A Compton-scattering detector for imaging gamma rays for security purposes has been designed, built and tested. The imager is affordable, durable, portable, and has a wide field of view. The goal of this project was to develop an imager capable of quickly locating gamma-ray sources in the several hundred keV - several MeV range, that is sufficiently portable to be transported around urban environments. The design uses long bars of NaI(Tl) as the detection medium for both its scatter and absorber planes. Each bar is read out by a pair of photomultiplier tubes (PMTs) placed on opposite sides. Pulse-height sharing between the PMTs is used to reconstruct the longitudinal position of the interaction in the bars. The detector design was optimized using GEANT4 simulations. Decreasing the attenuation length of the bars was shown to significantly improve the position resolution and only slightly worsen the energy resolution of an interaction in the scintillator bar; thus a procedure to produce scintillator bars with a specified attenuation was developed. For the best scatter bar, of size 20 x 20 x 200 mm, an energy resolution of 8.0% +/- 0.2% (FWHM) and a position resolution of 5.7 +/- 0.1 mm was measured at 662 keV. For the best absorber bar, of size 40 x 40 x 400 mm, an energy resolution of 7.9% +/- 0.1% (FWHM) and a position resolution of 8.5 +/- 0.1 mm was measured.The performance of a reduced-scale imager using four of the proposed seven absorber bars has been tested. Sources with gamma-ray energies ranging from 392 keV to 1274 keV, located 9 m away, were successfully imaged using a chi-squared minimization procedure. No degradation in imaging performance was observed for source angles up to 40 degrees off axis. The data from the Cs-137 (662 keV) source was converted to obtain an equivalent exposure of a 10 mCi source located 40 m away; the source could be located in 60 seconds with an uncertainty of less than a degree.Other important results include measuring the Angular Resolution Measure (ARM) and efficiency at 662 keV; an ARM width of 2.96 +/- 0.03 degrees, and an efficiency of (1.95 +/- 0.02) x 10^(-3) was obtained. / Un détecteur à diffusion Compton pour l'imagerie de rayons gamma pour des raisons de sécurité a été conçu, construit et testé. Ce détecteur, en plus d'être abordable, durable et portable, possède un large champ de vision. Le but de ce projet était de développer un imageur capable de localiser rapidement les sources de rayons gamma dans la gamme d'énergie allant de centaines de keV à plusieurs MeV, et qui est suffisamment portable pour être transporté dans des environnements urbains. Le concept repose sur la détection des gamma grâce à l'utilisation de longues barres scintillatrices de NaI(Tl), choisies principalement pour leurs propriétés optiques telles que l'absorption et la diffusion. Chaque barre est accompagnée d'une paire de tubes photomultiplicateurs (PMs) placés de chaque côté. L'amplitude des signaux enregistrés par les deux PMs est utilisée pour reconstruire la position longitudinale des interactions dans les barres.Le concept du détecteur a été optimisé à l'aide de simulations GEANT4. En réduisant la longueur d'atténuation des barres, la résolution spatiale a été améliorée de façon significative, tout en n'affectant que très peu la résolution en énergie; ce qui a nécessité le développement d'une nouvelle technique de production de barres scintillatrices avec une longueur d'atténuation spécifique. Pour la barre ayant une diffusion optimale, d'une longueur de 20 x 20 x 200 mm, une résolution en énergie de 8.0% +/- 0.2% (FWHM) et une résolution spatiale de 5.7 +/- 0.1 mm ont été mesurées à 662 keV. Pour la barre ayant une absorbtion optimale, d'une longueur de 40 x 40 x 400 mm, une résolution en énergie de 7.9% +/- 0.1% (FWHM) et une résolution spatiale de 8.5 +/- 0.1 mm ont été mesurées. La performance d'un modèle réduit du détecteur, n'utilisant que quatre des sept barres scintillatrices originalement proposées, a été testée. Des sources radioactives produisant des rayons gamma d'énergies entre 392 keV et 1274 keV, placées à une distance de 9 m, ont pu être imagées avec succès à l'aide d'une technique de minimisation du khi carré. Aucune détérioration de la performance de l'image n'a été observée pour des sources situées à des angles inférieurs à 40 degré de l'axe de visée du détecteur. Les données d'une source Cs-137 (622 keV) ont été converties en une exposition équivalente à une source de 10 mCi située à une distance de 40 m; cette source pouvant être localisée en 60 secondes avec une précision supérieure à 1 degré. D'autres résultats importants furent de mesurer la Mesure de la Résolution Angulaire (MRA), ainsi que l'efficacité à 662 keV: une valeur de 2.96 +/- 0.03 degré pour l'MRA et de (1.95 +/- 0.02) x10^(-3) pour l'efficacité ont été obtenues.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121121 |
| Date | January 2014 |
| Creators | MacLeod, Audrey |
| Contributors | David Hanna (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
Page generated in 0.0146 seconds