2011 年の日本の福島第一原子力発電所からの放射性同位体の拡散と、ウクライナの交戦地帯にあるザポリージャ核施設からの放射線放出の可能性の継続的な脅威は、放射性物質を検出し監視する効果的かつ信頼性の高い方法の必要性を浮き彫りにしました。同位体。

それほど劇的ではありませんが、原子炉の日常的な運転、ウランの採掘と加工燃料棒、使用済みの廃棄核燃料放射性同位元素の放出の監視も必要です。

今回、MITとローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）の研究者らは、分散放射線源の方向を正確に特定できる、非常にシンプルで合理化されたバージョンのセンサー設定を設計するための計算基盤を考案した。また、センサーを移動させて複数の読み取り値を取得することで、発生源の物理的な位置を正確に特定できることも実証しました。彼らの賢いイノベーションのインスピレーションは、驚くべき情報源から来ました。それは、人気のあるコンピューター ゲーム「テトリス」です。

研究チームの発見は、他の種類の放射線の検出器にも応用できる可能性があり、次のとおりです。に掲載された論文に記載されているネイチャーコミュニケーションズ、MITのミンダ・リー教授、リン・ウェン・フー教授、ブノワ・フォジェ教授、ゴードン・コーセ教授による。大学院生の岡部涼太郎さんと薛尚傑さん。研究科学者ジェイソン・ヴァブレクSM '16、博士。'19年LBNLにて。MIT とローレンス バークレーには他にも多くの研究者がいます。

放射線は通常、テルル化カドミウム亜鉛などの半導体材料を使用して検出されます。半導体材料は、次のような高エネルギー放射線が当たると電気反応を生成します。ガンマ線。しかし、放射線は物質を非常に容易に透過するため、単純な数え方で信号の発信方向を判断することは困難です。

たとえば、ガイガーカウンターは、エネルギーや種類を解決せずに、放射線を受け取ったときにクリック音を発するだけなので、手持ち式金属探知機の仕組みと同様に、放射線源を見つけるには、最大の音を見つけるために動き回る必要があります。このプロセスではユーザーが放射線源に近づく必要があるため、リスクが高まる可能性があります。

近づきすぎずに固定デバイスから方向情報を提供するために、研究者は一連の検出器グリッドと、マスクと呼ばれる別のグリッドを組み合わせて、光源の方向に応じて異なるパターンをアレイに刻印します。アルゴリズムは、それぞれの個別の検出器またはピクセルによって受信された信号のさまざまなタイミングと強度を解釈します。これにより、多くの場合、検出器の設計が複雑になります。

放射線源の方向を感知するための一般的な検出器アレイは大きくて高価であり、10 × 10 のアレイに少なくとも 100 個のピクセルが含まれています。しかし、研究グループは、「テトリス」ゲームの図形のテトロミノ形状に配置されたわずか 4 つのピクセルを使用するだけで、大規模で高価なシステムの精度にほぼ匹敵する可能性があることを発見しました。

鍵となるのは、各センサーが信号を検出した時間と各センサーが検出した相対強度に基づいて、光線の到来角度をコンピューターで適切に再構成することです。これは、シミュレートされたシステムの AI 誘導研究を通じて再構成されたものです。

研究者らは、4 つのピクセルのさまざまな構成のうち、正方形、S 字、J 字、または T 字を試しました。実験を繰り返すことで、S 字配列が最も正確な結果をもたらすことがわかりました。この配列では、約 1 度以内の精度で方向を読み取りましたが、3 つの不規則な形状はすべて正方形よりも優れたパフォーマンスを示しました。このアプローチは「文字通りテトリスからインスピレーションを得た」とリー氏は言う。

システムを機能させる鍵となるのは、ピクセル間に鉛シートなどの絶縁材を配置して、さまざまな方向から検出器に入ってくる放射線読み取り値間のコントラストを高めることです。

これらの単純化されたアレイのピクセル間のリードは、より大きなアレイ システムで使用されるより精巧なシャドウ マスクと同じ機能を果たします。研究チームは、対称性が低い配置のほうが、小さな配列からより有用な情報を提供できることを発見した、とこの研究の筆頭著者である岡部氏は説明する。

「小型の検出器を使用するメリットは、エンジニアリングコストの点にあります」と彼は言います。通常、テルル化カドミウム亜鉛 (CZT) で作られた個々の検出素子が高価であるだけでなく、これらのピクセルからの情報を伝達するすべての相互接続もさらに複雑になります。「検出器が小さくてシンプルであればあるほど、アプリケーションの面では優れています」と Li 氏は付け加えます。

放射線検出用の簡略化されたアレイの他のバージョンもありますが、その多くは放射線が単一の局所的な線源から来ている場合にのみ有効です。これらは複数の情報源や空間に広がる情報源によって混乱する可能性があるが、「テトリス」ベースのバージョンはこうした状況にうまく対処できると、この作品の共同筆頭著者である Xue 氏は付け加えた。

バークレー研究所で行われた本物のセシウム放射線源を用いた単一盲検実地試験では、ヴァブレック氏が主導したが、MITの研究者らはグラウンドトゥルース線源の位置を知らなかったが、試験装置は方向と位置を高精度で検出することができた。音源までの距離。

「放射線マッピングは、放射線源を迅速に特定し、全員の安全を守るのに役立つため、原子力産業にとって最も重要です」と、共著者でマサチューセッツ工科大学の原子力工学教授で原子力科学工学部長のフォーゲット氏は言う。

もう一人の共同主著者であるヴァブレク氏は、研究ではガンマ線源に焦点を当てていたが、限られた数のピクセルから方向情報を抽出するために開発した計算ツールは「はるかに汎用的」であると信じていると述べた。これは特定の波長に限定されず、中性子や他の形態の光、紫外線にも使用できると、MIT原子炉研究所の上級科学者フー氏は付け加えた。

アイダホ国立研究所防衛システム部門の科学者ニック・マン氏は、「この研究は米国の対応コミュニティにとって、そして増大し続ける放射性物質の事件や事故の脅威にとって極めて重要である」と述べている。

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