Large-area Hybrid Gamma Imager: Fast Localization of Gamma-ray Sources

Abstract

This thesis reports the development of a gamma-ray imaging device, named Large-Area Hybrid Gamma Imager (LAHGI), featuring high imaging sensitivity, good imaging resolution over a broad energy range. A hybrid collimation method, which combines mechanical and electronic collimation, is employed for a stable imaging performance over a range of gamma ray energies. High imaging sensitivity was accomplished by large-area scintillation detectors. The system comprises position-sensitive NaI(Tl) scintillation detectors, dedicated electronics, a tungsten coded aperture mask, and a 3D camera. Each component was specifically designed for the LAHGI system, after a thorough consideration on the performance on field application. Large position sensitive detectors, composed of NaI(Tl) scintillator crystals and photo-multiplier tubes, were newly designed to improve durability to mechanical and electronic harshness of fields. Comprising four units of monolithic scintillation detector, “quad-type” NaI(Tl) scintillation detector reduced risks of physical damage and random coincidence on high count rate, when compared to those made of a monolithic crystal with same active volume. Incorporated with the dedicated high-speed digital signal processing system and algorithms to estimate interaction information, the quad-type detector showed good performances: Energy resolution at 662 keV was evaluated as 6.9% in normal circumstances, and it maintained less than 8%, even in high count-rate up to 1200 kcps; Position and timing resolution was 6 mm FWHM and 15 ns FWHM, respectively. The imaging performance of the LAHGI was evaluated through experiments in various source conditions with gamma energies, source positions and measurement time. It was able to acquire clear images of the source locations through the hybrid imaging on energies ranging from low as 59.5 keV (241Am), to high as 1330 keV (60Co), some of which were difficult when the coded aperture imaging or the Compton imaging used separately. The imaging resolution ranged 6.0–8.9°, when maximum likelihood estimation maximization (MLEM) image reconstruction was applied. From the high sensitivity of the developed system, the 137Cs source at distance, incurring dose rate lower than background level (~0.1 µSv/h), can be imaged in a short measurement time: it required 3 s and 30 s when the dose rate from the source was about 25% and 3% of the background level, respectively. The LAHGI was also demonstrated in circumstances simulating decontamination site, where the dose rate is known to be 1–4 µSv/h. It was able to image the sources of interest in the field of view (FOV), even when other sources distributed in and out of the FOV incurred increased background radiation. The LAHGI system developed in the present study, successively broaden the applicable conditions of the gamma ray imaging, in terms of gamma ray energy, dose rate, and imaging speed. The performance demonstrated here can propose a new perspective of radiation imaging in decontamination field, and, moreover, consequently promote an active and efficient application of gamma ray imaging on decommissioning, nuclear accident response, and nuclear security. |본 연구에서는 원전 해체, 원자력 사고 현장과 같이 넓은 공간에 분포한 방사성 오염의 고속 탐지를 목적으로 대면적 하이브리드 감마선 영상장치를 개발하였다. 이는 기계적 집속방식 및 전기적 집속방식 기반의 감마선 영상 기법을 하나의 장치에서 구현함으로써 개별 영상 기법이 갖는 에너지 의존성을 보완하여 넓은 에너지 범위의 감마선에 대해 안정적인 영상화 성능을 가지며, 대면적 NaI(Tl) 섬광검출기를 통해 높은 영상 효율을 달성하였다. 대면적 하이브리드 감마선 영상장치를 구성하는 위치민감형 NaI(Tl) 섬광 검출기 및 고속 신호처리 장치, 기계적 집속을 위한 부호화 구경 집속장치 및 삼차원 카메라, 등 시스템을 구성하는 주요 하드웨어를 설계 및 제작하고, 데이터 처리 및 성능향상을 위한 소프트웨어를 개발하였으며, 이들을 통합하여 대면적 하이브리드 감마선 영상장치를 개발하였다. 대면적 NaI(Tl) 섬광검출기는 현장에서의 물리적 충격에 대한 내구성을 보완하고 고계수율 조건에서 측정 성능을 유지하면서도 높은 효율을 달성하기 위해 NaI(Tl) 섬광체와 9개의 광증배관이 결합된 단위 검출기 4개를 한 조로 구성하였다. 이를 위해 설계한 고속 다채널 디지털 신호처리 시스템과 에너지 추정 기술을 적용하였을 때, 일반적인 측정 환경에서의 662 keV에 대한 에너지 분해능은 6.9%로 평가되었으며, 계수율이 1200 kcps까지 증가하더라도, 에너지 분해능은 8% 미만을 유지하였다. 본 검출기의 위치 분해능 및 시간 분해능은 각각 6 mm 및 15 ns로 평가되었다. 개발한 시스템의 성능을 다양한 감마선 에너지, 선원 위치 및 측정시간 조건에서 평가하였다. 하이브리드 영상기법을 통해 241Am의 59.5 keV와 같이 콤프턴 영상기법을 적용하기 어려운 낮은 에너지의 감마선과 60Co의 1330 keV와 같이 부호화 구경 영상기법의 품질이 저하되는 높은 에너지의 감마선을 모두 안정적으로 영상화 할 수 있었다. 최대 우도 기댓값 최대화 알고리즘기반의 영상재구성 기법을 사용하였을 때 영상해상도는 반치폭을 기준으로 6.0 – 8.9°로 평가되었다. 또한, 137Cs 선원의 영상을 선원의 거리와 측정 시간에 따라 획득해보았을 때 배경방사선량률(~0.1 µSv/h)의 25 % 및 3 % 수준을 내는 선원을 각각 3 초 및 30 초 내에 영상화 할 수 있음을 확인하였다. 원자력 사고의 제염 현장의 선량률(1–4 µSv/h)을 모사한 환경에서의 실험을 통해 개발한 시스템의 현장적용성을 평가하였다. 선원이 장치의 시야각 안팎에 분포한 다양한 환경에서 시야각 내에 존재하는 관심 선원의 영상을 획득할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 대면적 하이브리드 감마선 영상장치의 넓은 방사능 탐지 범위와 향상된 탐지 속도는 기존 장치의 제한적인 성능에 맞춰 시행되던 감마선 영상장치의 활용에 새로운 관점을 제시하고 그 활용 영역을 원자력 사고 대응, 방사선 환경, 국토 안보 등 확장할 수 있을 것으로 기대된다.