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Die Erfindung bezieht sich auf ein richtungsabhängiges Detektorsystem für Gammastrahlung zur Bestimmung des Winkels, unter welchem die gemessene Gammastrahlung das richtungsabhängige Detektorsystem zur Messung von Gammastrahlung getroffen hat, wobei ein derartiges Detektorsystem bevorzugt für Anwendungen im Bereich des Heimatschutzes verwendet wird.
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Stand der Technik
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Kompakte Instrumente, die Gammaspektroskopie und Radionuklididentifikation zur Verfügung stellen, sind bekannt. Allerdings sind diese kompakten Instrumente unempfindlich für den Winkel, aus dem die Strahlung kommt.
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Richtungsabhängigkeit kann mit Vieldetektorapparaturen oder positionsempfindlichen Detektoren erreicht werden, beispielsweise mit sogenannten Compton Kameras. Dabei handelt es sich um komplexe Systeme, die komplexe Algorithmen verlangen, etwa rekursive Wiederherstellungsalgorithmen, sowie erhebliche Rechenleistung. Unabhängig von der Tatsache, dass diese Detektorsysteme komplex und groß sind, verhindert die benötigte Rechenleistung, dass diese Systeme für Echtzeitanwendungen eingesetzt werden. Stattdessen ist es notwendig, die Daten offline auszuwerten, d. h. nachdem die Messung abgeschlossen wurde.
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Speziell für Anwendungen im Bereich des Heimatschutzes gibt es einen großen Bedarf für ein kompaktes Detektorsystem, welches auch in der Lage ist Richtungsinformationen zur Verfügung zu stellen. Im Gegensatz zur Bildgebung, wie sie aus den medizinischen Anwendungen bekannt ist, bedeutet Richtungsabhängigkeit nicht die Zuordnung einer Aktivitätsverteilung (wie in medizinischen Anwendungen erforderlich), sondern die Unterstützung bei der Suche nach versteckten Quellen durch Hinweise auf die Richtung zur Quelle. Die Minimalanforderung ist ein „links/rechts” und/oder „oben/unten” Hinweis, aber eine begrenzte Winkelauflösung würde noch besser sein. Letzteres würde es erlauben einen Zeiger darzustellen, der zur Quelle zeigt und somit den Benutzer zur Quelle führt.
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Ein derartiger richtungsabhängiger Gammastrahlendetektor ist aus der
US 2009/0309032 A1 (Ramsden) bekannt. Dieses Detektorsystem benutzt eine Vielzahl, vorzugsweise vier, Szintillationsdetektoren, die um eine Zeigerachse angebracht sind, und wertet die Zählraten in jedem der Detektoren aus. Wenn Gammastrahlung das Detektorsystem unter einem bestimmten Winkel trifft, schirmen die Detektoren, die näher an der Strahlungsquelle liegen, die anderen Szintillatoren zumindest teilweise ab, was zu einer höheren Zählrate in diesen Szintillatoren führt.
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Ein solches System hat mehrere ernsthafte Nachteile. Zunächst ist es, wenn hochenergetische Gammastrahlenquellen detektiert werden sollen, notwendig, große und hocheffiziente Szintillationsmaterialien zu verwenden, da der notwendige Abschirmungseffekt mit steigender Energie abnimmt. Dies macht das System groß und schwer, was, wenn man über transportable Geräte – Handgeräte – spricht, ein spezieller Nachteil ist. Zweitens ist die Winkelauflösung sehr schlecht, wenn der Winkel, unter dem die Gammastrahlung das Detektorsystem trifft, klein mit Blick auf die Zeigerachse ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Stand der Technik zu verbessern, indem ein einfacher und kompakter richtungsabhängiger Detektor für Gammastrahlung für Heimatschutzanwendungen zur Verfügung gestellt wird, welcher möglicherweise in der Art eines Personenrufempfängers oder eines Handinstrumentes implementiert werden kann, um bessere Mittel zur Verfügung zu stellen, um verbotene oder versteckte radioaktive Quellen zu finden.
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Die Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Detektorsystem nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Aufgabe wird insbesondere von einem richtungsabhängigen Gammastrahlungsdetektorsystem, vorzugsweise einem transportablen Handsystem, zur Bestimmung des Winkels, unter dem die gemessene Gammastrahlung das Gammastrahlungsdetektorsystem trifft, gelöst, welches vorzugsweise für Heimatschutzanwendungen eingesetzt wird und welches mindestens zwei Gammastrahlungsdetektoren aufweist, die in kleinem Abstand zueinander, vorzugsweise unmittelbar gegenüber, angeordnet sind, sowie Detektorelektronik zum Betrieb der Gammastrahlendetektoren als Spektrometer, so dass die Detektorelektronik Energiespektren der gemessenen Gammastrahlen für jeden Gammastrahlungsdetektor sammelt, sowie Systemelektronik, welche es erlaubt, Koinzidenzereignisse in den mindestens zwei Gammastrahlungsdetektoren zu identifizieren, die so eingerichtet ist, dass sie zumindest die Schritte zum Sammeln eines Energiespektrums E20 der gemessenen Gammastrahlen in einem ersten Gammastrahlungsdetektor durch die korrespondierende Detektorelektronik ausführen kann, diese begrenzt auf koinzidente Ereignisse in einem zweiten Gammastrahlungsdetektor, der ein Energiespektrum E30 der genannten detektierten koinzidenten Gammastrahlen in diesem zweiten Gammastrahlungsdetektor mit Hilfe der korrespondierenden Detektorelektronik aufnimmt, sowie Bestimmen der mittleren Energie <E20> des ersten Energiespektrums E20 und Bestimmen der mittleren Energie <E30> des zweiten Energiespektrums E30, und Bestimmung des Winkels unter dem die gemessene Gammastrahlung das Gammastrahlungsdetektorsystem trifft, indem die mittlere Energie <E20> mit der mittleren Energie <E30> verglichen wird. Der Winkel kann dabei nur eine links oder rechts (oder auf oder ab) Information sein, kann aber, abhängig von der speziellen Ausführungsform der Erfindung, ein bestimmter Winkel oder Bereich von Winkeln sein.
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In einer speziellen Ausführungsform wird die Richtung zur Strahlungsquelle, d. h. der inzidente Winkel der detektierten Gammas, aus der mittleren Energie <E20> und der mittleren Energie <E30> berechnet, indem eine vordefinierte Funktion und möglicherweise eine vordefinierte Kalibrationstabelle zusätzlich verwendet wird. Die vordefinierte Funktion kann sein F = (<E20> – <E30>) ÷ (<E20> + <E30>).
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Es kann ein Vorteil sein, nur diejenigen Teile der Energiespektren E20 und E30 zur Bestimmung der mittleren Energien <E20> und <E30> zu verwenden, bei denen die Summenenergien aller einzelnen koinzidenten Ereignisse über oder auf einer bestimmten Schwelle TL liegen. Die Schwelle TL kann 200 keV betragen.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn nur diejenigen Teile der Energiespektren E20 und E30 zur Bestimmung der mittleren Energien <E20> und <E30> verwendet werden, bei denen die Summenenergie aller einzelnen koinzidenten Ereignisse unterhalb oder auf einer bestimmten Schwelle TH liegen. Die Schwelle TH wird vorzugsweise im Hinblick auf die Energie der zu messenden Gammastrahlung (für den Fall, dass diese bekannt ist) eingestellt. ES ist ein Vorteil, wenn alle Gammaenergien, welche effizient mit den Gammadetektoren detektiert werden können und im Detektorsystem effizient verwendet werden, unterhalb einer Schwelle TH liegen, so dass das Detektorsystem in der Lage ist, die entsprechende Information ebenfalls auszuwerten. Schwellwerte TH von 3 MeV und 1,5 MeV haben sich für die meisten Fälle als am effektivsten erwiesen.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform sind die mindestens zwei Gammastrahlendetektoren von der selben Sorte, ausgewählt aus einer Gruppe von Szintillationsdetektoren, Halbleiterdetektoren und gasgefüllten Ionisationskammern oder Proportionalzählern.
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Offenbart ist auch ein Verfahren zur Bestimmung des Winkels, unter dem die gemessene Gammastrahlung das Gammastrahlungsdetektorsystem trifft, vorzugsweise für Heimatschutzanwendungen, aufweisend zumindest zwei in geringem Abstand, vorzugsweise gegenüber, angeordneten Gammastrahlungsdetektoren, sowie Detektorelektronik zum Betrieb der Gammastrahlungsdetektoren als Spektrometer. Nach diesem Verfahren sammelt die Detektorelektronik Energiespektren der detektierten Gammastrahlen für jeden Gammastrahlungsdetektor und identifiziert gleichzeitig koinzidente Ereignisse in den mindestens zwei Gammastrahlungsdetektoren. In einem ersten Schritt wird ein Energiespektrum E20 der gemessenen Gammastrahlen in einem ersten Gammastrahlungsdetektor durch die entsprechende Detektorelektronik gesammelt, aber begrenzt auf koinzidente Ereignisse in einem zweiten Gammastrahlungsdetektor. Zur gleichen Zeit wird ein Energiespektrum E30 der genannten gemessenen koinzidenten Gammastrahlen in einem zweiten Gammastrahlungsdetektor durch die entsprechende Detektorelektronik gemessen. In einem weiteren Schritt wird die mittlere Energie <E20> des ersten Energiespektrum E20 und die mittlere Energie <E30> des zweiten Energiespektrums E30 bestimmt. Aus diesen mittleren Energiespektren wird der Winkel, unter dem die gemessene Gammastrahlung das Gammastrahlungsdetektorsystem trifft, berechnet, indem die mittlere Energie <E20> mit der mittleren Energie <E30> verglichen wird, vorzugsweise indem eine vorbestimmte Funktion und möglicherweise eine vorbestimmte Kalibrierungstabelle verwendet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und/oder andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung von Ausführungsformen im Zusammenhang mit den zugehörigen Bildern deutlich und leichter verständlich. Die Figuren zeigen:
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1 eine Konfiguration eines direktionalen Gammastrahlendetektorsystems mit zwei Gammadetektoren;
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2a und 2b zwei verschiedene Aufbauten, die sich im Winkel der Positionen der Strahlungsquelle voneinander unterscheiden;
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3a bis 3d die Entwicklung von Asymmetrien in den koinzidenten Spektren mit dem Inzidenzwinkel (ϑ); und
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4 einen einzelnen Parameter, der die links/rechts Asymmetrie des Spektrums als Funktion einer normalisierten Differenz der mittleren Energien zeigt.
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Spezielle Ausführungsform
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Im Folgenden wird im Detail Bezug genommen auf die vorliegenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei Beispiele von diesen in den begleitenden Zeichnungen erläutert werden, wobei die gleichen Bezugszeichen durchgehend für die gleichen Elemente verwendet werden. Die Ausführungsformen werden im Folgenden beschrieben, um die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die Figuren zu erläutern.
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1 zeigt die Minimalkonfiguration, aufweisend zwei Gammadetektoren (200, 300), insbesondere Szintillationsdetektoren oder Halbleiterdetektoren, welche in engem Abstand einander gegenüber montiert sind. Die Detektoren werden als Spektrometer betrieben, die die Energiespektren der gemessenen Gammastrahlung sammeln. Das Elektronikschema, wie es in den entsprechenden Detektorelektroniken (250, 350) beinhaltet ist, stellt Mittel zur Messung von koinzidenten Spektren in Verbindung mit der Systemelektronik (150) zur Verfügung. Es ist offensichtlich, dass die komplette Elektronik in einem einzelnen Elektronikset integriert werden kann, speziell wenn ein kompaktes Design erreicht werden soll.
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Der einfachste Fall ist eine symmetrische Anordnung von zwei Gammadetektoren (200, 300) desselben Typs. Neben dem „normalen” (single mode) Energiespektrum E, abgeleitet von den Energieabgaben in jedem der Detektoren, welches für Zwecke der Nukleininformation verwendet werden kann, werden die Spektren E20, E30 und ES in Koinzidenz zueinander gemessen. E20 (oder E30) bedeutet das Energiespektrum (das bedeutet die gemessene Verteilung der deponierten Energien oder der korrespondierenden Impulshöhen) im linken (200) oder rechten (300) Detektor, wenn ein koinzidentes Ereignis im rechten (300) oder linken (200) Detektor erkannt wurde. ES ist die Summenenergie, die im linken (200) und rechten (300) Detektor im Koinzidenzfall registriert wurde. Diese Koinzidenzspektren enthalten im Wesentlichen Ereignisse als Folge von Compton-Streuung in einem der Detektoren, gefolgt von einer anderen Wechselwirkung (vorzugsweise vollständige Absorption) des gestreuten Gammas im anderen Detektor.
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2a und 2b zeigen zwei unterschiedliche Aufbauten, die sich in der Winkelposition der Strahlungsquelle unterscheiden. In 2a und 2b zeigen die gestrichelten Linien die inzidenten Gammastrahlungsereignisse einer bestimmten Energie, wogegen die gestrichelten Pfeile die zugehörigen gestreuten Gammas mit Energien ES1 und ES2 zeigen. Die fett dargestellten Pfeile weisen auf Rückstoßelektronen mit Energien ER1 und ER2 hin.
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2a zeigt den symmetrischen Fall, bei dem der Winkel θ unter dem die Gammastrahlung das Detektorsystem (100) trifft, θ = 0° beträgt. In 2b trifft die Gammastrahlung das Detektorsystem von der linken Seite. Folglich ist die mittlere Energieabgabe im linken Detektor (200) als Folge der Streukinematik im Falle von koinzidenten Ereignissen im rechten Detektor (300) reduziert.
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Wenn ein paralleler Strahl von Gammas das Detektorsystem trifft, soll angenommen werden, dass alle Gammaquanten parallel zu der durch die Figur vorgenommene Ebene sein sollen. ϑ sei der Winkel zwischen den Gammaquanten und der Symmetrieebene zwischen den beiden Detektoren. ϑ = 0° korrespondiert dann zu einer Gammaquelle vor dem Detektorsystem, wie in 2a gezeigt. Dies ist der symmetrische Fall.
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Im symmetrischen Fall können die beiden Spektren E20 und E30 in ihrer Form wegen ihrer Symmetrie nicht unterschiedlich sein. Allerdings wechselt die Energieverteilung mit dem inzidenten Winkel ϑ, wie in 2b gezeigt.
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Koinzidente Ereignisse in den Spektren E20, E30 und ES sind im Wesentlichen eine Folge von Compton-Streuung in einem Detektor, gefolgt von einer Absorption des gestreuten Gammas in dem anderen Detektor.
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Koinzidente Ereignisse in E20 können durch die Streuung von inzidenten Gammas im linken Detektor (200) verursacht werden, gefolgt von einer Absorption des gestreuten Gammas im rechten Detektor (300). In diesem Fall ist der Durchschnittsstreuwinkel kleiner als im symmetrischen Fall. Konsequenterweise ist der Energietransfer auf das gestreute Elektron, welches in 200 detektiert und daher in E20 wiedergegeben wird, kleiner als im symmetrischen Fall. Dies ist eine Folge aus der Compton-Streuungsformel.
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Koinzidente Ereignisse, die auf einer Streuung im rechten Detektor (300), gefolgt von einer Absorption des gestreuten Gammas im linken Detektor (200) beruhen, unterscheiden sich andererseits durch einen Streuungswinkel, welcher im Durchschnitt größer als im symmetrischen Fall ist. Konsequenterweise ist die Energie des gestreuten Gammas, welches möglicherweise in 200 deponiert wird und sich in E20 widerspiegelt, im Durchschnitt kleiner als im symmetrischen Fall.
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Konsequenterweise ist die mittlere Energie <E20> des Spektrums E20, welches sich im ersten Impuls (Schwerpunkt) von E20 ausdrückt, zugunsten der mittleren Energie <E30> von E30 reduziert, wenn die Gammaquelle auf der linken Seite angeordnet ist. Entsprechend ist die mittlere Energie <E20> auf Kosten von <E30> angehoben, wenn die Gammaquelle sich auf der rechten Seite befindet (nicht gezeigt).
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Die Erfinder haben erstmalig festgestellt, dass ein Inzidenzwinkel ϑ ≠ 0° die Symmetrie der Spektren E20 und E30 in dem gezeigten Aufbau ausreichend stört, sodass die Asymmetrie (gemessen in Einheiten der mittleren Energie) ein Maß für ϑ ist, welches ausreichend genau für Heimatschutzanwendungen ist. Die Erfinder haben insbesondere herausgefunden, dass der beschriebene Effekt tatsächlich ausgewertet werden kann, um eine Richtungsabhängigkeit mit nur zwei Detektoren zu erreichen.
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3a bis 3d zeigen die Entwicklung der Asymmetrien in den koinzidenten Spektren mit dem inzidenten Winkel (ϑ). Zu beachten ist, dass Det-1 immer den Detektor auf Seiten der Quelle meint (linker Detektor (200) aus 2), Det-2 den gegenüberliegenden – rechten – Detektor (300). Die Figuren zeigen tatsächliche Simulationen von Koinzidenzspektren als Funktion des inzidenten Winkels (ϑ). Die Simulationen wurden mit zwei 25 mm × 25 mm × 15 mm LaBr3 Detektoren durchgeführt, welche einander gegenüber angeordnet und einer 137Cs-Quelle ausgesetzt waren.
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4 zeigt, dass selbst ein einfacher Parameter, der die links-rechts Asymmetrie im Spektrum in Einheiten der normalisierten Differenz von mittleren Energien wie in Gleichung 1 F = (<E20> – <E30>) ÷ (<E20> + <E30>) Gleichung 1 gezeigt und welche einfach mit einem Minimum an Rechenleistung berechnet werden kann, ausreichend ist, um den inzidenten Winkel ϑ von ~300...1000 keV Gammas mit einer Genauigkeit von ungefähr ~20–40° quantifizieren kann. Die Ordinate steht für die Differenz der mittleren Energien der einzelnen Detektoren, normalisiert auf die mittlere Summenenergie, jeweils abgeleitet von den Koinzidenzspektren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Form der Abhängigkeit für einen weiteren Bereich von Gammaenergien nahezu gleich ist.
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Die Genauigkeit des Systems kann erhöht werden, wenn nur diejenigen Ereignisse für die Bestimmung der Richtung verwendet werden, bei denen eine signifikante Abhängigkeit vom Winkel und der verwendeten Funktion vorliegt. In dem in 4 gezeigten Fall ist es ein Vorteil, nur diejenigen Ereignisse zu verwenden, deren Summenenergie ES oberhalb oder gleich einer unteren Schwelle TL = 300 keV und/oder unterhalb oder gleich einer oberen Schwelle von TH = 1 MeV liegen.
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Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, dass einige Eigenschaften der Erfindung einen ganzen Satz von substantiellen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik zur Verfügung stellen. Zunächst ist dies die Einfachheit, da die Richtungsabhängigkeit in einer Ebene mit nur zwei Detektoren bei ausreichender Genauigkeit erreicht werden kann. Da keine komplexe Elektronik oder fortgeschrittene Rechenleistung notwendig ist, kann der Aufbau in einem technisch einfachen Aufbau mit wesentlich geringerer Komplexität als im Stand der Technik realisiert werden. Nur deshalb ist eine Echtzeitauswertung der gemessenen Information möglich. Eine sehr wichtige weitere Konsequenz ist die geringe Rechenleistung dieses Systems, die es erlaubt, dieses in ein batteriebetriebenes Handgerät, ähnlich wie ein Personenrufempfänger, zu integrieren. Schließlich erlauben einige Punkte der Erfindung nicht nur die Bestimmung einer „links/rechts” oder „oben/unten” Entscheidung, sondern stellen eine vernünftige Winkelauflösung selbst im ganz einfachen Aufbau mit nur zwei Strahlungsdetektoren zur Verfügung.
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All dies macht die Erfindung besonders geeignet für kompakte tragbare Detektoreinheiten, wie sie, gemäß einigen Aspekten der Erfindung, oft in Heimatschutzanwendungen erforderlich ist.
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Zusätzlich wird festgestellt, dass der erfindungsgemäße Detektor im Hinblick auf weitere Aspekte der Erfindung auf lineare oder schachbrettartige Vieldetektorsysteme skalierbar ist.
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Gemäß einiger Aspekte der Erfindung kann es, in einigen Aufbauten, ebenfalls ein Vorteil sein, verschiedene Strahlungsdetektoren im System zu verwenden, beispielsweise eine Kombination aus einem Szintillationsdetektor mit einem Halbleiterdetektor. Die Physik ändert sich nicht, wenn zwei Detektoren aus unterschiedlichem Material und/oder unterschiedlicher Größe verwendet werden. Ein asymmetrischer Detektoraufbau führt zu unterschiedlichen Formen der Spektren von E20 und E30 im Fall von ϑ = 0°, wobei sich aber die mittleren Spektrenenergien in gleicher Weise ändern. Mit einer adäquaten Kalibrierung, die diese Asymmetrie berücksichtigt, kann die Richtung der Quelle in gleicher Weise bestimmt werden, wie sie für die symmetrische Anordnung beschrieben wurde. Nach Aspekten der Erfindung kann das Verfahren angepasst werden, wenn ein Aufbau mit drei Detektoren (Links, Rechts und Mitte) verwendet wird. Ein Vergleich der Spektren des linken und des rechten Detektors in Koinzidenz mit dem mittleren Detektor und der Spektren des mittleren Detektors in Koinzidenz mit dem linken und dem rechten Detektor stellt dann zusätzliche Richtungsinformation zu der Information, die aus dem Vergleich der benachbarten (Links/Mitte und Mitte/Rechts) Detektorpaaren abgeleitet wird. Dies verbessert die Genauigkeit für die Messung des inzidenten Winkels ϑ.
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Wenn Konfigurationen mit mehr als drei Detektoren verwendet werden, kann jedes Paar (oder Triplett) von benachbarten Detektoren als richtungsabhängiger Detektor, wie oben beschrieben, betrachtet werden. Eine Kombination all dieser richtungsabhängigen Daten verbessert die Genauigkeit zur Messung des inzidenten Winkels ϑ weiter.
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Anordnungen mit einer Vielzahl von Detektoren können Detektoren aufweisen, die auch Bestandteile aus leichten Elementen aufweisen, welche sich durch eine geringe effektive Ladungszahl Z und eine reduzierte Wahrscheinlichkeit einer Gesamtenergieabsorption unterscheiden. Dies steigert die Zahl der verschwindenden, Compton-gestreuten Gammas, welche die Richtungsinformation zur Verfügung stellt.
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Zu beachten ist, dass lineare Detektorkonfiguration eine Richtungsabhängigkeit in einer definierten Detektorebene zur Verfügung stellen, während schachbrettartige Konfigurationen von Detektoren die links-rechts Richtungsabhängigkeit durch eine oben-unten Richtungsabhängigkeit ergänzen können.
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Obwohl einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden ist es klar, dass Fachleute Änderungen zu diesen Ausführungsformen vornehmen können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Schutzbereich in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0309032 A1 [0005]
