[논문 리뷰] 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. Cates외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 16.

Nuclear Physics and Applications참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 무인 항공 시스템(UAS)과 수동 운반 플랫폼을 사용하여 실시간 3D 감마선 및 중성자 맵핑 시스템인 NG-LAMP을 제시한다. 이 시스템은 국소화 및 맵핑 플랫폼(LAMP)에 이중 감도를 가진 Cs2LiLa(Br,Cl)6:Ce闪烁체 검출기와 통합하여, 여러 감마선 및 중성자 원천을 동시에 분광학적으로 3D로 국소화한다. 실시간으로 차폐된 특수핵물질(SNM)을 중성자 서명만으로도 감지할 수 있으며, 감마선 신호가 배경과 구분되지 않을 때조차 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 환경에서 방사능 원천의 실시간 3D 부피 재구성을 가능하게 하여 비상 대응 및 수색 작전의 향상을 도모한다.
• 감마선 방출이 감쇠되는 강력한 차폐를 받은 특수핵물질(SNM)을 탐지하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 국소화 및 맵핑 플랫폼(LAMP)을 확장하여 고분광 해상도로 동시에 중성자 및 감마선 원천을 국소화한다.
• 강력한 감마선 배경에서 중성자 서명만으로도 임의의 대체 SNM를 감지하고 국소화할 수 있는 가능성에 대한 실증을 제공한다.

제안 방법

• 감마선과 중성자 양쪽에 민감한 Cs2LiLa(Br,Cl)6:Ce(클라브) 섬광체 검출기를 LAMP 프레임워크에 통합하여 실시간 데이터 수집을 수행한다.
• LIDAR 및 카메라에서 확보한 환경적 맥락 데이터와 3D 방사능 원천 재구성을 융합하기 위해 LAMP 내에서 핵심 시나리오 데이터 융합(SDF)을 구현한다.
• 실시간 국소화 알고리즘을 적용하여 에너지 분辨 분광학을 통해 원천 식별이 가능한 3D 공간에서 방사능 원천의 부피 맵을 생성한다.
• UAS 및 수동 운반 구성으로 NG-LAMP 시스템을 구현하여 다양한 방사능 맵핑에 유연하고 확장 가능한 접근을 가능하게 한다.
• 단일 실시간 맵핑 런에서 세 개의 별개 감마선 원천과 한 개의 중성자 원천을 동시에 다중원천 국소화 기술로 구분하였다.
• 감마선 배경 수준과 비교하여 중성자 서명을 분석함으로써, 중성자 서명만으로도 대체 SNM를 감지하는 능력을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 검출기 시스템이 실시간으로 3D 공간에서 여러 감마선 및 중성자 원천을 동시에 분광학적으로 국소화할 수 있는가?
• RQ2 감마선 방출이 무시 가능하거나 배경에 의해 가려졌을 때, 중성자 서명만으로도 차폐된 특수핵물질(SNM)을 감지하고 국소화할 수 있는가?
• RQ3 NG-LAMP 시스템이 복합적인 3D 환경에서 감마선과 중성자 방출이 혼합된 상황에서 겹치는 방사능 원천을 얼마나 효과적으로 구분하는가?
• RQ4 UAS 및 수동 운반 플랫폼의 통합이 3D 방사능 맵핑의 공간 커버리지와 운영의 유연성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 실시간 3D 부피 재구성이 실종되거나 도난당한 방사능 원천이 포함된 비상 상황에서 대응 효율을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• NG-LAMP 시스템은 강력한 감마선 배경 환경에서도 실시간 3D로 중성자 원천을 국소화하는 데 성공하였으며, 복잡한 환경에서 중성자 단독 신호 감지를 가능하게 함을 입증하였다.
• 단일 실시간 맵핑 런에서 세 개의 별개 감마선 원천과 한 개의 중성자 원천을 동시에 분광학적으로 국소화하여 다중원천 해상도를 확인하였다.
• 감마선 데이터가 배경 수준과 일치하는 가운데, 중성자 서명만으로도 대체 특수핵물질(SNM) 원천을 국소화하였으며, 이는 차폐된 SNM 감지에 효과적임을 입증하였다.
• UAS 및 수동 운반 구성의 통합을 통해 다양한 운영 상황에서의 유연한 배치가 가능해져 공간 커버리지와 대응 적응성 향상에 기여하였다.
• 기존 2D 맵핑에 비해 더 높은 공간 해상도와 맥락 정확도를 제공한 3D 부피 재구성은 복잡한 환경에서 원천 국소화 정밀도를 크게 향상시켰다.
• CLLBC 섬광체의 사용으로 혼합 방사능 환경에서 신뢰할 수 있는 원천 식별을 지원하는 고해상도 감마선 분광학과 함께 중성자 감지를 실현하였다.