Study of a Compton camera based on CsI(Tl) scintillator bars for radiological environmental imaging

Abstract

Compton cameras are used for radiological imaging, which can be useful in environmental applications and especially in determining the position of hidden sources. Current Compton cameras are based on pixelated detectors with complex electronic instrumentation and these devices are usually expensive. In order to overcome these issues, a Compton camera consisting of scintillator bars with two photo-sensors placed at both ends is a promising option. In addition, it is expected that these kind of detectors make the Compton camera lightweight and robust.Characterization of two identical CsI(Tl) scintillator bars with two silicon photomultipliers each was done. The basic characterization parameters of detectors, such as the attenuation coefficient, position resolution and energy resolution, were determined experimentally with a collimated Cesio-137 point source. Different light attenuation coefficients were found for identical scintillators, causing different position resolutions. This fact highlights the importance of carrying out a control analysis for each detector. In addition, the position resolution and energy resolution were found to be independent of the position of ¿-ray interactions within the crystal. Monte Carlo (MC) simulations with PENELOPE/penEasy were carried out to design a Compton camera. In order to achieve this, the MC simulations needed to be validated. This was done by comparing both simulated and experimental data obtained in two different experimental measurement campaigns. In the first campaign, two detectors were irradiated individually with a collimated point source, while the second campaign consisted of irradiating a simple Compton camera made of two CsI(Tl) scintillator bars. The geometry defined in the MC simulations and the codes used to calculate the image for a Compton camera based on CsI(Tl) scintillator bars were validated with these experimental campaigns. The response of each individual detector, the Compton camera efficiency, the angular resolution and images obtained with MC simulations and experimental measurements were compared. Results show good agreement between experimental and simulated data.Once the MC simulations were fully validated, the design of a Compton camera consisting of two layers with four CsI(Tl) scintillator bars each was done. The cross-section size of crystals and distance between layers were optimized based on Compton camera efficiency, angular resolution and image resolution. This analysis was carried out with an energy range of 360-1330 keV. The final optimized Compton camera consists of two layers separated by 10 cm. Each layer has four 2×2×10 cm3 CsI(Tl) scintillator bars. The characterization of the Compton camera was then carried out. The field of view, efficiency, angular resolution and image resolution were calculated. In addition, the ability of the Compton camera to make use of the simple back-projection method to identify radioactive material in the environment has also been evaluated by simulating several point sources. The Compton camera was able to detect several point sources simultaneously, however, as the number of sources increases, the images became blurred. The capacity of the Compton camera is promising, since it can detect several sources in the environment according to MC simulations. Therefore, the construction of a Compton camera based on eight 2×2×10 cm3 CsI(Tl) scintillator bars should prove to be useful for environmental measurements and for installation on unmanned aerial systems, commonly called “drones”. Las Cámaras Compton son utilizadas para realizar imágenes radiológicas, lo cual puede ser de utilidad en aplicaciones medioambientales y en especial en la localización de fuentes. Las cámaras Compton actuales están formadas por un conjunto de pequeños detectores por lo que necesitan de una instrumentación electrónica compleja, haciendo que estos sistemas de detección sean normalmente caros. La utilización de barras de centelleo con dos foto-sensores colocados a ambos lados es una opción prometedora para hacer una cámara Compton económica y sencilla de utilizar. Además, se espera que una cámara Compton formada por este tipo de detectores sea ligera y robusta. Las caracterizaciones de dos barras de centelleo de CsI(Tl) con dos fotomultiplicadores de silicio cada uno fueron llevadas a cabo. Los parámetros básicos de la caracterización son el coeficiente de atenuación, la resolución en posición y la resolución en energía. Estos fueron determinados experimentalmente con una fuente puntual colimada de Cesio-137. Se encontraron diferentes coeficientes de atenuación para centelladores idénticos, haciendo que los detectores presenten una distinta resolución en posición. Este hecho pone de manifiesto la importancia de llevar a cabo un análisis de cada detector. Además, se comprobó que la resolución en energía y en posición son independientes de la posición de la interacción del rayo-gamma en el cristal.Simulaciones de Monte Carlo (MC) con PENELOPE/penEasy fueron llevadas a cabo para diseñar una cámara Compton. Para llevar a cabo esta tarea, las simulaciones MC necesitan primero ser validadas. Esto se realizó comparando datos simulados y experimentales obtenidos en dos campañas de medidas. En la primera campaña, los dos detectores fueron irradiados individualmente con una fuente colimada, mientras que la segunda campaña consistió en irradiar una cámara Compton simple formada por dos barras de centelleo de CsI(Tl). La geometría definida en las simulaciones MC y los códigos utilizados para calcular las imágenes para una cámara Compton formada por barras de centelleo de CsI(Tl) fueron validados con estas medidas experimentales. La respuesta de cada detector individual, la eficiencia de la cámara Compton, la resolución angular y las imágenes obtenidas fueron comparadas. Se encontró que los resultados experimentales están de acuerdo con los resultados de las simulaciones.Una vez que las simulaciones de MC fueron completamente validadas, el diseño de la cámara Compton fue llevado a cabo. La cámara Compton está formada por dos capas de detectores con cuatro centelladores de CsI(Tl) cada una. El tamaño de la sección transversal de los cristales y la distancia entre las capas fueron optimizadas en base a la eficiencia, resolución angular y resolución en imagen. Este análisis fue llevado a cabo en un rango de energías de 360-1330 keV. La cámara Compton optimizada está formada por dos capas de detectores separada 10 cm. Cada capa tiene cuatro barras de centelleo de CsI(Tl) de tamaño 2×2×10 cm3. La caracterización de la cámara Compton fue entonces llevada a cabo. El campo de visión, eficiencia, resolución angular y resolución en imagen fueron calculados. Además, la habilidad de la cámara Compton usando el método "Simple back-projection method" para identificar material radiactivo en el medioambiente ha sido evaluado simulando varias fuentes puntuales. La cámara Compton fue capaz de detectar varias fuentes puntuales simultáneamente, sin embargo, a medida que el número de fuentes aumenta, las imágenes se hacen más ruidosas. La capacidad de la cámara Compton es prometedora, ya que puede detectar varias fuentes en el medioambiente de acuerdo con las simulaciones MC. Por tanto, la construcción de la cámara Compton formada por ocho detectores de CsI(Tl) de tamaño 2×2×10 cm3 debería resultar útil para las medidas ambientales y para la instalación en sistemas aéreos