使用低成本、高灵敏度、全向康普顿摄像机对低电平伽玛辐射源进行可视化

Environment
 

Summary

我们提出了使用低成本、高灵敏度、全向伽马射线成像 Compton 摄像机可视化环境中各种低电平伽马辐射源的实验方案。

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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).

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Abstract

我们提出了在环境中可视化各种低层伽马辐射源的实验协议。实验采用低成本、高灵敏度、全向伽马射线成像康普顿相机进行。在实验室中,通过康普顿相机获得的全向伽马射线成像,可以轻松监测137C等亚MeV伽马辐射源的位置。相反,固定式壁挂式剂量率监测仪不能始终成功监测此类源。此外,我们成功地演示了可视化环境中的放射性运动的可能性,例如,在核医学设施中注射18个氟氧葡萄糖(18F-FDG)的患者的运动。在福岛核电站领域,我们很容易获得全向伽马射线图像,这些图像与2011年福岛第一核电站事故释放的放射性钚在地面分布有关。我们展示了使用此相机的过程来可视化伽马射线源的明显优势。我们的协议还可用于发现低水平伽马辐射源,取代固定剂量率监测仪和/或常规使用的便携式测量仪。

Introduction

医疗设施拥有各种低层伽马辐射源,其表面和/或空气剂量率仅为几 μSv/h。这些来源也存在于日本东部的广大地区,2011年福岛第一核电站事故中,放射性钚受到低放射性污染。这些环境有时使工作人员面临国际辐射防护委员会(ICRP)建议的对一般人群的人体外部辐照暴露限值:1 mSv/年(例如,每天1μSv/h,每天4小时,每年250天)1。如果辐射源在短时间尺度上提前几米以上可视化,则可以减少辐射暴露量。可视化这些伽马辐射源的最佳解决方案之一是采用伽马射线成像康普顿相机技术2。在这项技术中,从辐射源发射的入射伽马射线的能量和锥向由探测器测量,然后可以通过反投影3来重建伽马射线源方向。先前的研究已经开发出了康普顿相机系统,旨在将一种新的诊断装置应用于核医学和/或新的伽马射线望远镜在天体物理学4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,以及康普顿锥数据的图像重建技术通过分析15,16和统计17种方法。使用复杂电子器件的更昂贵、最先进的器件通常采用在几度的标准偏差内获得高角度分辨率,但这种精度使得同时实现高检测效率变得困难。

最近,我们提出并开发了一种低成本、高灵敏度、全向伽马射线成像Compton相机18,其基础是一些独立闪烁器中的两倍巧合,它充当散射器或吸收器19。该技术的目的是通过 ±10 度或更少的角分辨率轻松实现高检测效率,这足以满足环境监视器的需求。这是通过应用基于滤波背投影算法的图像锐化技术18,20来实现的,该算法将用于计算机断层扫描的图像重建的卷积滤波器应用于康普顿重建。此外,当闪烁器的类型、尺寸和排列根据特定用途进行协调时,探测器的探测效率、角度分辨率和动态范围都可以轻松优化,例如在发射高放射性21、22的环境中使用。

在这项研究中,我们提出了各种试验的实验方案,用于在放射性同位素(RI)设施、正电子发射断层扫描(PET)设施和福岛场中使用这种全向Compton相机技术来可视化低电平伽马射线辐射源。我们准备并使用了由我们之前开发的全向伽马射线成像 Compton 摄像机但取得了一些改进,以实现更高的检测效率。图1显示了本研究中使用的11个元素的CsI(Tl)闪烁器排列的示意图。十一个计数器由两层组成;中心有两个计数器,半圆有九个计数器,考虑向前和向后散射配置。每个3.5厘米的CsI(Tl)闪烁器立方体都用超双碱光倍增管(PMT)读出。信号通过 SiTCP 技术23输入闪存 ADC 板,前端通过以太网连接到 PC。使用具有 ROOT 库24的 Visual C++ 创建的在线程序在 Windows PC 上运行。伽马射线图像在球面上重建和锐化了18,20,其累积环半径为α,这是根据康普顿运动学为每个双重巧合事件计算的散射角。通过在数码相机以前拍摄的全向光学图像进行叠加,可以在线和离线显示全向伽马射线图像。在测量过程中,触发速率、总能量谱(每个双重重合事件的能量沉积之和)以及预设伽马射线能量的重建图像可以显示在在线 PC 屏幕上。此信息可以在预设的时间间隔(例如,每 10 秒)更新。在这里,我们将屏幕设置为显示两种类型的重建图像:在测量开始时累积的图像,以及在每个预设时间间隔(例如,每 1 分钟一次)重新累积的图像。此外,由于存储了使用测量获得的每个事件的原始数据,因此可以在测量后重新分析数据,然后在任意时间间隔内重新生成重建的图形射线,以产生任意的伽马射线能量。表1显示了本研究中使用的康普顿相机系统的性能,与之前的六计数器系统18相比。比较表明,亚MeV伽马射线源的可视化效果是上一个系统的两倍,同时保持了±11度的角分辨率。我们还确认,接受的角依赖性保持在最低水平,显示 s = 4% 的差异。有关该系统基本技术的详细信息在渡边等人(2018)18中进行了描述。在这里,我们介绍三个实验协议,使用上述康普顿相机可视化各种低层伽马射线辐射源。

Protocol

该协议是按照日本东国立癌症中心医院研究伦理委员会的指导方针进行的。

1. 在RI设施实验室监测密封辐射源

  1. 将 Compton 摄像机设置在剂量率监视器旁边,如图2a所示。将探测器从地面的高度设定为2.5米。
  2. 打开康普顿相机和在线计算机的电源。
  3. 使用康普顿摄像机和剂量率监视器开始同步测量。
  4. 137C密封源(3.85 MBq)设置在图2a中标有"A"的位置,并保留30分钟。
  5. 将密封源移到标有"B"的位置,并在 30 分钟内将其保留。
  6. 将密封源移到标有"C"的位置,并在 30 分钟内将其保留。
  7. 将密封源移到标有"D"的位置,并在 30 分钟内将其保留。
  8. 将密封的电源移到房间外。30 分钟后,停止所有测量。

2. PET设施的环境监测

  1. 将康普顿摄像机设置在 PET 设施的接待台前面,如图2b所示。将探测器从地面的高度设置为 1 米。
  2. 在员工室设置在线计算机。
  3. 打开康普顿相机和在线计算机的电源。
  4. 在患者到达设施之前,在清晨开始康普顿相机测量。
  5. 所有患者离开一天后,停止所有测量。

3. 日本福岛川田县户外测量

  1. 将 Compton 摄像机设置在私人住宅附近,如图2c所示,其中怀疑存在一些表面剂量率为 1 μSv/h 或更低水平的放射性镉热点。将探测器从地面的高度设置为 1.5 米。
  2. 打开康普顿相机和在线计算机的电源。
  3. 启动康普顿摄像机测量。
  4. 30 分钟后,停止所有测量。

Representative Results

RI设施实验室密封辐射源的监测
图 3a显示了 Compton 摄像机(黑色实线)在应用小于 1 μs 的双击计数器的时滞选择后触发速率的时间变化。触发速率每 30 分钟根据密封源的位置(即从位置到摄像机的距离)而变化。这种变化从固定剂量率监测仪(蓝色虚线)测量的数据中得到证实;行为保持恒定(即背景级别),但介于 5750 s 和 7800 s 之间。在这里,我们暂定了五个周期,分别标有 (i)、(ii)、(iii)、(iv) 和 (v),表示密封源的五个位置(图 3a)。图 3b显示了每个此类周期的总能量光谱(每个周期为 30 分钟),水平轴表示每个双重巧合事件的能量沉积总和。我们注意到 662 keV 光吸收峰源自137C 密封源 (i)、(ii)、(iii) 和 (iv),而 (v) 仅显示背景电平。(ii) 和 (iii) 的峰值高度相同,我们将其归因于从摄像机到密封源的相同 6.7 米的距离。通过为 662 keV 选择 662*40 keV 范围内的事件,我们计算了散射角度,并重建了全向伽马射线图像。结果分别参见图3c-f,分别用于期间(i)、(二)、(三)和(iv)。这里伽马射线图像由红色区域指示,表示观测范围上半部分的伽马射线强度。我们发现,137C密封源的位置可以从伽马射线图像中成功识别。图 4显示了图像中具有集成时间的更改,其中红色字段对应于较窄的范围(上部 30%)所观察的范围。为了优先考虑峰值强度,采用了这种较窄的范围。在这种情况下,137Cs 源方向可在 30 s 后识别。

PET 设施中的环境监测
图 5a显示了 PET 设施接待台前的 Compton 摄像机(黑线)测量的白天 (5.6 h) 触发率的总体时间变化。我们观察到各种模式的触发率显著增强,这可以归因于在接待台周围注射18个F-氟氧葡萄糖(18F-FDG)的患者的运动。作为此类模式的一个示例,我们重点关注从 6200 s 到 7000 s 的时间段。根据图5b所示的这一时期的触发速率,一系列增强是明显的,两个高原标记(i)和(ii)。图 5c显示了图 5b周期 (i)、(ii) 和 (iii) 的总能量光谱。我们观察到源自18F-FDG 的 511 keV 光吸收峰。图 5d,e显示了 511 keV 伽马射线全向图像(i) 和 (ii) 期间,其中我们选择了 511*40 keV 内的事件进行图像重建。两个数字中的伽马射线峰的方向分别对应于墙后卫生间的方向。考虑到(一)和(ii)的触发率,我们将(i)中的伽马射线解释为从厕所穿透墙罩的泄漏;我们假设一个病人进入洗手间,花了两分钟,然后坐在坐在前几分钟的PET扫描。

日本福岛川田县户外测量
图 6a显示了 30 分钟室外测量触发速率的时间变化。触发速率的稳定性意味着我们的康普顿摄像机系统即使在户外进行长时间测量时也能稳定运行。为了演示扩展伽马射线源的重建方式,我们设置了四个不同的集成周期,这些周期标记为 (i) (1 分钟)、(ii) (10 分钟)、(iii)(20 分钟)和 (iv) (30 分钟),如图6a所示。图6b显示了每个时期的总能量光谱,描绘了叠加在放射性核素发射的伽马射线的光吸收峰上的结构,在134摄氏度和662keV中,134摄氏度为796 keV。为了重建伽马射线图像,我们为 605 keV 的 565-622 keV 内的事件选择了 662*40 keV,为 796 keV 选择了 796±40 keV。605、662和796 keV的伽马射线全向图像分别显示在集成周期图6c-f中(i)、(ii)、(iii)和(iv)。在这种情况下,我们发现重建的伽马射线分布是稳定的,只要集成时间超过20分钟。前方山体的斜坡和雨沟的下部显然受到污染,而图像右侧未受污染的土壤覆盖的区域显然没有受到污染。伽马射线强度与闪烁型测量仪测量的剂量速率值相当一致,其值如图6f所示为黄色。

Figure 1
图1:全向伽马射线成像康普顿相机系统。(a)闪烁器的几何排列,本研究使用了11个要素。两个闪烁器被安排在一个圆的中心,另外九个排列在半圆,垂直交错。(b)没有外壳的探测器照片。计数器固定在膨胀的聚苯乙烯内。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2:实验设置。(a)监测RI设施实验室的密封辐射源,在实验室中,一个137个Cs密封辐射源按顺序设置在标有"A"、"B"、"C"和"D"的位置。(b) PET设施接待台前的环境监测。(c)日本福岛油田的室外测量。康普顿相机固定在梯子上。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:实验室中137个Cs密封源的监测结果。(a)由康普顿摄像机测量的触发速率(黑色实线)和固定剂量率监测仪(蓝色虚线)测量的空气剂量率的时间变化。(b) 图3a's周期(i)(红线)、(二)(蓝线)、(三)(绿线)、(四)(绿线)、(四)(粉线)和(v)(黑线)的总能量光谱(每两倍巧合事件的能量沉积之和),结果为0.15。(c) 662 keV伽马射线全向图像叠加在光学图像上(i)(30分钟)。红色字段表示观测范围上半部分的伽马射线强度。(d)(c)相同,但期间(二)(30分钟)。(e)(c)相同,但期间(三)(30分钟)。(f)(c)相同,但期间(四)(30分钟)。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4:与图 3c相同,但测量时间不同:3 s、5 s、10 s、15 s、30 s 和 60 s。在这里,伽马射线图像由红色区域识别,这表明伽马射线强度在观测范围的上 30%。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:PET设施接待台前环境监测的代表性结果。(a)白天(5.6小时)由康普顿摄像机(黑线)测量的触发速率的时间变化。(b)(a)中详述6200至7000s之间的触发率。(c) 图4b周期(一)(红线)、(二)(蓝线)和(三)(黑线)的总能量光谱。(d) 511 keV伽马射线全向图像叠加在光学图像上(i)(2分钟)。(e)(d)相同,但期间(二)(2分钟)。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
图6:日本福岛川田县户外测量的代表性结果。(a)由康普顿相机测量的触发速率的时间变化(黑色实线)。(b) 5a的周期(一)1分钟(蓝线)、(二)10分钟(绿线)、(三)20分钟(红线)和(四)30分钟(黑线)的总能量谱。(c)在光学图像上叠加605、662和796 keV伽马射线的全向图像(i)(1分钟)。(d)(c)相同,但期间(二)(10分钟)。(e)(c)相同,但期间(三)(20分钟)。(f)(c)相同,但期间(四)(30分钟)。在距离地面1厘米的高度由闪烁型测量仪测量的剂量率值显示在数字中进行比较。请点击此处查看此图的较大版本。

本研究 以前的研究18
计数器数 11 6
511 keV 伽马射线的检测效率(cps/(μSv/h)) 36 18
角分辨率 = (deg)* 11 11

表1:目前和以前的康普顿相机系统的性能。*角度分辨率是从测量位于探测器前 1 米的22Na 密封源 (0.8MBq) 测量时获得的 511 keV 全向伽马射线图像估计的。

Discussion

我们提出了三个实验方案,利用我们开发的全向康普顿相机来可视化各种低电平伽马辐射源。具有代表性的结果表明,低辐射水平的伽马射线成像可以产生关于周围环境的新奇和有用的信息。在 RI 设施中,协议显示,我们的康普顿摄像机系统成功发现伽马射线源的位置,以及相对于源的给定位置的计数速率。这意味着,拟议的方法可以作为环境辐射监测的下一代技术,取代已安装在几乎任何RI设施墙壁上的传统固定剂量率监测器。在本文中,我们将伽马射线强度描述为一个红色场,映射观测值上半部分经历强度的区域(图3、图5图6),以便适应各种目的,没有偏差。更优先考虑峰值强度而不是伽马射线源分布的方法,将采用较窄的红色场范围,也许是观测值的上半部分,以便在较短的时间尺度上实现指令性发现。事实上,在图3c中,峰值方向可以识别为30 s的案例(i),如图4所示,峰值位置的强度约为20计数。

至于PET设施的环境监测,协议表明有可能通过该设施可视化放射性运动,在这种情况下,这被认为是注射18个F-FDG的病人的运动。在图5d,e中,通过采用上述较窄的红色场范围,可以在10s内识别患者的方向。今后,通过动画对伽马射线源进行环境监测,不仅对本研究中的患者运动有用,而且利用该系统的高灵敏度和低成本特性,监测用于恐怖主义目的的核燃料材料,如在机场的转移,尽管使用闪烁器的系统的能量分辨率不如更昂贵的半导体探测器,如高纯度的半导体探测器。(HPGe) 和 Cdznte (CZT)。

在福岛油田,该协议成功地将表面剂量率远低于1μSv/h的扩展伽马辐射源可视化,这比最近报告25、26中的一个数量级低。我们的康普顿相机系统被发现能够稳定、稳健地运行户外测量。我们已经确认,该系统可以使用WiFi和便携式电池操作,以便更方便地用于各种情况,特别是户外测量。日本环境省将空气剂量率最低定为0.23 μSv/h,以指定要净化的区域。我们相信,我们的系统和规程将对日本东部大面积的低放射性污染地区的净化程序大有帮助,2011年福岛第一核电站事故释放了放射性钚。

本研究中使用的康普顿相机对能量在300 keV和1400 keV之间的伽马射线具有高灵敏度,原因是使用了3.5厘米的CsI(Tl)闪烁器立方体18。闪烁器的类型和尺寸可以优化,用于对300 keV以下的低水平伽马辐射源进行环境监测,如99mTc(141 keV)和111In(171 keV,245 keV),这些辐射源常用于闪烁。这项工作将在不远的将来在另一篇论文中介绍。探测器可以低价制造。事实上,本研究中使用的探测器材料的成本不超过20,000美元,而这个数额主要是由CsI(Tl)和PMT组成的柜台的价格所支配的;这种配置比其他康普顿相机中使用的GAGG闪烁器和HPGe半导体探测器便宜得多。此外,为了多功能性和便利性,本研究中使用的系统应更加紧凑。本研究产生的系统尺寸为30厘米x25厘米x40厘米,比现有的便携式伽马相机5,27大。系统尺寸如此之大的主要原因是连接到 CsI (Tl) 的 PMT 尺寸大(Φ4 厘米 × 12 厘米)和我们手工制作的大型电子产品。将来,通过将 PMT 替换为金属封装 PMT 或硅光电倍增器 (SiPM), 以及重新包装小尺寸的电子产品,将改进便携性。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究得到了日本开源仪器协会(Open-It)、JSPS KAKENHI Grant(No.22244019、26610055、15H04769和19H04492)的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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