Anti-Compton hand held probe for gamma spectroscopy in homeland security applications

Nowadays, controls on trafficking of illicit radioactive materials are increasingly important and more accurate techniques are required to detect and identify occulted radioisotopes such as highly depleted uranium and plutonium. Gamma spectroscopy is one of the most powerful and non-invasive nuclear detection methods whose only limit is the detection of peaks at lower energies. In order to solve this issue, the CMRP started developing an anti-Compton gamma-rays detector which is also a low-power and portable device. Based on a dual detector with two concentric CsI(Tl) scintillators, which are designed to be small in size and weight, and a Silicon Photomultiplier for light collection (PDE=13%), this detector has been conceived to be used in the field and in all conditions. For this innovative dual detector design, the CMRP obtained a patent in the US and Chinese trades. This project aimed to design and realise the first version of the electronics of this device. We realised an electronic circuit able to read out the SiPM outputs coming from the inner crystal and to shape them in order to obtain proper signals for spectroscopy. In parallel with this pulse-amplitude analysis, the timing analysis to veto Compton events was made possible by digitising signals coming from the outer crystal and turning them into 0-5V TTL signals which are able to control the logic gate in the MCA. In order to ensure the coincidence between signals associated to Compton events, a delay line was added to the inner channel. Using a Cs137 source and a dynamic range of 5V, we obtained shaped pulses with an amplitude of approximately 2V and a time width of 4us in the inner channel. Concerning the outer channel, we chose a shaping time of 2us obtaining pulses with a faster rising edge and amplitudes of the same order of magnitude. The delay time needed for the coincidence has been set at 400ns. Measurements of the Compton suppression efficiency have been done in the last part of this project. Changing the threshold voltage, the position of the source and the outer crystal shape and size, we optimised our system achieving an anti-Compton efficiency of 40.8%. Light collection and consequently Compton suppression depend also on the volume and the surface quality of the outer scintillator: the best results were obtained using the newest conical shaped crystal. All measurements were done using a cylindrical 6x6mm inner scintillator, reaching an energy resolution of 9.3%.

Attualmente i controlli di sicurezza sul traffico illecito di sostanze radioattive rivestono sempre maggiore importanza e tecniche via via più sofisticate devono essere sviluppate per rivelare e identificare radioisotopi occultati, come ad esempio Uranio altamente impoverito e Plutonio. Uno dei metodi di rivelazione nucleare più performanti e meno invasivi utilizzati ad oggi è la spettroscopia gamma il cui principale limite è dato dalla scarsa efficienza a basse energie. Questo limite è dovuto al fatto che picchi di bassa intensità a basse energie sono spesso mascherati dal continuo Compton generato da emissioni gamma a più alta energia, cosicchè radioisotopi pericolosi o illegali possono essere nascosti se mescolati insieme ad altri radionuclidi (i.e. quelli per uso medico). Al fine di porre rimedio a questo problema, il CMRP (Centre for Medical Radiation Physics) ha iniziato un percorso di sviluppo di un rivelatore gamma con soppressione Compton che si caratterizzi per i bassi consumi così come per la sua portatilità: basato su due cristalli scintillatori concentrici di CsI(Tl), progettati per avere dimensioni e peso ridotti al minimo, e sull'uso di un Silicon Photomultiplier (SiPM) come fotorivelatore, questo strumento è stato ideato per essere utilizzato sul campo e in ogni condizione climatica. La configurazione duale e concentrica è necessaria per effettuare lo studio di spettroscopia attraverso il cristallo interno e per permettere, grazie al cristallo esterno, la rivelazione dei fotoni scatterati e quindi la soppressione Compton. Il SiPM, sostituendo i fototubi solitamente utilizzati in laboratorio per questo tipo di analisi, permette di realizzare un sistema che sia di dimensioni più ridotte e sia alimentato da tensioni molto minori. Il CMRP ha già potuto brevettare questo design innovativo negli Stati Uniti e in Cina. Il progetto in questione si è posto come obiettivo quello di progettare e realizzare la prima versione della componentistica elettronica dello strumento. Durante lo stage della durata di 7 mesi circa, abbiamo potuto realizzare l'elettronica in grado di leggere gli output del SiPM provenienti dal cristallo interno e modificare i segnali al fine di adeguarli ai parametri del MCA per la spettroscopia. In parallelo a questo canale interno, i segnali provenienti dal cristallo esterno vengono modellati e digitalizzati dalla stessa scheda elettronica, trasformandoli in un segnale TTL 0-5V che controlla la porta logica del MCA: in questo modo è possibile effettuare la soppressione Compton eliminando dallo spettro gli eventi in coincidenza. Al fine di assicurare tale coincidenza tra impulsi riferiti a eventi che vengono rivelati simultaneamente dai due cristalli, una linea di ritardo è stata aggiunta al canale interno. L'intera fase di progettazione è stata realizzata utilizzando il software Altium Designer V.10. La seconda parte del progetto ha riguardato il debug delle schede elettroniche realizzate e la caratterizzazione dei cristalli scintillatori e del SiPM. Questi test iniziali hanno permesso di regolare tutti i parametri della scheda, ossia le tensioni di threshold, gli offset, i guadagni, la banda passante e il ritardo di tempo, in vista della seconda versione dello strumento dove ogni parte superflua, utile solo ai fini dei test, sarà rimossa. Servendoci di una sorgente radioattiva di Cs137 e utilizzando una dinamica di 5V, abbiamo regolato il sistema in modo da ottenere a valle dello shaping del canale interno impulsi di ampiezza intorno ai 2.5V e una costante di tempo di circa 4us. Per quel che riguarda il canale esterno, abbiamo scelto una costante di tempo di 2us ottenendo impulsi con un fronte di salita più veloce e un'ampiezza in tensione dello stesso ordine di grandezza. Il ritardo di tempo necessario per garantire la coincidenza è stato fissato a 400ns. Infine, è stata testata l'efficienza della soppressione Compton con il nuovo assetto elettronico. Attraverso queste misure si sono potuti analizzare tre principali aspetti che possono influenzare in modo considerevole o inficiare i risultati: il livello della tensione di threshold sul canale esterno, la posizione della sorgente (sopra, sotto, a lato) rispetto al rivelatore, la geometria e le dimensioni degli scintillatori. Modificando i suddetti parametri si è potuto ottimizzare il sistema di rivelazione raggiungendo efficienze di soppressione Compton fino al 40.8%, con la sorgente posta a lato e una threshold intorno ai 230mV. L'efficienza di rivelazione e di conseguenza la soppressione Compton dipendono anche dal volume, dalla forma e dalla qualità della superficie del cristallo esterno all'interfaccia col SiPM: i migliori risultati sono stati ottenuti servendosi del cristallo esterno più nuovo, in termini di fabbricazione, caratterizzato da un corpo cilindrico modellato a tronco di cono nella sua parte finale. Tutte le misure sono state effettuate utilizzando invece come scintillatore interno un cristallo cilindrico di 6x6mm, ottenendo una risoluzione di 9.3%. Importanti limiti ai risultati sono stati imposti dal rumore elettronico, dalla PDE molto bassa del SiPM (circa il 13%) e dalle superfici deteriorate dei cristalli. Il rapporto segnale/rumore ancora troppo basso e una threshold conseguentemente elevata così come la bassa efficienza intrinseca del SiPM nel rivelare i fotoni di scintillazione del CsI(Tl), hanno impedito di ottenere migliori risultati. Il miglioramento di questi parametri dovrà essere la base di partenza per il futuro sviluppo dello strumento.