Інженери навчилися візуалізувати втрачені радіоактивні джерела з випромінювання

Американські інженери розробили мобільний прилад, здатний виявляти форму і координати джерел гамма-випромінювання. Вони перевірили його працездатність для сценаріїв пошуку втраченого радіоактивного джерела у вантажному порту і розливів радіоактивної рідини в лабораторії. Дослідження опубліковано в.

Іонізуюче випромінювання, яке випускають радіоактивні джерела, не можна побачити неозброєним оком. Це стає серйозною проблемою, коли ми не знаємо розташування, форму, активність та інші характеристики джерела. Подібне може відбуватися в разі аварій або витоків на атомних станціях або втрати об'єктів, що містять радіоактивні компоненти.

Завдання пошуку ускладнюється тим, що іонізуючі випромінювання всіх типів досить складно візуалізувати. Ми можемо досить легко виявити джерело світла, оскільки випромінювання у видимому діапазоні можна сфокусувати на ПЗС-матрицю камери, що дозволяє отримати почесне зображення. Сьогодні інженери навчилися отримувати навіть тривимірні зображення об'єктів, що активно використовується в машинному зору і медицині. Однак більшість доступних сьогодні дозиметрів лише фіксують факт потрапляння квантів випромінювання на їхні детектори без зазначення напрямку, звідки вони прилетіли, що робить процес пошуку джерела трудомістким.

Даніел Хеллфілд (Daniel Hellfeld) з колегами з Національної лабораторії імені Лоуренса і Каліфорнійського університету в Берклі створили прилад для тривимірної радіологічної візуалізації джерел гамма-випромінювання. Його особливістю стала висока мобільність, що дозволяє встановити його на будь-яку рухливу платформу: автомобіль, робота, безпілотник і навіть переносити вручну. При цьому у пристрою швидкий відгук, що дозволяє робити коригування пошуку в реальному часі.

В основі роботи пристрою лежить вимірювання кількості гамма-випромінювання, поглиненого детектором, залежно від його координат у просторі. Комп'ютер обробляє цю інформацію, щоб відновити координати джерела, з яких приходить це випромінювання. Автори реалізували чотири режими вимірювання залежно від точковості або протяжності випромінювального об'єкта, а також від енергії гамма-квантів. Останнє пов'язане з тим, як відбувається поглинання фотона: якщо низькоенергетичні кванти фіксуються в датчику через одиночний фотоелектричний процес, то високоенергетичні попередньо беруть участь у комптонівському розсіянні. Локалізація одного або декількох точкових джерел у дискретному або безперервному просторі зображень проводиться в приладі за допомогою ітераційного алгоритму, а сигнал від розподілених джерел обробляється алгоритмом максимізації апостеріорних очікувань.

При побудові карт пристрій відкладає всі видобуті сигнали у вигляді точок у тривимірному просторі. Далі комп'ютер розбиває цей простір на вокселі з роздільною здатністю близько 20 сантиметрів. Воксель вважається зайнятим, якщо в нього потрапила кількість точок, більше деякого параметра фільтрації. Такий підхід спирається на припущення про те, що в повітрі немає джерел гамма-випромінювання, і дозволяє зменшити шуми і багаторазово прискорити обробку візуалізації. Зрештою автори домоглися середнього часу побудови карти, рівного кільком секундам.

Сам пристрій, що отримав назву MiniPRISM, являє собою матрицю CdZnTe-детекторів, об'єднану з датчиками і бортовим комп'ютером, який виробляє побудову карт за допомогою Google Cartographer. Дослідники продемонстрували роботу свого пристрою для двох сценаріїв.

У першому випадку інженери імітували пошук радіоактивної речовини у вантажному порту. Для цього вони помістили точкове джерело ¹³⁷Cs активністю 1,84 мілікюрі зовні сталевого вантажного контейнера на висоті 2,5 метрів в оточенні безлічі інших контейнерів. Дослідники змонтували MiniPRISM на дрон, що дозволило сформувати карту для території площею понад чотири тисячі квадратних метрів за сім хвилин. Розподіл сигналів на карті з хорошою точністю відповідало реальному джерелу.

Другий сценарій імітував розлив радіоактивної речовини в умовах забрудненої лабораторії. Для цього автори рівномірно мали кілька сотень маленьких точкових джерел ²²Na активністю 1 мікрокюрі на підкладці так, щоб відстань між ними була дуже малою. Вони зімітували три різні сцени, що вмикають розлив на столі, на підлозі і на стіні. У цьому експерименті MiniPRISM, що знаходиться в руках у оператора, побудував карту для лабораторії площею 160 квадратних метрів за 5,6 хвилин.

Вчені зазначають, однак, що результати вимірювання за допомогою розробленого ними комплексу можуть бути чутливі до того, які алгоритми обробки і з якими параметрами використовуються для візуалізації. Це накладає деякі вимоги до оператора MiniPRISM, зокрема, він повинен розуміти його принцип роботи і попередньо навчатися. Як розвиток технології автори пропонують удосконалити алгоритми, щоб коректно відновлювати інформацію про джерела, розташовані не тільки на поверхні, але і всередині деякого замкнутого обсягу, наприклад, контейнера. Крім того, описане картування можна виробляти і з джерелами нейтронів.

Інженери регулярно споряджають дрони різним обладнанням, щоб вирішувати завдання без залучення людини. Нещодавно ми розповідали, як їх навчили малювати на стінах і обслуговувати вітряки.