Gamma Imagers for Nuclear Security and Nuclear Forensics: Recommendations based on results from a side-by-side intercomparison

Questo articolo presenta i risultati di un confronto comparativo affiancato tra gamma-imager a semiconduttore e a scintillatore per fornire indicazioni sul loro utilizzo ottimale in una strategia a livelli per la sicurezza nucleare e la risposta forense.

L'essenziale

Immagina di essere un detective che cerca di trovare un tesoro nascosto e luminoso (materiale radioattivo) in una grande foresta buia. Hai due diversi tipi di "occhiali magici" per aiutarti a vedere da dove proviene il bagliore. Questo documento è un rapporto su un test in cui gli autori hanno messo questi due diversi occhiali uno accanto all'altro per vedere quale funzioni meglio per diverse parti del lavoro.

Ecco la suddivisione delle loro scoperte in termini semplici:

I Due "Occhiali Magici"

I ricercatori hanno testato due dispositivi specifici progettati non solo per rilevare le radiazioni, ma anche per scattare una foto di dove provengono esattamente, sovrapponendo questa immagine a una foto normale dell'ambiente circostante.

1. I "Binocoli Leggeri" (H3D H420):

   • Cos'è: Un piccolo dispositivo portatile che utilizza un cristallo semiconduttore speciale (Tellurio di Cadmio e Zinco).
   • Come funziona: È come una fotocamera di alta qualità che vede le radiazioni da tutte le direzioni contemporaneamente (360 gradi). È molto preciso nell'identificare cosa sia la radiazione, ma è un po' "debole" nel guardare il quadro generale.
   • L'analogia: Pensa a questo come a un detective con una lente d'ingrandimento molto nitida. Può leggere perfettamente le scritte piccole su un singolo indizio, ma impiega molto tempo per scansionare un'intera stanza e, se provi a scansionare mentre corri, l'immagine diventa troppo sfocata per vedere qualcosa.

2. La "Torcia Grandangolare" (SCoTSS 3×3):

   • Cos'è: Un dispositivo più grande fatto di centinaia di piccoli cristalli (Scintillatori) disposti in una griglia.
   • Come funziona: Agisce come un riflettore potente e veloce. Può vedere molta radiazione molto rapidamente e creare un'immagine chiara e fluida di dove si trova il bagliore.
   • L'analogia: Pensa a questo come a un detective con una torcia super luminosa. Può scansionare un intero campo in pochi secondi e dirti esattamente dove si trova il bagliore. Tuttavia, se il bagliore è dietro di te o di lato, il fascio della torcia diventa un po' più debole e sfocato, rendendo più difficile vedere i dettagli in quei punti specifici.

Il Test di Guida

Gli autori hanno allestito un esperimento controllato ad Ottawa. Hanno posizionato sorgenti radioattive (come biglie luminose) a distanze e angoli specifici. Poi si sono alternati nell'usare i due dispositivi per "fotografare" le sorgenti.

• Il Test della Sorgente Singola: Quando c'era una sola biglia luminosa, entrambi i dispositivi l'hanno trovata.

  • La Torcia Grandangolare (SCoTSS) ha creato un'immagine molto fluida e chiara quasi istantaneamente. Era così brava che poteva trovare la sorgente in soli 2 secondi.
  • I Binocoli Leggeri (H3D) hanno impiegato 2 minuti per costruire un'immagine che era un po' granulosa (rumorosa), ma hanno comunque trovato la sorgente.

• Il Test "Dietro la Schiena": Hanno spostato la sorgente di lato e sul retro dei dispositivi.

  • I Binocoli hanno continuato a funzionare altrettanto bene. Non importava se la sorgente era davanti, dietro o di lato; la qualità dell'immagine rimaneva la stessa.
  • La Torcia ha faticato un po'. L'immagine è diventata più sfocata e la sorgente sembrava più debole quando non era direttamente di fronte al dispositivo.

• Il Test delle "Due Sorgenti": Hanno posizionato due biglie luminose vicine tra loro.

  • La Torcia è stata incredibile nel separarle. Ha mostrato due punti distinti chiaramente, anche quando erano vicini.
  • I Binocoli le hanno viste come un unico grande ammasso sfocato. Non riuscivano a distinguere due sorgenti separate, vedevano solo che il bagliore era diffuso.
  • Tuttavia, quando le due sorgenti erano molto distanti (una davanti, l'altra dietro), la Torcia ha avuto un problema: era così concentrata sulla sorgente anteriore che ha "nascosto" la sorgente posteriore nell'immagine finale a causa di come il software filtra l'immagine. I Binocoli, essendo equi verso tutte le direzioni, hanno mostrato la diffusione di entrambe.

Il Verdetto: Quale Strumento per Quale Lavoro?

Il documento conclude che non si dovrebbe scegliere un solo dispositivo per tutto. Invezione, serve un approccio "a livelli", come usare strumenti diversi per diverse fasi di una ricerca:

1. Fase 1: La Ricerca Ampia (Rilievo Mobile):

   • Miglior Strumento: La Torcia Grandangolare (SCoTSS).
   • Perché: Quando stai guidando un'auto o facendo volare un drone cercando una sorgente radioattiva su un'area enorme, hai bisogno di velocità. Questo dispositivo può trovare i "punti caldi" in pochi secondi e disegnare una mappa per te. Sostituisce i vecchi rilevatori "ciechi alla direzione" che dicono solo "la radiazione è qui" senza dire "è proprio lì".

2. Fase 2: L'Indagine da Vicino (Caratterizzazione In-Situ):

   • Miglior Strumento: I Binocoli Leggeri (H3D).
   • Perché: Una volta che la ricerca ampia ha trovato un punto sospetto, un team si avvicina e sta fermo per 15 minuti. Qui, non hai bisogno di velocità; hai bisogno di precisione. Questo dispositivo offre una visione molto chiara e imparziale della radiazione indipendentemente da dove provenga, aiutando gli esperti a capire esattamente cos'è il materiale senza perdere nulla di ciò che è nascosto dietro un oggetto.

In Breve

Il documento non sostiene che questi dispositivi siano ancora perfetti, ma dimostra che tecnologie diverse eccellono in diverse fasi di una missione di sicurezza nucleare.

• Se stai correndo per trovare un problema, usa l'immagine a cristallo veloce e pesante.
• Se sei fermo per analizzare un problema, usa l'immagine a semiconduttore precisa e onnipervidente.

Il futuro della sicurezza nucleare, secondo gli autori, prevede l'uso di entrambi i tipi di immagini in una squadra, sostituendo i vecchi rilevatori "ciechi" con questi nuovi rilevatori "dotati di visione" per rendere l'intero processo più sicuro e accurato.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Intercomparazione di Imager Gamma a Semiconduttore e a Scintillatore per la Sicurezza Nucleare

Problematica
La sicurezza e le operazioni forensi nucleari si affidano a una strategia di risposta a più livelli, che inizia con ricerche ad ampia area utilizzando spettrometri mobili ad alta sensibilità, seguite da una caratterizzazione ad alta precisione e lunga permanenza mediante rilevatori a stato solido. Sebbene gli attuali metodi siano efficaci nel rilevare la presenza e la quantità di radioattività, essi possiedono una capacità limitata di determinare l'esatta posizione di una sorgente. Recenti progressi nella tecnologia di imaging gamma, derivati dalla fisica medica e dall'astrofisica, offrono la capacità di mappare le distribuzioni radioattive e sovrapporle a fotografie ottiche. Tuttavia, la proliferazione di diversi approcci tecnologici (ad esempio, semiconduttore rispetto a scintillatore) e la mancanza di standardizzazione nella rendicontazione delle prestazioni rendono difficile per gli operatori selezionare l'imager ottimale per specifici spazi operativi. Le precedenti intercomparazioni sono state limitate dal test di dispositivi in località e condizioni di fondo differenti.

Metodologia
Questo studio presenta un'intercomparazione preliminare affiancata di due imager gamma basati su tecnologie fondamentalmente diverse, impiegati nella stessa località sotto identiche configurazioni sperimentali a Ottawa, Canada, nell'ottobre 2019.

• Strumenti:
  • H3D H420: Un imager commerciale che utilizza un rilevatore a semiconduttore in Tellururo di Cadmio e Zinco (CZT) da >19 mm³. Presenta un'alta risoluzione energetica (≤1,1% FWHM a 662 keV) e un campo visivo 4π, ma una massa sensibile minore.
  • SCoTSS 3×3: Un imager personalizzato basato su un design a scintillatore con 288 cristalli di CsI(Tl) disposti in una configurazione a "strato di scattering" e "strato assorbitore", letti da fotomoltiplicatori al silicio. Offre una maggiore capacità di arresto (comparabile a un cristallo di NaI(Tl) da 4 L) e un campo visivo 4π illimitato, sebbene con una risoluzione energetica inferiore (7% FWHM a 662 keV) rispetto al dispositivo CZT.
• Configurazione Sperimentale: Entrambi i rilevatori sono stati montati alternativamente su un piatto girevole a una posizione fissa. Sono state impiegate due sorgenti puntiformi di Cs-137 da 160 MBq a una distanza di 10 metri. Lo studio ha utilizzato sia sessioni a singola sorgente (a azimut -20° e -120°) sia sessioni a due sorgenti (con separazioni di 10°, 30° e 100°).
• Elaborazione dei Dati: Per garantire un confronto equo, i dati grezzi "list-mode" di entrambi gli strumenti sono stati elaborati attraverso un codice di analisi unificato. Ciò ha comportato criteri rigorosi di selezione degli eventi: richiesta l'esatta presenza di due depositi di energia, la loro somma al picco fotoassorbito del Cs-137 (662 keV) e l'applicazione di un taglio "lever arm" per il SCoTSS al fine di minimizzare la sfocatura della posizione. L'imaging è stato eseguito utilizzando algoritmi di retroproiezione Compton, con l'applicazione di una soglia del 50% per la visualizzazione dei contorni per minimizzare i falsi positivi derivanti dalle fluttuazioni statistiche.

Risultati Chiave
L'intercomparazione ha rivelato distinte caratteristiche di prestazione adatte a diversi livelli operativi:

1. Localizzazione di Sorgente Singola:

   • Il SCoTSS 3×3 ha dimostrato una maggiore fluidità dell'immagine e risoluzione angolare, particolarmente per sorgenti nella direzione frontale. Ha localizzato con successo una sorgente in una finestra di acquisizione di 2 secondi, indicando l'idoneità per rilievi mobili e imaging in movimento.
   • L'H3D H420 ha prodotto immagini con una dispersione statistica significativa a causa della minore efficienza, ma ha mantenuto una risposta uniforme attraverso il campo visivo 4π. Richiedeva tempi di acquisizione più lunghi (ad esempio, 2 minuti) per ricostruire un'immagine utilizzabile ed è stato ritenuto inadatto per rapidi rilievi mobili.

2. Risoluzione di Sorgenti Multiple ed Estese:

   • SCoTSS 3×3: Sebbene capace di risolvere due sorgenti separate da 30° (-20° e -50°) con alta precisione, le sue prestazioni sono degradate significativamente per sorgenti ad angoli ampi (ad esempio, -120°). La risoluzione angolare e l'efficienza variavano fortemente con la posizione della sorgente, causando la soppressione della sorgente fuori asse al di sotto della soglia di visualizzazione del 50% in presenza di una seconda sorgente sull'asse.
   • H3D H420: Grazie alla sua risposta 4π uniforme, l'H3D H420 ha indicato con successo l'estensione della radioattività per sorgenti ampiamente separate (ad esempio, da -20° a -120°) ed estese. Tuttavia, la sua ampia risoluzione angolare ha impedito la discriminazione di due sorgenti puntiformi distinte separate da piccoli angoli (ad esempio, 10° o 30°), apparendo spesso come un singolo ammasso allungato.

Significatività e Conclusioni
Il documento conclude che nessun singolo imager gamma tecnologico è ottimale per tutte le fasi di una risposta alla sicurezza nucleare. Invece, i risultati supportano un approccio a più livelli:

• Ricerca ad Ampia Area: L'imager a scintillatore SCoTSS 3×3 è ben adatto alle operazioni di rilievo mobile dove sono richiesti un rapido accumulo di dati e un'alta efficienza per mappare zone calde, agendo efficacemente come sostituto direzionale dei tradizionali spettrometri di rilievo NaI(Tl).
• Caratterizzazione di Follow-on: Il semiconduttore H3D H420 è più adatto alla caratterizzazione in situ fissa. La sua alta risoluzione energetica e la risposta 4π uniforme lo rendono ideale per l'analisi isotopica dettagliata e la localizzazione di sorgenti in scenari complessi o distribuiti, a condizione che siano disponibili tempi di permanenza più lunghi.

Gli autori sottolineano che questo lavoro preliminare evidenzia la necessità di intercomparazioni affiancate per valutare equamente i punti di forza e le debolezze tecnologiche. Notano che le direzioni future includono l'ottimizzazione della sequenza degli eventi, la correzione delle funzioni di risposta non uniformi negli imager a scintillatore e la sostituzione finale degli strumenti non direzionali con controparti di imaging man mano che l'elettronica diventa più piccola e integrata.