نقدم بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى في البيئة المحيطة باستخدام كاميرا كومبتون منخفضة التكلفة وعالية الحساسية ومتعددة الاتجاهات وأشعة غاما.
نقدم بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى في البيئة المحيطة. وأجريت التجارب باستخدام كاميرا كومبتون منخفضة التكلفة وعالية الحساسية ومتعددة الاتجاهات ومتعددة الاتجاهات وتصوير أشعة غاما. في المختبر، يمكن بسهولة رصد موقع مصدر أشعة غاما دون الـ MeV مثل 137Cs عن طريق تصوير أشعة غاما متعدد الاتجاهات الذي تحصل عليه كاميرا كومبتون. وعلى النقيض من ذلك، لا يمكن لرصد معدل الجرعة الثابتة المثبتة على الحائط أن يراقب دائماً مثل هذا المصدر بنجاح. وعلاوة على ذلك، أثبتنا بنجاح إمكانية تصور حركة النشاط الإشعاعي في البيئة، على سبيل المثال، حركة المريض الذي تم حقنه بـ 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) في منشأة للطب النووي. وفي حقل فوكوشيما، حصلنا بسهولة على صور أشعة غاما متعددة الاتجاهات تتعلق بتوزيع التلوث الإشعاعي المنخفض المستوى على أرض الواقع بواسطة السيزيوم المشع الذي أطلقعن حادث محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في عام 2011. نحن نظهر مزايا واضحة لاستخدام الإجراء لدينا مع هذه الكاميرا لتصور مصادر أشعة غاما. يمكن استخدام بروتوكولاتنا أيضًا لاكتشاف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى ، بدلاً من شاشات معدل الجرعة الثابتة و / أو عدادات المسح المحمولة المستخدمة بشكل تقليدي.
وتؤوي المرافق الطبية مصادر مختلفة لإشعاع غاما منخفض المستوى بمعدل جرعة سطحية و/أو هوائية لا يزيد عن بضعة ميكروسيفرت/ساعة. وتوجد هذه المصادر أيضا في مناطق واسعة من شرق اليابان تظهر فيها تلوثا إشعاعيا منخفض المستوى بمادة سيزيوم المشعة الناجمة عن حادث محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في عام 2011. وتعرض هذه البيئات العمال في بعض الأحيان للحد الخارجي من التعرض للإشعاع لجسم الإنسان لعامة السكان على النحو الذي نصحت به اللجنة الدولية للحماية الإشعاعية: 1 ملي سيفرت/سنة (على سبيل المثال، 1 ميكروسيفرت/ساعة لمدة 4 ح في اليوم، 250 يوماً في السنة)1. إذا تم تصور مصادر الإشعاع من أكثر من بضعة أمتار مقدما على الجداول الزمنية القصيرة، يمكن تقليل كمية التعرض للإشعاع. واحدة من أفضل الحلول لتصور هذه المصادر الإشعاعية غاما هو اعتماد أشعة غاما التصوير كومبتون تقنية الكاميرا2. في هذه التقنية ، يتم قياس الطاقة والاتجاه المخروطي لأشعة غاما الحادث المنبعثة من مصدر الإشعاع بواسطة الكاشف لكل حدث ، ومن ثم يمكن إعادة بناء اتجاه مصدر أشعة غاما عن طريق الإسقاط الخلفي3. وقد وضعت الدراسات السابقة كومبتون أنظمة الكاميرا التي تهدف إلى تطبيق جهاز تشخيصي جديد في الطب النووي و / أو تلسكوب أشعة غاما جديدة في الفيزياء الفلكية4،5،6،7،8،9،10،11،12،13،14، فضلا عن تقنيات إعادة بناء الصورة لبيانات مخروط كومبتون بواسطة النهج التحليلي15و16 والإحصائية 17. وغالبا ما يتم اعتماد أكثر تكلفة، والأجهزة للدولة من بين الفن مع الالكترونيات المعقدة للحصول على دقة الزاوي عالية ضمن انحراف معياري من بضع درجات، ولكن هذه الدقة يجعل من الصعب تحقيق كفاءة الكشف عالية في وقت واحد.
في الآونة الأخيرة ، اقترحنا وطورنا كاميرا تصوير كومبتون بأشعة غاما منخفضة التكلفة وعالية الحساسية ، متعددة الاتجاهات،استنادًا إلى صدفة مزدوجة داخل عدد من المتألقين المستقلين الذين يعملون إما كمبعثرين أوامتصاص19. والهدف من هذه التقنية هو تحقيق كفاءة الكشف بسهولة عالية مع قرار الزاوي ق من ~ 10 درجة أو أقل، وهو ما يكفي لرصد البيئية. ويتم تحقيق ذلك من خلال تطبيق تقنية شحذ الصور18،20 على أساس خوارزمية الإسقاط الخلفي المصفاة ، والتي تطبق مرشح التفاف يُستخدم في إعادة بناء الصورة للتصوير المقطعي المحوسب لإعادة بناء كومبتون. وعلاوة على ذلك، يمكن تحسين كفاءة الكشف، والقرار الزاوي والنطاق الديناميكي للكاشف بسهولة عندما يتم تنسيق نوع وحجم وترتيب المتألقات وفقا لغرض معين، مثل الاستخدام في البيئات التي تنبعث منها النشاط الإشعاعي مرتفعة21،22.
في هذه الدراسة، نقدم بروتوكولات تجريبية لتجارب مختلفة لتصور مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام تقنية كاميرا كومبتون متعددة الاتجاهات هذه في منشأة النظائر المشعة (RI) ومرفق التصوير المقطعي ببوزيترون (PET) وحقل فوكوشيما. قمنا بإعداد واستخدام كاميرا تصوير كومبتون بأشعة غاما متعددة الاتجاهات التي سبق أن طورتها أنفسنا18 ولكن مع بعض التحسينات ، من أجل تحقيق كفاءة أعلى في الكشف. ويبين الشكل 1 وجهة نظر تخطيطية لترتيب معشر CsI (Tl) من أحد عشر عنصراً تستخدم في هذه الدراسة. تتكون العدادات الإحدى عشرة من طبقتين. اثنين من العدادات في المركز وتسعة عدادات في نصف دائرة ، والنظر في تكوينات مبعثر إلى الأمام والخلف. تمت قراءة كل مكعب متألق من CsI (Tl) يبلغ 3.5 سم مع أنابيب مضاعفة الصور ثنائية الليكالية (PMT). تم تغذية الإشارات في لوحة ADC فلاش مع تكنولوجيا SiTCP23 وتم توصيل الواجهة الأمامية إلى جهاز كمبيوتر عبر إيثرنت. تم تشغيل برنامج عبر الإنترنت تم إنشاؤه باستخدام Visual C++ مع مكتبة ROOT24 على جهاز كمبيوتر Windows. تم إعادة بناء صورة أشعة غاما وشحذ18،20 على سطح كروي مع تراكم الحلقات مع نصف قطرها من زاوية مبعثرة محسوبة من الحركية كومبتون لكل حدث صدفة مزدوجة. يمكن عرض صورة أشعة غاما متعددة الاتجاهات على الإنترنت وغير متصل عن طريق فرض فوقالصورة البصرية متعددة الاتجاهات التي التقطتها كاميرا رقمية سابقًا. أثناء القياس ، يمكن عرض معدل الزناد ، وإجمالي طيف الطاقة (مجموع رواسب الطاقة لكل حدث صدفة مزدوج) ، والصور المعاد بناؤها لطاقة أشعة غاما المحددة مسبقًا على شاشة الكمبيوتر عبر الإنترنت. يمكن تحديث هذه المعلومات في فترة زمنية محددة مسبقًا (على سبيل المثال، كل 10 ثوان). هنا، نقوم بتعيين الشاشة لعرض نوعين من الصور المعاد بناؤها: صورة تتراكم في بداية القياس وصورة تتراكم في كل فاصل زمني محدد مسبقًا (على سبيل المثال، كل دقيقة واحدة). وعلاوة على ذلك، ونظراً لتخزين البيانات الأولية لكل حدث يتم الحصول عليه باستخدام القياسات، فمن الممكن إعادة تحليل البيانات بعد القياسات ثم تجديد صورة أعيد بناؤها للحصول على طاقة أشعة غاما التعسفية في فترة زمنية اعتباطية. ويبين الجدول 1 أداء نظام كاميرا كومبتون المستخدم في هذه الدراسة، بالمقارنة مع النظام السابق ذي الست عدادات18. وكشفت المقارنة أن مصدر أشعة غاما دون مي في تم تصوره بنجاح بكفاءة كشف ضعف كفاءة النظام السابق، مع الحفاظ على الدقة الزاوية من 11 درجة. كما أكدنا أن الاعتماد الزاوي للقبول تم الاحتفاظ به إلى الحد الأدنى ، مما يظهر اختلافات في ~ 4٪. يتم وصف التفاصيل حول التقنيات الأساسية للنظام في واتانابي وآخرون (2018)18. هنا نقدم ثلاثة بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام كاميرا كومبتون المذكورة أعلاه.
قدمنا ثلاثة بروتوكولات تجريبية لتصور مختلف مصادر أشعة غاما منخفضة المستوى باستخدام كاميرا كومبتون متعددة الاتجاهات التي طورناها. وأظهرت النتائج التمثيلية أن التصوير بأشعة غاما عند مستويات إشعاع منخفضة يسمح باشتقاق معلومات جديدة ومفيدة عن البيئة المحيطة. وفي مرفق RI، كشف البروتوكول أن نظام كاميرا كومبتون لدينا يكتشف بنجاح موقع مصدر أشعة غاما، وكذلك معدل العد في الموضع المعطى بالنسبة للمصدر. وهذا يعني أن الطريقة المقترحة يمكن أن تكون بمثابة تكنولوجيا الجيل التالي لرصد الإشعاع البيئي، لتحل محل شاشات معدل الجرعة الثابتة التقليدية التي تم تركيبها بالفعل على جدران أي مرفق من مرافق RI تقريباً. في هذه الورقة، صورنا كثافة أشعة غاما كحقل أحمر يرسم خرائط للمنطقة التي تشهد كثافة في النصف العلوي من القيم الملاحظة(الشكل 3والشكل 5والشكل 6)،وذلك لتتناسب مع أغراض مختلفة دون تحيز. والنهج الذي يعطي الأولوية بدلا من الذروة، بدلا من توزيع مصادر أشعة غاما، من شأنه أن يعتمد نطاقا أضيق من المجال الأحمر، وربما الربع العلوي من القيم الملاحظة، من أجل التمكين من التوصل إلى نتائج توجيهية في جداول زمنية أقصر. في الواقع ، في الشكل 3ج، يمكن تحديد اتجاه الذروة مع وقت قياس 30 s للحالة (1) كما هو موضح في الشكل 4، والتي كانت شدة موضع الذروة حول 20 عددًا.
وفيما يتعلق بالرصد البيئي في مرفق PET، أظهر البروتوكول إمكانية تصور حركة النشاط الإشعاعي من خلال المرفق، الذي يعتبر في هذه الحالة حركة مريض تم حقنه بـ 18من طراز F-FDG. في الشكل 5د، ه،يمكن تحديد اتجاه المريض في أقل من 10 ق من خلال اعتماد نطاق أضيق المجال الأحمر على النحو المذكور أعلاه. في المستقبل الرصد البيئي لمصادر أشعة غاما عن طريق الرسوم المتحركة سيكون مفيدا لمختلف الحالات، ليس فقط لحركة المرضى كما هو الحال في هذه الدراسة، ولكن أيضا لرصد نقل مواد الوقود النووي كما هو الحال في المطارات لأغراض الإرهاب، من خلال الاستفادة من الحساسية العالية والخصائص منخفضة التكلفة للنظام، على الرغم من أن دقة الطاقة للنظام الذي يستخدم المعتل أدنى من ذلك من أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات أكثر تكلفة، مثل المانينيوم عالية النقاء (HPGe) وCdZnTe (CZT).
وفي حقل فوكوشيما، نجح البروتوكول في تصور مصدر إشعاع غاما الموسع بمعدلات جرعات سطحية تقل كثيراً عن 1 ميكروسيفرت/ساعة، وهو ترتيب من حيث الحجم أقل من ذلك في تقرير صدر مؤخراً25،26. تم العثور على نظام كاميرا كومبتون لدينا لتكون قادرة على العمل بشكل ثابت وبقوة لقياس في الهواء الطلق. لقد أكدنا بالفعل أنه يمكن تشغيل النظام باستخدام واي فاي وبطارية محمولة للاستخدام أكثر ملاءمة في حالات مختلفة ، وخاصة للقياس في الهواء الطلق. وحددت وزارة البيئة في اليابان معدل جرعة الهواء الأدنى بـ 0.23 ميكروسيفرت/ساعة لتحديد المناطق التي سيتم تطهيرها. ونعتقد أن نظامنا وبروتوكولاتها ستكون عونا كبيرا لإجراءات إزالة التلوث في مناطق التلوث الإشعاعي المنخفض المستوى في مناطق واسعة من شرق اليابان حيث أطلق سيزيوم المشع عن طريق حادث محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في عام 2011.
كاميرا كومبتون المستخدمة في هذه الدراسة لديها حساسية عالية لأشعة غاما مع الطاقات بين 300 keV و 1400 keV، ويعزى إلى استخدام 3.5 سم CsI (Tl) مكعبات scintillator18. يمكن تحسين نوع وحجم الملمع ة للرصد البيئي لمصادر أشعة غاما منخفضة المستوى دون 300 برميل، مثل 99 mTc (141 keV) و 111في (171 keV، 245 keV)، والتي تستخدم بشكل متكرر في الرسم السكنتي. وسيقدم هذا العمل في ورقة أخرى في المستقبل القريب. يمكن تصنيع الكاشف بسعر منخفض. وفي الواقع، لم تتجاوز تكلفة مواد الكاشف المستخدمة في هذه الدراسة 000 20 دولار، وسيطر على هذا المبلغ سعر العداد المكون من CsI (Tl) وPMT؛ هذا التكوين هو أقل تكلفة بكثير من المتألقات GAGG وكاشفات أشباه الموصلات HPGe التي تستخدم في كاميرات كومبتون الأخرى. وعلاوة على ذلك، ينبغي جعل النظام المستخدم في هذه الدراسة أكثر إحكاما من أجل تعدد الاستخدامات والراحة. كان حجم النظام المنتج في هذه الدراسة 30 سم × 25 سم × 40 سم ، وهو أكبر من كاميرا جاما المحمولة الحالية5،27. الأسباب الرئيسية لحجم هذا النظام الكبير هي الحجم الكبير للPMT تعلق على CsI (Tl) (ο4 سم × 12 سم) والالكترونيات الكبيرة المصنوعة يدويا من قبلنا. في المستقبل، سيتم تحسين قابلية النقل عن طريق استبدال PMT مع PMT حزمة معدنية أو السيليكون Photomultiplier (SiPM) وكذلك عن طريق إعادة تغليف الالكترونيات في حجم صغير.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذه الدراسة من قبل اتحاد المصادر المفتوحة للأجهزة (Open-It) ، اليابان ، منحة JSPS KAKENHI (رقم 22244019 و 26610055 و 15H04769 و 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 |