JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Visualisatie van gammastralingsbronnen op laag niveau met behulp van een low-cost, hoge gevoeligheid, Omnidirectionele Compton Camera

Published: January 30, 2020
doi:
10.3791/60463
, , , , , ,
1School of Allied Health Sciences,Kitasato University, 2Institute for Cosmic Ray Research,University of Tokyo, 3College of Science,Ibaraki University, 4National Institute of Technology,Sendai College, 5National Cancer Center Hospital East

Summary

We presenteren experimentele protocollen voor het visualiseren van verschillende low-level gamma stralingsbronnen in de omgeving met behulp van een low-cost, hoge gevoeligheid, omnidirectionele, gamma-ray imaging Compton camera.

Abstract

We presenteren experimentele protocollen voor het visualiseren van verschillende laagniveau gammastralingsbronnen in de omgeving. Experimenten werden uitgevoerd met behulp van een low-cost, hoge gevoeligheid, omnidirectionele, gamma-ray imaging Compton camera. In het laboratorium kan de positie van een sub-MeV gamma stralingsbron zoals 137Cs gemakkelijk worden bewaakt via omnidirectionele gammastraalbeeldvorming verkregen door de Compton-camera. Een stationaire, aan de wand gemonteerde dosissnelheidmonitor kan daarentegen niet altijd met succes een dergelijke bron controleren. Bovendien hebben we met succes de mogelijkheid aangetoond om de radioactiviteitsbeweging in het milieu te visualiseren, bijvoorbeeld de beweging van een patiënt die geïnjecteerd werd met 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) in een nucleaire geneeskundefaciliteit. In fukushima veld, we gemakkelijk verkregen omnidirectionele gamma-ray beelden die betrekking hebben op de verdeling op de grond van laag-niveau radioactieve besmetting door radioactief cesium vrijgegeven door de Fukushima Daiichi kerncentrale ongeval in 2011. We tonen duidelijke voordelen van het gebruik van onze procedure met deze camera om gamma-ray bronnen te visualiseren. Onze protocollen kunnen verder worden gebruikt om laagniveau gamma stralingsbronnen te ontdekken, in plaats van stationaire dosissnelheid monitoren en / of draagbare enquête meters conventioneel gebruikt.

Introduction

Medische faciliteiten huisvesten verschillende gammastralingsbronnen op laag niveau met een oppervlakte- en/of luchtdosissnelheid van slechts enkele μSv/h. Dergelijke bronnen zijn ook aanwezig in grote gebieden van Oost-Japan vertonen laagniveau radioactieve besmetting door radioactief cesium van de Fukushima Daiichi kerncentrale ongeval in 2011. Deze omgevingen stellen werknemers soms bloot aan de blootstellingslimiet voor externe bestraling voor het menselijk lichaam voor de algemene bevolking, zoals geadviseerd door de Internationale Commissie voor radiologische bescherming (ICRP): 1 mSv/jaar (bijvoorbeeld 1 μSv/h voor 4 uur per dag, 250 dagen per jaar)1. Als stralingsbronnen worden gevisualiseerd vanaf meer dan een paar meter van tevoren op korte tijdschalen, kan de hoeveelheid blootstelling aan straling worden verminderd. Een van de beste oplossingen voor het visualiseren van deze gamma straling bronnen is het aannemen van een gamma-ray imaging Compton camera techniek2. In deze techniek worden de energie- en kegelrichting van incidentgammastralen die uit de stralingsbron worden uitgezonden, gemeten door de detector voor elke gebeurtenis, en vervolgens kan de gammastraalbronrichting worden gereconstrueerd door back-projectie3. Eerdere studies hebben ontwikkeld Compton camera systemen gericht op de toepassing van een nieuw diagnostisch apparaat in de nucleaire geneeskunde en / of een nieuwe gamma-ray telescoop in astrofysica4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, evenals beeldreconstructie technieken voor Compton kegel gegevens door analytische15,16 en statistische17 benaderingen. Duurdere, state-of-the-art apparaten met ingewikkelde elektronica worden vaak aangenomen om een hoge hoekresolutie te verkrijgen binnen een standaarddeviatie van een paar graden, maar deze precisie maakt het moeilijk om tegelijkertijd een hoge detectie-efficiëntie te bereiken.

Onlangs hebben we voorgesteld en ontwikkelde een low-cost, hoge gevoeligheid, omnidirectionele gamma-ray imaging Compton camera18, gebaseerd op een tweevoudige toeval binnen een aantal onafhankelijke scintillators die fungeren als scatterers of absorbers19. Het doel van deze techniek is om gemakkelijk te bereiken hoge detectie-efficiëntie met een hoekresolutie s van ~ 10 graden of minder, die voldoende is voor een milieu-monitor. Dit wordt bereikt door de toepassing van een beeldverscherpingtechniek18,20 op basis van het gefilterde back-projection-algoritme, dat een convolutiefilter toepast dat wordt gebruikt in beeldreconstructie voor computertomografie op de Compton-reconstructie. Bovendien kunnen de detectie-efficiëntie, de hoekresolutie en het dynamische bereik van de detector eenvoudig worden geoptimaliseerd wanneer het type, de grootte en de opstelling van scintillators worden gecoördineerd in overeenstemming met een bepaald doel, zoals het gebruik in omgevingen die verhoogde radioactiviteit uitzenden21,22.

In deze studie presenteren we experimentele protocollen voor verschillende proeven voor het visualiseren van low-level gammastralingbronnen met behulp van deze omnidirectionele Compton cameratechniek in een radio-isotope (RI) faciliteit, een positron emissie tomografie (PET) faciliteit en het Fukushima veld. We bereid en gebruikt en de omnidirectionele gamma-ray imaging Compton camera eerder ontwikkeld door onszelf18, maar met een aantal verbeteringen, om een hogere detectie-efficiëntie te bereiken. Figuur 1 toont een schematisch beeld van de opstelling van csi(Tl) scintillators van elf elementen die in deze studie worden gebruikt. De elf tellers bestaan uit twee lagen; twee tellers in het midden en negen tellers in een halve cirkel, rekening houdend met voorwaartse en achterwaartse verstrooiingconfiguraties. Elke CsI(Tl) schaarkubus van 3,5 cm werd voorgelezen met superalkali foto-multiplier buizen (PMT). De signalen werden ingevoerd in een flash ADC bord met SiTCP-technologie23 en de front-end was aangesloten op een pc via Ethernet. Een online programma gemaakt met Visual C++ met ROOT-bibliotheek24 werd uitgevoerd op een Windows-pc. Een gammastraalbeeld werd gereconstrueerd en geslepen18,20 op een bolvormig oppervlak met accumulerende ringen met een straal van γ dat is een verstrooiingshoek berekend van Compton kinematica voor elke tweevoudige toevalgebeurtenis. Een omnidirectionele gammastraalbeeld kan zowel online als offline worden weergegeven door het omnidirectionele optische beeld dat eerder door een digitale camera is genomen, te vervangen. Tijdens de meting kunnen de triggersnelheid, het totale energiespectrum (de som van de energieafzettingen voor elke tweevoudige toevalsgebeurtenis) en de gereconstrueerde beelden van een vooraf ingestelde gammastraalenergie worden weergegeven op het online pc-scherm. Deze informatie kan worden bijgewerkt op een vooraf ingesteld tijdsinterval (bijvoorbeeld om de 10 s). Hier stellen we het scherm in om twee soorten gereconstrueerde afbeeldingen weer te geven: een afbeelding die wordt verzameld aan het begin van de meting en een afbeelding die zich bij elk vooraf ingesteld tijdsinterval (bijvoorbeeld elke 1 min) opnieuw ophoopt. Bovendien, omdat de ruwe gegevens voor elke gebeurtenis verkregen met behulp van de metingen worden opgeslagen, is het mogelijk om de gegevens na de metingen opnieuw te analyseren en vervolgens een gereconstrueerd beeld voor een willekeurige gamma-ray energie te regenereren op een willekeurig tijdsinterval. Tabel 1 toont de prestaties van het Compton-camerasysteem dat in deze studie wordt gebruikt, in vergelijking met het vorige zesmetersysteem18. De vergelijking bleek dat een sub-MeV gamma-ray bron met succes werd gevisualiseerd met een detectie-efficiëntie twee maal die van het vorige systeem, met behoud van de hoekresolutie s van ~ 11 graden. We hebben ook bevestigd dat de hoekafhankelijkheid van acceptatie tot een minimum werd beperkt, met verschillen van s ~ 4%. De details over de fundamentele technieken van het systeem worden beschreven in Watanabe et al. (2018)18. Hier introduceren we drie experimentele protocollen voor het visualiseren van verschillende low-level gamma-ray stralingsbronnen met behulp van de Compton camera hierboven beschreven.

Protocol

Het protocol werd uitgevoerd volgens de richtlijnen van de onderzoeksethische commissie van het National Cancer Center Hospital East, Japan. 1. Monitoring van verzegelde stralingsbron in experimentruimte in RI-faciliteit Stel de Compton-camera in naast de dosissnelheidmonitor zoals weergegeven in figuur 2a. Stel de hoogte van de detectoren vanaf de grond in op 2,5 m. Bouw de dosismonitor, die bestaat uit een parallelle plaationisatiekamer, in het bovenste deel van de ingang van de experimentruimte in de RI-faciliteit om de luchtdosissnelheid van de positie met tussenpozen van 1 min te controleren. Zet de kracht van de Compton camera en online computer. Start de gelijktijdige meting met de Compton-camera en de dosissnelheidmonitor. Stel een verzegelde bron van 137Cs (3,85 MBq) in op een stand met het label ‘A’ in figuur 2a en laat deze gedurende 30 min staan. Stel de afstand tussen de detector en de verzegelde bron in op 3,6 m. Verplaats de verzegelde bron naar een stand met het label ‘B’ en laat deze gedurende 30 min. Stel de afstand tussen de detector en de verzegelde bron in op 6,7 m. Verplaats de verzegelde bron op een stand met het label ‘C’ en laat deze gedurende 30 min. Stel de afstand tussen de detector en de verzegelde bron in op 6,7 m. Verplaats de verzegelde bron op een stand met het label ‘D’ en laat deze gedurende 30 min. Stel de afstand tussen de detector en de verzegelde bron in op 1 m. Verplaats de verzegelde bron buiten de kamer. Na 30 min, stop alle meting. 2. Milieumonitoring in PET-faciliteit Stel de Compton-camera in voor de receptie in PET-faciliteit, zoals weergegeven in figuur 2b. Stel de hoogte van de detectoren vanaf de grond in op 1 m. Stel de online computer in de personeelskamer. Zet de kracht van de Compton camera en online computer. Start Compton camera meting vroeg in de ochtend voordat patiënten aankomen op faciliteit. Nadat alle patiënten voor de dag vertrekken, stop alle meting. 3. Outdoor meting in Kawamata-machi, Fukushima, Japan Stel de Compton-camera in de buurt van een privéhuis, zoals te zien in figuur 2c, waar het bestaan van enkele radiologische Caesium-hotspots met oppervlaktedosissnelheden van 1 μSv/h of minder worden vermoed. Stel de hoogte van de detectoren vanaf de grond in op 1,5 m. Zet de kracht van de Compton camera en online computer. Start Compton camera meting. Na 30 min, stop alle meting.

Representative Results

Monitoring van verzegelde stralingsbron in experimentruimte in RI-faciliteitFiguur 3a toont de tijdsvariatie van de triggersnelheid gemeten door de Compton-camera (zwarte vaste lijn), na het toepassen van een tijd-lag selectie van twee-hit tellers minder dan 1 μs. De triggersnelheid veranderde elke 30 min afhankelijk van de positie van de verzegelde bron (d.w.z. afstand van de positie tot de camera). Deze variatie werd bevestigd aan de gegevens gemeten door de stationaire dosissnelheidmonitor (blauwe stippellijn); het gedrag bleef constant (d.w.z. achtergrondniveau) anders dan tussen 5750 s en 7800 s. Hier stellen we voorlopig vijf perioden vast met het label i), ii), iii), iv) en v), die de vijf posities van de verzegelde bron vertegenwoordigen (figuur 3a). Figuur 3b toont de totale energiespectra voor elke dergelijke periode (30 min voor elk), de horizontale as die de som van energieafzettingen voor elke tweevoudige toevalsgebeurtenis vertegenwoordigt. We merken 662 keV foto-absorptie pieken afkomstig van de 137Cs verzegelde bron voor (i), ii), iii) en (iv), terwijl (v) toont alleen achtergrondniveaus. Piekhoogten voor (ii) en (iii) zijn hetzelfde, die we toeschrijven aan dezelfde 6,7 m afstand van de camera aan de verzegelde bron. Door de gebeurtenis binnen 662±40 keV voor 662 keV te selecteren, berekenden we de verstrooiingshoeken en reconstrueerden we het omnidirectionele gammastraalbeeld. De resultaten zijn weergegeven in de figuren 3c-f, respectievelijk voor perioden i), ii), iii) en iv). Hier worden gammastraalbeelden aangegeven door het rode gebied, dat gammastraalintensiteiten in de bovenste helft van het waargenomen bereik aangeeft. We vinden dat de positie van de 137Cs verzegelde bron met succes kan worden geïdentificeerd aan de hand van de gamma-ray beelden. Figuur 4 toont de wijzigingen in de afbeelding met de integratietijd, waarbij het rode veld in plaats daarvan overeenkomt met een smaller bereik (de bovenste 30%) van het waargenomen bereik. Dit smallere bereik werd aangenomen om voorrang te geven aan een piekintensiteit. In dit geval, 137Cs bronrichting kan worden geïdentificeerd na 30 s. Milieumonitoring in PET-faciliteitFiguur 5a toont de algehele tijdvariatie van de triggerrate overdag (5,6 uur) zoals gemeten door de Compton-camera (zwarte lijn) voor een receptie in een PET-faciliteit. We zien een opmerkelijke verbetering in de trigger rate met verschillende patronen, die kunnen worden toegeschreven aan de beweging van patiënten geïnjecteerd met 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) rond de receptie. Als voorbeeld van dergelijke patronen richten we ons op de periode van 6200 tot 7000 s. Volgens de in figuur 5 bvermelde triggersnelheid in deze periode zijn een reeks verbeteringen zichtbaar, met twee plateaus met het label i) en ii). Figuur 5c toont de totale energiespectra voor de perioden van figuur 5b(i), ii) en iii). We observeren 511 keV fotoabsorptie pieken afkomstig van de 18F-FDG. Figuur 5d,e toont de 511 keV gamma-ray omnidirectionele afbeelding in perioden (i) en (ii), respectievelijk, waarin we gebeurtenissen binnen 511 ± 40 keV geselecteerd voor beeldreconstructie. De richtingen van gamma-ray pieken in beide cijfers komen respectievelijk overeen met de richtingen van de bank en het toilet achter de muur. Gezien de triggerrates van zowel i) als (ii) interpreteren we de gammastralen in i) als lekkage die het schild van de muur van het toilet doordringt; we gaan ervan uit dat een patiënt het toilet binnenkwam en twee minuten doorbracht, en daarna een paar minuten voor de PET-scan op de bank zat. Buitenmeting in Kawamata-machi, Fukushima, JapanFiguur 6a toont de tijdsvariatie van de triggersnelheid voor 30 min buitenmeting. De stabiliteit van de trigger rate impliceert dat onze Compton camera systeem werkt stabiel, zelfs voor metingen buiten uitgevoerd over een lange periode. Om aan te tonen hoe de verlengde gammastraalbron is gereconstrueerd, stellen we vier verschillende integratieperioden vast met het label i) (1 min), ii) (10 min), iii) (20 min) en iv) (30 min), zoals blijkt uit figuur 6a. Figuur 6b toont de totale energiespectra voor elke periode, met de structuren die bovenop de fotoabsorptiepieken van gammastralen worden weergegeven die worden uitgezonden door radioactieve nucliden bij 605 keV en 796 keV voor 134Cs en 662 keV voor 137Cs. Om het gammabeeld te reconstrueren, selecteerden we gebeurtenissen binnen 565-622 keV voor 605 keV, 662±40 keV voor 662 keV en 796±40 keV voor 796 keV. De gammastraalomnidirectionele beelden voor respectievelijk 605, 662 en 796 keV worden weergegeven in figuren 6c-f voor integratieperioden (i), ii), iii) en iv. In dit geval vinden we dat de gereconstrueerde gammastraalverdeling stabiel is zolang de integratietijd meer dan 20 minuten bedraagt. De helling van een heuvel voor en het onderste deel van de regengoot zijn duidelijk verontreinigd, terwijl het gebied bedekt met niet-verontreinigde grond in het rechterdeel van het beeld aantoonbaar niet verontreinigd is. De gammastraalintensiteit is het in goede overeenstemming met de dosissnelheidwaarden gemeten door een scintillatie-type enquêtemeter, waarvan de waarden in geel worden weergegeven in figuur 6f. Figuur 1: Omnidirectionele Gamma-ray imaging Compton camerasysteem. a) Geometrische opstelling van scintillators met elf elementen die in deze studie worden gebruikt. Twee scintillators werden geschikt in het centrum van een cirkel, met negen meer geschikt in een halve cirkel, verticaal gespreid. b) Foto van de detector zonder behuizing. De tellers werden bevestigd in een geëxpandeerd polystyreen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2: Experimentele opstelling. a) Monitoring van een verzegelde stralingsbron in de experimentruimte van de RI-faciliteit, waar een 137cs-verzegelde bron achtereenvolgens werd geplaatst op de posities “A”, “B”, “C” en “D”. b) Milieumonitoring voor een receptie in de PET-faciliteit. c) Buitenmeting in het gebied van Fukushima, Japan. De Compton camera werd bevestigd op een trapladder. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 3: Representatieve resultaten van de bewaking van een 137Cs-verzegelde bron in de experimentruimte. a) Tijdsvariatie van de triggersnelheid zoals gemeten door de Compton-camera (zwarte vaste lijn) en van de luchtdosis, gemeten door de stationaire dosissnelheidmonitor (blauwe stippellijn). b) Totale energiespectra (de som van energieafzettingen voor elke tweevoudige toevalsgebeurtenis) in figuur 3eenperiode (i) (rode lijn), ii) (blauwe lijn), iii) (groene lijn), iv) (roze lijn) en v) (zwarte lijn), met als resultaat (iv) werd met 0,15 geschaald. c) 662 keV gammastraal omnidirectionele beeld bovenop het optische beeld in periode i) (30 min). Het rode veld geeft gammastraalintensiteiten aan in de bovenste helft van het waargenomen bereik. d) Hetzelfde als c), maar voor periode ii) (30 min). e) Hetzelfde als c), maar voor periode iii) (30 min). f) Hetzelfde als c), maar voor periode iv) (30 min). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 4: Hetzelfde als figuur 3c, maar met verschillende meettijden: 3 s, 5 s, 10 s, 15 s, 30 s en 60 s. Hier worden gammastraalbeelden geïdentificeerd door het rode gebied, dat gammastraalintensiteiten in de bovenste 30% van het waargenomen bereik aangeeft. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 5: Representatieve resultaten van milieumonitoring voor een receptie in de PET-faciliteit. a) Tijdsvariatie van de triggersnelheid zoals gemeten door de Compton-camera (zwarte lijn) overdag (5,6 uur). b) Triggerrate, beschreven voor een periode tussen 6200 en 7000 s onder a). c) Totale energiespectra voor perioden van figuur 4b(i) (rode lijn), ii) (blauwe lijn) en iii) (zwarte lijn). d) 511 keV gammastraal omnidirectioneel beeld bovenop het optische beeld voor periode i) (2 min). e) Hetzelfde als punt d), maar voor periode ii) (2 min). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 6: Representatieve resultaten van de meting buitenshuis in Kawamata-machi, Fukushima, Japan. a) Tijdsvariatie van de triggersnelheid zoals gemeten door de Compton-camera (zwarte vaste lijn). b) Totale energiespectra voor figuur 5a’s perioden i) 1 min (blauwe lijn), ii) 10 min (groene lijn), iii) 20 min (rode lijn) en iv) 30 min (zwarte lijn). c) Omnidirectioneel beeld van 605, 662 en 796 keV gammastralen bovenop het optische beeld voor periode i) (1 min). d) Hetzelfde als c), maar voor periode ii) (10 min). e) Hetzelfde als c), maar voor periode iii) (20 min). f) Hetzelfde als c), maar voor periode iv) (30 min). De dosissnelheidwaarden gemeten door een scintillatie-type enquêtemeter op een hoogte van 1 cm van de grond worden weergegeven in de vergelijkingscijfers. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Deze studie Vorige studie18 Aantal tellers 11 6 Detectie-efficiëntie (cps/(μSv/h)) voor 511 keV-gammastralen 36 18 Hoekresolutie σ (deg)* 11 11 Tabel 1: Prestaties van huidige en vorige Compton camerasystemen. * De hoekresolutie werd geschat op basis van 511 keV omnidirectionele gammastraalbeelden verkregen tijdens de meting van een 22Na verzegelde bron (0,8 MBq) geplaatst 1 m voor de detector.

Discussion

We presenteerden drie experimentele protocollen voor het visualiseren van verschillende low-level gamma stralingsbronnen met behulp van de omnidirectionele Compton camera die we ontwikkelden. De representatieve resultaten toonden aan dat gammastraalbeeldvorming bij lage stralingsniveaus het mogelijk maakt nieuwe en nuttige informatie over de omgeving te verspreiden. In de RI-faciliteit, het protocol bleek dat onze Compton camera systeem met succes ontdekt de positie van de gamma-ray bron, evenals de telsnelheid op de gegeven positie ten opzichte van de bron. Dit betekent dat de voorgestelde methode kan dienen als een next-generation technologie voor de bewaking van omgevingsstraling, ter vervanging van conventionele stationaire dosissnelheid monitoren al gemonteerd op de muren van bijna elke RI-faciliteit. In dit document hebben we de gammastraalintensiteit afgebeeld als een rood veld dat de regio in kaart brengt die intensiteiten ervaart in de bovenste helft van de waargenomen waarden(figuur 3, figuur 5en figuur 6), om verschillende doeleinden zonder vooringenomenheid aan te passen. Een aanpak die eerder prioriteit geeft aan een piekintensiteit, in plaats van aan de verdeling van gammastraalbronnen, zou een kleiner bereik van het rode veld aannemen, misschien wel het bovenste kwart van de waargenomen waarden, om de bevindingen van de richtlijn op kortere tijdschalen mogelijk te maken. In figuur 3ckon de piekrichting worden geïdentificeerd met een meettijd van 30 s voor geval i), zoals weergegeven in figuur 4, waarvoor de piekpositie ongeveer 20 telt.

Wat de milieumonitoring in de PET-faciliteit betreft, toonde het protocol de mogelijkheid aan om de radioactiviteitsbeweging door de faciliteit te visualiseren, die in dit geval wordt beschouwd als de beweging van een patiënt die met 18F-FDG wordt geïnjecteerd. In figuur 5d,ekan de richting van de patiënt in minder dan 10 s worden geïdentificeerd door het smallere rode veldbereik aan te nemen zoals hierboven vermeld. In de toekomst zou de milieubewaking van gammastraalbronnen door animatie nuttig zijn voor verschillende situaties, niet alleen voor de verplaatsing van patiënten zoals in deze studie, maar ook voor het toezicht op de overdracht van splijtstofmaterialen zoals op luchthavens met het oog op terrorisme, door gebruik te maken van de hoge gevoeligheid en goedkope kenmerken van het systeem, hoewel de energieresolutie van een systeem dat een schaar gebruikt inferieur is aan die van duurdere halfgeleiderdetectoren, zoals hoge zuiverheid germanium (HPGe) en CdZnTe (CZT).

In het veld van Fukushima heeft het protocol met succes de uitgebreide gammastralingsbron gevisualiseerd met een oppervlaktedosis van veel minder dan 1 μSv/h, wat een orde van grootte lager is dan die in een recent rapport25,26. Ons Compton camerasysteem bleek stabiel en robuust te kunnen werken voor buitenmeting. We hebben al bevestigd dat het systeem kan worden bediend met behulp van WiFi en draagbare batterij voor handiger gebruik in verschillende situaties, vooral voor outdoor meting. Het Ministerie van Milieu in Japan heeft de luchtdosis minimum vastgesteld op 0,23 μSv/h om gebieden aan te wijzen die moeten worden ontsmet. Wij zijn van mening dat ons systeem en onze protocollen een grote hulp zullen zijn voor de ontsmettingsprocedure in gebieden met laagradioactieve besmetting in grote gebieden in het oosten van Japan, waar in 2011 radioactief cesium werd vrijgegeven door het ongeluk met de kerncentrale van Fukushima Daiichi.

De Compton camera gebruikt in deze studie heeft een hoge gevoeligheid voor gammastralen met energieën tussen 300 keV en 1400 keV, toe te schrijven aan het gebruik van 3,5 cm CsI (Tl) scintillator kubussen18. Scintillator type en grootte kan worden geoptimaliseerd voor milieubewaking van laagniveau gamma straling bronnen onder 300 keV, zoals 99mTc (141 keV) en 111In (171 keV, 245 keV), die vaak worden gebruikt in scintigrafie. Dit werk zal in de nabije toekomst in een ander document worden gepresenteerd. De detector kan worden vervaardigd tegen een lage prijs. In feite waren de kosten van de detectormaterialen die in deze studie werden gebruikt niet meer dan $20.000, en dit bedrag werd gedomineerd door de prijs van de teller bestaande uit CsI (Tl) en PMT; deze configuratie is aanzienlijk goedkoper dan de GAGG scintillators en HPGe halfgeleider detectoren die worden gebruikt in andere Compton camera’s. Bovendien moet het systeem dat in deze studie wordt gebruikt compacter worden gemaakt omwille van veelzijdigheid en gemak. De grootte van het systeem geproduceerd in deze studie was 30 cm x 25 cm x 40 cm, die groter is dan de bestaande draagbare gammacamera5,27. De belangrijkste redenen voor zo’n grote systeemgrootte zijn de grote omvang van de PMT aan CsI (Tl) (φ4 cm × 12 cm) en de grote elektronica handgemaakt door ons. In de toekomst zal de draagbaarheid worden verbeterd door de PMT te vervangen door een metalen pakket PMT of Silicon Photomultiplier (SiPM) en door de elektronica op kleine maat te herverpakken.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Deze studie werd ondersteund door het Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japan, JSPS KAKENHI Grant (nrs. 22244019, 26610055, 15H04769 en 19H04492).

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. ICRP. Recommendations of the international commission on radiological protection. Annals of the ICRP. 21, (1990).
  2. Kamae, T., Enomoto, R., Hanada, N. A new method to measure energy, direction, and polarization of gamma rays. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 260, 254-257 (1987).
  3. Schoenfelder, V., et al. Instrument description and performance of the imaging gamma-ray telescope COMPTEL aboard the Compton Gamma-ray Observatory. The Astrophysical Journal Supplement Series. 86, 657-692 (1993).
  4. Suzuki, Y., et al. Three-dimensional and multienergy gamma-ray simultaneous imaging by Using a Si/CdTe compton camera. Radiology. 267, 941-947 (2013).
  5. Kataoka, J., et al. Recent progress of MPPC-based scintillation detectors in high precision X-ray and Gamma-ray imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 784, 248-254 (2015).
  6. Tanimori, T., et al. Establishment of imaging spectroscopy of nuclear gamma-rays based on geometrical optics. Scientific Reports. 7, 41511 (2017).
  7. Sakai, M., et al. In vivo simultaneous imaging with 99mTc and 18F using a Compton camera. Physics in Medicine & Biology. 63, 205006 (2018).
  8. Koide, A., et al. Precision imaging of 4.4 MeV gamma rays using a 3-D position sensitive Compton camera. Scientific Reports. 8, 8116 (2018).
  9. Nagao, Y., et al. Astatine-211 imaging by a Compton camera for targeted radiotherapy. Applied Radiation and Isotopes. 139, 238-243 (2018).
  10. Draeger, E., et al. 3D prompt gamma imaging for proton beam range verification. Physics in Medicine & Biology. 63, 35019 (2018).
  11. Uenomachi, M., et al. Double photon emission coincidence imaging with GAGG-SiPM Compton camera. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. , (2019).
  12. Nakano, T., et al. Imaging of 99mTc-DMSA and 18F-FDG in Humans Using a Si/CdTe Compton Camera. Physics in Medicine & Biology. , (2019).
  13. Lee, W., Lee, T. 4 pi FOV compact Compton camera for nuclear material investigations. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 652, 33-36 (2011).
  14. Yamaya, T., et al. Concrete realization of the whole gamma imaging concept. Proceedings of 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). , (2017).
  15. Parra, L. Reconstruction of cone-beam projections from Compton scattered data. IEEE Transactions on Nuclear Science. 47, 1543-1550 (2000).
  16. Xu, D., He, Z. Filtered Back-Projection in 4pi Compton Imaging with a Single 3D Position Sensitive CdZnTe Detector. IEEE Transactions on Nuclear Science. 53, 2787-2795 (2006).
  17. Wilderman, S., Clinthorne, N., Fessler, J., Rogers, W. List-mode maximum likelihood reconstruction of Compton scatter camera images in nuclear medicine. Proceedings of IEEE Nuclear Science Symposium. 3, 1716-1720 (1998).
  18. Watanabe, T., et al. Development of an omnidirectional gamma-ray imaging Compton camera for low-radiation-level environmental monitoring. Japanese Journal of Applied Physics. 57, 026401 (2018).
  19. Kagaya, M., et al. Development of a low-cost-high-sensitivity Compton camera using CsI(Tl) scintillators (γI). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 804, 25-32 (2015).
  20. Muraishi, H., Kagaya, M., Katagiri, H., Takeda, T., Watanabe, T. Proposal of a new image reconstruction technique for the Compton camera. The Journal of Japan Academy of Health Science. 17, 159-164 (2014).
  21. Katagiri, H., et al. Development of an all-sky gamma-ray Compton camera based on scintillators for high-dose environments. Journal of Nuclear Science and Technology. 55, 1172-1179 (2018).
  22. Watanabe, T., et al. Remote measurement of urinary radioactivity in 18F-FDG PET patients using Compton camera for accuracy evaluation of standardized uptake value. Biomedical Physics & Engineering Express. 4, 065029 (2018).
  23. Uchida, T. Hardware-based TCP processor for gigabit ethernet. IEEE Transactions on Nuclear Science. 55, 1631-1637 (2008).
  24. Brun, R., Redemakers, R. ROOT – An Object-Oriented Data Analysis Framework. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 389, 81-86 (1997).
  25. Tomono, D., et al. First on-site true gamma-ray imaging-spectroscopy of contamination near Fukushima plant. Scientific Reports. 7, 41972 (2017).
  26. Kataoka, J., et al. Ultracompact Compton camera for innovative gamma-ray imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 912, 1-5 (2018).
  27. Wahl, C. G., et al. The Polaris-H imaging spectrometer. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 784, 377-381 (2015).

Tags

Compton CameraGamma RadiationLow-level RadiationEnvironmental MonitoringRadioisotope FacilityPET FacilityCesium-137Dose RateOmnidirectionalHigh-sensitivityPortableLow-cost

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Muraishi, H., Enomoto, R., Katagiri, H., Kagaya, M., Watanabe, T., Narita, N., Kano, D. Visualization of Low-Level Gamma Radiation Sources Using a Low-Cost, High-Sensitivity, Omnidirectional Compton Camera. J. Vis. Exp. (155), e60463, doi:10.3791/60463 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image