Vědci z MIT vytvořili detektor radioaktivního zdroje inspirovaný Tetrisem
Foto: S laskavým svolením Studia Ella Maru / Tiskový zdrojPodle 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.
