Créditos: Crédito: Ella Maru Studio
doi.org/10.1038/s41467-024-47338-w
Credibilidade: 999
#Radiação
O dispositivo, baseado em formas simples de tetrominó, poderia determinar a direção e a distância de uma fonte de radiação, com menos pixels detectores.
A propagação de isótopos radioativos da Central Nuclear de Fukushima Daiichi, no Japão, em 2011, e a ameaça contínua de uma possível libertação de radiação do complexo nuclear de Zaporizhzhia, na zona de guerra ucraniana, sublinharam a necessidade de formas eficazes e fiáveis de detecção e monitorização de isótopos radioativos. isótopos. De forma menos dramática, as operações quotidianas dos reactores nucleares, a extracção e processamento de urânio em barras de combustível e a eliminação de combustível nuclear irradiado também exigem a monitorização da libertação de radioisótopos.
Agora, pesquisadores do MIT e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) criaram uma base computacional para projetar versões muito simples e simplificadas de configurações de sensores que podem identificar a direção de uma fonte distribuída de radiação. Eles também demonstraram que, ao mover o sensor para obter múltiplas leituras, eles podem identificar a localização física da fonte. A inspiração para a sua inovação inteligente veio de uma fonte surpreendente: o popular jogo de computador “Tetris”.
As descobertas da equipe, que provavelmente poderiam ser generalizadas para detectores de outros tipos de radiação, são descritas em um artigo publicado na Nature Communications, pelos professores do MIT, Mingda Li, e Benoit Forget, pelo cientista pesquisador sênior Lin-Wen Hu, e pelo cientista pesquisador principal Gordon. Kohse; os estudantes de pós-graduação Ryotaro Okabe e Shangjie Xue; cientista pesquisador Jayson Vavrek SM ’16, PhD ’19 no LBNL; e vários outros no MIT e Lawrence Berkeley.
A radiação é geralmente detectada usando materiais semicondutores, como o telureto de cádmio e zinco, que produzem uma resposta elétrica quando atingidos por radiação de alta energia, como os raios gama. Mas como a radiação penetra tão facilmente através da matéria, é difícil determinar a direção de onde veio o sinal com uma simples contagem. Os contadores Geiger, por exemplo, simplesmente fornecem um som de clique ao receber radiação, sem resolver a energia ou o tipo, portanto, encontrar uma fonte requer movimento para tentar encontrar o som máximo, de forma semelhante à forma como funcionam os detectores de metal portáteis. O processo exige que o usuário se aproxime da fonte de radiação, o que pode aumentar o risco.
Para fornecer informações direcionais de um dispositivo estacionário sem chegar muito perto, os pesquisadores usam uma série de grades de detectores junto com outra grade chamada máscara, que imprime um padrão na matriz que difere dependendo da direção da fonte. Um algoritmo interpreta os diferentes tempos e intensidades dos sinais recebidos por cada detector ou pixel separado. Isto muitas vezes leva a um design complexo de detectores.
Matrizes de detectores típicas para detectar a direção de fontes de radiação são grandes e caras e incluem pelo menos 100 pixels em uma matriz de 10 por 10. No entanto, o grupo descobriu que usar apenas quatro pixels dispostos nas formas de tetrominós das figuras do jogo “Tetris” pode chegar perto da precisão dos sistemas grandes e caros. A chave é a reconstrução computadorizada adequada dos ângulos de chegada dos raios, com base nos tempos em que cada sensor detecta o sinal e na intensidade relativa que cada um detecta, reconstruída por meio de um estudo de sistemas simulados guiado por IA.
Das diferentes configurações de quatro pixels que os pesquisadores tentaram – quadrados, ou em forma de S, J ou T – eles descobriram, através de experimentos repetidos, que os resultados mais precisos foram fornecidos pela matriz em forma de S. Essa matriz forneceu leituras direcionais com precisão de cerca de 1 grau, mas todas as três formas irregulares tiveram melhor desempenho do que o quadrado. Essa abordagem, diz Li, “foi literalmente inspirada em ‘Tetris'”.
A chave para fazer o sistema funcionar é colocar um material isolante, como uma folha de chumbo, entre os pixels para aumentar o contraste entre as leituras de radiação que chegam ao detector de diferentes direções. O avanço entre os pixels nessas matrizes simplificadas tem a mesma função que as máscaras de sombra mais elaboradas usadas nos sistemas de matrizes maiores. Arranjos menos simétricos, descobriu a equipe, fornecem informações mais úteis a partir de um pequeno conjunto, explica Okabe, que é o autor principal do trabalho.
“O mérito de usar um detector pequeno está em termos de custos de engenharia”, diz ele. Não apenas os elementos detectores individuais são caros, normalmente feitos de telureto de cádmio-zinco, ou CZT, mas todas as interconexões que transportam informações desses pixels também se tornam muito mais complexas. “Quanto menor e mais simples for o detector, melhor será em termos de aplicações”, acrescenta Li.
Embora existam outras versões de matrizes simplificadas para detecção de radiação, muitas só são eficazes se a radiação vier de uma única fonte localizada. Eles podem ser confundidos por fontes múltiplas ou espalhadas no espaço, enquanto a versão baseada em “Tetris” pode lidar bem com essas situações, acrescenta Xue, co-autor principal do trabalho.
Em um teste de campo cego no Laboratório de Berkeley com uma fonte real de radiação de césio liderado por Vavrek onde os pesquisadores do MIT não sabiam a localização da fonte da verdade terrestre um dispositivo de teste foi realizado com alta precisão para encontrar a direção e distância até a fonte.
“O mapeamento da radiação é de extrema importância para a indústria nuclear, pois pode ajudar a localizar rapidamente fontes de radiação e manter todos seguros”, diz o coautor Forget, professor de engenharia nuclear do MIT e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear.
Vavrek, outro co-autor principal, diz que embora no seu estudo se tenham concentrado em fontes de raios gama, ele acredita que as ferramentas computacionais que desenvolveram para extrair informação direccional do número limitado de pixels são “muito, muito mais gerais”. Não está restrito a determinados comprimentos de onda, também pode ser usado para nêutrons, ou mesmo outras formas de luz, como a luz ultravioleta. O uso deste algoritmo baseado em machine learning e detecção de radiação aérea “permitirá o monitoramento em tempo real e o planejamento de emergência integrado de acidentes radiológicos”, acrescenta Hu, cientista sênior do Laboratório de Reatores Nucleares do MIT.
Nick Mann, cientista da filial de Sistemas de Defesa do Laboratório Nacional de Idaho, diz: “Este trabalho é fundamental para a comunidade de resposta dos EUA e para a ameaça cada vez maior de um incidente ou acidente radiológico”.
Publicado em 15/04/2024 01h05
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