Wir präsentieren experimentelle Protokolle zur Visualisierung verschiedener Low-Level-Gammastrahlungsquellen in der Umgebung mit einer kostengünstigen, hochempfindlichen, omnidirektionalen, Gammastrahlen-Bildgebungcompton-Kamera.
Wir präsentieren experimentelle Protokolle zur Visualisierung verschiedener low-level Gamma-Strahlungsquellen in der Umgebung. Die Experimente wurden mit einer kostengünstigen, hochempfindlichen, omnidirektionalen, Gammastrahlen-Bildgebungskamera Compton durchgeführt. Im Labor kann die Position einer Sub-MeV-Gammastrahlungsquelle wie 137Cs einfach über die omnidirektionale Gamma-Strahlen-Bildgebung überwacht werden, die von der Compton-Kamera erhalten wird. Im Gegensatz dazu kann ein stationärer, an der Wand montierter Dosisratenmonitor eine solche Quelle nicht immer erfolgreich überwachen. Darüber hinaus haben wir erfolgreich die Möglichkeit demonstriert, die Radioaktivitätsbewegung in der Umwelt zu visualisieren, z. B. die Bewegung eines Patienten, der mit 18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) in einer nuklearmedizinischen Anlage injiziert wird. Im Feld Fukushima haben wir leicht omnidirektionale Gammastrahlenbilder erhalten, die sich mit der Verteilung einer schwachradioaktiven Kontamination durch radioaktives Cäsium auf dem Boden befassen, das 2011 durch den Reaktorunfall in Fukushima Daiichi freigesetzt wurde. Wir zeigen klare Vorteile der Verwendung unseres Verfahrens mit dieser Kamera, um Gammastrahlenquellen zu visualisieren. Unsere Protokolle können weiterhin verwendet werden, um niedriggradige Gammastrahlungsquellen anstelle von stationären Dosisratenmonitoren und/oder tragbaren Vermessungsmessern zu entdecken, die konventionell verwendet werden.
Medizinische Einrichtungen beherbergen verschiedene niedere Gammastrahlungsquellen mit einer Oberflächen- und/oder Luftdosisrate von nur wenigen Sv/h. Solche Quellen sind auch in weiten Gebieten Ostjapans vorhanden, die eine schwach radioaktive Kontamination durch radioaktives Cäsium aus dem Reaktorunfall von Fukushima Daiichi im Jahr 2011 aufweisen. Diese Umgebungen setzen die Arbeitnehmer manchmal der externen Bestrahlungsexpositionsgrenze für den menschlichen Körper für die allgemeine Bevölkerung aus, wie von der Internationalen Kommission für Strahlenschutz (ICRP) empfohlen: 1 mSv/Jahr (z. B. 1 Sv/h für 4 h pro Tag, 250 Tage pro Jahr)1. Wenn Strahlungsquellen von mehr als ein paar Metern im Voraus auf kurzen Zeitskalen visualisiert werden, kann die Menge der Strahlenexposition reduziert werden. Eine der besten Lösungen für die Visualisierung dieser Gammastrahlungsquellen ist die Einführung einer Gamma-Strahlen-Bildgebung Compton Kameratechnik2. Bei dieser Technik werden die Energie und die Kegelrichtung der einfallenden Gammastrahlen, die von der Strahlungsquelle emittiert werden, vom Detektor für jedes Ereignis gemessen, und dann kann die Gamma-Strahlen-Quellenrichtung durch Rückprojektion3rekonstruiert werden. Frühere Studien haben Compton Kamerasysteme entwickelt, die auf die Anwendung eines neuen Diagnosegeräts in der Nuklearmedizin und/oder eines neuen Gammastrahlenteleskops in der Astrophysik4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, sowie Bildrekonstruktionstechniken für Compton-Kegeldaten abzielen analytischen15,16 und statistischen17 Ansätzen. Teurere, hochmoderne Geräte mit komplizierter Elektronik werden oft angenommen, um eine hohe Winkelauflösung innerhalb einer Standardabweichung von wenigen Grad zu erhalten, aber diese Präzision macht es schwierig, gleichzeitig eine hohe Detektionseffizienz zu erreichen.
Kürzlich haben wir eine kostengünstige, hochempfindliche, omnidirektionale Gamma-Strahlen-Bildkamera Compton18vorgeschlagen und entwickelt, basierend auf einem zweifachen Zufall innerhalb einer Reihe unabhängiger Szintillatoren, die entweder als Streuer oder Absorber fungieren19. Das Ziel dieser Technik ist es, leicht eine hohe Detektionseffizienz mit einer Winkelauflösung von 10 Grad oder weniger zu erreichen, was für einen Umweltmonitor geeignet ist. Dies wird durch die Anwendung einer Bildschärfetechnik18,20 auf Basis des gefilterten Rückprojektionsalgorithmus erreicht, der einen Faltungsfilter anwendet, der bei der Bildrekonstruktion für die Computertomographie auf die Compton-Rekonstruktion verwendet wird. Darüber hinaus können die Detektionseffizienz, die Winkelauflösung und der Dynamikbereich des Detektors leicht optimiert werden, wenn Art, Größe und Anordnung von Szintillatoren entsprechend einem bestimmten Zweck koordiniert werden, wie z. B. in Umgebungen, die erhöhte Radioaktivität aussenden21,22.
In dieser Studie präsentieren wir experimentelle Protokolle für verschiedene Versuche zur Visualisierung von Niederstrahlungsstrahlenquellen mit dieser omnidirektionalen Compton-Kameratechnik in einer Radioisotopen-Anlage (RI), einer Positronen-Emissionstomographie(PET)-Anlage und dem Fukushima-Feld. Wir haben die omnidirektionale Gamma-Ray-Bildgebung Compton Kamera vorbereitet und genutzt, die zuvor von uns18, aber mit einigen Verbesserungen entwickelt wurde, um eine höhere Detektionseffizienz zu erreichen. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung von CsI(Tl)-Szintillatoren von elf Elementen, die in dieser Studie verwendet werden. Die elf Zähler bestehen aus zwei Schichten; zwei Zähler in der Mitte und neun Zähler im Halbkreis, unter Berücksichtigung von Vorwärts- und Rückwärtsstreuungskonfigurationen. Jeder CsI(Tl) Szintillatorwürfel von 3,5 cm wurde mit Super-Bialkali-Photomultiplikatorröhren (PMT) ausgelesen. Die Signale wurden in eine Flash-ADC-Platine mit SiTCP-Technologie23 eingespeist und das Frontend über Ethernet an einen PC angeschlossen. Ein Onlineprogramm, das mit Visual C++ mit der ROOT-Bibliothek24 erstellt wurde, wurde auf einem Windows-PC betrieben. Ein Gamma-Strahlenbild wurde rekonstruiert und geschärft18,20 auf einer kugelförmigen Oberfläche mit akkumulierenden Ringen mit einem Radius von , das ist ein Streuwinkel aus Compton Kinematik für jedes zweifache Zufallereignis berechnet. Ein omnidirektionales Gamma-Ray-Bild kann sowohl online als auch offline durch Überlagerung auf dem omnidirektionalen optischen Bild angezeigt werden, das zuvor von einer Digitalkamera aufgenommen wurde. Während der Messung können die Auslöserate, das Gesamtenergiespektrum (die Summe der Energieablagerungen für jedes zweifache Zufallsereignis) und die rekonstruierten Bilder einer voreingestellten Gamma-Strahlenenergie auf dem Online-PC-Bildschirm angezeigt werden. Diese Informationen können in einem voreingestellten Zeitintervall (z. B. alle 10 s) aktualisiert werden. Hier stellen wir den Bildschirm so ein, dass zwei Arten von rekonstruierten Bildern angezeigt werden: ein Bild, das sich zu Beginn der Messung angesammelt hat, und ein Bild, das sich in jedem voreingestellten Zeitintervall neu ansammelt (z. B. alle 1 min). Da die Mit den Messungen erhaltenen Rohdaten für jedes mit den Messungen erhaltene Ereignis gespeichert werden, ist es außerdem möglich, die Daten nach den Messungen neu zu analysieren und dann in einem beliebigen Zeitintervall ein rekonstruiertes Bild für eine beliebige Gamma-Strahlenenergie zu regenerieren. Tabelle 1 zeigt die Leistung des in dieser Studie verwendeten Compton-Kamerasystems im Vergleich zum vorherigen Sechszählersystem18. Der Vergleich ergab, dass eine Sub-MeV-Gammastrahlenquelle erfolgreich mit einer Erkennungseffizienz visualisiert wurde, die doppelt so hoch ist wie das vorherige System, wobei die Winkelauflösung von 11 Grad beibehalten wurde. Wir bestätigten auch, dass die Winkelabhängigkeit der Akzeptanz auf ein Minimum beschränkt wurde, was Unterschiede von s s 4% zeigt. Die Details zu den grundlegenden Techniken des Systems sind in Watanabe et al. (2018)18beschrieben. Hier stellen wir drei experimentelle Protokolle zur Visualisierung verschiedener Low-Level-Gammastrahlenstrahlungsquellen mit der oben beschriebenen Compton-Kamera vor.
Wir präsentierten drei experimentelle Protokolle zur Visualisierung verschiedener Low-Level-Gammastrahlungsquellen mit der omnidirektionalen Compton-Kamera, die wir entwickelt haben. Die repräsentativen Ergebnisse zeigten, dass die Gamma-Strahlen-Bildgebung bei niedrigen Strahlungswerten die Ableitung neuartiger und nützlicher Informationen über die Umgebung ermöglicht. In der RI-Anlage zeigte das Protokoll, dass unser Compton-Kamerasystem erfolgreich die Position der Gammastrahlenquelle sowie die Zählrate an der angegebenen Position relativ zur Quelle ermittelt. Dies bedeutet, dass die vorgeschlagene Methode als Technologie der nächsten Generation für die Überwachung der Umweltstrahlung dienen kann und herkömmliche stationäre Dosismesser ersetzt, die bereits an den Wänden fast jeder RI-Anlage montiert sind. In diesem Artikel haben wir die Gammastrahlenintensität als rotes Feld dargestellt, das die Region mit Intensitäten in der oberen Hälfte der beobachteten Werte (Abbildung 3, Abbildung 5und Abbildung 6) darstellt, um verschiedenen Zwecken ohne Voreingenommenheit gerecht zu werden. Ein Ansatz, der eher einer Spitzenintensität Vorrang einräumt als der Verteilung von Gammastrahlenquellen, würde einen engeren Bereich des roten Feldes annehmen, vielleicht das obere Viertel der beobachteten Werte, um Die Ergebnisse der Richtlinie in kürzeren Zeiträumen zu ermöglichen. In Abbildung 3ckönnte die Spitzenrichtung mit einer Messzeit von 30 s für Fall (i) identifiziert werden, wie in Abbildung 4dargestellt, für den die Intensität der Spitzenposition etwa 20 Zähler betrug.
Was die Umweltüberwachung in der PET-Anlage betrifft, so zeigte das Protokoll die Möglichkeit auf, die Radioaktivitätsbewegung durch die Anlage zu visualisieren, die in diesem Fall als die Bewegung eines Patienten angesehen wird, der mit 18F-FDG injiziert wird. In Abbildung 5d,ekann die Richtung des Patienten in weniger als 10 s identifiziert werden, indem der schmalere rote Feldbereich wie oben erwähnt angenommen wird. In Zukunft wäre die Umweltüberwachung von Gammastrahlenquellen durch Animation für verschiedene Situationen nützlich, nicht nur für die Bewegung von Patienten wie in dieser Studie, sondern auch für die Überwachung des Transfers von Kernbrennstoffen, wie z. B. auf Flughäfen für terroristische Zwecke, indem die hochempfindlichen und kostengünstigen Eigenschaften des Systems genutzt werden, obwohl die Energieauflösung eines Systems, das einen Szintillator verwendet, niedriger ist als die von teureren Halbleiterdetektoren, wie z. B. (HPGe) und CdZnTe (CZT).
Im Feld Fukushima visualisierte das Protokoll erfolgreich die erweiterte Gammastrahlungsquelle mit Oberflächendosisraten von weit unter 1 Sv/h, was einer Größenordnung unter der in einem aktuellen Bericht25,26entspricht. Unser Compton-Kamerasystem ist stabil und robust für die Messung im Freien geeignet. Wir haben bereits bestätigt, dass das System mit WiFi und tragbarer Batterie für eine bequemere Verwendung in verschiedenen Situationen betrieben werden kann, insbesondere für die Messung im Freien. Das japanische Umweltministerium hat die Luftdosisrate auf 0,23 Sv/h festgelegt, um gebiete zu dekontaminieren. Wir glauben, dass unser System und unsere Protokolle eine große Hilfe für das Dekontaminationsverfahren in Gebieten mit schwachradioaktiver Kontamination in weiten Teilen Ostjapans sein werden, wo radioaktives Cäsium 2011 durch den Reaktorunfall von Fukushima Daiichi freigesetzt wurde.
Die in dieser Studie verwendete Compton-Kamera hat eine hohe Empfindlichkeit für Gammastrahlen mit Energien zwischen 300 keV und 1400 keV, die auf die Verwendung von 3,5 cm CsI(Tl) Szintillatorwürfeln18zurückzuführen sind. Scintillator-Typ und -Größe können für die Umweltüberwachung von niederen Gammastrahlungsquellen unter 300 keV optimiert werden, wie z. B. 99mTc (141 keV) und 111In (171 keV, 245 keV), die häufig in der Szintigraphie verwendet werden. Diese Arbeit wird in naher Zukunft in einem weiteren Papier vorgestellt. Der Detektor kann zu einem niedrigen Preis hergestellt werden. Tatsächlich beliefen sich die Kosten für die in dieser Studie verwendeten Detektormaterialien nicht über 20.000 US-Dollar, und dieser Betrag wurde durch den Preis des Zählers dominiert, der aus CsI (Tl) und PMT bestand; Diese Konfiguration ist deutlich günstiger als die GAGG-Szintillatoren und HPGe Halbleiterdetektoren, die in anderen Compton-Kameras verwendet werden. Darüber hinaus sollte das in dieser Studie verwendete System aus Gründen der Vielseitigkeit und Desagung kompakter gemacht werden. Die Größe des in dieser Studie produzierten Systems betrug 30 cm x 25 cm x 40 cm, was größer ist als die bestehende tragbare Gammakamera5,27. Die Hauptgründe für eine so große Systemgröße sind die große Größe des PMT, das an CsI (Tl) befestigt ist ( 4 cm x 12 cm) und die große Elektronik, die von uns handgefertigt wird. In Zukunft wird die Portabilität verbessert, indem das PMT durch ein Metallpaket PMT oder Silicon Photomultiplier (SiPM) ersetzt und die Elektronik in kleiner Größe neu verpackt wird.
The authors have nothing to disclose.
Diese Studie wurde vom Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japan, JSPS KAKENHI Grant (Nr. 22244019, 26610055, 15H04769 und 19H04492) unterstützt.
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 |