Un joc video popular din anii ’80 a inspirat o invenție surprinzătoare

Răspândirea izotopilor radioactivi de la centrala nucleară Fukushima Daiichi din Japonia în 2011 și amenințarea în curs de desfășurare a unei posibile eliberări de radiații de la complexul nuclear Zaporizhzhia din zona de război din Ucraina au subliniat necesitatea unor modalități eficiente și fiabile de detectare și monitorizare a izotopilor radioactivi. Iată ideea cercetătorilor pentru un detector de radiații mai bun!

În situații mai puțin dramatice, operațiunile de zi cu zi ale reactoarelor nucleare, extragerea și procesarea uraniului în bare de combustibil, precum și eliminarea combustibilului nuclear uzat necesită, de asemenea, monitorizarea eliberării de radioizotopi.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Acum, cercetătorii de la MIT și Laboratorul Național Lawrence Berkeley (LBNL), ambele din SUA, au dezvoltat o bază computațională pentru proiectarea unor versiuni foarte simple și eficiente din punct de vedere al senzorilor, care pot localiza direcția unei surse distribuite de radiații. Oamenii de știință au demonstrat că prin deplasarea acestui senzor pentru a obține mai multe măsurători, pot localiza fizic sursa.

Inspirația pentru noul detector de radiații a venit dintr-o sursă surprinzătoare: popularul joc „Tetris”.

Descoperirile echipei, care probabil pot fi generalizate și la detectoare pentru alte tipuri de radiații, sunt descrise într-un articol publicat în Nature Communications de către profesorii de la MIT Mingda Li, Lin-Wen Hu, Benoit Forget și Gordon Kohse; doctoranzii Ryotaro Okabe și Shangjie Xue; cercetătorul Jayson Vavrek; și mai mulți alții de la MIT și Lawrence Berkeley.

De ce este nevoie de un detector de radiații mai bun?

Radiațiile sunt de obicei detectate folosind materiale semiconductoare, cum ar fi telurura de cadmiu-zinc, care produc un răspuns electric atunci când sunt lovite de radiații de mare energie, cum ar fi razele gamma. Dar deoarece radiațiile pătrund atât de ușor prin materie, este dificil să se determine direcția de unde a provenit semnalul printr-o simplă numărare.

Contoarele Geiger, de exemplu, pur și simplu emit un sunet de clic atunci când primesc radiații fără a detecta energia sau tipul, așa că găsirea unei surse necesită deplasarea pentru a încerca să se găsească sunetul maxim, similar cu modul în care funcționează detectoarele de metale portabile. Procesul necesită ca utilizatorul să se apropie de sursa de radiații, ceea ce poate crește riscurile, notează Tech Xplore.

Pentru a furniza informații direcționale de la un dispozitiv staționar fără a se apropia prea mult, cercetătorii folosesc un șir de grile de detectare împreună cu o altă grilă numită mască, care imprimă un model pe grilă care diferă în funcție de direcția sursei. Un algoritm interpretează timpii și intensitățile diferite ale semnalelor primite de fiecare detector (sau pixel) individual. Acest lucru duce adesea la un design complex al detectoarelor.

Ce au făcut diferit cercetătorii?

Matricele tipice de detectare pentru direcția surselor de radiații sunt mari și scumpe și includ cel puțin 100 de pixeli într-o matrice de 10 pe 10. Cu toate acestea, grupul a descoperit că utilizând chiar și patru pixeli aranjați în forme tetromino asemănătoare figurilor din jocul „Tetris” se pot apropia de precizia sistemelor mari și scumpe.

Cheia este o reconstrucție computerizată adecvată a unghiurilor de sosire a razelor, bazată pe timpul în care fiecare senzor detectează semnalul și intensitatea relativă pe care o detectează, așa cum este reconstruită printr-un studiu ghidat de AI al sistemelor simulate.

Dintre diferitele configurații de patru pixeli pe care cercetătorii le-au încercat, pătrat, în formă de S, J sau T, ei au constatat prin experimente repetate că matricea în formă de S a oferit cele mai precise rezultate. Această matrice a oferit citiri direcționale precise, cu o acuratețe de aproximativ 1 grad, dar toate cele trei forme neregulate s-au comportat mai bine decât pătratul. Această abordare, spune Li, „a fost literalmente inspirată de Tetris”.

Cheia care face sistemul să funcționeze este plasarea unui material izolant, cum ar fi o foaie de plumb, între pixeli pentru a crește contrastul dintre citirile de radiații care ajung în detector din diferite direcții.

Plumbul dintre pixelii din aceste matrice simplificate servește aceeași funcție ca măștile mai elaborate folosite în sistemele cu matrice mai mari. Aranjamentele mai puțin simetrice, au constatat cercetătorii, furnizează mai multe informații utile dintr-o matrice mică, explică Okabe, care este autorul principal al lucrării.

Un detector de radiații cu costuri mai mici

„Meritul utilizării unui detector mic este în termeni de costuri de inginerie”, spune el. Nu numai că elementele individuale ale detectorului sunt scumpe, realizate în mod obișnuit din telurură de cadmiu-zinc, sau CZT, dar toate interconexiunile care transportă informații de la acei pixeli devin și mai complexe. ”Cu cât detectorul este mai mic și mai simplu, cu atât este mai bun în ceea ce privește aplicațiile potențiale,” adaugă Li.

În timp ce au existat alte versiuni ale matricelor simplificate pentru detectarea radiațiilor, multe sunt eficiente doar dacă radiațiile vin de la o singură sursă localizată. Acestea pot fi induse în eroare de sursele multiple sau de cele care sunt răspândite în spațiu, în timp ce versiunea bazată pe „Tetris” poate gestiona bine aceste situații, adaugă Xue, coautor al lucrării.

Într-un test „în orb” pe teren la Berkeley Lab cu o sursă reală de radiații cesiu, condus de Vavrek, unde cercetătorii de la MIT nu știau locația reală a sursei, un astfel de detector de radiații a înregistrat o precizie mare în găsirea direcției și a distanței față de sursă.

O invenție crucială

„Cartografierea radiațiilor este de cea mai mare importanță pentru industria nucleară, deoarece poate ajuta la localizarea rapidă a surselor de radiații și la menținerea siguranței tuturor”, spune coautorul Forget, profesor de inginerie nucleară la MIT și șef al Departamentului de Științe și Inginerie Nucleară.

Vavrek, coautor al studiului, spune că în timp ce în studiul lor s-au concentrat pe sursele de radiații gamma, el crede că instrumentele computaționale pe care le-au dezvoltat pentru a extrage informații direcționale din numărul limitat de pixeli sunt „mult, mult mai generale”. Nu sunt restricționate la anumite lungimi de undă, pot fi folosite și pentru neutroni sau chiar alte forme de lumină, lumină ultravioletă, adaugă Hu, cercetător senior la Laboratorul de Reactoare Nucleare al MIT.

Nick Mann, cercetător în cadrul ramurii Sisteme de Apărare de la Laboratorul Național Idaho (SUA), spune că „această lucrare este critică pentru comunitatea de răspuns din SUA și pentru amenințarea tot mai mare a unui incident sau accident radiologic”.

Vă recomandăm să citiți și:

De ce există atât de multe tipuri de baterii?

Cercetătorii de la Harvard au creat lichidul „inteligent”

Cercetătorii au creat analgezicele pe bază de copaci, mai prietenoase cu mediul

Oamenii de știință au creat o șosetă electronică care detectează stilul de mers nesănătos