Bachelor's Thesis

Implementation of a fibre optic system for measuring the distribution of gamma radiation fields

Final Thesis 4.25 MB Appendix 819.31 kB

Author of thesis: Josef Hynšt

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Břetislav Mikel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Radek Helán, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the design, construction, and characterization of a fiber-optic scintillation measuring system developed for two-dimensional characterization of spatial profiles of gamma radiation beams from high-activity sources. The developed system successfully extends previous single-point measurements conducted at the Institute of Scientific Instruments of the CAS into an automated scanning apparatus. The primary advantage of the proposed solution is the separation of expensive evaluation electronics and the photomultiplier tube outside the irradiated area, thereby minimizing their radiation degradation.

The measuring head utilizes an array of parallel sensors consisting of inorganic scintillation crystals and silica optical fibers. The sensor configuration and the linear stage step define a 16 x 16 pixel detection matrix covering a total area of 40 x 40 mm. Optical channel switching into a shared photomultiplier is handled by a mechanical fiber carousel, and the entire data acquisition process is fully automated using Python.

Software data processing, including channel normalization, the application of a Savitzky-Golay filter, and bicubic interpolation, enabled spatial localization of point radiation sources with sub-pixel resolution. The system's capability to reliably resolve up to four independent point sources was also experimentally confirmed. The thesis concludes by outlining prospects for future development, particularly transitioning to silicon photomultipliers and utilizing thinner optical fibers to enhance spatial resolution.

Keywords:

ionizing radiation, gamma radiation, scintillation detector, LYSO(Ce), optical fiber, 2D scanning, automation, Python

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - použitelné metody měření energie vysokoenergetických fotonů - využití scientilačních detektorů Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jakub Zlámal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Břetislav Mikel, Ph.D.

Bakalářská práce studenta Josefa Hynšta byla zaměřena na návrh, sestavení a ověření funkčnosti pilotního systému pro měření rozložení pole ionizujícího záření. Student vycházel z výzkumu realizovaného v rámci oddělení Koherenční optiky ÚPT AVČR, který je v této oblasti zaměřen na vzdálená měření ionizujícího záření s využitím optických vláken. Student k problematice přistoupil zodpovědně a v rámci své činnosti nastudoval potřebnou problematiku týkající se teorie ionizujícího záření a možných metod jeho měření. Podařilo se mu navrhnout a realizovat novou metodu, která významně rozšiřuje využití původního optovláknového monitoringu. Student se dokázal naučit všechny potřebné techniky od práce s optickými vlákny přes návrh optomechanického uspořádání až po programování automatizovaného měření a vyhodnocení získaných dat.

Práce byla velmi komplexní a student ji dokázal po technické stránce dotáhnout do úspěšného a funkčního konce. Samotná bakalářská práce je koncipována přehledně, s pouze několika málo překlepy, a shrnuje komplexně řešenou problematiku. V samotné práci bych vytknul zejména malé množství obrázků, které by bylo názornější a přehlednější než dlouhé textové popisy. Práce je však jako bakalářská práce na velmi vysoké úrovni a škoda, že jí nebylo věnováno trochu více času, protože mohla být naprosto perfektní.

Celkově hodnotím práci jako velice kvalitní a nadprůměrnou stupněm A a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Radek Helán, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá 2D optickým senzorem pro detekci pole ionizujícího záření. Samotná detekce touto metodou je problematika, kterou se ÚPT AVČR dlouhodobě zabývá, přínosem práce studenta je především rozšíření bodového měření do 2D matice, návrh a realizace opto-mechanických sestav, řízení procesu měření a zpracování dat. Bakalářská práce má 45 stran (od úvodu po závěr), kde praktická část je rozsáhlejší než teoretická. Z hlediska rozsahu a rozložení obsahu hodnotím práci velmi kladně. Práce je logicky uspořádána, jednotlivé části na sebe logicky navazují, celkově se práce dobře čte a je bez pravopisných chyb. Co bych vytkl, tak stylistika obrázků, kde obrázky jsou v textu často umístěny uprostřed odstavce a mnohdy je odkaz v textu na obrázek nacházející se o stránku někdy i dvě dál, popisky obrázků jsou stejným stylem jako okolní text, což ztěžuje orientaci v jinak kvalitně zpracovaném textu.
Z hlediska obsahu práce je zřejmé, že se student v řešené problematice velmi dobře zorientoval a doplnil si potřebné teoretické základy. Teoretická část práce je rozumném rozsahu a obsahuje informace související s danou problematikou. V praktické části student projevil schopnost logické úvahy, provedl návrh a optimalizaci klíčových částí senzoru (scintilátoru s návazností na optické vlákno). Student také projevil schopnost řešit problematiku v širokém kontextu – přes mechanické části, sestavení optických částí až po řízení systému, sběr dat a jejich zpracování. Značně mi chyběla v úvodu praktické části motivace, proč byla zvolena takto složitá koncepce měřicího systému. V průběhu čtení celé praktické části jsem přemýšlel, proč student neřešil celý sytém s XY posuvem a jedním senzorovým vláknem. To by bylo výrazně jednodušší, efektivnější a levnější. Až v závěru a jen jednou větou je vysvětleno, že se jednalo o ověření konceptu, který otevírá prostor pro další vývoj – osazení více detektory. Což až zpětně ohajuje smysl celé koncepce systému. Velmi mě zaujalo, jak se student vypořádal s rozdílnou citlivostí jednotlivých senzorových vláken, provedl jejich kalibrace a korekce. Práce mohla obsahovat více obrázků, mnohdy by to bylo názornější a ušetřilo by to zdlouhavý popis v textu.
Celkově však práci hodnotím jako kvalitní. Je zřejmé, že student odvedl dobrou práci a projevil schopnost řešit komplexní téma. Práci navrhuji k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V teoretické části uvádíte, že RTG a gama záření na sebe spektrálně navazují. Ve skutečnosti se však tato spektra z části překrývají – dnešní lineární urychlovače používané v radioterapii běžně produkují RTG záření s energiemi fotonů přes 10 MeV. Je možné měřením rozlišit, zda se v takovém případě jedná o fotony gama/RTG?
  2. V praktické části uvádíte, že pro spoj vlákno-scintilátor je použito UV vytvrditelné lepidlo a použité vlákno má SiO2 jádro a polymerní plášť. Jakým způsobem ionizační záření ovlivňuje takovou sestavu? Nedochází při vystavení lepidla/polymerního pláště vlákna ionizačnímu záření ke změně jejich otických vlastností (útlum, index lomu, numerická apertura)? Pokud by docházelo k nestabilitě těchto parametrů vlivem ionizujícího záření, mělo by to vliv na měřenou veličinu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová