A system for 3D localization of gamma sources using Timepix3-based Compton cameras

Abstract

Compton cameras localize γ-ray sources in 3D space by observing evidence of Compton scattering with detectors sensitive to ionizing radiation. This thesis proposes a software system for operating a novel Compton camera device comprised of Timepix3 detectors and Katherine readouts. To communicate with readouts using UDP-based protocol, a dedicated hardware library was developed. The presented software can successfully control the acquisition of multiple Timepix3 detectors and simultaneously process their measurements in a real-time setting. To recognize instances of Compton scattering among observed interactions, a chain of algorithms is applied with explicit consideration for a possibly high volume of measured information. Unlike alternate approaches, the presented work uses a recently published charge drift time model to improve its spatial resolution. In order to achieve localization of γ-ray sources, the software performs conical back projection into a discretized cuboid volume. Results of randomized evaluation with simulated data indicate that the presented implementation is correct and constitutes a viable method of γ-ray source localization in 3D space. Experimental verification with a prototype model is in progress.

Comptonovy kamery lokalizují zdroje γ záření ve 3D prostoru pozorováním Comptonova rozptylu pomocí detektorů citlivých na ionizující záření. Tato práce představuje softwarový systém určený k ovládání nové Comptonovy kamery složené z detektorů Timepix3 a readoutů Katherine. Komunikace se zařízením je zajištěna specializovaným protokolem odvozeným od UDP, pro který byla vyvinuta zvláštní ovládací knihovna. Systém založený na této knihovně je použit pro řízení souběžné synchronizované akvizice většího množství detektorů Timepix3 a následné zpracování naměřených dat. Za účelem detekce Comptonova rozptylu mezi pozorovanými jevy je aplikován řetězec algoritmů, který je optimalizován na zpracování potenciálně velkého objemu dat. Narozdíl od ostatních přístupů, tato práce využívá nedávno publikovaného modelu pohybu nosičů náboje uvnitř detektoru za účelem zpřesnění rozlišení kamery. Samotná lokalizace zdroje γ záření je provedena algoritmem zpětné projekce Comptonových kuželů do diskretizovaného kvádru. Výsledky náhodného vyhodnocení se simulovanými daty naznačují, že implementovaný systém pracuje korektně a řeší úlohu lokalizace zdroje γ záření ve 3D prostoru. Nyní probíhá experimentální ověření se skutečným prototypem kamery.