DE102019131696A1 - Method and device for the multi-dimensional direction measurement of gamma radiation in the far field - Google Patents

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mehrdimensionalen Richtungsmessung von Gammastrahlung im Fernfeld mittels einer Gruppe von mehreren energiediskriminierenden, miteinander synchronisierten Detektoren zur Erfassung von Strahlung. Hierbei werden Messwerte im List-Mode akquiriert, nach Koinzidenzereignissen in definierten Detektorpaaren selektiert und die Koinzidenzereignissen mit einer Identifikationsnummer ID assoziiert. Anschließend wird ein definierter Funktionswertes f(E1,E2) aus zwei koinzidenten Energiewerten E1, E2 pro selektiertem Koinzidenzereignis berechnet und Daten in einer oder mehreren Häufigkeitsverteilungen Y, wobei für jedes Radionuklid eine separate Häufigkeitsverteilung Y vorliegt erfasst. Hieraus wird eine oder mehrere Richtungsverteilung X mit einem statistischen Bildrekonstruktionsverfahren der Emissionstomographie berechnet.The invention relates to a method and a device for the multi-dimensional direction measurement of gamma radiation in the far field by means of a group of several energy-discriminating, mutually synchronized detectors for detecting radiation. Measured values are acquired in list mode, selected according to coincidence events in defined detector pairs and the coincidence events are associated with an identification number ID. A defined function value f (E1, E2) is then calculated from two coincident energy values E1, E2 per selected coincidence event and data is recorded in one or more frequency distributions Y, with a separate frequency distribution Y being available for each radionuclide. From this, one or more directional distributions X are calculated using a statistical image reconstruction method of emission tomography.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Strahlungsdetektion, insbesondere ein richtungsmessendes Detektorsystem zur Messung der Richtungsverteilung der Strahlungsintensität. Das Verfahren unterstützt die 3-dimensionale wie auch die 2-dimensionale Richtungsmessung von einer und mehreren Strahlungsquellen im Fernfeld.The invention relates to a method and a device for radiation detection, in particular a direction-measuring detector system for measuring the directional distribution of the radiation intensity. The method supports the 3-dimensional as well as the 2-dimensional direction measurement of one and several radiation sources in the far field.

Im ABC- und Strahlenschutz gibt es eine Nachfrage nach handlichen, kompakten Strahlungsmessgeräten, die Richtungsinformationen bereitstellen können. Anders als bei der Bildgebung in der Medizin, wo Aktivitätskonzentrationen dargestellt werden, bedeutet Richtungsmessung hier, die Richtungen von einer oder mehreren Strahlungsquellen zu ermitteln, um damit das Auffinden der Strahlungsquellen zu unterstützen.In NBC and radiation protection there is a demand for handy, compact radiation measuring devices that can provide directional information. In contrast to imaging in medicine, where activity concentrations are displayed, direction measurement here means determining the directions of one or more radiation sources in order to help locate the radiation sources.

Kompakte Gammaspektrometer und Nuklid-Identifiziergeräte gehören zum Stand der Technik. Solche Geräte können jedoch den Einfallswinkel der Strahlung nicht bestimmen.Compact gamma spectrometers and nuclide identification devices are state of the art. However, such devices cannot determine the angle of incidence of the radiation.

Eine Ortung von Strahlungsquellen im Gelände ist derzeit nur möglich, wenn Einsatzkräfte mit einem Strahlungsmessgerät das gesamte Gebiet ablaufen oder abfahren, um so eine Intensitätsverteilung zu erstellen. Das Verfahren ist sehr aufwendig und auch nicht immer anwendbar, wenn z.B. Strahlungsquellen in unzugänglichem Gelände geortet werden sollen.It is currently only possible to locate radiation sources in the area if emergency services walk or drive across the entire area with a radiation measuring device in order to create an intensity distribution. The procedure is very complex and cannot always be used if, for example, radiation sources are to be located in inaccessible terrain.

Das erfindungsgemäße Verfahren gilt für kompakte, richtungsauflösende Strahlungsmessgeräte, die zunehmend Verbreitung finden. Es ist für Verbundsysteme aus mehreren Strahlungsdetektoren und für segmentierte Strahlungsdetektoren einsetzbar.The method according to the invention applies to compact, directionally resolving radiation measuring devices which are becoming increasingly popular. It can be used for composite systems consisting of several radiation detectors and for segmented radiation detectors.

Aus dem klinischen Umfeld sind komplexe, aus vielen Einzeldetektoren zusammengesetzte Geräte bekannt, die zur medizinischen Bildgebung eingesetzt werden. Diese Geräte sind komplex und benötigen komplexe Algorithmen für die Datenauswertung, die beträchtliche Rechenkapazitäten erfordern. Die Algorithmen berechnen die Aktivitätskonzentrationen eines Radiopharmakons in einem Patienten in unmittelbarer Nähe zu den Strahlungsdetektoren (Nahfeld). Grundsätzlich können diese Algorithmen auch für die genannten kompakten richtungsauflösenden Geräte verwendet werden, sofern sie an die Einsatzbedingungen im ABC- und Strahlenschutz angepasst werden.Complex devices composed of many individual detectors, which are used for medical imaging, are known from the clinical environment. These devices are complex and require complex algorithms for data evaluation, which require considerable computing capacity. The algorithms calculate the activity concentrations of a radiopharmaceutical in a patient in the immediate vicinity of the radiation detectors (near field). In principle, these algorithms can also be used for the compact, directionally resolving devices mentioned, provided they are adapted to the operating conditions in NBC and radiation protection.

Dazu müssen die Verfahren vom Nahfeld auf das Fernfeld umgestellt werden. Der Rechenaufwand muss soweit reduziert werden, dass eine Datenverarbeitung in Echtzeit parallel zur Datenakquisition möglich ist, so dass die Ergebnisse live während der Messung verfügbar sind. Ferner bestehen Unterschiede bezüglich der Strahlungsintensität. Beim Aufspüren radioaktiver Strahlungsquellen liegen die am Detektionsort registrierten Strahlungsintensitäten häufig weit unter den in der Medizin üblichen. Dies stellt erhöhte Anforderungen an die Algorithmen, die trotz statistischer Beschränkungen der Datensätze zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse liefern sollen. Die Richtungsmessung soll auch dann noch verlässlich funktionieren, wenn die Strahlungsintensität der zu vermessenen Quellen unter dem Niveau des natürlichen Strahlungshintergrundes liegt. Es ist daher erforderlich, dass der natürliche Strahlungshintergrund in der Auswertung berücksichtigt wird.To do this, the method must be switched from the near field to the far field. The computing effort must be reduced to such an extent that data processing is possible in real time parallel to the data acquisition, so that the results are available live during the measurement. There are also differences in terms of radiation intensity. When detecting radioactive radiation sources, the radiation intensities registered at the detection location are often far below those commonly used in medicine. This places increased demands on the algorithms, which should deliver reliable and reproducible results despite statistical restrictions on the data sets. The direction measurement should function reliably even if the radiation intensity of the sources to be measured is below the level of the natural radiation background. It is therefore necessary that the natural radiation background is taken into account in the evaluation.

Für das Lokalisieren von Strahlungsquellen im Gelände werden also schnelle Verfahren benötigt, die ein Strahlungsfernfeld rekonstruieren, auch bei niedriger Zählerstatistik einsetzbar sind und den Einfluss von natürlicher Strahlung berücksichtigen.For the localization of radiation sources in the field, fast methods are required that reconstruct a radiation far field, can also be used with low meter statistics and take the influence of natural radiation into account.

Die US 2012/0043467 beschreibt ein Verfahren für Single Plane Compton Kameras, das zur Richtungsmessung einer Strahlungsquelle geeignet ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es auf die Richtungsmessung einer Strahlungsquelle pro Radionuklid beschränkt ist und keine Richtungsverteilung messen kann.The US 2012/0043467 describes a method for single plane Compton cameras that is suitable for measuring the direction of a radiation source. However, this method has the disadvantage that it is limited to the direction measurement of one radiation source per radionuclide and cannot measure directional distribution.

Die Erfindung hat daher zum Ziel, die Nachteile der Verfahren aus dem Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine verlässliche und effiziente Ortung von mehreren Strahlungsquellen ohne Beschränkung auf die Anzahl der Strahlungsquellen bereitgestellt werden.The invention therefore aims to overcome the disadvantages of the methods from the prior art. In particular, reliable and efficient localization of several radiation sources should be provided without restriction to the number of radiation sources.

Eine weitere Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass das Verfahren nicht auf spezielle Detektionssysteme beschränkt bleibt, sondern universell für eine Vielzahl von Geräten und Systemen einsetzbar ist, welche beispielsweise aus mehreren Segmenten oder Detektoren zusammengesetzt sind.Another property of the invention is that the method is not restricted to special detection systems, but can be used universally for a large number of devices and systems which are composed, for example, of several segments or detectors.

Die Aufgaben werden durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß unabhängigem Anspruch 14 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungen angegeben.The objects are achieved by the method according to independent claim 1 and a device according to independent claim 14. Advantageous developments and preferred designs are specified in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur mehrdimensionalen Richtungsmessung von Gammastrahlung im Fernfeld mittels einer Gruppe von mehreren energiediskriminierenden, miteinander synchronisierten Detektoren zur Erfassung von Strahlung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren Lookup-Tabellen LUTSK, einen definierten Funktionswert f(E1,E2), eine Liste von definierten Detektorpaaren mit einer Identifikationsnummer ID für definierte Detektorpaare und eine oder mehrere Häufigkeitsverteilungen Y zur Erfassung der Messwerte verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die folgenden Schritte näher beschrieben:

  1. a) Akquirieren von Messwerten im List-Mode, wobei die Messwerte einer Strahlungsverteilung im Fernfeld entstammen, die Strahlung von einem oder mehreren Radionukliden ausgeht und die Messwerte die in den Detektoren auftretenden Wechselwirkungsenergien der Strahlung sind;
  2. b) Selektieren der Messwerte nach Koinzidenzereignissen in definierten Detektorpaaren aus je zwei Detektoren;
  3. c) Assoziieren von selektierten Koinzidenzereignissen mit einer Identifikationsnummer ID;
  4. d) Berechnen des definierten Funktionswertes f(E1,E2) aus zwei koinzidenten Energiewerten E1, E2 pro selektiertem Koinzidenzereignis;
  5. e) Erfassen der selektierten Koinzidenzereignisse entsprechend ihrer Identifikationsnummer ID und ihrer Funktionswerte f(E1,E2) in einer oder mehreren Häufigkeitsverteilungen Y, wobei für jedes Radionuklid eine separate Häufigkeitsverteilung Y vorliegt,
  6. f) Berechnen einer oder mehrerer Richtungsverteilungen X aus den Häufigkeitsverteilungen Y mit einem statistischen Bildrekonstruktionsverfahren der Emissionstomographie unter Nutzung von Lookup-Tabellen LUTSK, wobei für jedes Radionuklid eine separate Richtungsverteilung X vorliegt.
The method according to the invention for the multi-dimensional direction measurement of gamma radiation in the far field by means of a group of several energy-discriminating, mutually synchronized detectors for detecting radiation is characterized in that the method lookup tables LUT SK , a defined function value f (E1, E2), a list of defined detector pairs with an identification number ID for defined detector pairs and one or more frequency distributions Y are used to record the measured values. The method according to the invention is described in more detail by the following steps:
  1. a) Acquiring measured values in list mode, the measured values originating from a radiation distribution in the far field, the radiation emanating from one or more radionuclides and the measured values being the interaction energies of the radiation occurring in the detectors;
  2. b) selecting the measured values according to coincidence events in defined detector pairs from two detectors each;
  3. c) associating selected coincidence events with an identification number ID;
  4. d) calculating the defined function value f (E1, E2) from two coincident energy values E1, E2 per selected coincidence event;
  5. e) recording the selected coincidence events according to their identification number ID and their function values f (E1, E2) in one or more frequency distributions Y, with a separate frequency distribution Y being available for each radionuclide,
  6. f) Calculating one or more directional distributions X from the frequency distributions Y with a statistical image reconstruction method of emission tomography using lookup tables LUT SK , a separate directional distribution X being available for each radionuclide.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Richtungsmessung einer Strahlungsverteilung im Fernfeld gilt gleichermaßen für Verbundsysteme aus mehreren Strahlungsdetektoren als auch für segmentierte Strahlungsdetektoren. In einem Fall wird eine Gruppe aus mehreren Strahlungsdetektoren miteinander verschaltet, im anderen Fall ist das aktive Detektormedium in mehrere Einheiten unterteilt. Die Gruppe der Strahlungsdetektoren bzw. der segmentierte Einzeldetektor bilden jeweils ein zeitlich synchronisiertes System. Jeder Detektor bzw. jedes Segment kann die Energie der Strahlung messen, welche durch Wechselwirkung dort deponiert wird und kann mit anderen Detektoren bzw. Segmenten synchronisiert werden. Im Sinne der Erfindung wird unter einem Detektor ein Strahlungsdetektor bzw. ein Detektorsegment verstanden, welches Strahlung detektiert und individuell ausgelesen werden kann.The method according to the invention for measuring the direction of a radiation distribution in the far field applies equally to composite systems comprising a plurality of radiation detectors and to segmented radiation detectors. In one case a group of several radiation detectors is interconnected, in the other case the active detector medium is divided into several units. The group of radiation detectors or the segmented individual detector each form a time-synchronized system. Each detector or each segment can measure the energy of the radiation which is deposited there through interaction and can be synchronized with other detectors or segments. In the context of the invention, a detector is understood to be a radiation detector or a detector segment which detects radiation and can be read out individually.

Es wird davon ausgegangen, dass das Messsystem mit Datenerfassung im List-Mode ausgestattet ist und die Daten eines jeden Detektors bzw. jeden Segments verarbeiten kann.It is assumed that the measuring system is equipped with data acquisition in list mode and can process the data of each detector or each segment.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur stationären bzw. quasistationären Richtungsmessung geeignet, wobei hauptsächlich zwei Ausführungen nämlich die 3-dimensionale Richtungsmessung und die 2-dimensionale Richtungsmessung von besonderem Vorteil sind.The method according to the invention is particularly suitable for stationary or quasi-stationary direction measurement, with mainly two versions, namely the 3-dimensional direction measurement and the 2-dimensional direction measurement, being of particular advantage.

Die 2-dimensionale Richtungsmessung ist ein Spezialfall der Richtungsmessung, in welchem alle Strahlungsquellen in einer Ebene liegen, beispielsweise in der horizontalen Ebene. Gruppen von planaren Strahlungsdetektoren stellen für die 2-dimensionale Richtungsmessung geeignete Gerätetypen dar. Das Gerät ist dabei so orientiert, dass die Detektionsebene mit der Ebene der Strahlungsquellen identisch ist.The 2-dimensional direction measurement is a special case of direction measurement in which all radiation sources lie in one plane, for example in the horizontal plane. Groups of planar radiation detectors represent device types suitable for 2-dimensional direction measurement. The device is oriented in such a way that the detection plane is identical to the plane of the radiation sources.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Richtungsmessung wird auch richtungsaufgelöste Koinzidenz-Spektroskopie genannt. In der Koinzidenz-Spektroskopie werden Koinzidenzen untersucht, bei denen in jeweils zwei Detektoren (oder Segmenten) des Messgeräts gleichzeitig Wechselwirkungen stattfinden. Paare aus jeweils zwei Detektoren sind die abbildenden Grundelemente der Richtungsmessung. Die in einem koinzidenten Detektorpaar registrierten Energieeinträge E1 und E2 werden gemeinsam mit der räumlichen Orientierung des Detektorpaars betrachtet. Es kommt hierbei auf die Beziehung zwischen den gemessenen Energiewerten E1 und E2 und den Richtungen an, in denen die Koinzidenzen beobachtet werden.The method according to the invention for direction measurement is also called directionally resolved coincidence spectroscopy. In coincidence spectroscopy, coincidences are investigated in which interactions occur simultaneously in two detectors (or segments) of the measuring device. Pairs of two detectors each are the imaging basic elements of the direction measurement. The energy inputs E1 and E2 registered in a coincident detector pair are considered together with the spatial orientation of the detector pair. What matters here is the relationship between the measured energy values E1 and E2 and the directions in which the coincidences are observed.

Es ist zunächst ein geeignetes Koordinatensystem festzulegen, das sowohl für die Strahlungsquellen als auch für die Strahlungsdetektoren gilt. Bei der 3-dimensionalen Richtungsmessung ist dies ein Kugelkoordinatensystem, wobei der Koordinatenursprung im räumlichen Mittelpunkt der Detektoranordnung liegt. Im 2-dimensionalen Fall wird ein Polarkoordinatensystem verwendet.First of all, a suitable coordinate system must be defined that applies to both the radiation sources and the radiation detectors. With the 3-dimensional direction measurement this is a Spherical coordinate system, the origin of the coordinates being in the spatial center of the detector arrangement. In the 2-dimensional case, a polar coordinate system is used.

Die richtungsaufgelöste Koinzidenz-Spektroskopie macht Gebrauch von zwei Wechselwirkungsprozessen von Gammastrahlung: der Compton-Streuung und der photoelektrischen Absorption.Directional coincidence spectroscopy makes use of two interaction processes of gamma radiation: Compton scattering and photoelectric absorption.

Das Messgerät wird als Kombination von Detektorpaaren aufgefasst. Es sollen zunächst einige Definitionen zu den Detektorpaaren getroffen werden.The measuring device is seen as a combination of detector pairs. First, some definitions should be made for the detector pairs.

Es werden diejenigen Detektorpaare ausgewählt, die für die Richtungsmessung genutzt werden sollen. Bei der Auswahl ist es hilfreich, zunächst die Materialien zu betrachten, aus denen die Detektoren aufgebaut sind. Es genügt, die Materialien in zwei Klassen einzuteilen. Eine Gruppe wird von Materialien mittlerer bis hoher Ordnungszahl gebildet. Im Sinne der Erfindung wird unter mittlerer bis hoher Ordnungszahl eine Zahl Zeff von größer als 30 verstanden. Liegen die Detektormaterialien als chemische Verbindungen vor, so wird unter Zeff die effektive Ordnungszahl verstanden, d.h. die mittlere Ordnungszahl aller in der Verbindung enthaltenen Elemente unter Berücksichtigung der Atommassen der Elemente und ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung.Those pairs of detectors are selected that are to be used for the direction measurement. When making a selection, it is helpful to first consider the materials from which the detectors are constructed. It is sufficient to divide the materials into two classes. A group is made up of materials with a medium to high atomic number. In the context of the invention, a number Z eff of greater than 30 is understood by a medium to high atomic number. If the detector materials are present as chemical compounds, Z eff is understood to mean the effective atomic number, ie the mean atomic number of all elements contained in the compound, taking into account the atomic mass of the elements and their stoichiometric composition.

Zu den Detektormaterialien mittlerer bis hoher Ordnungszahl Zeff > 30 gehören beispielsweise Nal, ein häufig genutztes Material in Szintillationsdetektoren, und auch die Halogenide der seltenen Erden wie CeBr3, LaBr3, LaCl3 und La(BrxCl1-x)3. Unter den Halbleitermaterialien mittlerer bis hoher Ordnungszahl sind insbesondere Ge, GaAs, CdTe und CdZnTe zu nennen. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre hohe Wahrscheinlichkeit für photoelektrische Absorption im Energiebereich von einigen 10 keV bis 3 MeV aus.The detector materials with a medium to high atomic number Z eff > 30 include, for example, Nal, a material frequently used in scintillation detectors, and also rare earth halides such as CeBr 3 , LaBr 3 , LaCl 3 and La (Br x Cl 1-x ) 3 . Among the semiconductor materials with a medium to high atomic number, Ge, GaAs, CdTe and CdZnTe should be mentioned in particular. These materials are characterized by their high probability of photoelectric absorption in the energy range from a few 10 keV to 3 MeV.

Die andere Gruppe beinhaltet die Detektoren aus Materialien niedriger Ordnungszahl, deren Ordnungszahl Zeff kleiner gleich 30 ist. Hierzu gehören Plastik-Szintillatoren, organische Kristalle wie Anthracen, Stilben oder p-Terphenyl, inorganische Kristalle wie z.B. CaF2 und das Halbleitermaterial Silizium. Die Materialien niedriger Ordnungszahl Zeff ≤ 30 besitzen eine hohe Wahrscheinlichkeit für Compton-Streuung im Energiebereich von 100 keV bis 3 MeV.The other group includes detectors made of materials with a low atomic number, whose atomic number Z eff is less than or equal to 30. These include plastic scintillators, organic crystals such as anthracene, stilbene or p-terphenyl, inorganic crystals such as CaF 2 and the semiconductor material silicon. The materials with a low atomic number Z eff ≤ 30 have a high probability of Compton scattering in the energy range from 100 keV to 3 MeV.

Aus diesen beiden Gruppen von Detektoren lassen sich zwei Typen von Detektorpaaren zusammenstellen, die hinsichtlich der Richtung der einfallenden und der gestreuten Strahlung untersucht werden müssen.From these two groups of detectors, two types of detector pairs can be put together, which have to be examined with regard to the direction of the incident and the scattered radiation.

Ein unidirektionales Detektorpaar enthält sowohl einen Detektor aus der Gruppe mit niedriger Ordnungszahl als auch einen Detektor aus der Gruppe mit mittlerer bis hoher Ordnungszahl. Werden beispielsweise ein Plastik-Detektor und ein Cerbromid-Detektor miteinander kombiniert, ist das ein unidirektionales Detektorpaar. In einem unidirektionalen Detektorpaar hat jeder Detektor eine eindeutige physikalische Funktion. Wird ein Koinzidenzereignis mit der zum Nuklid gehörigen Strahlungsenergie E1+E2 beobachtet, ist zweifelsfrei feststellbar, dass die einfallende Strahlung zuerst im Plastik-Detektor gestreut wurde, bevor sie im Cerbromid-Detektor absorbiert wurde. Der umgekehrte Fall, dass die Strahlung zuerst im Cerbromid-Detektor gestreut wurde, bevor sie im Plastik-Detektor absorbiert wurde, hat eine Wahrscheinlichkeit nahe Null.A unidirectional pair of detectors contains both a detector from the group with a low atomic number and a detector from the group with a medium to high atomic number. If, for example, a plastic detector and a cerium bromide detector are combined, this is a unidirectional pair of detectors. In a unidirectional pair of detectors, each detector has a unique physical function. If a coincidence event with the radiation energy E1 + E2 belonging to the nuclide is observed, it can be determined without a doubt that the incident radiation was first scattered in the plastic detector before it was absorbed in the cerium bromide detector. The opposite case, that the radiation was first scattered in the cerium bromide detector before it was absorbed in the plastic detector, has a probability close to zero.

In einem unidirektionalen Detektorpaar ist die Richtung der gestreuten Strahlung bekannt. Die Strahlung wird im Detektor mit niedriger Ordnungszahl in Richtung auf den Detektor mit hoher Ordnungszahl gestreut.In a unidirectional pair of detectors, the direction of the scattered radiation is known. The radiation is scattered in the detector with a low atomic number in the direction of the detector with a high atomic number.

Bidirektionale Detektorpaare entstehen aus der Kombination von je zwei Detektoren aus der Gruppe mit mittlerer und hoher Ordnungszahl, also z.B. von Cerbromid mit Cerbromid oder Germanium mit Germanium. Bei Verwendung von segmentierten Halbleiterdetektoren sind Paare aus je zwei Segmenten ebenfalls bidirektional, da beide Segmente aus dem gleichen Material bestehen.Bidirectional detector pairs are created from the combination of two detectors each from the group with medium and high atomic number, e.g. cerium bromide with cerium bromide or germanium with germanium. When using segmented semiconductor detectors, pairs of two segments each are also bidirectional, since both segments are made of the same material.

In einem bidirektionalen Paar ist - insofern keine weiteren Informationen vorliegen - nicht feststellbar, welcher der beiden Detektoren die einfallende Strahlung zuerst gestreut hat. Die Richtung der gestreuten Strahlung bleibt unbekannt. Die Strahlung kann von Detektor 1 auf Detektor 2, aber auch von Detektor 2 auf Detektor 1 gestreut worden sein.In a bidirectional pair, if no further information is available, it cannot be determined which of the two detectors first scattered the incident radiation. The direction of the scattered radiation remains unknown. The radiation can have been scattered from detector 1 to detector 2, but also from detector 2 to detector 1.

Man beachte, dass sowohl uni- als auch bidirektionale Detektorpaare eine Einschränkung in der Richtungsbestimmung bezüglich der einfallenden Strahlung besitzen. Die Richtung der einfallenden Strahlung kann mit einem einzelnen Koinzidenzereignis nicht eindeutig rekonstruiert werden. Für den 2-dimensionalen Fall ist die Einfallsrichtung auf eine V-Linie, für den 3-dimensionalen Fall auf einen Kegelmantel festgelegt. Die Messdaten eines Einzelereignisses erlauben keine Aussage darüber, auf welchem Arm der V-Linie bzw. in welcher Richtung auf dem Kegelmantel die Strahlungsquelle liegt.It should be noted that both unidirectional and bidirectional detector pairs have a restriction in determining the direction of the incident radiation. The direction of the incident radiation cannot be uniquely reconstructed with a single coincidence event. For the 2-dimensional case, the direction of incidence is set on a V-line, for the 3-dimensional case on a cone surface. The Measurement data of a single event do not allow any statement on which arm of the V-line or in which direction on the surface of the cone the radiation source is located.

In Bezug auf die Richtungsrekonstruktion der einfallenden Strahlung stellen uni- und bidirektionale Detektorpaare gleichwertige Informationen bereit. Die Messdaten vieler Koinzidenzereignisse besitzen in beiden Fällen die für die Richtungsmessung erforderlichen statistischen Eigenschaften. Die Tatsache, dass die Richtung der gestreuten Strahlung in einem bidirektionalen Detektorpaar unbekannt ist, stellt keine experimentelle Einschränkung bezüglich der Richtungsbestimmung der einfallenden Strahlung dar.With regard to the direction reconstruction of the incident radiation, unidirectional and bidirectional detector pairs provide equivalent information. In both cases, the measurement data from many coincidence events have the statistical properties required for direction measurement. The fact that the direction of the scattered radiation is unknown in a bidirectional pair of detectors does not represent any experimental restriction with regard to the determination of the direction of the incident radiation.

Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, hat die Technik der richtungsaufgelösten Koinzidenz-Spektroskopie als wesentliches Herausstellungsmerkmal, dass sie sowohl für uni- als auch bidirektionale Detektorpaare nutzbar ist.As will be explained in more detail below, the technology of directionally resolved coincidence spectroscopy has as an essential distinguishing feature that it can be used for both unidirectional and bidirectional pairs of detectors.

Die Detektoren eines Geräts können mehrfach auf unterschiedliche Paare aufgeteilt werden. Die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten hängt wieder mit den Detektormaterialien zusammen. Detektoren aus der Gruppe mit niedriger Ordnungszahl können mit jedem Detektor aus der anderen Gruppe mit mittlerer oder hoher Ordnungszahl kombiniert werden. Detektoren aus der Gruppe mit mittlerer oder hoher Ordnungszahl können sogar mit jedem anderen Detektor in dem Gerät zu einem Paar zusammengestellt werden.The detectors of a device can be divided several times into different pairs. The number of possible combinations is again related to the detector materials. Detectors from the group with a low atomic number can be combined with any detector from the other group with a medium or high atomic number. Detectors from the medium or high atomic number group can even be paired with any other detector in the device.

Die Gruppe der Detektoren mit niedriger Ordnungszahl ist zur Zusammenstellung gruppeninterner Paare hingegen nicht geeignet.However, the group of detectors with a low atomic number is not suitable for putting together pairs within the group.

Ein Messprozess kann sowohl eine Kombination aus uni- und bidirektionalen Detektorpaaren nutzen oder ausschließlich unidirektionale oder ausschließlich bidirektionale Paare für die Richtungsmessung verwenden.A measurement process can use a combination of unidirectional and bidirectional detector pairs or use exclusively unidirectional or exclusively bidirectional pairs for the direction measurement.

Viele der gebräuchlichen Strahlungsdetektoren stellen keine Informationen über den Wechselwirkungspunkt der Strahlung im Detektormaterial bereit. Es ist daher erforderlich, eine Annahme über die Verbindungslinie zu treffen, welche die beiden Wechselwirkungspunkte in einem Detektorpaar miteinander verbindet. Eine naheliegende Annahme ist hierfür die Linie zu wählen, welche beide Mittelpunkte der aktiven Detektormedien (des Szintillators oder des Halbleiters) verbindet. Für jedes Detektorpaar existiert dann eine Verbindungslinie, die durch die beiden Detektormittelpunkte verläuft.Many of the radiation detectors in use do not provide any information about the point of interaction of the radiation in the detector material. It is therefore necessary to make an assumption about the connecting line which connects the two points of interaction with one another in a detector pair. An obvious assumption is to choose the line that connects both center points of the active detector media (the scintillator or the semiconductor). For each detector pair there is then a connecting line which runs through the two detector centers.

Die Verbindungslinie eines Detektorpaars wird als gerichtete Größe betrachtet. Der Linie wird ein Vektor zugeordnet. Der Vektor wird dadurch definiert, dass jedem Detektor in einem Paar eindeutig eine Nummer 1 bzw. 2 zugeordnet wird. Enthält ein Paar unterschiedliche Detektormaterialien, so werden die Detektoren des Materials mit der niedrigeren Ordnungszahl als 1 bezeichnet, die Detektoren des Materials mit der höheren Ordnungszahl als 2. Wenn die Paare aus Detektoren des gleichen Materials bestehen, kann die Entscheidung, welcher Detektor in einem Paar als 1 bzw. 2 bezeichnet wird, willkürlich getroffen werden, insofern sie konsistent in der Datenauswertung beibehalten wird.The line connecting a pair of detectors is regarded as a directed quantity. A vector is assigned to the line. The vector is defined in that each detector in a pair is uniquely assigned a number 1 or 2. If a pair contains different detector materials, the detectors of the material with the lower atomic number are designated as 1, the detectors of the material with the higher atomic number than 2. If the pairs consist of detectors of the same material, the decision as to which detector in a pair is designated as 1 or 2, can be taken arbitrarily, provided that it is consistently maintained in the data evaluation.

Der Vektor hat seinen Ursprungsort im Mittelpunkt von Detektor 2 und zeigt auf den Mittelpunkt von Detektor 1.The vector has its place of origin in the center of detector 2 and points to the center of detector 1.

Es sollen nun die Raumrichtungen der Detektorpaare festgelegt werden. Dabei wird von parallelem Strahlungseinfall auf das Messgerät ausgegangen (Fernfeld). Der Strahlungseinfall ist näherungsweise parallel, wenn die Abstände aller Strahlungsquellen sehr viel größer sind als die Abmaße des Messgerätes.The spatial directions of the detector pairs are now to be determined. It is assumed that radiation is incident on the measuring device in parallel (far field). The incidence of radiation is approximately parallel if the distances between all radiation sources are much larger than the dimensions of the measuring device.

Man stelle sich vor, dass das Koordinatensystem achsenparallel zu den kartesischen Koordinatenrichtungen im Raum verschoben werden kann. Für jedes Detektorpaar kann das Koordinatensystem so jeweils in den Mittelpunkt von Detektor 2 verschoben werden.Imagine that the coordinate system can be shifted axially parallel to the Cartesian coordinate directions in space. For each pair of detectors, the coordinate system can be shifted to the center of detector 2.

Betrachtet wird zunächst der 3-dimensionalen Fall: Die Kugelkoordinaten von Detektor 1 in diesem verschobenen Koordinatensystem, dessen Ursprung jeweils in Detektor 2 liegt, definieren einen charakteristischen Azimut- und Höhenwinkel für dieses Detektorpaar. Jedes Detektorpaar i verfügt somit über einen solchen charakteristischen Azimutwinkel φi und Höhenwinkel βi. Beide mit dem Detektorpaar assoziierte Winkel φi und βi werden in der Software hinterlegt. Sie werden in den Auswerteverfahren verwendet.The three-dimensional case is considered first: the spherical coordinates of detector 1 in this shifted coordinate system, the origin of which is in detector 2, define a characteristic azimuth and elevation angle for this pair of detectors. Each detector pair i thus has such a characteristic azimuth angle φ i and elevation angle β i . Both angles φ i and β i associated with the detector pair are stored in the software. They are used in the evaluation process.

Im 2-dimensionalen Fall ist es ein Polarkoordinatensystem, das für jedes Detektorpaar i achsenparallel zu den kartesischen Koordinatenrichtungen jeweils in den Mittelpunkt von Detektor 2 verschoben wird. Der Azimutwinkel φi von Detektor 1 in diesem verschobenen Koordinatensystem wird für jedes Detektorpaar i in einer Software hinterlegt.In the two-dimensional case, it is a polar coordinate system that is shifted into the center of detector 2 for each detector pair i, axially parallel to the Cartesian coordinate directions. The Azimuth angle φ i of detector 1 in this shifted coordinate system is stored in software for each detector pair i.

Es ist von Vorteil, dass jeder Strahlungsdetektor eines Messgerätes für die Energiemessung kalibriert wird. Für Strahlungsdetektoren aus der Gruppe mit mittlerer bis hoher Ordnungszahl kann der photoelektrische Effekt zur Energiekalibration genutzt werden. Für solche Detektoren wird die Energiekalibration anhand der Photo-Peaks im Pulshöhen-Spektrum durchgeführt. Die Vorgehensweise ist den Experten auf dem Gebiet der Strahlungsdetektion wohl vertraut und soll hier nicht weiter erörtert werden.It is advantageous that every radiation detector of a measuring device is calibrated for the energy measurement. For radiation detectors from the group with a medium to high atomic number, the photoelectric effect can be used for energy calibration. For such detectors, the energy calibration is carried out on the basis of the photo peaks in the pulse height spectrum. The procedure is well known to the experts in the field of radiation detection and will not be discussed further here.

Für Detektoren aus der Gruppe mit niedriger Ordnungszahl ist die Energiemessung jedoch weniger gebräuchlich, da diese häufig im Pulszähl-Modus betrieben werden. Es stehen mehrere Kalibrationsoptionen für Detektoren mit Zeff ≤ 30 zur Verfügung. Die Pulshöhen-Spektren dieser Detektoren können auf das Vorhandensein von Photo-Peaks untersucht werden. Wenn Photo-Peaks nachweisbar sind, können diese für die Energiekalibration genutzt werden. Wenn keine Photo-Peaks nachweisbar sind, stellt der Endpunkt des Compton Energiespektrums eine geeignete Alternative dar. Die maximale, in Compton Streuereignissen beobachtbare Energie EC,max, die auch als Compton-Kante bezeichnet wird, ergibt sich zu E C , m a x = E γ 1 + m c 2 2 E γ

Figure DE102019131696A1_0001
aus der Strahlungsenergie Ey des jeweiligen Radionuklids, mit mc2 = 511 keV, der Ruhenergie des Elektrons. Die Position der Compton-Kante lässt sich experimentell bestimmen, indem die erste Ableitung des Pulshöhen-Spektrums gebildet wird. Die Minimalstelle in der ersten Ableitung des Pulshöhen-Spektrums liefert in guter Näherung die Compton-Kante. Die Pulshöhe an der Minimalstelle kann dann gemäß Gl. (1) als Energie kalibriert werden.For detectors from the group with a low atomic number, however, energy measurement is less common, as these are often operated in pulse counting mode. Several calibration options are available for detectors with Z eff ≤ 30. The pulse height spectra of these detectors can be examined for the presence of photo peaks. If photo peaks can be detected, they can be used for energy calibration. If no photo peaks can be detected, the end point of the Compton energy spectrum represents a suitable alternative. The maximum energy E C, max that can be observed in Compton scattering events, which is also referred to as the Compton edge, results from E. C. , m a x = E. γ 1 + m c 2 2 E. γ
Figure DE102019131696A1_0001
from the radiation energy E y of the respective radionuclide, with mc 2 = 511 keV, the rest energy of the electron. The position of the Compton edge can be determined experimentally by taking the first derivative of the pulse height spectrum. The minimum point in the first derivative of the pulse height spectrum provides the Compton edge as a good approximation. The pulse height at the minimum point can then be calculated according to Eq. (1) to be calibrated as energy.

Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass alle Strahlungsdetektoren für die Energiemessung kalibriert sind. Im Messprozess werden Koinzidenzereignisse akquiriert, die entsprechend ihrer Energiewerte E1 und E2 und der räumlichen Orientierung des Detektorpaars ein Tripel bilden. Die räumliche Orientierung wird über eine Identifikationsnummer (ID) des Detektorpaars abgebildet. Die beiden Energiewerte E1 und E2 enthalten die Informationen, die zum einen das Nuklid identifizieren, dessen Strahlung beobachtet wird, zum anderen aber auch die Richtung messen, aus der die Strahlung das Detektorpaar erreicht. Aufgrund der Energieerhaltung ist die Summe der registrierten Energieeinträge E1+E2 auf die Strahlungsenergie des Nuklids festgelegt. Beide Messwerte E1 und E2 sind stark miteinander korreliert und die Richtungsinformation ist hauptsächlich in der Differenz E2-E1 enthalten. Es ist daher möglich, die Anzahl der Variablen zu reduzieren, indem aus den beiden Energiewerten E1 und E2 ein neuer Messwert f(E1,E2) definiert wird, der die Richtungsinformation näherungsweise repräsentiert. Die zunächst als Tripel organisierten Messdaten (ID, E1, E2) können so auf ein Dupel mit den zwei Merkmalen ID und f(E1,E2) reduziert werden.In the following it is assumed that all radiation detectors are calibrated for energy measurement. In the measurement process, coincidence events are acquired which, according to their energy values E1 and E2 and the spatial orientation of the detector pair, form a triple. The spatial orientation is mapped via an identification number (ID) of the detector pair. The two energy values E1 and E2 contain the information that firstly identifies the nuclide whose radiation is being observed, and secondly also measures the direction from which the radiation reaches the detector pair. Due to the conservation of energy, the sum of the registered energy inputs E1 + E2 is set to the radiant energy of the nuclide. Both measured values E1 and E2 are strongly correlated with one another and the direction information is mainly contained in the difference E2-E1. It is therefore possible to reduce the number of variables by defining a new measured value f (E1, E2) from the two energy values E1 and E2, which approximately represents the directional information. The measurement data (ID, E1, E2) initially organized as a triplet can thus be reduced to a double with the two features ID and f (E1, E2).

Da von stationären bzw. quasistationären Messbedingungen ausgegangen wird, können die Messdaten als 2-dimensionale Häufigkeitsverteilung Y gruppiert werden. Jedes Ereignis wird entsprechend seiner zwei Merkmale, ID und f(E1 ,E2), in die Häufigkeitsverteilung Y einsortiert. Aus der beobachteten Häufigkeitsverteilung Y können schließlich die Richtungen der Strahlungsquellen mittels statistischer Verfahren rekonstruiert werden.Since stationary or quasi-stationary measurement conditions are assumed, the measurement data can be grouped as a 2-dimensional frequency distribution Y. Each event is sorted into the frequency distribution Y according to its two characteristics, ID and f (E1, E2). From the observed frequency distribution Y, the directions of the radiation sources can finally be reconstructed using statistical methods.

Zur Erfassung der Messdaten wird für jedes Detektorpaar ein Histogramm angelegt. Für die Histogramme ist der Wertebereich von f(E1,E2) in Klassen einzuteilen. Wird ein Koinzidenzereignis registriert, so kann aus den zwei Energiewerten E1 und E2 in den Detektoren 1 bzw. 2 eine geeignete richtungsabhängige Größe wie z.B. die Asymmetrie A A = E 2 E 1 E 1 + E 2

Figure DE102019131696A1_0002
berechnet werden. Die Asymmetrie A ist ein Beispiel für den Funktionswert f(E1, E2), wie die beiden Messwerte E1 und E2 zu einer neuen Größe A kombiniert werden können. Alternativ kann z.B. auch der Kosinus des Compton-Streuwinkels CCW C C W = 1 m c 2 E 2 + m c 2 E 1 + E 2
Figure DE102019131696A1_0003
mit mc2 = 511 keV, der Ruhenergie des Elektrons, berechnet werden.A histogram is created for each detector pair to record the measurement data. For the histograms, the value range of f (E1, E2) is to be divided into classes. If a coincidence event is registered, then from the two energy values E1 and E2 in the detectors 1 and 2, a suitable direction-dependent variable such as the asymmetry A A. = E. 2 - E. 1 E. 1 + E. 2
Figure DE102019131696A1_0002
be calculated. The asymmetry A is an example of the function value f (E1, E2), how the two measured values E1 and E2 can be combined to form a new variable A. Alternatively, for example, the cosine of the Compton scattering angle CCW C. C. W. = 1 - m c 2 E. 2 + m c 2 E. 1 + E. 2
Figure DE102019131696A1_0003
with mc 2 = 511 keV, the rest energy of the electron.

Ein Koinzidenzereignis wird entsprechend seines Wertes für die richtungsabhängige Größe A oder CCW in dasjenige Histogramm einsortiert, das zu dem Detektorpaar gehört, in dem die Koinzidenz aufgetreten ist. Die Gesamtheit der Histogramme für alle Detektorpaare bildet die 2-dimensionale Häufigkeitsverteilung Y, die fortlaufend während einer Messung gefüllt wird.According to its value for the direction-dependent variable A or CCW, a coincidence event is sorted into the histogram that belongs to the detector pair in which the coincidence occurred. The totality of the histograms for all detector pairs forms the 2-dimensional frequency distribution Y, which is continuously filled during a measurement.

Bei der Erfassung der 2-dimensionalen Häufigkeitsverteilung Y ist es empfehlenswert, eine Auswahl der Koinzidenzereignisse mit einer Selektionsbedingung für die Energiesumme E1+E2 vorzunehmen. Es sollen nur solche Werte der richtungsabhängigen Größe A oder CCW in die Verteilung Y einsortiert werden, deren Energiesumme E1+E2 innerhalb eines vordefinierten Bereichs um den Energiewert liegt, welcher der charakteristischen Nuklidenergie entspricht, dessen Strahlung detektiert wird. Mit Hilfe einer solchen Selektionsbedingung ist es möglich, separate Häufigkeitstabellen für jedes Nuklid auszuwerten.When recording the 2-dimensional frequency distribution Y, it is advisable to select the coincidence events with a selection condition for the energy sum E1 + E2. Only those values of the direction-dependent quantity A or CCW should be sorted into the distribution Y whose energy sum E1 + E2 lies within a predefined range around the energy value which corresponds to the characteristic nuclide energy whose radiation is detected. With the help of such a selection condition it is possible to evaluate separate frequency tables for each nuclide.

Werden die Richtungen von Quellen eines Nuklids gemessen, das Strahlung auf mehreren Linien emittiert, liegt es im Ermessen des Anwenders, ob die Koinzidenzereignisse in einer oder in mehreren Häufigkeitsverteilungen erfasst werden sollen. Beispielsweise besitzt Co-60 zwei nah beieinander liegende Linien bei 1173 keV und 1332 keV. Koinzidenzereignisse beider Emissionen können ohne Probleme in die gleiche Häufigkeitsverteilung einsortiert werden. Da beide Emissionslinien so nah beieinander liegen, sind auch die 2-dimensionalen Häufigkeitsverteilungen sehr ähnlich und können ohne Schwierigkeiten zusammen ausgewertet werden. Hat jedoch ein Nuklid mehrere, weit auseinanderliegende Gammalinien, ist es empfehlenswert, diese getrennt zu erfassen. Die zu einem Nuklid gehörigen Häufigkeitsverteilungen werden später in dem Auswerteverfahren wieder zusammengeführt.If the directions of sources of a nuclide that emits radiation on several lines are measured, it is at the discretion of the user whether the coincidence events are to be recorded in one or more frequency distributions. For example, Co-60 has two closely spaced lines at 1173 keV and 1332 keV. Coincidence events of both emissions can be sorted into the same frequency distribution without any problems. Since both emission lines are so close to each other, the 2-dimensional frequency distributions are also very similar and can be evaluated together without difficulty. However, if a nuclide has several widely spaced gamma lines, it is advisable to record them separately. The frequency distributions belonging to a nuclide are later combined again in the evaluation process.

Als weiteren Bestandteil nutzt das erfindungsgemäße Verfahren eine Systemmatrix, die das Ansprechverhalten des Gerätes auf eine punktförmige Strahlungsquelle beschreibt. Da der Rechenaufwand der Datenverarbeitung mit der Größe der Systemmatrix skaliert, ist es hilfreich, die Symmetrieeigenschaften des Messgerätes zu nutzen, um die Systemmatrix so klein wie möglich zu halten. Hierfür werden die Detektorpaare eines Messgerätes in Symmetrieklassen eingeteilt.As a further component, the method according to the invention uses a system matrix that describes the response behavior of the device to a point radiation source. Since the computational effort of data processing scales with the size of the system matrix, it is helpful to use the symmetry properties of the measuring device in order to keep the system matrix as small as possible. For this purpose, the detector pairs of a measuring device are divided into symmetry classes.

Diejenigen Detektorpaare, die bei Drehung oder Verschiebung auf andere baugleiche Detektorpaare abgebildet werden, gehören zu einer Symmetrieklasse. Sie werden zu einer Gruppe zusammengefasst und alle auf gleiche Weise behandelt. Die Systemmatrix ist als Gruppe von Lookup-Tabellen definiert. Jede Lookup-Tabelle beschreibt für jeweils eine Symmetrieklasse das Ansprechverhalten der Detektorpaare dieser Symmetrieklasse auf eine unendlich weit entfernte, punktförmige Strahlungsquelle. Die Lookup-Tabellen können anhand einer Simulationsrechnung oder aus Messungen mit punktförmigen Referenzstrahlern gewonnen werden. Für praktische Zwecke ist es ausreichend, wenn die Referenzstrahler in einem endlich großen Abstand zum Messgerät aufgestellt werden, insofern der Abstand groß gegenüber den Geräteabmaßen ist.Those detector pairs that are mapped onto other identically constructed detector pairs when they are rotated or shifted belong to a symmetry class. They are grouped together and all treated in the same way. The system matrix is defined as a group of lookup tables. Each lookup table describes, for one symmetry class, the response behavior of the detector pairs of this symmetry class to an infinitely distant, punctiform radiation source. The lookup tables can be obtained using a simulation calculation or from measurements with point-shaped reference radiators. For practical purposes, it is sufficient if the reference radiators are set up at a finite distance from the measuring device, provided that the distance is large compared to the device dimensions.

Alle Emissionspunkte des Strahlungsfeldes sollen weit genug vom Messgerät entfernt sein, dass die Strahlung quasi parallel auf das Gerät fällt (Fernfeld).All emission points of the radiation field should be far enough away from the measuring device that the radiation falls on the device in parallel (far field).

Entsprechend der experimentellen Situation werden zwei Fälle unterschieden. Bei der 3-dimensionalen Richtungsmessung wird die Richtungsverteilung als von zwei Variablen abhängige Funktion Y(ω, h) auf der Himmelskugel modelliert. Die Himmelskugel ist eine in der Astronomie und in der Navigation gebräuchliche Kugel, mit der Positionen am Himmel bestimmt werden. Sie ist eine scheinbare, das Messgerät allseitig umgebende Kugel mit beliebig großem Radius, auf welche die Strahlungsquellen projiziert werden. Der Funktionswert X(ω, h) beschreibt die Strahlungsstärke in einem Raumwinkelsegment dΩ auf der Himmelskugel in der Azimutrichtung ω beim Höhenwinkel h.According to the experimental situation, a distinction is made between two cases. In the 3-dimensional directional measurement, the directional distribution is modeled on the celestial sphere as a function Y (ω, h) that is dependent on two variables. The celestial sphere is a sphere used in astronomy and navigation to determine positions in the sky. It is an apparent sphere surrounding the measuring device on all sides with a radius of any size, onto which the radiation sources are projected. The function value X (ω, h) describes the radiation intensity in a solid angle segment dΩ on the celestial sphere in the azimuth direction ω at the elevation angle h.

Bei der 2-dimensionalen Richtungsmessung wird eine von einer Variablen abhängige Funktion X(ω) entlang des Horizontkreises betrachtet. Der Funktionswert X(ω) beschreibt die Strahlungsstärke in Richtung ω. Es wird davon ausgegangen, dass die Quellen in der gleichen Ebene liegen, wie auch die Detektoren des Messgerätes.In the 2-dimensional direction measurement, a function X (ω) dependent on a variable is considered along the horizon circle. The function value X (ω) describes the radiation intensity in the direction ω. It is assumed that the sources are in the same plane as the detectors of the measuring device.

Die Aufgabe des Algorithmus besteht darin, die Funktion X(ω, h) bzw. X(ω) zu bestimmen.The task of the algorithm is to determine the function X (ω, h) or X (ω).

Zu jeder Symmetrieklasse und jedem Radionuklid gibt es eine Lookup-Tabelle. Die Gesamtheit aller Lookup-Tabellen bildet die Systemmatrix des Messgerätes. Die Lookup-Tabellen repräsentieren dabei die mathematischen Beziehungen zwischen den Strahlungsquellen und den Messdaten.There is a lookup table for each symmetry class and each radionuclide. The totality of all lookup tables forms the system matrix of the measuring device. The lookup tables represent the mathematical relationships between the radiation sources and the measurement data.

Die Elemente einer Lookup-Tabelle sind die Abbildungsfunktionen LUTj[ϑ]. Sie repräsentieren die Wahrscheinlichkeiten, dass eine Strahlungsquelle im Winkel ϑ zur Detektorpaarachse Koinzidenzereignisse in Bin j der Messwertverteilung f(E1 ,E2) verursacht. Der Index j indiziert die j-te Klasse der Messwertverteilung f(E1,E2). Als Optionen für f(E1,E2) stehen z. B. die in Gl. (2) definierte Energieasymmetrie A oder die in Gl. (3) definierte Größe CCW, der Kosinus vom Compton-Streuwinkel zur Verfügung.The elements of a lookup table are the mapping functions LUT j [ϑ]. They represent the probabilities that a radiation source at an angle ϑ to the detector pair axis will cause coincidence events in Bin j of the measured value distribution f (E1, E2). The index j indicates the jth class of the measured value distribution f (E1, E2). The options for f (E1, E2) are e.g. B. the in Eq. (2) defined energy asymmetry A or the one in Eq. (3) Defined quantity CCW, the cosine of the Compton scattering angle, is available.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wie die Lookup-Tabellen experimentell mit Hilfe von punktförmigen Referenzstrahlern generiert werden.In the following, an embodiment of the invention is described how the lookup tables are generated experimentally with the aid of point-shaped reference radiators.

Es ist von Vorteil, die Messungen mit mehreren Referenzquellen unterschiedlicher Nuklide durchzuführen. Die Quellen sollen danach ausgewählt werden, dass sie den Energiebereich repräsentieren, in dem das Messgerät eingesetzt wird. Der Abstand der Quellen soll groß genug sein, um parallelen Strahlungseinfall zu gewährleisten. Idealerweise wird der Abstand so groß wie möglich gewählt, wie es die Stärke der Quelle erlaubt, um Messdaten in sinnvollen Akquisitionszeiten zu gewinnen.It is advantageous to carry out the measurements with several reference sources of different nuclides. The sources should be selected so that they represent the energy range in which the measuring device is used. The distance between the sources should be large enough to ensure parallel incidence of radiation. Ideally, the distance is chosen as large as possible, as the strength of the source allows, in order to obtain measurement data in reasonable acquisition times.

Für jede Quelle wird eine Serie mehrerer Messungen an unterschiedlichen Winkelpositionen ausgeführt. Es ist darauf zu achten, dass die Quelle in allen Messungen immer den gleichen radialen Abstand zum Gerätemittelpunkt hat. Alle Messungen werden mit gleicher Messzeit tk ausgeführt. Die Datenakquisition soll unter gleichen Bedingungen erfolgen, wie sie auch für den operativen Betrieb vorgesehen sind.A series of several measurements at different angular positions is carried out for each source. It must be ensured that the source always has the same radial distance from the center of the device in all measurements. All measurements are carried out with the same measuring time t k . The data acquisition should take place under the same conditions as they are intended for operational operation.

Wenn die Einsatzbestimmungen des Messgerätes vorsehen, nicht nur relative Intensitäten, sondern auch absolute Strahlungsintensitäten in Maßeinheiten von z.B. pGy sr-1 s-1 oder nSv sr-1 h-1 bereitzustellen, ist darauf zu achten, dass ausschließlich kalibrierte Referenzstrahler zum Einsatz kommen.If the conditions of use of the measuring device provide for not only providing relative intensities but also absolute radiation intensities in units of measurement of e.g. pGy sr -1 s -1 or nSv sr -1 h -1 , it must be ensured that only calibrated reference sources are used.

In allen anderen Fällen genügt es, wenn die Daten der Lookup-Tabelle bei konstanter relativer Strahlungsstärke akquiriert werden; eine absolute Kalibration der Strahlungsintensität ist dann nicht erforderlich. Es können dann Quellen beliebiger Stärke verwendet werden, insofern ihre Aktivität für eine gute Zählerstatistik ausreicht.In all other cases it is sufficient if the data of the lookup table are acquired with constant relative radiation intensity; an absolute calibration of the radiation intensity is then not necessary. Sources of any strength can then be used, provided that their activity is sufficient for good counter statistics.

Nach Abschluss der Messungen mit den Referenzquellen sollte in einer weiteren Messung ohne Quelle der natürliche Strahlungshintergrund aufgenommen werden. Die Untergrundmessung soll bei gleicher Messdauer tK ausgeführt werden wie zuvor die Messungen mit den Referenzquellen.After completing the measurements with the reference sources, the natural radiation background should be recorded in a further measurement without a source. The background measurement should be carried out with the same measurement duration t K as the measurements with the reference sources before.

Die Vorgehensweise zur Gewinnung der Lookup-Tabellen aus den Messdaten ist für alle Nuklide gleich und wird hier exemplarisch für ein Nuklid beschrieben.The procedure for obtaining the lookup tables from the measurement data is the same for all nuclides and is described here for one nuclide as an example.

Es wird zunächst davon ausgegangen, dass alle Detektorpaare in Symmetrieklassen eingeteilt sind. Jede Symmetrieklasse hat eine Identifikationsnummer SK(i), die für jedes Detektorpaar i zu definieren ist.It is initially assumed that all detector pairs are divided into symmetry classes. Each symmetry class has an identification number SK (i), which must be defined for each detector pair i.

Für jede Symmetrieklasse SK wird eine separate Lookup-Tabelle LUTSK angelegt, die den Winkelbereich von 0° bis 180° umspannt und in äquidistante Winkelschritte eingeteilt wird.A separate lookup table LUT SK is created for each symmetry class SK, which spans the angular range from 0 ° to 180 ° and is divided into equidistant angular steps.

Die an einer bestimmten Winkelposition aufgezeichneten Daten sind für jedes Detektorpaar auszuwerten. Entsprechend der aktuellen Position der Referenzquelle bei einem Azimutwinkel ω und einem Höhenwinkel h wird ein Winkelabstand ϑi für jedes Detektorpaar i berechnet: ϑ i = arccos ( cos β i cos h cos ( ω φ i ) + sin β i sin h )

Figure DE102019131696A1_0004
The data recorded at a specific angular position are to be evaluated for each detector pair. Accordingly, the current position of the reference source ω at an azimuth angle and an elevation angle is an angular distance h i θ i is calculated for each detector pair: ϑ i = arccos ( cos β i cos H cos ( ω - φ i ) + sin β i sin H )
Figure DE102019131696A1_0004

Im obigen Ausdruck bezeichnet φi den Azimutwinkel und βi den Höhenwinkel von Detektorpaar i. Im 2-dimensionalen Fall kann der Winkelabstand ϑi mit ϑ i = arccos ( cos ( ω φ i ) )

Figure DE102019131696A1_0005
berechnet werden.In the above expression, φ i denotes the azimuth angle and β i the elevation angle of detector pair i. In the two-dimensional case, the angular distance ϑ i can be expressed as ϑ i = arccos ( cos ( ω - φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0005
be calculated.

Der Vorgang wird für alle Winkelpositionen der Referenzquelle wiederholt.The process is repeated for all angular positions of the reference source.

Die Messdaten werden nun entsprechend der Zugehörigkeit der Detektorpaare zu Symmetrieklassen geordnet, um daraus die Lookup-Tabellen zu erzeugen. Für alle Paare i einer Symmetrieklasse SK(i) liegen die Messwerte bei den Winkelabständen ϑi vor. Das Ziel ist, für jede Symmetrieklasse SK die zugehörige Lookup-Tabelle LUTSK im gesamten Wertebereich von ϑ = 0° bis 180° mit Daten zu füllen.The measurement data are now sorted according to the affiliation of the detector pairs to symmetry classes in order to generate the lookup tables from them. For all pairs i of a symmetry class SK (i), the measured values are available at the angular distances ϑ i . The aim is to fill the associated lookup table LUT SK with data for each symmetry class SK in the entire value range from ϑ = 0 ° to 180 °.

Für jeden Wert ϑ aus dem Bereich von ϑ = 0° bis 180 ° wird nun jeweils der Datensatz ϑi einer Symmetrieklasse SK ausgesucht, der dem aktuellen Wert ϑ am nächsten liegt. Dieser Datensatz wird an die Stelle ϑ der Lookup-Tabelle kopiert. Man verfahre auf diese Weise bis alle Stellen ϑ von 0° bis 180° einer Lookup-Tabelle mit Daten gefüllt sind. Der Vorgang ist für alle Symmetrieklassen durchzuführen. Entsprechend dieser Vorgehensweise werden die Lookup-Tabellen eines Messgeräts generiert.For each value ϑ from the range from ϑ = 0 ° to 180 °, the data record ϑ i of a symmetry class SK that is closest to the current value ϑ is selected. This data record is copied to position ϑ in the lookup table. Proceed in this way until all positions ϑ from 0 ° to 180 ° in a lookup table are filled with data. The process must be carried out for all symmetry classes. The lookup tables of a measuring device are generated according to this procedure.

Die Messung ohne Referenzquelle dient dazu, den natürlichen Strahlungshintergrund zu messen. Der natürliche Strahlungshintergrund kann als isotrop angenommen werden. Alle Untergrund-Datensätze, die zur gleichen Symmetrieklasse gehören, können gemittelt werden. Der gemittelte Datensatz wird mit b j S K

Figure DE102019131696A1_0006
bezeichnet und gilt für alle Detektorpaare einer Symmetrieklasse SK.The measurement without a reference source is used to measure the natural radiation background. The natural radiation background can be assumed to be isotropic. All underground data sets belonging to the same symmetry class can be averaged. The averaged data set is with b j S. K
Figure DE102019131696A1_0006
denotes and applies to all detector pairs of a symmetry class SK.

Der in den Lookup-Tabellen enthaltene Strahlungshintergrund kann herausgerechnet werden, indem von jedem Element der Lookup-Tabelle L U T j S K ( ϑ )

Figure DE102019131696A1_0007
der Untergrund b j S K
Figure DE102019131696A1_0008
im Bin j der Messwertverteilung f(E1, E2) subtrahiert wird.The radiation background contained in the lookup tables can be deducted from each element of the lookup table L. U T j S. K ( ϑ )
Figure DE102019131696A1_0007
the underground b j S. K
Figure DE102019131696A1_0008
in bin j of the measured value distribution f (E1, E2) is subtracted.

Die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist zur Messung nuklidspezifischer Dosisleistungen geeignet. Zur Messung nuklidspezifischer Dosisleistungen werden Zählraten von Wechselwirkungsereignissen verwendet, deren Gesamtenergie der jeweiligen Nuklidenergie entspricht. Es gibt dabei vielfältige Optionen. Zum einen können die nuklidspezifischen Zählraten von allen im Gerät enthaltenen Detektoren mittlerer bis hoher Ordnungszahl verwendet werden, andererseits können auch Zählraten von Koinzidenzereignissen genutzt werden, deren Gesamtenergie E1+E2 in einem bestimmten Intervall um die Nuklidenergie liegt. Diese Zählraten können in Einheiten der Äquivalenz-Dosisleistung oder in Einheiten der absorbierten Dosisleistung (in Luft) kalibriert werden. Die Vorgehensweise soll hier kurz dargelegt werden.The device according to this invention is suitable for measuring nuclide-specific dose rates. To measure nuclide-specific dose rates, count rates of interaction events are used, the total energy of which corresponds to the respective nuclide energy. There are many options. On the one hand, the nuclide-specific count rates of all detectors of medium to high atomic number contained in the device can be used; on the other hand, count rates of coincidence events can also be used whose total energy E1 + E2 lies in a certain interval around the nuclide energy. These count rates can be calibrated in units of the equivalent dose rate or in units of the absorbed dose rate (in air). The procedure is briefly outlined here.

Die Kalibration wird mit einer Referenzquelle kalibrierter Aktivität Λ durchgeführt. Die Dosisleistung Ḋ bzw. die Äquivalenz-Dosisleistung Ḣ *(10) am Gerätemittelpunkt können aus der Aktivität Λ der Quelle, ihrem Abstand r und den nuklidspezifischen Dosisleistungskonstanten Γ bzw. ΓH berechnet werden. Die (physikalische) Dosisleistung Ḋ ergibt sich aus: D ˙ = d D d T = Γ r 2

Figure DE102019131696A1_0009
und die Äquivalenz-Dosisleistung Ḣ *(10) aus: H ˙ * ( 10 ) = d H * ( 10 ) d t = Γ H r 2
Figure DE102019131696A1_0010
The calibration is carried out with a reference source of calibrated activity Λ. The dose rate Ḋ or the equivalent dose rate Ḣ * (10) at the center of the device can be calculated from the activity Λ of the source, its distance r and the nuclide-specific dose rate constants Γ or Γ H. The (physical) dose rate Ḋ results from: D. ˙ = d D. d T = Γ r 2
Figure DE102019131696A1_0009
and the equivalent dose rate Ḣ * (10) from: H ˙ * ( 10 ) = d H * ( 10 ) d t = Γ H r 2
Figure DE102019131696A1_0010

Die Werte der Dosisleistungskonstante Γ und der Äquivalenz-Dosisleistungskonstante ΓH für die verschiedenen Nuklide können in Tabellen der einschlägigen Fachliteratur aufgefunden werden.The values of the dose rate constant Γ and the equivalent dose rate constant Γ H for the various nuclides can be found in tables in the relevant specialist literature.

Von den zur Verfügung stehenden nuklidspezifischen Zählraten des Gerätes ist nun eine Zählrate oder eine Kombination von Zählraten auszuwählen, die unter Vermeidung systematischer Fehler geeignet ist, die Dosisleistung zu repräsentieren. Eine mögliche Ursache für systematische Fehler bei der Messung der Dosisleistung ist ein ungleichmäßiges Ansprechverhalten des Gerätes in Bezug auf die Richtung der einfallenden Strahlung. Die Zählraten können beispielsweise durch Verschattungseffekte beeinträchtigt sein. Insbesondere die Koinzidenz-Zählraten zeichnen sich durch ihre starke Richtungsabhängigkeit aus. Die für die Richtungsmessung vorteilhafte Richtungsempfindlichkeit der Koinzidenz-Ereignisse kann eine erhebliche Fehlerursache bei der Messung der Dosisleistung sein.From the available nuclide-specific count rates of the device, a count rate or a combination of count rates must now be selected which is suitable for representing the dose rate while avoiding systematic errors. A possible cause of systematic errors when measuring the dose rate is an uneven response behavior of the device in relation to the direction of the incident radiation. The count rates can be impaired, for example, by shading effects. In particular, the coincidence counting rates are characterized by their strong directional dependence. The directional sensitivity of the coincidence events, which is advantageous for direction measurement, can be a significant cause of errors when measuring the dose rate.

Nachfolgend werden zwei Ausführungen der Erfindung vorgestellt, wie eine Messung nuklidspezifischer Dosisleistungen mit kleinen systematischen Fehlern möglich ist.Two embodiments of the invention are presented below, showing how a measurement of nuclide-specific dose rates with small systematic errors is possible.

Für Geräte, bei denen Verschattungseffekte vernachlässigbar sind, ist es sinnvoll, die in den Detektoren m = 1, ..., M hoher Ordnungszahl detektierten nuklidspezifischen Zähler Nm im Photo-Peak zu betrachten. Die Zählrate Z, definiert als: Z ˙ = d ( Max ( N 1 , , N M ) ) d t

Figure DE102019131696A1_0011
kann ein gutes Maß für die Dosisleistung sein, wenn es in jeder Richtung mindestens einen Detektor hoher Ordnungszahl gibt, der der einfallenden Strahlung ungehindert ausgesetzt ist. For devices in which shading effects are negligible, it makes sense to consider the nuclide-specific counters N m detected in the detectors m = 1, ..., M high atomic number in the photo peak. The count rate Z, defined as: Z ˙ = d ( Max ( N 1 , ... , N M. ) ) d t
Figure DE102019131696A1_0011
can be a good measure of the dose rate if there is at least one high atomic number detector in each direction that is exposed to the incident radiation unhindered.

Eine alternative Vorgehensweise bietet sich für Geräte an, die aus vielen Detektoren bestehen. Hier kann die Summe aller Koinzidenz-Zähler in der Häufigkeitsverteilung Y als Maß für die absorbierte Dosis dienen, vorausgesetzt, dass die Gesamtzählrate Z ˙ = d ( i , j Y i j ) d t

Figure DE102019131696A1_0012
richtungsunabhängig ist. Bei Vorhandensein vieler Detektorpaare mittelt sich die Richtungsabhängigkeit individueller Detektorpaare heraus; die Gesamtzählrate ist dann näherungsweise richtungsunabhängig.An alternative approach is available for devices that consist of many detectors. The sum of all coincidence counters in the frequency distribution Y can serve as a measure for the absorbed dose, provided that the total count rate Z ˙ = d ( i , j Y i j ) d t
Figure DE102019131696A1_0012
is directional. If there are many pairs of detectors, the directional dependency of individual pairs of detectors is averaged out; the total counting rate is then approximately independent of direction.

Die Eignung einer bestimmten Variabel Z zur Kalibration der Dosisleistung lässt sich überprüfen, indem eine Referenzquelle bei konstantem Abstand r um das Gerät bewegt wird. Bleibt die Zählrate Z konstant, während die Quelle um das Gerät bewegt wird, ist die Bedingung erfüllt. Die Variable Z kann dann zur Kalibration der Dosisleistung verwendet werden.The suitability of a certain variable Z for calibrating the dose rate can be checked by moving a reference source around the device at a constant distance r. If the count rate Z remains constant while the source is moved around the device, the condition is fulfilled. The variable Z can then be used to calibrate the dose rate.

Für die Kalibration der Dosisleistung mit der Zählrate Z wird eine Untergrundmessung ohne Quelle aufgezeichnet. Die so ermittelte Zählrate wird als Żb bezeichnet. Es können nun gerätespezifische Kalibrationskonstanten C und CH definiert werden, mit denen die Dosisleistung Ḋ D ˙ = C ( Z ˙ Z ˙ b )

Figure DE102019131696A1_0013
und die Äquivalenz-Dosisleistung Ḣ *(10) H ˙ * ( 10 ) = C H ( Z ˙ Z ˙ b )
Figure DE102019131696A1_0014
aus der untergrundkorrigierten Zählrate Ż - Żb berechnet werden können.For the calibration of the dose rate with the counting rate Z, a background measurement without a source is recorded. The counting rate determined in this way is referred to as Ż b . Device-specific calibration constants C and C H can now be defined with which the dose rate Ḋ D. ˙ = C. ( Z ˙ - Z ˙ b )
Figure DE102019131696A1_0013
and the equivalent dose rate Ḣ * (10) H ˙ * ( 10 ) = C. H ( Z ˙ - Z ˙ b )
Figure DE102019131696A1_0014
can be calculated from the background-corrected counting rate Ż - Ż b.

Die räumliche Richtungsverteilung X(ω, h) des Strahlungsfeldes (bzw. X(ω) im 2-dimensionalen Fall) kann nun mit beliebigen statistischen Bildrekonstruktionsverfahren, wie sie aus der Emissionstomographie bekannt sind, berechnet werden. Die statistischen Rekonstruktionsverfahren erlauben eine einheitliche Verarbeitung der Messdaten des gesamten Messgerätes, unabhängig davon, ob ein bestimmtes Detektorpaar uni- oder bidirektional ist.The spatial directional distribution X (ω, h) of the radiation field (or X (ω) in the 2-dimensional case) can now be calculated using any statistical image reconstruction method known from emission tomography. The statistical reconstruction methods allow uniform processing of the measurement data of the entire measuring device, regardless of whether a certain detector pair is unidirectional or bidirectional.

Zu den gebräuchlichen statistischen Bildrekonstruktionsverfahren gehören u.a.

  • - Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) Algorithmus
  • - Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) Algorithmus
  • - List Mode - Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) Algorithmus
  • - List Mode - Ordered Subset Expectation Maximization (LM-OSEM) Algorithmus
Common statistical image reconstruction methods include, among others
  • - Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) algorithm
  • - Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) algorithm
  • - List Mode - Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) algorithm
  • - List Mode - Ordered Subset Expectation Maximization (LM-OSEM) algorithm

Alle genannten Verfahren sind Beispiele für Algorithmen, deren Anwendungsbereich nicht auf die Medizin beschränkt ist. Mit der zuvor beschriebenen Vorgehensweise gemäß dieser Erfindung sind sie ohne Weiteres auch im ABC- und Strahlenschutz einsetzbar.All the methods mentioned are examples of algorithms, the scope of which is not restricted to medicine. With the procedure described above according to this invention, they can also be used without further ado in NBC and radiation protection.

Im Folgenden werden zwei Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wie eine räumliche Richtungsverteilung X(ω, h) bzw. eine ebene Richtungsverteilung X(ω) mit dem Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) Algorithmus berechnet werden kann. Die Ausführungen gelten für Geräte, in denen die Summe Σi,j Yij aller Einträge in der Häufigkeitsverteilung Y keine Richtungsabhängigkeit aufweist.In the following, two embodiments of the invention are described how a spatial directional distribution X (ω, h) or a planar directional distribution X (ω) can be calculated using the Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) algorithm. The explanations apply to devices in which the sum Σ i, j Y ij of all entries in the frequency distribution Y is not directional.

Nachfolgend wird ein Algorithmus zur Rekonstruktion einer 3-dimensionalen Richtungsverteilung beschrieben. Die Oberfläche der Himmelskugel wird zunächst in Breiten- und Längengrade eingeteilt. Jedes der gleich großen Flächenelemente auf der Himmelskugel entspricht einem Bildpixel (k, l) für das die Bestrahlungsstärke Xkl = X(ωk, hl) beim Azimutwinkel ωk und Höhenwinkel hl berechnet werden soll. Man achte darauf, dass die Klassen für den Höhenwinkel hl so gewählt werden, dass der Sinus des Höhenwinkels gleichverteilt im Intervall (-1,1) ist. Es gibt insgesamt K·L Pixel Xkl für K Klassen ωk und L Klassen hl.An algorithm for reconstructing a 3-dimensional directional distribution is described below. The surface of the celestial sphere is first divided into degrees of latitude and longitude. Each of the surface elements of the same size on the celestial sphere corresponds to an image pixel (k, l) for which the irradiance X kl = X (ω k , h l ) at the azimuth angle ω k and elevation angle h l is to be calculated. Make sure that the classes for the elevation angle h l are chosen in such a way that the sine of the elevation angle is uniformly distributed in the interval (-1,1). There is a total of K · L pixels X kl for K classes ω k and L classes h l .

Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) ist ein iteratives Verfahren, das Anfangswerte für die Richtungsverteilung X benötigt: k = 1, , K , l = 1, , L X k l [ 0 ] = 1

Figure DE102019131696A1_0015
Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) is an iterative method that requires initial values for the directional distribution X: k = 1, ... , K , l = 1, ... , L. X k l [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0015

Die MLEM Iterationsvorschrift zur Berechnung einer neuen Darstellung X k l [ n + 1 ]

Figure DE102019131696A1_0016
aus den Vorgängerwerten X k l [ n ]
Figure DE102019131696A1_0017
lautet: X k l [ n + 1 ] = X k l [ n ] = K L i , j Y i j i , j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k , h l , φ i , β i ) ] Y i j k ' = 1 K l ' = 1 L L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , h l ' , φ i , β i ) ] X k ' l ' [ i ]
Figure DE102019131696A1_0018
The MLEM iteration rule for calculating a new representation X k l [ n + 1 ]
Figure DE102019131696A1_0016
from the previous values X k l [ n ]
Figure DE102019131696A1_0017
reads: X k l [ n + 1 ] = X k l [ n ] = K L. i , j Y i j i , j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k , H l , φ i , β i ) ] Y i j k ' = 1 K l ' = 1 L. L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , H l ' , φ i , β i ) ] X k ' l ' [ i ]
Figure DE102019131696A1_0018

Hierin bezeichnet Yij die in der Häufigkeitstabelle Y registrierten Zähler (die Messwerte) für ein Detektorpaar i im Bin j der Messwertverteilung f(E1,E2). Beim Aufruf der Lookup-Tabellen LUTSK(i) ist der Winkelabstand ϑ zwischen einem Pixel (k, l) auf der Himmelskugel und einem Detektorpaar i zu berechnen. Im 3-dimensionalen Fall kann der Winkelabstand ϑ gemäß ϑ ( ω k , h l , φ i , β i ) = arccos ( cos β i cos h l cos ( ω k φ i ) + sin β i sin h l )

Figure DE102019131696A1_0019
berechnet werden, wobei φi der Azimutwinkel und βi der Höhenwinkel von Detektorpaar i sind.Here, Y ij denotes the counters (the measured values) registered in the frequency table Y for a detector pair i in bin j of the measured value distribution f (E1, E2). When the lookup tables LUT SK (i) are called , the angular distance ϑ between a pixel (k, l) on the celestial sphere and a detector pair i must be calculated. In the 3-dimensional case, the angular distance ϑ can be according to ϑ ( ω k , H l , φ i , β i ) = arccos ( cos β i cos H l cos ( ω k - φ i ) + sin β i sin H l )
Figure DE102019131696A1_0019
can be calculated, where φ i is the azimuth angle and β i is the elevation angle of detector pair i.

Der MLEM Algorithmus ist ein Verfahren, das eine Häufigkeitsverteilung, nämlich die gemessene Häufigkeitsverteilung Y, die angibt wie häufig in bestimmten Detektorpaaren bei bestimmten Messwerten Koinzidenzen aufgetreten sind, verwendet und daraus eine neue Häufigkeitsverteilung berechnet, nämlich die gesuchte Richtungsverteilung X, die angibt, mit welcher Häufigkeit die Strahlung aus bestimmten Einfallswinkeln ωk und hl am Detektionsort eintrifft.The MLEM algorithm is a method that uses a frequency distribution, namely the measured frequency distribution Y, which indicates how often coincidences have occurred in certain detector pairs for certain measured values, and calculates a new frequency distribution from this, namely the sought directional distribution X, which indicates with which Frequency of radiation arriving at the detection location from certain angles of incidence ω k and h l.

Gleichung (13) ist so formuliert, dass die Iterationsvorschrift parallel zur Datenakquisition ausgeführt werden kann, während noch fortlaufend Koinzidenz-Zähler Yij in der Häufigkeitsverteilung Y akkumuliert werden.Equation (13) is formulated in such a way that the iteration rule can be executed in parallel with the data acquisition, while the coincidence counters Y ij are continuously accumulated in the frequency distribution Y.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann eine ebene Richtungsverteilung Xk = X(ωk) mit dem MLEM Algorithmus berechnet werden. Es wird eine Anfangsverteilung initialisiert k = 1, , K X k [ 0 ] = 1

Figure DE102019131696A1_0020
und eine Iterationsschleife mit der Iterationsvorschrift: X k [ n + 1 ] = X k [ n ] K i , j Y i j i , j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k , φ i ) ] Y i j k ' = 1 K L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , φ i ) ] X k ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0021
durchlaufen. Der Winkelabstand ϑ wird im 2-dimensionalen Fall mit ϑ ( ω k , φ i ) = arccos ( cos ( ω k φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0022
berechnet.In a further embodiment of the invention, a planar directional distribution X k = X (ω k ) can be calculated using the MLEM algorithm. An initial distribution is initialized k = 1, ... , K X k [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0020
and an iteration loop with the iteration rule: X k [ n + 1 ] = X k [ n ] K i , j Y i j i , j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k , φ i ) ] Y i j k ' = 1 K L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , φ i ) ] X k ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0021
run through. The angular distance ϑ is in the 2-dimensional case with ϑ ( ω k , φ i ) = arccos ( cos ( ω k - φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0022
calculated.

Die Richtungsverteilung X des Strahlungsfeldes ist zunächst einheitenlos. Die Werte Xkl repräsentieren die relativen Strahlungsintensitäten in den verschiedenen Einfallsrichtungen ωk und hl. Mit der zuvor beschriebenen Kalibration der Strahlungsintensität kann X jedoch auch als Verteilung mit der Maßeinheit einer Dosisleistung pro Raumwinkel angegeben werden. Hierfür werden die Intensitätswerte Xkl mit einem Skalierungsfaktor multipliziert.The directional distribution X of the radiation field is initially unitless. The values X kl represent the relative radiation intensities in the various directions of incidence ω k and h l . With the calibration of the radiation intensity described above, however, X can also be specified as a distribution with the unit of measurement of a dose rate per solid angle. For this purpose, the intensity values X kl are multiplied by a scaling factor.

Die Dosisleistung Ḋ pro Raumwinkel dΩ wird mit d D ( ω k , h l ) d t d Ω = C ( Z ˙ Z ˙ b ) 4 π X k l

Figure DE102019131696A1_0023
die Äquivalenz-Dosisleistung Ḣ *(10) pro Raumwinkel dΩ mit: d H * ( 10 ) ( ω k , h l ) d t d Ω = C H ( Z ˙ Z ˙ b ) 4 π X k l
Figure DE102019131696A1_0024
berechnet.The dose rate Ḋ per solid angle dΩ is given by d D. ( ω k , H l ) d t d Ω = C. ( Z ˙ - Z ˙ b ) 4th π X k l
Figure DE102019131696A1_0023
the equivalent dose rate Ḣ * (10) per solid angle dΩ with: d H * ( 10 ) ( ω k , H l ) d t d Ω = C. H ( Z ˙ - Z ˙ b ) 4th π X k l
Figure DE102019131696A1_0024
calculated.

Im 2-dimensionalen Fall gilt: d D ( ω k ) d t d ω = C ( Z ˙ Z ˙ b ) 2 π X k

Figure DE102019131696A1_0025
und: d H * ( ω k ) d t d ω = C H ( Z ˙ Z ˙ b ) 2 π X k
Figure DE102019131696A1_0026
In the 2-dimensional case, the following applies: d D. ( ω k ) d t d ω = C. ( Z ˙ - Z ˙ b ) 2 π X k
Figure DE102019131696A1_0025
and: d H * ( ω k ) d t d ω = C. H ( Z ˙ - Z ˙ b ) 2 π X k
Figure DE102019131696A1_0026

Für den Dosisleistungsbereich bis zu 1 µSv/h kann die (physikalische) Dosisleistung pro Raumwinkel z.B. mit der Maßeinheit pGy sr-1 s-1 angegeben werden. Die Äquivalenz-Dosisleistung pro Raumwinkel kann beispielsweise in Einheiten von nSv sr-1 h-1 gemessen werden.For the dose rate range up to 1 µSv / h, the (physical) dose rate per solid angle can be specified, for example, with the unit of measurement pGy sr -1 s -1. The equivalent dose rate per solid angle can be measured, for example, in units of nSv sr −1 h −1.

Wird die Dosisleistung pro Raumwinkel über alle Einfallsrichtungen gemittelt, ergibt sich die Dosisleistung Ḋ, welche aus allen Richtungen empfangen wird, dividiert durch 4π. Gleiches gilt für die Äquivalenz-Dosisleistung: Die über alle Einfallsrichtungen gemittelte Äquivalenz-Dosisleistung pro Raumwinkel ist gleich der Äquivalenz-Dosisleistung Ḣ *(10), dividiert durch 4π.If the dose rate per solid angle is averaged over all directions of incidence, the result is the dose rate Ḋ, which is received from all directions, divided by 4π. The same applies to the equivalent dose rate: The equivalent dose rate averaged over all directions of incidence per solid angle is equal to the equivalent dose rate Ḣ * (10), divided by 4π.

Ein zentraler Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die aufgezeichneten Lookup-Tabellen. Lookup-Tabellen sind energiespezifisch und gelten jeweils für die charakteristische Strahlungsenergie der Strahlungsquelle. Zur Einrichtung eines Messgeräts für bestimmte Einsatzbedingungen sind verschiedene Optionen möglich. Ist die Einsatzbestimmung an eine überschaubare Anzahl von Nukliden gekoppelt, kann es sinnvoll sein, für jedes Nuklid einen Satz von Lookup-Tabellen anzulegen. Wenn das Messgerät hingegen in einem breiten Energiebereich mit ganz unterschiedlichen Nukliden verwendet werden soll, ist es vorteilhaft, eine weitere Stufe der Datenaufbereitung durchzuführen. Die Häufigkeitsverteilungen der Lookup-Tabellen können mit Funktionen gefittet werden. Die Fitparameter werden für verschiedene Gammaenergien erfasst und als energieabhängige Funktionen hinterlegt. Während einer Messung können aus den gespeicherten energieabhängigen Funktionen Lookup-Tabellen für beliebige Gammaenergien erzeugt werden. Das Gerät kann so dynamisch an die konkret vorliegenden Situationen angepasst werden. Es können Strahlungsquellen über einen weiten Energiebereich abgebildet werden.The recorded lookup tables are a central component of the method according to the invention. Lookup tables are energy-specific and apply to the characteristic radiation energy of the radiation source. Various options are available for setting up a measuring device for specific operating conditions. If the determination of use is linked to a manageable number of nuclides, it can make sense to create a set of lookup tables for each nuclide. If, on the other hand, the measuring device is to be used in a wide energy range with very different nuclides, it is advantageous to to carry out a further stage of data preparation. The frequency distributions of the lookup tables can be fitted with functions. The fit parameters are recorded for different gamma energies and stored as energy-dependent functions. During a measurement, look-up tables for any gamma energies can be generated from the stored energy-dependent functions. The device can thus be dynamically adapted to the specific situation. Radiation sources can be mapped over a wide energy range.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand von Ausführungsbeispielen und in Zeichnungen näher beschrieben. Die Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.The method according to the invention is described in more detail below with reference to exemplary embodiments and in drawings. The explanations are merely exemplary and do not restrict the general inventive concept.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses vor Schritt a) zusätzlich in Teilen oder in Gänze die folgende Abfolge von Schritten:

  • - Kalibrieren der Signale von allen Detektoren als absorbierte Strahlungsenergie E;
  • - Auswählen eines geeigneten Koordinatensystems;
  • - Identifizieren der für die Richtungsmessung geeigneten Detektorpaare, wobei die definierten Detektorpaare mindestens einen Detektor aus einem Material mit einer Ordnungszahl von Zeff > 30 enthalten und Kennzeichnen dieser mit einer ID-Nummer i;
  • - Verschalten aller Detektoren in einer Koinzidenzschaltung derart, dass Koinzidenzen aller identifizierten Detektorpaare erfasst werden;
  • - Kennzeichnen der beiden Detektoren eines jeden definierten Detektorpaares i mit den Nummern 1 bzw. 2, der Detektor mit der niedrigeren Ordnungszahl erhält die Nummer 1, derjenige mit der höheren Ordnungszahl die Nummer 2, bestehen beide Detektoren aus dem gleichen Material kann die Kennzeichnung als 1 bzw. 2 willkürlich getroffen werden;
  • - Erfassen der Richtungen der definierten Detektorpaare, wobei in der 2-dimensionalen Richtungsmessung die Richtung von Detektorpaar i mit dem Azimutwinkel φi erfasst wird und wobei in der 3-dimensionalen Richtungsmessung die Richtung von Detektorpaar i mit dem Azimutwinkel φi und dem Höhenwinkel hi erfasst wird;
  • - Definieren eines Funktionswerts f(E1,E2) welcher aus zwei koinzidenten Energiewerten E1 und E2 in den beiden Detektoren eines Detektorpaares i berechnet wird, wobei der Messbereich für f(E1,E2) festgelegt und in äquidistante Messwertkanäle j = 1, ...,J eingeteilt wird;
  • - Anlegen eines oder mehrerer 2-dimensionaler Arrays mit I · J Feldern als Datenstrukturen zur Speicherung der Häufigkeitsverteilungen Y, in welchen Koinzidenzereignisse entsprechend ihrer ID-Nummer i und ihres Messwertkanals j registriert werden; für jedes Radionuklid wird ein separates 2-dimensionales Array Y angelegt;
  • - Einteilen der Detektorpaare i in Symmetrieklassen SK, wobei diejenigen Detektorpaare i, die bei Drehung oder Verschiebung auf andere baugleiche Detektorpaare abgebildet werden, zu jeweils einer Symmetrieklasse SK(i) zusammengefasst werden;
  • - Anlegen einer oder mehrerer Lookup-Tabellen LUTSK für jede Symmetrieklasse SK und jedes Radionuklid, wobei diese einen Winkelbereich ϑ vonbis 180° umspannen und in äquidistante Winkelschritte eingeteilt werden;
  • - Erstellen einer Vorschrift zur Erzeugung und Validierung der Lookup-Tabellen LUTSK aus Referenzmessungen, welche die Referenzquellen auswählt, den Nuklidtyp berücksichtigt, sowie die Messbedingungen definiert, unter denen die Messungen durchzuführen sind;
  • - Ausführen von Referenzmessungen für alle in der Vorschrift zuvor definierten Schritte;
  • - Erstellen und Validieren der Lookup-Tabellen LUTSK gemäß der zuvor definierten Vorschrift zur Auswertung der Messdaten aus den Referenzmessungen;
  • - Erfassen des natürlichen Strahlungshintergrundes bSK(i) für alle Symmetrieklassen SK;
  • - Exkludieren des natürlichen Strahlungshintergrundes bSK aus den Lookup-Tabellen LUTSK;
  • - Übergeben sämtlicher Lookup-Tabellen LUTSK für alle Symmetrieklassen und alle Radionuklide an einen Algorithmus der Bildrekonstruktion, welcher die Messdaten verarbeitet und die Richtungsverteilungen X berechnet.
According to an advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, before step a) it additionally comprises, in part or in whole, the following sequence of steps:
  • - calibrating the signals from all detectors as absorbed radiant energy E;
  • - Selecting a suitable coordinate system;
  • - Identifying the detector pairs suitable for the direction measurement, the defined detector pairs containing at least one detector made of a material with an ordinal number of Z eff> 30 and identifying this with an ID number i;
  • - Interconnection of all detectors in a coincidence circuit in such a way that coincidences of all identified detector pairs are detected;
  • - Identify the two detectors of each defined pair of detectors i with the numbers 1 and 2, the detector with the lower ordinal number receives the number 1, the one with the higher ordinal number the number 2, if both detectors are made of the same material, the identification as 1 or 2 are hit at random;
  • - Detecting the directions of the defined detector pairs, whereby in the 2-dimensional direction measurement the direction of detector pair i is detected with the azimuth angle φ i and where in the 3-dimensional direction measurement the direction of detector pair i with the azimuth angle φ i and the elevation angle h i is captured;
  • - Define a function value f (E1, E2) which is calculated from two coincident energy values E1 and E2 in the two detectors of a detector pair i, whereby the measuring range for f (E1, E2) is defined and divided into equidistant measuring value channels j = 1, ... , J is classified;
  • Creation of one or more 2-dimensional arrays with I · J fields as data structures for storing the frequency distributions Y, in which coincidence events are registered according to their ID number i and their measured value channel j; a separate 2-dimensional array Y is created for each radionuclide;
  • - Division of the detector pairs i into symmetry classes SK, with those detector pairs i that are mapped onto other structurally identical detector pairs when rotated or shifted, each being combined into a symmetry class SK (i);
  • Creation of one or more lookup tables LUT SK for each symmetry class SK and each radionuclide, these spanning an angular range ϑ from 0 ° to 180 ° and being divided into equidistant angular steps;
  • - Creation of a rule for generating and validating the lookup tables LUT SK from reference measurements, which selects the reference sources, takes the nuclide type into account, and defines the measurement conditions under which the measurements are to be carried out;
  • - Execution of reference measurements for all steps previously defined in the regulation;
  • - Creation and validation of the lookup tables LUT SK in accordance with the previously defined rule for evaluating the measurement data from the reference measurements;
  • - Detecting the natural radiation background b SK (i) for all symmetry classes SK;
  • - Excluding the natural radiation background b SK from the lookup tables LUT SK ;
  • Transfer of all lookup tables LUT SK for all symmetry classes and all radionuclides to an image reconstruction algorithm which processes the measurement data and calculates the direction distributions X.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Detektor ein Szintillationsdetektor verwendet und/oder ist der Szintillator als monolithischer Block oder als pixeliertes Szintillatormodul ausgebildet und/oder der Szintillator aus reinen oder dotierten Materialien der Gruppe von PVT, Anthracen, Stilben, p-Terphenyl, CaF2, BaF2, Nal, CeBr3, LaBr3, LaCl3, La(BrxCl1-x)3, Csl, SrI2, CLYC, CLBC, CLCB, BGO, LSO, LYSO, GAGG, YAP und/oder YAG gebildet ist.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a scintillation detector is used as the detector and / or the scintillator is designed as a monolithic block or as a pixelated scintillator module and / or the scintillator is made from pure or doped materials from the group of PVT, anthracene, stilbene, p-terphenyl , CaF 2 , BaF 2 , Nal, CeBr 3 , LaBr 3 , LaCl 3 , La (Br x Cl 1-x ) 3 , Csl, SrI 2 , CLYC, CLBC, CLCB, BGO, LSO, LYSO, GAGG, YAP and / or YAG is formed.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Detektor ein Halbleiterdetektor verwendet und/oder ist der Halbleiter als segmentierter oder unsegmentierter Halbleiter ausgebildet und/oder welche eine planare oder koaxiale Geometrie aufweist und/oder welcher aus Materialien der Gruppe von Ge, GaAs, CdTe und/oder CdZnTe gebildet ist.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a semiconductor detector is used as the detector and / or the semiconductor is designed as a segmented or unsegmented semiconductor and / or which has a planar or coaxial geometry and / or which is made of materials from the group of Ge, GaAs, CdTe and / or CdZnTe is formed.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mind. zwei Detektoren verwendet.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, at least two detectors are used.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind alle verwendeten Detektoren im Wesentlichen baugleich, oder mindestens zwei der verwendeten Detektoren sind voneinander verschieden.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, all detectors used are essentially structurally identical, or at least two of the detectors used are different from one another.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens emittieren die Strahlungsquellen eine diskrete und/oder kontinuierliche Verteilung von Strahlung.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, the radiation sources emit a discrete and / or continuous distribution of radiation.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens emittieren die Strahlungsquellen Gamma-, Elektronen-, Positronen-, Protonen- und/oder Neutronenstrahlung. Hierbei kann die Strahlung aus dem radioaktiven Zerfall eines oder mehrerer Radionuklide stammen.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, the radiation sources emit gamma, electron, positron, proton and / or neutron radiation. The radiation can come from the radioactive decay of one or more radionuclides.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Strahlung eine niedrige Intensität auf, als dies z. B. in der Astronomie der Fall ist.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the radiation has a lower intensity than z. B. is the case in astronomy.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Detektor- und Systemelektronik verwendet, die analoge und/oder digitale Elektronikkomponenten benutzt. Dabei können die analogen Elektronikkomponenten eine Kombination verschiedener Module umfassen, zu denen eine Hochspannungsversorgung, ein Vorverstärker, ein Verstärker, ein Pulsformer, ein Ladungsintegrator, ein Pulshöhenanalysator, ein Multikanalanalysator (MCA) und/oder eine Koinzidenzschaltung zählen.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, detector and system electronics are used that use analog and / or digital electronic components. The analog electronic components can include a combination of different modules, including a high-voltage supply, a preamplifier, an amplifier, a pulse shaper, a charge integrator, a pulse height analyzer, a multi-channel analyzer (MCA) and / or a coincidence circuit.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die digitalen Elektronikkomponenten eine Kombination verschiedener Hard- und Softwarekomponenten, zu denen eine Hochspannungsversorgung, ein A/D-Wandler pro Detektor, ein Field Programmable Gate Array (FPGA), ein Speichermedium, ein digitaler Signalprozessor und/oder eine Auswertesoftware zählen.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the digital electronic components comprise a combination of various hardware and software components, including a high-voltage supply, an A / D converter per detector, a field programmable gate array (FPGA), a storage medium, a digital signal processor and / or an evaluation software count.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der aus den beiden Energiewerten E1, E2 berechnete Funktionswert f(E1,E2) die Energieasymmetrie f(E1, F2) = (E2 - E1)/(E1 + E2) oder der Kosinus vom Compton-Streuwinkel f(E1, E2) = 1 - mc2/E2 + mc2/(E1 + E2) mit mc2 = 511 keV.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the function value f (E1, E2) calculated from the two energy values E1, E2 is the energy asymmetry f (E1, F2) = (E2-E1) / (E1 + E2) or the cosine of Compton -The scattering angle f (E1, E2) = 1 - mc 2 / E2 + mc 2 / (E1 + E2) with mc 2 = 511 keV.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Selektion von Koinzidenzereignissen eine Selektionsbedingung bezüglich der Energiesumme E1+E2 der in beiden Detektoren eines Paares detektierten Energien angewendet.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, a selection condition with regard to the energy sum E1 + E2 of the energies detected in both detectors of a pair is applied in the selection of coincidence events.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jedes Radionuklid eine separate Häufigkeitsverteilung Y angelegt und/oder wird für jedes Radionuklid eine separate Richtungsverteilung X berechnet.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, a separate frequency distribution Y is created for each radionuclide and / or a separate directional distribution X is calculated for each radionuclide.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei Radionukliden mit mehreren Gammaenergien mehrere Selektionsbedingungen bezüglich der Energiesumme E1+E2 angewendet und/oder werden für solche Radionuklide mit mehreren Gammaenergien eine oder mehrere Häufigkeitsverteilungen Y angelegt.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, several selection conditions with regard to the energy sum E1 + E2 are applied to radionuclides with several gamma energies and / or one or more frequency distributions Y are applied for such radionuclides with several gamma energies.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Lookup-Tabellen LUTSK durch Messungen mit dem Detektorsystem oder durch Monte Carlo Simulationen oder mittels eines theoretischen Modells erstellt.According to a further advantageous exemplary embodiment of the method according to the invention, the lookup tables LUT SK are created by measurements with the detector system or by Monte Carlo simulations or by means of a theoretical model.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das statistische Bildrekonstruktionsverfahren ein Teil von oder in Gänze das Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) Verfahren, das Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) Verfahren, das List Mode - Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) Verfahren und/oder das List Mode - Ordered Subset Expectation Maximization (LM-OSEM) Verfahren.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the statistical image reconstruction method is part or in whole of the Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) method, the Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) method, the List Mode - Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) ) Procedure and / or the List Mode - Ordered Subset Expectation Maximization (LM-OSEM) procedure.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jedes detektierte Radionuklid eine 2-dimensionale Richtungsverteilung Xk = X(ωk) gemäß X k [ n + 1 ] = X k [ n ] K i , j Y i j i , j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k , φ i ) ] Y i j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , φ i ) ] X k ' [ n ]

Figure DE102019131696A1_0027
aus einer Anfangsverteilung k = 1, , K X k [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0028
unter Nutzung von Lookup-Tabellen LUTSK und einer Winkelabstandsfunktion gemäß ϑ ( ω k , φ i ) = arccos ( cos ( ω k φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0029
berechnet.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a 2-dimensional directional distribution X k = X (ω k ) according to is for each detected radionuclide X k [ n + 1 ] = X k [ n ] K i , j Y i j i , j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k , φ i ) ] Y i j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , φ i ) ] X k ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0027
from an initial distribution k = 1, ... , K X k [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0028
using lookup tables LUT SK and an angular distance function according to ϑ ( ω k , φ i ) = arccos ( cos ( ω k - φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0029
calculated.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jedes detektierte Radionuklid eine 3-dimensionale Richtungsverteilung Xkl = X(ωk, hl) gemäß X k l [ n + 1 ] = X k l [ n ] K L i , j Y i j i , j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k , h l , φ i , β i ) ] Y i j k ' = 1 K l ' = 1 L L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , h l ' , φ i , β i ) ] X k ' l ' [ n ]

Figure DE102019131696A1_0030
aus einer Anfangsverteilung k = 1, , K , l = 1, , L X k l [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0031
unter Nutzung von Lookup-Tabellen LUTSK und einer Winkelabstandsfunktion gemäß ϑ ( ω k , h l , φ i , β i ) = arccos ( cos β i cos h l cos ( ω k φ i ) + sin β i sin h l )
Figure DE102019131696A1_0032
berechnet.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a 3-dimensional directional distribution X kl = X (ω k , h l ) according to is for each detected radionuclide X k l [ n + 1 ] = X k l [ n ] K L. i , j Y i j i , j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k , H l , φ i , β i ) ] Y i j k ' = 1 K l ' = 1 L. L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , H l ' , φ i , β i ) ] X k ' l ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0030
from an initial distribution k = 1, ... , K , l = 1, ... , L. X k l [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0031
using lookup tables LUT SK and an angular distance function according to ϑ ( ω k , H l , φ i , β i ) = arccos ( cos β i cos H l cos ( ω k - φ i ) + sin β i sin H l )
Figure DE102019131696A1_0032
calculated.

Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Gruppe von mehreren synchronisierten Detektoren zur Erfassung von Strahlung umfasst, wobei mindestens ein Detektormaterial eine Ordnungszahl von Zeff > 30 aufweist und alle Detektoren die Energien E messen, welche in Wechselwirkungen der Strahlung mit den Detektormaterialien auftreten.The invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention, the device according to the invention comprising a group of several synchronized detectors for detecting radiation, at least one detector material having an ordinal number of Z eff > 30 and all detectors measuring the energies E, which in Interactions of the radiation with the detector materials occur.

Weiter weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Systemelektronik auf, welche Koinzidenzereignisse registriert, wenn in je zwei Detektoren aus einer Liste von definierten Detektorpaaren i gleichzeitig Wechselwirkungen stattfinden, wobei die beiden Detektoren aller definierten Detektorpaare i eindeutig mit den Nummern 1 bzw. 2 gekennzeichnet sind;The device according to the invention also has system electronics which register coincidence events when interactions take place simultaneously in two detectors from a list of defined detector pairs i, the two detectors of all defined detector pairs i being uniquely identified with the numbers 1 and 2;

Weiter weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Datenakquisitionssystem auf, das die in Koinzidenzereignissen gemessenen Energien (E1,E2) entsprechend ihrer Kennzeichnung ordnet und in einer chronologischen Liste mit den Attributen {i, E1, E2} und der Detektionszeit t speichert.The device according to the invention also has a data acquisition system which arranges the energies (E1, E2) measured in coincidence events according to their identification and saves them in a chronological list with the attributes {i, E1, E2} and the detection time t.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Analyseeinheit auf, die aus den vom Datenakquisitionssystem gespeicherten Daten eine oder mehrere Häufigkeitsverteilungen Y erstellt und eine oder mehrere Richtungsverteilungen X des Strahlungsfeldes rekonstruiert.In addition, the device according to the invention has an analysis unit which creates one or more frequency distributions Y from the data stored by the data acquisition system and reconstructs one or more direction distributions X of the radiation field.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese teilweise oder komplett als eine Compton Kamera, ein Compton Teleskop, eine Single Plane Compton Kamera, eine Neutronenkamera und/oder eine duale Gamma/Neutronenkamera ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, this is partially or completely designed as a Compton camera, a Compton telescope, a single plane Compton camera, a neutron camera and / or a dual gamma / neutron camera.

Im Sinne der Erfindung wird unter einer Vorrichtung auch ein Messgerät, kurz Gerät oder ein Detektorsystem verstanden.In the context of the invention, a device is also understood to mean a measuring device, or device for short, or a detector system.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat die Gesamtheit aller Detektoren der Vorrichtung eine ringförmige Gestalt, bei der die Detektoren in einem Ring angeordnet sind, wobei im Inneren des Rings kein, ein oder mehrere Zentraldetektoren vorliegen. Weiter enthält der Ring bevorzugt vier oder fünf und besonders bevorzugt sechs Plastik-Szintillationsdetektoren. Weiter befinden sich im Inneren des Rings bevorzugt ein oder zwei Szintillationsdetektoren aus Nal, Csl, CeBr3 und/oder LaBr3.According to a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the entirety of all detectors of the device has an annular shape in which the detectors are arranged in a ring, with no, one or more central detectors being present in the interior of the ring. Furthermore, the ring preferably contains four or five and particularly preferably six plastic scintillation detectors. Furthermore, one or two scintillation detectors made of Nal, Csl, CeBr 3 and / or LaBr 3 are preferably located inside the ring.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese bevorzugt aus Szintillationsdetektoren der Größe 1''x1'', 1,5''x1,5'', 2''x2'' und/oder 3''x3'' aufgebaut.According to a further advantageous exemplary embodiment of the device according to the invention, it is preferably constructed from scintillation detectors of size 1 "x1", 1.5 "x 1.5", 2 "x2" and / or 3 "x 3".

Es zeigen:

  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines unidirektionalen Detektorpaars in einer zwei-dimensionalen Messsituation, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines bidirektionalen Detektorpaars in einer zwei-dimensionalen Messsituation gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung des Strahlungseinfalls von einer Quelle auf ein Detektorpaar 1,2 in einer zwei-dimensionalen Messsituation, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines Vorrichtungsmodells mit einem zentralen Cerbromid-Detektor, der von sechs ringförmig angeordneten Plastik-Detektoren umgeben ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines Vorrichtungsmodelles gemäß , in dem ein weiterer Cerbromid-Detektor eingebracht ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine schematische Darstellung einer Häufigkeitsverteilung Y des Vorrichtungsmodells aus in einer 2-dimensionalen Richtungsmessung, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung einer ersten Symmetrieklasse von insgesamt vier zu einem Quadrat angeordneten, würfelförmigen Detektoren, wobei zwei horizontale und zwei vertikale Detektorpaare vorliegen, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung einer weiteren Symmetrieklasse der vier zu einem Quadrat angeordneten, würfelförmigen Detektoren aus , gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine schematische Darstellung einer Häufigkeitsverteilung Y des Vorrichtungsmodells aus in einer 3-dimensionalen Richtungsmessung, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung einer Richtungsverteilung für ein Strahlungsfernfeld, dessen Emissionspunkte alle in einer Ebene liegen. Die Richtungsverteilung wird als vom Azimutwinkel ω abhängige Funktion X(ω) entlang des Horizontkreises modelliert, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung einer Richtungsverteilung für ein Strahlungsfernfeld, dessen Emissionspunkte beliebig im Raum verteilt sind. Die Richtungsverteilung wird als vom Azimutwinkel ω und vom Höhenwinkel h abhängige Funktion X(ω, h) auf der Himmelskugel modelliert, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine schematische Darstellung einer Lookup-Tabelle, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • ein Diagramm mit gemessenen Abbildungsfunktionen aus einer Lookup-Tabelle des Vorrichtungsmodells aus für CeBr3 - Plastik Detektorpaare bei ausgewählten Asymmetriewerten A, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • vier Diagramme von berechneten Asymmetriekurven in den Lookup-Tabellen von uni- und bidirektionalen Detektorpaaren für die Radionuklide Co-60 und Cs-137, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines Messplans mit Winkelpositionen einer Referenzquelle zur Erstellung einer Lookup-Tabelle für das Vorrichtungsmodell aus , gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine schematische Darstellung eines Rechenschemas für ein MLEM Verfahren zur Rekonstruktion der Richtungsverteilung eines Strahlungsfeldes, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • neun Diagramme von gemessenen Richtungsverteilungen für Strahlungsfelder mit einer, zwei und drei punktförmigen Strahlungsquellen. Die Darstellungen sind Beispiele für 2-dimensionale Richtungsmessungen mit dem Vorrichtungsmodell aus , gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines Vorrichtungsmodells samt der Verschattungsverhältnisse, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Show it:
  • a schematic representation, not true to scale, of a unidirectional pair of detectors in a two-dimensional measurement situation, according to an embodiment of the invention;
  • a schematic representation, not true to scale, of a bidirectional pair of detectors in a two-dimensional measurement situation according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation, not true to scale, of the incidence of radiation from a source on a pair of detectors 1, 2 in a two-dimensional measurement situation, according to a further embodiment of the invention;
  • a not to scale, schematic representation of a device model with a central cerium bromide detector, which is surrounded by six ring-shaped plastic detectors, according to a further embodiment of the invention;
  • a not to scale, schematic representation of a device model according to FIG , in which a further cerium bromide detector is introduced, according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation of a frequency distribution Y of the device model in a 2-dimensional direction measurement, according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation, not true to scale, of a first symmetry class of a total of four cube-shaped detectors arranged in a square, two horizontal and two vertical detector pairs being present, according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation, not true to scale, of a further symmetry class of the four cube-shaped detectors arranged in a square , according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation of a frequency distribution Y of the device model in a 3-dimensional direction measurement, according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation, not true to scale, of a directional distribution for a radiation far field, the emission points of which are all in one plane. The direction distribution is modeled as a function X (ω), which is dependent on the azimuth angle ω, along the horizon circle, according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation, not true to scale, of a directional distribution for a radiation far field, the emission points of which are arbitrarily distributed in space. The directional distribution is modeled on the celestial sphere as a function X (ω, h) dependent on the azimuth angle ω and the elevation angle h, according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation of a lookup table, according to a further embodiment of the invention;
  • a diagram with measured mapping functions from a lookup table of the device model for CeBr 3 plastic detector pairs with selected asymmetry values A, according to a further embodiment of the invention;
  • four diagrams of calculated asymmetry curves in the lookup tables of unidirectional and bidirectional detector pairs for the radionuclides Co-60 and Cs-137, according to a further embodiment of the invention;
  • a not to scale, schematic representation of a measurement plan with angular positions of a reference source for creating a lookup table for the device model , according to a further embodiment of the invention;
  • a schematic representation of a calculation scheme for an MLEM method for reconstructing the directional distribution of a radiation field, according to a further embodiment of the invention;
  • nine diagrams of measured directional distributions for radiation fields with one, two and three point radiation sources. The representations are examples of 2-dimensional direction measurements with the device model , according to a further embodiment of the invention;
  • a not to scale, schematic representation of a device model including the shading conditions, according to a further embodiment of the invention;

In der ist eine nicht-maßstabsgetreue, schematische Darstellung eines unidirektionalen Detektorpaares in einer zwei-dimensionalen Messsituation dargestellt. Der Detektor mit niedrigerer Ordnungszahl ist mit der Nummer 1 gekennzeichnet, der Detektor mit höherer Ordnungszahl mit der Nummer 2. Die Rekonstruktion der Einfallsrichtung bleibt zweideutig. Zwar kann der Winkel der einfallenden Strahlung zur Verbindungslinie beider Detektoren gemessen werden, nicht jedoch die Seite, auf welcher die Quelle liegt.In the is a not true to scale, schematic representation of a unidirectional detector pair in a two-dimensional measurement situation. The detector with the lower atomic number is marked with the number 1, the detector with the higher atomic number with the number 2. The reconstruction of the direction of incidence remains ambiguous. It is true that the angle of the incident radiation to the connecting line of the two detectors can be measured, but not the side on which the source lies.

zeigt eine schematische Darstellung eines bidirektionalen Detektorpaares in einer zwei-dimensionalen Messsituation. Beide Detektoren bestehen aus Materialien mit gleicher oder ähnlicher Ordnungszahl. Die Kennzeichnung der zwei Detektoren eines bidirektionalen Paares in Detektor 1 und Detektor 2 wird einmal festgelegt und ist dann in allen Berechnungen konsistent anzuwenden. Wie auch bei dem unidirektionalen Detektorpaar in bleibt die Rekonstruktion der Einfallsrichtung zweideutig. Es kann der Winkel der einfallenden Strahlung zur Verbindungslinie beider Detektoren gemessen werden, nicht jedoch die Seite, auf welcher die Quelle liegt. shows a schematic representation of a bidirectional pair of detectors in a two-dimensional measurement situation. Both detectors are made of materials with the same or similar atomic number. The identification of the two detectors of a bidirectional pair in detector 1 and detector 2 is defined once and must then be used consistently in all calculations. As with the unidirectional pair of detectors in the reconstruction of the direction of incidence remains ambiguous. The angle of the incident radiation to the connecting line of the two detectors can be measured, but not the side on which the source lies.

zeigt den Strahlungseinfall einer Quelle auf ein Detektorpaar 1,2 in einer zwei-dimensionalen Messsituation. shows the incidence of radiation from a source on a pair of detectors 1, 2 in a two-dimensional measurement situation.

zeigt zwei Vorrichtungsmodelle gemäß der Erfindung. Im Modell von ist ein zentraler Cerbromid-Detektor von sechs ringförmig angeordneten Plastik-Detektoren umgeben. Dieses Modell ist für die 2-dimensionale Richtungsmessung geeignet. Wird unter dem zentralen Cerbromid-Detektor ein weiterer Cerbromid-Detektor eingebracht, entsteht das Modell von , welches 3-dimensionale Richtungsmessungen erlaubt. shows two device models according to the invention. In the model of a central cerium bromide detector is surrounded by six ring-shaped plastic detectors. This model is suitable for 2-dimensional direction measurement. If another cerium bromide detector is placed under the central cerium bromide detector, the model of is created , which allows 3-dimensional direction measurements.

zeigt ein Beispiel für eine Häufigkeitsverteilung Y (die Messdaten) für das Vorrichtungsmodell aus . Die Systemelektronik stellt fest, welche Detektoren koinzident waren und berechnet den Asymmetriewert A = {E2 - E1)/(E1 + E2) aus den koinzidenten Energieeinträgen E1 und E2. Die Koinzidenzereignisse werden entsprechend ihrer Detektorpaar-Identifikationsnummer und ihres Asymmetriewertes A in der Häufigkeitsverteilung Y registriert. Fig. 12 shows an example of a frequency distribution Y (the measurement data) for the device model . The system electronics determine which detectors were coincident and calculate the asymmetry value A = {E2 - E1) / (E1 + E2) from the coincident energy inputs E1 and E2. The coincidence events are registered in the frequency distribution Y according to their detector pair identification number and their asymmetry value A.

veranschaulicht wie Detektorpaare in Symmetrieklassen eingeteilt werden. Vier würfelförmige Detektoren sind in einem Quadrat angeordnet. Diese Detektoranordnung besitzt zwei Symmetrieklassen. Die erste Symmetrieklasse, in gezeigt, umfasst zwei horizontale und zwei vertikale Detektorpaare. Die beiden diagonalen Detektorpaare, in zu sehen, bilden eine weitere Symmetrieklasse. illustrates how detector pairs are divided into symmetry classes. Four cube-shaped detectors are arranged in a square. This detector arrangement has two classes of symmetry. The first symmetry class, in shown comprises two horizontal and two vertical pairs of detectors. The two diagonal pairs of detectors, in to see form another symmetry class.

zeigt ein Beispiel für eine Häufigkeitsverteilung Y (die Messdaten) für das Vorrichtungsmodell aus . Die Messdaten Y wurden entsprechend der drei Symmetrieklassen des Vorrichtungsmodells aus in drei Bereiche gruppiert. Detektorpaare I bis VI gehören zur Symmetrieklasse 1, Detektorpaare VII bis XII zur Symmetrieklasse 2. Das dreizehnte Detektorpaar bildet eine eigene Symmetrieklasse 3. Fig. 12 shows an example of a frequency distribution Y (the measurement data) for the device model . The measurement data Y were selected according to the three symmetry classes of the device model grouped into three areas. Detector pairs I to VI belong to symmetry class 1, detector pairs VII to XII to symmetry class 2. The thirteenth detector pair forms its own symmetry class 3.

zeigt zwei schematische Darstellungen von Richtungsverteilungen für Strahlungsfernfelder. Ein Strahlungsfernfeld ist durch seine Richtungsabhängigkeit vollständig charakterisiert. In Abhängigkeit von der Messsituation gibt es zwei Sorten von Verteilungen. Wenn alle Strahlungsquellen und das Messgerät in einer Ebene liegen, wird die vom Azimutwinkel ω abhängige Verteilung X(ω) entlang des Horizontkreises verwendet, in gezeigt. Die allgemeingültige Richtungsverteilung ist die in dargestellte, vom Azimutwinkel ω und vom Höhenwinkel h abhängige Verteilung X(ω, h) auf der Himmelskugel. Die Größe X repräsentiert die Strahlungsintensität. Sie kann entweder auf den größten vorkommenden Wert normiert werden oder mit einer Maßeinheit angegeben werden. shows two schematic representations of directional distributions for far radiation fields. A radiation far field is fully characterized by its directional dependence. There are two types of distributions, depending on the measurement situation. If all radiation sources and the measuring device lie in one plane, the distribution X (ω) along the horizon circle, which is dependent on the azimuth angle ω, is used, in shown. The general directional distribution is that in The distribution X (ω, h) on the celestial sphere shown is dependent on the azimuth angle ω and the elevation angle h. The size X represents the radiation intensity. It can either be normalized to the largest value that occurs or specified with a unit of measurement.

zeigt schematisch eine Lookup-Tabelle. Eine Lookup-Tabelle ist eine 2-dimensionale Häufigkeitsverteilung, die Koinzidenzzähler als Funktion des Winkelabstands ϑ einer Strahlungsquelle von der Detektorpaarachse und einer Messgröße erfasst. Die Messgröße ist hier die Energieasymmetrie A = {E2 - E1)/(E1 + E2) der beiden Energieeinträge in einem Koinzidenzereignis. shows schematically a lookup table. A lookup table is a 2-dimensional frequency distribution that records coincidence counters as a function of the angular distance ϑ of a radiation source from the detector pair axis and a measured variable. The measurand here is the energy asymmetry A = {E2 - E1) / (E1 + E2) of the two energy inputs in a coincidence event.

zeigt verschiedene gemessene Abbildungsfunktionen aus einer Lookup-Tabelle für CeBr3-Plastik Detektorpaare bei ausgewählten Asymmetriewerten A. Die Abbildungsfunktionen repräsentieren die Häufigkeiten, mit welchen eine im Winkel ϑ einfallende Strahlung in bestimmten Messwertintervallen von A registriert wird. Eine Lookup-Tabelle kann als Gruppe von Abbildungsfunktionen aufgefasst werden. Das Beispiel zeigt drei der mit einer 10 µCi Co-60 Quelle aufgezeichneten Funktionen. Es wurden Koinzidenzereignisse beider Co-60 Emissionslinien bei 1173 keV und 1332 keV zusammen gespeichert. shows various measured imaging functions from a lookup table for CeBr 3 plastic detector pairs for selected asymmetry values A. The imaging functions represent the frequencies with which radiation incident at angle ϑ is registered in certain measurement value intervals of A. A lookup table can be understood as a group of mapping functions. The example shows three of the functions recorded with a 10 µCi Co-60 source. Coincidence events of both Co-60 emission lines at 1173 keV and 1332 keV were stored together.

zeigt Asymmetriekurven für Lookup-Tabellen, die für die Radionuklide Co-60 und Cs-137 berechnet wurden, gemäß einer Ausführung der Erfindung. Die Asymmetriekurven zeigen die Bereiche in einer Lookup-Tabelle mit den höchsten Häufigkeiten. Gäbe es keine Messfehler, würden alle von Null verschiedenen Häufigkeiten auf den gezeigten Kurven liegen. Es wird hier nach Lookup-Tabellen von uni- und bidirektionalen Detektorpaaren differenziert. Lookup-Tabellen unidirektionaler Detektorpaare ( und ) zeichnen sich dadurch aus, dass es nur eine markante Asymmetriekurve gibt. Hingegen besitzen Lookup-Tabellen bidirektionaler Detektorpaare ( und ) zwei markante Asymmetriekurven. Für Co-60 sind die Asymmetriekurven für beide Emissionslinien bei 1173 keV und 1332 keV dargestellt; Cs-137 besitzt nur eine Emissionslinie bei 662 keV. shows asymmetry curves for lookup tables calculated for the radionuclides Co-60 and Cs-137, according to an embodiment of the invention. The asymmetry curves show the areas in a lookup table with the highest frequencies. If there were no measurement errors, all frequencies other than zero would lie on the curves shown. A distinction is made here between unidirectional and bidirectional detector pairs according to lookup tables. Lookup tables of unidirectional detector pairs ( and ) are characterized by the fact that there is only one prominent asymmetry curve. On the other hand, lookup tables of bidirectional detector pairs ( and ) two distinctive asymmetry curves. For Co-60, the asymmetry curves are shown for both emission lines at 1173 keV and 1332 keV; Cs-137 has only one emission line at 662 keV.

zeigt beispielhaft die Winkelpositionen ω eines Messplans zur Erstellung der Lookup-Tabelle für das in gezeigte Vorrichtungsmodell gemäß einer Ausführung der Erfindung. Nach diesem Plan werden Messungen in sieben Winkelstellungen durchgeführt. Die Quelle hat dabei immer den gleichen Abstand zum Gerätemittelpunkt. Aus den sieben Messungen kann eine Lookup-Tabelle für das Vorrichtungsmodell erzeugt werden. In diesem Beispiel hat die Lookup-Tabelle eine Schrittweite von 5°. Zu jedem Winkel ϑ im Wertebereich von 0° bis 180° gibt es mindestens ein Detektorpaar, das den korrekten Winkelabstand zur Strahlungsquelle besitzt und dessen Datensatz an die jeweilige Stelle in der Lookup-Tabelle kopiert werden kann. Der Messplan aus definiert die Zuordnungen zwischen den Winkelpositionen ω der Referenzquelle, den Detektorpaaren und den Winkelwerten ϑ der Lookup-Tabelle. shows an example of the angular positions ω of a measurement plan for creating the lookup table for the in shown device model according to an embodiment of the invention. According to this plan, measurements are carried out in seven angular positions. The source always has the same distance to the center of the device. A lookup table for the device model can be generated from the seven measurements. In this example the lookup table has a step size of 5 °. For every angle ϑ in the value range from 0 ° to 180 ° there is at least one detector pair that has the correct angular distance to the radiation source and whose data record can be copied to the respective location in the lookup table. The measurement plan defines the assignments between the angular positions ω of the reference source, the detector pairs and the angular values ϑ of the lookup table.

zeigt ein Rechenschema für ein MLEM Verfahren zur Rekonstruktion der Richtungsverteilung eines Strahlungsfeldes gemäß einer Ausführung der Erfindung. Mit jedem Iterationsschritt n werden alle in gezeigten Rechenschritte ausgeführt. Mit fortschreitender Anzahl n an Iterationen führt das MLEM Verfahren zu der Richtungsverteilung X, welche die höchste Wahrscheinlichkeit besitzt, die beobachtete Häufigkeitsverteilung Y verursacht zu haben. Die Gleichungen (13) und (16) beinhalten sämtliche in dargestellten Rechenschritte in kompakter Form, einschließlich der Vorwärts- und Rückprojektion. shows a calculation scheme for an MLEM method for reconstructing the directional distribution of a radiation field according to an embodiment of the invention. With each iteration step n, all in Performed calculation steps shown. As the number n of iterations progresses, the MLEM method leads to the directional distribution X which has the highest probability of having caused the observed frequency distribution Y. Equations (13) and (16) all include in illustrated calculation steps in compact form, including the forward and back projection.

zeigt verschiedene Beispiele für 2-dimensionale Richtungsmessungen mit dem Vorrichtungsmodell von . Alle Messungen wurden mit je 10 µCi Co-60 Quellen in je 105 cm Abstand durchgeführt. Die radiale Messwert-Skala ist in allen Darstellungen gleich und erstreckt sich von 0 bis 300 nSv rad-1 h-1. , und zeigen Messergebnisse für eine Co-60 Quelle bei einem Einfallswinkel von 125°. Anschließend wurden sukzessive eine zweite Co-60 Quelle bei 50° und schließlich eine dritte Co-60 Quelle bei 90° hinzugefügt. , und zeigen die gemessenen Richtungsverteilungen für das 2-Quellen Strahlungsfeld, , und für das 3-Quellen Strahlungsfeld. shows various examples of 2-dimensional direction measurements with the device model of . All measurements were carried out with 10 µCi Co-60 sources at a distance of 105 cm. The radial measured value scale is the same in all representations and extends from 0 to 300 nSv rad -1 h -1 . , and show measurement results for a Co-60 source at an angle of incidence of 125 °. A second Co-60 source at 50 ° and finally a third Co-60 source at 90 ° were then added successively. , and show the measured directional distributions for the 2-source radiation field, , and for the 3-source radiation field.

zeigt die Verschattungssituation für ein Vorrichtungsmodell aus vier Detektoren, gemäß einer Ausführung der Erfindung. Die vier Detektoren sind in den Eckpunkten eines Quadrats angeordnet. Es ist hier sinnvoll, mit zwei Varianten der Lookup-Tabelle zu arbeiten, um die Häufigkeitsverteilungen auf der verschatteten und der unverschatteten Seite der Detektorpaarachse korrekt zu erfassen. Am Beispiel von Detektorpaar P1 wird verdeutlicht, wie die anderen Detektoren des Geräts den Strahlungseinfall auf P1 abschwächen. Die Abschwächung betrifft jedoch nur eine Seite der Detektorpaarachse, die andere Seite erleidet keine Verluste. shows the shading situation for a device model made up of four detectors, according to an embodiment of the invention. The four detectors are arranged in the corner points of a square. It makes sense here to work with two variants of the lookup table in order to correctly record the frequency distributions on the shaded and unshaded side of the detector pair axis. The example of the pair of detectors P1 shows how the other detectors of the device attenuate the incidence of radiation on P1. However, the attenuation only affects one side of the detector pair axis, the other side does not suffer any losses.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung verwenden uni- und bidirektionale Detektionsprozesse zur mehrdimensionalen Richtungsmessung von Gammastrahlung. Die Richtungsmessung, welche teilweise oder vollständig von bidirektionalen Detektionsprozessen Gebrauch macht, wurde hier erstmalig beschrieben. Der bidirektionalen Richtungsmessung liegt das in dargestellte Funktionsprinzip zu Grunde, das hier kurz erläutert werden soll.The method according to the invention and the device use unidirectional and bidirectional detection processes for the multi-dimensional direction measurement of gamma radiation. The direction measurement, which partially or completely makes use of bidirectional detection processes, was described here for the first time. This is in the bidirectional direction measurement This is based on the functional principle shown here, which will be briefly explained here.

Im Unterschied zu unidirektionalen Detektionsprozessen, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen einem Messwert (hier die Asymmetrie A) und dem Streuwinkel ϑ für die Richtungsmessung nutzen, besitzen bidirektionale Detektionsprozesse keine solche Kalibrationskurve A(ϑ). Die Lookup-Tabellen bidirektionaler Detektorpaare zeigen zwei markante Strukturen entlang der in und gezeigten Asymmetriekurven. Zu einem bestimmten Streuwinkel ϑ gibt es jeweils zwei zugehörige Messwerte A1 und A2, die mit bestimmten Häufigkeiten beobachtet werden. Dennoch kann dem Wertepaar (A1, A2) eindeutig ein bestimmter Streuwinkel ϑ zugeordnet werden. Über den gesamten Winkelbereich von 0° bis 180° gibt es jedes Wertepaar (A1, A2) genau einmal. Es kann mit keinem anderen Wertepaar (A1, A2) bei einem anderen Winkel ϑ verwechselt werden. Es ist daher auch mit einem bidirektionalen Detektorpaar möglich, den Streuwinkel ϑ zu messen. Statistische Rekonstruktionsverfahren verfügen bereits über die zur Richtungsmessung mit bidirektionalen Detektorpaaren erforderliche Funktionalität. Verfahren wie MLEM sind daher für die Verarbeitung der Messdaten aus den erfindungsgemäßen Vorrichtungsmodellen geeignet.In contrast to unidirectional detection processes, which use a functional relationship between a measured value (here the asymmetry A) and the scattering angle ϑ for the direction measurement, bidirectional detection processes do not have such a calibration curve A (ϑ). The lookup tables of bidirectional detector pairs show two distinctive structures along the in and asymmetry curves shown. For a certain scattering angle ϑ there are two associated measured values A1 and A2, which are observed with certain frequencies. Nevertheless, a certain scattering angle, can be clearly assigned to the value pair (A1, A2). Each pair of values (A1, A2) exists exactly once over the entire angular range from 0 ° to 180 °. It cannot be confused with any other pair of values (A1, A2) at a different angle ϑ. It is therefore also possible to measure the scattering angle ϑ with a bidirectional pair of detectors. Statistical reconstruction methods already have the functionality required for direction measurement with bidirectional detector pairs. Methods such as MLEM are therefore suitable for processing the measurement data from the device models according to the invention.

Es sollen hier Messungen mit dem Vorrichtungsmodell aus vorgestellt werden, das aus sechs 3''x3'' Plastik-Szintillationsdetektoren und einem 3''x3'' Cerbromid-Szintillationsdetektor aufgebaut ist. Die sechs Plastik-Detektoren bilden einen Ring um den zentralen Cerbromid-Detektor. Der Durchmesser des Detektorrings beträgt 25 cm.Measurements with the device model are intended here which is made up of six 3''x3 '' plastic scintillation detectors and one 3''x3 '' cerium bromide scintillation detector. The six plastic detectors form a ring around the central cerium bromide detector. The diameter of the detector ring is 25 cm.

Jeder der sechs Plastik-Detektoren kann mit dem zentralen Cerbromid-Detektor zu einem unidirektionalen Detektorpaar kombiniert werden. In einem solchen Detektorpaar wird die Strahlung vornehmlich im Plastik-Detektor gestreut und im Cerbromid-Detektor absorbiert.Each of the six plastic detectors can be combined with the central cerium bromide detector to form a unidirectional detector pair. In such a detector pair, the radiation is primarily scattered in the plastic detector and absorbed in the cerium bromide detector.

zeigt gemessene Richtungsverteilungen für verschiedene Anordnungen aus mehreren punktförmigen Strahlungsquellen. Alle Messungen wurden mit je 10 µCi Co-60 Quellen in je 105 cm Abstand durchgeführt. Zunächst wurde eine erste 10 µCi Co-60 Quelle bei einem Winkel von 125° platziert. Die von einer 10 µCi Co-60 Quelle in 105 cm Abstand erzeugte Dosisleistung beträgt ca. 100 nSv h-1. ) und c) zeigen die Ergebnisse der Richtungsmessung nach jeweils 10 s, 20 s und 60 s Messzeit. Die Zahl der MLEM Iterationen wurde dynamisch an die Messzeit gekoppelt. Mit fortschreitender Messdauer wird die Richtungsverteilung der Punktquelle steiler und höher. Die über alle Richtungen gemittelte Intensität liegt unverändert bei 16 nSv rad-1 h-1. Integriert über den Vollwinkel von 2π rad ergibt sich eine Dosisleistung von 2π rad ·16 nSv rad-1 h-1 = 100 nSv h-1. Anschließend wurde eine zweite Co-60 Quelle bei 50° hinzugefügt. Die Ergebnisse sind in ) und f) zu sehen. Das Vorhandensein zweier Quellen ist bereits ab 10 s Messzeit deutlich erkennbar. Die über alle Richtungen gemittelte Intensität liegt jetzt bei 32 nSv rad-1 h-1. Zuletzt wurde der Anordnung eine dritte Co-60 Quelle bei 90° hinzugefügt. Die Ergebnisse in ) und i) zeigen, dass ab 20 s Messzeit auch drei Punktquellen separat aufgelöst werden können. shows measured directional distributions for different arrangements from several point radiation sources. All measurements were carried out with 10 µCi Co-60 sources at a distance of 105 cm. First, a first 10 µCi Co-60 source was placed at an angle of 125 °. The dose rate generated by a 10 µCi Co-60 source at a distance of 105 cm is approx. 100 nSv h -1 . ) and c) show the results of the direction measurement after 10 s, 20 s and 60 s measuring time, respectively. The number of MLEM iterations was dynamically linked to the measurement time. As the measurement period progresses, the directional distribution of the point source becomes steeper and higher. The intensity averaged over all directions is unchanged at 16 nSv rad -1 h -1 . Integrated over the full angle of 2π rad results in a dose rate of 2π rad · 16 nSv rad -1 h -1 = 100 nSv h -1 . A second Co-60 source was then added at 50 °. The results are in ) and f) to see. The presence of two sources can be clearly identified from a measurement time of 10 s. The intensity averaged over all directions is now 32 nSv rad -1 h -1 . Finally, a third Co-60 source was added to the arrangement at 90 °. The results in ) and i) show that from a measurement time of 20 s, three point sources can also be resolved separately.

Es wurde eine Methodik entwickelt, mit der die Güte der Richtungsmessung als Zeitangabe formuliert werden kann, ab der eine verlässliche Richtungsmessung vorliegt. Das Ziel der Vorgehensweise war, die Güte der Richtungsmessung einer Punktquelle in Abhängigkeit vom Nuklidtyp, der Dosisleistung und der Winkelposition quantitativ zu bewerten. Als Quellen standen je eine Co-60, eine Cs-137 und eine Co-57 Quelle der Aktivität von je 10 µCi zur Verfügung.A method was developed with which the quality of the direction measurement can be formulated as a time specification from which a reliable direction measurement is available. The aim of the procedure was to quantitatively evaluate the quality of the direction measurement of a point source depending on the nuclide type, the dose rate and the angular position. A Co-60, a Cs-137 and a Co-57 source of activity of 10 µCi each were available as sources.

Es wurden zwei Güteklassen definiert: ±5° und ±10° Winkelgenauigkeit. Zu jedem Zeitpunkt t während einer Messung liefert das MLEM Verfahren einen Schätzwert für die Richtung der Strahlungsquelle. Die Messungen liefen jeweils über eine bestimmte Messdauer und wurden 20 Mal wiederholt. Zu jedem Zeitpunkt t ist nun feststellbar, wieviele der Messungen in die ±5° oder ±10° Güteklasse fallen. Es wurde ein Konfidenzlevel von 90% gewählt. t90 ist als diejenige Zeit definiert, ab der mindestens 18 der insgesamt 20 Messungen richtig sind, d.h. in einem ±5° oder ±10° Intervall um den wahren Wert liegen. In 90% aller Messungen wird die angegebene Genauigkeit nach der Mindestmesszeit erreicht oder übertroffen.Two quality classes have been defined: ± 5 ° and ± 10 ° angular accuracy. At each point in time t during a measurement, the MLEM method supplies an estimated value for the direction of the radiation source. The measurements each ran over a specific measurement period and were repeated 20 times. At each point in time t it can now be determined how many of the measurements fall into the ± 5 ° or ± 10 ° quality class. A confidence level of 90% was chosen. t 90 is defined as the time from which at least 18 of the 20 measurements are correct, ie lie within a ± 5 ° or ± 10 ° interval around the true value. In 90% of all measurements, the specified accuracy is reached or exceeded after the minimum measuring time.

Das Vorrichtungsmodell von besitzt eine charakteristische Symmetrie. Zuerst wurde untersucht, welchen Einfluss die gerätespezifische Detektoranordnung auf die Mindestmesszeiten hat, welche bei verschiedenen Einfallswinkeln gemessen werden. Die Empfindlichkeit der Richtungsmessung hängt von der Lage der Quelle relativ zum Gerät ab. Liegt die Quelle in Richtung eines der sechs Ringdetektoren, werden längere Messzeiten benötigt, als wenn die Quelle in der Mitte zwischen zwei Ringdetektoren liegt. In dieser Untersuchung hatten alle Quellen einen konstanten Abstand von 1 m zum Gerätemittelpunkt. Die Mindestmesszeit t90 für ±10° Genauigkeit der 10 µCi Co-60 Quelle betrug 2,7 s in Richtung der Ringdetektoren und verkürzte sich auf 0,5 s in der Mitte zwischen zwei Ringdetektoren. Ein ähnliches Verhalten wurde für Cs-137 beobachtet. Hier betrug die Mindestmesszeit t90 für ±10° Genauigkeit 5,8 s in Richtung der Ringdetektoren und verkürzte sich auf 0,7 s in der Mitte zwischen zwei Ringdetektoren.The device model of has a characteristic symmetry. First of all, it was investigated what influence the device-specific detector arrangement has on the minimum measurement times, which are measured at different angles of incidence. The sensitivity of the direction measurement depends on the position of the source relative to the device. If the source is in the direction of one of the six ring detectors, longer measurement times are required than if the source is in the middle between two ring detectors. In this study, all sources were kept at a constant distance of 1 m from the center of the device. The minimum measuring time t 90 for ± 10 ° accuracy of the 10 µCi Co-60 source was 2.7 s in the direction of the ring detectors and was shortened to 0.5 s in the middle between two ring detectors. Similar behavior was observed for Cs-137. Here the minimum measuring time t 90 for ± 10 ° accuracy was 5.8 s in the direction of the ring detectors and was shortened to 0.7 s in the middle between two ring detectors.

Als nächstes wurde untersucht, wie die t90 Mindestmesszeiten von der Dosisleistung abhängen. Diese Messungen wurden jeweils in Richtung der Ringdetektoren durchgeführt. Sie stellen die untere Grenze der Leistungsfähigkeit des Gerätes dar. Der Abstand der Quellen wurde von 1 bis 5 Meter variiert. Die Dosisleistung wurde als Ortsdosisleistung Ḣ *(10) der Quelle am Messpunkt ausgedrückt. Dabei wurde festgestellt, dass oberhalb von 0,05 µSv/h das Produkt aus Ortsdosisleistung Ḣ *(10) und t90 Mindestmesszeit konstant ist.Next, it was investigated how the t 90 minimum measurement times depend on the dose rate. These measurements were carried out in the direction of the ring detectors. They represent the lower limit of the device's performance. The distance between the sources was varied from 1 to 5 meters. The dose rate was expressed as the local dose rate Ḣ * (10) of the source at the measuring point. It was found that above 0.05 µSv / h the product of the local dose rate Ḣ * (10) and t 90 minimum measurement time is constant.

Unter dieser Voraussetzung können die t90 Mindestmesszeiten mit dem einfachen analytischen Ausdruck t 90 = T ( Nuklid , σ ) ( H ˙ * ( 10 ) μ Sv / h ) 1

Figure DE102019131696A1_0033
parametrisiert werden. Die Parameter T(Nuklid, σ) sind gerätespezifische Parameter, die in Abhängigkeit vom Nuklidtyp und der Güteklasse σ definiert werden. Für das Vorrichtungsmodell mit sechs 3''x3'' Plastik-Detektoren und einem 3''x3'' Cerbromid-Detektor wurden die Parameter folgendermaßen bestimmt: T(60Co, ±10°) = 0,32 s, T(60Co, ±5°) = 0,48 s, T(137Cs, ±10°) = 0,16s und T(137Cs, ±5°) = 0,24 s.Under this condition, the t 90 minimum measurement times can be achieved with the simple analytical expression t 90 = T ( nuclide , σ ) ( H ˙ * ( 10 ) μ Sv / H ) - 1
Figure DE102019131696A1_0033
be parameterized. The parameters T (nuclide, σ) are device-specific parameters that are defined depending on the nuclide type and the quality class σ. For the device model with six 3 "x 3" plastic detectors and one 3 "x 3" cerium bromide detector, the parameters were determined as follows: T ( 60 Co, ± 10 °) = 0.32 s, T ( 60 Co , ± 5 °) = 0.48 s, T ( 137 Cs, ± 10 °) = 0.16s and T ( 137 Cs, ± 5 °) = 0.24 s.

Es wurde auch untersucht, wie sich die Richtungsmessung bei sehr niedrigen Ortsdosisleistungen verhält. Auch unterhalb von 0,05 µSv/h sind qualitativ hochwertige Richtungsmessungen möglich, die erforderlichen Messzeiten werden dann aber länger und liegen eventuell überden mit t 90 = T ( Nuklid , σ ) ( H ˙ * ( 10 ) μ Sv / h ) 1

Figure DE102019131696A1_0034
berechneten Werten. Mit dem zur Verfügung stehenden Vorrichtungsmodell war es ohne Schwierigkeiten möglich, auch bei wenigen nSv/h die Richtung einer Quelle zuverlässig mit ±5° Genauigkeit zu messen. Die Messzeiten liegen dann im Bereich von einigen Minuten. Beispielsweise erreichte die Richtungsmessung für eine Co-60 Quelle mit 3 nSv/h Dosisleistung nach 140 s eine Genauigkeit von ±10° und nach 220 s eine Genauigkeit von ±5°. Eine Cs-137 Quelle mit 4 nSv/h Dosisleistung am Messort konnte nach 55 s mit ±10° und nach 90 s mit ±5° geortet werden. Die Richtungsmessung einer Co-57 Quelle mit 5 nSv/h Dosisleistung hatte nach 22 s eine Genauigkeit von ±10° und nach 35 s eine Genauigkeit von ±5°.It was also investigated how the direction measurement behaves at very low local dose rates. High-quality directional measurements are also possible below 0.05 µSv / h, but the required measurement times are then longer and may be longer than t 90 = T ( nuclide , σ ) ( H ˙ * ( 10 ) μ Sv / H ) - 1
Figure DE102019131696A1_0034
calculated values. With the device model available, it was possible without difficulty to measure the direction of a source reliably with an accuracy of ± 5 °, even with a few nSv / h. The measurement times are then in the range of a few minutes. For example, the direction measurement for a Co-60 source with a dose rate of 3 nSv / h achieved an accuracy of ± 10 ° after 140 s and an accuracy of ± 5 ° after 220 s. A Cs-137 source with a dose rate of 4 nSv / h at the measuring location could be located after 55 s with ± 10 ° and after 90 s with ± 5 °. The direction measurement of a Co-57 source with a dose rate of 5 nSv / h had an accuracy of ± 10 ° after 22 s and an accuracy of ± 5 ° after 35 s.

Bei Vorliegen von quasistationären Messbedingungen kann die Richtungsmessung getaktet ausgeführt werden. Es ist dann z. B. möglich, die Bewegung von Strahlungsquellen zu verfolgen. Die Dosisleistung Ḣ *(10) ist wiederum eine geeignete Größe, um die Taktfrequenz zu regeln. Wenn beispielsweise die Bewegung einer Punktquelle verfolgt werden soll, kann die Taktfrequenz auf die t90 Zeit eingestellt werden.If quasi-stationary measurement conditions exist, the direction measurement can be carried out in a clocked manner. It is then z. B. possible to track the movement of radiation sources. The dose rate Ḣ * (10) is in turn a suitable variable to regulate the clock frequency. For example, if the movement of a point source is to be tracked, the clock frequency can be set to the t 90 time.

Für ein Experiment bei quasistationären Messbedingungen wurde das Vorrichtungsmodell von auf einen Drehteller montiert. Die Taktfrequenz des Messprogramms wurde auf die t90 Zeit eingestellt. Bei einer Drehgeschwindigkeit von 0,2 Umdrehungen pro Minute konnte die aktuelle Position einer 10 µCi Co-60 Quelle in 1 Meter Abstand gut verfolgt werden.For an experiment under quasi-stationary measurement conditions, the device model from mounted on a turntable. The clock frequency of the measuring program was set to the t 90 time. At a rotation speed of 0.2 revolutions per minute, the current position of a 10 µCi Co-60 source could be followed well at a distance of 1 meter.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es bei bestimmten Vorrichtungsmodellen von Vorteil ist, bei der Definition der Lookup-Tabellen die Verschattungssituation zu berücksichtigen. Als Beispiel betrachte man das in gezeigte Vorrichtungsmodell. Dieses Modell enthält zwei Detektoren hoher Ordnungszahl und zwei Detektoren niedriger Ordnungszahl. Die insgesamt vier Detektoren können zu vier unidirektionalen und einem bidirektionalen Detektorpaar kombiniert werden. Bei den unidirektionalen Detektorpaaren ist es vorteilhaft, wenn auf beiden Seiten ihrer jeweiligen Verbindungsachse zwei unterschiedliche Lookup-Tabellen zum Einsatz kommen, die den unterschiedlichen Verschattungsverhältnissen Rechnung tragen. Jedes der vier unidirektionalen Paare hat je eine verschattete und eine unverschattete Seite. Auf den verschatteten Seiten befinden sich je zwei Detektoren, die bestimmte Winkelbereiche verschatten. Hingegen sind die unverschatteten Seiten frei von Detektoren.It should be pointed out at this point that with certain device models it is advantageous to take the shading situation into account when defining the lookup tables. As an example, consider this in Device model shown. This model contains two high atomic number detectors and two low atomic number detectors. The total of four detectors can become four unidirectional and a bidirectional pair of detectors. In the case of the unidirectional detector pairs, it is advantageous if two different lookup tables are used on both sides of their respective connecting axis, which take account of the different shading conditions. Each of the four unidirectional pairs has one shaded and one unshaded side. On each of the shaded sides there are two detectors that shade certain angular areas. In contrast, the unshaded sides are free of detectors.

Zur mathematischen Beschreibung lege man für das Vorrichtungsmodell aus drei Lookup-Tabellen an, eine für das bidirektionale Paar und zwei für die unidirektionalen Paare, letztere differenziert nach verschattet/unverschattet. Die Auswahl einer Lookup-Tabelle für das Detektorpaar i hängt vom Azimutwinkel ωk und vom Winkel φi des Detektorpaars ab. Zur Auswahl des Verschattungstyps ist z. B. der Ausdruck λ ( ω k , φ i ) = { V i , sin ( ω k φ i ) < 0 V i , sin ( ω k φ i ) 0

Figure DE102019131696A1_0035
geeignet, der einen Parameter Vi benutzt, der für jedes Detektorpaar i als Vi = 1 oder Vi = -1 definiert werden muss. λ(ωk, φi) kann die Werte -1 und 1 annehmen, womit die Auswahl nach verschattet/unverschattet getroffen wird.For the mathematical description, interpret for the device model three lookup tables, one for the bidirectional pair and two for the unidirectional pairs, the latter differentiated according to shaded / unshaded. The selection of a lookup table for the detector pair i depends on the azimuth angle ω k and on the angle φ i of the detector pair. To select the type of shading, z. B. the expression λ ( ω k , φ i ) = { - V. i , sin ( ω k - φ i ) < 0 V. i , sin ( ω k - φ i ) 0
Figure DE102019131696A1_0035
suitable, which uses a parameter V i , which must be defined for each detector pair i as V i = 1 or V i = -1. λ (ω k , φ i ) can have the values -1 and 1, whereby the selection is made according to shaded / unshaded.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand einiger spezieller Ausführungsformen zu den Vorrichtungen und Verfahren beschrieben. Fachleute auf dem Gebiet der Strahlungsdetektion sind selbstverständlich in der Lage, Änderungen zu diesen Ausführungsformen vorzunehmen, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Schutzbereich in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.The present invention has been described on the basis of a few specific embodiments of the devices and methods. Of course, those skilled in the art of radiation detection will be able to make changes to these embodiments without departing from the principles and spirit of the invention, the scope of which is defined in the claims and their equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2012/0043467 [0009]US 2012/0043467 [0009]

Claims (15)

Verfahren zur mehrdimensionalen Richtungsmessung von Gammastrahlung im Fernfeld mittels einer Gruppe von mehreren energiediskriminierenden, miteinander synchronisierten Detektoren zur Erfassung von Strahlung, wobei das Verfahren Lookup-Tabellen LUTSK, einen definierten Funktionswert f(E1,E2), eine Liste von definierten Detektorpaaren mit einer Identifikationsnummer ID für definierte Detektorpaare und eine oder mehrere Häufigkeitsverteilungen Y zur Erfassung der Messwerte verwendet und dabei die folgenden Schritte umfasst: a) Akquirieren von Messwerten im List-Mode, wobei die Messwerte einer Strahlungsverteilung im Fernfeld entstammen, die Strahlung von einem oder mehreren Radionukliden ausgeht und die Messwerte die in den Detektoren auftretenden Wechselwirkungsenergien der Strahlung sind; b) Selektieren der Messwerte nach Koinzidenzereignissen in definierten Detektorpaaren aus je zwei Detektoren; c) Assoziieren von selektierten Koinzidenzereignissen mit einer Identifikationsnummer ID; d) Berechnen des definierten Funktionswertes f(E1,E2) aus zwei koinzidenten Energiewerten E1, E2 pro selektiertem Koinzidenzereignis; e) Erfassen der selektierten Koinzidenzereignisse entsprechend ihrer Identifikationsnummer ID und ihrer Funktionswerte f(E1,E2) in einer oder mehreren Häufigkeitsverteilungen Y, wobei für jedes Radionuklid eine separate Häufigkeitsverteilung Y vorliegt, f) Berechnen einer oder mehrerer Richtungsverteilungen X aus den Häufigkeitsverteilungen Y mit einem statistischen Bildrekonstruktionsverfahren der Emissionstomographie unter Nutzung von Lookup-Tabellen LUTSK, wobei für jedes Radionuklid eine separate Richtungsverteilung X vorliegt.Method for the multi-dimensional direction measurement of gamma radiation in the far field by means of a group of several energy-discriminating, mutually synchronized detectors for detecting radiation, the method being lookup tables LUT SK , a defined function value f (E1, E2), a list of defined detector pairs with an identification number ID for defined pairs of detectors and one or more frequency distributions Y are used to record the measured values and include the following steps: a) Acquisition of measured values in list mode, the measured values originating from a radiation distribution in the far field, the radiation emanating from one or more radionuclides and the measured values are the interaction energies of the radiation occurring in the detectors; b) selecting the measured values according to coincidence events in defined detector pairs from two detectors each; c) associating selected coincidence events with an identification number ID; d) calculating the defined function value f (E1, E2) from two coincident energy values E1, E2 per selected coincidence event; e) recording the selected coincidence events according to their identification number ID and their function values f (E1, E2) in one or more frequency distributions Y, with a separate frequency distribution Y being available for each radionuclide, f) calculating one or more direction distributions X from the frequency distributions Y with a statistical image reconstruction method of emission tomography using lookup tables LUT SK , with a separate directional distribution X being available for each radionuclide. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren vor Schritt a) zusätzlich in Teilen oder in Gänze die folgende Abfolge von Schritten umfasst: - Kalibrieren der Signale von allen Detektoren als absorbierte Strahlungsenergie E; - Auswählen eines geeigneten Koordinatensystems; - Identifizieren der für die Richtungsmessung geeigneten Detektorpaare, wobei die definierten Detektorpaare mindestens einen Detektor aus einem Material mit einer Ordnungszahl von Zeff > 30 enthalten und Kennzeichnen dieser mit einer ID-Nummer i; - Verschalten aller Detektoren in einer Koinzidenzschaltung derart, dass Koinzidenzen aller identifizierten Detektorpaare erfasst werden; - Kennzeichnen der beiden Detektoren eines jeden definierten Detektorpaares i mit den Nummern 1 bzw. 2, wobei der Detektor mit der niedrigeren Ordnungszahl die Nummer 1 und derjenige mit der höheren Ordnungszahl die Nummer 2 erhält, wobei die Kennzeichnung als 1 bzw. 2 willkürlich getroffen werden kann, wenn beide Detektoren aus dem gleichen Material bestehen; - Erfassen der Richtungen der definierten Detektorpaare, wobei in der 2-dimensionalen Richtungsmessung die Richtung von Detektorpaar i mit dem Azimutwinkel φi erfasst wird und wobei in der 3-dimensionalen Richtungsmessung die Richtung von Detektorpaar i mit dem Azimutwinkel φi und dem Höhenwinkel hi erfasst wird; - Definieren eines Funktionswerts f(E1,E2) welcher aus zwei koinzidenten Energiewerten E1 und E2 in den beiden Detektoren eines Detektorpaares i berechnet wird, wobei der Messbereich fürf(E1,E2) festgelegt und in äquidistante Messwertkanäle j = 1, ...,J eingeteilt wird; - Anlegen eines oder mehrerer 2-dimensionaler Arrays mit I · J Feldern als Datenstrukturen zur Speicherung der Häufigkeitsverteilungen Y, in welchen Koinzidenzereignisse entsprechend ihrer ID-Nummer i und ihres Messwertkanals j registriert werden; für jedes Radionuklid wird ein separates 2-dimensionales Array Y angelegt; - Einteilen der Detektorpaare i in Symmetrieklassen SK, wobei diejenigen Detektorpaare i, die bei Drehung oder Verschiebung auf andere baugleiche Detektorpaare abgebildet werden, zu jeweils einer Symmetrieklasse SK(i) zusammengefasst werden; - Anlegen einer oder mehrerer Lookup-Tabellen LUTSK für jede Symmetrieklasse SK und jedes Radionuklid, wobei diese einen Winkelbereich ϑ von 0° bis 180° umspannen und in äquidistante Winkelschritte eingeteilt werden; - Erstellen einer Vorschrift zur Erzeugung und Validierung der Lookup-Tabellen LUTSK aus Referenzmessungen, welche die Referenzquellen auswählt, den Nuklidtyp berücksichtigt, sowie die Messbedingungen definiert, unter denen die Messungen durchzuführen sind; - Ausführen von Referenzmessungen für alle in der Vorschrift zuvor definierten Schritte; - Erstellen und Validieren der Lookup-Tabellen LUTSK gemäß der zuvor definierten Vorschrift zur Auswertung der Messdaten aus den Referenzmessungen; - Erfassen des natürlichen Strahlungshintergrundes bSK(i) für alle Symmetrieklassen SK; - Exkludieren des natürlichen Strahlungshintergrundes bSK aus den Lookup-Tabellen LUTSK; - Übergeben sämtlicher Lookup-Tabellen LUTSK für alle Symmetrieklassen und alle Radionuklide an einen Algorithmus der Bildrekonstruktion, welcher die Messdaten verarbeitet und die Richtungsverteilungen X berechnet.Procedure according to Claim 1 , the method prior to step a) additionally comprising, in part or in whole, the following sequence of steps: calibrating the signals from all detectors as absorbed radiant energy E; - Selecting a suitable coordinate system; - Identifying the detector pairs suitable for the direction measurement, the defined detector pairs containing at least one detector made of a material with an ordinal number of Z eff> 30 and identifying this with an ID number i; - Interconnection of all detectors in a coincidence circuit in such a way that coincidences of all identified detector pairs are detected; - Identify the two detectors of each defined pair of detectors i with the numbers 1 and 2, whereby the detector with the lower ordinal number receives the number 1 and the one with the higher ordinal number receives the number 2, whereby the designation as 1 or 2 is chosen arbitrarily can if both detectors are made of the same material; - Detecting the directions of the defined detector pairs, whereby in the 2-dimensional direction measurement the direction of detector pair i is detected with the azimuth angle φ i and where in the 3-dimensional direction measurement the direction of detector pair i with the azimuth angle φ i and the elevation angle h i is captured; - Define a function value f (E1, E2) which is calculated from two coincident energy values E1 and E2 in the two detectors of a detector pair i, the measuring range for f (E1, E2) being defined and divided into equidistant measuring value channels j = 1, ..., J is classified; Creation of one or more 2-dimensional arrays with I · J fields as data structures for storing the frequency distributions Y, in which coincidence events are registered according to their ID number i and their measured value channel j; a separate 2-dimensional array Y is created for each radionuclide; - Division of the detector pairs i into symmetry classes SK, with those detector pairs i that are mapped onto other structurally identical detector pairs when rotated or shifted, each being combined into a symmetry class SK (i); Creation of one or more lookup tables LUT SK for each symmetry class SK and each radionuclide, these spanning an angular range ϑ from 0 ° to 180 ° and being divided into equidistant angular steps; - Creation of a rule for generating and validating the lookup tables LUT SK from reference measurements, which selects the reference sources, takes the nuclide type into account, and defines the measurement conditions under which the measurements are to be carried out; - Execution of reference measurements for all steps previously defined in the regulation; - Creation and validation of the lookup tables LUT SK in accordance with the previously defined rule for evaluating the measurement data from the reference measurements; - Detecting the natural radiation background b SK (i) for all symmetry classes SK; - Excluding the natural radiation background b SK from the lookup tables LUT SK ; - Transfer of all lookup tables LUT SK for all symmetry classes and all radionuclides to an image reconstruction algorithm which processes the measurement data and calculates the direction distributions X. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - als Detektor ein Szintillationsdetektor verwendet wird und/oder der Szintillator als monolithischer Block oder als pixeliertes Szintillatormodul ausgebildet ist und/oder der Szintillator aus reinen oder dotierten Materialien der Gruppe von PVT, Anthracen, Stilben, p-Terphenyl, CaF2, BaF2, Nal, CeBr3, LaBr3, LaCl3, La(BrxCl1-x)3, Csl, SrI2, CLYC, CLBC, CLCB, BGO, LSO, LYSO, GAGG, YAP und/oder YAG gebildet ist; - und/oder dass als Detektor ein Halbleiterdetektor verwendet wird und/oder der Halbleiter als segmentierter oder unsegmentierter Halbleiter ausgebildet ist und/oder der Halbleiter eine planare oder koaxiale Geometrie aufweist und/oder aus Materialien der Gruppe von Ge, GaAs, CdTe und/oder CdZnTe gebildet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - a scintillation detector is used as the detector and / or the scintillator is designed as a monolithic block or as a pixelated scintillator module and / or the scintillator is made of pure or doped materials from the group of PVT, anthracene, stilbene , p-terphenyl, CaF 2 , BaF 2 , Nal, CeBr 3 , LaBr 3 , LaCl 3 , La (Br x Cl 1-x ) 3 , Csl, SrI 2 , CLYC, CLBC, CLCB, BGO, LSO, LYSO, GAGG, YAP and / or YAG is formed; and / or that a semiconductor detector is used as the detector and / or the semiconductor is designed as a segmented or unsegmented semiconductor and / or the semiconductor has a planar or coaxial geometry and / or made of materials from the group of Ge, GaAs, CdTe and / or CdZnTe is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mind. zwei Detektoren verwendet werden; und/oder dass alle verwendeten Detektoren im Wesentlichen baugleich sind oder dass mindestens zwei der verwendeten Detektoren voneinander verschieden sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least two detectors are used; and / or that all detectors used are essentially structurally identical or that at least two of the detectors used are different from one another. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen eine diskrete und/oder kontinuierliche Verteilung von Strahlung emittieren; und/oder dass die Strahlungsquellen Gamma-, Elektronen-, Positronen-, Protonen- und/oder Neutronenstrahlung emittieren; und/oder dass die Strahlung aus dem radioaktiven Zerfall eines oder mehrerer Radionuklide stammt; und/oder dass die Strahlung von niedriger Intensität ist wie z.B. in der Astronomie.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation sources emit a discrete and / or continuous distribution of radiation; and / or that the radiation sources emit gamma, electron, positron, proton and / or neutron radiation; and / or that the radiation originates from the radioactive decay of one or more radionuclides; and / or that the radiation is of low intensity, such as in astronomy. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektor- und Systemelektronik verwendet wird, die analoge und/oder digitale Elektronikkomponenten benutzt; und/oder dass die analogen Elektronikkomponenten eine Kombination verschiedener Module umfassen, zu denen eine Hochspannungsversorgung, ein Vorverstärker, ein Verstärker, ein Pulsformer, ein Ladungsintegrator, ein Pulshöhenanalysator, ein Multikanalanalysator (MCA) und/oder eine Koinzidenzschaltung zählen; und/oder dass die digitalen Elektronikkomponenten eine Kombination verschiedener Hard- und Softwarekomponenten umfassen, zu denen eine Hochspannungsversorgung, ein A/D-Wandler pro Detektor, ein Field Programmable Gate Array (FPGA), ein Speichermedium, ein digitaler Signalprozessor und/oder eine Auswertesoftware zählen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that detector and system electronics are used which use analog and / or digital electronic components; and / or that the analog electronic components comprise a combination of different modules, which include a high-voltage supply, a preamplifier, an amplifier, a pulse shaper, a charge integrator, a pulse height analyzer, a multi-channel analyzer (MCA) and / or a coincidence circuit; and / or that the digital electronic components comprise a combination of different hardware and software components, including a high-voltage supply, an A / D converter per detector, a field programmable gate array (FPGA), a storage medium, a digital signal processor and / or evaluation software counting. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den beiden Energiewerten E1, E2 berechnete Funktionswert f(E1,E2) die Energieasymmetrie f ( E 1, E 2 ) = ( E 2 E 1 ) / ( E 1 + E 2 )
Figure DE102019131696A1_0036
oder der Kosinus vom Compton-Streuwinkel f ( E 1, E 2 ) = 1 m c 2 / E 2 + m c 2 / ( E 1 + E 2 )
Figure DE102019131696A1_0037
ist ( m c 2 = 511  keV ) .
Figure DE102019131696A1_0038
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the function value f (E1, E2) calculated from the two energy values E1, E2 represents the energy asymmetry f ( E. 1, E. 2 ) = ( E. 2 - E. 1 ) / ( E. 1 + E. 2 )
Figure DE102019131696A1_0036
or the cosine of the Compton scattering angle f ( E. 1, E. 2 ) = 1 - m c 2 / E. 2 + m c 2 / ( E. 1 + E. 2 )
Figure DE102019131696A1_0037
is ( m c 2 = 511 keV ) .
Figure DE102019131696A1_0038
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Selektion von Koinzidenzereignissen eine Selektionsbedingung bezüglich der Energiesumme E1+E2 der in beiden Detektoren eines Paares detektierten Energien angewendet wird; und/oder dass für jedes Radionuklid eine separate Häufigkeitsverteilung Y angelegt wird; und/oder dass für jedes Radionuklid eine separate Richtungsverteilung X berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the selection of coincidence events, a selection condition with regard to the energy sum E1 + E2 of the energies detected in both detectors of a pair is applied; and / or that a separate frequency distribution Y is created for each radionuclide; and / or that a separate directional distribution X is calculated for each radionuclide. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Radionukliden mit mehreren Gammaenergien mehrere Selektionsbedingungen bezüglich der Energiesumme E1+E2 angewendet werden; und/oder dass für solche Radionuklide mit mehreren Gammaenergien eine oder mehrere Häufigkeitsverteilungen Y angelegt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in the case of radionuclides with several gamma energies, several selection conditions with regard to the energy sum E1 + E2 are applied; and / or that one or more frequency distributions Y are applied for such radionuclides with several gamma energies. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lookup-Tabellen LUTSK durch Messungen mit dem Detektorsystem oder durch Monte Carlo Simulationen oder mittels eines theoretischen Modells erstellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the lookup tables LUT SK are created by measurements with the detector system or by Monte Carlo simulations or by means of a theoretical model. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische Bildrekonstruktionsverfahren ein Teil von oder in Gänze das Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) Verfahren, das Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) Verfahren, das List Mode - Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) Verfahren und/oder das List Mode - Ordered Subset Expectation Maximization (LM-OSEM) Verfahren ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the statistical image reconstruction method is part or in whole of the Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) method, the Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) method, the List Mode - Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM -MLEM) procedure and / or the List Mode - Ordered Subset Expectation Maximization (LM-OSEM) procedure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes detektierte Radionuklid eine 2-dimensionale Richtungsverteilung Xk = X(ωk) gemäß X k [ n + 1 ] = X k [ n ] K i , j Y i j i , j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k , φ i ) ] Y i j k ' = 1 K L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , φ i ) ] X k ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0039
aus einer Anfangsverteilung k = 1, , K X k [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0040
unter Nutzung von Lookup-Tabellen LUTSK und einer Winkelabstandsfunktion gemäß ϑ ( ω k , φ i ) = arccos ( cos ( ω k φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0041
berechnet wird.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that for each detected radionuclide a 2-dimensional directional distribution X k = X (ω k ) according to X k [ n + 1 ] = X k [ n ] K i , j Y i j i , j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k , φ i ) ] Y i j k ' = 1 K L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , φ i ) ] X k ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0039
from an initial distribution k = 1, ... , K X k [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0040
using lookup tables LUT SK and an angular distance function according to ϑ ( ω k , φ i ) = arccos ( cos ( ω k - φ i ) )
Figure DE102019131696A1_0041
is calculated.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes detektierte Radionuklid eine 3-dimensionale Richtungsverteilung Xkl = X(ωk, hl) gemäß X k l [ n + 1 ] = X k l [ n ] K L i j Y i j i , j L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k , h l , φ i , β i ) ] Y i j k ' = 1 K l ' = 1 L L U T j S K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , h l ' , φ i , β i ) ] X k ' l ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0042
aus einer Anfangsverteilung k = 1, , K , l = 1, , L X k l [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0043
unter Nutzung von Lookup-Tabellen LUTSK und einer Winkelabstandsfunktion gemäß ϑ ( ω k , h l , φ i , β i ) = arccos ( cos β i cos h l cos ( ω k φ i ) + sin β i sin h l )
Figure DE102019131696A1_0044
berechnet wird.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that for each detected radionuclide a 3-dimensional directional distribution X kl = X (ω k , h l ) according to X k l [ n + 1 ] = X k l [ n ] K L. i j Y i j i , j L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k , H l , φ i , β i ) ] Y i j k ' = 1 K l ' = 1 L. L. U T j S. K ( i ) [ ϑ ( ω k ' , H l ' , φ i , β i ) ] X k ' l ' [ n ]
Figure DE102019131696A1_0042
from an initial distribution k = 1, ... , K , l = 1, ... , L. X k l [ 0 ] = 1
Figure DE102019131696A1_0043
using lookup tables LUT SK and an angular distance function according to ϑ ( ω k , H l , φ i , β i ) = arccos ( cos β i cos H l cos ( ω k - φ i ) + sin β i sin H l )
Figure DE102019131696A1_0044
is calculated.
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur mehrdimensionalen Richtungsmessung von Gammastrahlung im Fernfeld gemäß einem der Ansprüche 1-13 umfassend: - eine Gruppe von mehreren synchronisierten Detektoren zur Erfassung von Strahlung, wobei mindestens ein Detektormaterial eine Ordnungszahl von Zeff > 30 aufweist und alle Detektoren die Energien E messen, welche in Wechselwirkungen der Strahlung mit den Detektormaterialien auftreten; - eine Systemelektronik, welche Koinzidenzereignisse registriert, wenn in je zwei Detektoren aus einer Liste von definierten Detektorpaaren i gleichzeitig Wechselwirkungen stattfinden, wobei die beiden Detektoren aller definierten Detektorpaare i eindeutig mit den Nummern 1 bzw. 2 gekennzeichnet sind; - ein Datenakquisitionssystem, das die in Koinzidenzereignissen gemessenen Energien (E1,E2) entsprechend ihrer Kennzeichnung ordnet und in einer chronologischen Liste mit den Attributen {i, E1, E2 } und der Detektionszeit t speichert; und - eine Analyseeinheit, die aus den vom Datenakquisitionssystem gespeicherten Daten eine oder mehrere Häufigkeitsverteilungen Y erstellt und eine oder mehrere Richtungsverteilungen X des Strahlungsfeldes rekonstruiert.Device for carrying out the method for multidimensional direction measurement of gamma radiation in the far field according to one of the Claims 1 - 13th comprising: a group of several synchronized detectors for detecting radiation, at least one detector material having an ordinal number of Z eff > 30 and all detectors measuring the energies E which occur in interactions of the radiation with the detector materials; System electronics which register coincidence events when interactions take place simultaneously in two detectors from a list of defined detector pairs i, the two detectors of all defined detector pairs i being uniquely identified with the numbers 1 and 2; - A data acquisition system that arranges the energies (E1, E2) measured in coincidence events according to their identification and saves them in a chronological list with the attributes {i, E1, E2} and the detection time t; and an analysis unit which creates one or more frequency distributions Y from the data stored by the data acquisition system and reconstructs one or more direction distributions X of the radiation field. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung teilweise oder komplett als eine Compton Kamera, ein Compton Teleskop, eine Single Plane Compton Kamera, eine Neutronenkamera und/oder eine duale Gamma/Neutronenkamera ausgebildet ist; und/oder wobei die Gesamtheit aller Detektoren eine ringförmige Gestalt hat, bei der die Detektoren in einem Ring angeordnet sind und/oder wobei im Inneren des Rings kein, ein oder mehrere Zentraldetektoren vorliegen; und/oder der Ring bevorzugt vier oder fünf und besonders bevorzugt sechs Plastik-Szintillationsdetektoren enthält und/oder sich im Inneren des Rings bevorzugt ein oder zwei Szintillationsdetektoren aus Nal, Csl, CeBr3 und/oder LaBr3 befinden; und/oder die Szintillationsdetektoren bevorzugt in den Größen 1''x1'', 1,5''x1,5'', 2''x2'' und/oder 3''x3'' ausgebildet sind.Device according to Claim 14 , characterized in that the device is partially or completely designed as a Compton camera, a Compton telescope, a single plane Compton camera, a neutron camera and / or a dual gamma / neutron camera; and / or wherein the totality of all detectors has an annular shape, in which the detectors are arranged in a ring and / or wherein no, one or more central detectors are present in the interior of the ring; and / or the ring preferably contains four or five and particularly preferably six plastic scintillation detectors and / or there are preferably one or two scintillation detectors made of Nal, Csl, CeBr 3 and / or LaBr 3 inside the ring; and / or the scintillation detectors are preferably designed in the sizes 1 "x 1", 1.5 "x 1.5", 2 "x 2" and / or 3 "x 3".
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