Development of a 3D spectro-imaging system based on Timepix3

The detection of radioactive hotspots represents an important challenge for nuclear industry and nuclear safety, especially during decommissioning operations. In particular, there are some contaminated areas which are inaccessible to operators, either due to harming radioactivity levels or due to their location. The detection and measurement of such areas can be performed remotely by using radiation imaging techniques, which allow having a visual radiological mapping. In the context of this thesis, radiation imaging will focus on the detection of X-rays and gamma rays emitting radionuclides, taking the name of gamma imaging. This technique is carried out by means of a gamma camera equipped with a coded aperture, resulting in a device able to record the spatial distribution of a radiation field. The sensitive part of the gamma camera used in this work is a Timepix3 chip (an ASIC developed by CERN) hybridized to a 1 mm thick cadmium telluride (CdTe) semiconductor, which shows the capability of measuring simultaneously position, energy and timing of each interaction. The thesis will focus on the description of gamma imaging techniques, starting from the detection of single radioactive sources up to the development of spectro-imaging methods for the detection of multiple sources. Finally, three dimensional imaging using a single gamma camera will be discussed and developed; the objective is the localization, identification and reconstruction of radioactive hotspots in the 3D reference frame. The final goal of this work is to achieve the most complete radiological mapping possible.

La rilevazione degli hotspot radioattivi rappresenta una sfida importante per l’industria e la sicurezza nucleare, soprattutto durante le operazioni di smantellamento. In particolare, ci sono alcune aree contaminate che risultano inaccessibili agli operatori, sia a causa degli elevati livelli di radioattività sia a causa della loro posizione. La rilevazione e la misura di tali aree possono essere svolte da remoto sfruttando tecniche di imaging, che permettono di avere una rappresentazione visiva della radioattività. In questo lavoro di tesi, l’imaging di sorgenti radioattive è rivolto alla misura di radionuclidi X e gamma emettitori, prendendo quindi il nome di imaging gamma. Questa tecnica viene realizzata attraverso una cosiddetta camera gamma con apertura codificata, si tratta di un dispositivo capace di misurare la distribuzione spaziale di un campo di radiazioni. Il sensore della camera gamma utilizzata in questo lavoro è composto dal circuito di acquisizione Timepix3 (una ASIC sviluppata al CERN), il quale viene ibridato con 1 mm di tellurio di cadmio (CdTe) e risulta capace di misurare simultaneamente la posizione, l’energia e il tempo per ciascuna interazione. In questa tesi verranno discusse varie tecniche di imaging gamma, partendo dalla misura di singoli hotspots fino ad arrivare a tecniche di imaging spettrometrico, che permettono di rilevare diversi gamma emettitori insieme. Infine, verranno presentate e implementate tecniche di imaging tridimensionale usando una sola camera. Queste ultime pongono l’obiettivo di localizzare e identificare le sorgenti radioattive ed ottenere una ricostruzione tridimensionale degli hotspots. L’obiettivo finale di questo lavoro è ottenere una mappatura radiologica il più completa possibile.