Design, fabrication, and software development of the ARM-1600 area radiation monitoring system

في عالم العلوم النووية، تعتمد السلامة على القدرة على رؤية ما لا يُرى. فالإشعاع المؤين، وهو شكل من أشكال الطاقة التي يمكن أن تسبب ضرراً للأنسجة الحية، موجود في العديد من البيئات الصناعية والطبية، من محطات الطاقة إلى المستشفيات. ولأن هذه الطاقة لا يمكن رؤيتها أو الشعور بها بالحواس البشرية، يعتمد العلماء ومسؤولو السلامة على أدوات متخصصة لقياسها. تعمل هذه الأجهزة بمثابة عيون رقمية، حيث تقوم بعدّ نبضات الطاقة الصغيرة التي تمر عبرها وتحويل تلك العدّات إلى رقم مقروء يخبرنا بمقدار الإشعاع الموجود في الهواء. والهدف دائماً هو نفسه: ضمان بقاء مستويات الإشعاع ضمن الحدود الآمنة، لحماية الناس والبيئة من الضرر. وعندما ترتفع مستويات الإشعاع بشكل غير متوقع، يجب أن تنبه هذه الأجهزة الموظفين فوراً حتى يتمكنوا من اتخاذ الإجراء اللازم. ومع ذلك، فإن بناء هذه الأجهزة يتضمن مقايضة مستمرة؛ فأكثر الكواشف حساسية، والتي يمكنها رصد حتى أضعف آثار الإشعاع، غالباً ما تكون باهظة الثمن وهشة. أما البدائل الأرخص فهي قوية وبأسعار معقولة، لكنها تكافح لتقديم قراءات دقيقة عندما تكون مستويات الإشعاع منخفضة، مما ينتج عنها غالباً إشارة مشوشة ومضطربة يصعب الوثوق بها.

لقد سعى فريق من الباحثين في معهد بحوث العلوم والتكنولوجيا النووية في إيران لحل هذه المشكلة تحديداً. أرادوا إنشاء نظام مراقبة إشعاعي موثوق وفي الوقت الفعلي للمنشآت الكبيرة دون الحاجة إلى التكلفة العالية للمعدات الممتاة. وكان حلهم، المسمى ARM-1600، يجمع بين كاشف متواضع ومنخفض التكلفة و"عقل" برمجيات متطور. فبدلاً من الاعتماد على الأجهزة باهظة الثمن للقيام بكل العمل، صمم الفريق نظاماً يعتمد على خوارزميات حاسوبية ذكية تعمل على تنعيم الحواف الخشنة للبيانات. والنتيجة هي شبكة من أجهزة المراقبة التي يمكنها تتبع مستويات الإشعاع عبر مساحة شاسعة، وإرسال تحديثات مستمرة إلى غرفة تحكم مركزية، وكل ذلك باستخدام كاشف يكلف جزءاً بسيطاً من سعر منافسيه عاليي الجودة.

إن قلب نظامهم هو أنبوب "جيجر-مولر"، وهو جهاز قياسي يُستخدم منذ عقود للكشف عن الإشعاع. وقد اختار الباحثون نموذجاً محدداً، وهو LND-712، المتوفر على نطاق واسع وغير المكلف. وبينما هذا الكاشف قادر تماماً على استشعار الإشعاع، إلا أنه ليس حساساً بشكل خاص. ففي مجال ذي إشعاع منخفض، قد لا يسجل سوى بضع نبضات في الثانية، مما يجعل البيانات تبدو مضطربة وغير موثوقة. وإذا استخدم نظام تقليدي هذا الكاشف، فإن القراءات ستقفز صعوداً وهبوطاً بشكل عشوائي، مما يجعل من الصعب معرفة ما إذا كان مستوى الإشعاع قد تغير حقاً أم أنه مجرد تقلب ناتج عن الضوضاء الإحصائية. وقد أقر الباحثون بهذا القصور، لكنهم قرروا معالجته عبر البرمجيات بدلاً من شراء مستشعر أكثر تكلفة. فقد طوروا برنامجاً مخصصاً ينظر في تاريخ عدّات الكاشف على مدار فترة أربعين ثانية. ومن خلال تحليل هذا التاريخ القريب، يمكن للبرنامج التمييز بين الضوضاء العشوائية والتغير الحقيقي في مستويات الإشعاع، مما يؤدي فعلياً إلى تهدئة الإشارة المضطربة وتقديم قراءة مستقرة ودقيقة للمستخدم.

ولتحويل هذا المفهوم إلى واقع، صمم الفريق وبنى النظام بأكمله من الصفر. فقد أنشأوا لوحات دوائر مخصصة تتعامل مع كل شيء، بدءاً من تشغيل الكاشف وصولاً إلى عرض النتائج. يتضمن الجهاز مزود طاقة عالي الجهد لتنشيط الكاشف، ولوحة معالجة تشغل البرمجيات الذكية، وشاشة تعرض مستوى الإشعاع الحالي بالميكروسيفرت في الساعة. كما بنوا لوحة اتصال شبكي تسمح لعدة وحدات بالتحدث مع بعضها البعض وإرسال بياناتها إلى كمبيوتر مركزي. يعمل هذا النظام المركزي بمثابة "دماغ" العملية، حيث يجمع المعلومات من كل جهاز مراقبة مثبت في المنشأة. ويقوم بتخزين البيانات في قاعدة بيانات، مما يسمح لمسؤولي السلامة بمشاهدة خرائط حية لمستويات الإشعاع، وإنشاء التقار تقارير، وتحديد عتبات إنذار محددة لمناطق مختلفة. وإذا اكتشف أحد أجهزة المراقبة ارتفاعاً مفاجئاً في الإشعاع، يمكن للبرنامج المركزي تنبيه الموظفين فوراً، مما يضمن استجابة سريعة.

جاء الاختبار الحقيقي لعملهم أثناء عملية المعايرة، حيث تمت مقارنة النظام الجديد بمعيار معروف وعالي الدقة. فقد عرض الباحثون أجهزة ARM-1600 الخاصة بهم للإشعاع من مصدر السيزيوم-137، وهو مادة مرجعية شائعة تُستخدم في المختبرات، عبر نطاق واسع من الشدة. وقاسوا مدى أداء النظام عند المستويات المنخفضة جداً، حيث يكون الكاشف ضعيفاً بطبيعته، وعند المستويات العالية جداً، حيث غالباً ما تتعرض الكواشف للضغط الشديد. وكانت النتائج مبهرة؛ فحتى عند أدنى مستوى تم اختباره وهو 1.69 ميكروسيفرت في الساعة، كانت قراءات النظام مستقرة بشكل ملحوظ. لقد نجحت البرمجيات في تقليل التقلبات الطبيعية في البيانات، مما خفض التباين إلى أقل من 7% في المستويات المنخفضة وأقل من 1% في المستويات الأعلى. وقد طابقت هذه النتائج دقة الأنظمة الأكثر تكلفة بكثير، مما أثبت أن البرمجيات الذكية يمكنها تعويض انخفاض حساسية الكاشف.

تُظهر هذه الدراسة أن المراقبة عالية الجودة للإشعاع لا تتطلب دائماً الأجهزة الأكثر تكلفة. فمن خلال الجمع بين كاشف فعال من حيث التكلفة ومتوفر بسهء، مع خوارزمية ذكية ومتكيفة، أنشأ الباحثون نظاماً يتسم بالقدرة على تحمل التكاليف والدقة في آن واحد. يوفر نظام ARM-1600 حلاً عملياً للمنشآت النووية التي تحتاج إلى مراقبة مساحات واسعة باستمرار دون تجاوز الميزانية. فهو يوفر طريقة قوية لضمان السلامة، ويقدم بيانات في الوقت الفعلي موثوقة بما يكفي لتوجيه القرارات الحاسمة. ويؤكد هذا العمل أنه مع البرمجيات المناسبة، يمكن حتى تحويل مستشعر متواضع إلى أداة قوية لحماية الناس والبيئة من المخاطر غير المرئية للإشعاع المؤين.