Spektroskopia gamma z helikoptera Wykrywanie promieniowania radioaktywnego w powietrzu – z większą dokładnością niż dotychczas

W przypadku katastrof jądrowych liczy się szybkość: naukowcy z Instytutu Paula Scherrera opracowali nową metodę obliczeniową, która pozwala w ciągu kilku sekund dokładniej zidentyfikować materiał radioaktywny oraz precyzyjniej określić jego ilość i położenie. Znacząco poprawia to dotychczasową metodę wykrywania z pokładu helikoptera.

Istnieją sytuacje kryzysowe, które – miejmy nadzieję – nigdy nie wystąpią, ale na które społeczeństwo i rząd chcą być mimo wszystko przygotowane. Należy do nich ewentualny wyciek promieniowania radioaktywnego w wyniku awarii reaktora lub ataku terrorystycznego z użyciem materiałów radioaktywnych. Aby władze mogły w takich przypadkach reagować szybko i skutecznie, należy najpierw oszacować skalę zagrożenia dla ludzi i środowiska. W takich sytuacjach wykorzystywane byłyby między innymi „latające laboratoria”, czyli detektory zamontowane w helikopterach, które określają położenie, rodzaj i ilość materiału radioaktywnego.

W swojej pracy doktorskiej, przeprowadzonej w laboratorium pomiarów i kalibracji w dziale ochrony przed promieniowaniem i bezpieczeństwa w Instytucie Paula Scherra (PSI) w Szwajcarii, David Breitenmoser opracował narzędzia matematyczne, które znacznie usprawniają analizę danych w laboratorium mobilnym: Materiał radioaktywny można zidentyfikować z większą dokładnością, i to w ciągu kilku sekund. Wyniki tych badań zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie naukowym „Nature Communications”. Nowa metoda analizy ma znaczenie nie tylko w sytuacjach katastrof, ale może być również stosowana na przykład do monitorowania obiektów jądrowych.

Zniekształcony odcisk palca

„Każdy materiał radioaktywny ma charakterystyczny „odcisk palca” w postaci promieniowania gamma, które emituje podczas rozpadu radioaktywnego” – mówi Breitenmoser. Ten „odcisk palca” składa się ze spektrum energetycznego promieniowania gamma, które można zmierzyć za pomocą specjalnego detektora. Zasadniczo na podstawie rozkładu energii promieniowania gamma można wywnioskować zarówno rodzaj materiału, jak i jego ilość.

Istnieje jednak pewna trudność: fotony gamma emitowane przez materiał – czyli cząstki światła o wysokiej energii – są rozpraszane w drodze do detektora zarówno przez powietrze, jak i przez helikopter, w którym znajduje się detektor. W rezultacie zmienia się widmo energetyczne. Innymi słowy: „odcisk palca” ulega zniekształceniu i w związku z tym nie można go już bezpośrednio rozpoznać.

Aby ustalić, w jaki sposób zniekształca się określony „odcisk palca” radionuklidu, i odpowiednio skalibrować detektor, naukowcy symulują te zjawiska na komputerze. Obliczenia te są jednak bardzo złożone i mogą trwać kilka godzin, a nawet dni. W przypadku zastosowań, w których liczy się każda sekunda, takich jak awaria reaktora, nie wchodzą one zatem w grę.

„Symulacje przebiegają bardzo wolno również dlatego, że dotychczas były dość nieefektywne” – mówi Breitenmoser. Na przykład spośród około dziesięciu tysięcy fotonów gamma emitowanych przez źródło radioaktywne na ziemi tylko jeden dociera do helikoptera – a nawet ten jest jeszcze rozpraszany przez liczne metalowe powierzchnie w helikopterze.

Jak mierzy się radioaktywność w powietrzu? Potrzebny jest zaawansowany technologicznie detektor, helikopter oraz dopracowany algorytm. Jak to działa, wyjaśnia David Breitenmoser z PSI w krótkim filmiku na YouTube. (Źródło: Instytut Paula Scherrera PSI/Benjamin A. Senn, Markus Fischer, Monika Bletry i Mahir Dzambegovic)

Szybsze symulacje dzięki podziałowi

Zamiast symulować całą drogę fotonów gamma od ziemi do detektora znajdującego się w powietrzu, Breitenmoser w swojej nowej metodzie dzieli ten problem na dwie części. Rozpraszanie w powietrzu jest obliczane oddzielnie, przy czym w symulacjach uwzględniane są na przykład aktualna temperatura powietrza oraz wysokość lotu helikoptera. Dalsze rozpraszanie w helikopterze, które zależy między innymi od jego położenia w locie, jest uwzględniane za pomocą wcześniej obliczonych funkcji matematycznych. Dzięki temu pełna symulacja trwa zaledwie kilka mikrosekund zamiast kilku godzin.

Samo szybkie obliczanie nie wystarcza jednak do jednoznacznej identyfikacji zniekształconego odcisku palca. Ponieważ do detektora dociera bardzo niewiele fotonów gamma, statystyka jest wyjątkowo słaba – zamiast wyraźnych linii widać jedynie szerokie i rozmyte kształty. „Dotychczas za złoty standard uznawano agregację kilku wartości energii w widmie. Metoda ta poprawia wprawdzie statystyczną miarodajność pomiaru, ale prowadzi do uzyskania mniej szczegółowego obrazu, a tym samym do utraty szczegółowych informacji” – mówi Małgorzata Kasprzak, kierowniczka laboratorium kalibracyjnego w PSI i współautorka nowego badania. Nowe podejście rezygnuje z takiego sumowania. Zamiast tego tzw. modelowanie bayesowskie stosuje się bezpośrednio do całego widma.

Dokładne określenie w ciągu kilku sekund

Metoda Bayesa opiera się na prawdopodobieństwach: aby zidentyfikować widmo energetyczne pomimo słabych danych statystycznych, komputer symuluje rozpraszanie fotonów gamma od powierzchni ziemi aż do detektora dla tysięcy możliwych widm wyjściowych w różnych proporcjach. Dzięki podziałowi obliczeń odbywa się to bardzo szybko. Modelowanie bayesowskie oblicza następnie, które widmo wyjściowe najprawdopodobniej odpowiada zniekształconemu widmu zmierzonemu przez latające laboratorium.

„Dzięki temu w przyszłości będziemy mogli w ciągu kilku sekund, wykonując pomiar z helikoptera, odróżnić od siebie słabo radioaktywne próbki baru lub cezu, określić ich intensywność z dużą dokładnością oraz precyzyjnie zlokalizować ich położenie”, mówi Alberto Stabilini, który w imieniu PSI uczestniczy w przeprowadzaniu lotów pomiarowych z wykorzystaniem aeroradiometrii w Szwajcarii.

Na przykład w maju i czerwcu 2025 r. w ramach corocznej kampanii pomiarowej przeprowadzono loty w okolicy elektrowni jądrowych Mühleberg i Gösgen. Podczas międzynarodowych ćwiczeń, w których wzięło udział 140 osób z sześciu krajów, sześć helikopterów i pięć dronów, przećwiczono ponadto różne scenariusze, w tym poszukiwanie źródeł promieniowania radioaktywnego. Takie loty pomiarowe, które służą również do tworzenia map referencyjnych naturalnej radioaktywności, stanowią – obok ochrony na wypadek sytuacji awaryjnych – ważny obszar zastosowania opracowanej metody analitycznej.

„Jest jednak jeszcze wiele innych”, mówi Breitenmoser. Dzięki swojej wysokiej czułości i dokładności metoda ta generalnie nadaje się do lokalizowania i charakteryzowania słabych radioaktywnych źródeł w glebie. Może to być przydatne na przykład podczas badań geofizycznych podłoża lub w ramach monitorowania materiałów jądrowych prowadzonego przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (MAEA).

Oryginalnapublikacja: David Breitenmoser, Alberto Stabilini, Małgorzata Magdalena Kasprzak, Sabine Mayer: Ilościowa mobilna spektrometria promieniowania gamma z wykorzystaniem wnioskowania bayesowskiego, Nature Communications, 26.10.2026; DOI: 10.1038/s41467-026-78464-2