[論文レビュー] 3D Gamma-ray and Neutron Mapping in Real-Time with the Localization and Mapping Platform from Unmanned Aerial Systems and Man-Portable Configurations

Ryan Pavlovsky, Joshua W. Cates+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Nuclear Physics and Applications参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、無人航空機（UAS）および人力搭載プラットフォームを用いたリアルタイム3次元ガンマ線および中性子線マッピングシステムであるNG-LAMPを提案する。このシステムは、局所化とマッピングプラットフォーム（LAMP）に二重感受性を有するCs2LiLa(Br,Cl)6:Ceシンチレーター検出器を統合し、複数のガンマ線および中性子線源を同時に分光的・3次元的に局所化する。ガンマ線信号がバックグラウンドと区別できない状況下でも、中性子シグネチャーよりも遮蔽された特別核物質（SNM）をリアルタイムで検出可能である。

ABSTRACT

Nuclear Scene Data Fusion (SDF), implemented in the Localization and Mapping Platform (LAMP) fuses three-dimensional (3D), real-time volumetric reconstructions of radiation sources with contextual information (e.g. LIDAR, camera, etc.) derived from the environment around the detector system. This information, particularly when obtained in real time, may be transformative for applications, including directed search for lost or stolen sources, consequence management after the release of radioactive materials, or contamination avoidance in security-related or emergency response scenarios. 3D reconstructions enabled by SDF localize contamination or hotspots to specific areas or objects, providing higher resolution over larger areas than conventional 2D approaches, and enabling more efficient planning and response, particularly in complex 3D environments. In this work, we present the expansion of these gamma-ray mapping concepts to neutron source localization. Here we integrate LAMP with a custom $Cs_2LiLa(Br,Cl)_6:Ce$ (CLLBC) scintillator detector sensitive to both gamma-rays and neutrons, which we dub Neutron Gamma LAMP (NG-LAMP). NG-LAMP enables simultaneous neutron and gamma-ray mapping with high resolution gamma-ray spectroscopy. We demonstrate the ability to detect and localize surrogate Special Nuclear Materials (SNM) in real-time and in 3D based on neutron signatures alone, which is critical for the detection of heavily shielded SNM, when gamma-ray signatures are attenuated. In this work, we show for the first time the ability to localize, in 3D and realtime, a neutron source in the presence of a strong gamma-ray source, simultaneous and spectroscopic localization of three gamma-ray sources and a neutron source, and finally the localization of a surrogate SNM source based on neutron signatures alone, where gamma-ray data are consistent with background.

研究の動機と目的

• 複雑な環境における放射線源のリアルタイム3次元ボリューム再構築を可能にし、緊急対応および捜索作業の改善を図ること。
• ガンマ線放射線が減衰するため、重度に遮蔽された特別核物質（SNM）の検出という課題に対処すること。
• 局所化とマッピングプラットフォーム（LAMP）を拡張し、高スペクトル分解能を有する中性子線およびガンマ線源を同時に局所化すること。
• 強いガンマ線バックグラウンド下で中性子シグネチャーベースでの代替的SNM検出の可能性を実証すること。

提案手法

• ガンマ線および中性子線の両方に感受性を有するCs2LiLa(Br,Cl)6:Ce（CLLBC）シンチレーター検出器を、リアルタイムデータ取得を可能にするLAMPフレームワークに統合すること。
• LIDARおよびカメラからの文脈的情報と統合された3次元放射線源再構築を実現するため、LAMP内に核的シーンデータ統合（SDF）を実装すること。
• リアルタイム局所化アルゴリズムを用いて、エネルギー分解能を有する分光法を併用した3次元空間における放射線源のボリュームマップを生成すること。
• UASおよび人力搭載構成の両方でNG-LAMPシステムを展開し、柔軟でスケーラブルな放射線マッピングを実現すること。
• 1回のリアルタイムマッピング実行で3つの異なるガンマ線源および1つの中性子線源を同時に多源局所化すること。
• ガンマ線レベルがバックグラウンドと一致する状況下で、中性子シグネチャーのみを用いて模擬SNMの検出を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1台の検出器システムが、リアルタイムで複数のガンマ線および中性子線源を3次元的に同時に分光的局所化できるか？
• RQ2 ガンマ線放射線が微弱またはバックグラウンドに埋もれている場合でも、中性子シグネチャーのみを用いて遮蔽された特別核物質（SNM）を検出し、局所化できるか？
• RQ3 NG-LAMPシステムは、ガンマ線と中性子線の混合放射線を発する複雑な3次元環境において、重複する放射線源をどの程度効果的に解離できるか？
• RQ4 UASおよび人力搭載プラットフォームの統合は、3次元放射線マッピングの空間的カバレッジおよび運用の柔軟性をどの程度向上させるか？
• RQ5 リアルタイム3次元ボリューム再構築により、紛失または盗難された放射性物質を含む緊急事態における対応効率がどの程度向上するか？

主な発見

• NG-LAMPシステムは、強いガンマ線バックグラウンド下でも中性子線源のリアルタイム3次元局所化に成功し、複雑な環境下で中性子線のみの信号検出が可能であることを実証した。
• 1回のリアルタイムマッピング実行で3つの異なるガンマ線源および1つの中性子線源を同時に分光的局所化した。これにより、多源解離の有効性が確認された。
• 模擬特別核物質（SNM）源は、ガンマ線データがバックグラウンドレベルと一致する中で、中性子シグネチャーのみを用いて局所化された。遮蔽されたSNM検出の有効性が裏付けられた。
• UASおよび人力搭載構成の統合により、多様な運用状況に柔軟に展開可能となり、空間的カバレッジおよび対応の柔軟性が向上した。
• 3次元ボリューム再構築は、従来の2次元マッピングに比べ、空間分解能と文脈的正確性が向上し、複雑な環境下での源の局所化精度を顕著に向上させた。
• CLLBCシンチレーターの使用により、混合放射線場においても高分解能ガンマ線分光法と中性子線検出を併せ持つことができ、信頼性の高い源同定を可能にした。