Characterization and calibration of a triple-GEM detector for medical applications

Abstract

This project aimed to characterize and calibrate the triple Gas Electron Multiplier (triple-GEM) detector owned by the CRYOMAG research group at Universidad Nacional de Colombia, as well as to determine its possible applications in medical dosimetry. The detector's response to various sources of radiation was characterized in terms of amplitude, duration, shape, and polarity of pulses, as well as its efficiency, gain, energy resolution, and temporal resolution. The triple-GEM detector's energy proportionality was calibrated using the spectrum of an Iron-55 radioactive source. Then, the detector was used to measure radiation doses from this source using four different methods, as well as the dose from a medical portable X-ray machine at varying peak tube voltages and tube currents. Obtained doses were compared to reference values. The characteristic properties of the detector were found to be an energy resolution of 19.5%, a temporal resolution of at least 40ns, and a maximum gain of 5E6. For the dose measurements, a calibration coefficient of 1.13E4 was obtained against the respective reference values of each source of radiation. There was a good agreement between the four dose-measuring methods for the Fe-55 source. It was concluded that the triple-GEM detector can be reliably used as a dosimeter, especially for nuclear medicine applications.

Resumen: El objetivo de este proyecto fue caracterizar y calibrar el detector triple Multiplicador de electrones Gaseoso (triple-GEM) que pertenece al grupo de investigación CRYOMAG de la Universidad Nacional de Colombia, al igual que determinar sus posibles aplicaciones en dosimetría médica. La respuesta del detector frente a varias fuentes de radiación fue caracterizada en términos de amplitud, duración, forma y polaridad de los pulsos, como también su eficiencia, ganancia, resolución de energía y resolución temporal. La proporcionalidad de energía del detector triple-GEM fue calibrada utilizando el espectro de una fuente radiactiva de hierro-55. Posteriormente, el detector fue utilizado para medir la dosis de radiación de esta fuente mediante cuatro métodos distintos, como también la dosis de una máquina de rayos X portátil a varios voltajes y corrientes del tubo. Las dosis obtenidas fueron comparadas con los valores de referencia. Las propiedades características del detector fueron una resolución de energía del 19.5%, una resolución temporal de al menos 40ns y una ganancia máxima de 5E6. Para las mediciones de dosis se encontró un coeficiente de calibración de 1.13E4 contra los valores de referencia de cada fuente de radiación. Se dio un buen acuerdo entre los cuatro métodos de medición de dosis que se utilizaron con la fuente de Fe-55. Se concluyó que el detector triple-GEM puede ser utilizado adecuadamente como dosímetro, especialmente para aplicaciones en medicina nuclear.