2011 年日本福島第一核電廠放射性同位素的擴散，以及烏克蘭戰區札波羅熱核設施可能釋放輻射的持續威脅，都凸顯了探測和監測放射性同位素的有效和可靠方法的必要性。不那麼引人注目的是，核反應器的日常運作、鈾礦開採和加工成燃料棒以及乏核燃料的處置也需要對放射性同位素的釋放進行監測。

基於”俄羅斯方塊”遊戲的新型探測器系統可以為監測核基地提供廉價、精確的輻射探測器。圖片來源：Ella Maru Studio

受”俄羅斯方塊”啟發的創新感測器設計

現在，麻省理工學院和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的研究人員已經找到了一種計算方法，可以設計出非常簡單、精簡的感測器裝置，從而精確定位分散式輻射源的方向。該裝置以簡單的四面體為基礎，可以確定輻射源的方向和距離，但偵測器像素較少。他們也證明，透過移動感測器獲得多個讀數，就能精確定位輻射源的物理位置。他們巧妙創新的靈感來自一個令人驚訝的來源：流行的電腦遊戲”俄羅斯方塊”。

麻省理工學院教授李明達、Benoit Forget、資深研究科學家胡令文、首席研究科學家Gordon Kohse、研究生Ryotaro Okabe 和Shangjie Xue、LBNL 的研究科學家Jayson Vavrek SM ’16、PhD ’19，以及麻省理工學院和勞倫斯柏克萊大學的其他一些人在《自然-通訊》上發表的一篇論文中描述了該團隊的研究成果，這些研究成果很可能被推廣到其他類型輻射的探測器中。

輻射感測的技術進步

檢測輻射通常使用半導體材料，如碲化鎘鋅，這種材料在受到伽馬射線等高能量輻射照射時會產生電反應。但由於輻射很容易穿透物質，因此很難透過簡單的計數來確定訊號的來源。例如，蓋革計數器在接收到輻射時只會發出”咔嗒”聲，而​​無法確定輻射的能量或類型，因此要找到輻射源就需要四處走動，試圖找到最大的聲音，這與手持式金屬探測器的工作原理類似。這個過程需要使用者靠近輻射源，這可能會增加風險。

為了在不太靠近的情況下提供來自靜止設備的方向信息，研究人員使用了一個探測器網格陣列和另一個稱為掩膜的網格，掩膜會在陣列上印上根據信號源方向不同而不同的圖案。每一個單獨的探測器或像素接收到的訊號的時間和強度不同，需要透過演算法來解釋。這通常會導致探測器的複雜設計。

用”俄羅斯方塊”形狀簡化檢測程序

用於感應輻射源方向的典型偵測器陣列既龐大又昂貴，在一個10×10 的陣列中至少包含100 個像素。然而，研究小組發現，只要使用四個像素，按照”俄羅斯方塊”遊戲中的四葉草形狀排列，就能接近大型昂貴系統的精確度。關鍵在於根據每個感測器檢測到訊號的時間以及每個感測器檢測到訊號的相對強度，對射線的到達角度進行適當的電腦重建。

研究人員嘗試了四種不同的像素配置（正方形、S 形、J 形或T 形），透過反覆實驗，他們發現S 形陣列的結果最為精確。這種陣列提供的方向讀數精確度在1 度以內，但所有三種不規則形狀的陣列都比正方形陣列表現更好。李說，”這種方法的靈感來自於’俄羅斯方塊'”。

使系統正常工作的關鍵是在像素之間放置一種絕緣材料，如鉛板，以增加從不同方向進入偵測器的輻射讀數之間的對比。這些簡化陣列中像素之間的鉛片與大型陣列系統中使用的更複雜的陰影遮罩具有相同的功能。研究小組發現，不那麼對稱的排列能從小型陣列中提供更有用的信息，該研究的主要作者Okabe 解釋。

簡化輻射偵測器的優勢

“使用小型探測器的優點在於工程成本方面。不僅單個檢測器元件（通常由碲鋅鎘或CZT 製成）價格昂貴，而且從這些像素獲取資訊的所有互連也變得複雜得多。”李補充說：”就應用而言，探測器越小越簡單越好。”

雖然也有其他版本的簡化陣列用於輻射探測，但許多陣列只有在輻射來自單一局部來源時才有效。這項工作的共同第一作者Xue補充說，它們可能會被多個輻射源或分散在空間的輻射源所混淆，而基於”俄羅斯方塊”的版本則能很好地處理這些情況。

實地測試與實際意義

麻省理工學院的研究人員在不知道地面真實輻射源位置的情況下，在伯克利實驗室用一個真實的銫輻射源進行了單盲現場測試，測試裝置在找到輻射源的方向和距離方面具有很高的準確性。

合著者、麻省理工學院核工程教授兼核科學與工程系主任Forget 說：”輻射繪圖對核工業至關重要，因為它有助於快速定位輻射源，保證每個人的安全。”

另一位共同第一作者瓦夫雷克說，雖然他們的研究重點是伽馬射線源，但他認為他們開發的從有限像素中提取方向信息的計算工具”要通用得多”。它並不局限於某些波長，還可以用於中子，甚至其他形式的光，如紫外線。麻省理工學院核反應器實驗室的資深科學家胡補充說，使用這種基於機器學習的演算法和空中輻射探測，”可以對輻射事故進行即時監測和綜合應急規劃”。

愛達荷國家實驗室防禦系統分部的科學家尼克-曼恩說：”這項工作對美國應對界和日益嚴重的放射性事件或事故威脅至關重要。”

編譯來源：ScitechDaily