低コスト、高感度、全方向性コンプトンカメラによる低レベルガンマ線源の可視化

要約

我々は、低コスト、高感度、全方向性、ガンマ線イメージングコンプトンカメラを用いて、環境環境における様々な低レベルガンマ線源を可視化するための実験的プロトコルを提示する。

要約

環境環境における様々な低レベルガンマ線源を可視化するための実験プロトコルを紹介する。実験は、低コスト、高感度、全方向性、ガンマ線イメージングコンプトンカメラを使用して行った。研究室では^、137CsのようなサブMeVガンマ線源の位置を、コンプトンカメラが得た全方向性ガンマ線イメージングを介して容易に監視することができる。対照的に、静止した壁掛け線量率モニターは、常にそのようなソースを正常に監視することはできません。さらに、核医学施設で18F-フルオロデオキシグルコース(18F-FDG)を注射した患者の動きなど、環境中の放射能運動を可視化する可能性を実証することに成功しました。福島原発事故発生事故で発生した放射性セシウムによる低レベル放射能汚染の地上分布に関する全方向性ガンマ線画像を、福島県内では容易に取得しました。このカメラを使ってガンマ線源を可視化する方法の明確な利点を示します。当社のプロトコルは、従来使用されている定常線量率モニターおよび/またはポータブル測量メーターの代わりに、低レベルのガンマ放射線源を発見するためにさらに使用することができます。

概要

医療施設は、表面および/または空気線量速度がわずか数μSv/hの様々な低レベルガンマ放射線源を収容します。このような源は、2011年の福島第一原子力発電所事故による放射性セシウムによる低レベル放射性汚染を示す東日本の広い地域にも存在しています。これらの環境は、国際放射線防護委員会(ICRP)の助言に従って、一般集団の人体に対する外部照射暴露限界に作業者をさらすことがある:1 mSv/年(例えば、1日あたり4時間、150日/年250日)^1.放射線源を数メートル以上前から短時間で可視化すれば、放射線被ばくの量を減らすことができます。これらのガンマ線放射源を可視化するための最良の解決策の1つは、ガンマ線イメージングコンプトンカメラ技術2を採用することです^。この技術では、放射源から放出される入射ガンマ線のエネルギー及びコーン方向を各事象の検出器によって測定し、次いでガンマ線源方向をバック投影³で再構成することができる。これまでの研究では、核医学の新しい診断装置および/または天体物理学4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、コンプトンコーンデータの画像再構成技術の応用を目的としたコンプトンカメラシステムを開発しました。分析^{的な15、16}および統計¹⁷のアプローチによって。複雑な電子機器を搭載した高価で最新式のデバイスは、数度の標準偏差内で高い角度分解能を得るために採用されることが多いですが、この精度は同時に高い検出効率を達成することが困難です。

最近では、低コスト、高感度、全方向性ガンマ線撮像コンプトンカメラ¹⁸を、散乱機または^{吸収器として}機能する多数の独立したシンチレータ内の2倍の一致に基づいて提案および開発した。この技術の目的は、環境モニターに適した、約10度以下の角度分解能で高い検出効率を容易に達成することです。これは、コンピュータ断層撮影のための画像再構成に使用される畳み込みフィルタをCompton再構成に適用するフィルタリングされたバックプロジェクションアルゴリズムに基づいて、画像シャープニング技術^18,20の適用によって達成される。さらに、検出効率、検出器の角分解能およびダイナミックレンジは、シンチレータの種類、サイズおよび配置が、高い放射能^21、22を放出する環境での使用などの特定の目的に応じて調整された場合に容易に最適化することができる。

本研究では、この全方向性コンプトンカメラ技術を放射性同位元素(RI)施設、陽電子放射断層撮影(PET)施設、福島分野で用いて、低レベルガンマ線放射源を可視化するための様々な試験のための実験プロトコルを紹介する。私たちは、より高い検出効率を達成するために、以前は¹⁸が開発した全方向性ガンマ線イメージングコンプトンカメラを準備し、利用しました。図1は、本研究で用いた11の元素のCsI(Tl)シンチレータの配置の概略図を示す。11 のカウンタは 2 つのレイヤーで構成されています。2 つのカウンターを中央に、9 つのカウンターを半円で囲み、前方および後方の散乱構成を考慮します。3.5cmの各CsI(Tl)シンチレータキューブは、超バイアルカリフォトマルチプライヤチューブ(PMT)で読み上げられました。信号はSiTCP技術²³を搭載したフラッシュADCボードに供給され、フロントエンドはイーサネットを介してPCに接続された。Windows PC で、Visual C++ と ROOT ライブラリ²⁴を使用して作成されたオンライン プログラムが実行されました。ガンマ線画像を再構築し^、2倍の偶然事象ごとにコンプトン運動学から計算された半径θのリングを蓄積した球面上で^18,20をシャープにした。全方向性ガンマ線画像は、以前デジタルカメラで撮影された全方向性光学画像に重ね合わせすることにより、オンラインとオフラインの両方で表示できます。測定中、トリガ率、総エネルギースペクトル(2倍の偶然事象ごとのエネルギー堆積物の合計)、およびプリセットガンマ線エネルギーの再構築された画像をオンラインPC画面に表示することができます。この情報は、事前設定された時間間隔(例えば、10秒ごと)で更新できます。ここでは、測定開始時に蓄積された画像と、あらかじめ設定された時間間隔毎に再蓄積された画像(例えば1分ごと)の2種類の画像を表示するように画面を設定します。さらに、測定を用いて得られた各事象の生データが保存されるため、測定後にデータを再分析し、任意の時間間隔で任意のガンマ線エネルギーに対して再構成された画像を再生することが可能です。表1は、この研究で用いたコンプトンカメラシステムの性能を、前の6カウンタシステム¹⁸と比較して示す。比較の結果、サブMeVガンマ線源は、約11度の角分解能を維持しながら、前のシステムの2倍の検出効率で正常に視覚化されたことがわかりました。また、受け入れの角依存性が最小限に抑えられたことを確認し、s~4%の差を示した。システムの基本的な技術の詳細は、渡辺ら(2018)¹⁸.ここでは、上記のComptonカメラを用いて、様々な低レベルガンマ線放射源を可視化するための3つの実験プロトコルを紹介する。

プロトコル

この議定書は、国立がんセンター病院東病院の研究倫理委員会のガイドラインに従って実施されました。

RI施設の実験室における密閉放射線源のモニタリング

1. 図 2a に示すように、線量率モニタの横にコンプトン カメラを設定します。検出器の高さを地上から2.5mに設定し、平行プレートイオン化室から構成される線量率モニタをRI施設の実験室の入口上部に設置し、1分間隔で位置の空気線量速度を監視します。
2. コンプトンカメラとオンラインコンピュータの電源を入れます。
3. コンプトンカメラと線量率モニタで同時測定を開始します。
4. 図 2aの 「A」とラベル付けされた位置に¹³⁷Cs のシールドソース(3.85 MBq)を設定し、30 分間放置します。
5. 「B」と表示された位置にシールされたソースを移動し、30分の間に残します。検出器と密封されたソースの間の距離を6.7 mに設定します。
6. 「C」と表示された位置にシールされたソースを移動し、30分の間に残します。検出器と密封されたソースの間の距離を6.7 mに設定します。
7. 「D」と表示された位置にシールされたソースを移動し、30分の間に残します。検出器と密封されたソースの間の距離を1 mに設定します。
8. 密閉されたソースを部屋の外に移動します。30分後、測定をすべて停止します。

2. PET施設における環境モニタリング

1. 図 2b に示すように、PET 施設の受付の前にコンプトン カメラを設置します。検出器の高さを地面から1mに設定します。
2. スタッフ室でオンラインコンピュータを設定します。
3. コンプトンカメラとオンラインコンピュータの電源を入れます。
4. 患者が施設に到着する前に、早朝にコンプトンカメラの測定を開始します。
5. すべての患者が一日のために出発した後、すべての測定を停止します。

3. 福島県川俣町での屋外計測

1. 図 2cに示すように、民家の近くに Compton カメラを設置します。検出器の高さを地上から1.5mに設定します。
2. コンプトンカメラとオンラインコンピュータの電源を入れます。
3. コンプトンカメラの測定を開始します。
4. 30分後、測定をすべて停止します。

結果

RI施設の実験室における密閉放射線源のモニタリング
図3は、コンプトンカメラ(黒色の実線)で測定されたトリガレートの時間変動を、1μs未満の2ヒットカウンタのタイムラグ選択を適用した後のものである。トリガレートは、封止されたソースの位置(つまり、位置からカメラまでの距離)に応じて30分ごとに変化しました。この変動は、定常線量率モニタ(青い破線)で測定したデータから確認した。動作は 5750 s と 7800 s の間以外の一定 (つまり、バックグラウンド レベル) のままでした。ここでは、(i)、(ii)、(iii)、(iv)及び(v)というラベル付きの5つの期間を仮に設定し、封止されたソースの5つの位置を表す(図3a)。図3bは、各周期の総エネルギースペクトル(それぞれ30分)を示し、横軸は、各々の2倍の偶然事象に対するエネルギー堆積物の合計を表す。我々は、(i)、(ii)、(iii)および(iv)の^{137Csに対して137Cs}の密封された源から発生する662 keV光吸収ピークに注意し、(v)はバックグラウンドレベルのみを示す。(ii)と(iii)のピーク高さは同じで、カメラから密閉されたソースまでの距離は6.7 mと同じです。662 keVの662±40keV以内の事象を選択することで、散乱角度を計算し、無指向性ガンマ線画像を再構築しました。結果は、図3c-f、それぞれ、期間(i)、(ii)、(iii)および(iv)に示されています。ここでガンマ線画像は赤色の領域で示され、観測範囲の上半分のガンマ線強度を示す。ガンマ線画像から^137Csの密閉源の位置を確認できることがわかります。図 4は、画像の統合時間の変化を示しており、赤いフィールドは狭い範囲 (上の 30%)観測された範囲の。この狭い範囲は、ピーク強度を優先するために採用された。この場合^、137Csのソース方向は30sの後に識別されることができました。

PET施設における環境モニタリング
図5は、PET施設の受付の前でコンプトンカメラ(黒線)で測定した昼間(5.6時間)のトリガレートの全体的な時間変動を示す。我々は、受付の周りに¹⁸F-フルオロデオキシグルコース⁽¹⁸F-FDG)を注射した患者の動きに起因する可能性がある様々なパターンを有するトリガ速度の顕著な向上を観察する。このようなパターンの例として、6200から7000 sまでの期間に焦点を当てています。図 5bに示すこの期間のトリガ レートによると、一連の機能強化が明らかであり、2 つの台地にラベル (i) と (ii) が付きます。図 5cは、図5bの期間 (i)、(ii)、および (iii) の合計エネルギースペクトルを示しています。¹⁸F-FDGから発生する511keV光吸収ピークを観測した。図5d,eは、511 keVガンマ線全方向性画像をそれぞれ(i)および(ii)の期間で示し、画像再構成のために511±40keV以内の事象を選択した。両方の図のガンマ線ピークの方向は、ソファと壁の後ろのトイレの方向にそれぞれ対応しています。(i)と(ii)の両方のトリガレートを考えると、(i)のガンマ線は、トイレから壁のシールドを貫通する漏れと解釈します。私たちは、患者がトイレに入り、2分を過ごし、その後PETスキャンの数分前にソファに座ったと推測します。

福島県川俣町の屋外計測
図6は、屋外測定の30分のトリガレートの時間変動を示す。トリガーレートの安定性は、長時間にわたって屋外で行われた測定でも、当社のコンプトンカメラシステムが安定して動作することを意味します。拡張ガンマ線源がどのように再構築されたかを示すために、図6に示すように、(i)(1分)、(ii)(10分)、(iii)(20分)および(iv)(iv)と(30分)と表示された4つの異なる積分期間を設定した。図6bは、各期間の総エネルギースペクトルを示し、放射性核種から放射されたガンマ線の光吸収ピークに重ね合わせた構造を^、134csおよび^137Csに対して662 keVの605keVおよび796 keVで示している。ガンマ線画像を再構築するために、605 keVの565-622 keV内の事象、662keVの662±40 keV、796keVの796±40 keV内のイベントを選択しました。605、662、796 keVのガンマ線全方向性画像は、積分期間(i)、(ii)、(iii)、および(iv)の図6c-fにそれぞれ示されています。この場合、組み込み時間が20分を超える限り、再構築されたガンマ線分布は安定していることがわかります。前方の丘の斜面と雨どい溝の下部は明らかに汚染されていますが、画像の右側の汚染されていない土壌で覆われた領域は実証的に汚染されていません。ガンマ線強度はシンチレーション型測量計で測定された線量率値とよく一致しており、その値は図6fに黄色で示されている。

図1:全方向性ガンマ線イメージングコンプトンカメラシステム(a)本研究で用いた11の元素を持つシンチレータの幾何学的配置。2つのシンチレータが円の中心に配置され、さらに9台が半円に配置され、垂直にずらされた。(b)ハウジングのない検出器の写真。カウンターは、膨張したポリスチレンの中に固定された。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:実験的なセットアップ(a) RI施設の実験室で密閉された放射線源のモニタリングで^、137個のCs封入源が「A」、「B」、「C」、「D」と表示された位置に順次設定された。(b) PET施設の受付前での環境モニタリング(c)福島県内の屋外計測コンプトンカメラは脚立に固定されていた。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:実験室における^137Cs封入源のモニタリングの代表的な結果。(a)コンプトンカメラで測定したトリガレートの時間変動(黒実線)と定常線量率モニタ(青破線)で測定した空気量率の変動。(b)図3の総エネルギースペクトル(各2倍の偶然事象に対するエネルギー堆積物の合計)、(i)(赤線)、(ii)(青線)、(iii)(緑線)、(ピンクライン)および(v)(黒線)の結果を伴い、(iv)の結果を0.15でスケーリングした。(c) 662 keVガンマ線全方向性画像を期間(i)で光学画像に重ね合わせた(30分)。赤いフィールドは、観測範囲の上半分のガンマ線強度を示します。(d) (c)と同じですが、期間 (ii) (30 分) です。(e) (c)と同じですが、期間 (iii) (30 分) です。(f) (c)と同じですが、期間 (iv) (30 分) です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:図3cと同じですが、測定時間は3s、5s、10s、15s、30s、60sです。ここでガンマ線画像は赤い領域で識別され、観測範囲の上位30%のガンマ線強度を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:PET施設の受付前での環境モニタリングの代表的な結果(a)昼間のコンプトンカメラ(黒線)で測定したトリガレートの時間変動(5.6時間)。(b) (a)で 6200 s から 7000 s の間の期間に詳細なトリガレートを指定します。(c) 図4bの期間(i)(赤線)、(ii)(青線)、(iii)(黒線)の総エネルギースペクトル。(d) 511 keVガンマ線全方向性画像を一定期間(i)(2分)の光学画像に重ね合わせた。(e) (d)と同じですが、期間 (ii) (2 分) の場合。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図6:福島県川俣町での屋外測定結果(a)コンプトンカメラで測定したトリガレートの時間変動(黒実線)。(b) 図5aの期間(i)1分(青線)、(ii)10分(緑線)、(iii)20分(赤線)、(iv)30分(黒線)の総エネルギースペクトル。(c)光画像に重ね合わせた605、662、796 keVガンマ線の全方向性画像(i)(1分)。(d) (c)と同じですが、期間 (ii) (10 分) です。(e) (c)と同じですが、期間 (iii) (20 分)(f) (c)と同じですが、期間 (iv) (30 分) です。地表から1cmの高さでシンチレーション型測量計で測定された線量率値を比較のために図に示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

	この研究	前回の研究18
カウンター数	11	6
511 keVガンマ線の検出効率(cps/μSv/h))	36	18
角解像度 σ (デグ)*	11	11

表1:現在および以前のComptonカメラシステムのパフォーマンス*角解像度は、検出器より1m先に^22Na封入源(0.8MBq)の測定中に得られた511 keV全方向性ガンマ線画像から推定された。

ディスカッション

開発した全方向性コンプトンカメラを用いて、低レベルガンマ線源を可視化するための3つの実験プロトコルを紹介しました。代表的な結果は、低放射線レベルでのガンマ線イメージングが周囲の環境に関する新規かつ有用な情報の導出を可能にすることを示した。RI施設では、コンプトンカメラシステムがガンマ線源の位置と、ソースに対する所定の位置での計数率を検出することに成功しました。これは、提案された方法は、環境放射線モニタリングのための次世代技術として機能することができることを意味し、従来の静止線量率モニターを置き換え、ほぼすべてのRI施設の壁に既に取り付けられています。本稿では、観測値の上半分(図3、図5、図6)の強度をマッピングする赤の場としてガンマ線強度を描き、様々な目的に偏りなく合うようにした。ガンマ線源の分布ではなく、ピーク強度を優先するアプローチは、より短いタイムスケールで指令所見を可能にするために、おそらく観測値の上四半期の赤いフィールドのより狭い範囲を採用するであろう。実際、図3cでは、ピークの位置の強度が約20カウントであった場合(i)の場合、ピーク方向を30sの測定時間で識別できた。

PET施設における環境モニタリングについては、このプロトコルは施設を通して放射能運動を可視化する可能性を示し、この場合は¹⁸F-FDGを注入した患者の動きであると考えられる。図5d、eにおいて、患者の方向は、上述のようにより狭い赤色のフィールド範囲を採用することにより10s未満で識別することができる。今後、アニメーションによるガンマ線源の環境モニタリングは、本研究のように患者の移動だけでなく、空港等の核燃料物質の移送をテロ目的で監視するために、システムの高感度・低コスト特性を利用して、様々な状況に役立つだろう。(HPGe)とCdZnTe(CZT)。

福島分野では、このプロトコルは、表面線量率が1μSv/h未満で拡張ガンマ放射線源を可視化することに成功^した。当社のコンプトンカメラシステムは、屋外測定のために安定して堅牢に動作することが可能であることが判明しました。特に屋外での計測など、様々な場面での使いやすさを高めるWiFiやポータブルバッテリーを使用して、システムを操作できることをすでに確認しています。日本環境省は、除染対象地域を指定するために、最低0.23μSv/hの空気線量率を設定しています。2011年に福島第一原子力発電所事故により放射性セシウムが放出された東日本の広い地域における、低レベルの放射能汚染地域における除染の方法として、当社のシステムとプロトコルが大きな助けになると考えています。

この研究で使用されるコンプトンカメラは、300 keVと1400 keVの間のエネルギーを持つガンマ線に対して高感度であり、3.5cm CsI(Tl)シンチレータキューブ¹⁸の使用に起因する。シンチレータの種類とサイズは、シンチグラフィーで頻繁に使用される^99mTc(141 keV)や¹¹¹In(171 keV、245 keV)など、300keV未満の低レベルガンマ放射線源の環境モニタリングに最適化できます。この作品は近い将来、別の論文で発表される予定です。探知器は低価格で製造することができる。実際、この研究で使用された検出器材料のコストは20,000ドル以下であり、この金額はCsI(Tl)とPMTからなるカウンターの価格によって支配されていました。この構成は、他のコンプトンカメラで使用されているGAGGシンチレータやHPGe半導体検出器よりも大幅に安価です。さらに、本研究で使用されるシステムは、汎用性と利便性のために、よりコンパクトにする必要があります。この研究で作成されたシステムのサイズは30 cm x 25 cm x 40 cmで、これは既存のポータブルガンマカメラ^5、27よりも大きかった。このような大きなシステムサイズの主な理由は、CsI(Tl)(φ4cm×12cm)に取り付けられたPMTの大きなサイズと、私たちが手作りした大型エレクトロニクスです。将来的には、PMTを金属パッケージPMTまたはシリコンフォトマルチプライヤー(SiPM)に置き換えたり、小型で再パッケージ化することで、移植性が向上する予定です。

資料

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