Nous présentons des protocoles expérimentaux pour visualiser diverses sources de rayonnement gamma de bas niveau dans l’environnement ambiant à l’aide d’une caméra Compton à faible coût, à haute sensibilité, omnidirectionnelle et parradio.
Nous présentons des protocoles expérimentaux pour visualiser diverses sources de rayonnement gamma de bas niveau dans l’environnement ambiant. Des expériences ont été menées à l’aide d’une caméra Compton à faible coût, à haute sensibilité, omnidirectionnelle et à rayons gamma. En laboratoire, la position d’une source de rayonnement gamma sous-MeV telle que 137C peut facilement être surveillée par imagerie gamma omnidirectionnelle obtenue par la caméra Compton. En revanche, un moniteur de dose stationnaire monté sur mur ne peut pas toujours surveiller avec succès une telle source. En outre, nous avons démontré avec succès la possibilité de visualiser le mouvement de radioactivité dans l’environnement, par exemple, le mouvement d’un patient injecté avec 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) dans une installation de médecine nucléaire. Dans le domaine de Fukushima, nous avons facilement obtenu des images gamma omnidirectionnelles liées à la distribution sur le terrain de la contamination radioactive de faible activité par le césium radioactif libéré par l’accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi en 2011. Nous démontrons des avantages clairs d’utiliser notre procédure avec cette caméra pour visualiser les sources de rayons gamma. Nos protocoles peuvent également être utilisés pour découvrir des sources de rayonnement gamma de faible niveau, à la place de moniteurs de dose stationnaires et/ou de compteurs d’arpentage portatifs utilisés de façon conventionnelle.
Les installations médicales abritent diverses sources de rayonnement gamma de faible altitude avec un taux de dose de surface et/ou d’air de quelques-uns sv/h. De telles sources sont également présentes dans de vastes régions de l’est du Japon présentant une faible contamination radioactive par le césium radioactif de l’accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi en 2011. Ces environnements exposent parfois les travailleurs à la limite d’exposition à l’irradiation externe pour le corps humain pour la population en général, comme l’a conseillé la Commission internationale de protection radiologique (ICRP) : 1 mSv/an (p. ex., 1 Sv/h pour 4 h par jour, 250 jours par an)1. Si les sources de rayonnement sont visualisées à partir de plus de quelques mètres à l’avance sur de courtes échelles de temps, la quantité d’exposition aux rayonnements peut être réduite. Une des meilleures solutions pour visualiser ces sources de rayonnement gamma est d’adopter une imagerie gamma Compton caméra technique2. Dans cette technique, l’énergie et la direction du cône des rayons gamma incident émis par la source de rayonnement sont mesurées par le détecteur pour chaque événement, puis la direction de la source gamma-ray peut être reconstruite par rétroprojection3. Des études antérieures ont développé des systèmes de caméra Compton visant à l’application d’un nouveau dispositif de diagnostic en médecine nucléaire et / ou un nouveau télescope à rayons gamma en astrophysique4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, ainsi que des techniques de reconstruction d’image pour les données cône Compton analytique15,16 et statistique17 approches. Des appareils plus coûteux et à la fine pointe de la technologie avec des appareils électroniques complexes sont souvent adoptés pour obtenir une résolution angulaire élevée dans un écart standard de quelques degrés, mais cette précision rend difficile d’atteindre simultanément une efficacité de détection élevée.
Récemment, nous avons proposé et développé un faible coût, haute sensibilité, omnidirectionnel imagerie gamma Caméra Compton18, basé sur une coïncidence double au sein d’un certain nombre de scintillateurs indépendants qui agissent soit comme des disperseurs ou des absorbeurs19. Le but de cette technique est d’atteindre facilement une efficacité de détection élevée avec une résolution angulaire de 10 degrés ou moins, ce qui est suffisant pour un moniteur environnemental. Ceci est accompli grâce à l’application d’une technique d’affûtage d’images18,20 basée sur l’algorithme de rétroprojection filtré, qui applique un filtre de convolution utilisé dans la reconstruction d’image pour la tomographie calculée à la reconstruction de Compton. En outre, l’efficacité de détection, la résolution angulaire et la portée dynamique du détecteur peuvent être facilement optimisées lorsque le type, la taille et l’agencement des scintillateurs sont coordonnés en fonction d’un but particulier, comme l’utilisation dans les environnements émettant une radioactivité élevée21,22.
Dans cette étude, nous présentons des protocoles expérimentaux pour divers essais visant à visualiser les sources de rayonnement gamma de faible niveau à l’aide de cette technique omnidirectionnelle de caméra Compton dans une installation de radio-isotopes (RI), une installation de tomographie par émission de positons (PET) et le champ de Fukushima. Nous avons préparé et utilisé la caméra omnidirectionnelle d’imagerie gamma Compton précédemment développée par nous-mêmes18, mais avec quelques améliorations, afin d’atteindre une plus grande efficacité de détection. La figure 1 montre une vue schématique de l’arrangement des scintillateurs CsI(Tl) de onze éléments utilisés dans cette étude. Les onze compteurs se composent de deux couches; deux compteurs au centre et neuf compteurs en demi-cercle, compte tenu des configurations de diffusion vers l’avant et vers l’arrière. Chaque cube de scintillateur CsI (Tl) de 3,5 cm a été lu avec des tubes photo-multiplicateurs super-bialkali (PMT). Les signaux ont été introduits dans un panneau Flash ADC avec la technologie SiTCP23 et l’extrémité avant a été connecté à un PC via Ethernet. Un programme en ligne créé à l’aide de Visual CMD avec la bibliothèque ROOT24 a été utilisé sur un PC Windows. Une image gamma a été reconstruite et aiguisée18,20 sur une surface sphérique avec des anneaux qui s’accumulent avec un rayon de – qui est un angle de diffusion calculé à partir de la cinématique Compton pour chaque événement de coïncidence double. Une image gamma omnidirectionnelle peut être affichée en ligne et hors ligne par superposition sur l’image optique omnidirectionnelle précédemment prise par un appareil photo numérique. Pendant la mesure, le taux de déclenchement, le spectre énergétique total (la somme des dépôts d’énergie pour chaque événement de coïncidence double) et les images reconstruites d’une énergie gamma préfixée peuvent être affichés sur l’écran du PC en ligne. Ces informations peuvent être mises à jour à un intervalle de temps préréglé (p. ex., tous les 10 s). Ici, nous avons réglé l’écran pour afficher deux types d’images reconstruites : une image qui s’accumule au début de la mesure et une image réaccumulée à chaque intervalle de temps préréglé (par exemple, toutes les 1 min). En outre, étant donné que les données brutes pour chaque événement obtenu à l’aide des mesures sont stockées, il est possible de réanalyser les données après les mesures, puis de régénérer une image reconstruite pour une énergie gamma arbitraire à un intervalle de temps arbitraire. Le tableau 1 montre les performances du système de caméra Compton utilisé dans la présente étude, par rapport au système précédent de six compteurs18. La comparaison a révélé qu’une source de rayons gamma sous-MeV a été visualisée avec succès avec une efficacité de détection deux fois celle du système précédent, tout en maintenant la résolution angulaire s de 11 degrés. Nous avons également confirmé que la dépendance angulaire de l’acceptation a été maintenue à un minimum, montrant des différences de s – 4%. Les détails sur les techniques fondamentales du système sont décrits dans Watanabe et al. (2018)18. Ici, nous introduisons trois protocoles expérimentaux pour visualiser diverses sources de rayonnement gamma de bas niveau à l’aide de la caméra Compton décrite ci-dessus.
Nous avons présenté trois protocoles expérimentaux pour visualiser diverses sources de rayonnement gamma de bas niveau à l’aide de la caméra omnidirectionnelle Compton que nous avons développée. Les résultats représentatifs ont démontré que l’imagerie par rayons gamma à de faibles niveaux de rayonnement permet de dériver des informations nouvelles et utiles sur l’environnement environnant. Dans l’installation de R, le protocole a révélé que notre système de caméra Compton découvre avec succès la position de la source gamma, ainsi que le taux de comptage à la position donnée par rapport à la source. Cela signifie que la méthode proposée peut servir de technologie de prochaine génération pour la surveillance des rayonnements environnementaux, en remplaçant les moniteurs de dose stationnaire conventionnels déjà montés sur les murs de presque toutes les installations de l’IR. Dans cet article, nous avons dépeint l’intensité des rayons gamma comme un champ rouge cartographiant la région qui connaît des intensités dans la moitié supérieure des valeurs observées (Figure 3, Figure 5, et Figure 6), afin de convenir à diverses fins sans biais. Une approche qui donne plutôt la priorité à une intensité maximale, plutôt qu’à la distribution des sources de rayons gamma, adopterait une gamme plus étroite du champ rouge, peut-être le quart supérieur des valeurs observées, afin de permettre des conclusions de directive à des échelles de temps plus courtes. En effet, à la figure 3c, la direction de pointe pouvait être identifiée avec un temps de mesure de 30 s pour le cas (i) comme le montre la figure 4, pour laquelle l’intensité de la position de pointe était d’environ 20 comptes.
En ce qui concerne la surveillance environnementale dans l’installation de TEP, le protocole a démontré la possibilité de visualiser le mouvement de radioactivité à travers l’installation, qui dans ce cas est considéré comme le mouvement d’un patient injecté avec 18F-FDG. Dans la figure 5d,e, la direction du patient peut être identifiée en moins de 10 s en adoptant la plage de champ rouge plus étroite comme mentionné ci-dessus. À l’avenir, la surveillance environnementale des sources de rayons gamma par animation serait utile pour diverses situations, non seulement pour le mouvement des patients comme dans cette étude, mais aussi pour surveiller le transfert de matières de combustible nucléaire comme dans les aéroports à des fins de terrorisme, en profitant des caractéristiques de haute sensibilité et à faible coût du système, bien que la résolution énergétique d’un système qui utilise un scintillement est inférieure à celle des détecteurs de semi-conducteurs plus chers, tels que les détecteurs de semi-conducteurs de haute pureté (HPGe) et CdZnTe (CZT).
Dans le champ de Fukushima, le protocole a visualisé avec succès la source étendue de rayonnement gamma avec des taux de dose de surface de beaucoup moins de 1 Sv/h, ce qui est un ordre de grandeur inférieur à celui d’un rapport récent25,26. Notre système de caméra Compton s’est avéré capable de fonctionner de façon stable et robuste pour la mesure extérieure. Nous avons déjà confirmé que le système peut être exploité en utilisant wiFi et batterie portable pour une utilisation plus pratique dans diverses situations, en particulier pour la mesure en plein air. Le ministère japonais de l’Environnement a fixé le taux de dose d’air minimum à 0,23 Sv/h pour désigner les zones à décontamination. Nous croyons que notre système et nos protocoles seront d’une grande aide pour la procédure de décontamination dans les zones de faible contamination radioactive dans de vastes régions de l’est du Japon où le césium radioactif a été libéré par l’accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi en 2011.
La caméra Compton utilisée dans cette étude a une sensibilité élevée pour les rayons gamma avec des énergies comprises entre 300 keV et 1400 keV, attribuable à l’utilisation de 3,5 cm CsI (Tl) cubes de scintillateur18. Le type et la taille du scintillateur peuvent être optimisés pour la surveillance environnementale des sources de rayonnement gamma de faible altitude inférieures à 300 keV, telles que 99mTc (141 keV) et 111In (171 keV, 245 keV), qui sont fréquemment utilisés dans la scintigraphie. Ce travail sera présenté dans un autre document dans un proche avenir. Le détecteur peut être fabriqué à bas prix. En fait, le coût des matériaux de détecteur utilisés dans la présente étude n’était pas supérieur à 20 000 $, et ce montant était dominé par le prix du compteur composé de CsI (Tl) et de PMT; cette configuration est nettement moins coûteuse que les scintillateurs GAGG et les détecteurs de semi-conducteurs HPGe qui sont utilisés dans d’autres caméras Compton. En outre, le système utilisé dans cette étude devrait être rendu plus compact pour des raisons de polyvalence et de commodité. La taille du système produit dans cette étude était de 30 cm x 25 cm x 40 cm, ce qui est plus grand que la caméra gamma portative existante5,27. Les principales raisons de la taille d’un système aussi grande sont la grande taille du PMT attaché au CsI (Tl) (4 cm et 12 cm) et la grande électronique fabriquée à la main par nous. À l’avenir, la portabilité sera améliorée en remplaçant le PMT par un paquet métallique PMT ou Silicon Photomultiplier (SiPM) ainsi qu’en réemballant l’électronique à petite taille.
The authors have nothing to disclose.
Cette étude a été soutenue par l’Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japon, JSPS KAKENHI Grant (Nos. 22244019, 26610055, 15H04769 et 19H04492).
Compton camera | Custom made | ||
Dose rate monitor | Hitachi, Ltd. | DAM-1102 | |
Flash ADC board | Bee Beans Technologies Co.,Ltd. | BBT-019 | |
PC | Panasonic Corporation | CF-SZ6 | |
Photo-multiplier tube | Hamamatsu Photonics K.K. | H11432-100 | |
Survey meter | Fuji Electric Co., Ltd. | NHC7 |