Introduction

This lab aims to give the student an introduction to the use of scintillation detectors with radionuclides. The student will observe  how the scintillation detector  is able to  produce spectra with peaks that correspond to the decay energies of the nuclides.

The student will also investigate the energy resolution of the detector – a key parameter when assessing the suitability of a  particular system. The student will  investigate the absolute sensitivities of scintillation and Geiger-Muller detectors. They will then discuss how these measurements affect the suitability of the detectors for clinical use.

The lab has been designed to run remotely based on the practical experiments of previous years. The lab runs using Jupyter Notebooks however requires no prior knowledge of python or programming, please ensure you can access the Jupyter Notebooks and all accompanying material prior to the lab session.

Complete all numbered Tasks highlighted in the grey boxes. The Additional Tasks in the blue highlighted boxes have been included to further your understanding and will not be assessed.

1. Spectral Measurements from a Scintillation Counter

Scintillation counters can be used to identify the energies of gamma radiation photons.

This exercise will use the “Gamma_Spectrometer” Jupyter notebook and the files within the “Spectra” folder. If you are unfamiliar with Jupyter notebooks/Python the demonstrators should be able to help you with any technical issues.

The key cell that you will need to alter is the following:

It is here that you will be able to change the parameters needed for the experiment. The 1st variable dictates the  radioactive sample that  is to  be  loaded  into the spectrometer. The available options are:

-     Cobalt 60 (co60)

-     Sodium 22 (na22)

-     A  mixed source consisting of Strontium 90, Americium  241, and Caesium  137 (cs137)

Note: the names of each source must be exactly as in the parenthesis or the code will result in an error.

The “integration_time” controls how long the simulated measurement will run for in seconds. Discuss with a demonstrator what a reasonable value to use for this will be.                               “frames_to_show” will control the speed at which the simulation runs. Leave this equal to 1 to begin with.

“thickness_of_lead” will be used in the following part, leave this equal to 0 for now.

Finally, you can save the data at any point using the last two lines. When the “save_data” variable is set to “True”, the final spectrum will be saved as an ascii text file with the name given by “file_name” in the folder “Saved_Data” . Note that this folder must exist, or the data will not be saved.

Calibration

The final figure that is produced shows the energy spectrum. The x axis shows the photon energy (in arbitrary “bin” units) whilst the y axis shows how many photons of that energy were measured. Before using the scintillation counter as a spectrometer, we will first need to calibrate the x scale.

For all spectra that you measure, ensure that you know how to import the data analyse at a later date and incorporate into your report (ask a demonstrator if unsure).

What you should observe is that a new “count” is added to the spectrum for each photon generated by the simulation. This bears a strong similarity to how the photons are measured in the lab where each high energy gamma photon is measured individually resulting in a single “count” in the final spectrum. As only a limited number of photons are emitted by the source per second, this typically results in measurement times of a few minutes.

As this is a simulation, we don’t need to worry about waiting this time for each measurement. The “frames_to_show” variable controls how often the figure updates, set this to a higher value (e.g. 100) to run the simulation more quickly.

2. Absorption of Gamma Rays

Gamma rays display exponential attenuation in matter given by the relation: I =  I0e−ud

where u is the linear absorption coefficient. We can define the half thickness, d1/2, as the thickness at which the gamma ray intensity drops to half its original value.

Using the mixed Caesium 137 source, estimate the half thickness of lead.