detektor | Svět2000

Vědci z MIT vytvořili detektor radioaktivního zdroje inspirovaný Tetrisem

14/05/2024 Iveta Mauci 0 komentářů 5 min read 296 Zobrazení detektor, izotopy, jaderná elektrárna, radioaktivní záření, strojové učení, Tetris, únik radiece, válečný konflikt, Záporoží

Nové Technologie TOP 10 Výzkum

Ilustrace detektoru částic Tetris — ***Gamifikace: Nový design inspirovaný Tetrisem by mohl snížit náklady a zvýšit přesnost přesných detektorů záření používaných pro monitorování jaderných lokalit.***

Podle tiskové zprávy Massachusettského technologického institutu, výzkumníci, inspirováni tvary z klasické videohry Tetris, navrhli jednoduchý detektor záření, který dokáže bezpečně a efektivně monitorovat radioaktivní zdroje.

Zařízení, které vytvořil Mingda Li a kolegové z Massachusettského technologického institutu, využívá ke zpracování dat algoritmus strojového učení, který mu umožňuje vytvářet přesné mapy zdrojů pomocí detektoru pouhých čtyř pixelů.

Šíření radioaktivních izotopů z jaderné elektrárny Fukušima, Daiichi v Japonsku, v roce 2011 a přetrvávající hrozba možného úniku radiace z jaderného komplexu Záporoží v ukrajinské válečné zóně podtrhly potřebu účinných a spolehlivých způsobů detekce a monitorování radioaktivních látek. Méně dramaticky, každodenní provoz jaderných reaktorů, těžba a zpracování uranu na palivové tyče a likvidace vyhořelého jaderného paliva také vyžadují monitorování úniku radioizotopů.

Nyní výzkumníci z MIT a Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) přišli s výpočetním základem pro navrhování velmi jednoduchých, efektivních verzí nastavení senzorů, které mohou přesně určit směr distribuovaného zdroje záření. Prokázali také, že pohybem tohoto senzoru, aby získali více hodnot, mohou určit fyzickou polohu zdroje. Inspirace pro jejich chytrou inovaci přišla z překvapivého zdroje: z populární počítačové hry „Tetris“.

Všude tam, kde existuje riziko úniku radioaktivních materiálů do životního prostředí, je důležité, aby vedoucí stavby co nejpřesněji zmapovali zdroje záření.

Přesnost radioaktivního měření a náklady

Na první pohled je zřejmé řešení, jak maximalizovat přesnost a zároveň udržet náklady na co nejnižší úrovni, vysvětluje Li. „Při detekci záření může být sklon přiblížit se ke zdroji, aby se zvýšila jasnost.“ To je však v rozporu se základními principy radiační ochrany.“

Lidem pověřeným monitorováním radiace tyto zásady radí, aby úrovně radiace, kterým se vystavují, byly udržovány na tak nízké úrovni, jak je rozumně dosažitelné.

Zjištění týmu, která by mohla být pravděpodobně zobecněna na detektory pro jiné druhy záření, jsou popsána v článku publikovaném v Nature Communications profesory MIT Mingda Li a Benoitem Forgetem, vedoucím vědeckým pracovníkem Lin-Wen Hu a hlavním vědeckým pracovníkem Gordonem.

Záření se obvykle detekuje pomocí polovodičových materiálů, jako je telurid kadmia a zinku, které při zasažení vysokoenergetickým zářením, jako jsou paprsky gama, vytvářejí elektrickou odezvu. Ale protože záření tak snadno proniká hmotou, je obtížné určit směr, odkud signál přišel, jednoduchým počítáním. Geigerovy čítače například jednoduše poskytují zvuk kliknutí při příjmu záření, aniž by rozlišovaly energii nebo typ, takže hledání zdroje vyžaduje pohyb a pokus o nalezení maximálního zvuku, podobně jako fungují ruční detektory kovů. Tento proces vyžaduje, aby se uživatel přiblížil ke zdroji záření, což může zvýšit riziko.

K poskytování směrových informací ze stacionárního zařízení, aniž by se dostali příliš blízko, vědci používají pole mřížek detektorů spolu s další mřížkou zvanou maska, která do pole vtiskne vzor, který se liší v závislosti na směru zdroje. Algoritmus interpretuje různá časování a intenzity signálů přijatých každým samostatným detektorem nebo pixelem. To často vede ke složité konstrukci detektorů.

Použití pixelů

Typická pole detektorů pro snímání směru zdrojů záření jsou velká a drahá a obsahují alespoň 100 pixelů v poli 10 x 10. Skupina však zjistila, že použití pouhých čtyř pixelů uspořádaných do tetromino tvarů postav ve hře „Tetris“ se může přiblížit přesnosti velkých a drahých systémů. Klíčem je správná počítačová rekonstrukce úhlů příchodu paprsků na základě doby, kdy každý senzor detekuje signál, a relativní intenzity, kterou každý z nich detekuje, jak je rekonstruováno pomocí studie simulovaných systémů vedených umělou inteligencí.

Z různých konfigurací čtyř pixelů, které výzkumníci zkoušeli, čtvercový nebo ve tvaru S, J nebo T, opakovanými experimenty zjistili, že nejpřesnější výsledky poskytuje pole ve tvaru S. Toto pole poskytlo směrové údaje, které byly přesné s přesností asi na 1 stupeň, ale všechny tři nepravidelné tvary fungovaly lépe než čtverec. Tento přístup, říká Li, „byl doslova inspirován ‚Tetrisem‘.“

Fungování a izolace

Klíčem k tomu, aby systém fungoval, je umístění izolačního materiálu, jako je olověný plát mezi pixely, aby se zvýšil kontrast mezi naměřenými hodnotami záření přicházejícího do detektoru z různých směrů. Předstih mezi pixely v těchto zjednodušených polích slouží stejné funkci jako propracovanější masky stínů používané v systémech s větším polem. Méně symetrická uspořádání, zjistil tým, poskytují užitečnější informace z malého pole, vysvětluje Okabe, který je hlavním autorem práce.

„Výhoda použití malého detektoru spočívá v technických nákladech,“ říká. Nejen, že jsou jednotlivé prvky detektoru drahé, typicky vyrobené z kadmia-zinku-telluridu nebo CZT, ale všechna propojení přenášející informace z těchto pixelů se také stávají mnohem složitějšími. „Čím menší a jednodušší je detektor, tím je lepší z hlediska aplikací,“ dodává Li.

V polním testu laoratoře Berkeley se skutečným zdrojem cesiového záření, vedeném Vavrekem, kde výzkumníci z MIT neznali umístění zdroje, bylo provedeno testovací zařízení s vysokou přesností při hledání směru a vzdálenost ke zdroji.

„Radiační mapování je pro jaderný průmysl nanejvýš důležité, protože může pomoci rychle lokalizovat zdroje záření a udržet každého v bezpečí,“ říká spoluautor Forget, profesor jaderného inženýrství na MIT a vedoucí katedry jaderné vědy a inženýrství.

Vavrek, další spoluautor, říká, že zatímco se ve své studii zaměřili na zdroje gama záření, věří, že výpočetní nástroje, které vyvinuli k extrakci směrových informací z omezeného počtu pixelů, jsou „mnohem, mnohem obecnější“. Není omezen na určité vlnové délky, může být také použit pro neutrony nebo dokonce jiné formy světla, jako je ultrafialové světlo. Použití tohoto algoritmu založeného na strojovém učení a detekce radiace ze vzduchu „umožní monitorování v reálném čase a integrované nouzové plánování radiologických havárií,“ dodává Hu, vedoucí vědec z laboratoře jaderných reaktorů MIT.

Nick Mann, vědec z pobočky Defence Systems v Idaho National Laboratory, říká: „Tato práce je klíčová pro reakci USA při stále rostoucí hrozbě radiačního incidentu nebo nehody.“

*Mezi další členy výzkumného týmu patří Ryan Pavlovsky, Victor Negut, Brian Quiter a Joshua Cates z Lawrence Berkely National Laboratory a Jiankai Yu, Tongtong Liu, Stephanie Jegelka z MIT. Práce byla podpořena americkým ministerstvem energetiky.

Článek byl upraven z tiskové zprávy Massachusettského technologického institutu. Odborná studie byla publikovaná v Nature Communications.

Pentagon: Hypersonické zbraně se už neskryjí

17/06/2022 Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert 6 min read 495 Zobrazení detektor, hypersonické zbraně, Pentagon, zbraně

Nové Technologie

Pentagon má technologii, jak je sestřelit

Pentagon: Hypersonické zbraně se už neskryjí, máme technologie, které je odhalí. Sledování střel je jako vybrat jednu žárovku na pozadí tisíce světel, ale nová technologie má za cíl je vidět jasněji. Čínský zkušební let hypersonického klouzavého letadla s dlouhým dosahem koncem minulého roku byl v médiích popsán jako blízký „ momentu Sputniku “ v závodě o vývoj nových ultrarychlých manévrovacích zbraní. Ale i když se vysocí američtí vojenští představitelé veřejně trápili raketami, které jsou, alespoň v tuto chvíli, prakticky neporazitelné, Pentagon tiše pracoval na zcela novém způsobu, jak pomoci tyto zbraně sestřelit, píše o tom server scientificamerican.com.

Koncem loňského prosince dala Agentura protiraketové obrany (MDA) amerického ministerstva obrany zelenou dvojici dodavatelů, L3Harris Technologies a Northrop Grumman, aby přešli od návrhu k prototypové výrobě systému hypersonického a balistického sledovacího vesmírného senzoru (HBTSS). Tato technologie má vyřešit jednu z nejobtížnějších technických výzev Pentagonu: jak detekovat a sledovat hypersonická klouzavá letadla, která využívají slepá místa v dnešních radarových sítích.

Jak Rusko, tak Čína postavily hypersonická klouzavá letadla v roce 2019 a 2020, ale neočekává se, že USA nasadí srovnatelnou útočnou zbraň dříve než v roce 2023. Na rozdíl od trajektorií užitečného zatížení balistických střel mohou hypersonická klouzavá letadla manévrovat na cestě k cíli. To je extrémně obtížné je sledovat. Tyto zbraně začnou svou cestu, když je velká raketa vynese do výšky blízko okraje vesmíru a uvolní je. Poté se klouzavá letadla odkloní na plošší trajektorii – buď opustí atmosféru, nebo zůstanou těsně v ní. A plují dál bez pohonu. Používají aerodynamický vztlak k přeskočení přes atmosféru ke svým cílům hypersonickou rychlostí.

Tato blízkovesmírná trajektorie a schopnost posunout kurz umožňují hypersonickým klouzavým letadlům uniknout kombinací vesmírných a pozemských senzorů používaných ke sledování balistických střel. Pentagon může detekovat start, ale hypersonické klouzavé letadlo poté uniklo z dohledu až do pozdního letu zbraně kvůli omezení viditelnosti pozemního radaru. V důsledku toho mají obranné systémy málo času, pokud vůbec nějaký, na zastavení přilétající střely.

Free stock photo of architecture, army, battle

HBTSS má tento problém vyřešit nepřetržitým sledováním raket dlouhého doletu od startu až po dopad. Bude mít také schopnost předávat kritické informace lodím, letadlům a pozemním silám, což jim umožní odpálit vlastní rakety na přicházející hrozby. Detekční systém se opírá o novou síť senzorů na oběžné dráze, kritické části husté a vícevrstvé konstelace satelitů, které Pentagon již začal umísťovat na nízkou oběžnou dráhu Země. Experimentální a prototypové nálože byly vyslány na oběžnou dráhu loni v červnu a počáteční provozní nálože jsou plánovány ke startu v letech 2022 a 2023. Tyto senzory detekují tepelné podpisy k identifikaci odpalů raket a dají americké armádě možnost sledovat cíle, označované jako kolébkové – vážná cílová vazba.

Některé z klíčových součástí HBTSS jsou algoritmy „signal to clutter“ navržené k rozlišení rychle se pohybující hrozby od teplého a nepravidelného povrchu Země. To je mnohem obtížnější úkol než u pozemního radaru, který sleduje střely, když se pohybují po chladném a nevýrazném pozadí oblohy. „Představte si, že se žárovka pohybuje po pozadí žárovek, a vy musíte tuto žárovku vybrat,“ říká Paul Wloszek, ředitel protiraketové obrany společnosti L3Harris Space & Airborne Systems. „Musíte vědět, kde to je – a jak rychle to jde – abyste to mohli sestřelit.“

Aby se tento problém vyřešil, v říjnu 2019 Pentagon samostatně odposlouchával L3Harris a Northrop Grumman (a dvě další společnosti následně vypadly od konkurence), aby vyvinuly sledovací algoritmy dostatečně citlivé na rozlišení signálu od šumu. Na konci roku 2020 L3Harris a Northrop Grumman spárovaly své příslušné algoritmy s kompaktními, výkonnými počítačovými procesory dostatečně malými na to, aby je bylo možné začlenit do vesmírných letadel. Obě společnosti provedly úspěšnou „demonstraci signálního řetězce“, která prokázala schopnost jejich systémů detekovat a sledovat nejasné cíle na nepřehledném pozadí. Demonstrace signálního řetězce ověřila citlivost nezbytnou pro podporu takzvaného hypersonického řetězce zabíjení – diskrétních akcí vyžadovaných v sekvenci mezi identifikací a zasažením cíle.

rocket launching with white smoke underneath

Další vesmírná zařízení již poskytují USA nadzemní infračervené snímání. Ale klíčovou charakteristikou, která odlišuje HBTSS od ostatních, je požadavek generovat to, co Pentagon nazývá „kvalita řízení palby“ ze sledování. Toto jsou velmi přesné informace, které mohou být použity pozemskými systémy velení a řízení k řízení stíhačů řízených střel proti hypersonickým hrozbám.

„Být schopen vidět dolů z vesmíru teplé stopy procházející teplou Zemí, to je opravdu těžká věda,“ řekl ředitel MDA viceadmirál Jon Hill na slyšení podvýboru pro strategické síly Senátního výboru pro ozbrojené služby koncem loňského jara. „Ale máme to vypracované. Ukázali jsme, že to umíme i na zemi. Tento druh schopnosti nám poskytuje globální pokrytí.“

Dne 27. prosince prezident Joe Biden podepsal zákon o povolení k národní obraně pro fiskální rok 2022, která zahrnuje 256 milionů dolarů za HBTSS. Financování podpoří pokračující vývoj sledovacích algoritmů a také zahájení montáže infračervených senzorů, které mají být spuštěny v roce 2023. L3Harris i Northrop Grumman jsou připraveny dodat dva prototypy HBTSS, každý včetně softwaru a hardwaru. Kongres je však v současné době ve slepé uličce, pokud jde o prostředky na fiskální rok 2022.

Pokud vláda nemůže dosáhnout dohody, HBTSS by mohla být omezena na úroveň výdajů na projekt v roce 2021: 130 milionů dolarů, což je částka, která by pravděpodobně ohrozila harmonogram projektu. V takovém případě by Pentagon mohl spojit existující systémy a poskytnout něco podobného HBTSS, říká odborník na hypersoniku David Wright, výzkumná pobočka Laboratoře pro jadernou bezpečnost a politiku Massachusetts Institute of Technology.

„HBTSS by bylo hezké mít, ale není mi jasné, že vám dává jedinečné schopnosti,“ říká Wright. Vysvětluje, že schopností slibovaných HBTSS by bylo možné dosáhnout také bez nového vesmírného programu spoléháním se na pozemní senzory umístěné na správných místech. To může zahrnovat pečlivé umístění lodí vybavených výkonným radarem za účelem rozšíření obranných zón. „Myslím, že je to systém, který si dovedu představit, že by armáda chtěla, protože by chtěla mít možnost tyto systémy nepřetržitě sledovat a mohl by to dělat i mimo dosah [pozemního] radaru, ale nejsem přesvědčen, že je to nutné. “ dodává Wright.

Victoria Samson, expertka na vojenský vesmír z Secure World Foundation, souhlasí s tím, že je potřeba sledovat pokročilé hrozby napříč celou jejich letovou dráhou, ale poznamenává, že zastánci HBTSS možná podceňují úkol vypořádat se s touto významnou výzvou. „Myslím, že je to mnohem komplikovanější, než by si zastánci připouštěli, a přidání hypersoniku k [provoznímu] požadavku může být spíše kývnutím na jeho zvýšenou viditelnost mezi lidmi z národní bezpečnosti než cokoli jiného,“ říká Samson.

Spolu se senzory Pentagon nově přemýšlí o řízených střelách potřebných k poražení hypersonických klouzavých letadel. Koncem května 2021 MDA odhalilo, že certifikovalo aktuálně rozmístěnou standardní střelu-6 jako poslední obrannou linii pro úderné skupiny letadlových lodí pro použití proti hypersonickým kluzným letadlům. A v listopadu 2021 MDA požádala tři společnosti, aby vypracovaly návrhy nové zbraně, nazývané Glide Phase Interceptor, která má čelit hypersonickým hrozbám. Tím se spustí třístranná soutěž mezi Lockheed Martin, Raytheon a Northrop Grumman o novou zbraň během jedné dekády.

Zdroj: scientificamerican.com/