Design, characterization and optimization of various β γ measurement systems
Description
This thesis is based on four peer reviewed publications and reflects the scientific work from 2002 to 2009. These four papers correspond to four main chapters of the thesis. The common sense of the work is the focus on physics and electronics of measurement systems for ionizing radiation. The common aim is to increase measurement performance and sensitivity by increasing the signal to noise ratio (SNR). This has been realized by reduction of the terrestrial and cosmic radiation background and by minimizing of electromagnetic interference (EMI) and noise pick up by electronic measures. Another method, applied to increase the SNR, utilized adaptive integration time to optimize the ratio of recorded signal and background counts. For spectroscopic systems, also the stability of the energy calibration plays a key role for high SNR, as the detection limit depends on the energy resolution and stability of energy calibration. The first paper 'Optimization of an active anti cosmic veto shielding' (Schroettner at al., 2004) deals with optimization of a low level gamma spectroscopy system. Time spectroscopy of the cosmic muons passing the guard detector and the related background signals in the high purity germanium (HPGe) detector has been applied to optimize the veto time window. The fluctuation of the muon flux has been investigated and the possible induced drop and variation of measurement efficiency have been calculated and minimized. To extend the operation of the active veto towards lower γ-energies, the electronic noise and interference has been reduced by systematic location and elimination of the sources. A totally isolated power net employs filtering and regeneration of the power line for the laboratory. The second paper 'Enhancing sensitivity of portal monitoring at varying transit speed' (Schroettner at al., 2009) contains a characterization of a plastic scintillation based portal monitoring system and presents a method to increase the sensitivity of the system at varying transit speed. The detector-characterization results are used to simulate the signal for various speed and off axis distance. The simulation has been used to develop and test new algorithms for speed dependent data processing of the count rate signal. The SNR and the minimum detectable activity (MDA) have been calculated as function of the integration time to obtain their optima. The algorithms are experimentally validated by using a high speed source transport system to simulate a passing source. The third paper 'Long term comparison of methods to sustain energy calibration in low level gamma-ray spectroscopy and investigation of possible sources for drift' (Schroettner and Kindl, 2010) investigates various sources for drift of energy calibration of HPGe detectors. A long term comparison of different methods for energy calibration (source injection method and pulser method) shows pros and cons and presents a new concept to monitor and sustain energy calibration of gamma spectroscopic measurement systems. The fourth paper 'A high resolution, multi parameter, β-γ coincidence μ-γ anticoincidence system for radioxenon measurement' (Schroettner at al., submitted on 30.1. 2010 to NIM A) describes a novel high resolution multi parameter measurement system combining β-γ coincidence and μ-γ anticoincidence. The system is indented for measurement of radioxenon samples and calibration of radioxenon spikes. A HPGe detector for photons and a silicon surface barrier (SSB) detector for electrons are combined to measure coincident γ/x-ray and β/conversion electron radiation. The data acquisition in list mode allows changing, checking and optimizing all time windows for (anti-) coincidence off line during data processing and analysis. The system has been designed to be operated also in α-γ coincidence mode which can be applied to nuclear safeguard (forensics). (author)
Availability note (English)
Available from University Library Graz University of Technology, Technikerstrasse 4, 8010 Graz (AT)Abstract (German)
Diese Doktorarbeit basiert auf vier von Experten begutachteten (peer-reviewed) Publikationen und beinhaltet die wissenschaftliche Arbeit von 2002 bis 2009. Den vier Publikationen entsprechen die vier Hauptkapitel der vorliegenden Arbeit. Der gemeinsame Schwerpunkt dieser Publikationen liegt in der Physik und Elektronik von Messsystemen für ionisierende Strahlung. Das gemeinsame Ziel ist die Optimierung der Messsysteme und die Erhöhung der Empfindlichkeit durch Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses (SRV). Dies wurde durch die Reduktion des kosmischen und terrestrischen Strahlungsuntergrundes sowie durch die Verringerung von elektromagnetischen lnterferenzen (EMI) und elektronischem Rauschen realisiert Eine weitere Methode welche angewandt wurde, um das SRV zu erhöhen, war die Verwendung einer adaptiven lntegrationszeit um das Verhältnis von aufgezeichneten Signal- und Untergrundimpulsen zu optimieren. Bei spektroskopischen Messsystemen spielt auch die Energiekalibrierung eine Schlüsselrolle für ein hohes SRV, da die Nachweisgrenze von der Energie-Auflösung sowie der Stabilität der Energie-Kalibrierung abhängt. Die erste Publikation mit dem Titel 'Optimization of an active anti cosmic veto shielding' (Schroettner at al., 2004), behandelt die Optimierung eines Low-Level Gammaspektroskopie Messsystems. Dabei wurde Zeitspektroskopie der kosmischen Myonen, welche den Guard-Detektor passieren und der entsprechenden Untergrundsignale im Germanium-Detektor angewandt, um das Zeitfenster der Antikoinzidenz zu optimieren. Weiters wurde die Fluktuation des Myonenflusses untersucht und die daraus resultierende Variation der Quantenausbeute berechnet und optimiert. Um die Wirkung der aktiven Abschirmung auf niedrigere Gamma-Energien zu erweitern, wurden systematisch die Quellen für elektronisches Rauschen und elektromagnetische lnterferenzen lokalisiert und eliminiert. Eine komplett galvanisch getrennte nullungsfreie Stromversorgung für das Labor wurde mittels elektronischer Filter und kompletter Netznachbildung durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) realisiert. Die zweite Publikation mit dem Titel 'Enhancing sensitivity of portal monitoring at varying transit speed' (Schroettner at al., 2009) beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Portalmonitoren, die auf Plastik-Szintillatoren basieren und stellt neue Methoden zur Erhöhung der Messempfindlichkeit bei veränderlichen Durchgangsgeschwindigkeiten vor. Die Resultate der Charakterisierung der Strahlungsdetektoren werden verwendet, um das Messsignal für unterschiedliche Geschwindigkeiten und Normalabstände zu simulieren. Diese Simulation diente als Basis, um einen neuen Algorithmus zur geschwindigkeitsabhängigen Datenauswertung des Zählratensignals zu entwickeln. Das SRV und die Nachweisgrenze wurden als Funktion der lntegrationszeit berechnet und so ihr Optimum bestimmt. Die Algorithmen wurden experimentell an einem hochgeschwindigkeits-Quellentransportsystem validiert, welches ein bewegtes Objekt mit einer radioaktiven Quelle simuliert. ln der dritten Publikation 'Long term comparison of methods io sustain energy calibra- tion in low level gamma-ray spectroscopy and investigation of possible sources for driff' (Schroettner and Kindl, 2010) wurden verschiedene Ursachen für die Drift der Energiekalibrierung von Germanium-Detektoren untersucht. ln einer Langzeitstudie über mehrere Jahre wurden verschiedene Vefahren zur Energiekalibrierung (Quelleneinschuss und Pulser Methode) verglichen und ein neues Konzept zur überwachung und Stabilisierung der Energiekalibrierung von Germanium-Detektoren präsentiert, welches die übliche Kontrolle der Energiekalibrierung ersetzt. Die vierte Publikation 'A high resolution, multi parameter, β-γ coincidence μ-γ anticoincidence system for radioxenon measurement' (Schroettner at al., submitted to NIM A on 30.1.2010) beschreibt ein neues hochauflösendes Multi-Parameter Messsystem, in dem β-γ Koinzidenz und μ-γ Antikoinzidenz kombiniert zur Anwendung kommen. Das Messsystem wurde für die Messung von Radioxenon Proben und Kalibrierstandards entwickelt. Ein Germanium-Detektor wird zum Nachweis der Photonen und ein Silizium-Sperrschicht-Detektor zum Nachweis der Elektronen verwendet, um die koinzidente γ/Röntgen und β/Konversionselektronen Strahlung zu messen. Die Datenerfassung im Listmodus erlaubt nachträglich eine Veränderung und Optimierung der Zeitfenster für die (Anti-)Koinzidenz bei der Auswertung der Messdaten. Das System könnte auch als α-γ Koinzidenz zur überwachung von Nuklearanlagen oder zur nuklearen Forensik eingesetzt werden. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 98 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44118371
- Subject category
- S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- ANTICOINCIDENCE; COSMIC MUONS; GAMMA SPECTROSCOPY; GERMANIUM; HIGH-PURITY GE DETECTORS; INTERFERENCE; SAFEGUARDS; SCINTILLATIONS; SIGNAL-TO-NOISE RATIO
- Descriptors DEC
- COSMIC RADIATION; DIMENSIONLESS NUMBERS; ELEMENTARY PARTICLES; ELEMENTS; FERMIONS; GE SEMICONDUCTOR DETECTORS; IONIZING RADIATIONS; LEPTONS; MEASURING INSTRUMENTS; METALS; MUONS; RADIATION DETECTORS; RADIATIONS; SECONDARY COSMIC RADIATION; SEMICONDUCTOR DETECTORS; SPECTROSCOPY