Name: visualization of low-level gamma radiation sources using a low-cost, high-sensitivity, omnidirectional compton camera
Uploaded: 2020-01-30T10:00:00
Duration: 6 min 28 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Visualization of Low-Level Gamma Radiation Sources Using a Low-Cost, High-Sensitivity, Omnidirectional Compton Camera at JoVE.com

Denna studie stöddes av Open Source Consortium of Instrumentation (Open-It), Japan, JSPS KAKENHI Grant (nr 22244019, 26610055, 15H04769 och 19H04492).

Protokollet genomfördes enligt riktlinjerna från forskningsetikkommittén vid National Cancer Center Hospital East, Japan.
1. Övervakning av förseglad strålkälla i experimentrum på RI-anläggningen
<ol><li>Ställ in Compton-kameran bredvid dosrateskärmen enligt figur 2a. Ställ in detektorernas höjd från marken till 2,5 m. Bygg doshastighetsmätaren, som består av en parallell plattajoniseringskammare, i den övre delen av ingången till experimentrummet vid RI-anläggningen för att övervaka lägets luftdoshastighet med intervall på 1 min.</li>
	<li>Slå på kraften i Compton kameran och online-dator.</li>
	<li>Starta samtidig mätning med Compton kamera och dosratemonitorn.</li>
	<li>Ställ in en 137Cs-förseglad källa (3,85 MBq) i ett läge märkt "A" i figur 2a och låt den stå i 30 minuter. Ställ in avståndet mellan detektorn och den förseglade källan till 3,6 m.</li>
	<li>Flytta den förseglade källan till ett läge som är märkt "B" och låt den vara under 30 min. Ställ avståndet mellan detektorn och den förseglade källan till 6,7 m.</li>
	<li>Flytta den förseglade källan i ett läge märkt "C" och låt den vara under 30 min. Ställ avståndet mellan detektorn och den förseglade källan till 6,7 m.</li>
	<li>Flytta den förseglade källan i ett läge märkt "D" och låt den vara under 30 minuter. Ställ avståndet mellan detektorn och den förseglade källan till 1 m.</li>
	<li>Flytta den förseglade källan utanför rummet. Efter 30 min, stoppa all mätning.</li>
</ol>2. Miljöövervakning i PET-anläggning
<ol><li>Ställ in Compton-kameran framför receptionen i PET-anläggningen enligt figur 2b. Ställ in detektorernas höjd från marken till 1 m.</li>
	<li>Ställ in online-datorn i personalrummet.</li>
	<li>Slå på kraften i Compton kameran och online-dator.</li>
	<li>Starta Compton kameramätning tidigt på morgonen innan patienterna anländer till anläggningen.</li>
	<li>När alla patienter lämnar för dagen, stoppa all mätning.</li>
</ol>3. Utomhusmätning i Kawamata-machi, Fukushima, Japan
<ol><li>Ställ comptonkameran nära ett privat hus som visas i figur 2c, där förekomsten av vissa radiologiska Caesium hotspots med ytdoshastighet på 1 μSv/h eller mindre misstänks. Ställ in detektorernas höjd från marken till 1,5 m.</li>
	<li>Slå på kraften i Compton kameran och online-dator.</li>
	<li>Starta Compton kameramätning.</li>
	<li>Efter 30 min, stoppa all mätning.</li>
</ol>

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

Författarna har inget att avslöja.

Vi presenterade tre experimentella protokoll för att visualisera olika lågnivågammastrålningskällor med hjälp av den omnidirectional Compton kamera som vi utvecklat. De representativa resultaten visade att gamma-ray-avbildning på låga strålningsnivåer tillåter härledning av ny och användbar information om den omgivande miljön. I RI-anläggningen avslöjade protokollet att vårt Compton-kamerasystem framgångsrikt upptäcker gammastrålkällans position, liksom räknehastigheten vid given position i förhållande till källan. Detta innebär att den föreslagna metoden kan fungera som en nästa generations teknik för övervakning av miljöstrålning, som ersätter konventionella stationära doshastighetsmätare som redan är monterade på väggarna i nästan alla RI-anläggningar. I detta dokument skildrade vi gamma-ray intensitet som ett rött fält kartläggning regionen upplever intensiteter i den övre halvan av observerade värden(figur 3, figur 5och figur 6),för att passa olika ändamål utan bias. Ett tillvägagångssätt som snarare prioriterar en toppintensitet, snarare än till fördelningen av gammastrålkällor, skulle anta ett snävare intervall av det röda fältet, kanske det övre kvartalet observerade värden, för att möjliggöra direktivsresultat på kortare tidsramar. I figur 3ckunde toppriktningen identifieras med en mättid på 30 s för fall (i) enligt figur 4,för vilken topppositionens intensitet var cirka 20 antal.
När det gäller miljöövervakning i PET-anläggningen visade protokollet möjligheten att visualisera radioaktivitetsrörelsen genom anläggningen, som i detta fall anses vara förflyttning av en patient som injiceras med 18F-FDG. I figur 5d,ekan patientens riktning identifieras på mindre än 10 s genom att anta det smalare röda fältintervallet som nämnts ovan. I framtiden skulle miljöövervakningen av gammastrålkällor genom animering vara användbar för olika situationer, inte bara för patienternas rörlighet som i denna studie, utan också för att övervaka överföringen av kärnbränslematerial som på flygplatser för terrorism, genom att dra nytta av systemets höga känslighet och billiga egenskaper, även om energiupplösningen för ett system som använder en scintillator är sämre än för dyrare halvdetektorer, såsom hög renhetsreglering (HPGe) och CdZnTe (CZT).
I Fukushima-fältet visualiserade protokollet framgångsrikt den utökade gammastrålningskällan med ytdoshastighet er på mycket mindre än 1 μSv/h, vilket är en storleksordning som är lägre än i en färsk rapport25,26. Vårt Compton kamerasystem befanns kunna fungera stabilt och robust för utomhusmätning. Vi har redan bekräftat att systemet kan drivas med wi-fi och bärbart batteri för bekvämare användning i olika situationer, särskilt för utomhusmätning. Miljöministeriet i Japan har satt luftdossatsen minst 0,23 μSv/h för att utse områden som ska saneras. Vi anser att vårt system och protokoll kommer att vara till stor hjälp för saneringsförfarandet i områden med lågaktivt radioaktivt kontaminering i stora områden i östra Japan där radioaktivt cesium släpptes ut av kärnkraftsolyckan i Fukushima Daiichi 2011.
Compton-kameran som används i denna studie har hög känslighet för gammastrålar med energier mellan 300 keV och 1400 keV, som kan hänföras till användningen av 3,5 cm CsI(Tl) scintillator kuber18. Scintillator typ och storlek kan optimeras för miljöövervakning av låg nivå gammastrålning källor under 300 keV, såsom 99mTc (141 keV) och 111In (171 keV, 245 keV), som ofta används i scintigrafi. Detta arbete kommer att presenteras i ett annat dokument inom en snar framtid. Detektorn kan tillverkas till ett lågt pris. I själva verket var kostnaden för detektorn material som används i denna studie inte mer än $ 20.000, och detta belopp dominerades av priset på disken bestående av CsI (Tl) och PMT; denna konfiguration är betydligt billigare än GAGG-scintillatorer och HPGe halvledardetektorer som används i andra Compton-kameror. Dessutom bör det system som används i denna studie göras mer kompakt för mångsidighetens och bekvämlighetens skull. Storleken på det system som produceras i denna studie var 30 cm x 25 cm x 40 cm, vilket är större än den befintliga bärbara gammakamera5,27. De främsta orsakerna till en så stor systemstorlek är den stora storleken på PMT som är fäst vid CsI (Tl) (φ4 cm × 12 cm) och den stora elektroniken handgjord av oss. I framtiden kommer bärbarheten att förbättras genom att PMT ersätts med ett metallpaket PMT eller Silicon Photomultiplier (SiPM) samt genom att ompaketera elektroniken i liten storlek.

Medicinska anläggningar rymmer olika lågnivåkällor för gammastrålning med en yt- och/eller luftdoshastighet på bara några μSv/h. Sådana källor finns också i stora områden i östra Japan som uppvisar lågaktivt radioaktivt kontaminering genom radioaktivt cesium från kärnkraftverket Fukushima Daiichi 2011. Dessa miljöer utsätter ibland arbetstagare för den yttre bestrålningsexponeringsgränsen för människokroppen för den allmänna populationen enligt internationell a-kommissionens råd om radiologiskt skydd (ICRP): 1 mSv/år (t.ex. 1 μSv/h för 4 timmar per dag, 250 dagar per år)1. Om strålkällorna visualiseras från mer än några meter i förväg på korta tidsramar kan mängden strålningsexponering minskas. En av de bästa lösningarna för att visualisera dessa gammastrålningkällor är att anta en gamma-ray-avbildning Compton kamerateknik2. I denna teknik mäts den energi- och konriktning en av incidentgammastrålarna från strålkällan av detektorn för varje händelse, och sedan kan gammastrålkällans riktning rekonstrueras genom backprojektion3. Tidigare studier har utvecklat Compton kamerasystem som syftar till att tillämpa en ny diagnostisk anordning i nukleärmedicin och / eller en ny gamma-ray teleskop i astrofysik4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, samt bild återuppbyggnadstekniker för Compton kondata analys15,16 och statistiska17 metoder. Dyrare, state-of-the-art enheter med komplicerad elektronik antas ofta för att få hög vinkelupplösning inom en standardavvikelse på några grader, men denna precision gör det svårt att samtidigt uppnå hög detekteringeffektivitet.
Nyligen har vi föreslagit och utvecklat en billig, hög känslighet, rundstrålande gamma-ray imaging Compton kamera18, baserat på en tvåfaldig sammanträffande inom ett antal oberoende scintillators som fungerar som antingen scatterers eller absorbatörer19. Syftet med denna teknik är att enkelt uppnå hög detektionseffektivitet med en vinkelupplösning på ~ 10 grader eller mindre, vilket är tillräckligt för en miljömonitor. Detta sker genom tillämpning av en bild-skärpning teknik18,20 baserat på den filtrerade back-projektion algoritm, som tillämpar en inveckfilter som används i bildrekonstruktion för datortomografi till Compton återuppbyggnaden. Dessutom kan detektorns detektionseffektivitet, vinkelupplösning och dynamiska omfång enkelt optimeras när scintillatorernas typ, storlek och placering samordnas i enlighet med ett visst syfte, såsom användning i miljöer som avger förhöjd radioaktivitet21,22.
I denna studie presenterar vi experimentella protokoll för olika försök för att visualisera lågnivå gamma-ray strålkällor med hjälp av denna rundstrålande Compton kamera teknik i en radioisotop (RI) anläggning, en positron utsläpp tomografi (PET) anläggning och Fukushima fältet. Vi förberedde och utnyttjade den omnidirectional gamma-ray imaging Compton kamera som tidigare utvecklats av osssjälva 18 men med vissa förbättringar, för att uppnå högre detektering effektivitet. Figur 1 visar en schematisk bild av arrangemanget av CsI(Tl) scintillators av elva element som används i denna studie. De elva räknarna består av två lager; två räknare i mitten och nio räknare i en halvcirkel, med tanke på framåt och bakåt spridning konfigurationer. Varje CsI (Tl) scintillator kub på 3,5 cm lästes upp med super-bialkali fotomultiplikator rör (PMT). Signalerna matades in i en blixt ADC ombord med SiTCP teknik23 och fronten var ansluten till en dator via Ethernet. Ett onlineprogram som skapats med Visual C++ med ROOT-bibliotek24 har drivits på en Windows-dator. En gamma-ray bild rekonstruerades och vässades18,20 på en sfärisk yta med ackumulerande ringar med en radie av θ som är en spridning vinkel beräknas från Compton kinematik för varje tvåfaldig slump händelse. En rundstrålande gamma-ray-bild kan visas både online och offline genom att överlagra den rundstrålande optiska bilden som tidigare tagits av en digitalkamera. Under mätningen kan utlösaren, total energispektrum (summan av energifyndigheterna för varje tvåfaldig slumphändelse) och de rekonstruerade bilderna av en förinställd gammastråleenergi visas på pc-skärmen online. Denna information kan uppdateras med ett förinställt tidsintervall (t.ex. var tionde plats). Här ställer vi in skärmen så att den visar två typer av rekonstruerade bilder: en bild som ackumuleras i början av mätningen och en bild som samlats om vid varje förinställdt tidsintervall (t.ex. var 1 minut). Eftersom rådata för varje händelse som erhålls med hjälp av mätningarna lagras, är det dessutom möjligt att analysera om data efter mätningarna och sedan återskapa en rekonstruerad bild för en godtycklig gammastråleenergi med ett godtyckligt tidsintervall. Tabell 1 visar prestandan hos Compton-kamerasystemet som används i denna studie, jämfört med det tidigare sexmotsystemet18. Jämförelsen visade att en sub-MeV gamma-ray-källa framgångsrikt visualiserades med en detektionseffektivitet dubbelt så mycket som det tidigare systemet, samtidigt som vinkelupplösningen s på ~ 11 grader. Vi bekräftade också att det kantiga beroendet av acceptans hölls till ett minimum, visar skillnader på s ~ 4%. Detaljerna om systemets grundläggande tekniker beskrivs i Watanabe m.fl. Här introducerar vi tre experimentella protokoll för att visualisera olika lågnivågammastrålestrålningskällor med hjälp av Compton-kameran som beskrivs ovan.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Compton camera</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dose rate monitor</td>
			<td>Hitachi, Ltd.</td>
			<td>DAM-1102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flash ADC board</td>
			<td>Bee Beans Technologies Co.,Ltd.</td>
			<td>BBT-019</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC</td>
			<td>Panasonic Corporation</td>
			<td>CF-SZ6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photo-multiplier tube</td>
			<td>Hamamatsu Photonics K.K.</td>
			<td>H11432-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Survey meter</td>
			<td>Fuji Electric Co., Ltd.</td>
			<td>NHC7</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

visualization of low-level gamma radiation sources using a low-cost, high-sensitivity, omnidirectional compton camera

Vi presenterar experimentella protokoll för att visualisera olika lågnivåkällor för gammastrålning i den omgivande miljön. Experiment utfördes med hjälp av en billig, hög känslighet, rundstrålande, gamma-ray imaging Compton kamera. I laboratoriet kan positionen för en sub-MeV gammastrålningkälla som 137Cs enkelt övervakas via rundstrålande gamma-ray-avbildning som erhållits av Compton-kameran. Däremot kan en stationär, väggmonterad doshastighetsmätare inte alltid framgångsrikt övervaka en sådan källa. Dessutom visade vi framgångsrikt möjligheten att visualisera radioaktivitetsrörelsen i miljön, till exempel förflyttning av en patient injiceras med 18F-fluorodeoxyglucose (18F-FDG) i en nukleär medicin anläggning. På Fukushima-fältet fick vi lätt rundstrålande gammastrålebilder som berörs av distributionen på grund av lågaktivt radioaktivt kontaminering genom radioaktivt cesium som släpptes av kärnkraftverket Fukushima Daiichi 2011. Vi visar tydliga fördelar med att använda vårt förfarande med denna kamera för att visualisera gamma-ray källor. Våra protokoll kan ytterligare användas för att upptäcka lågnivålampor, i stället för stationära doshastighetsmätare och/eller bärbara mätmätare som används konventionellt.

Övervakning av förseglad strålkälla i experimentrum på RI-anläggningen Figur 3a visar tidsvariationen av utlösande frekvens mätt med Compton-kameran (svart fast linje), efter att ha tillämpat ett tidsfördröjningsval av två-hit räknare mindre än 1 μs. Avtryckarhastigheten ändras var 30: e minut beroende på den förseglade källans läge (dvs. avstånd från läget till kameran). Denna ändring bekräftades från de data som uppmättes av den stationära dosratemonitorn (blå streckad linje). beteendet förblev konstant (dvs. bakgrundsnivå) än mellan 5750 s och 7800 s. Här anger vi preliminärt fem perioder märkta i, ii, iii, iv och v, som representerar den förseglade källans fem positioner (figur 3a). Figur 3b visar det totala energispektraför varje sådan period (30 min för varje), den horisontella axel som representerar summan av energiavlagringar för varje tvåfaldig slumphändelse. Vi noterar 662 keV fotoabsorption toppar som härrör från 137Cs sluten källa för (i), (ii), (iii) och (iv), medan (v) visar endast bakgrundsnivåer. Topphöjder för (ii) och (iii) är desamma, som vi tillskriver samma 6,7 m avstånd från kameran till den förseglade källan. Genom att välja händelsen inom 662±40 keV för 662 keV beräknade vi spridningsvinklarna och rekonstruerade den rundstrålande gammastrålebilden. Resultaten visas i figurerna 3c-fför perioderna i, ii, iii och iv. Här indikeras gammastrålebilder av det röda området, vilket indikerar gammastråleintensiteter i den övre halvan av det observerade intervallet. Vi finner att positionen för 137Cs sluten källa framgångsrikt kan identifieras från gamma-ray bilder. Figur 4 visar ändringarna i bilden med integrationstid, där det röda fältet i stället motsvarar ett smalare intervall (de övre 30 %) av det observerade intervallet. Detta snävare intervall antogs för att prioritera en toppintensitet. I detta fall kan 137Cs källriktning identifieras efter 30 s.
Miljöövervakning i PET-anläggning Figur 5a visar den totala tidsvariationen av avtryckarfrekvensen under dagtid (5,6 h) mätt med Compton-kameran (svart linje) framför en reception i en PET-anläggning. Vi observerar anmärkningsvärd förbättring i avtryckarfrekvensen med olika mönster, vilket kan hänföras till förflyttning av patienter injiceras med 18F-fluorodeoxyglucose(18F-FDG) runt receptionen. Som ett exempel på sådana mönster fokuserar vi på perioden från 6200 s till 7000 s. Enligt den utlösande frekvensen under denna period som visas i figur 5bär en rad förbättringar uppenbara, med två platåer märkta i och ii. Figur 5c visar det totala energispektrat för figur 5b:s perioder i, ii och iii. Vi observerar 511 keV fotoabsorption toppar med ursprung från 18F-FDG. Figur 5d,e visar 511 keV gamma-ray rundstrålande bild i perioder (i) och (ii), respektive, där vi valde händelser inom 511 ± 40 keV för bildrekonstruktion. Riktningarna för gammastråletoppar i båda figurerna motsvarar anvisningarna i soffan och toaletten bakom väggen. Med tanke på avtryckarfrekvensen för både (i) och (ii), tolkar vi gammastrålarna i (i) som läckage som tränger in i väggens sköld från toaletten; Vi antar att en patient gick in på toaletten och tillbringade två minuter, och efter det satt på soffan några minuter innan PET-skanningen.
Utomhusmätning i Kawamata-machi, Fukushima, Japan Figur 6a visar tidsvariationen för avtryckarhastigheten för 30 min utomhusmätning. Stabiliteten i avtryckarhastigheten innebär att vårt Compton kamerasystem fungerar stabilt även för mätningar som utförs utomhus under en lång period. För att visa hur den förlängda gammastrålkällan rekonstruerades ställer vi in fyra olika integrationsperioder märkta (i) (1 min), ii) (10 min), (iii) (20 min) och iv(30 min), som visas i figur 6a. Figur 6b visar det totala energispektraför varje period, som visar de strukturer som ovanförs på fotoabsorptionstopparna för gammastrålar som släpps ut från radioaktiva nuklicider vid 605 keV och 796 keV för 134Cs och 662 keV för 137Cs. För att rekonstruera gamma-ray-bilden valde vi händelser inom 565-622 keV för 605 keV, 662±40 keV för 662 keV och 796±40 keV för 796 keV. Gamma-ray rundstrålande bilder för 605, 662 och 796 keV visas i figurerna 6c-f för integrationsperioder (i), ii, iii respektive iv. I det här fallet finner vi att den rekonstruerade gammastrålfördelningen är stabil så länge integrationstiden överstiger 20 min. Sluttningen av en kulle framför och den nedre delen av regnränna är klart förorenade, medan det område som omfattas av oförorenad jord i den högra delen av bilden är bevisligen inte förorenad. Gammastråleintensiteten är i gott avtal med doshastighetsvärden mätt med en scintillation-typ undersökningsmätare, vars värden visas i gult i figur 6f.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig1.jpg"> Figur 1: Omnidirectional Gamma-ray imaging Compton kamerasystem. a Geometrisk arrangemang av scintillatorer med elva element som används i denna studie. Två scintillators arrangerades i mitten av en cirkel, med ytterligare nio arrangerade i en halvcirkel, vacklade vertikalt. b) Fotografi av detektorn utan hölje. Räknarna var fast inne i en utökad polystyren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig1alarge.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig2.jpg"> Figur 2: Experimentell inställning. a) Övervakning av en förseglad strålkälla i experimentrummet vid RI-anläggningen, där en 137Cs-förseglad källa var sekventiellt inställd på de positioner som betecknades "A", "B", "C" och "D". b) Miljöövervakning framför en reception i PET-anläggningen. c) Utomhusmätning i Fukushima-fältet i Japan. Compton-kameran var fast på en trappstege. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig2alarge.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig3.jpg"> Figur 3: Representativa resultat av övervakningen av en 137Cs-förseglad källa i experimentrummet. a) Tidsvariation av avtryckarhastigheten mätt med Compton-kameran (svart fast linje) och av luftdoshastigheten mätt med den stationära dosratemonitorn (blå streckad linje). b) Totalt energispektra (summan av energiavlagringar för varje tvåfaldig tillfällighet händelse) i figur 3a's perioder i (röd linje), ii (blå linje), iii) (grön linje), iv) (rosa linje) och v (svart linje), med resultatet av iv) skalades med 0,15. c 662 keV gammastrålerundbild ovanpå den optiska bilden under period i (30 min). Det röda fältet indikerar gammastråleintensiteter i den övre halvan av det observerade intervallet. d) Samma som c men för perioden ii (30 min). e) Samma som c men för period iii (30 min). f) Samma som c men för period iv (30 min). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig4.jpg"> Figur 4: Samma som figur 3c, men med olika mättider: 3 s, 5 s, 10 s, 15 s, 30 s och 60 s. Här identifieras gammastrålbilder av det röda området, vilket indikerar gammastråleintensiteter i de övre 30% av det observerade intervallet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig5.jpg"> Figur 5: Representativa resultat av miljöövervakning framför en reception i PET-anläggningen. (a) Tidsvariation av avtryckarfrekvensen mätt med Compton-kameran (svart linje) under dagtid (5,6 timmar). b) Tröskelsats som specificerats för en period mellan 6200 s och 7000 s i a. c) Totalt energispektra för figur4bsperioder i (röd linje), ii (blå linje) och iii (svart linje). d 511 keV gammastrålerundningsbild ovanpå den optiska bilden under period i (2 min). e) Samma som d men för period ii(2 min). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60463/60463fig6.jpg"> Figur 6: Representativa resultat av utomhusmätning i Kawamata-machi, Fukushima, Japan. (a) Tidsvariation av avtryckarfrekvensen mätt med Compton-kameran (svart fast linje). b) Totalt energispektra för figur 5a's perioder i) 1 min (blå linje), ii) 10 min (grön linje), iii) 20 min (röd linje) och iv) 30 min (svart linje). c Rundstrålande bild av 605, 662 och 796 keV-gammastrålar ovanpå den optiska bilden under period i (1 min). d) Samma som c men för perioden ii (10 min). e) Samma som c men för period iii (20 min). f) Samma som c men för period iv (30 min). De dosratevärden som mäts med en undersökning av scintillationstyp på en höjd av 1 cm från marken visas i jämförelsesiffrorna. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60463/60463fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>Denna studie</td>
			<td>Tidigare studie18</td>
		</tr>
<tr>
<td>Antal räknare</td>
			<td>11</td>
			<td>6</td>
		</tr>
<tr>
<td>Detektionseffektivitet (cps/(μSv/h)) för 511 keV-gammastrålar</td>
			<td>36</td>
			<td>18</td>
		</tr>
<tr>
<td>Vinkelupplösning σ (deg)*</td>
			<td>11</td>
			<td>11</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 1: Föreställningar av nuvarande och tidigare Compton kamerasystem. *Vinkelupplösningen uppskattades från 511 keV rundstrålande gammastrålebilder som erhölls vid mätning av en 22Na-förseglad källa (0,8 MBq) placerad 1 m före detektorn.

Watch this Scientific Journal Video about Visualization of Low-Level Gamma Radiation Sources Using a Low-Cost, High-Sensitivity, Omnidirectional Compton Camera at JoVE.com

Visualization of Low-Level Gamma Radiation Sources Using a Low-Cost, High-Sensitivity, Omnidirectional Compton Camera

Vi presenterar experimentella protokoll för att visualisera olika lågnivågammastrålningkällor i den omgivande miljön med hjälp av en billig, hög känslighet, rundstrålande, gamma-ray-avbildning Compton kamera.

Visualisering av låg nivå Gamma strålningskällor med hjälp av en billig, hög känslighet, rundstrålande Compton Kamera

We present experimental protocols for visualizing various low-level gamma radiation sources in the ambient environment. Experiments were conducted by ...

Denna enkla metod möjliggör snabb visualisering av låg nivå gamma strålningskällor med omgivande yta och, eller luft doshastigheter över några microsieverts per timme eller mindre. Detektorn är rundstrålande, mycket känslig, billig och bärbar, och kan användas för lågnivåstrålningskällor i gamma inom RI-anläggningar, och ut från avdelningen runt Fukushima. Metoden kan fungera som nästa generations teknik för miljöstrålningsövervakning, som ersätter de konventionella stationära doshastighetsmonitorerna, som för närvarande används i RI-anläggningar på sjukhus.Demonstrera förfarandet kommer att Nina Kuwata och Katsuki Kubayashi, studenter från mitt laboratorium. För övervakning av en förseglad strålkälla inom en radioisotopanläggning, ställ in Compton-kameran bredvid den väggmonterade doshastighetsmonitorn och mäta höjden på detektorerna från marken. Den väggmonterade doshastighetsmonitorn består av en parallell plåtjoniseringskammare, och kan ständigt övervaka positionens luftdoshastighet med en minuts mellanrum.Ström på Compton-kameran med onlinedatorn och initiera den samtidiga mätningen med Compton-kameran och doshastighetsmonitorn. Placera en Cesium-137 sluten källa vid A-positionen, 3,6 meter från detektorerna. Efter 30 minuter flyttar du den förseglade källan till position B, 6,7 meter från detektorerna.Efter ytterligare 30 minuter, flytta den förseglade källan till position C, 6,7 meter bort från detektorerna. Efter ytterligare 30 minuter, flytta den förseglade källan till läge D, en meter från detektorerna. Efter 30 minuter, flytta den förseglade källan utanför rummet i 30 minuter, och stoppa alla mätningar.För miljöövervakning inom en PET-anläggning, tidigt på morgonen innan patienterna anländer, ställ in Compton kameran framför receptionen i PET-anläggningen, och mäta höjden på detektorerna från marken. Placera onlinedatorn i personalrummet och ström på kameran och datorn. När alla material är på plats, starta mätningarna.Sluta övervaka efter att alla patienter har lämnat för dagen. För radioisotop mätning utanför, placera Compton kameran nära byggandet av intresse, vid vilken förekomsten av vissa radiologiska Cesium hotspots med service dossatser av en microsieverts per timme, eller mindre, misstänks. Ställ in höjden på detektorerna till 1,5 meter från marken, och ström på kameran och datorn.Sedan, förvärva Compton kameramätningar i 30 minuter. Här visas tidsvariationen av den triggerhastighet som mäts av Compton-kameran i en radioisotopanläggning, efter att ha tillämpat ett tidsfördröjningsval av två huvudräknare mindre än en mikrosekund. Utlösningshastigheten ändrades var 30:e minut, beroende på den slutna källans läge, vilket bekräftas från de data som mäts av den stationära doshastighetsmätaren.Fem perioder fastställdes för att representera de fem positionerna för den förseglade källan. Som illustreras i dessa rundstrålande bilder, för perioder ett till fyra av övervakning, kan positionen för Cesium-137 slutna källan framgångsrikt identifieras från gamma ray bilder som visas i rött. De totala tidsvariationerna av triggerhastigheterna som uppmätts i en PET-anläggning under dagtid visar en anmärkningsvärd förbättring av utlösningshastigheten med olika mönster, som kan hänföras till förflyttning av patienter som injiceras med Fluorin-18 Fluorodeoxyglukos runt receptionen.Till exempel, med fokus på perioden från 6, 200 till 7, 000 sekunder, en serie förbättringar med två platåer blir uppenbara. I dessa bilder av anläggningen, riktningar av gammastrålning toppar i båda bilderna motsvarar riktningar i soffan och toaletten bakom väggen. Med tanke på triggerhastigheten för båda övervakningsperioderna är det troligt att en patient kom in på toaletten i två minuter, och efteråt satt i soffan i några minuter innan PET-skanningen.I utomhusmätningen i Fukushimafältet visar protokollet att gammablixtbilderna om marknivåfördelning av lågnivåutsmitning av cesium kan förvärvas. Vårt saneringsförfarande kan användas i områden med lågnivåindämning av radioaktiv Cesium, som släpptes ut genom kärnkraftsanläggningen Fukushima Daiichi-olyckan, och vi förbättrade det nuvarande PET-systemet.

Research

JoVE Journal

Environment

Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids

Förbehandling av lignocellulosa med låg kostnad joniska lösningar

A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of ...

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

Experimentella metoder av damm laddning och mobilisering på ytor med exponering för ultraviolett strålning eller plasmor

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus (Murayama), Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus Murayama, Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

Mäta flygning förmåga Ambrosia skalbaggen, Platypus Quercivorus (Murayama), med en billig, liten och enkelt konstruerade flyg Mill

The ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), is the vector of a fungal pathogen that causes mass mortality of Fagaceae trees (Japanese oak wilt). ...

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Metoder för Image-baserad undersökningar av bentiska Macroinvertebrates och deras livsmiljö som exemplifieras av undersökningen släpp kameran för den atlantiska havet pilgrimsmussla

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

A Flexible Low Cost Hydroponic System for Assessing Plant Responses to Small Molecules in Sterile Conditions

En flexibel lågpris hydroponiska System för bedömning av anläggningen Svaren till små molekyler i sterila förhållanden

A wide range of studies in plant biology are performed using hydroponic cultures. In this work, an in vitro hydroponic growth system designed for ...

Quantifying Plant Soluble Protein and Digestible Carbohydrate Content, Using Corn (Zea mays) As an Exemplar

Quantifying Plant Soluble Protein and Digestible Carbohydrate Content, Using Corn Zea mays As an Exemplar

Kvantifiera växt lösligt Protein och lättsmält kolhydrat innehåll, med hjälp av majs (Zea mays) som ett föredöme

Elemental data are commonly used to infer plant quality as a resource to herbivores. However, the ubiquity of carbon in biomolecules, the presence of ...

Construction of a Compact Low-Cost Radiation Shield for Air-Temperature Sensors in Ecological Field Studies

Byggandet av en kompakt låg kostnad strålning sköld för luft-temperatur sensorer i ekologiska fältstudier

Low cost temperature sensors are increasingly used by ecologists to assess climatic variation and change on ecologically relevant scales. Although ...

Construction of a Low-cost Mobile Incubator for Field and Laboratory Use

Byggandet av en billig mobil inkubator för fält- och laboratoriebruk

Incubators are essential for a range of culture-based microbial methods, such as membrane filtration followed by cultivation for assessing drinking water ...

BtM, a Low-cost Open-source Datalogger to Estimate the Water Content of Nonvascular Cryptogams

BtM, en billig öppen källkod Datalogger att uppskatta vatteninnehåll i Nonvascular Cryptogams

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the ...

Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole

Visualisering av flödesfält runt en vibrerande rörledning inom en jämvikt skur hål

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and ...