Apresentamos protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama de baixo nível no ambiente usando uma câmera Compton de imagem de raios gama de baixo custo, alta sensibilidade, omnidirecional, gama-ray.
Apresentamos protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama de baixo nível no ambiente. Experimentos foram conduzidos usando uma câmera Compton de imagem de raios gama de baixo custo, alta sensibilidade, onidirecional, gama. No laboratório, a posição de uma fonte de radiação gama sub-MeV, como 137Cs, pode ser facilmente monitorada através de imagens omnidirecionais de raios gama obtidas pela câmera Compton. Em contraste, um monitor estacionário de taxa de dose montado na parede não pode sempre monitorar com sucesso tal fonte. Além disso, demonstramos com sucesso a possibilidade de visualizar o movimento de radioatividade no ambiente, por exemplo, o movimento de um paciente injetado com 18F-fluorodexiglucose (18F-FDG) em uma instalação de medicina nuclear. No campo de Fukushima, facilmente obtivemos imagens omnidirecionais de raios gama preocupadas com a distribuição no solo de contaminação radioativa de baixo nível por césio radioativo liberado pelo acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi em 2011. Demonstramos vantagens claras de usar nosso procedimento com esta câmera para visualizar fontes de raios gama. Nossos protocolos podem ser usados ainda mais para descobrir fontes de radiação gama de baixo nível, no lugar de monitores estacionários de taxa de dose e/ou medidores de pesquisa portáteis usados convencionalmente.
As instalações médicas abrigam várias fontes de radiação gama de baixo nível com uma taxa de dose de superfície e/ou ar de apenas alguns μSv/h. Tais fontes também estão presentes em amplas áreas do leste do Japão, exibindo contaminação radioativa de baixo nível por césio radioativo do acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi em 2011. Esses ambientes às vezes expõem os trabalhadores ao limite de exposição à irradiação externa para o corpo humano para a população em geral, conforme aconselhado pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP): 1 mSv/ano (por exemplo, 1 μSv/h para 4h por dia, 250 dias por ano)1. Se as fontes de radiação forem visualizadas com mais de alguns metros de antecedência em curtos prazos, a quantidade de exposição à radiação pode ser reduzida. Uma das melhores soluções para visualizar essas fontes de radiação gama é adotar uma técnica de câmera Compton de imagem gama2. Nesta técnica, a energia e a direção do cone dos raios gama incidentes emitidos pela fonte de radiação são medidos pelo detector para cada evento, e então a direção fonte de raios gama pode ser reconstruída pela projeção traseira3. Estudos anteriores desenvolveram sistemas de câmeras Compton voltados para a aplicação de um novo dispositivo diagnóstico em medicina nuclear e/ou um novo telescópio de raios gama em astrofísica4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, bem como técnicas de reconstrução de imagens para dados do cone Compton por15,16 e17 abordagens estatísticas. Dispositivos mais caros e de última geração com eletrônica simultânea são frequentemente adotados para obter alta resolução angular dentro de um desvio padrão de alguns graus, mas essa precisão dificulta alcançar simultaneamente alta eficiência de detecção.
Recentemente, propusemos e desenvolvemos uma câmera Compton de imagem gama de baixo custo, de alta sensibilidade e omnidirecional18,baseada em uma coincidência de duas vezes dentro de uma série de cintilantes independentes que agem como dispersores ou absorventes19. O objetivo desta técnica é alcançar facilmente alta eficiência de detecção com uma resolução angular de ~10 graus ou menos, o que é adequado para um monitor ambiental. Isso é realizado através da aplicação de uma técnica de afiação de imagens18,20 baseada no algoritmo de projeção traseira filtrado, que aplica um filtro de convolução usado na reconstrução de imagens para tomografia computadorizada para a reconstrução de Compton. Além disso, a eficiência de detecção, resolução angular e alcance dinâmico do detector podem ser facilmente otimizadas quando o tipo, tamanho e arranjo de cintiladores são coordenados de acordo com um propósito específico, como o uso em ambientes emitindo radioatividade elevada21,22.
Neste estudo, apresentamos protocolos experimentais para vários testes para visualizar fontes de radiação gama-ray de baixo nível usando esta técnica de câmera omnidirecional Compton em uma instalação de radioisótopos (RI), uma instalação de tomografia de emissão de pósitrons (PET) e o campo de Fukushima. Preparamos e utilizamos a câmera compton de imagem gama omnidirecional desenvolvida anteriormente por nós18, mas com algumas melhorias, a fim de alcançar maior eficiência de detecção. A Figura 1 mostra uma visão esquemática do arranjo de cintiladores CsI (Tl) de onze elementos utilizados neste estudo. Os onze contadores consistem em duas camadas; dois balcões no centro e nove contadores em um meio círculo, considerando configurações de dispersão para frente e para trás. Cada cubo cintilante CsI (TL) de 3,5 cm foi lido com tubos de foto-multiplicador super-bialkali (TPM). Os sinais foram alimentados em uma placa Flash ADC com tecnologia SiTCP23 e a parte frontal foi conectada a um PC via Ethernet. Um programa online criado usando o Visual C++ com biblioteca ROOT24 foi operado em um PC Windows. Uma imagem de raios gama foi reconstruída e afiada18,20 em uma superfície esférica com anéis acumulados com um raio de φ que é um ângulo de dispersão calculado a partir de cinéticas Compton para cada evento de coincidência dupla. Uma imagem omnidirecional de raios gama pode ser exibida on-line e offline por superposição na imagem óptica omnidirecional anteriormente tirada por uma câmera digital. Durante a medição, a taxa de gatilho, o espectro energético total (a soma dos depósitos de energia para cada evento de coincidência dupla), e as imagens reconstruídas de uma energia de raios gama pré-definido podem ser exibidas na tela de PC online. Essas informações podem ser atualizadas em um intervalo de tempo pré-definido (por exemplo, a cada 10 s). Aqui, definimos a tela para exibir dois tipos de imagens reconstruídas: uma imagem que é acumulada no início da medição e uma imagem reacumulada a cada intervalo de tempo pré-definido (por exemplo, a cada 1 min). Além disso, como os dados brutos de cada evento obtidos utilizando as medições são armazenados, é possível reanalisar os dados após as medições e, em seguida, regenerar uma imagem reconstruída para uma energia arbitrária de raios gama em um intervalo de tempo arbitrário. A Tabela 1 mostra o desempenho do sistema de câmeras Compton usado neste estudo, em comparação com o sistema anterior de seis contras18. A comparação revelou que uma fonte de raios gama sub-MeV foi visualizada com sucesso com uma eficiência de detecção duas vezes maior que a do sistema anterior, mantendo a resolução angular de ~11 graus. Também confirmamos que a dependência angular da aceitação foi mantida ao mínimo, mostrando diferenças de s ~ 4%. Os detalhes sobre as técnicas fundamentais do sistema são descritos em Watanabe et al. (2018)18. Aqui introduzimos três protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama-ray de baixo nível usando a câmera Compton descrita acima.
Apresentamos três protocolos experimentais para visualizar várias fontes de radiação gama de baixo nível usando a câmera Omnidirecionaal Compton que desenvolvemos. Os resultados representativos demonstraram que a imagem de raios gama em baixos níveis de radiação permite a derivação de informações novas e úteis sobre o ambiente circundante. Na instalação ri, o protocolo revelou que nosso sistema de câmeras Compton descobre com sucesso a posição da fonte de raios gama, bem como a taxa de contagem na posição dada em relação à fonte. Isso significa que o método proposto pode servir como uma tecnologia de próxima geração para monitoramento de radiação ambiental, substituindo monitores convencionais de taxa de dose estacionária já montados nas paredes de quase qualquer instalação de RI. Neste artigo, retratamos a intensidade do raio-gama como um campo vermelho mapeando a região experimentando intensidades na metade superior dos valores observados (Figura 3, Figura 5e Figura 6), de modo a atender a vários propósitos sem viés. Uma abordagem que, em vez disso, prioriza um pico de intensidade, em vez da distribuição de fontes de raios gama, adotaria uma faixa mais estreita do campo vermelho, talvez o quarto superior dos valores observados, a fim de permitir achados diretivas em escalas de tempo mais curtas. De fato, na Figura 3c,a direção máxima poderia ser identificada com um tempo de medição de 30 s para o caso (i) como mostrado na Figura 4, para a qual a intensidade da posição máxima era de cerca de 20 contagens.
Quanto ao monitoramento ambiental na unidade PET, o protocolo demonstrou a possibilidade de visualizar o movimento de radioatividade através da instalação, que neste caso é considerada a movimentação de um paciente injetado com 18F-FDG. Na Figura 5d,e,a direção do paciente pode ser identificada em menos de 10 s, adotando a faixa de campo vermelho mais estreita como mencionado acima. No futuro, o monitoramento ambiental de fontes de raios gama por animação seria útil para diversas situações, não apenas para a movimentação de pacientes como neste estudo, mas também para monitorar a transferência de materiais de combustível nuclear, como em aeroportos para fins de terrorismo, aproveitando-se das características de alta sensibilidade e baixo custo do sistema, embora a resolução energética de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução de energia de um sistema que usa um cintilador seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução energética de um sistema que usa um cintilatório seja inferior à de detectores de semicondutores mais caros, como a alta pureza alemã, embora a resolução energética de um sistema que usa cintilação seja inferior à de detectores de semi (HPGe) e CdZnTe (CZT).
No campo de Fukushima, o protocolo visualizou com sucesso a fonte de radiação gama estendida com taxas de dose superficial de muito menos de 1 μSv/h, que é uma ordem de magnitude menor do que a de um relatório recente25,26. Nosso sistema de câmeras Compton foi encontrado capaz de operar de forma stab e robusta para medição ao ar livre. Já confirmamos que o sistema pode ser operado usando WiFi e bateria portátil para uso mais conveniente em várias situações, especialmente para medição ao ar livre. O Ministério do Meio Ambiente do Japão estabeleceu a taxa mínima de 0,23 μSv/h para designar áreas a serem descontaminadas. Acreditamos que nosso sistema e protocolos serão uma grande ajuda para o procedimento de descontaminação em áreas de contaminação radioativa de baixo nível em amplas áreas do leste do Japão, onde o césio radioativo foi liberado pelo acidente da usina nuclear de Fukushima Daiichi em 2011.
A câmera Compton usada neste estudo tem alta sensibilidade para raios gama com energias entre 300 keV e 1400 keV, atribuível ao uso de cubos cintilantes CsI (Tl) de 3,5 cm18. O tipo e o tamanho cintilantepodem ser otimizados para monitoramento ambiental de fontes de radiação gama de baixo nível abaixo de 300 keV, como Tc de 99m(141 keV) e 111In (171 keV, 245 keV), que são frequentemente usados na cintigrafia. Este trabalho será apresentado em outro artigo em um futuro próximo. O detector pode ser fabricado a um preço baixo. De fato, o custo dos materiais detectores utilizados neste estudo não foi superior a US $ 20.000, e esse valor foi dominado pelo preço do balcão composto por CsI (Tl) e PMT; esta configuração é significativamente mais barata do que os cintilantes GAGG e detectores de semicondutores HPGe que são usados em outras câmeras Compton. Além disso, o sistema utilizado neste estudo deve ser mais compacto por uma questão de versatilidade e conveniência. O tamanho do sistema produzido neste estudo foi de 30 cm x 25 cm x 40 cm, que é maior que a câmera gama portátil existente5,27. As principais razões para um tamanho tão grande do sistema são o grande tamanho do PMT ligado ao CSI (Tl) (φ4 cm × 12 cm) e os grandes eletrônicos feitos à mão por nós. No futuro, a portabilidade será melhorada substituindo o PMT por um pacote de metal PMT ou Silicon Photomultiplier (SiPM), bem como reembalando os eletrônicos em pequeno tamanho.
The authors have nothing to disclose.
Este estudo contou com o apoio do Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japão, JSPS KAKENHI Grant (Nº 22244019, 26610055, 15H04769 e 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 |