מערכת גלאים חדשה המבוססת על המשחק "טטריס" יכולה לאפשר גלאי קרינה זולים ומדויקים לניטור אתרים גרעיניים. קרדיט: סטודיו אלה מארו
המכשיר, המבוסס על צורות טטרומינו פשוטות, יכול לקבוע את הכיוון והמרחק של מקור קרינה, עם פחות פיקסלים גלאים.
התפשטות איזוטופים רדיואקטיביים מתחנת הכוח הגרעינית פוקושימה דאיצ'י ביפן בשנת 2011 והאיום המתמשך של שחרור אפשרי של קרינה ממתחם הגרעין זפוריז'יה באזור המלחמה האוקראיני הדגישו את הצורך בדרכים יעילות ואמינות לאיתור וניטור רדיואקטיביים. איזוטופים. באופן פחות דרמטי, פעולות יומיומיות של כורים גרעיניים, כרייה ועיבוד של אורניום למוטות דלק, וסילוק דלק גרעיני מושקע דורשים גם ניטור של שחרור רדיואיזוטופים.
עיצוב חיישן חדשני בהשראת "טטריס"
כעת, חוקרים ב MIT והמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (LBNL) הביאו בסיס חישובי לתכנון גרסאות פשוטות מאוד ויעילות של הגדרות חיישנים שיכולות להצביע על הכיוון של מקור קרינה מבוזר. הם גם הוכיחו שעל ידי הזזת החיישן הזה כדי לקבל קריאות מרובות, הם יכולים לאתר את המיקום הפיזי של המקור. ההשראה לחידוש החכם שלהם הגיעה ממקור מפתיע: משחק המחשב הפופולרי "טטריס".
ממצאי הצוות, שעלולים להיות מוכללים לגלאים לסוגים אחרים של קרינה, מתוארים במאמר שפורסם ב- תקשורת טבע, מאת הפרופסורים מ-MIT מינגדה לי, ובנואיט פורג'ט, מדען מחקר בכיר לין-ון הו, ומדען המחקר הראשי גורדון קוהסה; סטודנטים לתארים מתקדמים Ryotaro Okabe ו-Shangjie Xue; מדען המחקר Jayson Vavrek SM '16, PhD '19 ב- LBNL; ומספר אחרים ב-MIT ולורנס ברקלי.
התקדמות טכנית בחישת קרינה
קרינה מזוהה בדרך כלל באמצעות חומרים מוליכים למחצה, כגון קדמיום אבץ טלוריד, המייצרים תגובה חשמלית כאשר נפגעים מקרינה עתירת אנרגיה כגון קרני גמא. אבל מכיוון שקרינה חודרת כל כך בקלות דרך החומר, קשה לקבוע את הכיוון שממנו הגיע האות באמצעות ספירה פשוטה. מוני גייגר, למשל, פשוט מספקים צליל קליק בעת קליטת קרינה, מבלי לפתור את האנרגיה או הסוג, ולכן מציאת מקור דורשת לנוע כדי לנסות למצוא את הצליל המקסימלי, בדומה לאופן שבו פועלים גלאי מתכות כף יד. התהליך מחייב את המשתמש להתקרב למקור הקרינה, מה שיכול להוסיף סיכון.
כדי לספק מידע כיווני ממכשיר נייח מבלי להתקרב יותר מדי, החוקרים משתמשים במערך של רשתות גלאים יחד עם רשת נוספת הנקראת מסכה, המטביעה על המערך תבנית שונה בהתאם לכיוון המקור. אלגוריתם מפרש את התזמונים והעוצמות השונות של האותות המתקבלים על ידי כל גלאי או פיקסל נפרדים. זה מוביל לרוב לעיצוב מורכב של גלאים.
ייעול הזיהוי עם צורות "טטריס".
מערכי גלאים אופייניים לחישת כיוון מקורות קרינה גדולים ויקרים וכוללים לפחות 100 פיקסלים במערך של 10 על 10. עם זאת, הקבוצה גילתה ששימוש בארבעה פיקסלים המסודרים בצורות הטטרומינו של הדמויות במשחק "טטריס" יכול להתקרב להתאמה בין דיוק של המערכות הגדולות והיקרות. המפתח הוא שחזור ממוחשב נכון של זוויות הגעת הקרניים, בהתבסס על הזמנים שכל חיישן מזהה את האות והעוצמה היחסית שכל אחד מזהה, כפי ששחזרו באמצעות מחקר מונחה בינה מלאכותית של מערכות מדומה.
מבין התצורות השונות של ארבעה פיקסלים שניסו החוקרים – מרובע, או בצורת S-, J- או T – הם גילו באמצעות ניסויים חוזרים ונשנים שהתוצאות המדויקות ביותר סופקו על ידי המערך בצורת S. מערך זה נתן קריאות כיווניות שהיו מדויקות בטווח של מעלה אחת בערך, אך כל שלוש הצורות הבלתי סדירות פעלו טוב יותר מהריבוע. גישה זו, אומר לי, "התקבלה ממש בהשראת 'טטריס'".
המפתח להפיכת המערכת לעבודה הוא הנחת חומר מבודד כגון יריעת עופרת בין הפיקסלים כדי להגביר את הניגודיות בין קריאות קרינה המגיעות לגלאי מכיוונים שונים. ההובלה בין הפיקסלים במערכים הפשוטים הללו משרתת את אותה פונקציה כמו מסכות הצללים המשוכללות יותר המשמשות במערכות המערך הגדול יותר. סידורים פחות סימטריים, מצא הצוות, מספקים יותר מידע שימושי ממערך קטן, מסביר Okabe, שהוא המחבר הראשי של העבודה.
היתרונות של גלאי קרינה פשוטים
"הכשרון של שימוש בגלאי קטן הוא במונחים של עלויות הנדסיות", הוא אומר. לא רק שרכיבי הגלאי הבודדים יקרים, עשויים בדרך כלל מקדמיום-אבץ-טלוריד, או CZT, אלא שכל החיבורים הנושאים מידע מאותם פיקסלים גם הופכים למורכבים הרבה יותר. "ככל שהגלאי קטן ופשוט יותר, כך הוא טוב יותר מבחינת יישומים", מוסיף לי.
אמנם היו גרסאות אחרות של מערכים מפושטים לזיהוי קרינה, אך רבות מהן יעילות רק אם הקרינה מגיעה ממקור מקומי יחיד. הם יכולים להיות מבולבלים על ידי מקורות מרובים או אלה הפרוסים בחלל, בעוד שהגרסה המבוססת על "טטריס" יכולה להתמודד עם מצבים אלה היטב, מוסיף שו, מחבר משותף של העבודה.
בדיקות שטח והשלכות מעשיות
בבדיקת שדה חד-סמיות במעבדת ברקלי עם מקור קרינת צזיום אמיתי, בהובלת Vavrek, שבה החוקרים ב-MIT לא ידעו את מיקום מקור האמת הקרקעית, בוצע מכשיר בדיקה בדיוק רב במציאת הכיוון וה מרחק למקור.
"מיפוי קרינה הוא בעל חשיבות עליונה לתעשיית הגרעין, מכיוון שהוא יכול לסייע באיתור מהיר של מקורות קרינה ולשמור על בטיחות כולם", אומר שותף למחבר Forget, פרופסור להנדסה גרעינית ב-MIT וראש המחלקה למדע והנדסה גרעינית.
Vavrek, מחבר מוביל אחר, אומר שבמחקר שלהם הם התמקדו במקורות קרני גמא, הוא מאמין שהכלים החישוביים שפיתחו כדי לחלץ מידע כיווני ממספר הפיקסלים המצומצם הם "הרבה הרבה יותר כלליים". זה לא מוגבל לאורכי גל מסוימים, זה יכול לשמש גם עבור נויטרונים, או אפילו צורות אחרות של אור, כגון אור אולטרה סגול. משתמש בזה למידת מכונהאלגוריתם מבוסס זיהוי קרינה אווירית "יאפשר ניטור בזמן אמת ותכנון חירום משולב של תאונות רדיולוגיות", מוסיף הו, מדען בכיר במעבדת הכור הגרעיני של MIT.
ניק מאן, מדען עם סניף מערכות ההגנה במעבדה הלאומית של איידהו, אומר, "עבודה זו היא קריטית לקהילת התגובה האמריקאית ולאיום ההולך וגובר של אירוע רדיולוגי או תאונה."
חברי צוות מחקר נוספים כוללים את ריאן פבלובסקי, ויקטור נגוט, בריאן קוויטר וג'ושוע קייטס במעבדה הלאומית לורנס ברקלי, וג'יאנקאי יו, טונגטונג ליו, סטפני ג'גלקה ב-MIT. העבודה נתמכה על ידי משרד האנרגיה האמריקאי.
