The evaluation of spectroscopic personal radiation detectors

Abstract

Nach einer kompakten Zusammenfassung der Theorie der Strahlungsmessung und der Gamma Spektrometrie werden in der vorliegenden Arbeit verfügbare Strahlungsmesssysteme die im Bereich des Heimatschutzes zum Einsatz kommen vorgestellt (Tragbare Gamma und Neutronen Strahlendetektoren, Radionuklid Identifikationsgeräte und fest installierte Portalmonitore). System die zukünftig zum Einsatz kommen sollen und sich in Entwicklung befinden werden vorgestellt. Die beiden wichtigsten Fähigkeiten der neuen Systeme sind verbesserte Vernetzung der Strahlungsmessgeräte untereinander und mit einer Basisstation und die Möglichkeit die Richtung der festgestellten Gammastrahlung zu bestimmen, ergänzt durch die Möglichkeit vorliegende Strahlenquellen zu identifizieren. Nachdem die Wichtigkeit der Nuklididentifikation in Zusammenhang mit Strahlungsmessgeräten im Sicherheitsbereich hervorgehoben wurde wird das Konzept der SPRDs (Persönliche Spektrometrische Strahlenmessgeräte - spectroscopic personal radiation detector) vorgestellt. Vier bereits oder in naher Zukunft erhältliche SPRDs (FLIR - Raider, FLIR - Interceptor / micro Raider, Atomtex SPRD - Radsearcher and MIRION SPRD PDS-100G-GN/ID) werden nach der IEC Norm 62618 getestet wobei das Hauptaugenmerk auf der Fähigkeit zur Nuklididentifikation liegt. Test Identifikationsmessungen werden mit schwachen Gamma Prüfstrahlern (Ba - 133, Cs - 137, Co - 60, Na - 22, K - 40 - mit Aktivitäten zwischen 1 und 400 kBq) und Nuklearmaterial (HEU, S - 26, UZH) durchgeführt. Weiter werden auch Tests mit gemischten Nukliden (Am - 241 + Co - 60, Am - 241 + Cs - 137, Cs - 137 + Ba - 133, Cs - 137 + Co - 60) durchgeführt. Die erhaltenen Resultate von insgesamt 520 Identifikationsversuchs Testläufen werden hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung der Identifikation und eventuell auftretender weiterer (falscher) identifizierter Nuklide verglichen. Um die erhaltenen Ergebnisse beurteilen zu können werden die aufgezeichneten Gammaspektren auf einen PC übertragen und mit IDENTIFY Software analysiert. Jeder der getesteten SPRDS hat eine eigene Software zum Datentransfer und für einfache Auswertungen. Die verfügbaren Software Möglichkeiten werden verglichen genauso wie die Akkulaufzeit der SPRDs.<br />Die Genauigkeit der Dosisleistungsanzeige der SPRDs in stärkeren Strahlungsfeldern wird mit zwei stärkeren Quellen (Cs - 137, 78 Mq und Co - 60, 1,4 MBq) und geeichten FH-40G Dosisleistungsmessgeräten untersucht. Übliche Detektorparameter (Effizienz, Auflösung, Peak - shift) werden ebenfalls untersucht und verglichen. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Nuklid Identifikation Testresultate und einem Vergleich hinsichtlich allgemeiner Eigenschaften der SPRDs (Display, Tasten, Größe, ...). Es kann eine Empfehlung für den Mirion SPRD PDS-100G-GN/ID abgegeben werden aufgrund der besten Testresultate hinsichtlich der Nuklididentifikation. Prinzipiell zeigt die vorliegende Arbeit, dass die Identifikation von Nukliden mit SPRDs sehr gut funktioniert soweit es das Erkennen der vorliegenden Nuklide betrifft.<br />

After summarizing the theoretical background about radiation detectors and gamma spectrometry the present work gives an overview on already existing radiation detection systems for homeland security (hand held gamma and neutron radiation detectors, radionuclide identification devices and fixed installed radiation portal monitors). Future systems that are under development and use improved technology are introduced.<br />The main features of the new systems are networking of the personal radiation detection like devices and determining the direction of detected radiation, desirably combined with radionuclide identification capability. After explaining the importance of radionuclide identification capabilities the concept of Spectrometric Personal Radiation Detectors (SPRD) is introduced. Four already or soon available SPRDs (FLIR - Raider, FLIR - Interceptor / micro Raider, Atomtex SPRD - Radsearcher and MIRION SPRD PDS-100G-GN/ID) are evaluated according to IEC 62618 standards focusing on nuclide identification capabilities.<br />Therefore identification test runs are performed using mainly weak gamma sources (Ba - 133, Cs - 137, Co - 60, Na - 22, K - 40 - with activities around 1 - 400 kBq) and nuclear material (HEU, UZH, S - 26). Test runs with mixed gamma sources (Am - 241 + Co - 60, Am - 241 + Cs - 137, Cs - 137 + Ba - 133, Cs - 137 + Co - 60) are also performed. The obtained results of total 520 test runs are compared and evaluated with regard to time development of the nuclide identification and eventually occurring additional nuclide indications (false positives). To understand the given indications the recorded gamma spectra were transferred to a PC and analyzed with IDENTIFY software. The four SPRDs come with different software solutions to manage data transfer or perform data analysis. The available software features are compared as well as the battery performance of the SPRDs. The accuracy of the SPRDs dose rate indications in higher radiation fields is evaluated using 1,4 MBq Co - 60 and 78 MBq Cs - 137 radiation source and calibrated FH40-G devices.<br />Common detector parameters (resolution, efficiency and peak shift) are also measured evaluated and compared for above mentioned SPRDs. The work concludes with summarizing the results of the test of the SPRD isotope ID capabilities and comparing general features (i.e. screen, keys, size,...) and gives a recommendation for the Mirion SPRD - PDS-100G-GN/ID having the best performance in isotope identification.<br />Generally the present work shows that the capability for isotope identification is working very well for main isotope indication with all evaluated SPRDs.