Gammaspectroscopie vanuit een helikopter Radioactiviteit in de lucht detecteren – nauwkeuriger dan voorheen

Bij nucleaire rampen is snelheid van cruciaal belang: onderzoekers van het Paul-Scherrer-Instituut hebben een nieuwe rekenmethode ontwikkeld waarmee radioactief materiaal binnen enkele seconden nauwkeuriger kan worden geïdentificeerd en de hoeveelheid en locatie ervan preciezer kunnen worden bepaald. Dit betekent een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de bestaande detectiemethode vanuit een helikopter.

Er zijn noodsituaties die hopelijk nooit zullen plaatsvinden, maar waarop de samenleving en de overheid toch voorbereid willen zijn. Hiertoe behoren onder meer het mogelijke vrijkomen van radioactiviteit na een reactorongeval of een terroristische aanslag met radioactief materiaal. Om ervoor te zorgen dat de autoriteiten in dergelijke gevallen snel en effectief kunnen reageren, moet eerst de omvang van het gevaar voor mens en milieu worden ingeschat. In dergelijke situaties zouden dan onder andere vliegende laboratoria worden ingezet, dat wil zeggen detectoren in helikopters die de positie, de aard en de hoeveelheid van het radioactieve materiaal bepalen.

David Breitenmoser heeft in zijn proefschrift in het ijk- en kalibratielaboratorium van de afdeling Stralingsbescherming en Veiligheid van het Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Zwitserland wiskundige hulpmiddelen ontwikkeld waarmee de gegevensanalyse in een mobiel laboratorium aanzienlijk wordt verbeterd: Radioactief materiaal kan nauwkeuriger worden geïdentificeerd, en dat binnen enkele seconden. De resultaten van dit onderzoek zijn nu gepubliceerd in het vakblad *Nature Communications*. De nieuwe analysemethode is niet alleen relevant voor rampensituaties, maar kan bijvoorbeeld ook worden toegepast bij het toezicht op kerninstallaties.

De vervormde vingerafdruk

„Elk radioactief materiaal heeft een karakteristieke vingerafdruk door de gammastraling die het bij radioactief verval uitzendt”, zegt Breitenmoser. Deze vingerafdruk bestaat uit het energiespectrum van de gammastraling, dat met een speciale detector kan worden gemeten. In principe kan men uit de verdeling van de gammastraalenergieën zowel de aard van het materiaal als de hoeveelheid ervan afleiden.

Er is echter een probleem: de door het materiaal uitgezonden gammafotonen – dat zijn hoogenergetische lichtdeeltjes – worden op weg naar de detector zowel door de lucht als door de helikopter waarin de detector zich bevindt, verstrooid. Hierdoor verandert het energiespectrum. Met andere woorden: de vingerafdruk wordt vervormd en is daardoor niet meer direct herkenbaar.

Om te achterhalen hoe een bepaalde radionuclide-vingerafdruk wordt vervormd en de detector daarop te kalibreren, simuleren onderzoekers deze effecten op de computer. Dergelijke berekeningen zijn echter zeer complex en kunnen meerdere uren of zelfs dagen in beslag nemen. Voor tijdkritische toepassingen, zoals bij een reactorongeval, komen ze daarom niet in aanmerking.

„De simulaties verlopen ook zo traag omdat ze tot nu toe vrij inefficiënt waren”, zegt Breitenmoser. Van de ongeveer tienduizend gammadeeltjes die een radioactieve bron op de grond uitzendt, bereikt er bijvoorbeeld maar één de helikopter – en zelfs die wordt nog verstrooid door de vele metalen oppervlakken in de helikopter.

Hoe meet je radioactiviteit in de lucht? Daarvoor heb je een hightech-detector, een helikopter en een uitgebreid algoritme nodig. Hoe dat werkt, legt David Breitenmoser van het PSI uit in een korte YouTube-clip. (Bron: Paul Scherrer Instituut PSI/Benjamin A. Senn, Markus Fischer, Monika Bletry en Mahir Dzambegovic)

Snellere simulaties door opsplitsing

In plaats van de volledige reis van de gammadeeltjes vanaf de grond tot aan de vliegende detector te simuleren, splitst Breitenmoser met zijn nieuwe methode het probleem in twee delen op. De verstrooiing in de lucht wordt apart berekend, waarbij bijvoorbeeld de actuele luchttemperatuur en de vlieghoogte van de helikopter in de simulaties worden meegenomen. De verdere verstrooiing in de helikopter, die onder andere afhangt van de vlieghouding ervan, wordt in aanmerking genomen door middel van vooraf berekende wiskundige functies. In plaats van meerdere uren duurt een volledige simulatie zo nog maar enkele microseconden.

Snel rekenen alleen is echter nog niet voldoende om de vervormde vingerafdruk onomstotelijk te identificeren. Aangezien er slechts zeer weinig gammafotonen bij de detector aankomen, zijn de statistische gegevens uiterst slecht – in plaats van duidelijke lijnen ziet men alleen brede en vage vormen. „Tot nu toe geldt het samenvoegen van meerdere energiewaarden in het spectrum als de gouden standaard. Deze methode verbetert weliswaar de statistische betrouwbaarheid van de meting, maar leidt tot een grover beeld en daarmee tot minder gedetailleerde informatie”, zegt Malgorzata Kasprzak, hoofd van het kalibratielaboratorium bij het PSI en medeauteur van de nieuwe studie. De nieuwe aanpak ziet af van een dergelijke samenvoeging. In plaats daarvan wordt de zogenaamde Bayesiaanse modellering rechtstreeks op het volledige spectrum toegepast.

Nauwkeurige bepaling in enkele seconden

De Bayes-methode werkt met waarschijnlijkheden: om ondanks de slechte statistieken een energiespectrum te identificeren, simuleert de computer voor duizenden mogelijke uitgangsspectra in verschillende verhoudingen de verstrooiing van de gammadeeltjes vanaf de grond tot aan de detector. Dankzij de verdeling van de berekeningen gaat dit erg snel. De Bayesiaanse modellering berekent vervolgens welk uitgangsspectrum het meest waarschijnlijk hoort bij het vervormde spectrum dat door het vliegende laboratorium is gemeten.

„Hierdoor kunnen we in de toekomst binnen enkele seconden, met een meting vanuit de helikopter, zwak radioactieve barium- of cesiummonsters van elkaar onderscheiden, hun sterkte met grote nauwkeurigheid bepalen en hun locatie precies vaststellen“, zegt Alberto Stabilini, die namens het PSI betrokken is bij het uitvoeren van aeroradiometrische meetvluchten in Zwitserland.

In mei en juni 2025 vonden er bijvoorbeeld in het kader van de jaarlijkse meetcampagne vluchten plaats in de omgeving van de kerncentrales van Mühleberg en Gösgen. Tijdens een internationale oefening met 140 deelnemers uit zes landen, zes helikopters en vijf drones werden bovendien verschillende scenario's geoefend, waaronder het opsporen van radioactieve bronnen. Dergelijke meetvluchten, waarmee ook referentiekaarten van de natuurlijke radioactiviteit worden opgesteld, vormen naast rampenparaatheid een belangrijk toepassingsgebied voor de ontwikkelde analysemethode.

„Maar er zijn ook nog veel andere“, zegt Breitenmoser. Door de hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid is de methode namelijk in het algemeen geschikt om zwakke radioactieve bronnen in de bodem te lokaliseren en te karakteriseren. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn bij geofysisch onderzoek van de ondergrond, of bij het toezicht op kernmateriaal door de Internationale Organisatie voor Atoomenergie (IAEA).

Oorspronkelijkepublicatie: David Breitenmoser, Alberto Stabilini, Malgorzata Magdalena Kasprzak, Sabine Mayer: Kwantitatieve mobiele gammastraalspectrometrie via Bayesiaanse inferentie, Nature Communications, 26 oktober 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-78464-2