Širenje radioaktivnih izotopa iz nuklearne elektrane Fukušima Daiči u Japanu 2011. godine i stalna opasnost od mogućeg oslobađanja radijacije iz nuklearnog kompleksa Zaporožja u ukrajinskoj ratnoj zoni su naglasili potrebu za efikasnim i pouzdanim načinima otkrivanja i praćenja radioaktivnosti.
Manje dramatično, svakodnevni rad nuklearnih reaktora, rudarenje i prerada uranijuma u gorivne šipke, i odlaganje istrošenog nuklearnog goriva takođe zahtevaju praćenje oslobađanja radioizotopa.
Sada su istraživači sa MIT-a i Nacionalne laboratorije Lorens Berkli (LBNL) došli do računske osnove za dizajniranje veoma jednostavnih, modernizovanih verzija podešavanja senzora koji mogu precizno odrediti pravac distribuiranog izvora zračenja. Takođe su pokazali da pomeranjem tog senzora da bi dobili višestruka očitavanja, mogu precizno odrediti fizičku lokaciju izvora. Inspiracija za njihovu pametnu inovaciju došla je iz iznenađujućeg izvora: popularne kompjuterske igre „Tetris“.
Nalazi tima, koji bi se verovatno mogli generalizovati na detektore za druge vrste zračenja, opisani su u radu objavljenom u Nature Communications, od strane profesora MIT-a Mingda Li, Lin-Ven Hu, Benoit Forget i Gordon Kohse; postdiplomci Riotaro Okabe i Shangjie Ksue; naučnik Džejson Vavrek SM ’16, dr. ’19 u LBNL; i niz drugih na MIT-u i Lorensu Berkliju.
Zračenje se obično detektuje korišćenjem poluprovodničkih materijala, kao što je kadmijum cink telurid, koji proizvode električni odgovor kada ih udari visokoenergetsko zračenje, kao što su gama zraci. Ali pošto zračenje tako lako prodire kroz materiju, teško je odrediti pravac iz kojeg je signal došao jednostavnim brojanjem.
Gajgerovi brojači, na primer, jednostavno obezbeđuju zvuk klika kada primaju zračenje bez rešavanja energije ili tipa, tako da pronalaženje izvora zahteva kretanje okolo da bi se pokušao pronaći maksimalni zvuk, slično kako funkcionišu ručni detektori metala. Proces zahteva od korisnika da se približi izvoru zračenja, što može povećati rizik.
Da bi pružili informacije o smeru sa stacionarnog uređaja, a da se ne približe previše, istraživači koriste niz detektorskih mreža zajedno sa drugom mrežom koja se zove maska, koja utiskuje obrazac na niz koji se razlikuje u zavisnosti od pravca izvora. Algoritam tumači različite tajminge i intenzitete signala koje prima svaki poseban detektor ili piksel. Ovo često dovodi do složenog dizajna detektora.
Tipični nizovi detektora za otkrivanje pravca izvora zračenja su veliki i skupi i uključuju najmanje 100 piksela u nizu 10 puta 10. Međutim, grupa je otkrila da korišćenje samo četiri piksela raspoređenih u tetromino oblicima figura u igrici „Tetris“ može biti blizu tačnosti velikih, skupih sistema.
Ključ je pravilna kompjuterizovana rekonstrukcija uglova dolaska zraka, zasnovana na vremenu kada svaki senzor detektuje signal i relativnom intenzitetu koji svaki detektuje, kao što je rekonstruisano kroz AI vođenu studiju simuliranih sistema.
Od različitih konfiguracija četiri piksela, istraživači su pokušali – kvadratni, S-, J- ili T-oblik – otkrili su kroz ponovljene eksperimente da niz u obliku slova S daje najpreciznije rezultate. Ovaj niz je davao usmerena očitavanja koja su bila tačna do oko 1 stepen, ali su sva tri nepravilna oblika imala bolji učinak od kvadrata. Ovaj pristup je, kaže Li, „bukvalno inspirisan Tetrisom“.
Ključ za rad sistema je postavljanje izolacionog materijala, kao što je olovni list, između piksela kako bi se povećao kontrast između očitavanja zračenja koja dolaze u detektor iz različitih pravaca.
Odvod između piksela u ovim pojednostavljenim nizovima služi istoj funkciji kao i složenije maske senki koje se koriste u većim sistemima nizova. Tim je otkrio da manje simetrični aranžmani pružaju više korisnih informacija iz malog niza, objašnjava Okabe, koji je glavni autor rada.
„Zasluga korišćenja malog detektora je u pogledu troškova inženjeringa“, kaže on. Ne samo da su pojedinačni elementi detektora skupi, obično napravljeni od kadmijum-cink-telurida, ili CZT, već i sve interkonekcije koje prenose informacije iz tih piksela takođe postaju mnogo složenije. „Što je detektor manji i jednostavniji, to je bolji u pogledu aplikacija“, dodaje Li.
Iako su postojale i druge verzije pojednostavljenih nizova za detekciju zračenja, mnoge su efikasne samo ako zračenje dolazi iz jednog lokalizovanog izvora. Mogu ih zbuniti više izvora ili oni koji su rašireni u svemiru, dok verzija zasnovana na „Tetris“ može dobro da se nosi sa ovim situacijama, dodaje Ksue, jedan od vodećih autora rada.
U jednom slepom terenskom testu u laboratoriji Berkli sa pravim izvorom cezijumskog zračenja, koji je vodio Vavrek, gde istraživači sa MIT-a nisu znali lokaciju izvora istine, testni uređaj je izveden sa velikom preciznošću u pronalaženju pravca i udaljenost do izvora.
„Mapiranje radijacije je od najveće važnosti za nuklearnu industriju, jer može pomoći da se brzo lociraju izvori radijacije i da svi budu bezbedni“, kaže koautor Forget, profesor nuklearnog inženjerstva na MIT-u i šef Odseka za nuklearne nauke i inženjerstvo.
Vavrek, drugi koautor, kaže da dok su se u svojoj studiji fokusirali na izvore gama zraka, on veruje da su računarski alati koje su razvili za izdvajanje informacija o pravcu iz ograničenog broja piksela „mnogo, mnogo opštiji“. Nije ograničen na određene talasne dužine, može se koristiti i za neutrone, ili čak i druge oblike svetlosti, ultraljubičaste svetlosti, dodaje Hu, viši naučnik u laboratoriji MIT Nuclear Reactor Lab.
Nik Man, naučnik iz ogranka za odbrambene sisteme u Nacionalnoj laboratoriji u Ajdahu, kaže: „Ovaj rad je od ključnog značaja za američku zajednicu za reagovanje i sve veću pretnju radiološkog incidenta ili nesreće“.
