在“俄罗斯方块”的启发下，麻省理工学院的研究人员开发了一种更好的辐射探测器

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，都凸显了检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、铀的开采和加工成燃料棒以及乏核燃料的处置也需要监测放射性同位素的释放。

现在，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员已经提出了一个计算基础，用于设计非常简单，简化的传感器设置版本，可以精确定位分布式辐射源的方向。他们还证明，通过移动传感器来获得多个读数，他们可以精确定位源的物理位置。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”。

该团队的发现可能被推广到其他类型辐射的探测器，在麻省理工学院教授Mingda Li，Lin-温 胡，Benoit Forget和Gordon Kohse发表在 《自然通讯》上的一篇论文中进行了描述;研究生 Ryotaro Okabe 和 Shangjie Xue;研究科学家 Jayson Vavrek SM ’16，LBNL 博士 ’19;以及麻省理工学院和劳伦斯伯克利的其他一些人。

通常使用半导体材料（例如碲化镉锌）来检测辐射，这些材料在受到伽马射线等高能辐射时会产生电响应。但是，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，盖革计数器在接收辐射时仅提供咔嗒声，而不分辨能量或类型，因此要找到光源需要四处移动以尝试找到最大声音，类似于手持式金属探测器的工作方式。该过程要求用户靠近辐射源，这可能会增加风险。

为了在不靠得太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以及另一个称为掩模的网格，该网格在阵列上印上了一个图案，该图案根据源的方向而有所不同。算法解释每个单独的检测器或像素接收到的信号的不同时间和强度。这通常会导致探测器的复杂设计。

用于检测辐射源方向的典型探测器阵列体积大且价格昂贵，并且在 10 x 10 阵列中至少包含 100 个像素。然而，该小组发现，在“俄罗斯方块”游戏中，使用以四分法形状排列的像素可以接近于大型昂贵系统的精度。关键是根据每个传感器检测到信号的时间和每个传感器检测到的相对强度，对光线的到达角度进行适当的计算机重建，这是通过人工智能引导的模拟系统研究重建的。

在研究人员尝试的四种像素的不同配置中 – 方形，S形，J形或T形 – 他们通过反复实验发现，最精确的结果是由S形阵列提供的。该阵列给出的方向读数精确到大约 1 度以内，但所有三个不规则形状的性能都优于正方形。李说，这种方法“实际上是受到《俄罗斯方块》的启发。

使系统工作的关键是在像素之间放置绝缘材料（例如铅片），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引线与大型阵列系统中使用的更复杂的阴影蒙版具有相同的功能。研究小组发现，不太对称的排列可以从一个小阵列中提供更有用的信息，Okabe解释说，他是这项工作的主要作者。

“使用小型探测器的优点在于工程成本，”他说。不仅单个探测器元件价格昂贵，通常由镉-锌-碲化物或CZT制成，而且所有从这些像素传输信息的互连也变得更加复杂。“探测器越小越简单，应用效果就越好，”Li补充道。

虽然已经有其他版本的简化阵列用于辐射检测，但许多阵列只有在辐射来自单个局部源时才有效。它们可能会被多个来源或分散在太空中的来源混淆，而基于“俄罗斯方块”的版本可以很好地处理这些情况，该作品的共同主要作者薛补充道。

在伯克利实验室进行的单盲现场测试中，由Vavrek领导的真实铯辐射源，麻省理工学院的研究人员不知道地面实况源的位置，测试设备以高精度找到方向和到源的距离。

“辐射测绘对核工业至关重要，因为它可以帮助快速定位辐射源并确保每个人的安全，”麻省理工学院核工程教授兼核科学与工程系主任Forget说。

另一位共同主要作者Vavrek说，虽然在他们的研究中，他们专注于伽马射线源，但他认为他们开发的用于从有限数量的像素中提取方向信息的计算工具“更加通用”。它不限于某些波长，它也可以用于中子，甚至其他形式的光，紫外线，麻省理工学院核反应堆实验室的高级科学家胡补充道。

爱达荷州国家实验室（Idaho National Laboratory）国防系统分部的科学家尼克·曼恩（Nick Mann）说：“这项工作对美国的反应界以及日益增加的放射性事件或事故威胁至关重要。

其他研究团队成员包括劳伦斯伯克利国家实验室的Ryan Pavlovsky，Victor Negut，Brian Quiter和Joshua Cates，以及麻省理工学院的Jiankai Yu，Tongtong Liu，Stephanie Jegelka。这项工作得到了美国能源部的支持。