DE4039619A1 - Measurement of position radioactive source in space - uses four sensors with variable geometry to find exact source-to-sensor distances from calculation of energy decay in medium - Google Patents

Measurement of position radioactive source in space - uses four sensors with variable geometry to find exact source-to-sensor distances from calculation of energy decay in medium

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Klaus Konschak
Joerg Stein
Dirk Blavius
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ZITTAU TECH HOCHSCHULE
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ZITTAU TECH HOCHSCHULE
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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

A process to give bearings on a radioactive source measures the radiation impulse rate from 4 detectors placed within the range of the ionising radiation from the source. The position of the sensors is varied according to a redn of error condition to assess the distances of the detectors from the source and enable calculation of coordinates. Pref the medium between the source and the detectors is homogeneous and allows the redn of intensity to be calculated. The coordinates are pref calculated as time dependant functions of a source moved on tracks in a space. USE/ADVANTAGE - Used in nuclear medicine and engineering, isotope prodn military intelligence and civil defence. The location of a radioactive source is in a convenient coordinate system without additional energy sources or equipment.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Ortung von radioaktiven Quellen wie sie vorzugsweise in nuklearmedizinischen Verfahren angewandt werden, wobei die größte Ausdehnung der Quelle klein gegenüber dem georteten Abstand zum Aufpunkt sein muß. Weitere Anwendungsgebiete sind die Isotopentechnik bzw. Isotopenproduktion, die Kerntechnik, die militärische Aufklärung sowie die Zivilverteidigung.The invention relates to the location of radioactive sources as preferably used in nuclear medicine procedures be, with the greatest extent of the source being small compared must be the located distance from the starting point. Other areas of application are the isotope technology or isotope production, the Nuclear technology, military reconnaissance and civil defense.
Es ist bekannt Gegenstände im allgemeinen mit optischen oder mechanischen Verfahren in Produktionsanlagen oder in der Umwelt zu orten. Der Umstand, daß radioaktive Quellen Substanzen enthalten, die im allgemeinen durchdringende, weitreichende ionisierende Strahlung aussenden, behindert einerseits die optischen, mechanischen oder anderen Verfahren zur Ortung der Quelle, erlaubt aber andererseits eine direkte radiometrische Ortung der Quelle ohne Hilfsenergie für mechanische, optische oder anderen Verfahren.It is known objects in general with optical or mechanical Processes in production facilities or in the environment too locate. The fact that radioactive sources contain substances the generally penetrating, far-reaching ionizing Sending out radiation on the one hand hinders the optical, mechanical or other methods of locating the source, but allowed on the other hand direct radiometric location of the source without Auxiliary energy for mechanical, optical or other processes.
Bekannte radiometrische Verfahren und Vorrichtungen gestatten nur die Ortung einer oder mehrerer Quellen unter Einhaltung zusätzlicher geometrischer oder materieller Bedingungen.Known radiometric methods and devices only allow the location of one or more sources while observing additional ones geometric or material conditions.
Ein Proportionalzählrohr wurde für die zweidimensionale Ortsbestimmung von Strahlungsfeldern vorgeschlagen, wobei eine spezielle Gestaltung der Anode zugrunde gelegt wird (DE 33 07 032 A1).A proportional counter tube was used for the two-dimensional location determination proposed by radiation fields, with a special design the anode is used (DE 33 07 032 A1).
Auf einem ähnlichen Prinzip beruht ein Proportionalzählrohr zur Messung räumlicher Intensitätsverteilungen von ionisierender Strahlung, das bei Erfüllung geometrischer Vorbedingungen ebenfalls eine Quellortung als Spezialfall zulassen könnte (DE 24 60 686).A proportional counter tube is based on a similar principle Measurement of spatial intensity distributions of ionizing radiation, that also fulfills one if geometric preconditions are fulfilled Source location could allow as a special case (DE 24 60 686).
Auf die Verfolgung gerad- und krummliniger Bewegungsabläufe mittels radiometrischer Messungen bezieht sich eine weitere Erfindung (DE 24 12 974).On tracking straight and curvilinear movements using Another invention relates to radiometric measurements (DE 24 12 974).
Auf der Analyse von Impulslaufzeiten beruht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung der räumlichen Verteilung der Radioaktivität in einem Objekt (DE 24 40 955).One method and one is based on the analysis of pulse transit times Device for examining the spatial distribution of radioactivity in an object (DE 24 40 955).
Bei allen Lösungen ist die räumliche Auflösung gering, was in noch stärkerem Maße für mitgeteilte radiometrische Verfahren für gasförmige radioaktiv kontaminierte Medien gilt (DE 22 36 418, DE 22 36 409).With all solutions, the spatial resolution is low, which is still in more for communicated radiometric processes for gaseous radioactive contaminated media applies (DE 22 36 418, DE 22 36 409).
Nur für ganz konkrete Nuklide, die Quanten verschiedener Energien emittieren, läßt sich die Methode zur Ortung von radioaktiv markierten Organen in Tieren realisieren (DE 15 89 843).Only for very specific nuclides, the quanta of different energies  emit, the method for locating radioactively marked Realize organs in animals (DE 15 89 843).
Es wurde auch eine Methode zur präzisen Ortung einer Quelle in einer Ebene vorgeschlagen, die bei bekanntem Abstand zwischen Aufpunkt und Ebene anwendbar ist ("Meßverfahren zur Ortung einer radioaktiven Strahlenquelle in einer medizinischen Bestrahlungseinrichtung"; Konschak, K.; Raban, K.; Schkade U. K.; Forschungsberichtung TH Zittau, K. 1276/85, 1985). Der entscheidende Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Quelle nicht an beliebigen Raumkoordinaten geortet werden kann.There has also been a method for precisely locating a source in a Plane proposed that the known distance between the onset and level is applicable ("Measuring method for locating a radioactive radiation source in a medical radiation facility "; Konschak, K .; Raban, K .; Schkade U. K .; Research reporting TH Zittau, K. 1276/85, 1985). The main disadvantage of this The method is that the source is not at any spatial coordinates can be located.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, eine radioaktive Quelle an einem beliebigen Punkt im Raum zu orten, sofern der Abstand zwischen eben dieser radioaktiven Quelle und dem Aufpunkt, die Reichweite der von der Quelle ausgesandten ionisierenden Strahlung nicht übersteigt.The invention is based on the problem of specifying a method with which it is possible to use a radioactive source at any To locate a point in space, provided the distance between the two this radioactive source and the onset, the range of that ionizing radiation emitted by the source.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Impulsraten von vier im Raum angeordneten Strahlungsdetektoren IP₁, IP₂, IP₃ und IP₄, die den jeweiligen Quanten- oder Teilchendichte der Quelle an den entsprechenden Orten der Detektoren direkt proportional sind, derart ins Verhältnis gesetzt werden, daß sich daraus die Raumkoordinaten der radioaktiven Quelle ergeben.According to the invention this is achieved in that the pulse rates of four radiation detectors arranged in the room IP₁, IP₂, IP₃ and IP₄, the respective quantum or particle density of the source directly proportional to the corresponding locations of the detectors are related in such a way that the Result in spatial coordinates of the radioactive source.
Die Erfindung beruht auf folgenden theoretischen Erkenntnissen. Bei bekannter Aktivität, Strahlungsart und Detektorempfindlichkeit läßt sich mittels Abstandsgesetze aus der mit einem Detektor gemessenen Impulsrate IP₁ der Betrag des Abstandes zwischen radioaktiver Quelle und Detektor, die beide als punktförmig angenommen werden, bestimmen. Wird eine Ortung der radioaktiven Quelle im Raum, d. h. die Bestimmung der Koordinaten in einem vorgegebenen Bezugssystem, z. B. in einem Produktionsraum oder in einem menschlichen Körper, angestrebt, so ist die Installation zweier weiterer Detektoren, die die Impulsraten IP₂ und IP₃ liefern, erforderlich. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, bilden diese drei Detektoren ein Grunddreieck, dessen Geometrie frei wählbar ist.The invention is based on the following theoretical knowledge. In the case of known activity, type of radiation and detector sensitivity, the distance between radioactive source and detector, both of which are assumed to be punctiform, can be determined by means of distance laws from the pulse rate IP 1 measured with a detector. If the radioactive source is located in space, ie the determination of the coordinates in a given reference system, e.g. B. in a production room or in a human body, the installation of two further detectors that deliver the pulse rates IP₂ and IP₃ is required. As can be seen from FIG. 1, these three detectors form a basic triangle, the geometry of which can be freely selected.
Erfindungsgemäß wird gemäß Fig. 1 ein vierter Detektor, der die Impulsrate IP₄ liefert, hinzugefügt um einerseits der endlichen Grö- ße von Detektor und radioaktiver Quelle gerecht zu werden und an­ dererseits den Parameter für die Abbruchbedingung der iterativen Rechenprozesse zu liefern. Zur Ortung der radioaktiven Quellen im Raum sind aus den gemessenen Impulsraten IPi folgende Verhältnisse zu bilden:According to the invention, a fourth detector, which delivers the pulse rate IP₄, is added in accordance with FIG. 1, on the one hand to meet the finite size of the detector and radioactive source and, on the other hand, to provide the parameter for the termination condition of the iterative computing processes. To locate the radioactive sources in the room, the following relationships must be formed from the measured pulse rates IP i :
Bei Vernachlässigung der Absorption der Strahlung in Medien zwischen radioaktiver Quelle und Aufpunkt (normalerweise Luft) folgt über das Abstandsgesetzt:Neglecting the absorption of radiation in media between radioactive source and onset (usually Air) follows from the distance law:
Die in den Verhältnissen in Gleichung [2] enthaltenen Entfernungen R₁, R₂, R₃ und R₄ sind die Beträge der Abstände der Detektoren D₁, D₂, D₃ und D₄ zur radioaktiven Quelle.The distances contained in the ratios in equation [2] R₁, R₂, R₃ and R₄ are the amounts of the distances between the detectors D₁, D₂, D₃ and D₄ to the radioactive source.
Im Gegensatz zu ein- und zweidimensionalen Problemen (Quelle auf einer Geraden bzw. Ebene) können die Koordinaten der Quelle x, y und z nicht auf analytischen Wege aus R₁, R₂, R₃ und R₄ ermittelt werden.In contrast to one- and two-dimensional problems (source on a straight line or plane) the coordinates of the source x, y and z is not determined analytically from R₁, R₂, R₃ and R₄ will.
Erfindungsgemäß werden die in Fig. 1 angegebene Winkel α₁ und anschließend der Winkel γ so lange variiert, bis das pro Schritt erreichte Verhältnis V₁′, V₂′, V₃′ und V₄′ und das aus den gemessenen Impulsraten nach [1] übereinstimmt. Mit Hilfe der variierten Winkel α₁ und γ und den dadurch bestimmten Radien R₁, R₂, R₃ und R₄ lassen sich die Koordinaten x, y und z der radioaktiven Quelle berechnen.According to the invention, the angle α 1 shown in FIG. 1 and then the angle γ are varied until the ratio V 1 ′, V 2 ′, V 3 ′ and V₄ ′ reached per step and which corresponds to the measured pulse rates according to [1]. With the help of the varied angles α₁ and γ and the radii R₁, R₂, R₃ and R₄ determined thereby, the coordinates x, y and z of the radioactive source can be calculated.
Die Genauigkeit des Verfahrens bzw. der Fehler von x, y und z hängt entscheidend vom statistischen Fehler der Messung der Impulsraten IP₁, IP₂, IP₃ und IP₄ ab.The accuracy of the method or the errors of x, y and z depends crucially on the statistical error of measuring the pulse rates IP₁, IP₂, IP₃ and IP₄ from.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zur Ortung radioaktiver Quellen im Raum keine weiteren Hilfsenergien bzw. Hilfsvorrichtungen benötigt werden und das die Intensität der von der Quelle ausgesandten ionisierenden Strahlung selbst als Informationsträger benutzt wird.The advantages achieved with the invention are in particular that to locate radioactive sources in the room no more Auxiliary energies or auxiliary devices are needed and that Intensity of the ionizing radiation emitted by the source itself is used as an information carrier.
Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Ortung einer radioaktiven Quelle im Raum und wird nachfolgend unter Zugrundelegung einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt dabeiEmbodiment of the invention includes the location of a radioactive source in the room and will be based below  a drawing described in more detail. It shows
Fig. 1 das geometrische Modell zur Quellortung in einem kartesischem Koordinatensystem, wobei im Koordinatenursprung der Detektor 1 (D₁) angeordnet ist. Fig. 1, the geometric model for source location in a Cartesian coordinate system, the detector 1 (D 1 ) being arranged in the coordinate origin.
Der in Fig. 1 angegebene Winkel β₁ wird von einem geeigneten Rechner schrittweise erhöht. Damit ergibt sich unter Verwendung von [1]:The angle β 1 shown in Fig. 1 is gradually increased by a suitable computer. Using [1]:
undand
Stimmt das aus den Impulsraten IP₁ und IP₂ berechnete Verhältnis V₄ mit hinreichender Genauigkeit mit dem sich ergebenden Verhältnis V₄′ des Quadrates der Radien R₁ und R₄ überein, wird zur Variation des Winkels γ übergegangen.Is the ratio calculated from the pulse rates IP₁ and IP₂ V₄ with sufficient accuracy with the resulting ratio V₄ 'of the square of the radii R₁ and R₄ match, becomes a variation of the angle γ.
Damit ergeben sich nach Einführung der Hilfsgrößen H₁, H₂ und H₃ die folgende Gleichung für R₃:This results in the introduction of auxiliary variables H₁, H₂ and H₃ the following equation for R₃:
Die Variation von γ erfolgt so lange bis das Verhältnis V₂ mit dem Verhältnis V₂′ mit hinreichender Genauigkeit übereinstimmt.The variation of γ continues until the ratio V₂ with the Ratio V₂ 'corresponds with sufficient accuracy.
Damit sind alle fehlenden Parameter bestimmt und der Ort der Quelle im Raum definiert. Abschließend erfolgt eine Umrechnung der Polarkoordinaten in ein rechtwinkliges Koordinatensystem.This defines all the missing parameters and the location of the source defined in space. Finally, the polar coordinates are converted into a right-angled coordinate system.
Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference numerals used
Di - Ort des Detektors i
Hj - Hilfsgrößen
IPi - Impulsrate des Detektors i
i - Index i = 1, 2, 3, 4
j - Index j = 1, 2, 3
li - Länge der dem Detektor i gegenüberliegenden Dreiecksseite
Ri - Radius der Kugeloberfläche mit dem Detektor i im Mittelpunkt
Vi - Verhältnis der Impulsraten
Vi′ - Verhältnis der Radien
x, y, z - Koordinaten im rechtwinkligen Koordinatensystem
αi - Winkel zwischen dem Detektor i auf der x,y-Ebene
βi - Winkel zwischen dem Ort der radioaktiven Quelle und den Detektoren i
γ - Neigungswinkel der von dem Ort der Quelle und den Detektoren 1 und 2 gebildeten Ebene bezüglich der x,y-Ebene
D i - location of the detector i
H j - auxiliary quantities
IP i - pulse rate of the detector i
i - index i = 1, 2, 3, 4
j - index j = 1, 2, 3
l i - length of the triangle side opposite the detector i
R i - radius of the spherical surface with the detector i in the center
V i - ratio of pulse rates
V i ′ - ratio of the radii
x, y, z - coordinates in the rectangular coordinate system
α i - angle between detector i on the x, y plane
β i - angle between the location of the radioactive source and the detectors i
γ - angle of inclination of the plane formed by the location of the source and the detectors 1 and 2 with respect to the x, y plane

Claims (3)

1. Verfahren zur Ortung von radioaktiven Quellen im Raum, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsraten von vier Detektoren beliebig im Raum innerhalb der Reichweite der ionisierenden Strahlung angeordneten Detektoren ins Verhältnis gesetzt werden und nach Variation der geometrischen Parameter unter Verwendung einer Abbruchbedingung aus den ermittelten vier Abständen zwischen radioaktiver Quelle und den Detektoren die Koordinaten der radioaktiven Quelle in Bezug gesetzt werden.1. A method for locating radioactive sources in space, characterized in that the pulse rates of four detectors arbitrarily arranged in space within the range of the ionizing radiation detectors are compared and after variation of the geometric parameters using a termination condition from the four distances determined the coordinates of the radioactive source are related between the radioactive source and the detectors.
2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dichteinhomogenitäten im Raum zwischen Detektor und radioaktiver Quelle durch die Anwendung des Schwächungsgesetztes berücksichtigt werden.2. The method according to item 1, characterized in that density inhomogeneities in the space between the detector and the radioactive source taken into account by applying the weakening law will.
3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktive Quelle auf beliebigen Bahnen im Raum bewegt und die Koordinaten als zeitabhängige Funktionen ermittelt werden.3. The method according to item 1 or 2, characterized in that the radioactive source moves on any orbits in the room and the Coordinates are determined as time-dependent functions.
DE19904039619 1989-12-14 1990-12-12 Measurement of position radioactive source in space - uses four sensors with variable geometry to find exact source-to-sensor distances from calculation of energy decay in medium Withdrawn DE4039619A1 (en)

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