Feasibility Analysis of a Compton Spectrometer System for Identification of Special Nuclear Material

Current operational needs require the deployment of radiation detection equipment with the ability to accurately and reliably identify special nuclear materials and their byproducts without dependence on cryogenics. This requires a resolution of 0.5% or less over a range of 200 to 700 keV. The feasibility of a Compton spectrometer to achieve this resolution is examined. The Compton spectrometer system used consists of two detectors. The Compton scatter event occurs in a CdTe detector where the Compton electron energy is collected. Gamma rays scattered out of the CdTe at an angle determined by a conical collimator, are collected in a NaI(Tl) detector. Coincidence electronics determine correlated events and allow the Compton electron and scattered gamma ray energy spectra to be collected. Experimental and modeling techniques are used to evaluate the system\u27s resolution and efficiency and provided reasonable agreement. Expected experimental results based on previous work were not reproduced and the source of the difference remains unknown. Results suggested strict requirements of collimation will make some low areal count rate applications impossible

Advanced interfaces for biomedical engineering applications in high- and low field NMR/MRI

Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Magnetresonanz(MR)-Sicherheit und MR-Kompatibilität von Bauelementen. Der Öffentlichkeit bekannt ist diese Thematik im Zusammenhang mit kommerziellen Implantaten. Die Gefahren, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen dem MR-Tomografen (MRT) und dem Implantat ergeben, hindern viele Patienten daran, eine Untersuchung mittels MRT durchführen zu lassen. MR-Kompatibilität spielt jedoch nicht nur beim Design und der Kennzeichnung von Implantaten eine wichtige Rolle, sondern auch bei der Entwicklung von Bauelementen für die MR-Hardware. Beide Themen, Implantatinteraktionen und Hardware-Design, bilden fundamentale Aspekte dieser Arbeit. Der erste Teil befasst sich mit MRT-Wechselwirkungen von Implantaten. Die Ergebnisse einer umfangreichen Literaturrecherche zeigen, dass dringend belastbare Daten benötigt werden, um die durch MRT ausgelösten Schwingungen von Implantaten besser verstehen zu können. Dies gilt insbesondere für Vibrationen in viskoelastischen Umgebungen wie dem Gehirn. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Messsystem vorgestellt, mit dem sich Schwingungen bei Standard-MRT-Aufnahmen und mit hoher Genauigkeit quantitativ messen lassen. Durch die Verwendung einer amplituden- und frequenzgesteuerten externen Stromversorgung werden die Übertragungsfunktionen implantatartiger Strukturen in viskoelastischen Umgebungen präzise bestimmt. Basierend auf den erfassten Daten wird eine Korrelation zwischen den resultierenden Schwingungsamplituden und den Zeitparametern der Aufnahmesequenz hergestellt und experimentell verifiziert. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die untersuchten Strukturen ein unterdämpftes Verhalten zeigen und damit resonant schwingen können. Darüber hinaus wird eine neue Kennzahl eingeführt, anhand derer die Wechselwirkung des Implantats auf Vibrationen klassifiziert werden können. Die Kennzahl gibt das normierte induzierte Drehmoment an, und ermöglicht eine einfache Berechnung des maximal zu erwartenden Drehmomoments auf jedem MRT-System. Somit können die zu erwartenden Maximalamplituden unkompliziert und für jedes System direkt ermittelt werden. Eine anderes Forschungsgebiet, die in-situ-Kernspinspektroskopie und -MRT von biologischen Untersuchungsobjekten im Hochfeld, erfordert eine neuartige MR-Messsonde sowie verbesserte MR-kompatible Substrate für die Zellkultivierung. Eine MR-Sonde mit flexibler Schnittstelle wurde entwickelt. Die endgültige Version ist mit zwei HF-Kanälen und einer Gradientenschnittstelle für flüssiggekühlte Gradienten ausgestattet. Ein Leistungsbewertung wurde mittels Standard-NMR/MRT-Experimenten durchgeführt, die eine Linienbreite von 0,5 Hz und ein mit kommerziellen Messsystem vergleichbares Signal-Rausch-Verhältnis ergaben. Der Vorteil liegt in dem integrierten Durchführungssystem innerhalb des mechanischen Rahmens. Dies bietet eine einfache Methode, zur spezifischen Erweiterung der Messsonde unter Verwendung zusätzlicher elektrischer, optischer und fluidischer Versorgungsleitungen. Auf dieser Basis können spezifische, komplexe experimentelle Hochfeld-NMR/MRT-Aufbauten in kurzer Zeit realisiert werden, ohne Bedarf nach maßgeschneiderten, teuren Sonden. Als Referenz werden zwei Messaufbauen präsentiert, bei ersterem wird die Sonde für ein Öl-Wasser-Fluidikexperiment und bei dem zweitem, in einem wasserstoffbasierten Hyperpolarisationsexperiment eingesetzt. Darüber hinaus wird ein neuartiges, MR-kompatibles 3D-Zellsubstrat basierend auf Kohlenstoff vorgestellt, das erfolgreich auf Zellwachstum und MR-Bildgebung getestet wurde. Die MRT dient des Weiteren als Analysewerkzeug, um die Erhaltung der Morphologie während der Pyrolyse zu untersuchen und zu bestätigen. Das Herstellungsprotokoll ist auf andere Vorläuferpolymere anwendbar, die den Weg zu einer Vielzahl von lithografisch strukturierten 3D-Gerüsten ebnen

MOBILE, HYBRID COMPTON/CODED APERTURE IMAGING FOR DETECTION, IDENTIFICATION AND LOCALIZATION OF GAMMA-RAY SOURCES AT STAND-OFF DISTANCES

The Stand-off radiation detection system (SORDS) program is an advanced technology demonstration (ATD) project through the Domestic Nuclear Detection Office (DNDO) with the goal of detection, identification and localization of weak radiological sources in the presence of large dynamic backgrounds. The Raytheon-Tri-Modal Imager (TMI) is a mobile truck-based, hybrid gamma-ray spectroscopic and imaging system able to quickly detect, identify and localize, radiation sources at standoff distances through improved sensitivity provided by multiple detection modes while minimizing the false alarm rate. Reconstruction of gamma-ray sources is performed using a combination of gamma-ray spectroscopy and two imaging modalities; coded aperture and Compton scatter imaging. The TMI consists of 35 NaI crystals (5x5x2 in each), arranged in a random coded aperture CA, followed by 30 position sensitive NaI bars (24x2.5x3 in each) called the DA. The CA array acts as both a coded aperture mask and scattering detector for Compton events. The large-area DA array acts as a collection detector for both Compton scattered events and coded aperture events. In this thesis, the implemented spectroscopic, coded aperture, Compton and hybrid imaging algorithms will be described along with their performance. It will be shown that multiple imaging modalities can be fused to improve detection sensitivity over a broader energy range than any mode alone. Since the TMI is a moving system, peripheral data, such as a GPS and INS must also be incorporated. A method of adapting static imaging algorithms to a moving platform has been developed. Also, algorithms were developed in parallel with detector hardware, through the use of extensive simulations performed with the GEANT4. Simulations have been well validated against measured data. Results of image reconstruction algorithms at various speeds and distances will be presented as well as localization capability. Utilizing imaging information will show signal-to-noise gains over spectroscopic algorithms alone

Interference and intrusion in wireless sensor networks

Wireless sensor network (WSN) systems for safety-critical, space and Internet of Things applications have recently begun to adopt open standards and commercial-off-the-shelf equipment, and persistently face challenges of malicious intrusion and spectrum coexistence. These threats are explored through Monte-Carlo simulation and benchtop testing, including matched protocol interference and sophisticated, interactive intrusion attacks. The need for expanding intrusion detection via a more holistic approach, whilst simultaneously improving WSN security, is illustrated. Discussions on WSN security, vulnerabilities, and attacks are also provided

A Shack-Hartmann sensor for single-shot multi-contrast imaging with hard X-rays

An array of compound refractive X-ray lenses (CRL) with 20x20 lenslets, a focal distance of 20 cm and a visibility of 0.93 is presented. It can be used as a Shack-Hartmann sensor for hard X-rays (SHARX) for wavefront sensing and permits for true single-shot multi-contrast imaging the dynamics of materials with a spatial resolution in the micrometer range, sensitivity on nanosized structures and temporal resolution on the microsecond scale. The object's absorption and its induced wavefront shift can be assessed simultaneously together with information from diffraction channels. This enables the imaging of hierarchical materials. In contrast to the established Hartmann sensors the SHARX has an increased flux efficiency through focusing of the beam rather than blocking parts of it. We investigated the spatiotemporal behavior of a cavitation bubble induced by laser pulses. Furthermore, we validated the SHARX by measuring refraction angles of a single diamond CRL, where we obtained an angular resolution better than 4 microrad

Generation of Transgenic Mice to Evaluate Promoter Activity and Specificity of Two Human Endogenous Retrovirus Long Terminal Repeats = Untersuchungen zur Promotor-Aktivität und -Spezifität von zwei Long Terminal Repeats humaner endogener Retroviren in transgenen Mäusen

Generation of Transgenic Mice to Evaluate Promoter Activity and Specificity of two Human Endogenous Retrovirus Long Terminal Repeats Human Endogenous Retrovirus Long Terminal Repeats (HERV-LTRs) comprise 1.8% of the human genome (52.7 Mb). These sequences contain all the signal structures necessary for the regulation of gene transcription, such as promoters, enhancers and transcription factor binding sites. There is evidence that HERV-LTRs regulate gene expression in tissue-specific manner. This potential could be used to drive the expression of therapeutic genes, delivered by retroviral vector systems, in a safe and efficient manner. The HERV-H-H6 LTR and the HERV-L LTR were chosen for the generation of transgenic mice. Their promoter activity and specificity had prior been tested in a luciferase expression vector in vitro (Schoen et al., 2001). HERV-L was cloned into a luciferase expression vector and HERV-H-H6 was inserted into a enhanced green fluorescent protein (EGFP) expression vector. Transgenic mice were generated by DNAmicroinjection into pronuclei of zygotes. One pBL-HERV-L transgenic line and four pEGFP-HERV-H-H6 transgenic lines were established and analyzed. While the HERV-L promoter was not active in transgenic animals, pEGFP-HERV-H-H6 was expressed in gonads of mice of two transgenic lines. As only a single, non-expressing transgenic line was available, HERV-L promoter activity and specificity could not be evaluated. Additional transgenic lines have to be established. Expression level and pattern of the HERV-H-H6 promoter indicate specificity for gonad tissue. Whether the HERV-H-H6 promoter activity is linked to steroid production in cells remains to be clarified. Evaluating promoter activity in transgenic mice in two different expression vectors is not exclusively about the promoters, but also involves knowledge about the reporter genes. Advantages and limits of current applications of both luciferase and EGFP (with focus on the EGFP gene) are described in REVIEW OF THE LITERATURE. The conjunction of EGFP with the HERV-H-H6 promoter is to be seen critically, as all published methods for detection of EGFP in mice are described with EGFP linked to strong promoters. Problems like autofluorescence in fluorescence microscopy might be encountered when weaker promoters, such as HERV-LTRs, drive EGFP expression.Untersuchungen zur Promotor-Aktivität und –Spezifität von zwei Long Terminal Repeats humaner endogener Retroviren in transgenen Mäusen 1.8% des humanen Genoms bestehen aus Long Terminal Repeats Humaner Endogener Retroviren (HERV-LTRs). Solche Sequenzen enthalten alle Strukturen, die für die Regulierung von Transkription benötigt werden: Promotoren, Enhancer and Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren. Es gibt Hinweise, daß HERV-LTRs die Expression von Genen gewebespezifisch regulieren können. Eingebaut in retrovirale Genfähren, könnten HERV-LTRs therapeutische Gene sicher und effizient aktivieren. Zur Generierung transgener Mäuse wurden der HERV-H-H6 LTR und der HERV-L LTR ausgewählt. Deren Promoter Eigenschaften, wie Aktivität und Gewebespezifität, waren bereits in vitro untersucht worden (Schoen et al., 2001). Der HERV-L LTR wurde in einen Luciferase Expressionsvektor und der HERV-H-H6 LTR in einen Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) Expressionsvektor kloniert. Transgene Mäuse enstanden durch DNA-Mikroinjektion in den Vorkern von Zygoten. Eine pBL-HERV-L transgene Linie und vier pEGFP-HERV-H-H6 transgene Linien wurden gezüchtet und auf Integration sowie Expression der Genkonstrukte untersucht. Während der HERV-L Promoter keine Aktivität zeigte, war Expression von pEGFP-HERV-H-H6 in Keimdrüsen von Mäusen aus zwei transgenen Linien nachweisbar. Da für das Genkonstrukt pBL-HERV-L nur eine einzige, nicht-exprimierende transgene Linie aufgebaut werden konnte, können keine Aussagen über die Aktivität und Gewebespezifität des HERV-L Promoters getroffen werden. Zu diesem Zwecke müssten weitere pBL-HERV-L transgene Linien untersucht werden. Das Expressionsmuster des pEGFP-HERV-H-H6 Genkonstruktes, weißt auf eine mögliche Gewebespezifität für Keimdrüsen hin. Eine eventuelle Verknüpfung der Aktivität des HERV-H-H6 LTRs mit der Produktion von Steroidhormonen müsste weitergehend geklärt werden.Da in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Reportergen Systeme in der Maus angewandt wurden, sind im Literaturteil Vorteile und Einschränkungen von aktuellen Nachweisverfahren beider Reportergene, mit Schwerpunkt EGFP, in Mausgewebe zusammengefasst. Die Verbindung von EGFP mit dem HERV-H-H6 Promoter ist als kritisch zu beurteilen: Alle beschriebenen Nachweisverfahren für EGFP in der Maus gründen auf Mausmodellen, in denen das EGFP von einem starken Promoter kontrolliert wurde. Bei potenziell schwächeren Promotoren, wie HERV-LTRs, können Probleme auftreten, wie z.B. Autofluoreszenz bei der Fluoreszenzmikroskopie