Ανίχνευση και αναγνώριση ραδιοϊσοτόπων μέσω ανιχνευτή σπινθηρισμού

Ποτηριάδης, Νικόλαος

Detection and identification of radioactive isotopes through a scintillator detector

Διπλωματική εργασία

Author

Ποτηριάδης, Νικόλαος

Date

2022-03-23

Advisor

David, Stratos

Αποτελέσματα πειραματικών δεδομένων (3.833Mb)

Keywords

Ανόργανοι σπινθηριστές ; GAGG:CE ; Ανιχνευτής ακτίνων γ ; Φωτοπολλαπλασιαστής πυριτίου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία κατασκευάστηκε και μελετήθηκε ανιχνευτική διάταξη με σκοπό την ανίχνευση και την αναγνώριση ραδιοϊσοτόπων. Για την εξαγωγή και τη μελέτη των αποτελεσμάτων αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τρεις ραδιενεργές πηγές, Καίσιο-137 (137Cs, Ενεργότητας R=0.811 μCi), Κοβάλτιο-60 (60Cο, Ενεργότητας R= 0.31 μCi) και Βάριο-133 (133Ba, Ενεργότητας R= 0.55 μCi). Έπειτα οι πηγές αυτές τοποθετήθηκαν σε ένα φωτοστεγανό κουτί, δίπλα από τον ανιχνευτή που αποτελείται από κρυσταλλικούς σπινθηριστές τύπου Gd3Al2Ga3O12:Ce (GAGG:Ce) τριών διαστάσεων (3×3×5 mm3, 3×3×6 mm3, 3×3×8 mm3), οπτικά συζευγμένοι με την ενεργό περιοχή ενός φωτοπολλαπλασιαστή Πυριτίου (SiPM, μοντέλο PM3350 της εταιρίας KETEK). Ακολουθεί ένα κύκλωμα τροφοδοσίας του ανιχνευτή και προ ενίσχυσης του σήματος που αυτός εξάγει, με σκοπό την μετέπειτα ψηφιοποίηση του από τον ψηφιοποιητή DT5720 της εταιρίας CAEN, καθώς και το αντίστοιχο λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας παλμών. Η εξαγωγή των φασμάτων της ακτινοβολίας γ των πηγών από το σύστημα ανίχνευσης, οδήγησε στην μελέτη παραμέτρων όπως η ενεργειακή διακριτική ικανότητα, το φωτοποσοστό και η ευαισθησία του ανιχνευτή, έτσι ώστε να γίνει η βέλτιστη επιλογή του κατάλληλου κρυσταλλικού σπινθηριστή. Η βέλτιστη τιμή ενεργειακής διακριτικής ικανότητας επιτεύχθηκε στο συνδυασμό του κρυστάλλου 3×3×8 mm3 ίση με 2,6 % στα 1.332 MeV. Ο συνδυασμός όλων των παραπάνω κατασκευαστικών στοιχείων και των γενικότερων χαρακτηριστικών του συστήματος, όπως το μικρό μέγεθος και κόστος, φαίνεται να το καθιστά άξιο αντικαταστάτη των παλαιότερων ανιχνευτικών διατάξεων όπως των κλασικών φωτοπολλαπλασιαστών (Photomultiplier Tubes-PMTs) στην πυρηνική ιατρική και να επεκτείνει τη χρήση του σε εφαρμογές φορητών ανιχνευτών για χρήση στο ευρύ κοινό, μέσω πχ φορητών συσκευών (wearables).

Abstract

The purpose of this thesis is to manufacture and test a device capable of detecting and identifying radioisotopes. To this end, three radioactive sources were utilized: Cesium-137 (137Cs, R=0.811 μCi), Cobalt-60 (60Cο, R= 0.31 μCi) and Barium-133 (133Ba, R= 0.55 μCi). These sources were placed inside a blackbox next to the detector, which consists of crystal scintillators (Gd3Al2Ga3O12:Ce, GAGG:Ce) of three different dimensions (3×3×5 mm3, 3×3×6 mm3, 3×3×8 mm3). The scintillators are connected through optical coupling to the active area of a Silicon Photomultiplier (SiPM, model: PM3350 by KETEK). The device also consists of a circuit which supplies power to the photomultiplier, amplifies the exit signal and then digitalizes it with an Analog to Digital Converter (model: DT5720 by CAEN). The ADC (Analog to Digital Converter) includes a digital pulse processing software. The energy resolution, photofraction and detector sensitivity parameters were studied after examining the Gamma radiation spectra of the radioactive sources, in order to choose the scintillator with the most suitable dimensions. The highest energy resolution was achieved while using the 3×3×8 mm3 scintillator and was equal to 2,6 % at 1.332 MeV. This energy resolution performance along with the low cost of the device components and its small size, sets this specific device as a possible replacement for existing detection devices (Photomultiplier Tubes-PMTs). The introduction of this device to market may have implications not only in the field of Nuclear Medicine, but also in commercial portable detector applications and even in wearables technology.