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Detectores de radiación inspirados en Tetris. Innovación más simple y efectiva

7 mins
Ricardo Daniel González Guinder
Tetris Radiación Nuclear Energía Nuclear Mit Innovación
Ciencias planetarias, astronomía, horticultura urbana agroecológica, poesía, filosofía, fotografía, varios.
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Un nuevo sistema detector basado en el juego “Tetris” podría permitir detectores de radiación precisos y económicos para monitorear sitios nucleares.
Un nuevo sistema detector basado en el juego “Tetris” podría permitir detectores de radiación precisos y económicos para monitorear sitios nucleares. Crédito de la imagen: Ella Maru Studio
La propagación de isótopos radiactivos de la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón en 2011 y la amenaza constante de una posible liberación de radiación del complejo nuclear de Zaporizhzhia, en la zona de guerra de Ucrania, han puesto de relieve la necesidad de encontrar métodos eficaces y fiables para detectar y vigilar los isótopos radiactivos. De manera menos dramática, las operaciones cotidianas de los reactores nucleares: la extracción y el procesamiento de uranio para convertirlo en barras de combustible y la eliminación del combustible nuclear utilizado también requieren el seguimiento de la liberación de radioisótopos.

Descripción general del mapeo de radiación con redes neuronales inspirado en Tetris
Descripción general del mapeo de radiación con redes neuronales inspirado en Tetris. Crédito de la imagen: Mingda Li et al.

Ahora, investigadores del MIT y del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) han ideado una base computacional para diseñar versiones muy simples y optimizadas de configuraciones de sensores que pueden señalar la dirección de una fuente distribuida de radiación. También demostraron que al mover ese sensor para obtener múltiples lecturas, pueden identificar la ubicación física de la fuente. La inspiración para esta inteligente innovación provino de una fuente inesperada: _Tetris, el popular juego de computadora_.

Detección de radiación direccional con predicción con detectores estáticos de Tetris.
Detección de radiación direccional con predicción con detectores estáticos de Tetris. Crédito de la imagen: Mingda Li et al.

**Los hallazgos del equipo, que probablemente podrían generalizarse a detectores de otros tipos de radiación, aparecen descriptos en un artículo publicado en Nature Communications por los profesores del MIT Mingda Li, Lin-Wen Hu, Benoit Forget y Gordon Kohse; los estudiantes de posgrado Ryotaro Okabe y Shangjie Xue; el científico investigador Jayson Vavrek SM ‘16, PhD ‘19 en LBNL; y varios más tanto del MIT como de Lawrence Berkeley.

Mapeo de radiación y determinación de posición con un detector en forma de S inspirado en Tetris.
Mapeo de radiación y determinación de posición con un detector en forma de S inspirado en Tetris. Crédito de la imagen: Mingda Li et al.

La radiación generalmente se detecta utilizando materiales semiconductores, como el telururo de cadmio y zinc, que producen una respuesta eléctrica cuando son impactados por radiación de alta energía, como los rayos gamma. Pero como la radiación penetra tan fácilmente a través de la materia, es difícil determinar la dirección de la señal con un simple conteo. Los contadores Geiger, por ejemplo, simplemente emiten un clic al recibir radiación, sin resolver la energía o el tipo, por lo que encontrar una fuente requiere el desplazamiento para tratar de encontrar la intensidad de la fuente, algo similar a cómo funcionan los detectores de metales portátiles. El proceso requiere que el usuario se acerque a la fuente de radiación, lo que aumenta el riesgo debido a la exposición del operador.

Mapeo de radiación de dos fuentes de radiación con un detector en movimiento.
Mapeo de radiación de dos fuentes de radiación con un detector en movimiento. Crédito de la imagen: Mingda Li et al.

Para proporcionar información direccional desde un dispositivo fijo sin aproximarse demasiado, los investigadores utilizan una serie de rejillas detectoras junto con otra rejilla a la que denominan máscara, que imprime un patrón en la matriz que varía según la dirección de la fuente. Un algoritmo interpreta los diferentes tiempos e intensidades de las señales recibidas por cada detector o píxel por separado. Esto suele conllevar a un diseño complejo de los detectores.

Configuración experimental y mapeo de radiación con datos de medición experimentales (vista superior)
Configuración experimental y mapeo de radiación con datos de medición experimentales (vista superior). Crédito de la imagen: Mingda Li et al.

Las matrices de detectores típicas para detectar la dirección de las fuentes de radiación son grandes y caras, e incluyen al menos 100 píxeles en una matriz de 10 por 10. Sin embargo, el grupo descubrió que utilizando tan sólo cuatro píxeles dispuestos en las formas tetrominó de las figuras del juego “Tetris” se puede conseguir una precisión similar a la de los sistemas grandes y costosos. La clave es la reconstrucción computacional adecuada de los ángulos de llegada de los rayos, basada en los tiempos en que cada sensor detecta la señal y la intensidad relativa que cada uno detecta, tal y como se reconstruye mediante un estudio guiado por IA de sistemas simulados. (Sí, aquí también se utiliza la Inteligencia Artificial).

De las diferentes configuraciones de cuatro píxeles que probaron los investigadores (cuadrados, o en forma de S, J o T), descubrieron por medio de reiterados experimentos que los resultados más precisos los proporcionaba la matriz en forma de S. Esta matriz brindó lecturas direccionales con una precisión de aproximadamente 1 grado, y las tres formas irregulares funcionaron mejor que el cuadrado. Este enfoque, señaló Li, “se inspiró literalmente en el ‘Tetris’”.

Un elemento clave para que el sistema funcione es colocar entre los píxeles un material aislante, como una lámina de plomo, para aumentar el contraste entre las lecturas de radiación que llegan al detector desde diferentes direcciones. El plomo entre los píxeles en estas matrices simplificadas cumple la misma función que las máscaras de sombra más elaboradas utilizadas en los sistemas de matrices más grandes. Las disposiciones menos simétricas, según el equipo, proporcionan información más útil a partir de una matriz pequeña, de acuerdo a la explicación de Okabe, autor principal del trabajo. “El mérito de usar un detector pequeño radica en los costos de ingeniería”, añadió. No sólo son costosos los elementos detectores individuales, normalmente hechos de telururo de cadmio-zinc o CZT, sino que todas las interconexiones que transportan información desde esos píxeles también se vuelven mucho más complejas. “Cuanto más pequeño y sencillo sea el detector, mejor será en términos de aplicaciones”, explicó Li.

Si bien ha habido otras versiones de matrices simplificadas para la detección de radiación, muchas sólo son efectivas si la radiación proviene de una única fuente localizada. Pueden confundirse ante múltiples fuentes o aquellas que están dispersas en el espacio, mientras que la versión basada en “Tetris” puede manejar bien estas situaciones, de acuerdo a Xue, coautor principal del trabajo.

En una prueba de campo ‘ciega’, dirigida por Vavrek, en el Laboratorio de Berkeley con una fuente de radiación de cesio real, donde los investigadores del MIT no conocían la ubicación de la fuente real, se realizó una prueba con un dispositivo con alta precisión para encontrar la dirección y distancia a la fuente.

“El mapeo de radiación es de suma importancia para la industria nuclear, ya que puede ayudar a localizar rápidamente fuentes de radiación y mantener a todos a salvo”, según Forget, coautor del trabajo y profesor de ingeniería nuclear del MIT y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear.

Vavrek, otro coautor principal, dijo que si bien en el estudio se centraron en fuentes de rayos gamma, cree que las herramientas computacionales que desarrollaron para extraer información direccional de un número limitado de píxeles son ‘mucho, mucho más generales’. No se limita a determinadas longitudes de onda, también se puede utilizar para neutrones o incluso otras formas de luz, la luz ultravioleta, según Hu, científico principal del Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT.

Nick Mann, científico de la rama de Sistemas de Defensa del Laboratorio Nacional de Idaho, expresó que “este trabajo es fundamental para la comunidad de respuesta de Estados Unidos y la amenaza cada vez mayor de un incidente o accidente radiológico”.

Los miembros adicionales del equipo de investigación incluyen a Ryan Pavlovsky, Victor Negut, Brian Quiter y Joshua Cates en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkely, y Jiankai Yu, Tongtong Liu y Stephanie Jegelka en el MIT. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

Pueden acceder al paper “Tetris-inspired detector with neural network for radiation mapping” publicado en Nature.

Esta es una traducción ad-hoc del artículo MIT Researchers Develop Tetris Inspired Radiation Detector escrito por David L. Chandler, de MIT News. Many thanks David!


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