Un système Internet de capteurs de rayonnement (IoRSS) pour détecter les sources radioactives hors contrôle réglementaire

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7195 (2022) Citer cet article

3743 accès

1 Citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

Une source radioactive qui n'est pas sous contrôle réglementaire, soit parce qu'elle n'a jamais été sous contrôle réglementaire, soit parce qu'elle a été abandonnée, perdue, égarée, volée ou autrement transférée sans autorisation appropriée, est considérée comme une source orpheline. Les sources orphelines sont généralement rassemblées sous forme de ferraille en raison de leurs conteneurs métalliques lourds. La fusion d'une source orpheline avec de la ferraille produit du métal et des déchets recyclés contaminés; les conséquences seront extrêmement graves pour les humains et l'environnement, affectant l'économie et la stabilité sociale. Dans cet article, nous proposons et développons un système Internet de capteurs de rayonnement (IoRSS) pour détecter les sources radioactives hors contrôle réglementaire dans les installations de recyclage et de production de ferraille. Il s'agit d'un système IoT complet composé d'un réseau d'appareils radiométriques connectés sans fil qui optimise la détection, la localisation et l'identification des sources radioactives en intégrant les données de plusieurs détecteurs de rayonnement portables. Le système IoRSS proposé crée une architecture de réseau robuste et flexible ainsi que des algorithmes avancés de fusion de données qui combinent les informations de nombreux détecteurs. Le système IoRSS offre des capacités avancées de recherche et de surveillance dans une vaste zone de couverture et dans des environnements opérationnels difficiles.

La sécurité des sources de rayonnements, en particulier, et la sécurité de l'énergie nucléaire, en général, sont actuellement les principales préoccupations de la communauté internationale1. Ces dernières années, les technologies nucléaires et radiologiques ont été déployées rapidement et largement dans divers secteurs industriels et économiques et dans la société, ce qui a apporté divers avantages pratiques. Cependant, la gestion, le transport, le stockage et l'utilisation des sources de rayonnement sont compliqués par de nombreux défis. En fait, de nombreuses sources de rayonnement ont été perdues, ce qui a eu des répercussions importantes sur la stabilité économique et sociale2. Une source radioactive qui n'est pas sous contrôle réglementaire, soit parce qu'elle n'a jamais été sous contrôle réglementaire, soit parce qu'elle a été abandonnée, perdue, égarée, volée ou autrement transférée sans autorisation appropriée, est appelée source orpheline3. Les sources orphelines ont entraîné des accidents aux conséquences graves, voire mortelles, du fait de l'exposition des personnes aux rayonnements4.

La fusion d'une source orpheline avec de la ferraille ou sa rupture, lorsqu'elle est mélangée à de la ferraille, a également entraîné la contamination de métaux recyclés et de déchets4. Si cela se produit, des opérations de nettoyage coûteuses peuvent être nécessaires. Si le matériau contaminé n'est pas détecté à l'installation de recyclage et de production de métaux, les travailleurs peuvent être exposés à des rayonnements et des radionucléides peuvent être incorporés dans divers produits finis et déchets, ce qui, à son tour, peut entraîner une exposition des utilisateurs de ces produits. Les inquiétudes concernant les accidents impliquant des sources orphelines, y compris ceux qui se sont produits dans les industries de recyclage et de production de métaux, ont conduit à l'établissement d'un engagement international Code de conduite sur la sûreté et la sécurité des sources radioactives (Code de conduite)5. Dans la section des principes généraux du Code, il est également indiqué que chaque pays doit disposer de systèmes techniques pour réagir rapidement dans le but de contrôler les sources radioactives volées et abandonnées et d'éliminer ou de minimiser leurs conséquences. Néanmoins, la possibilité que des sources orphelines soient présentes dans la ferraille demeure6. Les sources radioactives perdues sont généralement des sources scellées, constituées de tiges et de pastilles métalliques, et leurs conteneurs sont également en métal. Par conséquent, lorsque la source radioactive est perdue, elle est généralement vendue à un collecteur de ferraille pour être recyclée2,6,7,8. C'est la raison pour laquelle tous les pays sont très intéressés par le contrôle des sources radioactives dans les installations de recyclage de la ferraille. L'AIEA a des directives techniques pour traiter ce problème dans son document1 "Control of Orphan Sources and Other Radioactive Material in the Metal Recycling and Production Industries" (Specific Safety Guide, No. SSG-17, Vienna, 2012). Les matières radioactives et nucléaires peuvent constituer une menace pour la santé publique et la sécurité intérieure sous la forme de menaces de terrorisme, de sources orphelines, d'accidents nucléaires ou de contamination radioactive9. Étant donné que les détecteurs de rayonnement installés aux principaux points d'entrée sont un élément clé de la stratégie globale de protection des pays contre le terrorisme nucléaire10. Au Vietnam, il existe également des réglementations chargées de détecter les sources radioactives hors contrôle réglementaire pour les installations de recyclage et de production de ferraille7.

Avec les progrès de la science et de la technologie, en particulier dans le domaine des technologies de détection nucléaire, de nombreuses technologies et équipements spécialisés ont été développés pour assurer la sûreté et la sécurité des sources radioactives, tels que les moniteurs portiques de rayonnement (RPM), les détecteurs personnels de rayonnement (PRD), les dispositifs portatifs d'identification des radio-isotopes (RIID), les détecteurs mobiles et transportables, les systèmes d'imagerie radiographique utilisant des rayons X ou des rayons gamma11. Ces appareils fonctionnent individuellement, ont des coûts d'exploitation et de maintenance élevés et ne conviennent pas aux petites et moyennes installations de recyclage de la ferraille. Un autre défi est que lorsque les sources orphelines sont cachées dans de la ferraille qui protège leur activité des détecteurs traditionnels dans les portails qui scannent les camions entrants12.

La détection de matières radioactives dans les déchets est d'une importance primordiale pour la protection de l'environnement12. Dans ce rapport, nous présentons la proposition et le développement d'un système Internet de capteurs de rayonnement (IoRSS) pour améliorer l'utilisation des systèmes de détection nucléaire afin de détecter les matières nucléaires et autres matières radioactives hors du contrôle réglementaire aux points d'entrée/sortie et d'autres sites commerciaux des installations de recyclage et de production de ferraille. Afin de maximiser la capacité de détecter, d'identifier, de localiser et de répondre aux incidents de rayonnement nucléaire, nous proposons et appliquons des avancées en matière d'informatique, de communication, de développement d'algorithmes, d'outils logiciels et de matériel dans un réseau intégré de capteurs distribués13,14,15,16 et de communications sans fil LoRa17,18 qui contribuent à améliorer la capacité de détection radiologique et nucléaire et les activités de réponse. La mise en œuvre de l'IoRSS a facilité une meilleure connaissance de la situation et de meilleures capacités de détection, d'identification, de localisation et de réponse aux incidents en intégrant les données de plusieurs dispositifs de détection de rayonnement fixes et mobiles sur des détecteurs distribués et en appliquant des algorithmes avancés de traitement des données.

Les principales contributions et la nouveauté de l'article sont présentées ci-dessous.

Proposer un système Internet de capteurs de rayonnement (IoRSS) pour détecter les sources radioactives hors contrôle réglementaire dans les installations de recyclage de la ferraille et de l'acier. Le système IoRSS basé sur l'IdO comprend un réseau d'appareils fixes et mobiles connectés sans fil, un algorithme et un logiciel de traitement de données, des serveurs de surveillance et de contrôle, des applications Web et mobiles, ainsi que des procédures de détection des incidents de rayonnement et un plan d'intervention. Le système IoRSS offre une capacité de détection plus robuste, plus rapide et plus précise avec une grande confiance dans la présence, l'emplacement et le type de matière radioactive qu'un groupe de détecteurs individuels.

Conception et essais complets sur le terrain d'un détecteur gamma-sensible sans fil, compact et robuste pour la détection des gamma et des neutrons compatible avec des appareils fixes et mobiles compatibles et abordables pour une installation dans plusieurs stations ou un déplacement rapide dans différentes zones du parc à ferraille pour scanner la ferraille dans les installations de recyclage et de production (fonctionnement à haute température et vibrations et chocs mécaniques intenses) avant la fusion. La conception de l'IoRSS proposé est entièrement modularisée ; par conséquent, il peut être facilement personnalisé non seulement pour les détecteurs et autres matériels, mais également pour le réseau et le protocole IoT. Cela rend le système plus flexible et faisable.

Fournir un plan de détection, d'identification, d'alerte et d'intervention en cas d'incident. Ces processus sont conçus, développés et intégrés dans le système IoRSS. Dans ces processus, l'appareil fixe peut mesurer en continu les rayons gamma et envoyer la mesure au cloud/serveur. Le serveur d'application exécute des algorithmes d'analyse de données sur les données reçues. Dans le cas où la valeur mesurée dépasse un seuil prédéfini, le serveur d'application générera un avertissement principal afin que les utilisateurs puissent utiliser l'appareil mobile pour confirmer l'existence de la source de rayonnement, identifier le type de rayonnement, le type de radio-isotope et l'emplacement exact de la source de rayonnement. Sur la base du débit de dose de rayonnement confirmé par rapport au niveau des seuils préconfigurés, le système IoRSS activera une réponse incidente correspondante au niveau de danger du rayonnement détecté.

Le reste de cet article est organisé comme suit. La section "Revue de la littérature" met en évidence la revue de la littérature de pointe sur les aspects de l'approche IoT pour la détection et la surveillance des rayonnements, la recherche et la localisation des sources radioactives perdues et les détecteurs de matières radioactives et nucléaires. La proposition détaillée d'un système de capteur de rayonnement basé sur l'IdO (IoRSS), y compris l'architecture du système et la conception matérielle, est décrite dans la section "Architecture du système et conception matérielle d'un système de capteur de rayonnement basé sur l'IdO (IoRSS)". Les processus de détection de rayonnement, d'identification, d'avertissement et de réponse à un incident de rayonnement sont décrits dans la section "Protocoles de fonctionnement IoRSS". Dans la section "Résultats des tests et analyse", nous présentons les résultats d'essais approfondis sur le terrain dans des installations de recyclage et de production de ferraille pour évaluer les performances de la proposition. La configuration expérimentale et les résultats sont également largement analysés et discutés dans cette section. Enfin, nos conclusions et travaux futurs sont décrits dans la section "conclusions et travaux futurs".

L'Internet des objets (IoT) est l'une des technologies les plus émergentes aujourd'hui et a commencé à participer à presque tous les aspects de notre vie sociale, allant des transactions financières au système de santé, de la communication à la sécurité nationale, des champs de bataille aux maisons intelligentes, etc.19. Avec un large éventail de domaines d'application et des prédictions de réseau IoT à haute densité20,21, de nouvelles exigences complexes apparaissent, qui nécessitent une réévaluation de l'allocation des ressources et de la connectivité pour permettre le déploiement des appareils pour transmettre les données des applications IoT22,23. Pour augmenter les performances et la fiabilité des mesures dans les solutions IoT, les auteurs in24,25,26 ont proposé le concept de passerelles IoT collaboratives pour gérer les connexions de travail Internet entre les appareils, d'autres sous-systèmes et la connexion au cloud. Cependant, le déploiement à grande échelle de l'IdO souffre également de certains problèmes, tels que l'interopérabilité, la compatibilité27 et le traitement d'une grande quantité de données hétérogènes24. Les mécanismes conventionnels de stockage et de sécurité des données actuellement utilisés ne semblent pas adaptés à une telle quantité de données générées dans le système IoT. Par conséquent, les auteurs in28 proposent un mécanisme de sécurité de blockchain à autorisation publique utilisant une signature numérique de chiffrement à courbe elliptique (ECC) qui prend en charge une base de données de grand livre distribué (serveur) pour fournir une solution de sécurité immuable, la transparence des transactions et empêcher la falsification des dossiers des patients au niveau de la couche de brouillard IoT. In19, le chercheur exploite les avantages potentiels d'un système de blockchain et l'intègre à un réseau défini par logiciel (SDN) tout en justifiant les problèmes d'énergie et de sécurité. L'approche de la technologie blockchain permet également d'atténuer ces problèmes de latence, de centralisation et d'évolutivité dans le modèle de brouillard28.

Les conséquences des accidents nucléaires sont énormes et il y a eu de nombreux incidents nucléaires dans le monde qui ont eu de graves conséquences pendant de nombreuses années. Citons par exemple la contamination incontrôlée des terres entourant l'accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl ou les dégâts causés par le tsunami à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi en 2011, au Japon9. Avec l'approche IoT pour la détection et la surveillance des rayonnements, les auteurs in29 présentent un système de surveillance et de gestion en temps réel pour la sécurité des matières radioactives (BKRAD) pour la sécurité des sources radioactives au Vietnam. Le BKRAD intègre diverses techniques de positionnement et de détection qui nous permettent de surveiller en continu les dispositifs sources de rayonnement dans diverses conditions environnementales difficiles. Le projet de suivi des sources mobiles aux États-Unis30 fait partie de l'"Initiative pour réduire la menace mondiale". La mission de cette initiative est de minimiser les risques lors du stockage, du transport et de l'exploitation des sources de rayonnement mobiles et de protéger les matières radioactives et nucléaires vulnérables placées dans des sites civils à travers le monde. L'AIEA développe le système de gestion des informations sur la sûreté radiologique (RASIMS)31. Il s'agit d'une plate-forme en ligne qui permet aux États membres et au secrétariat de l'AIEA de collecter, d'analyser et de visualiser conjointement des informations concernant l'infrastructure nationale de radioprotection et de sûreté des déchets. En plus de faciliter l'identification des besoins nationaux et régionaux, les informations contenues dans le RASIMS sont utilisées à diverses autres fins, y compris la conception de nouveaux projets de coopération technique et dans le processus d'autorisation de sûreté radiologique avant la fourniture de sources de rayonnement aux États membres.

La localisation rapide, précise et sûre des sources radioactives perdues est essentielle dans les interventions d'urgence en cas d'accident de source radioactive perdue9,32,33,34,35. Brunelli et al. a proposé DRAGoN9, un drone pour la détection de rayonnement de gammas et de neutrons, dans le but de concevoir, développer et caractériser un système mobile composé d'un véhicule aérien sans pilote (UAV). Le drone est équipé d'un système de détection capable d'identifier des contaminations radioactives réparties sur quelques à plusieurs dizaines de mètres carrés, qui sont principalement utilisées dans des scénarios d'accident où les doses sont trop élevées pour la sécurité humaine ou dans des zones difficiles d'accès9,36,37. Les auteurs in32 décrivent une approche de localisation de source utilisant un système de surveillance du rayonnement UAV développé indépendamment, qui utilise un algorithme de localisation de source spécialisé développé sur la base de la loi du carré inverse et de méthodes statistiques. Pavlovsky et al.34 ont proposé une plate-forme de localisation et de cartographie (LAMP) pour fusionner des reconstructions volumétriques tridimensionnelles (3D) en temps réel de sources de rayonnement avec des informations contextuelles (par exemple LIDAR, caméra, etc.) dérivées de l'environnement autour du système de détection. Ces informations, en particulier lorsqu'elles sont obtenues en temps réel, peuvent être transformatrices pour les applications, y compris la recherche dirigée de sources perdues ou volées, la gestion après le rejet de matières radioactives ou la prévention de la contamination dans des scénarios liés à la sécurité ou d'intervention d'urgence34. Des sources radioactives telles que des neutrons et des émetteurs gamma peuvent être détectées dans le drone proposé, qui est conçu pour effectuer des missions autonomes9. In12, un sac à dos de détection de rayonnement pouvant être utilisé discrètement ou par un large éventail d'utilisateurs, a été développé à l'aide d'un réseau de photomultiplicateurs au silicium (SiPM) et de CsI(Tl)12, et ses caractéristiques ont été évaluées. Dans38,39 les auteurs présentent un système d'acquisition de données distribuées (DAQ) pour la physique nucléaire expérimentale, dans lequel chaque tâche liée aux différentes parties du DAQ (acquisition, prétraitement, analyse, etc.) est exécutée dans un processus séparé pour répartir la charge de calcul, donnant d'excellents résultats en termes de performances et de stabilité. In10, des capteurs mobiles distribués, utilisant des plates-formes de véhicules, ont été proposés pour détecter les matières nucléaires en transit dans la ville de New York en utilisant une combinaison de transport de rayonnement et de systèmes d'information géographique. Les résultats montrent que le temps de première détection augmente avec la vitesse de la source, diminue avec le nombre de détecteurs mobiles et atteint un plateau qui dépend de la force de la source.

Les sources radioactives sont largement utilisées dans les applications industrielles et médicales, et elles peuvent être accidentellement ou intentionnellement éliminées dans les déchets. En particulier, un cas très critique concerne la présence de sources radioactives dans la ferraille1,4,6,9. Les isotopes les plus courants, à temps de désintégration long, recherchés dans la ferraille sont le 137Cs (662 keV) et le 60Co (1170 et 1330 keV), car ils sont largement utilisés sous forme de sources scellées de rayons gamma dans des applications industrielles, telles que la stérilisation des aliments et, avec 192Ir et 75Se, la tomographie, en particulier des matériaux à haute densité, comme en métallurgie et vérification du soudage8.

Fréquemment, des systèmes de surveillance des rayonnements, équipés de détecteurs à semi-conducteurs, de compteurs proportionnels, de tubes Geiger-Müller (GM)40 ou de détecteurs à scintillateur tels que NaI(Tl)32,33 ; et CsI(Tl)12, sont spécialement conçus pour la détection des rayons gamma ou des neutrons. L'utilisation d'un seul détecteur neutron/gamma est une solution intéressante pour détecter et identifier les émetteurs gamma et les matières nucléaires spéciales (SNM). Dans41, les auteurs présentent une caractérisation complète d'un détecteur à scintillation CLLB de taille moyenne (2″ × 2″), afin de fournir les informations nécessaires pour évaluer son déploiement dans des applications concernant la sécurité intérieure et la surveillance des rayonnements. Cependant, il est important de noter à partir de42 que les mesures neutroniques et gamma sont complémentaires, en particulier pour la détection des matières nucléaires spéciales (SNM), en particulier lorsqu'elles sont masquées ou blindées, les rayons gamma et les neutrons doivent être détectés en même temps afin d'augmenter la sensibilité par rapport au fond naturel. Par conséquent, trouver une unité unique pour détecter les deux types de particules est une excellente solution42. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont rapporté les performances des scintillateurs CLLB de petite taille34,42,43,44. Cependant, compte tenu du fait que pour la surveillance des rayonnements (et pour d'autres applications), des efficacités de détection des gamma et des neutrons plus élevées seraient souhaitables. Woolf et al.43 rapportent les résultats d'une expérience menée pour identifier les contaminants isotopiques qui produisent une émission de fond mesurable dans une famille de cristaux de scintillation inorganiques connus sous le nom d'elpasolites, à savoir Cs2LiYCl6:Ce (CLYC), Cs2LiLaBr6:Ce (CLLB) et Cs2LiLa(Br, Cl)6:Ce (CLLBC), et dans d'autres cristaux de scintillation inorganiques, tels que Li co-dopé NaI: Tl (NaIL). Le scintillateur CLYC s'est avéré adapté à la détection double rayons γ/neutrons en raison de sa réponse distincte aux deux types de rayonnement44. Dans34, Pavlovsky et al. présenter l'extension de ces concepts de cartographie des rayons gamma à la localisation des sources de neutrons. Ceci est réalisé en intégrant une plate-forme de localisation et de cartographie (LAMP) avec un détecteur à scintillateur personnalisé CLLBC sensible à la fois aux rayons gamma et aux neutrons. Le projet européen intitulé "effective container inspection at BORDer control points" (C-BORD) se concentre sur le développement et les tests in situ d'une solution complète et rentable pour l'inspection généralisée non intrusive (NII) des conteneurs et du fret de grand volume à la frontière de l'Union européenne (UE)39. Le projet fait face à un large éventail de cibles, y compris les explosifs, les agents de guerre chimique, les drogues illicites, le tabac et les matières nucléaires spéciales (SNM). La détection de SNM tels que des échantillons de plutonium a été testée avec le système d'inspection mobile SMANDRA42 à la fois en tant que système spectroscopique passif à haute sensibilité et en tant que système d'inspection active complet utilisant des neutrons marqués. Les résultats des tests en42 montrent que l'interrogation active avec des neutrons marqués peut fournir des signatures pour la discrimination de l'uranium vis-à-vis d'autres métaux lourds.

L'architecture globale de l'IoRSS, telle qu'illustrée à la Fig. 1, comprend les composants suivants :

Dispositif de détection de rayonnement fixe (dispositif fixe) : il s'agit du dispositif fixe intégré à de grands détecteurs passifs et à une large gamme d'énergie de mesures pour la détection gamma et la détection de neutrons. Des dispositifs fixes sont montés aux points d'entrée/sortie et à d'autres emplacements commerciaux des installations de recyclage et de production de ferraille pour scanner les gros véhicules de ferraille tels que les voitures et les camions. Sur le plan opérationnel, les dispositifs fixes analysent la présence de rayonnement et sont généralement couplés à des dispositifs mobiles de détection de rayonnement utilisés dans un mode de balayage secondaire pour identifier les sources de rayonnement. Les appareils fixes sont équipés de communications sans fil (3G/LTE, LoRa) et câblées (Internet/WiFi), de systèmes de capteurs et d'autres actionneurs pour prendre en charge leur fonctionnement et le partage d'informations entre les composants du système.

Appareil mobile de détection de rayonnement (appareil mobile) : Il s'agit d'un détecteur portable et transportable qui utilise généralement des détecteurs sensibles aux gamma pour la détection des gamma et des neutrons. Ils peuvent être utilisés comme un appareil portatif pour la surveillance de zone, la recherche ou d'autres déploiements temporaires, comme entre les parcs à ferraille et les portes d'entrée/sortie des véhicules, ou dans les zones de préparation de la fonte. Cet appareil possède également des capacités de radio-isotopes intégrées adaptées à l'identification isotopique des matières nucléaires et radioactives. Sur le plan opérationnel, le dispositif portatif est généralement couplé à un dispositif de détection de rayonnement fixe utilisé dans un mode de balayage secondaire pour identifier les sources de rayonnement et pour confirmer l'activation des procédures de réponse aux incidents correspondantes. L'appareil portable intègre des technologies de communication sans fil, telles que LoRa et ZigBee pour communiquer avec une passerelle et 3G/LTE pour communiquer avec le réseau et le serveur cloud. Le dispositif de détection de rayonnement mobile est conçu avec une taille compacte, est portable et facile à déplacer, peut être monté sur un véhicule aérien sans pilote (UAV) et convient aux tâches de recherche de sources radioactives dans un espace étendu et non ciblé ou dans des zones contaminées par la radioactivité.

Le dispositif de passerelle centralisée (passerelle) : cet appareil prend en charge plusieurs plates-formes de connexion sans fil pour communiquer avec des appareils fixes/mobiles, permettant de recevoir des données à partir des appareils, d'effectuer des fonctions de traitement, de combiner des données et de transférer des données vers le réseau et le serveur cloud.

Le centre de surveillance et de contrôle (serveurs) : il s'agit d'un système de serveurs et d'outils logiciels qui prennent en charge l'échange d'informations, le développement de protocoles, la conception d'algorithmes avancés de fusion de données qui combinent les informations de nombreux détecteurs, automatisent le traitement des informations pour optimiser les ressources limitées et améliorent l'analyse des données dans l'évaluation des incidents radiologiques et les plans d'intervention. Les serveurs fournissent également des services pour développer des applications pour les utilisateurs finaux.

Le sous-système de détection des rayonnements se compose de deux types de dispositifs indépendants : les dispositifs fixes de détection des rayonnements et les dispositifs mobiles de détection des rayonnements. Chaque appareil a la capacité de s'auto-configurer et de fonctionner indépendamment. Cependant, ces deux types d'appareils peuvent être configurés à distance par TCP/IP via des modules 3G/LTE pour fonctionner ensemble sous la coordination d'un logiciel de contrôle central. Les appareils fixes sont parfois utilisés comme « fil de déclenchement » pour détecter la présence de rayonnement, après quoi les appareils mobiles sont introduits comme méthode de balayage secondaire pour confirmer la présence et identifier la source du rayonnement. L'architecture et la fonction des composants du système IoRSS seront détaillées dans les sections suivantes.

Architecture et composants du système de capteur de rayonnement basé sur l'IdO (IoRSS).

Pour tirer parti des techniques de détection et des capteurs, les auteurs ont choisi deux types différents de détecteurs de rayonnement lors de la conception du système. Tout d'abord, parce qu'il est considéré comme une solution de détection primaire, le dispositif stationnaire fonctionne en permanence pour détecter tout débit de dose de rayonnement anormal dans la zone de production. Par conséquent, son détecteur (détecteur primaire) doit être durable et durable. Des circuits à faible coût, à petit profil et simples sont également des exigences supplémentaires dans les implémentations pratiques. Parmi les différents types de détecteurs de rayonnement, les tubes Geiger-Müller (GM) peuvent répondre à presque tous les critères mentionnés. Deuxièmement, lorsqu'il y a une alarme dans le dispositif fixe, le détecteur secondaire dans le dispositif mobile est utilisé pour confirmer l'apparition de la source de rayonnement et identifier le radio-isotope. L'exigence la plus importante pour le détecteur secondaire est la capacité de mesurer l'énergie du rayonnement ionisant avec une bonne résolution. Sa taille et sa résistance mécanique doivent être adaptées à une intégration dans un appareil portatif. Ceci conduit à l'utilisation d'un scintillateur, notamment un scintillateur CsI(Tl) (Thallium-activated cesium iodide)45. Le cristal CsI(Tl) possède non seulement un bon pouvoir d'arrêt mais également de bonnes propriétés mécaniques plastiques. Parce que ce matériau peut donner une puissance lumineuse de 54 photons/keV et que la plupart de ses émissions sont de grande longueur d'onde (> 500 nm), la combinaison entre un scintillateur CsI(Tl) et une photodiode est devenue une bonne solution pour l'appareil mobile.

Dans le module de détection principal, un boîtier cylindrique en aluminium unique est utilisé comme boîtier pour deux tubes GM, des amplificateurs, des circuits numériques et des régulateurs de puissance, comme illustré à la Fig. 2. Les auteurs ont utilisé deux types différents de tubes GM (71320 et 716, LND ; ou 70035 et 70018A, Vacutec) pour assurer la bonne capacité de détection du détecteur à des débits de dose faibles et élevés. Les tubes GM sont alimentés par une source de 550 V créée par un convertisseur DC-DC à découpage. Étant donné que les signaux des tubes GM sont de faibles impulsions analogiques, des amplificateurs et des circuits logiques doivent être utilisés pour amplifier les changements et les convertir en ondes carrées. Le microcontrôleur (Atmega128, Microchip Technology) contrôle le circuit logique, compte les impulsions, traite les données et envoie le résultat au corps principal de l'appareil fixe. La figure 2 montre la structure du module détecteur primaire avec les tubes GM.

Structure du module détecteur primaire avec les tubes GM.

Structure du module détecteur secondaire du scintillateur CsI(Tl).

Prototypes de détecteurs : (a) module détecteur avec tubes GM et (b) module détecteur avec le scintillateur CsI(Tl).

Le module de détection secondaire se compose d'un scintillateur, d'une photodiode, d'un circuit électronique et d'un boîtier en aluminium à 2 chambres, comme illustré à la Fig. 3. Le scintillateur CsI(Tl), de taille 1 × 1 × 3 cm ou 2 × 2 × 3 cm, et la photodiode à avalanche45 (S8664-55 ou S3204-08, Hamamatsu) sont collés ensemble à l'aide de résine optique (OE-6662, Dow Corning). La photodiode est polarisée par une source 380 V créée par un module d'alimentation haute tension (C10940-53, Hamamatsu). Comme le signal de la photodiode est ultrasensible, un préamplificateur dédié est nécessaire (CR110-R2, Cremat) ; et cet amplificateur doit être complètement séparé du reste du circuit électronique. Ainsi, dans le boîtier en aluminium, la chambre 1 contient le scintillateur, la photodiode, le préamplificateur, tandis que la chambre 2 contient le circuit de traitement supplémentaire et les modules de puissance. La figure 4a est un prototype du module détecteur à tube GM et la figure 4b est un prototype du module détecteur à scintillateur CsI(Tl).

L'architecture du système de détection de rayonnement fixe se compose de blocs fonctionnels tels que décrits à la Fig. 5a.

Le bloc de communication et de positionnement sans fil comprend un émetteur-récepteur LORA et un récepteur GPS. Le bloc fournit une liaison de communication sans fil du dispositif fixe à la passerelle et localise la position du dispositif.

Le bloc de traitement du signal est un système de détection de radioactivité équipé d'un système de tube GM (tube Geiger - Muller), qui peut fonctionner dans des environnements à haute température tels qu'autour des fours de fusion dans les installations de recyclage de la ferraille. Le bloc détecteur de radioactivité est réglé en mode de fonctionnement continu avec une plage de détection des rayons gamma d'environ 5 m et un seuil de détection de 0,1 μSv/h. Le bloc comprend également des capteurs de support constitués d'un capteur de température, d'un accéléromètre et d'un capteur de vibrations. Ils sont conçus pour détecter et transmettre la température ambiante, les vibrations et la vitesse du véhicule à l'unité centrale de traitement. Ces données sont utilisées pour régler le mode de fonctionnement de l'appareil.

Les blocs d'avertissement et LCD sont conçus pour allumer les voyants d'avertissement et les klaxons principaux et afficher les données sur l'écran LCD lorsque le niveau de rayonnement dépasse un seuil prédéfini.

Le bloc d'alimentation fonctionne sur une tension d'entrée CA et génère des tensions de sortie CC pour les blocs fonctionnels de l'appareil.

L'unité de microcontrôleur (MCU) contrôle toutes les opérations de l'appareil fixe, dans lequel le MCU reçoit des données du bloc détecteur radiométrique et du bloc capteur, effectue une analyse, stocke les données, puis affiche les résultats des niveaux de rayonnement sur l'écran d'affichage. Le MCU active des avertissements avec des lumières et des sifflets lors de la détection de niveaux de rayonnement qui dépassent un seuil prédéterminé. Le MCU encapsule les données, y compris le niveau de rayonnement, la vitesse du véhicule, les informations de localisation de l'appareil dans des paquets, et contrôle le bloc de communication sans fil pour envoyer les paquets de données à la passerelle (à l'aide du module LoRa) ou au centre de surveillance (à l'aide du module 3G/LTE).

Tous les composants du détecteur de radioactivité fixe sont intégrés et enfermés dans une enceinte de protection, accompagnés de dispositifs mécaniques de montage adaptés aux conditions de fonctionnement. La figure 5b est l'image du détecteur de radioactivité fixe réel.

Le dispositif fixe : a schémas blocs de l'architecture et b une image de son prototype.

Le dispositif mobile est utilisé séparément pour détecter avec précision l'emplacement d'une source de rayonnement ou est utilisé couplé au dispositif fixe pour confirmer l'existence de la source de rayonnement après l'activation d'un avertissement principal provenant du dispositif fixe. Cet appareil peut être considéré comme un dispositif de détection et d'avertissement secondaire car il fournit des informations plus spécifiques sur la source de rayonnement lorsqu'il est détecté et peut être utilisé pour détecter le rayonnement dans des cas particuliers tels que des coins cachés, des emplacements blindés, des espaces ouverts et dispersés à l'extérieur de l'usine.

L'architecture du système mobile de détection de rayonnement se compose de blocs fonctionnels, comme décrit à la Fig. 6a.

Le bloc de communication et de positionnement sans fil est conçu de manière similaire à ce bloc dans le dispositif fixe. De plus, ce bloc offre la possibilité de se connecter et d'échanger des informations directement entre les appareils mobiles et fixes en mode de fonctionnement coordonné. Le récepteur GPS de l'appareil mobile permet de localiser la source de rayonnement. L'emplacement sera géré sur le serveur et affiché avec précision sur la carte, ce qui permet à la surveillance de se produire de manière continue et efficace.

Le bloc de traitement du signal et d'analyse spectrale est équipé d'un détecteur à scintillation CsI(Tl) et d'un module d'analyse spectrale gamma et neutronique permettant la mesure de sources de rayonnement d'énergies comprises entre 0,03 MeV et 3,0 MeV.

L'unité de microcontrôleur (MCU) contrôle toutes les opérations de l'appareil mobile, dans laquelle la MCU reçoit des données du bloc de traitement du signal et d'analyse du spectre et le bloc de capteur de support effectue l'analyse, stocke les données, puis affiche les résultats des niveaux de rayonnement sur l'écran d'affichage. Le MCU encapsule et transmet les données à la passerelle ou partage les données avec le dispositif fixe via le bloc de communication sans fil. Les données encapsulées comprennent le débit de dose instantané, le débit de dose moyen, le débit de dose maximal, les sources de rayonnement identifiées et l'emplacement des sources.

Le bloc alimenté par batterie rechargeable permet à l'appareil de fonctionner en continu jusqu'à 24 heures dans le scénario sans avertissement et 8 heures en continu dans le scénario d'avertissement.

L'appareil mobile est conçu avec une taille compacte et peut être utilisé comme un appareil portable, comme illustré sur la figure 6b. L'appareil très flexible est adapté pour vérifier les positions difficiles, en particulier dans les coins cachés et les crevasses étroites, afin de déterminer avec précision l'emplacement de la source de rayonnement.

L'appareil mobile : (a) schémas fonctionnels de l'architecture et (b) une image de son prototype.

Le dispositif de passerelle agit comme une station centralisée pour recevoir des données provenant de dispositifs de détection de rayonnement, puis effectuer des fonctions d'agrégation de données et de transfert de données vers le centre d'exploitation et de contrôle (serveur). La passerelle reçoit également des données de contrôle et des commandes de configuration du serveur, puis transmet ces commandes aux dispositifs de détection de rayonnement correspondants. La passerelle est intégrée à des plates-formes de communication multi-radio, telles que 3G/LTE et LoRa, pour communiquer avec des dispositifs de détection de rayonnement. De plus, la passerelle est également intégrée aux modules WiFi et Ethernet pour assurer une communication fiable avec le serveur.

Dispositions et images prototypes de (a) la passerelle et (b) des modules LoRa, 3G/LTE et GPS équipés pour les appareils mobiles et fixes.

La figure 7a est la conception de la configuration et l'image réelle du dispositif de passerelle et la figure 7b est la conception de la configuration et l'image réelle du module de communication intégré LoRa, 3G/LTE et du récepteur GPS. Le module de communication intégré est utilisé sur toutes les passerelles, le dispositif de détection de rayonnement fixe et le dispositif de détection de rayonnement mobile. Dans le cadre limité de cet article, nous ne montrons pas en détail le protocole de communication LoRa économe en énergie spécifiquement conçu pour ce système de détection de rayonnement.

Le centre de surveillance et de contrôle comprend un système de services de serveur, des outils de gestion, un logiciel de surveillance et d'alerte, des processus de traitement et des procédures de détection et d'alerte des rayonnements. Leurs composants et fonctions sont les suivants.

Les serveurs de réseau et cloud sont chargés de communiquer avec les dispositifs de détection de rayonnement via la passerelle ou de communiquer directement avec les dispositifs de détection de rayonnement via l'infrastructure de réseau de communication mobile 3G/LTE. Les serveurs réseau et cloud sont également responsables de l'envoi des commandes de contrôle des utilisateurs aux appareils.

Le serveur de base de données est responsable du stockage des données reçues des dispositifs de détection de rayonnement via un serveur de réseau. Le serveur de base de données est également un endroit pour organiser et stocker les bases de données système et utilisateur selon la hiérarchie de gestion conçue.

Le serveur d'applications est le centre du sous-système de surveillance et de contrôle. Le serveur d'applications fournit des outils d'administration et de gestion du système, une surveillance des données, des modèles de traitement des données, des modèles d'avertissement et une réponse aux incidents de rayonnement. Le serveur d'applications crée un environnement qui permet aux utilisateurs d'interagir avec le système et fournit des services et des données pour les applications utilisateur.

L'application de bureau, l'application mobile et l'application Web fournissent une surveillance de l'environnement en temps réel, un système de contrôle et configurent les modes de fonctionnement de l'appareil pour examiner l'historique des paramètres de détection et rechercher l'emplacement de l'appareil sur une carte interactive numérique. Le logiciel d'application utilisateur fournit également des interfaces qui permettent aux utilisateurs d'interagir et d'exploiter le système, telles que la création et l'envoi de commandes de contrôle, la création de commandes pour configurer les modes de fonctionnement de l'appareil, la configuration des processus de détection de rayonnement et les services d'avertissement.

Sur la base des directives techniques de l'AIEA pour traiter le problème du contrôle des sources orphelines et d'autres matières radioactives dans les industries de recyclage et de production de métaux1,4,6 et de nos résultats d'enquête réels dans les installations de recyclage et de production de métaux au Vietnam, dans cette section, nous proposons des processus de détection, d'identification et d'alerte des rayonnements. Ces processus sont conçus, développés et intégrés dans le système IoRSS mentionné dans la section "Architecture système et conception matérielle pour un système de capteur de rayonnement basé sur l'IoT (IoRSS)".

Les objets d'un plan d'intervention en cas d'incident radiologique comprennent l'équipement humain, matériel et spécialisé. L'équipement spécialisé dans le système IoRSS proposé est les dispositifs de détection de rayonnement fixes et mobiles, la passerelle et le système de service de serveur. Les objets impliqués dans le plan de réponse aux incidents radiologiques peuvent être gérés et configurés par un logiciel fonctionnel avec l'organigramme d'activité décrit à la Fig. 8.

Organigramme de la gestion et de la configuration des objets dans l'IoRSS.

L'algorithme de détection et de surveillance des sources de rayonnement pour déclencher un niveau d'avertissement primaire du dispositif de détection de rayonnement fixe est illustré dans l'organigramme de la Fig. 9. Dans cet algorithme, le dispositif fixe joue un rôle dans la détection et la mesure en continu des paramètres de rayonnement et l'envoi au serveur via une passerelle utilisant la technologie de communication radio LoRa ou en transmettant directement au serveur de réseau via une infrastructure de réseau de communication mobile 3G/LTE. Après réception des données, le serveur de réseau stocke les données sur le serveur de base de données. Dans le même temps, les données sont également envoyées au serveur d'application pour le traitement, l'analyse et la fourniture de services de surveillance en temps réel pour le logiciel d'application.

Organigramme de la détection de rayonnement et de l'activation de l'alerte primaire sur le dispositif fixe.

Organigramme de la confirmation de rayonnement et de l'activation de l'avertissement secondaire sur l'appareil mobile.

Le serveur d'application fournit une carte de surveillance en ligne avec les informations suivantes : la valeur actuelle, la valeur moyenne sur une période de temps donnée et la valeur maximale du rayonnement mesuré, l'emplacement de l'appareil et le temps de mesure. Le serveur d'application exécute également des algorithmes d'analyse de données sur les données reçues. Dans le cas où la valeur mesurée dépasse un seuil prédéfini, le serveur d'application générera un niveau d'avertissement principal afin que les utilisateurs puissent utiliser l'appareil mobile pour confirmer l'existence de la source de rayonnement, identifier le type de rayonnement, le type de radio-isotope (basé sur l'algorithme d'analyse du graphique spectral) et l'emplacement exact de la source de rayonnement. Lorsque le niveau d'avertissement principal est initialisé, le serveur d'application envoie également une commande pour contrôler les appareils correspondants afin qu'ils activent leur alarme locale avec un haut-parleur, un buzzer ou une lampe de poche. Des avertissements de vitesse peuvent également être générés lorsqu'un véhicule de transport de ferraille est détecté comme se déplaçant trop rapidement à travers le dispositif de détection de rayonnement fixe.

Lorsque l'avertissement principal est reçu du système, les utilisateurs utiliseront l'appareil mobile pour vérifier et reconfirmer. Les paramètres mesurés à partir des appareils mobiles continueront d'être envoyés au serveur de réseau et traités par le serveur d'application. Sur la base du débit de dose de rayonnement confirmé par rapport au niveau des seuils préconfigurés, le système activera une procédure de réponse aux incidents correspondant au niveau de danger de la source de rayonnement détectée. L'algorithme pour confirmer la source de rayonnement et activer le processus de réponse aux incidents de rayonnement de l'appareil mobile est illustré dans l'organigramme de la Fig. 10.

Selon les recommandations de l'AIEA4, les incidents radiologiques sont divisés en 3 niveaux : le niveau 1 est dangereux lorsque les valeurs mesurées sont comprises entre : 0,3 et 1 μSv/h ; le niveau 2 est un niveau très dangereux lorsque la valeur mesurée est comprise entre 1 et 100 μSv/h ; le niveau 3 est un niveau extrêmement dangereux lorsque la valeur de mesure est supérieure à 100 μSv/h. Cependant, les niveaux de seuil peuvent également être ajustés en conséquence (par commande de configuration à distance) au fond d'environnement dans chaque zone spécifique. L'algorithme d'analyse et de traitement des données sur le serveur d'application pour déclencher les niveaux d'avertissement d'incident de rayonnement est présenté dans l'algorithme 1.

Au cours de la procédure de traitement de l'incident radiologique, la personne responsable est chargée d'informer et d'ordonner aux unités concernées de traiter rapidement l'incident. Le système IoRSS fournit une interface qui permet à l'administrateur de créer le contenu des messages et de les envoyer au serveur d'application. Le système enverra automatiquement ces informations aux unités et personnes concernées par SMS et e-mail. L'organigramme de création et d'échange d'informations pour prendre en charge le dépannage des rayonnements est illustré à la Fig. 11.

Organigramme des canaux d'information de soutien et du processus de traitement des incidents radiologiques.

Le système IoRSS fournit également des commandes pour contrôler les dispositifs de détection de rayonnement et interroger les paramètres de rayonnement à distance via l'interface du logiciel d'application. Ce mécanisme permet à l'utilisateur de connaître l'état de l'appareil, de configurer le mode de fonctionnement des appareils et de collecter des informations sur l'environnement de fonctionnement de l'appareil sans avoir à s'approcher de l'appareil en supposant que l'environnement est contaminé par la radioactivité.

Dans les procédures de contrôle et de mise à jour des informations de dépannage, l'administrateur peut également utiliser l'interface du système pour mettre à jour les informations sur la progression du contrôle et du dépannage, la récupération de la source de rayonnement, nettoyer l'environnement et résoudre le problème selon l'algorithme illustré à la Fig. 12.

Organigramme des processus de contrôle et de mise à jour des incidents radiologiques.

En plus de la conception matérielle et du développement du protocole de communication, un système de détection et de surveillance des rayonnements en temps réel comprend un logiciel pour surveiller et fournir l'emplacement et l'état des dispositifs de détection des rayonnements périodiquement, en continu ou sur demande. Ce logiciel fournit également des fonctions opérationnelles, l'administration du système, la décentralisation, les statistiques, les rapports et les avertissements sur les situations particulières. Pour réaliser les fonctions conçues et faciliter l'expansion et l'intégration futures du système, nous avons conçu les bibliothèques de la plate-forme pour fournir des services basés sur la localisation (LBS) qui permettent la mise en œuvre d'applications de mise à jour et un accès rapide aux données dans un processus synchronisé. Le logiciel utilitaire est en cours de développement : positionnement et surveillance de l'affichage dans un logiciel temps réel ; logiciel d'administration système pour la configuration du mode de fonctionnement et de gestion (code, renouvellement, actif, inactif, etc.) des appareils ; logiciels de recherche et d'interrogation de données; utilitaire de diagnostic, débogage et récupération du système ; alerte/avertissement automatique selon chaque niveau via SMS, e-mail ou appel aux personnes responsables en cas d'événements d'avertissement ; l'enregistrement de la surveillance des services publics et la fourniture d'instructions sur la manière de gérer des situations particulières, telles que le débit de dose de rayonnement dépassant la limite prescrite ou la détection de matières radioactives dans la ferraille ; et un logiciel montrant les données analytiques et statistiques sur l'emplacement, l'état de fonctionnement de l'appareil, le débit de dose de rayonnement, la présence de neutrons et l'état de la batterie sous forme de tableaux et de graphiques.

Les figures 13 et 14 sont des images d'applications Web et d'applications pour smartphone, respectivement, qui montrent les fonctions de gestion et de configuration d'objets, de détection et d'avertissement de rayonnement, de traitement des incidents de rayonnement, de contrôle et de mise à jour des incidents de rayonnement et de surveillance en temps réel des sources de rayonnement.

Application utilisateur avec une interface Web, personnalisée pour les utilisateurs vietnamiens.

Application utilisateur sur smartphone, personnalisée pour les utilisateurs vietnamiens.

Dans cette section, nous présentons les résultats d'essais approfondis sur le terrain dans des installations de recyclage et de production de ferraille afin d'évaluer les performances de la proposition.

Les sources radioactives, si elles sont présentes dans les déchets métalliques, sont généralement protégées par des matériaux métalliques, ce qui entraîne de très faibles niveaux de rayonnement rejetés dans l'environnement. Par conséquent, pour augmenter la probabilité d'être détecté, l'emplacement de l'installation du système de détection de rayonnement dans ce cas est essentiel. Sur la base des résultats réels de l'enquête, nous suggérons certains des meilleurs emplacements d'installation, qui sont à l'entrée du camion de ferraille entrant, à côté de la station de pesage, sur la grue utilisée pour transporter les matériaux, à côté du curseur d'entrée / sortie, dans l'électroaimant utilisé pour soulever et manipuler la ferraille dans la cour, ou devant la porte du four à métal. Des dispositifs de détection des rayonnements installés à ces endroits permettraient une sensibilité accrue dans la détection des sources orphelines tout en assurant un faible impact sur les activités de production de l'installation.

Schéma du déploiement et de l'installation de l'IoRSS dans une installation de recyclage de ferraille.

Test du système de détection radioactive dans une installation de recyclage de ferraille.

La figure 15 illustre un scénario d'installation d'un système de détection radioactive dans une installation de recyclage de ferraille. Par conséquent, un dispositif fixe de détection de rayonnement est disposé sur un côté de l'entrée pour mesurer les niveaux de rayonnement des véhicules qui transportent de la ferraille lorsqu'ils entrent dans l'installation de recyclage. Le détecteur de rayonnement peut être installé sur le crochet de la grue, qui est déplacé par le mécanisme de déplacement de la grue. Le détecteur de rayonnement est relié à l'unité centrale de traitement du dispositif fixe par l'intermédiaire d'un câble disposé dans la goulotte suspendue. Le système de grue amène la ferraille du véhicule de transport à la zone de collecte de la ferraille d'entrée pour se préparer à la mise dans le four ou au transport du produit coulé de sortie vers la cour de sortie. Selon cette installation, le détecteur radioactif est toujours approché de la ferraille d'entrée et du produit de sortie à la meilleure distance pour pouvoir détecter la plus petite source radioactive, le cas échéant, soit dans la ferraille, soit dans la sortie de produit (dans le pire des cas, la capacité à détecter la radioactivité à l'entrée est manquée). Si un rayonnement est détecté, le dispositif fixe émettra une alerte locale et enverra un avertissement principal au serveur. Les radiologues peuvent utiliser des appareils mobiles pour vérifier l'avertissement principal et détecter avec précision l'emplacement, le niveau et le type de source de rayonnement. De plus, des caméras et des accéléromètres (non représentés sur la figure) peuvent également être placés à des endroits appropriés pour enregistrer des images et déterminer la vitesse de chaque véhicule lorsqu'il sort et se rend à l'installation de recyclage.

Après avoir été assemblé et dosé en laboratoire, le système proposé a été testé plusieurs fois sur le terrain. La configuration de test comprend un appareil fixe et deux appareils mobiles. Le dispositif fixe est installé selon le schéma recommandé, comme illustré à la Fig. 15. La Figure 16 comprend des images d'un système de test dans une installation de coulée de ferraille. Les résultats montrent que le système de détection de rayonnement fonctionne de manière stable et n'affecte pas le fonctionnement de la fonderie. Les principales activités de test et leurs résultats sont présentés dans le tableau 1.

Le dispositif fixe de détection de rayonnement est normalisé sur un champ de référence radiométrique (mesure du débit de dose) avec des sources gamma standards telles que 137Cs, 60Co, 133Ba, 241Am et 228Th. L'appareil mobile de détection des rayonnements est un analyseur de spectre (comptes enregistrés dans le temps) et est également standardisé avec les sources radioactives ci-dessus. La précision et la fiabilité des dispositifs de détection de radioactivité ont été confirmées par des tests réels. Une fois que l'appareil fixe avec système de surveillance du débit de dose détecte un changement dans le champ de rayonnement (augmentation du débit de dose) et fournit une alarme principale, l'appareil mobile est amené à déterminer le type de source de rayonnement et sa source d'activité en analysant le spectre de rayonnement enregistré sur l'écran de l'appareil.

Pour évaluer la capacité à détecter les sources radioactives du système IoRSS proposé, nous avons testé un système prototype composé d'un détecteur radioactif fixe et d'un détecteur radioactif mobile dans une installation de recyclage de ferraille dans la province de Bac Ninh, au Vietnam.

La mesure du débit de dose gamma moyen pendant la période de test du 19 mars 2021 au 20 avril 2021.

La figure 17 est le résultat de la mesure du débit de dose gamma moyen pendant la période de test du 19 mars 2021 au 20 avril 2021. On peut voir que la valeur gamma enregistrée à partir du système IoRSS varie avec le niveau moyen de rayonnement de fond de la zone de test (environ 0,06 μSv/h). Pendant la période d'essai, le système IoRSS n'a pas détecté de sources radioactives à l'installation de recyclage de ferraille. Le graphique de la Figure 19 montre que les 6 et 7 avril 2021, il y a eu une augmentation soudaine du niveau de rayonnement gamma moyen (environ 0,2 μSv/h). La raison en est que pendant ce temps, l'équipe de recherche a utilisé une source radioactive à faible activité (une source radioactive utilisée dans la recherche) placée au hasard dans la ferraille pour vérifier la capacité à détecter, avertir et identifier la source radioactive du système IoRSS. Les résultats des tests ont montré que le système IoRSS a détecté avec précision l'emplacement de la source radioactive, activé le niveau d'avertissement de rayonnement correspondant et reconnu cette source radioactive (137Cs).

Le système proposé a été initialement conçu pour identifier trois types courants de sources de rayonnement industriel qui émettent des rayons gamma : 192Ir, 137Cs et 60Co. Les énergies des rayons gamma de ces sources sont respectivement de 317 keV, 662 keV, 1173 keV et 1332 keV46. Dans les expériences, les auteurs ont utilisé 133Ba (356 keV) au lieu de 192Ir en raison de la disponibilité dans le laboratoire d'étalonnage. Les rayons gamma de ces deux sources ont des niveaux d'énergie relativement proches.

Sur le spectre de rayonnement gamma mesuré, il apparaîtra trois régions de pic correspondant aux énergies ci-dessus. Par conséquent, l'algorithme pour déterminer les noms des sources radioactives est conçu comme suit.

S'il y a un pic local dans la plage de 300 à 400 keV alors que le comptage au niveau de 400 keV est faible, l'isotope de rayonnement est considéré comme 133Ba.

S'il y a un pic local dans la plage de 600 à 720 keV alors que le comptage au niveau de 800 keV est faible, l'isotope de rayonnement est considéré comme 137Cs.

S'il y a deux pics locaux avec des niveaux d'énergie supérieurs à 1100 keV, il pourrait y avoir une source de 60Co.

Déterminer le nom de la source en fonction de la région d'énergie est plus pratique, plus facile et plus rapide que d'avoir à ajuster la machine, en calculant le canal exact correspondant au pic. Les spectromètres de rayonnement dans des conditions de fonctionnement dans l'environnement, à proximité de la source de chaleur, dérivent souvent d'environ 10 %, il est donc raisonnable de prendre la région du pic de sorte que le pic du spectre, même s'il dérive, soit toujours dans la région sélectionnée.

La source de neutrons utilisée dans l'industrie est généralement une source Ra-Be ou Am-Be. Bien qu'elles soient des sources de neutrons, ces sources produisent toujours un champ de rayonnement gamma d'accompagnement. En effet, la poudre Ra, en plus d'émettre des particules alpha qui forment des neutrons, émet également un rayonnement gamma. La source 241Am émet un gamma doux de 59 keV, mais le neutron généré interagit avec la matière environnante en réponse au rayonnement de capture, de sorte qu'il produit toujours des fluctuations du débit de dose du champ gamma. Les systèmes de mesure des neutrons ont en général une faible efficacité d'enregistrement (en raison de la faible probabilité d'interaction des neutrons avec le détecteur) et l'utilisation d'enregistreurs de neutrons nécessite des opérateurs bien formés. Cependant, il existe un moyen simple de détecter les neutrons : utilisez un convertisseur de paraffine mélangé à de la poudre de Bo. Les neutrons ralentis par la paraffine seront absorbés par B10 dans Bo (qui a un rapport isotopique de 19,5 %) et émettront un gamma de 478 keV. Ces détecteurs à scintillation à enregistrement gamma ont ce rendement d'enregistrement gamma très élevé, proche de 100% avec une épaisseur de cristal de 3 cm. C'est un moyen efficace de détecter les neutrons. Les régions spectrales spécifiques pour identifier les sources de 192Ir, 137Cs et 60Co sont indépendantes de la région de 478 keV, de sorte que la région de 478 keV (prise d'environ 420 à 550) est utilisée pour confirmer la présence de neutrons. Comme le gamma 478 keV émis est un grand pic, l'évaluation des neutrons est basée sur l'algorithme suivant :

Pas de pics de 192Ir ou 133Ba, 137Cs et 60Co (comme algorithme descripteur de la fonction de détection de source gamma).

Le taux de comptage augmente dans la région de 420 keV à 550 keV.

Les sources radioactives qui doivent être identifiées sont celles utilisées dans l'industrie, la médecine et l'irradiation pour la conservation et la stérilisation des aliments. Ce sont des sources d'impact sur la santé humaine s'ils sont perdus dans l'environnement et ce sont des objets qui doivent être détectés et identifiés s'ils sont mélangés à de la ferraille. Les sources de radiomètre standard du laboratoire ne sont pas incluses dans la détection de ce système.

Les performances et les spécifications des appareils à rayonnement fixes et mobiles sont répertoriées dans les tableaux 2 et 3, respectivement. La figure 18 montre les spectres d'énergie de certaines sources radioactives mesurées par des appareils mobiles. Les pics dans les graphiques de 137Cs, 133Ba et 60Co sont respectivement d'environ 670 keV, 345 keV, 1160 keV et 1345 keV. Comparativement aux données de 46, les erreurs correspondantes sont d'environ 1,2 %, 3,1 %, 1,1 % et 1,0 %. Les petits décalages des pics n'ont aucun effet lors de l'identification des trois isotopes de rayonnement. Cependant, lors de l'identification de sources avec des niveaux d'énergie proches, ces erreurs peuvent prêter à confusion. Dans ce cas, les solutions possibles pourraient être de prolonger le temps de capture, d'appliquer un filtre ou de personnaliser l'algorithme d'identification.

Représentation spectrale des sources radioactives détectées par les appareils mobiles (chaque canal correspond à environ 2,06 keV).

Pour évaluer la fiabilité des communications sans fil LoRa et assurer un échange de données fiable et répondre aux exigences en temps réel de l'IoRSS, nous avons mis en place les configurations et scénarios suivants. Une passerelle se trouve à un endroit fixe et 1 à 15 appareils mobiles (avec modules LoRa) sont déployés autour d'elle en tant que nœuds LoRa. La distance entre la porte d'entrée et les nœuds varie de 500 m à 3500 m en milieu urbain. Le facteur d'étalement, la bande passante, le taux de codage, la puissance de transmission et la taille de la charge utile des nœuds sont respectivement de 10, 125 kHz, 4/8 et 17 dBm. Nous évaluons le taux de perte de paquets en fonction du nombre de nœuds (densité du réseau), de la distance de transmission, du rapport cyclique (cycle d'envoi des paquets) et de la longueur des paquets.

Dans le premier test, nous avons envoyé 200 messages de 100 octets de longueur toutes les 30 s. Comme le montre la Fig. 19, tous les nœuds ont la même forme de graphique, montrant la relation entre la distance de transmission et le taux de perte de paquets. Cela signifie que les nœuds de test ont une bonne fiabilité de communication si la distance est inférieure à 2,5 km et que le taux de perte de paquets commence à augmenter considérablement si la distance est supérieure à 2,5 km. En théorie, la distance de transmission de LoRa varie de 2 à 3 km en milieu urbain, et les résultats de ce test ont prouvé que notre système proposé, en pratique, assure toujours la distance de transmission, conforme à la théorie. Bien qu'il existe un taux de perte de paquets élevé lorsque la distance est supérieure à 3 km, nous pouvons réduire ce taux en utilisant une antenne à gain plus élevé ou en plaçant la passerelle à une position plus élevée pour assurer une propagation en visibilité directe.

Taux de perte de paquets moyen en fonction de la portée de transmission.

La figure 20 montre la relation entre le taux de perte de paquets, le rapport cyclique et le nombre de nœuds actifs. Dans ce scénario de test, la taille de chaque paquet de longueur fixe est de 100 octets. À mesure que le nombre de nœuds augmente, le taux de perte de paquets augmente également. Cela est évident car à mesure que le nombre de nœuds actifs augmente, le nombre de paquets envoyés dans le système augmente, ce qui entraîne une augmentation de la probabilité de collisions de paquets et une augmentation du taux de perte de paquets. Cependant, lorsque la fréquence d'envoi de paquets est faible, même si le nombre de nœuds augmente, le système fonctionne toujours de manière stable et fiable avec un taux de perte de paquets inférieur à 2 %.

Lorsque le cycle d'envoi de paquets atteint 160 paquets/heure (c'est-à-dire qu'un paquet est envoyé toutes les 22,5 s en moyenne), le taux de perte de paquets est assez important, jusqu'à 10 % et 6 %, respectivement à 15 et 10 nœuds actifs. Cependant, le protocole de communication LoRa de ce système est conçu pour fonctionner avec le mécanisme d'accusé de réception (ACK), donc à un cycle de service élevé, il garantit toujours que les paquets atteignent correctement la passerelle/le serveur. Il convient de souligner qu'il s'agit d'un scénario de test avec une distance de transmission allant jusqu'à 2,5 km. En fait, la portée de fonctionnement des appareils est normalement de quelques centaines de mètres dans la zone des installations de recyclage de ferraille populaires. À cette distance, le taux de perte de paquets est presque nul, comme le montre la Fig. 19. Si les appareils de détection de rayonnement doivent fonctionner en dehors de la couverture de la passerelle, le module de communication 3G/LTE de ces appareils sera activé pour assurer une connexion fiable entre les appareils et le serveur.

Taux de perte de paquets moyen en fonction des cycles de service.

Le scénario de test suivant évalue l'effet de la longueur des paquets sur les performances du système. À mesure que la longueur du paquet augmente, le temps nécessaire pour effectuer la modulation au niveau du nœud et la démodulation au niveau de la passerelle augmente également. De plus, l'augmentation de la taille du paquet entraîne une augmentation de la durée de diffusion du paquet. Par conséquent, lors du traitement des paquets, si un autre paquet est également envoyé, le nouveau paquet entrant sera considéré comme une interférence et sera rejeté.

La figure 21 représente la relation entre le taux de perte de paquets, la longueur des paquets et le nombre de nœuds actifs. Dans ce scénario de test, chaque nœud envoie cinq paquets par minute. Les résultats montrent qu'à mesure que la longueur du message augmente, le taux global de perte de paquets augmente également. Cependant, contrairement à l'effet du cycle de service, la longueur du paquet a peu d'impact sur les performances du système. Lorsque la longueur du message atteint 200 octets et que 15 nœuds sont actifs, le taux de perte de paquets n'est que de 0,9 %. Ce résultat montre que la passerelle atteint des performances élevées sous une charge élevée.

Taux moyen de perte de paquets en fonction de la longueur du paquet.

Dans cette sous-section, nous évaluons la latence et le délai de traitement de la communication radio entre les dispositifs de détection de rayonnement et la passerelle en fonction du paramètre de temps d'antenne (ToA). Étant donné que le module de communication des dispositifs de détection de rayonnement et la passerelle sont intégrés au module LoRa SX1276, nous utilisons l'outil de calcul du modem LoRa47 pour calculer, sélectionner et configurer les paramètres du modem LoRa, la configuration des paquets et la fréquence radio pertinente pour le système IoRSS proposé. Le LoRa Modem Calculator Tool47 est un logiciel open-source, fourni gratuitement par Semtech. Il s'agit d'un outil commun utilisé par de nombreux chercheurs pour le développement de matériel LoRa. La figure 22 est une capture d'écran de l'interface de l'outil de calcul de modem LoRa qui est installée sur l'ordinateur HUST, avec des paramètres spécifiques sélectionnés conformément au système IoRSS proposé. Par exemple, comme le montre la Fig. 22, la longueur de la charge utile = 57 octets et le préambule programmé = 8 octets correspondent à la structure de message conçue échangée entre les détecteurs de rayonnement et le concentrateur de passerelle IoRSS dans le système IoRSS (la structure de message conçue n'est pas présentée dans cet article en raison de la limitation d'espace), la fréquence sélectionnée est de 915 MHz, qui est une bande de fréquence non enregistrée au Vietnam, la puissance d'émission est fixée à 17 dB, permettant une communication fiable entre les appareils sans fil en quelques centaines de mètres correspondant à la taille des installations de recyclage de métaux typiques au Vietnam. Les paramètres utilisés pour calculer la latence et le délai de traitement sont référencés dans la fiche technique LoRa SX127x48. Dans le prochain test, nous mesurerons et évaluerons deux paramètres : le temps d'aller-retour (RTT) et le temps de traitement sur la passerelle. Le RTT est la durée, mesurée en millisecondes, calculée à partir du moment où un nœud envoie un message jusqu'au moment où il reçoit une réponse d'un serveur. La formulation pour calculer le RTT est comme indiqué dans l'Equ. (1), où \(T_p\) est le temps de propagation, qui est égal au temps d'antenne (ToA) dans ce test, et \(T_s\) est le temps de traitement sur la passerelle.

Pour mesurer le temps de traitement \(T_s\), nous utilisons la même configuration pour la passerelle et les nœuds que dans le scénario de test de distance et de fiabilité ci-dessus. Dans ce test, chaque nœud transfère au hasard 100 octets à la passerelle. La distance entre les nœuds et la passerelle est fixée à 1 km. Le nombre de nœuds varie de 5 à 50. Nous capturons l'heure à laquelle un nœud commence à envoyer un message et l'heure à laquelle le nœud reçoit un message ACK de la passerelle pour calculer les RTT. Nous capturons également l'heure à laquelle la passerelle a reçu des messages des nœuds et l'heure à laquelle la passerelle a envoyé des messages ACK pour calculer le temps de traitement sur la passerelle. Les paramètres ToA sont calculés selon la formulation indiquée dans la fiche technique SX127x48. Dans ce test, nous utilisons le LoRa Modem Calculator Tool47 pour calculer la valeur exacte du paramètre ToA correspondant à la configuration dans ce scénario de test. Comme le montre la Fig. 22, le ToA dans ce scénario de test est de 985,09 ms.

Calcul de ToA dans l'outil de calcul de modem LoRa48.

Latence et délai de traitement en fonction du nombre de nœuds.

Les résultats analysés sur la Fig. 23 montrent qu'à mesure que le nombre de nœuds se connectant et envoyant des données à la passerelle augmente, le temps de traitement sur la passerelle augmente, et donc le RTT augmente. Cela est évident car à mesure que le nombre de nœuds augmente, la quantité de données envoyées à la passerelle augmente, ce qui entraîne une augmentation du temps de traitement et des ressources sur la passerelle. Cependant, dans le système proposé, le temps de traitement sur la passerelle varie de 20 ms pour 10 nœuds à 250 ms pour 50 nœuds. Ce résultat est acceptable et satisfait parfaitement l'exigence de latence (la latence est inférieure à 300 ms dans un système LoRa commun avec la même configuration).

La consommation électrique d'un nœud dépend de deux composants principaux : le fonctionnement du processeur et le fonctionnement de l'émetteur-récepteur du module LoRa. Dans le système proposé, le nœud utilise un STM32L072RBT649 comme unité de processeur (MCU), et le module LoRa utilise la puce RFM9550 pour l'émetteur-récepteur radio. Les résultats des calculs théoriques (basés sur la fiche technique des STM32L072RBT6 et RFM95) et les résultats des tests pratiques montrent qu'en mode de fonctionnement normal (16 MHz), le nœud (seul le MCU fonctionne) consomme environ 1,8 (μA). En mode veille, la consommation de courant est de 0,35 (μA). Pour le module Lora, à de courtes distances de transmission, le courant consommé lors de la transmission est de 23 mA et le courant consommé lors de la réception est de 11 mA. La figure 24 est une image du test de performance du nœud LoRa et de la mesure de la consommation électrique. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats de calculs théoriques publiés dans les documents de conception du module émetteur-récepteur LoRa (module LoRa SX1278 utilisant la puce RFM95) et de l'unité à microprocesseur (STM32L072RBT6) pour démontrer les performances du matériel conçu et prototypé dans ce travail. Le tableau 4 résume les résultats des mesures.

Test de performance du nœud Lora et mesure de la consommation d'énergie.

Dans cette section, les auteurs discutent de certaines questions importantes concernant la performance et l'applicabilité du système proposé. Les points de discussion comprennent l'évaluation des résultats actuels, les limites et les applications possibles ; le coût du système et le rapport coût-efficacité ; la nécessité de tests plus intensifs dans des conditions de travail réelles ; et travaux futurs.

Dans cette étude, les auteurs ont proposé un système Internet complet de capteurs de rayonnement. Le travail est une conception expérimentale applicable à un problème technique qui a vraiment un sens pour la société. Parmi les principaux résultats de cette étude, le matériel de détection de rayonnement et le système IoT sont les plus importants. Tout d'abord, en ce qui concerne la mesure du rayonnement et la résolution de l'énergie des rayons gamma, par rapport à l'étude similaire12 qui utilisait un détecteur plus grand, cette étude obtient un résultat relativement bon. Les spectres énergétiques de l'étude de référence sont un peu meilleurs que celui de l'étude proposée ; cela pourrait être dû à la plus grande taille du cristal de scintillation. Cependant, les détecteurs des deux études sont excellents pour identifier les isotopes radioactifs industriels courants. Deuxièmement, le réseau et le protocole IoT du système proposé sont construits sur la base de conceptions robustes. Il pourrait s'agir de l'un des premiers systèmes IoT régionaux à faible coût dans le domaine de la détection des rayonnements pour le recyclage de la ferraille. Par conséquent, les auteurs ont mesuré les paramètres de communication plutôt que de comparer le système IoT proposé avec une conception de référence. Bien que cela puisse être une limitation qui devrait être abordée dans la prochaine étude, le système IoT proposé est bien adapté aux exigences de connexion des appareils dans le système proposé.

Étant donné que l'ensemble du système est entièrement modulaire, l'IoRSS proposé peut être facilement personnalisé non seulement pour les détecteurs et autres matériels, mais également pour le réseau et le protocole IoT. Cela rend le système plus flexible et faisable. La conception proposée pourrait être un bon choix pour les pays en développement afin de suivre les recommandations de l'Agence internationale de l'énergie atomique. Le système est également une solution pour les usines de recyclage pour faire évoluer le classement de leurs produits en s'équipant d'appareils de contrôle de la radioprotection. Cela signifie que le système proposé profite non seulement aux usines de recyclage des métaux, mais également à l'ensemble de la société.

Le coût du système peut ne pas être un gros problème lorsqu'il est largement équipé pour de nombreuses installations de recyclage de ferraille. Les principales raisons sont : (i) le coût du système proposé n'est pas très élevé et sera fortement réduit en production de masse ; (ii) les coûts d'investissement et les revenus des usines de recyclage des métaux sont souvent importants ; et (iii) il existe des réglementations sur la responsabilité de la détection des sources radioactives pour le recyclage de la ferraille4. En ce qui concerne (i), le coût de l'ensemble du système dépend principalement des détecteurs de rayonnement, des unités matérielles et du système IoT. Dans la configuration proposée, l'utilisation de deux types bien connus de détecteurs de rayonnement rend le coût moins efficace que les systèmes à un seul détecteur. Cependant, l'architecture et la conception du système permettent à plusieurs usines de partager le même appareil mobile et le même système IoT. Cette utilisation pourrait être une bonne solution pour les pays en développement, où de nombreuses petites et moyennes installations de recyclage des métaux sont réparties dans la même région. Lors de l'examen (ii), les auteurs comparent le coût du système proposé (unités de dix mille USD) et les coûts d'investissement (unité de millions USD) et les revenus (unité de millions USD) des installations de recyclage de ferraille de taille moyenne. Dans les petites usines, le système proposé pourrait être un équipement de luxe ; cependant, il est un fait que la production des installations à petite échelle est généralement l'entrée des grandes usines. Ainsi, l'installation de grandes et moyennes usines de recyclage des métaux a encore un sens pour la société. De plus, lorsque tous les pays obligeront toutes les usines de recyclage de métaux à être équipées de détecteurs de rayonnement, comme mentionné au point (iii), la faible augmentation d'un coût de production sera un problème mondial ; par conséquent, ce n'est pas un problème pour une usine spécifique.

En plus de la question financière, il existe un compromis entre le coût d'investissement, la capacité de détection des rayonnements et la vitesse de réponse. Le premier point ici serait la densité des dispositifs de détection de rayonnement dans le système IoRSS par rapport à l'efficacité de la détection et aux coûts associés à cette densité. Pour augmenter la probabilité de détection de rayonnement dans une grande zone, il faut installer un grand nombre et une grande densité d'appareils. L'efficacité de détection dépend également du type et de la taille des détecteurs de rayonnement ; les détecteurs les plus avancés et les plus grands présentent de meilleures performances41. Cependant, dans cette étude, aucune analyse économique n'a été effectuée pour comprendre la relation entre l'argent dépensé pour les appareils et la probabilité de détection.

Le point suivant ici serait la relation entre le taux d'alarmes intempestives et la vitesse de réponse du système. Le dispositif stationnaire est configuré pour mettre à jour le débit de dose toutes les 1 seconde. Cependant, afin de réduire l'alarme intempestive aux faibles débits de dose, l'algorithme logiciel nécessite jusqu'à 5 secondes pour la confirmation. Même lorsque l'alarme est instable, il faut plus de temps pour mettre l'appareil mobile en marche. L'algorithme logiciel peut être facilement configuré pour répondre plus rapidement ; cependant, un débit de dose de fond élevé peut déclencher une fausse alarme et perturber le fonctionnement de l'usine. Ainsi, en termes de vitesse de réponse, le système proposé n'est pas en temps réel au sens générique. Cependant, comparée au délai de production des métaux, cette vitesse est suffisante pour détecter et isoler le risque de recyclage des matières radioactives.

Pour valider pleinement le système proposé, des tests plus intensifs en conditions réelles de travail. Réaliser plus d'expériences dans les usines de recyclage de ferraille pourrait rendre le système proposé plus complet et plus pratique. De plus, tester le système dans des conditions identiques aide les auteurs à isoler les effets d'association. Bien que cela puisse être une limite actuelle de l'étude, il n'est pas facile de réaliser de nombreuses expériences dans des installations de recyclage de ferraille. La raison en est que dans les pays en développement, le recyclage de la ferraille pollue généralement l'environnement ; notamment en polluant l'air lors de la fusion de la ferraille. Par conséquent, les propriétaires d'installations se méfient de toute recherche liée à la mesure dans leurs usines, quelles que soient les explications. Par conséquent, les chercheurs ont eu peu d'occasions de réaliser les expériences dans les conditions de travail souhaitées au sein des usines. Pour surmonter ce défi, le soutien et les autorisations légales des gouvernements sont utiles.

L'applicabilité de l'IoRSS serait élargie si le matériel de mesure était considérablement amélioré en taille et en coût ; le système de communication IoT est validé à plus grande échelle dans des conditions environnementales difficiles ; l'ensemble du système est testé de manière intensive dans différents types et échelles d'installations de recyclage des métaux. De plus, mener plus d'études pour trouver le compromis entre les alarmes intempestives et la sensibilité rendrait l'IoRSS plus efficace.

Dans cet article, nous avons conçu et développé le système Internet de capteurs de rayonnement (IoRSS) pour détecter les sources radioactives hors contrôle réglementaire dans les installations de recyclage et de collecte de la ferraille et de l'acier. L'IoRSS consiste en un réseau d'appareils de détection de rayonnement fixes et mobiles connectés sans fil utilisant le protocole de communication radio fiable LoRa. Le dispositif de détection de rayonnement, basé sur la combinaison de tubes GM et de scintillateurs CsI(Tl), a été largement testé dans de multiples conditions, notamment un fonctionnement à haute température, à forte accélération et dans un champ magnétique élevé dans de véritables installations de recyclage et de production de ferraille. Les résultats des tests montrent qu'avec la proposition d'algorithmes, d'approches, d'outils logiciels, de spécifications pour l'intégration des données et l'automatisation du traitement de l'information pour optimiser les ressources limitées, l'IoRSS offre une capacité de détection plus robuste et améliore l'utilisation de l'analyse des données dans l'évaluation de la détection et de la réponse aux incidents radiologiques. De plus, la construction d'un système de détection de rayonnement basé sur un système IoT permet d'économiser une grande quantité d'énergie, d'augmenter les taux de transfert de données et de réduire la latence.

Les principales caractéristiques techniques du système IoRSS proposé peuvent être résumées comme suit :

Communication : utilisation de la technologie de communication radio LoRa à faible puissance pour communiquer entre les dispositifs de détection de rayonnement et la station passerelle. Utilisation d'une infrastructure de réseau de communication mobile pour communiquer entre la passerelle et le centre de contrôle (cloud/serveur).

Surveillance de la localisation : fournit et affiche une localisation précise de l'appareil avec une précision de positionnement GPS d'environ 5 m dans de bonnes conditions météorologiques et environnementales.

Détection et identification de la source de rayonnement : Fournit des informations sur le nombre d'impulsions de rayonnement et le débit de dose sur le site de mesure, et déclenche une alerte lorsque le rayonnement dépasse un seuil donné. Capable d'identifier les sources radioactives sur la base d'une fonction d'analyse de graphe spectral.

Structure mécanique : L'appareil a une structure mécanique adaptée à une installation dans des installations de recyclage de ferraille et d'acier de petite et moyenne taille. La méthode de montage assure la sécurité de l'appareil et n'affecte pas le fonctionnement normal des installations. La taille physique de l'appareil mobile est adaptée à une utilisation portative.

Contrôle et configuration : L'appareil dispose de la fonctionnalité de paramétrage/requête de configuration à distance via SMS (paramètre de configuration/requête par message de téléphone mobile) ou TCP/IP (via l'interface Web).

Procédures d'intervention et d'alerte en cas d'incident radiologique : le système IoRSS fournit des niveaux d'alerte et active les procédures de détection et d'intervention en cas d'incident radiologique correspondant au niveau de danger de la source radioactive détectée.

Alimenté par batterie : Appareils mobiles alimentés par des batteries rechargeables. La durée de fonctionnement moyenne de chaque charge complète de la batterie est de 3 jours.

Logiciel de surveillance : le logiciel fonctionne de manière stable avec les fonctions de décentralisation de l'accès, de rapports statistiques, de surveillance en ligne et en temps réel, de contrôle et de configuration à distance et de fonctionnalités de haute sécurité.

À l'avenir, le système IoRSS sera étendu pour être compatible avec plusieurs autres technologies de détection nucléaire et connecté pour former un système de contrôle et de surveillance intelligent. Divers types de capteurs et de détecteurs seront également intégrés au système pour permettre la détection d'autres types de matières dangereuses telles que les explosifs, les agents biologiques et les armes. L'intégration de capteurs et de détecteurs fixes de différents types montés sur une gamme de plates-formes portables telles que des véhicules aériens sans pilote et des appareils portables pourrait améliorer considérablement l'efficacité de l'IoRSS et peut être facilement implémentée dans nos processus et appareils de fonctionnement existants. La prochaine étude prévue se concentrera sur l'atténuation de certains des défis liés aux réseaux basés sur l'IoT, tels que l'hétérogénéité des appareils, le traitement de la génération hétérogène de données volumineuses non structurées par des capteurs et la sécurité des données. Nous développerons également des algorithmes avancés et des modèles de traitement de données utilisant l'intelligence artificielle pour fournir des services et des applications intelligents.

Agence internationale de l'énergie atomique. Sécurité des sources radioactives. Collection Sécurité nucléaire de l'AIEA, Vienne 11 (2009).

Agence vietnamienne de radioprotection et de sûreté nucléaire. Sécurité des sources de rayonnement. http://www.varans.vn/ (2021).

Agence internationale de l'énergie atomique. Glossaire de sûreté Iaea : Terminologie utilisée en sûreté nucléaire et radioprotection 2007e éd. (AIEA, Vienne, 2007).

Commission économique des Nations Unies pour l'Europe. Recommandations sur les procédures de surveillance et d'intervention pour la ferraille radioactive. ECE/TRANS/NONE/2006/7, Vienne (2006).

Agence internationale de l'énergie atomique. Code de conduite sur la sûreté et la sécurité des sources radioactives. AIEA/CODEOC/2004, Vienne (2004).

Agence internationale de l'énergie atomique. Contrôle et gestion des matières radioactives incorporées par inadvertance dans la ferraille. Proc. Int. Conf. Tarragone, 2009 (2011).

Dang Thanh Luong. Recherche et développement, développement et construction d'une équipe nationale et internationale (VIETNAM AGENCY FOR RADIATION AND NUCLEAR SAFETY, Hanoi, 2014).

Carminati, M., Di Vita, D., Morandi, G., D'Adda, I. & Fiorini, C. Spectromètre gamma portable conforme magnétique pour la surveillance de l'environnement et le dépistage de la ferraille. Capteurs 22, https://doi.org/10.3390/s22041412 (2022).

Brunelli, D., Pino, F., Fontana, CL, Pancheri, L. & Moretto, S. Dragon : Drone pour la détection des rayonnements gamma et neutrons. Dans 2020 IEEE SENSORS, 1–4, https://doi.org/10.1109/SENSORS47125.2020.9278835 (2020).

Flanagan, RR, Brandt, LJ, Osborne, AG & Deinert, MR Détection de matières nucléaires en milieu urbain à l'aide de réseaux de capteurs mobiles. Capteurs 21, https://doi.org/10.3390/s21062196 (2021).

Huban, AG et Kimberly, K. Technologies de détection nucléaire. Département américain de la sécurité intérieure (DHS), UNSCR 1540 COMPASS, numéro 3 (2014).

Kim, JH, Back, HK & Joo, KS Développement d'un sac à dos de détection de rayonnement sans fil utilisant un photomultiplicateur au silicium (sipm). Nucl. Ing. Technol. 52, 456–460. https://doi.org/10.1016/j.net.2019.07.027 (2020).

Article CAS Google Scholar

Tran-Quang, V. & Miyoshi, T. Aprees : protocole de routage adaptatif pour les réseaux de capteurs sans fil à grande échelle. En 2007 Conférence de la société des communications de l'IEICE, S–154 (2007).

Tran-Quang, V., Ngo-Quynh, T. & Jo, M. Un algorithme de localisation de latération pour le suivi de cible économe en énergie dans les réseaux de capteurs sans fil. Ad Hoc Sens. Wirel. Réseau 34, 191-220 (2016).

Google Scholar

Tran-Quang, V. & Miyoshi, T. Bilan énergétique sur le protocole de routage adaptatif compte tenu du problème de couverture de détection pour les réseaux de capteurs sans fil. Dans ICCE 2008. Deuxième conférence internationale sur les communications et l'électronique, 2008, 86–91 (IEEE, 2008).

Ngo-Quynh, T., Tran-Quang, V. & Nguyen-Trung, Q. Un protocole de communication à faible latence pour le suivi des cibles dans les réseaux de capteurs sans fil. EURASIP J. Wirel. Commun. Réseau 2016, 33 (2016).

Article Google Scholar

Holst, A. Nombre d'appareils connectés iot dans le monde 2019-2030. https://www.statista.com/statistics/1183457/iot-connected-devices-worldwide/. Consulté le 20 janvier 2021.

Zhou, Q., Zheng, K., Hou, L., Xing, J. & Xu, R. Conception et implémentation d'une lora ouverte pour iot. Accès IEEE 7, 100649–100657 (2019).

Article Google Scholar

Latif, SA et al. Architecture de sécurité intégrée basée sur Ai, blockchain et sdn pour le réseau iot de systèmes cyber-physiques. Calcul. Commun. 181, 274-283. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2021.09.029 (2022).

Article Google Scholar

Newman, P. iot rapport : Comment la croissance de la technologie de l'Internet des objets atteint les entreprises et les consommateurs grand public. https://www.businessinsider.com/internet-of-things-report (2019).

Cisco. Internet des objets : en un coup d'œil. www.cisco.com/c/dam/en/us/products/collateral/se/internetofthings/at-a-glance-c45-731471.pdf (2016).

Silva, FSD et al. Une enquête sur les optimisations de la technologie des réseaux étendus à longue portée. Accès IEEE 9, 106079–106106. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3079095 (2021).

Article Google Scholar

Čolaković, A. & Hadžialić, M. Internet des objets (iot) : un examen des technologies habilitantes, des défis et des questions de recherche ouvertes. Calcul. Réseau 144, 17–39. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2018.07.017 (2018).

Article Google Scholar

Ooi , B.-Y. , Kong , Z.-W. , Lee , W.-K. , Liew , S.-Y. & Shirmohammadi, S. Une architecture de passerelle IoT collaborative pour des mesures fiables et rentables. Instrument IEEE. Mesure. Mag. 22 , 11–17 . https://doi.org/10.1109/MIM.2019.8917898 (2019).

Article Google Scholar

Wang, P., Ye, F. & Chen, X. Une plateforme de passerelle domestique intelligente pour la collecte de données et la sensibilisation. IEEE commun. Mag. 56, 87–93. https://doi.org/10.1109/MCOM.2018.1701217 (2018).

Article Google Scholar

Nugur, A., Pipattanasomporn, M., Kuzlu, M. & Rahman, S. Conception et développement d'une passerelle IoT pour les applications de construction intelligentes. IEEE IOT J. 6, 9020–9029 (2019).

Google Scholar

Ray, PP, Thapa, N. & Dash, D. Mise en œuvre et analyse des performances d'une passerelle iot-edge interopérable et hétérogène pour les soins de bien-être omniprésents. IEEE Trans. Conso. Électron. 65, 464–473. https://doi.org/10.1109/TCE.2019.2939494 (2019).

Article Google Scholar

Ngabo, D. et al. Mécanisme de sécurité basé sur la chaîne de blocs pour les données médicales dans l'architecture de calcul du brouillard de l'internet des objets. Électronique 10, https://doi.org/10.3390/electronics10172110 (2021).

Vinh, T.-Q. & Tan, V.-H. Un système de surveillance et de gestion en temps réel pour les sources mobiles de rayonnement. Dans Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) : Désarmement nucléaire, garanties et protection physique (S98) 51 (2018).

Silvers, K. Initiative mondiale de réduction des menaces - projets de suivi des sources mobiles (2010). Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique. https://gnssn.iaea.org.

AIEA. Rasims - système de gestion des informations sur la radioprotection. Agence internationale de l'énergie atomique. https://www.iaea.org/resources/databases/rasims.

Gong, P. et al. Localisation de sources radioactives perdues à l'aide d'un système de surveillance des rayonnements d'UAV. Appl. Radiat. Isot. 150, 1–13. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2019.04.037 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Han, J., Xu, Y., Di, L. et Chen, Y. Technologies multi-drones à faible coût pour la cartographie des contours du champ de rayonnement nucléaire. J. Intel. Système robotique 70, https://doi.org/10.1007/s10846-012-9722-5 (2013).

Pavlovsky, R. et al. Cartographie 3D des rayons gamma et des neutrons en temps réel avec la plate-forme de localisation et de cartographie à partir de systèmes aériens sans pilote et de configurations portables. arXiv : Instrumentation et détecteurs (2019).

Tosato, P. et al. Un essaim autonome de drones pour les applications de détection de gaz industriels. En 2019 IEEE 20th International Symposium on A World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM), 1–6, https://doi.org/10.1109/WoWMoM.2019.8793043 (2019).

Rossi, M. et al. Drone à gaz : système de détection de gaz portable sur les drones pour la localisation des fuites de gaz. Dans CAPTEURS, 2014 IEEE, 1431–1434, https://doi.org/10.1109/ICSENS.2014.6985282 (2014).

Gallego, V., Rossi, M. & Brunelli, D. Localisation et cartographie des fuites de gaz aériennes sans pilote à l'aide de microdrones. En 2015 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), 1–6, https://doi.org/10.1109/SAS.2015.7133629 (2015).

Fontana, CL et al. Un système d'acquisition de données distribué pour les détecteurs nucléaires. Int. J. Physique moderne. Conf. Ser. 48, 1860118. https://doi.org/10.1142/S2010194518601187 (2018).

Article Google Scholar

Fontana, CL et al. Système de détection du premier système d'inspection à neutrons marqués rapidement relocalisable (rrtnis), développé dans le cadre du projet européen h2020 c-bord. Phys. Procedia 90, 279–284, https://doi.org/10.1016/j.phpro.2017.09.010 (2017).

Kurvinen, K. et al. Conception d'une unité de surveillance radiologique pour un véhicule aérien sans pilote. J. Environ. Radioactivité 81, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2004.10.009 (2005).

Article CAS Google Scholar

Pino, F. et al. Caractérisation d'un scintillateur CLLB de taille moyenne : détecteur unique de neutrons/gamma pour la surveillance du rayonnement. J. Instrument. 16, P11034. https://doi.org/10.1088/1748-0221/16/11/p11034 (2021).

Article CAS Google Scholar

Cester, D. et al. Détection de matières nucléaires spéciales avec un système mobile multi-détecteurs. Nucl. Instrument. Méthodes Phys. Rés. Secte. Un Accél. Spectre. Détecter. Assoc. Équiper. 663, 55–63. https://doi.org/10.1016/j.nima.2011.10.011 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Woolf, RS, Wulf, EA, Phlips, BF, Chowdhury, P. & Jackson, EG Identification des contaminants radioactifs internes dans les elpasolites (clyc, cllb, cllbc) et autres scintillateurs inorganiques. Nucl. Instrument. Méthodes Phys. Rés. Secte. Un Accél. Spectre. Détecter. Assoc. Équiper. 954, 161228, https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.09.063. (2020).

Pérez-Loureiro, D. et al. Évaluation des scintillateurs clyc-6 et clyc-7 pour la détection de matières nucléaires. Nucl. Instrument. Méthodes Phys. Rés. Secte. Un Accél. Spectre. Détecter. Assoc. Équiper. 1012, 165622. https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165622 (2021).

Article CAS Google Scholar

Dinh-Khang, P. et al. Conception et mise en place du détecteur à scintillation utilisant des cristaux csi(tl) et une photodiode à avalanche pour la mesure des rayons gamma. Vietnam J. Sci. Technol. 63, 46–49 (2021).

Google Scholar

Grupen, C. Introduction à la radioprotection (Springer, 2010).

Réserver Google Scholar

Semtech LoRa. Outil de calcul de lora Sx1272. https://sx1272-lora-calculator.updatestar.com/. Consulté le 5 novembre 2020.

Semtech LoRa. Sx1276/77/78/79 - Émetteur-récepteur longue portée basse consommation de 137 MHz à 1020 MHz. https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/sx1276. Consulté le 5 novembre 2020.

STMicroelectronics. fiche technique stm32l072rbt6. https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32l072rb.html. Consulté le 5 novembre 2020.

HOPE MICROÉLECTRONIQUE. Rfm95/96/97/98(w)-fiche technique du module émetteur-récepteur longue portée basse consommation. https://www.hoperf.com/modules/lora/RFM95.html. Consulté le 5 novembre 2020.

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par le Département des sciences et technologies de Bac Ninh (DOST) sous le code de projet KCBN-(07).18.

Université des sciences et technologies de Hanoï, Hanoï, Vietnam

Vinh Tran-Quang & Hung Dao-Viet

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

T.-QV a contribué à l'architecture système d'un système de capteur de rayonnement basé sur l'IdO (IoRSS) et des protocoles de fonctionnement IoRSS, D.-VH a réalisé la conception matérielle, les tests et analysé les résultats. Tous les auteurs ont contribué à la rédaction du manuscrit.

Correspondance à Vinh Tran-Quang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Tran-Quang, V., Dao-Viet, H. Un système Internet de capteurs de rayonnement (IoRSS) pour détecter les sources radioactives hors contrôle réglementaire. Sci Rep 12, 7195 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11264-y

Télécharger la citation

Reçu : 03 décembre 2021

Accepté : 20 avril 2022

Publié: 03 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-11264-y

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.