Un nouveau système de détection basé sur le jeu « Tetris » pourrait permettre d'utiliser des détecteurs de rayonnement précis et peu coûteux pour surveiller les sites nucléaires. Crédit : Ella Maru Studio
Le dispositif, basé sur des formes tétrominos simples, pourrait déterminer la direction et la distance d'une source de rayonnement, avec moins de pixels de détection.
La propagation des isotopes radioactifs de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon en 2011 et la menace persistante d'un éventuel rejet de rayonnements du complexe nucléaire de Zaporizhzhia dans la zone de guerre ukrainienne ont souligné la nécessité de disposer de moyens efficaces et fiables de détection et de surveillance des substances radioactives. isotopes. De manière moins dramatique, les opérations quotidiennes des réacteurs nucléaires, l’extraction et la transformation de l’uranium en barres de combustible, ainsi que l’élimination du combustible nucléaire usé nécessitent également une surveillance des rejets de radio-isotopes.
Conception de capteur innovante inspirée de « Tetris »
Maintenant, les chercheurs de MIT et le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ont mis au point une base informatique pour concevoir des versions très simples et rationalisées de configurations de capteurs capables d'identifier la direction d'une source de rayonnement distribuée. Ils ont également démontré qu’en déplaçant ce capteur pour obtenir plusieurs lectures, ils peuvent localiser l’emplacement physique de la source. L’inspiration de leur innovation intelligente est venue d’une source surprenante : le jeu informatique populaire « Tetris ».
Les découvertes de l'équipe, qui pourraient probablement être généralisées aux détecteurs d'autres types de rayonnements, sont décrites dans un article publié dans Communications naturelles, par les professeurs Mingda Li et Benoit Forget du MIT, le chercheur principal Lin-Wen Hu et le chercheur principal Gordon Kohse ; les étudiants diplômés Ryotaro Okabe et Shangjie Xue ; le chercheur Jayson Vavrek SM '16, PhD '19 au LBNL ; et plusieurs autres au MIT et à Lawrence Berkeley.
Progrès techniques dans la détection des rayonnements
Le rayonnement est généralement détecté à l'aide de matériaux semi-conducteurs, tels que le tellurure de cadmium et de zinc, qui produisent une réponse électrique lorsqu'ils sont frappés par un rayonnement à haute énergie tel que les rayons gamma. Mais comme le rayonnement pénètre si facilement à travers la matière, il est difficile de déterminer la direction d’où vient le signal avec un simple comptage. Les compteurs Geiger, par exemple, émettent simplement un clic lorsqu'ils reçoivent un rayonnement, sans déterminer l'énergie ou le type. Ainsi, pour trouver une source, il faut se déplacer pour essayer de trouver le son maximum, de la même manière que fonctionnent les détecteurs de métaux portables. Le processus oblige l’utilisateur à se rapprocher de la source de rayonnement, ce qui peut ajouter des risques.
Pour fournir des informations directionnelles à partir d'un appareil stationnaire sans trop s'approcher, les chercheurs utilisent un réseau de grilles de détection ainsi qu'une autre grille appelée masque, qui imprime sur le réseau un motif qui diffère en fonction de la direction de la source. Un algorithme interprète les différents timings et intensités des signaux reçus par chaque détecteur ou pixel distinct. Cela conduit souvent à une conception complexe des détecteurs.
Rationalisation de la détection avec les formes « Tetris »
Les réseaux de détecteurs typiques pour détecter la direction des sources de rayonnement sont grands et coûteux et comprennent au moins 100 pixels dans un réseau de 10 x 10. Cependant, le groupe a constaté que l'utilisation d'aussi peu que quatre pixels disposés dans les formes tétrominos des personnages du jeu « Tetris » peut se rapprocher de la correspondance précision des grands systèmes coûteux. La clé est une reconstruction informatisée appropriée des angles d’arrivée des rayons, basée sur les moments où chaque capteur détecte le signal et l’intensité relative que chacun détecte, telle que reconstruite grâce à une étude guidée par l’IA de systèmes simulés.
Parmi les différentes configurations de quatre pixels essayées par les chercheurs – carrées, en forme de S, de J ou de T – ils ont découvert, grâce à des expériences répétées, que les résultats les plus précis étaient fournis par le réseau en forme de S. Ce réseau donnait des lectures directionnelles précises à environ 1 degré près, mais les trois formes irrégulières fonctionnaient mieux que le carré. Cette approche, dit Li, « a été littéralement inspirée par « Tetris ».
La clé du fonctionnement du système consiste à placer un matériau isolant tel qu'une feuille de plomb entre les pixels pour augmenter le contraste entre les lectures de rayonnement entrant dans le détecteur depuis différentes directions. L'écart entre les pixels de ces réseaux simplifiés remplit la même fonction que les masques d'ombre plus élaborés utilisés dans les systèmes à réseaux plus grands. Selon l'équipe, des arrangements moins symétriques fournissent des informations plus utiles à partir d'un petit tableau, explique Okabe, l'auteur principal de l'ouvrage.
Avantages des détecteurs de rayonnement simplifiés
« L’avantage d’utiliser un petit détecteur réside dans les coûts d’ingénierie », explique-t-il. Non seulement les éléments du détecteur individuels sont coûteux, généralement constitués de tellurure de cadmium-zinc ou CZT, mais toutes les interconnexions transportant les informations de ces pixels deviennent également beaucoup plus complexes. « Plus le détecteur est petit et simple, plus il est performant en termes d'applications », ajoute Li.
Bien qu'il existe d'autres versions de réseaux simplifiés pour la détection des rayonnements, beaucoup ne sont efficaces que si le rayonnement provient d'une seule source localisée. Ils peuvent être confondus par des sources multiples ou par celles qui sont dispersées dans l'espace, tandis que la version basée sur « Tetris » peut bien gérer ces situations, ajoute Xue, co-auteur principal de l'ouvrage.
Tests sur le terrain et implications pratiques
Lors d'un test sur le terrain en simple aveugle au laboratoire de Berkeley avec une véritable source de rayonnement de césium, dirigé par Vavrek, où les chercheurs du MIT ne connaissaient pas l'emplacement de la source de vérité terrain, un dispositif de test a été réalisé avec une grande précision pour trouver la direction et distance à la source.
« La cartographie des rayonnements est de la plus haute importance pour l'industrie nucléaire, car elle peut aider à localiser rapidement les sources de rayonnement et à assurer la sécurité de tous », déclare Forget, co-auteur, professeur d'ingénierie nucléaire au MIT et chef du département de science et d'ingénierie nucléaires.
Vavrek, un autre co-auteur principal, affirme que même si dans leur étude ils se sont concentrés sur les sources de rayons gamma, il estime que les outils informatiques qu'ils ont développés pour extraire les informations directionnelles à partir du nombre limité de pixels sont « beaucoup, beaucoup plus généraux ». Il n'est pas limité à certaines longueurs d'onde, il peut également être utilisé pour les neutrons, ou même pour d'autres formes de lumière, comme la lumière ultraviolette. Utiliser ceci apprentissage automatiqueL'algorithme basé sur l'imagerie nucléaire et la détection des rayonnements aériens « permettront une surveillance en temps réel et une planification d'urgence intégrée des accidents radiologiques », ajoute Hu, scientifique principal au laboratoire des réacteurs nucléaires du MIT.
Nick Mann, un scientifique de la branche des systèmes de défense du laboratoire national de l'Idaho, déclare : « Ce travail est essentiel pour la communauté d'intervention américaine et pour faire face à la menace toujours croissante d'un incident ou d'un accident radiologique. »
Les autres membres de l'équipe de recherche comprennent Ryan Pavlovsky, Victor Negut, Brian Quiter et Joshua Cates du Lawrence Berkely National Laboratory, ainsi que Jiankai Yu, Tongtong Liu et Stephanie Jegelka du MIT. Les travaux ont été soutenus par le ministère américain de l'Énergie.
