title: Radiation protection dosimetry and X-ray polarimetry with hybrid pixel detectors
title: Strahlenschutzdosimetrie und Röntgenpolarimetrie mit hybriden Pixeldetektoren
Creators: name: Haag, Dennis
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 0
Subjects: subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 53 Physik :: 530 Physik

description: Hybrid pixel detectors are used for the energy-resolved measurement of ionizing radiation. They are applied in radiation protection dosimetry and X-ray polarimetry in this thesis. One of these is the Dosepix detector. It is composed of a 16×16 pixel matrix with a segmented silicon sensor. Photons deposit their energy in the sensor, and a charge signal is created, which is further processed by its ASIC. Dosepix has a unique operation mode for dosimetry applications. It sorts registered events according to their deposited energy in one of sixteen pre-defined energy bins. Only one column of the matrix is read out at a time, enabling dead-time-free measurements. A system consisting of three Dosepix detectors is employed for dosimetry of operational quantities in radiation protection. It is important that dosemeters correctly determine the dose for a wide energy range. Therefore, the dependence of the dose measurement on the mean photon energy between 12.4 keV to 1250 keV at angles of radiation incidence up to 60° is determined and compared to official requirements. The minimum national and international requirements are well met and even surpassed for the ambient dose equivalent H∗(10), the directional dose equivalents H′(3, Ω) and H′(0.07, Ω), and the personal dose equivalents Hp(10), Hp(3), and Hp(0.07). It is necessary to guarantee that the dosemeter for photon fields is as unresponsive as possible to β-radiation fields. The influence of β-radiation on the photon dose measurement for Hp(10) is investigated and shown to stay within the required limits. Additionally, a method is presented to classify electron and photon reference fields in radiation fields consisting of one particular particle type. In recent years, individual monitoring of the eye lens dose has been a topic of increased interest since its dose threshold limits were severely restricted. The prototype of the first active eye lens dosemeter comprised of a single Dosepix detector is characterized in its metrological properties in continuous and pulsed photon fields. It fulfills the investigated national and international requirements for an active personal dosemeter to monitor the eye lens dose Hp(3). Timepix3 is the other hybrid pixel detector utilized in this thesis. It consists of 256×256 pixels with a pixel pitch of 55 μm and employs a silicon sensor. Timepix3 performs simultaneous measurements of position, time, and energy. The investigated application is X-ray polarimetry. Compton scattering in the sensor allows probing linear polarization of interacting X-rays. Coincident event cluster pairs are searched and correlated in their energy to determine modulation curves carrying information about the degree of linear polarization of the X-ray. Timepix3 is successfully tested in an unpolarized and a linearly polarized photon field, and it is shown that the measured modulation stems from polarized X-rays.
description: Hybride Pixeldetektoren werden für die energieaufgelöste Messung ionisierender Strahlung verwendet. In dieser Arbeit werden sie in der Strahlenschutzdosimetrie und Röntgenpolarimetrie eingesetzt. Einer dieser Detektoren ist der Dosepix-Detektor. Er besteht aus einer 16×16-Pixel-Matrix mit einem segmentierten Siliziumsensor. Photonen deponieren ihre Energie im Sensor, und es entsteht ein Ladungssignal, das von seinem ASIC weiterverarbeitet wird. Dosepix hat einen speziellen Betriebsmodus für Anwendungen in der Dosimetrie. Er sortiert die registrierten Ereignisse entsprechend ihrer deponierten Energie in einen von sechzehn vordefinierten Energiebins. Es wird jeweils nur eine Spalte der Matrix ausgelesen, was totzeitfreie Messungen ermöglicht. Ein System aus drei Dosepix-Detektoren wird für die Dosimetrie von Messgrößen im Strahlenschutz eingesetzt. Wichtig ist, dass die Dosimeter die Dosis für einen großen Energiebereich korrekt bestimmen. Deshalb wird die Abhängigkeit der Dosismessung von der mittleren Photonenenergie zwischen 12,4 keV bis 1250 keV bei Strahlungseinfallswinkeln bis zu 60° ermittelt und mit den offiziellen Anforderungen verglichen. Die nationalen und internationalen Mindestanforderungen werden für die Umgebungs-Äquivalentdosis H∗(10), den Richtungs-Äquivalentdosen H′(3, Ω) und H′(0,07, Ω) und den Personendosen Hp(10), Hp(3) und Hp(0, 07) gut erfüllt und sogar übertroffen. Es muss gewährleistet sein, dass das Dosimeter für Photonenfelder möglichst unempfindlich gegenüber β-Strahlungsfeldern ist. Der Einfluss von β-Strahlung auf die Messung der Photonendosis Hp(10) wird untersucht und es wird gezeigt, dass dieser innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen liegt. Außerdem wird eine Methode zur Klassifizierung von Elektronen- und Photonen-Referenzfeldern in Strahlungsfeldern, die aus einer bestimmten Teilchenart bestehen, vorgestellt. In den letzten Jahren ist die individuelle Überwachung der Augenlinsendosis verstärkt in den Blickpunkt des Interesses gerückt, da ihre Dosisgrenzwerte stark eingeschränkt wurden. Der Prototyp des ersten aktiven Augenlinsendosimeters, das aus einem einzigen Dosepix-Detektor besteht, wird in seinen messtechnischen Eigenschaften in kontinuierlichen und gepulsten Photonenfeldern charakterisiert. Dieser erfüllt die untersuchten nationalen und internationalen Anforderungen an ein aktives Personendosimeter zur Überwachung der Augenlinsen-Personendosis Hp(3). Timepix3 ist der andere hybride Pixeldetektor, der in dieser Arbeit verwendet wird. Er besteht aus 256×256 Pixeln mit einem Pixelabstand von 55 μm und verwendet ebenfalls einen Siliziumsensor. Timepix3 führt simultane Messungen von Position, Zeit und Energie durch. Die untersuchte Anwendung ist die Röntgenpolarimetrie. Die Compton-Streuung im Sensor ermöglicht die Untersuchung der linearen Polarisation von wechselwirkenden Röntgenstrahlen. Es werden koinzidente Ereignis-Cluster-Paare gesucht und in ihrer Energie korreliert, um Modulationskurven zu bestimmen, die Informationen über den Grad der linearen Polarisation der Röntgenstrahlung enthalten. Timepix3 wurde erfolgreich in einem unpolarisierten und einem linear polarisierten Photonenfeld getestet, und es wurde gezeigt, dass die gemessene Modulation von polarisierter Röntgenstrahlung herrührt.