Распространение радиоактивных изотопов с АЭС Фукусима-дайити в Японии в 2011 году и сохраняющаяся угроза возможного выброса радиации с Запорожского ядерного комплекса в зоне боевых действий на Украине подчеркнули важность эффективных и надежных способов обнаружения и мониторинга радиоактивных изотопов. Помимо этого, повседневная эксплуатация ядерных реакторов, добыча и переработка урана в топливные стержни, а также утилизация отработанного ядерного топлива также требуют постоянного мониторинга выбросов радиоизотопов.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) создали вычислительную основу для разработки очень простых и оптимизированных версий сенсорных установок, способных точно определить направление распределенного источника радиации. Они также продемонстрировали, что перемещая этот датчик для получения нескольких показаний, они могут точно определить физическое местоположение источника. Вдохновение для их инноваций пришло из неожиданного источника: популярной компьютерной игры "Тетрис".
Выводы группы, которые, вероятно, можно было бы распространить на детекторы других видов радиации, описаны в статье, опубликованной в Nature Communications.
Излучение обычно обнаруживается с помощью полупроводниковых материалов, таких как теллурид кадмия-цинка, которые вызывают электрический отклик при воздействии высокоэнергетического излучения, такого как гамма-лучи. Но поскольку излучение легко проникает сквозь материю, сложно определить направление, откуда пришел сигнал, простым подсчетом. Счетчики Гейгера, например, просто издают звук щелчка при получении излучения, без определения энергии или типа, поэтому для поиска источника необходимо перемещаться, чтобы попытаться найти максимальный звук, аналогично тому, как работают портативные металлодетекторы. Этот процесс требует от пользователя приблизиться к источнику радиации, что может повысить риск.
Чтобы предоставить информацию о направлении от стационарного устройства, не приближаясь слишком близко, исследователи используют массив детекторных сеток вместе с другой сеткой, называемой маской, которая отпечатывает на массиве узор, который различается в зависимости от направления источника. Алгоритм интерпретирует различные моменты времени и интенсивность сигналов, полученных каждым отдельным детектором или пикселем. Это часто приводит к сложной конструкции детекторов.
Типичные матрицы детекторов для определения направления источников излучения большие и дорогие и включают не менее 100 пикселей в матрице 10 на 10. Однако группа обнаружила, что использование всего лишь четырех пикселей, расположенных в форме тетромино фигур в игре "Тетрис", может приблизиться к точности больших и дорогих систем. Ключом к успеху является правильная компьютеризованная реконструкция углов прихода лучей на основе времени, когда каждый датчик обнаруживает сигнал, и относительной интенсивности, которую каждый из них обнаруживает, как это восстанавливается посредством исследования смоделированных систем под руководством ИИ.
Исследователи опробовали различные конфигурации четырех пикселей — квадратные, S-, J- или Т-образные — в результате повторных экспериментов они обнаружили, что наиболее точные результаты дает массив S-образной формы. Этот массив давал показания направления с точностью до 1 градуса, но все три неправильные формы работали лучше, чем квадрат. Этот подход, по словам Ли, "был буквально вдохновлен 'Тетрисом'".
Ключом к работе системы является размещение изолирующего материала, такого как свинцовый лист, между пикселями, чтобы увеличить контраст между показаниями излучения, поступающими в детектор с разных направлений. Расстояние между пикселями в этих упрощенных массивах выполняет ту же функцию, что и более сложные теневые маски, используемые в системах с большими массивами. Команда обнаружила, что менее симметричные расположения предоставляют больше полезной информации из небольшого массива, объясняет Окабе, ведущий автор работы.
Хотя существовали и другие версии упрощенных решеток для обнаружения радиации, многие из них эффективны только в том случае, если излучение исходит от одного локализованного источника. Их можно сбить с толку из-за нескольких источников или из-за того, что они разбросаны в пространстве, тогда как версия на основе "Тетриса" хорошо справляется с этими ситуациями, добавляет Сюэ, соавтор работы.
В ходе простого слепого полевого испытания в лаборатории Беркли с реальным источником излучения цезия под руководством Ваврека, в ходе которого исследователи из Массачусетского технологического института не знали точного местоположения источника, испытательное устройство было выполнено с высокой точностью определения направления и расстояние до источника.
