Инженеры научились визуализировать потерянные радиоактивные источники по излучению

D. Hellfeld et al. / Scientific Reports, 2021

Американские инженеры разработали мобильный прибор, способный обнаруживать форму и координаты источников гамма-излучения. Они проверили его работоспособность для сценариев поиска потерянного радиоактивного источника в грузовом порту и разливов радиоактивной жидкости в лаборатории. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Ионизирующее излучение, которое испускают радиоактивные источники, нельзя увидеть невооруженным глазом. Это становится серьезной проблемой, когда мы не знаем расположение, форму, активность и прочие характеристики источника. Подобное может происходить в случае аварий или утечек на атомных станциях или потере объектов, содержащих радиоактивные компоненты.

Задача поиска усложняется тем, что ионизирующие излучения всех типов довольно сложно визуализировать. Мы можем довольно легко обнаружить источник света, так как излучение в видимом диапазоне можно сфокусировать на ПЗС-матрицу камеры, что позволяет получить двумерное изображение. Сегодня инженеры научились получать даже трехмерные изображения объектов, что активно используется в машинном зрении и медицине. Однако большинство доступных сегодня дозиметров лишь фиксируют факт попадания квантов излучения на их детекторы без указания направления, откуда они прилетели, что делает процесс поиска источника трудоемким.

Даниэл Хеллфилд (Daniel Hellfeld) с коллегами из Национальной лаборатории имени Лоуренса и Калифорнийского университета в Беркли создали прибор для трехмерной радиологической визуализации источников гамма-излучения. Его особенностью стала высокая мобильность, позволяющая установить его на любую подвижную платформу: автомобиль, робота, беспилотник и даже переносить вручную. При этом у устройства быстрый отклик, позволяющий делать корректировку поиска в реальном времени.

В основе работы устройства лежит измерение количества гамма-излучения, поглощенного детектором, в зависимости от его координат в пространстве. Компьютер обрабатывает эту информацию, чтобы восстановить координаты источника, из которых приходит это излучение. Авторы реализовали четыре режима измерения в зависимости от точечности или протяженности излучающего объекта, а также от энергии гамма-квантов. Последнее связано с тем, как происходит поглощение фотона: если низкоэнергетические кванты фиксируются в датчике через одиночный фотоэлектрический процесс, то высокоэнергетические предварительно участвуют в комптоновском рассеянии. Локализация одного или нескольких точечных источников в дискретном или непрерывном пространстве изображений производится в приборе с помощью итерационного алгоритма, а сигнал от распределенных источников обрабатывается алгоритмом максимизации апостериорных ожиданий.

При построении карт устройство откладывает все добытые сигналы в виде точек в трехмерном пространстве. Дальше компьютер разбивает это пространство на воксели с разрешением около 20 сантиметров. Воксель считается занятым, если в него попало количество точек, большее некоторого параметра фильтрации. Такой подход опирается на предположение о том, что в воздухе нет источников гамма-излучения, и позволяет уменьшить шумы и многократно ускорить обработку визуализации. В конечном итоге авторы добились среднего времени построения карты, равного нескольким секундам.

Само устройство, получившее название MiniPRISM, представляет собой матрицу CdZnTe-детекторов, объединенную с датчиками и бортовым компьютером, который производит построение карт с помощью Google Cartographer. Исследователи продемонстрировали работу своего устройства для двух сценариев.

В первом случае инженеры имитировали поиск радиоактивного вещества в грузовом порту. Для этого они поместили точечный источник 137Cs активностью 1,84 милликюри снаружи стального грузового контейнера на высоте 2,5 метров в окружении множества других контейнеров. Исследователи смонтировали MiniPRISM на дрон, что позволило сформировать карту для территории площадью более четырех тысяч квадратных метров за семь минут. Распределение сигналов на карте с хорошей точностью соответствовало реальному источнику.

Второй сценарий имитировал разлив радиоактивного вещества в условиях загроможденной лаборатории. Для этого авторы равномерно располагали несколько сотен маленьких точечных источников 22Na активностью 1 микрокюри на подложке так, чтобы расстояние между ними было очень малым. Они сымитировали три разных сцены, включающих разлив на столе, на полу и на стене. В этом эксперименте MiniPRISM, находящийся в руках у оператора, построил карту для лаборатории площадью 160 квадратных метров за 5,6 минут.

Ученые отмечают, однако, что результаты измерения с помощью разработанного ими комплекса могут быть чувствительны к тому, какие алгоритмы обработки и с какими параметрами используются для визуализации. Это накладывает некоторые требования к оператору MiniPRISM, в частности, он должен понимать его принцип работы и предварительно обучаться. В качестве развития технологии авторы предлагают усовершенствовать алгоритмы, чтобы корректно восстанавливать информацию об источниках, расположенных не только на поверхности, но и внутри некоторого замкнутого объема, например, контейнера. Кроме того, описанное картирование можно производить и с источниками нейтронов.

Инженеры регулярно снаряжают дроны различным оборудованием, чтобы решать задачи без привлечения человека. Недавно мы рассказывали, как их научили рисовать на стенах и обслуживать ветряки.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.