Vi presenterer eksperimentelle protokoller for visualisering av ulike gammastrålingskilder på lavt nivå i omgivelsene ved hjelp av et rimelig, høysensitivt, omnidirectional, gamma-ray imaging Compton-kamera.
Vi presenterer eksperimentelle protokoller for visualisering av ulike gammastrålingskilder på lavt nivå i omgivelsene. Eksperimenter ble utført ved hjelp av et rimelig, høysensitivt, omnidirectional, gamma-ray imaging Compton-kamera. I laboratoriet kan posisjonen til en sub-MeV gamma strålingskilde som 137Cs lett overvåkes via omnidirectional gamma-ray imaging innhentet av Compton-kameraet. I motsetning, en stasjonær, veggmontert doserate monitor kan ikke alltid overvåke en slik kilde. Videre viste vi muligheten for å visualisere radioaktivitetsbevegelsen i miljøet, for eksempel bevegelsen av en pasient injisert med 18F-fluoroksyglukose (18F-FDG) i et kjernefysisk legemiddelanlegg. I Fukushima-feltet fikk vi lett omnidirectional gamma-ray bilder opptatt av fordelingen på bakken av lavt nivå radioaktiv forurensning av radioaktivt cesium utgitt av Fukushima Daiichi kjernekraftverk ulykke i 2011. Vi viser klare fordeler ved å bruke vår prosedyre med dette kameraet for å visualisere gamma-ray kilder. Våre protokoller kan videre brukes til å oppdage lavnivå gamma strålingskilder, i stedet for stasjonære doserate skjermer og / eller bærbare undersøkelsesmålere som brukes konvensjonelt.
Medisinske fasiliteter huser ulike lavnivå gamma strålingskilder med en overflate og / eller luft doserate på bare noen få μSv / t. Slike kilder er også til stede på tvers av brede områder i det østlige Japan som viser radioaktiv forurensning på lavt nivå av radioaktivt cesium fra Fukushima Daiichi kjernekraftverkulykke i 2011. Disse miljøene utsetter noen ganger arbeidere for den ytre bestrålingseksponeringsgrensen for menneskekroppen for den generelle befolkningen som anbefalt av den internasjonale kommisjonen om radiologisk beskyttelse (ICRP): 1 mSv/år (f.eks. 1 μSv/t i 4 timer per dag, 250 dager per år)1. Hvis strålingskilder visualiseres fra mer enn noen få meter på forhånd på korte tidsskalaer, kan mengden strålingseksponering reduseres. En av de beste løsningene for å visualisere disse gammastrålingskildene er å vedta en gamma-ray imaging Compton kamera teknikk2. I denne teknikken måles energi- og kjegleretningen til hendelsen gammastråler som sendes ut fra strålingskilden av detektoren for hver hendelse, og deretter kan gammastrålekilderetningen rekonstrueres ved bakprojeksjon3. Tidligere studier har utviklet Compton kamerasystemer rettet mot anvendelsen av en ny diagnostisk enhet i kjernefysisk medisin og / eller en ny gamma-ray teleskop i astrofysikk4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, samt bilde rekonstruksjon teknikker for Compton kjegle data analytiske15,16 ogstatistiske 17 tilnærminger. Dyrere, toppmoderne enheter med komplisert elektronikk blir ofte vedtatt for å oppnå høy kantete oppløsning i et standardavvik på noen få grader, men denne presisjonen gjør det vanskelig å samtidig oppnå høy deteksjonseffektivitet.
Nylig har vi foreslått og utviklet en rimelig, høy følsomhet, omnidirectional gamma-ray imaging Compton kamera18, basert på en todelt tilfeldighet innenfor en rekke uavhengige scintillators som fungerer som enten scatterers eller absorbers19. Målet med denne teknikken er å enkelt oppnå høy deteksjonseffektivitet med en kantete oppløsning på ~ 10 grader eller mindre, noe som er tilstrekkelig for en miljømonitor. Dette oppnås gjennom anvendelsen av en bildeskarphetsteknikk18,20 basert på den filtrerte bakprojeksjonsalgoritmen, som bruker et innvikelsesfilter som brukes i bilderekonstruksjon for computertomografi til Compton-rekonstruksjonen. Videre kan deteksjonseffektiviteten, vinkeloppløsningen og det dynamiske området til detektoren enkelt optimaliseres når type, størrelse og arrangement av scintillators koordineres i samsvar med et bestemt formål, for eksempel bruk i miljøer som sender ut forhøyet radioaktivitet21,22.
I denne studien presenterer vi eksperimentelle protokoller for ulike studier for visualisering av lavt nivå gamma-ray strålingskilder ved hjelp av denne omnidirectional Compton kamerateknikken i et radioisotop (RI) anlegg, en positron utslipp tomografi (PET) anlegget og Fukushima feltet. Vi forberedte og benyttet det omnidirectionale gamma-ray imaging Compton-kameraet som tidligere ble utviklet av oss selv18, men med noen forbedringer, for å oppnå høyere deteksjonseffektivitet. Figur 1 viser et skjematisk syn på arrangementet av CsI(Tl) scintillators av elleve elementer som brukes i denne studien. De elleve tellerne består av to lag; to tellere i midten og ni tellere i en halv sirkel, vurderer fremover og bakover spredning konfigurasjoner. Hver CsI(Tl) scintillator kube på 3,5 cm ble lest opp med super-bialkali foto-multiplikatorrør (PMT). Signalene ble matet inn i et flash ADC-bord med SiTCP-teknologi23 og fronten ble koblet til en PC via Ethernet. Et elektronisk program som ble opprettet ved hjelp av Visual C++ med ROOT-bibliotek24, ble operert på en Windows-PC. Et gamma-ray-bilde ble rekonstruert og skjerpet18,20 på en sfærisk overflate med akkumulerende ringer med en radius av θ som er en spredningsvinkel beregnet fra Compton kinematics for hver to-fold tilfeldighet hendelse. Et omnidirectionalt gamma-ray-bilde kan vises både online og offline ved superimposition på det omnidirectionale optiske bildet som tidligere ble tatt av et digitalt kamera. Under målingen kan utløserhastigheten, det totale energispekteret (summen av energiforekomstene for hver togangers tilfeldighetshendelse), og de rekonstruerte bildene av en forhåndsinnstilt gammastråleenergi vises på den elektroniske PC-skjermen. Denne informasjonen kan oppdateres med et forhåndsinnstilt tidsintervall (f.eks. hver 10.-plass). Her setter vi skjermen til å vise to typer rekonstruerte bilder: et bilde som akkumuleres ved starten av målingen og et bilde akkumuleres ved hvert forhåndsinnstilte tidsintervall (f.eks. hver 1 min). Videre, fordi rådataene for hver hendelse som er oppnådd ved hjelp av målingene er lagret, er det mulig å analysere dataene på nytt etter målingene og deretter regenerere et rekonstruert bilde for en vilkårlig gammastråleenergi med et vilkårlig tidsintervall. Tabell 1 viser ytelsen til Compton-kamerasystemet som brukes i denne studien, sammenlignet med det forrige seks-tellersystemet18. Sammenligningen viste at en sub-MeV gamma-ray-kilde ble visualisert med en deteksjonseffektivitet dobbelt så stor som det forrige systemet, samtidig som den bleket oppløsning en ~ 11 grader. Vi bekreftet også at den kantete avhengigheten av aksept ble holdt til et minimum, viser forskjeller på s ~ 4%. Detaljene om de grunnleggende teknikkene i systemet er beskrevet i Watanabe et al. (2018)18. Her introduserer vi tre eksperimentelle protokoller for å visualisere ulike lavnivå gamma-ray strålingskilder ved hjelp av Compton-kameraet beskrevet ovenfor.
Vi presenterte tre eksperimentelle protokoller for å visualisere ulike gammastrålingskilder på lavt nivå ved hjelp av det omnidirectionale Compton-kameraet vi utviklet. De representative resultatene viste at gamma-ray-avbildning ved lavt strålingsnivå tillater avledning av roman og nyttig informasjon om omgivelsene. I RI-anlegget avslørte protokollen at comptonkamerasystemet vårt klarer å oppdage posisjonen til gammastrålekilden, samt tellehastigheten i gitt posisjon i forhold til kilden. Dette betyr at den foreslåtte metoden kan tjene som en neste generasjons teknologi for miljøstrålingsovervåking, og erstatte konvensjonelle stasjonære dosehastighetsmonitorer som allerede er montert på veggene i nesten alle RI-anlegg. I dette papiret avbildet vi gammastråleintensitet som et rødt felt som kartlegger regionen som opplever intensiteter i øvre halvdel av observerte verdier (figur 3, figur 5og figur 6),slik som passer til ulike formål uten bias. En tilnærming som heller prioriterer en toppintensitet, i stedet for fordelingen av gammastrålekilder, ville vedta et smalere område av det røde feltet, kanskje det øvre kvartalet av observerte verdier, for å muliggjøre direktivfunn på kortere tidsskalaer. Faktisk, i figur 3c,toppretningen kan identifiseres med en måletid på 30 s for tilfelle (i) som vist i figur 4, som toppposisjonens intensitet var rundt 20 tellinger.
Når det gjelder miljøovervåking i PET-anlegget, demonstrerte protokollen muligheten for å visualisere radioaktivitetsbevegelsen gjennom anlegget, som i dette tilfellet anses å være bevegelsen til en pasient injisert med 18F-FDG. I figur 5d,ekan pasientens retning identifiseres på mindre enn 10 s ved å vedta det smalere røde feltområdet som nevnt ovenfor. I fremtiden vil miljøovervåkingen av gamma-ray-kilder etter animasjon være nyttig for ulike situasjoner, ikke bare for bevegelsen av pasienter som i denne studien, men også for å overvåke overføring av kjernefysiske drivstoffmaterialer som på flyplasser i forbindelse med terrorisme, ved å dra nytte av systemets høyfølsomhetog lavkostegenskaper, selv om energioppløsningen av et system som bruker en scintillator er dårligere enn for dyrere halvlederdetektorer, for eksempel høy renhet germanium (HPGe) og CdZnTe (CZT).
I Fukushima-feltet visualiserte protokollen den utvidede gammastrålingskilden med overflatedosehastigheter på mye mindre enn 1 μSv/t, som er en størrelsesorden lavere enn i en nylig rapport25,26. Vårt Compton-kamerasystem ble funnet å være i stand til å operere stabilt og robust for utendørs måling. Vi har allerede bekreftet at systemet kan betjenes ved hjelp av WiFi og bærbart batteri for mer praktisk bruk i ulike situasjoner, spesielt for utendørs måling. Miljøverndepartementet i Japan har satt luftdosehastigheten minimum på 0,23 μSv/t for å utpeke områder som skal dekontamineres. Vi tror at vårt system og protokoller vil være en stor hjelp for dekontamineringsprosedyren i områder med lavnivå radioaktiv forurensning i brede områder i det østlige Japan hvor radioaktivt cesium ble utgitt av Fukushima Daiichi kjernekraftverkulykke i 2011.
Compton-kameraet som brukes i denne studien har høy følsomhet for gammastråler med energimellom 300 keV og 1400 keV, som kan tilskrives bruk av 3,5 cm CsI(Tl) scintillator kuber18. Scintillator type og størrelse kan optimaliseres for miljøovervåking av lavt nivå gamma strålingskilder under 300 keV, for eksempel 99mTc (141 keV) og 111In (171 keV, 245 keV), som ofte brukes i scintigrafi. Dette arbeidet vil bli presentert i en annen artikkel i nær fremtid. Detektoren kan produseres til en lav pris. Faktisk var kostnaden for detektormaterialene som ble brukt i denne studien ikke mer enn $ 20.000, og dette beløpet var dominert av prisen på telleren bestående av CsI (Tl) og PMT; denne konfigurasjonen er betydelig billigere enn GAGG scintillators og HPGe halvlederdetektorer som brukes i andre Compton-kameraer. Videre bør systemet som brukes i denne studien gjøres mer kompakt for allsidighetens og bekvemmeligheten. Størrelsen på systemet som produseres i denne studien var 30 cm x 25 cm x 40 cm, som er større enn det eksisterende bærbare gammakameraet5,27. Hovedårsakene til så stor systemstørrelse er den store størrelsen på PMT festet til CsI (Tl) (φ4 cm × 12 cm) og den store elektronikken håndlaget av oss. I fremtiden vil bærbarheten forbedres ved å erstatte PMT med en metallpakke PMT eller Silicon Photomultiplier (SiPM) samt ved å pakke elektronikken på nytt i liten størrelse.
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble støttet av Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japan, JSPS KAKENHI Grant (nr. 22244019, 26610055, 15H04769 og 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 |