Advanced

Orphan source detection in mobile gamma-ray spectrometry - Improved techniques for background assessment

Kock, Peder LU (2012)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Bortglömda, stulna eller på andra sätt borttappade radioaktiva strålkällor som kan anses vara farliga för allmänheten kallas herrelösa strålkällor. Denna avhandling handlar om metoder för att hitta herrelösa strålkällor som emitterar s.k. gammastrålning, bestående av ljuspartiklar med mycket hög energi. Gammastrålning har god förmåga att penetrera materia och kan därför i många fall detekteras på långa avstånd. Genom att använda stora detektorer med hög densitet ökar sannolikheten för att gammapartiklarna absorberas i detektorn; detta ger ett sorts fingeravtryck (puls) med vilket det radioaktiva grundämnet kan identifieras.

Det stora problemet vid sökning av herrelösa strålkällor är den... (More)
Popular Abstract in Swedish

Bortglömda, stulna eller på andra sätt borttappade radioaktiva strålkällor som kan anses vara farliga för allmänheten kallas herrelösa strålkällor. Denna avhandling handlar om metoder för att hitta herrelösa strålkällor som emitterar s.k. gammastrålning, bestående av ljuspartiklar med mycket hög energi. Gammastrålning har god förmåga att penetrera materia och kan därför i många fall detekteras på långa avstånd. Genom att använda stora detektorer med hög densitet ökar sannolikheten för att gammapartiklarna absorberas i detektorn; detta ger ett sorts fingeravtryck (puls) med vilket det radioaktiva grundämnet kan identifieras.

Det stora problemet vid sökning av herrelösa strålkällor är den naturliga bakgrundsstrålningen som främst härrör från radioaktiva grundämnen i berggrunden och jorden. Denna gammastrålning interfererar med gammastrålningen från strålkällan, vilket gör att statistiska metoder måste användas för att avgöra huruvida de detekterade pulserna är inom slumpmarginalen. Genom att med färgkodning visualisera pulserna från gammastrålningen över en tid längs en färdväg kan bedömningen underlättas. Den i arbetet framtagna visualiseringsmetoden undertrycker bakgrundsbruset så att signaler som höjer sig däröver framhävs, vilket underlättar sökandet. Vidare presenteras ett statistiskt test som bygger på s.k. hypotesprövning. Genom att ta hänsyn till såväl partiklarnas energi som antal visar vi att detta test är mer känsligt än jämförbara test.

Jämförelser mellan mark- och flymätningar visar att data från flygmätningar kan användas på marknivån för att lokalisera kraftiga förändringar i bakgrundsstrålningen. Utifrån detta samband används sedan flygdata för att reducera antalet falska indikationer på marknivån för ett område med kraftiga variationer i gammastrålningen.

Slutligen visas att brus orsakat av mekaniska vibrationer kan vara ett problem då germaniumdetektorer används utanför laboratoriemiljön. Bruset påverkar systemets upplösningsförmåga negativt, vilket kan försämra identifieringsegenskaperna hos systemet. (Less)
Abstract
Hazardous radioactive sources out of regulatory control are referred to as orphan sources. Focussing on gamma-emitting orphan sources, this thesis describes methods that can be used in mobile gamma-ray spectrometry to perform real-time discrimination between an actual source signal and the signal due to the natural radiation background.

Two categories of methods for orphan source detection are presented: visualisation and statistical hypothesis testing. Visualisation leaves the interpretation to the operator, whereas the hypothesis testing aims at answering the question: is there a signal or not? The methods are shown to work well for purely stochastic background data. The visualisation method gives a homogeneous representation of... (More)
Hazardous radioactive sources out of regulatory control are referred to as orphan sources. Focussing on gamma-emitting orphan sources, this thesis describes methods that can be used in mobile gamma-ray spectrometry to perform real-time discrimination between an actual source signal and the signal due to the natural radiation background.

Two categories of methods for orphan source detection are presented: visualisation and statistical hypothesis testing. Visualisation leaves the interpretation to the operator, whereas the hypothesis testing aims at answering the question: is there a signal or not? The methods are shown to work well for purely stochastic background data. The visualisation method gives a homogeneous representation of large data sets, which enhances the capability to discern significant positive deviations. The hypothesis testing method is shown to exhibit false alarms at the expected rate. Furthermore, by taking into account the spectral distribution in a hypothesis test, the power of the test was increased when compared with reference methods from the literature.

Systematic background radiation variations can be disclosed by using data from airborne gamma-ray spectrometry (AGS) surveys. Validation of AGS data at the ground level by the use of terrestrial surveys yielded a strong positive correlation between the two data sets for background activity of uranium and thorium. By deriving a step function from AGS data, the systematic background variations were successfully modelled at the ground level. This approach was shown to reduce the number of excess false positives in an area with strong background gradients.

In addition to random and systematic background radiation fluctuations, germanium spectrometers can have problems with microphonic noise due to the vibrations that inevitably will occur in mobile gamma-ray spectrometry. The additional noise can be expected to degrade the resolution of the detector. The level of resolution degradation was found to be 0-19%, depending on the speed of the vehicle. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dowdall, Mark, Norwegian Radiation Protection Authority
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Gamma spectrometry, airborne, car-borne, radioactive, orphan sources, hypothesis testing, background radiation
pages
67 pages
publisher
Division of Medical Radiation Physics, Lund University
defense location
Room 2005-2007, Inga Marie Nilssons gata 49, Skåne University Hospital, Malmö
defense date
2012-10-12 09:00
ISBN
978-91-7473-385-3
language
English
LU publication?
yes
id
a752047e-4a32-409b-b0a3-2d037b052484 (old id 3052699)
date added to LUP
2012-09-12 15:59:14
date last changed
2016-09-19 08:45:06
@misc{a752047e-4a32-409b-b0a3-2d037b052484,
  abstract     = {Hazardous radioactive sources out of regulatory control are referred to as orphan sources. Focussing on gamma-emitting orphan sources, this thesis describes methods that can be used in mobile gamma-ray spectrometry to perform real-time discrimination between an actual source signal and the signal due to the natural radiation background.<br/><br>
Two categories of methods for orphan source detection are presented: visualisation and statistical hypothesis testing. Visualisation leaves the interpretation to the operator, whereas the hypothesis testing aims at answering the question: is there a signal or not? The methods are shown to work well for purely stochastic background data. The visualisation method gives a homogeneous representation of large data sets, which enhances the capability to discern significant positive deviations. The hypothesis testing method is shown to exhibit false alarms at the expected rate. Furthermore, by taking into account the spectral distribution in a hypothesis test, the power of the test was increased when compared with reference methods from the literature.<br/><br>
Systematic background radiation variations can be disclosed by using data from airborne gamma-ray spectrometry (AGS) surveys. Validation of AGS data at the ground level by the use of terrestrial surveys yielded a strong positive correlation between the two data sets for background activity of uranium and thorium. By deriving a step function from AGS data, the systematic background variations were successfully modelled at the ground level. This approach was shown to reduce the number of excess false positives in an area with strong background gradients.<br/><br>
In addition to random and systematic background radiation fluctuations, germanium spectrometers can have problems with microphonic noise due to the vibrations that inevitably will occur in mobile gamma-ray spectrometry. The additional noise can be expected to degrade the resolution of the detector. The level of resolution degradation was found to be 0-19%, depending on the speed of the vehicle.},
  author       = {Kock, Peder},
  isbn         = {978-91-7473-385-3},
  keyword      = {Gamma spectrometry,airborne,car-borne,radioactive,orphan sources,hypothesis testing,background radiation},
  language     = {eng},
  pages        = {67},
  publisher    = {ARRAY(0x92328b8)},
  title        = {Orphan source detection in mobile gamma-ray spectrometry - Improved techniques for background assessment},
  year         = {2012},
}