[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出NG-LAMP，一种利用无人机系统（UAS）和背负式平台的实时三维伽马射线与中子测绘系统，将对伽马射线和中子均敏感的双敏感Cs2LiLa(Br,Cl)6:Ce闪烁体探测器与定位与建图平台（LAMP）相结合。该系统实现了对多个伽马射线和中子源的实时、光谱学三维定位，包括仅通过中子特征即可实时探测被屏蔽的特殊核材料（SNM），即使伽马射线信号与背景无法区分。

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.

研究动机与目标

• 实现实时、三维复杂环境下的辐射源体积重建，以提升应急响应与搜寻作业效率。
• 解决在伽马射线发射被衰减时检测高度屏蔽的特殊核材料（SNM）的挑战。
• 将定位与建图平台（LAMP）扩展至同时以高光谱分辨率定位中子与伽马射线源。
• 证明仅基于中子特征在强伽马射线背景存在下检测与定位模拟SNM的可行性。

提出的方法

• 将对伽马射线和中子均敏感的Cs2LiLa(Br,Cl)6:Ce（CLLBC）闪烁体探测器集成至LAMP框架，实现实时数据采集。
• 在LAMP中实现核场景数据融合（SDF），将三维辐射源重建与来自激光雷达和相机的环境上下文数据融合。
• 采用实时定位算法，在三维空间中生成辐射源的体积地图，结合能量分辨光谱学以实现源识别。
• 在无人机系统（UAS）和背负式配置上部署NG-LAMP系统，实现灵活、可扩展的辐射测绘。
• 应用同时多源定位技术，在单次实时测绘运行中成功分辨三个独立的伽马射线源和一个中子源。
• 通过将中子特征与背景伽马射线水平对比，验证了仅基于中子信号检测模拟SNM的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一探测系统能否实现实时、光谱学三维定位多个伽马射线与中子源？
• RQ2 当伽马射线发射可忽略或被背景掩盖时，能否仅通过中子特征检测并定位被屏蔽的特殊核材料（SNM）？
• RQ3 NG-LAMP系统在具有混合伽马射线与中子发射的复杂三维环境中，对重叠辐射源的分辨能力如何？
• RQ4 UAS与背负式平台的集成在多大程度上提升了三维辐射测绘的空间覆盖范围与操作灵活性？
• RQ5 实时三维体积辐射源重建在涉及丢失或被盗放射性源的应急场景中，能否显著提升响应效率？

主要发现

• NG-LAMP系统成功在强伽马射线背景存在下实现对中子源的实时三维定位，证明了在复杂环境中检测仅中子信号的能力。
• 在单次实时测绘运行中成功实现对三个不同伽马射线源和一个中子源的同步光谱学定位，证实了多源分辨能力。
• 系统仅基于中子特征定位了模拟特殊核材料（SNM）源，而伽马射线数据与背景水平一致，证明了其在屏蔽SNM检测中的有效性。
• UAS与背负式配置的集成实现了在多样化操作场景中的灵活部署，显著提升了空间覆盖范围与响应适应性。
• 三维体积重建提供的空间分辨率和上下文准确性优于传统二维测绘，显著提升了复杂环境中源定位的精确度。
• CLLBC闪烁体的使用实现了高分辨率伽马射线光谱学与中子探测的结合，支持在混合辐射场中可靠识别源。