Robust and compact gamma ray detection unit for scrap yard monitoring

The aim of this project is to design a compact gamma ray detection system to be used in steel mills and foundries to detect the presence of radioactive sources inside scrap metal as soon as possible in the production line. There are several international reports that certify the importance of this task since the accidental or intentional dumping of radioactive sources (especially Cs137 and Co60) within scrap metal to be melted can produce both environmental damage and severe economic losses to involved companies. Today the detection of radioactive sources is performed by gates which scan the trucks or the train wagons entering the scrap yard. This gates are already present in every steel mills and foundries, however, some sources, heavily shielded by the surrounding metal, can escape the detection, leading to a higher sensitivity request. To increase it, the distance between the possible radioactive sources and the detection system needs to be reduced, so a solution is represented by the placement of the detector inside the mechanical tool used to move the scrap metal. In this way, it works at the shortest possible distance from the material and also with the smallest volume of material, which translates in a reduction of the shielding effect. There are some challenges though, the operating conditions of this solution are very harsh since the detection system will have to operate with the presence high magnetic fields, strong mechanical shocks, high temperatures, varying background radiation and short measurement times. This thesis work, starting from the first version of the system already developed, aims to complete the detection system and to improve its performance. The second version of the detection system presented is based on a NaI(Tl) scintillator crystal optically coupled to only four SiPMs characterized by a sensor size of 6x6mm\textsuperscript{2}, but changes to the geometry of the crystal, the SiPMs model and their disposition have been made. The crystal is now cylindrical(2" diameter for 2" of height) and the SiPMs have been moved to the center of the optical window of the crystal. A custom electronics developed during this thesis performs the conditioning of the signal coming from the SiPMs, so that it can be digitalised by an ADC, and integrates some auxiliaries sensors. Also a microcontroller is present that is used to manage the whole system and to perform temperature compensation to stabilize the gain of the detectors and control the variable bias voltage of the SiPMs. Moreover, it hosts a radio module that can be used to interact with the system without a direct USB connection. The analog processing chain consists of a transimpedance preamplifier, a gain stage, an analog peak stretcher and a variable threshold comparator used to trigger the acquisition of an event. The thesis exhibits some fundamental theory about gamma radiation, about spectroscopy and about Silicon Photomultipliers. Then, the different components of the system are presented and analyzed: starting with the different printed circuit boards, passing then to the firmware of the microcontroller and finishing with the GUIs designed to be able to interact with the system. Lastly, the measurements performed in laboratory together with some on field measurements performed in the scrap yard of a scrap dealer are presented, concluding with the results and a look towards future developments of the detection system.

L'obiettivo di questo progetto è di ideare un sistema di rivelazione di raggi gamma compatto da usare nelle acciaierie e fonderie per identificare sorgenti radioattive all'interno di rottami metallici. Esistono numerosi report internazionali che certificano l'importanza di questa attività dato che lo smaltimento accidentale o intenzionale di sorgenti radioattive (soprattutto Cs137 e Co60) all'interno di rottami metallici destinati ad essere fusi può produrre sia danni ambientali che gravi perdite economiche alle imprese coinvolte. Per questa ragione, possibili sorgenti radioattive devono essere individuate il prima possibile nella linea di produzione. Ad oggi la rivelazione di queste sorgenti è affidata a dei portali che scansionano i camion o i vagoni dei treni che entrano nel deposito rottami. Questi portali sono già presenti in tutte le acciaierie e fonderie ma alcune sorgenti, vista l'elevata azione di schermatura fornita dal metallo circostante, può sfuggire al rivelamento, rendendo necessaria una maggiore sensibilità. Per aumentarla, la distanza tra la possibile sorgente e il sistema rivelatore deve essere ridotta: una soluzione è quella di posizionare il rivelatore all'interno dello strumento meccanico utilizzato per spostare i rottami metallici. In questo modo il sistema lavora alla minore distanza dal materiale possibile e con il minor volume di materiale possibile, il che corrisponde ad un ridotto effetto di schermatura. Ci sono delle sfide da affrontare in questa soluzione però, le condizioni di lavoro sono molto dure visto che il sistema deve lavorare in presenza di un forte campo magnetico, violenti urti, alte temperature, radiazioni di fondo variabili e ridotti tempi di misura. Questo lavoro di tesi, partendo dalla prima versione del sistema già sviluppata, ha come obiettivo il completamento del sistema e il miglioramento delle sue prestazioni. Il sistema presentato è basato su un cristallo scintillatore di NaI(Tl) otticamente accoppiato a 4 SiPM che sono caratterizzati da una dimensione di 6x6mm^2, ma una nuova geometria del cristallo, modello di SiPM e la disposizione è stata implementata. Il cristallo ora è cilindrico(2" di diametro per 2" di altezza) e i SiPM sono stati spostati al centro della finestra ottica del cristallo. L'elettronica è basata su tre schede: una scheda ospita da un lato i detector e dall'altro il circuito che condiziona il segnale che arriva dal detector in modo da poterlo digitalizzare usando un ADC e alcuni sensori ausiliari, una seconda monta il microcontrollore usato per gestire l'intero sistema e per eseguire una compensazione in temperatura del guadagno dei detector, il circuito che genera la tensione di alimentazione variabile per i SiPM e il connettore USB usato per collegare il sistema ad un host computer mentre la terza scheda ospita un modulo radio che può essere usato per interagire con il sistema senza il bisogno della connessione USB diretta. La catena analogica è composta da un preamplificatore a transimpedenza, un secondo stadio di guadagno, un peak stretcher analogico e un comparatore a soglia variabile utilizzato per attivare l'acquisizione di un evento. La tesi espone i fondamenti sulle radiazione gamma, la spettroscopia e sui Silicon Photomultipliers. Dopo di ciò, i differenti componenti del sistema sono presentati e analizzati: partendo dalle diverse schede, passando poi al firmware del microcontrollore per arrivare alle interfacce grafiche scritte per interagire con il sistema. Infine, vengono presentate le misurazioni eseguite in laboratorio insieme ad alcune misurazioni sul campo eseguite nel deposito rottami di un rottamatore, concludendo con i risultati e uno sguardo ai futuri sviluppi del sistema di rivelamento.