Characterisation and optimisation of a radiation detection system for the new site gate monitors at CERN

The goal of this thesis work is to describe the methods used and the tests performed in the framework of the renovation of the Site Gate Monitors (SGM) system at CERN, in particular concerning the radiation detection and signal processing. The SGM is a permanently-operating system for the detection of gamma emitters at CERN site exits, aiming to prevent their illicit removal. It monitors slowly-moving vehicles, targeting specific isotopes which are usually produced by CERN accelerators or used as standard laboratory sources. Their gamma radiation lies in an energy range between 50 keV and 3 MeV. The detectors should be sensitive to the energy range in which the sources of interest emit their gamma radiation. Individual isotope identification is not required. Short measuring time, high sensitivity and low false alarm rate are needed. Reliable discrimination of the targeted sources from naturally occuring radioactive materials (NORM) and medical isotopes, which should be recognized but not intercepted by the system, is required. Among the main constraints there are the variety of background conditions the detect ors are exposed to due to natural and artificial radiation, the background suppression phenomenon and the presence of pulsed radiation due to CERN’s accelerators complex operation. Energy windowing algorithms will be implemented to discriminate the targeted sources providing a rough energy information, to increase the sensitivity of the system in pres ence of background suppression and to reduce the one to background variations due to environmental influences. Since the radiation fields produced by the accelerators can be non uniform in time, pulsed radiation rejection is a requirement at CERN, which will be faced via custom-made filters, whose parameters have to be adjusted according to the specific detector location.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è descrivere i metodi utilizzati ed i test effettuati nel contesto del rinnovo del sistema di Site Gate Monitors (SGM) al CERN, in particolare per quanto riguarda la rilevazione di radiazioni ed il processamento del segnale. Il sistema SGM è progettato per il monitoraggio continuo di emettitori gamma presso le uscite del CERN, con lo scopo di prevenire la loro rimozione illecita. Vengono controllati veicoli in movimento a bassa velocità: i target sono isotopi prodotti dagli acceleratori del CERN o utilizzati come sorgenti in laboratorio. La radiazione gamma emessa si estende da 50 keV a 3 MeV. Il sistema deve fornire un’indicazione spettrometrica approssimativa, ma non è necessario individuare singolarmente gli isotopi. Sono richiesti un breve tempo di misura, un’alta sensibilità e un rate di falsi allarmi ridotto, oltre ad una discriminazione affidabile delle sorgenti di interesse da naturally occuring radioactive materials (NORM) ed isotopi di uso medico, che devono essere riconosciuti ma non intercettati. I vincoli principali a cui è soggetto tale sistema sono dati dalle varie condizioni di back ground a cui sono esposti i detector a causa di radiazione naturale ed artificiale, dalla sop pressione del background e dalla presenza di radiazione pulsata dovuta al funzionamento del complesso di acceleratori del CERN. Al fine di discriminare le sorgenti di interesse fornendo un’indicazione spettrometrica saranno implementati degli algoritmi di energy windowing, che permettono inoltre di incrementare la sensibilità del sistema in caso di soppressione del background e di ridurre quella relativa all’influenza ambientale. Dal momento che il campo gamma prodotto dagli acceleratori non è uniforme nel tempo, la discriminazione della radiazione pulsata rappresenta un potenziale problema al CERN, che verrà affrontato con filtri specifici i cui parametri ideali devono essere ottimizzati a seconda della posizione del rilevatore.