2011 年日本福岛第一核电站放射性同位素的扩散，以及乌克兰战区扎波罗热核设施可能释放辐射的持续威胁，都凸显了探测和监测放射性同位素的有效和可靠方法的必要性。不那么引人注目的是，核反应堆的日常运行、铀矿开采和加工成燃料棒以及乏核燃料的处置也需要对放射性同位素的释放进行监测。
基于"俄罗斯方块"游戏的新型探测器系统可以为监测核基地提供廉价、精确的辐射探测器。图片来源：Ella Maru Studio
受"俄罗斯方块"启发的创新传感器设计
现在，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员已经找到了一种计算方法，可以设计出非常简单、精简的传感器装置，从而精确定位分布式辐射源的方向。该装置以简单的四面体为基础，可以确定辐射源的方向和距离，但探测器像素较少。他们还证明，通过移动传感器获得多个读数，就能精确定位辐射源的物理位置。他们巧妙创新的灵感来自一个令人惊讶的来源：流行的电脑游戏"俄罗斯方块"。
麻省理工学院教授李明达、Benoit Forget、高级研究科学家胡令文、首席研究科学家 Gordon Kohse、研究生 Ryotaro Okabe 和 Shangjie Xue、LBNL 的研究科学家 Jayson Vavrek SM '16、PhD '19，以及麻省理工学院和劳伦斯伯克利大学的其他一些人在《自然-通讯》上发表的一篇论文中描述了该团队的研究成果，这些研究成果很可能被推广到其他类型辐射的探测器中。
辐射传感的技术进步
检测辐射通常使用半导体材料，如碲化镉锌，这种材料在受到伽马射线等高能辐射照射时会产生电反应。但由于辐射很容易穿透物质，因此很难通过简单的计数来确定信号的来源。例如，盖革计数器在接收到辐射时只会发出"咔嗒"声，而无法确定辐射的能量或类型，因此要找到辐射源就需要四处走动，试图找到最大的声音，这与手持式金属探测器的工作原理类似。这个过程需要用户靠近辐射源，这可能会增加风险。
为了在不太靠近的情况下提供来自静止设备的方向信息，研究人员使用了一个探测器网格阵列和另一个称为掩膜的网格，掩膜会在阵列上印上根据信号源方向不同而不同的图案。每一个单独的探测器或像素接收到的信号的时间和强度不同，需要通过算法来解释。这通常会导致探测器的复杂设计。
用"俄罗斯方块"形状简化检测程序
用于感应辐射源方向的典型探测器阵列既庞大又昂贵，在一个 10×10 的阵列中至少包括 100 个像素。然而，该研究小组发现，只要使用四个像素，按照"俄罗斯方块"游戏中的四叶草形状排列，就能接近大型昂贵系统的精确度。关键在于根据每个传感器检测到信号的时间以及每个传感器检测到信号的相对强度，对射线的到达角度进行适当的计算机重建。
研究人员尝试了四种不同的像素配置（正方形、S 形、J 形或 T 形），通过反复实验，他们发现 S 形阵列的结果最为精确。这种阵列提供的方向读数精确度在 1 度以内，但所有三种不规则形状的阵列都比正方形阵列表现更好。李说，"这种方法的灵感来自于'俄罗斯方块'"。
使系统正常工作的关键是在像素之间放置一种绝缘材料，如铅板，以增加从不同方向进入探测器的辐射读数之间的对比度。这些简化阵列中像素之间的铅片与大型阵列系统中使用的更复杂的阴影遮罩具有相同的功能。研究小组发现，不那么对称的排列能从小型阵列中提供更有用的信息，该研究的主要作者 Okabe 解释说。
简化辐射探测器的优势
"使用小型探测器的优点在于工程成本方面。不仅单个检测器元件（通常由碲锌镉或 CZT 制成）价格昂贵，而且从这些像素获取信息的所有互连也变得复杂得多。"李补充说："就应用而言，探测器越小越简单越好。"
虽然也有其他版本的简化阵列用于辐射探测，但许多阵列只有在辐射来自单一局部来源时才有效。这项工作的共同第一作者Xue补充说，它们可能会被多个辐射源或分散在空间的辐射源所混淆，而基于"俄罗斯方块"的版本则能很好地处理这些情况。
实地测试和实际意义
麻省理工学院的研究人员在不知道地面真实辐射源位置的情况下，在伯克利实验室用一个真实的铯辐射源进行了单盲现场测试，测试装置在找到辐射源的方向和距离方面具有很高的准确性。
合著者、麻省理工学院核工程教授兼核科学与工程系主任 Forget 说："辐射绘图对核工业至关重要，因为它有助于快速定位辐射源，保证每个人的安全。"
另一位共同第一作者瓦夫雷克说，虽然他们的研究重点是伽马射线源，但他认为他们开发的从有限像素中提取方向信息的计算工具"要通用得多"。它并不局限于某些波长，还可以用于中子，甚至其他形式的光，如紫外线。麻省理工学院核反应堆实验室的资深科学家胡补充说，使用这种基于机器学习的算法和空中辐射探测，"可以对辐射事故进行实时监测和综合应急规划"。
爱达荷国家实验室防御系统分部的科学家尼克-曼恩说："这项工作对美国应对界和日益严重的放射性事件或事故威胁至关重要。"
编译来源：ScitechDaily
