机载辐射探测实现快速定位

University of Michigan College of Engineering与瑞士Paul Scherrer Institute的研究人员报告称，他们开发出一种新的机载辐射探测方法，能够准确识别单一或混合辐射源的种类、活度和位置。相关研究以《Quantitative Mobile Gamma-Ray Spectrometry through Bayesian Inference》为题发表在Nature Communications上。

这项研究有望帮助应急响应人员更加迅速、精确地确定在核反应堆熔毁或核武器爆炸等存在放射性危害的情况下，人员应疏散至何处寻求安全庇护。该研究还有助于响应人员更好地确定应为这些人员采取哪些其他防护措施，包括发放防护装备和碘化钾片（用于保护甲状腺免受辐射伤害）。

模糊的辐射信号：研究团队试图解决的一个辐射应急问题是，当辐射信号传至机载探测器——此类紧急情况下通常使用的探测器——时，辐射源往往会变得“模糊”。这种模糊是由伽马射线与空气中的粒子以及搭载探测器的航空器发生碰撞时产生的散射造成的。

另一个问题是，在单次飞越过程中，机载探测器通常只能捕获所发射伽马射线中的一小部分。随后，必须通过全谱分析处理这些有限的信号，将模糊数据与计算机仿真得出的预测模板进行匹配。这一处理过程通常需要数小时甚至数天才能完成。

伽马射线测绘与贝叶斯分析：这种辐射探测方法采用高精度的伽马射线发射体定量测绘，“通过将移动式伽马射线能谱测量与高保真蒙特卡罗仿真和全谱贝叶斯推断相结合”实现。该方法还将伽马射线分析分为两部分：空气中的散射（考虑空气温度和湿度等因素），以及航空器内部的散射（考虑针对探测飞越所用航空器类型预先计算的数学因子）。

研究人员使用军用直升机，在瑞士多个已知辐射源上方约30米处进行了现场飞越试验，其中包括Mühleberg nuclear power plant和Gösgen nuclear power plant附近区域。（Mühleberg nuclear power plant已于2019年关闭，目前正在退役。）直升机的货舱内装有辐射探测器。

快速精确定位分析：结果显示，即使信号微弱且发生畸变，也能在两米范围内精确定位辐射源；对这些辐射源活度的估算值与实际值之间的误差不超过两个百分点。研究人员称，与以往方法相比，后一项成果达到了“前所未有的细致程度”。

此外，仿真分析仅需数微秒即可完成，而不再需要数小时或数天。这种速度使详细的贝叶斯分析成为可能：将数千个由仿真预测的能谱模板与飞行过程中获取的模糊数据进行比较，持续更新统计信息，从而精确探测辐射源。

定量探测领域的关键进展：论文摘要指出：“所开发的方法标志着定量伽马射线探测取得关键进展，可增强放射性态势感知能力，并改进地球物理和地球化学测绘。”除应急响应外，这种新方法在地面上的潜在应用还包括对核设施周边地区开展常规辐射监测、矿产勘探调查以及其他环境监测。

论文还指出，该方法可在分析太阳系内其他行星和地外天体时，对“放射性核素丰度提供更稳健的约束”。

令人振奋的潜力：论文第一作者、University of Michigan核工程与放射科学博士后研究员David Breitenmoser表示，“更好的测量结果可以帮助应急响应人员更快地作出信息更加充分的决策，并最终保护甚至挽救生命。”他补充说：“最令我振奋的是，速度与定量细节的结合可以显著提高机载测量在应急响应和常规监测中的实用性。”