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Bachelor-Arbeit zur Bestimmung des Einstrahlwinkels bei Messungen im Strahlenschutz mit dem Timepix3-Pixeldetektor in Zusammenarbeit mit dem Institut für Computergrafik der TU Braunschweig

23.12.2021

Mit einem bildgebenden Timepix3‑Strahlungsdetektor wurde per Schattenwurf eines aufgesetzten speziellen Absorber‑Setups der Einstrahlwinkel ionisierender Photonenstrahlung ermittelt. Hierzu wurde zur Datenanalyse ein stochastischer Partikelfilter‑Algorithmus implementiert, welcher schnell und effizient schon bei sehr geringen Dosiswerten von nur 480 nGy den Einfallswinkel innerhalb von weniger als 600 ms aus den Bilddaten berechnet.   

Ein schnelles Erfassen und Anzeigen des Einfallswinkels stellt eine Verbesserung für dosimetrische Anwendungen und die Optimierung des Strahlenschutzes dar. So kann bei einer erhöhten Strahlenexposition die betroffene Person sofort gewarnt werden und gegebenenfalls ausweichen, die Standposition ändern oder die Abschirmung optimieren.

Timepix3‑Detektor ist ein am CERN entwickelter ortsauflösender Pixeldetektor mit einer Sensorfläche von 196 mm². Die Sensorfläche ist mit 65536 Pixeln mit je 55 µm Pixelpitch unterlegt. Die beiden Halbleiterelemente des Hybrid Detektors (Sensor und ASIC‑Chip) sind separat hergestellt und anschließend per Bump‑Bonds verbunden.

Das Absorber‑Setup besteht aus acht Stahl‑Pins mit einem Durchmesser von je 1,5 mm, die auf einer PMMA‑Platte angebracht sind. Diese Platte ist direkt über dem Detektor positioniert. Die ionisierende Photonenstrahlung wird von den Stahl‑Pins absorbiert und durch den entstehenden spezifischen Schattenwurf wird die Einfallsrichtung der Strahlung berechnet.

Für die Auswertung der gemessenen Bilddaten wurde in Zusammenarbeit mit der TU Braunschweig eine C++ Softwarebibliothek implementiert und bezüglich der Verarbeitungsgeschwindigkeit optimiert. Die Software wurde im Hinblick auf die Verwendung der verfügbaren Computer Hardwareressourcen in Form von integrierten bzw. dezidierten Grafikeinheiten angepasst. Zu diesem Zweck wurde ein Partikelfilter in OpenCL C als Kernel implementiert [1].

Neben der beschriebenen Anwendung zur Lokalisierung von Strahlungsquellen beziehungsweise der Erfassung der räumlichen Strahlungsverteilung hat der Einstrahlwinkel auch einen direkten Einfluss auf die dosimetrischen Messgrößen im Strahlenschutz. Die Unsicherheiten bei der Dosisbestimmung bei verschiedenen Einstrahlwinkeln können so insbesondere bei Flächen‑Halbleiterdetektoren verringert werden, was in vielen Fällen zur Einhaltung der PTB‑Anforderungen an Dosimeter notwendig ist.

Von der Software ausgegebene Bilddatei mit markierten Schatten (links) und Detektorgehäuse (rechts).

 Abbildung: Links: Rot markiert sind die detektierten und berechneten Positionen der Schatten der Stahl-Pins. Rechts: Detektorgehäuse mit Filtern.

 

Literatur

[1]   Lehner, Felix; Roth, Jürgen; Hupe, Oliver; et. al.
Method for fast determination of the angle of ionizing radiation incidence from data measured by a Timepix3 detector.
Journal of Sensors and Sensor Systems, 10 (2021), 63-70, https://doi.org/10.5194/jsss-10-63-2021

Ansprechpartner

J. Roth, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.35

O. Hupe, Fachbereich 6.3

F. Lehner, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.35