Новий алгоритм точніше виявляє радіоактивність з повітря

27 жовтня 2026 р. 15:55

27 жовтня 2026 р. 15:55

Дослідники з Інституту Пауля Шеррера (PSI) розробили новий обчислювальний підхід, який дозволяє значно точніше й швидше виявляти радіоактивні матеріали з повітря. За лічені секунди система визначає тип, кількість і розташування джерела випромінювання, суттєво покращуючи звичні методи вимірювань з гелікоптерів. Про це повідомляє Newswise Science News .

Навіщо потрібні швидкі вимірювання з повітря

Є сценарії, яких суспільство воліло б ніколи не бачити, але до яких усе ж потрібно бути готовими. Це, зокрема, викид радіоактивних речовин під час аварії на реакторі або теракт із використанням радіоактивних матеріалів.

Щоб влада могла оперативно ухвалювати рішення про евакуацію, роздачу засобів захисту чи йодних таблеток, спершу потрібно оцінити масштаб небезпеки для людей і довкілля. У таких ситуаціях застосовують так звані «летючі лабораторії» — гелікоптери з детекторами, які з повітря визначають положення, тип і кількість радіоактивних джерел.

У межах своєї докторської роботи в калібрувальній лабораторії підрозділу радіаційної безпеки PSI Давід Брайтенмозер (David Breitenmoser) створив математичні інструменти, що суттєво покращують аналіз даних таких польотів. Його результати опубліковані в журналі Nature Communications. Новий метод корисний не лише для реагування на надзвичайні ситуації, а й для рутинного моніторингу ядерних об’єктів.

«Розмитий відбиток пальця» гамма-випромінювання

Кожен радіоактивний матеріал має свій характерний «відбиток пальця» — набір енергій гамма-променів, які він випромінює під час радіоактивного розпаду. Цей енергетичний спектр можна виміряти спеціальним детектором і, в принципі, за ним визначити і тип, і кількість речовини.

Проблема в тому, що гамма-кванти на шляху до детектора багаторазово розсіюються в повітрі та на елементах конструкції гелікоптера. Це змінює спектр енергій — «відбиток» спотворюється й стає погано впізнаваним.

Щоб зрозуміти, як саме певний спектр радіонукліда спотворюється в реальних умовах, дослідники зазвичай моделюють ці процеси на комп’ютері й за результатами калібрують детектори. Але такі розрахунки дуже складні й можуть тривати години або навіть дні, тому вони непридатні для ситуацій, де рахунок іде на секунди.

За словами Брайтенмозера, традиційні симуляції ще й не надто ефективні: з приблизно 10 000 гамма-квантів, випромінених джерелом на землі, до гелікоптера долітає лише один, та й той додатково розсіюється на численних металевих поверхнях.

Розділити задачу й застосувати байєсівське моделювання

Новий метод пропонує інший підхід: замість моделювання повного шляху гамма-квантів від землі до детектора задача ділиться на дві частини. Спершу окремо розраховується розсіяння в повітрі з урахуванням температури, висоти польоту та інших параметрів. Далі вплив конструкції гелікоптера описується за допомогою заздалегідь обчислених математичних функцій, які враховують, зокрема, його положення в польоті.

Завдяки такому поділу повна симуляція замість годин займає лише кілька мікросекунд. Однак швидкість — лише частина розв’язання. Оскільки до детектора долітає дуже мало квантів, статистика вимірювань залишається вкрай бідною: замість чітких піків у спектрі видно лише розмиті структури.

Раніше «золотим стандартом» було об’єднання кількох енергетичних каналів у ширші інтервали. Це покращувало статистику, але робило картину грубішою й менш інформативною. Нова методика відмовляється від такого агрегування й застосовує байєсівське моделювання безпосередньо до всього спектра.

Байєсівський підхід працює з імовірностями: комп’ютер моделює розсіяння гамма-квантів для тисяч можливих вихідних спектрів із різними співвідношеннями радіонуклідів. Завдяки швидким симуляціям це можна зробити дуже оперативно. Потім алгоритм обчислює, який із вихідних спектрів з найбільшою ймовірністю відповідає спотвореному спектру, виміряному «летючою лабораторією».

Визначення слабких джерел за секунди

За словами Альберто Стабіліні (Alberto Stabilini), який бере участь в аерорадіометричних вимірюваннях PSI у Швейцарії, новий підхід дозволить уже в найближчому майбутньому за кілька секунд польоту гелікоптера розрізняти слабкі джерела барію чи цезію, точно оцінювати їхню потужність і локалізувати їхнє розташування.

У травні та червні 2025 року, наприклад, відбулися навчальні польоти поблизу АЕС Мюлеберг і Гесген у межах щорічної кампанії вимірювань. У міжнародних навчаннях брали участь 140 фахівців із шести країн, шість гелікоптерів і п’ять дронів. Вони відпрацьовували різні сценарії, зокрема пошук радіоактивних джерел. Такі польоти, а також створення референтних карт природної радіоактивності — один із ключових напрямів застосування нової методики поряд із готовністю до надзвичайних ситуацій.

Брайтенмозер підкреслює, що завдяки високій чутливості та точності метод загалом придатний для пошуку й характеристики слабких радіоактивних джерел у ґрунті. Це може бути корисно в геофізичних дослідженнях надр, а також для моніторингу ядерних матеріалів, наприклад, у рамках діяльності Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ).

Наука