Kozmolojiden çıkarım araçlarını ödünç alarak nötron kaynaklarını tespit etmek

Michigan Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nde yayınlanan bir çalışmaya göre, nötron kaynakları, kozmolojiden uyarlanan çıkarım araçları kullanılarak temsili değerler yerine ölçülen spektrumlardan doğrudan belirlenebilir. Uygulanan Fiziksel İnceleme. Yöntem, limanlarda veya sınırlarda malzemelerin durdurulmasına yardımcı olarak veya acil müdahale sırasında ilk müdahale ekiplerine rehberlik ederek nükleer güvenliği artırabilir.

Bir nötron kaynağını doğrudan tespit etmek ve karakterize etmek hâlâ zorlu bir iş olmaya devam ediyor çünkü çoğu nükleer malzeme, nötron spektrumu adı verilen ve ister iyi huylu bir endüstriyel izotoptan ister bölünebilir malzemeden olsun, birbirine benzeyen enerji modellerine sahip nötronlar yayar.

“Bu sorun, temel fizik, istatistik ve gerçek dünya nükleer güvenliğinin kesiştiği noktada yer alıyor. Bilinmeyen nötron yayan malzemeleri tanımlamaya yönelik çok pratik bir ihtiyaç var, ancak aynı zamanda derin bir bilimsel zorluk da var: Zayıf, gürültülü ve oldukça benzer sinyallerden güvenilir bilgiyi nasıl elde edersiniz?” UM’de nükleer mühendislik ve radyolojik bilimler alanında doktora sonrası araştırma görevlisi ve çalışmanın baş yazarı David Breitenmoser şöyle konuştu:

Bu noktaya kadar dedektörler X ışınları ve gama ışınları gibi dolaylı sinyallere güveniyordu, ancak sinyaller çevredeki konteynerlerden veya kalkanlardan geçerken sessizleşebilir veya tamamen kaybolabilir. Proxy tabanlı yöntemlerle karşılaştırıldığında, yeni yaklaşım daha doğrudan, niceliksel, istatistiksel açıdan titiz ve düşük sayımlı ölçümlerde etkilidir.

Olasılıksal çıkarım

Güneş sistemimizin dışındaki kozmik çarpışmaları veya gezegenleri haritalandırmak için kozmoloji ve yerçekimsel dalga astronomisi, zayıf sinyallerin rakip fiziksel açıklamalara en iyi şekilde nasıl uyduğunu belirlemek için olasılıksal çıkarıma dayanmalıdır. Bu alanlar, yeni veriler mevcut olduğunda hipotezlere olan güveninizi güncellediğiniz istatistiksel bir yöntem olan Bayesian modellemeden yararlanır.

Bu çerçeveden yararlanan araştırma ekibi, bir radyasyon detektöründen gelen dağınık verileri, kaliforniyum-252 veya plütonyum-berilyum gibi bilinen nötron kaynaklarından oluşan bir kütüphaneye sahip bir modele besledi. Model çeşitli senaryolar yaratıyor; örneğin kaynak kaliforniyum-252, plütonyum-berilyum veya ikisinin bir karışımı olabilir.

Model daha sonra verilerin her senaryoyla ne kadar iyi eşleştiğini hesaplayarak ona Bayes kanıtı adı verilen bir sayı verir. Daha sonra çıktıya matematiksel bir kesinlik ekleyerek en olası kaynağı tanımlar.

Breitenmoser, “En heyecan verici kısım, sonucun disiplinler arası doğasıdır. Bu, evreni anlamak için geliştirilen yöntemlerin aynı zamanda Dünya’daki acil sorunları çözmemize de yardımcı olabileceğini gösteriyor” dedi.

Seyrek verilerle yüksek güven

Araştırma ekibi daha sonra matematiği laboratuvarda teste tabi tuttu. Nötron yayan malzemelerin önüne, nötronlar onunla etkileşime girdiğinde yanan bir malzeme olan 12 organik cam sintilatör çubuğuna sahip bir radyasyon dedektörü yerleştirdiler.

Bir dizi deney, tek bir kaynaktan (kaliforniyum-252 veya plütonyum-berilyum) ve her iki kaynağın birleşiminden veri topladı. Bir paketin korunduğu gerçek dünya senaryosunu taklit etmek için, algoritmanın kasıtlı bozulmanın üstesinden gelip gelemeyeceğini görmek amacıyla deneyleri malzemenin etrafına kurşun bir kılıf yerleştirilerek tekrarladılar.

Veriler seyrek olduğunda bile model, kaliforniyum-252, plütonyum-berilyum veya her ikisinin karışımını %99’dan yüksek bir güvenle doğru bir şekilde tanımladı.

Nötron enerjisini ölçmenin iki yöntemini karşılaştırırken, gelen nötronlar tarafından vurulduktan sonra protonlardaki enerjiyi ölçen geri tepme spektroskopisi, bir nötronun bir sintilatörden diğerine seyahat etmesinin ne kadar sürdüğünü ölçen uçuş süresi spektroskopisini geride bıraktı. Her iki yöntem de doğru modeli işaret edebilirdi ancak geri tepme spektroskopisi daha az veriyle daha hızlı sonuçlara ulaştı.

Daha güçlü nükleer güvenliğe doğru

Bu çalışma, kontrollü masa üstü laboratuvar koşulları altında, nötron kaynaklarının ölçülen spektrumlarından doğrudan ölçülebilir bir güvenle tanımlanabileceğinin deneysel olarak doğrulanmış ilk gösterimini sağlar. Nükleer güvenlik veya acil müdahale durumlarında bilinmeyen nötron yayan malzemelerin tespit edilmesi ve tanımlanmasının önünü açıyor.

Michigan Mühendislik Üniversitesi’nden Donald C. Graham Mühendislik Profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Sara Pozzi, “Bir sonraki adım, bu yeteneği, ölçümlerin kısa, gürültülü, korumalı veya geometrik olarak karmaşık olabileceği daha gerçekçi saha koşullarına genişletmektir” dedi.