaging of the radio-isotope distribution. In this study, we developed an analytic simulator and a 3D image generator for a MSCC, including the physical models of the radiation source emission and detection processes that can be utilized for geometry and performance prediction prior to the construction of a real system. The analytic simulator for a MSCC records coincidence detections of successive interactions in multiple detector layers. In the successive interaction processes, the emission direction of the incident gamma ray, the scattering angle, and the changed traveling path after the Compton scattering interaction in each detector, were determined by a conical surface uniform random number generator (RNG), and by a Klein-Nishina RNG. The 3D image generator has two functions: the recovery of the initial source energy spectrum and the 3D spatial distribution of the source. We evaluated the analytic simulator and image generator with two different energetic point radiation sources (Cs-137 and Co-60) and with an MSCC comprising three detector layers. The recovered initial energies of the incident radiations were well differentiated from the generated MSCC events. Correspondingly, we could obtain a multi-tracer image that combined the two differentiated images. The developed analytic simulator in this study emulated the randomness of the detection process of a multiple-scattering Compton camera, including the inherent degradation factors of the detectors, such as the limited spatial and energy resolutions. The Doppler-broadening effect owing to the momentum distribution of electrons in Compton scattering was not considered in the detection process because most interested isotopes for biomedical and environmental applications have high energies that are less sensitive to Doppler broadening. The analytic simulator and image generator for MSCC can be utilized to determine the optimal geometrical parameters, such as the distances between detectors and detector size, thus affecting the imaging performance of the Compton camera prior to the development of a real system.
Oceanic Anoxic Event 2 (OAE2) represents a period of mid-Cretaceous when black shale was deposited worldwide. This short period of perturbations in the global biogeochemical cycles spans the Cenomanian-Turonian boundary, marking the peak of the Cretaceous greenhouse, which is characterized by elevated atmospheric pCO2, sealevel highstand, and expansion of oxygen minimum zone. Since the pioneering work in the 1970s, numerous studies have investigated the cause and consequences of the event based on geochemical and isotope proxies, and it is now widely accepted that the enhanced primary production and volcanism during the Cenomanian-Turonian boundary interval were the key environmental factors that triggered OAE2. This study briefly reviews previous OAE2 studies of the carbon, sulfur, and trace metal cycles for mechanistic understanding of the biogeochemical processes during the event.
Lee, Cheol-Woo;Whang, Won Tae;Kim, Eun Han;Han, Moon Hee;Jeong, Hae Sun;Jeong, Sol;Lee, Sang-jin
Journal of Radiation Protection and Research
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v.46
no.2
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pp.58-65
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2021
Background: The evaluation of skyshine distribution, release of airborne radioactive nuclides, and soil activation and groundwater migration were required for radiological assessment of the impact on the environment surrounding In-Flight (IF)-system facility of the RAON (Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiment) accelerator complex. Materials and Methods: Monte Carlo simulation by MCNPX code was used for evaluation of skyshine and activation analysis for air and soil. The concentration model was applied in the estimation of the groundwater migration of radionuclides in soil. Results and Discussion: The skyshine dose rates at 1 km from the facility were evaluated as 1.62 × 10-3 μSv·hr-1. The annual releases of 3H and 14C were calculated as 9.62 × 10-5 mg and 1.19 × 10-1 mg, respectively. The concentrations of 3H and 22Na in drinking water were estimated as 1.22 × 10-1 Bq·cm-3 and 8.25 × 10-3 Bq·cm-3, respectively. Conclusion: Radiological assessment of environmental impact on the IF-facility of RAON was performed through evaluation of skyshine dose distribution, evaluation of annual emission of long-lived radionuclides in the air and estimation of soil activation and groundwater migration of radionuclides. As a result, much lower exposure than the limit value for the public, 1 mSv·yr-1, is expected during operation of the IF-facility.
Climate and environmental changes in the Arctic Ocean due to global warming have been linked to extreme climate change in mid-latitude regions, including the Korean Peninsula, requiring a better understanding of the Arctic climate system based on the paleo-analog. This review introduces three paleoenvironmental research cases using neodymium isotopes (143Nd/144Nd, εNd) measured on two different fractions of marine sediments: silicate-bound 'detrital' and Fe-Mn oxide-dominated 'authigenic' fractions. In the first case, detrital εNd in core HH17-1085-GC on the continental shelf off northern Svalbard was used for tracing changes in sediment provenance and associated glacier behavior over the last 16.3 ka. The second case showed the potential use of authigenic εNd as a quasi-conservative water mass tracer. Three prominent εNd peaks and troughs observed in core PS72/410-1 from the Mendeleev Ridge in the western Arctic Ocean over the past 76 ka suggested episodic meltwater discharge events during 51~46, 39~35 and 21~13 ka BP. The last case proposed the use of the difference between authigenic and detrital εNd as a proxy for reconstructing glacier fluctuation. The idea is based on the assumption that enhanced glacial erosion during glacier advances can supply sufficient freshly-exposed rock substrate for incongruent weathering, potentially leading to greater isotopic decoupling between bedrock and dissolved weathering products as recorded in detrital and authigenic εNd, respectively. Thus, it would be worthwhile to take advantage of sedimentary εNd to improve our understanding of past environmental changes in polar regions.
Heterocyclic amines (HCAs) and acrylamide are unintended hazardous substances generated by heating or processing of foods and are known as carcinogenic and mutagenic agents by the animal experiments. A simple method was established for a rapid and accurate determination of 12 types of HCAs (IQ, MeIQ, Glu-P-1, Glu-P-2, MeIQx, Trp-P-1, Trp-P-2, PhIP, $A{\alpha}C$, $MeA{\alpha}C$, Harman and Norharman) and acrylamide in three food matrices (non-fat liquid, non-fat solid and fat solid) by isotope dilution liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). In every sample, a mixture of internal standards including $IQ-d_3$, $MeIQx-d_3$, $PhIP-d_3$, $Trp-P-2-^{13}C_2-^{15}N$ and $MeA{\alpha}C-d_3$ was spiked for quantification of HCAs and $^{13}C_3$-acrylamide was also spiked for the analysis of acrylamide. HCAs and acrylamide in sample were extracted with acetonitrile and water, respectively, and then two solid-phase extraction cartridges, ChemElut: HLB for HCAs and Accucat: HLB for acrylamide, were used for efficiently removing interferences such as pigment, lipid, polar, nonpolar and ionic compounds. Established method was validated in terms of recovery, accuracy, precision, limit of detection, limit of quantitation, and linearity. This method showed good precision (RSD < 20%), accuracy (71.8~119.1%) and recovery (66.0~118.9%). The detection limits were < 3.1 ng/g for all analytes. The correlation coefficients for all the HCAs and acrylamide were > 0.995, showing excellent linearity. These methods for the detection of HCAs and acrylamide by LC-MS/MS were applied to real samples and were successfully used for quantitative monitoring in the total diet study and this can be applied to risk assessment in various food matrices.
Despite the impacts of the climate changes on the pelagic ecosystem, few studies have examined the pelagic-benthic coupling in the adjacent East China Sea and Korea Strait. Therefore, the species composition and abundance of the macrobenthic community, as well as the potential food sources of benthic fauna were investigated in the present study using stable isotope analysis (${\delta}^{13}C\;and\;{\delta}^{15}N$) for suspended particulate organic matter (SPOM), sedimentary organic matter (SOM), phytoplankton, and zooplankton. A total of 157 macrobenthic fauna were collected, and the density of the macrobenthic fauna ranged from 4 to 434 ind./0.25 $m^2$, with an average density of 149 ind./0.25 $m^2$. The density of the benthic fauna increased moving from offshore shelf sites to coastal sites adjacent to the Korea Strait. Cluster analysis showed that the macrobenthic communities consisted of three distinct groups: group A in the Korea Strait, group B in the East China Sea, and group C near Ieodo. The dominant species in group A were the amphipods Photis japonica and Ampelisca miharaensis, followed by the polychaete Scolotoma longifolia. Environmental variables, such as the temperature of the seawater and sediment, and oxygen, and chlorophyll a levels, appeared to affect the structure of the community, suggesting the importance of coupling with the pelagic system. The ${\delta}^{13}C$ values of SPOM and zooplankton ranged from -22.97 to -23.5% and -19.92 to -21.86%, respectively, showing a relatively narrow range(<1%) between the two components. The difference between the ${\delta}^{13}C$ values of SOM and pelagic organic matter was also within 1%, suggesting that the SOM originated from the pelagic system, which is an important factor controlling the macrobenthic community.
Journal of the Korean Society of Groundwater Environment
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v.5
no.4
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pp.192-202
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1998
We investigated the geochemistry and environmental isotopes of granite-bedrock groundwater in the Yeongcheon diversion tunnel which is located about 300 m below the land surface. The hydrochemistry of groundwaters belongs to the Ca-HCO$_3$type, and is controlled by flow systems and water-rock interaction in the flow conduits (fractures). The deuterium and oxygen-18 data are clustered along the meteoric water line, indicating that the groundwater are commonly of meteoric water origin and are not affected by secondary isotope effects such as evaporation and isotope exchange. Tritium data show that the groundwaters were mostly recharged before pre-thermonuclear period and have been mixed with younger surface water flowing down rapidly into the tunnel along fractured zones. Based on the mass balance and reaction simulation approaches, using both the hydrochemistry of groundwater and the secondary mineralogy of fracture-filling materials, we have modeled the low-temperature hydrogeochemical evolution of groundwater in the area. The results of geochemical simulation show that the concentrations of Ca$\^$2+/, Na$\^$+/ and HCO$_3$and pH of waters increase progressively owing to the dissolution of reactive minerals in flow paths. The concentrations of Mg$\^$2+/ and K$\^$+/ frist increase with the dissolution, but later decrease when montmorillonite and illitic material are precipitated respectively. The continuous adding of reactive minerals, namely the progressively larger degrees of water/rock interaction, causes the formation of secondary minerals with the following sequence: first hematite, then gibbsite, then kaolinite, then montmorillonite, then illtic material, and finally microcline. During the simulation all the gibbsite is consumed, kaolinite precipitates and then the continuous reaction converts the kaolinite to montmorillonite and illitic material. The reaction simulation results agree well with the observed, water chemistry and secondary mineralogy, indicating the successful applicability of this simulation technique to delineate the complex hydrogeochemistry of bedrock groundwaters.
Mineralogy and geochemistry of the sediment core from the seamount (2710 m below the sea level) just south of the Antarctic Polar Front were examined to draw paleoceanographic information in glacial-interglacial cycles. Smectite was most abundant clay mineral associated with illite and chlorite. Its content was slightly higher below 170 cm, suggesting a boundary between isotope stage 4 and 5. Si, Zr, Cs, Th, REE, $K_{2}O$, and $Al_{2}O_{3}$ show complete antithetical distribution with respect to $CaCO_{3}$ through the core. $SiO_{2}$ maxima and $CaCO_{3}$ minima at depths of 24, 136, and 176 cm are probably correlated with massive influx of ice-rafted debris during the advance of Antarctic ice shelves. Ni, Cu, and Ba show rather little correlation with $SiO_{2}$, suggesting their relation to biogenic debris, precipitation from seawater, or hydrothermal input. Particularly, Ba maxima tend to lag $10{\sim}20cm$ after $SiO_{2}$ maxima, probably due to rapid increase of productivity following deglaciation.
In this study, we explain the environmental variables that mainly influence the spatial and seasonal pattern of Galerucella nipponensis in 38 wetland and stream located at mid-low Nakdong River. G. nipponensis were found at total of 32 wetland, was strongly positively correlated with the biomass of Trapa japonica (t=2.173, $r^2=0.013$, p<0.05). In result of seasonal distribution during 3 years, the largest density of G. nipponensis adult were observed in summer (7~8 months), egg and larva was recorded in only early spring (4~5 months). Rainfall were negatively related with the seasonal distribution of G. nipponensis. They were more abundant in dry season (2015 year) than rainy seasons(2013~2014 year). Stable isotope analysis showed that the G. nipponensis consumed as food source no submerged leaf of T. japonica than other plant. However, utilization of T. japonica on Galerucella nipponensis were not influence to plant biomass and/or species composition in vegetated bed. Those considered as adaptive strategies for sustainable habitat maintenance that because T. japonica use as not only food source but also their lives for G. nipponensis.
Bak, Young-Suk;Kim, Sunghan;Lee, Jae Il;Yoo, Kyu-Cheul;Lee, Min Kyung
Journal of the Korean earth science society
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v.42
no.6
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pp.677-687
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2021
In this study, we analyzed diatoms from core RS15-GC41 collected in Iselin Bank, Ross Sea. A total of 24 genera and 35 species of diatoms are identified, and the having valve abundance of diatoms varies from 0.2 to 28.6×106/g. Four diatom assemblage zones are established by the vertical distribution of diatoms, and changed with a cycle of 100 kyrs. RS15-GC41 were deposited over the last 400 kyrs (corresponding to Marine Isotope Stages 1-11). The open-water species Fragilariopsis kerguelensis, Rhizosolenia styliformis, and Thalassionema nitzschioides abundantly occurred in interglacial periods. Whereas, Actinocyclus actinochilus abundantly dominant during the glacial periods. The distribution of these diatoms indicated, it can be seen that the sea-ice extent was larger and lasted longer during MIS 7, 9, and 11 than that of MIS 1, 3, and 5. Moreover, Paralia sulcata was abundantly predominant in MIS 7, 9, and 11; this finding suggests likely indicating that P. sulcata was transported from the coastal/inner shelf area to the study site, during accumulated in the sediments, reworked with the influx of ice-rafted debris by the currents
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