Development of a radiation detection system coupled to an unmanned aerial vehicle for security and defence applications

Luís Miguel Cabeça Marques

Informações chave

Autores:

Luís Miguel Cabeça Marques (Luís Miguel Cabeça Marques)

Orientadores:

José Pedro Miragaia Trancoso Vaz (Pedro Vaz); Alberto Manuel Martinho Vale (Alberto Manuel Martinho Vale)

Publicado em

19/03/2025

Resumo

A deteção e controlo de materiais nucleares especiais (SNM) e substâncias radioativas em setores como a medicina, indústria, ambiente, espaço e a investigação são cruciais para a segurança global e a utilização segura das fontes de radiação. SNM, como o plutónio e o urânio altamente enriquecido, representam riscos significativos, pois podem ser utilizados em dispositivos nucleares improvisados. Além disso, o tráfico ilícito de materiais radioativos levanta preocupações relativamente ao seu potencial uso em dispositivos de dispersão radiológica (e.g., "bombas sujas") e dispositivos de exposição radiológica, com consequências graves e disruptivas. O controlo eficaz das fontes de radiação exige uma supervisão rigorosa durante o transporte, especialmente em postos fronteiriços, aeroportos e portos marítimos. Para tal são normalmente utilizados portais de monitorização de radiação, contudo o seu elevado custo e utilização limitada dificultam a prevenção do tráfico ilícito. A tese descreve o desenvolvimento de um sistema inovador de deteção de radiações, concebido para aplicações de Segurança e Defesa em ambientes caracterizados por grandes distâncias entre a fonte e o detetor e pela presença de fontes ocultas. O sistema utiliza cintiladores EJ-200 e EJ-426HD, com fotomultiplicadores de silício, para detetar simultaneamente radiação gama/beta e neutrões respetivamente. Projetado para veículos aéreos não tripulados (VANTs), oferece um desenho compacto e leve. Validado por simulações de Monte Carlo, testes laboratoriais e de campo, foi capaz de detetar e localizar fontes radioativas de 137𝐶𝑠 (4 MBq) e de 241𝐴𝑚 − 𝐵𝑒 (1.45 GBq). A utilização de um novo algoritmo, com planeamento de caminhos informativo e funções custo, aumentou a exatidão na localização e quantificação da fonte, reduzindo igualmente o tempo de inspeção com a utilização de uma condição de saída. O desenho modular, o custo efetivo, a integração num VANT e a facilidade de replicação tornam este sistema uma alternativa ou complemento às tecnologias de deteção de radiação existentes. Strengthening the detection and control of Special Nuclear Material (SNM) and other radioactive substances used across sectors such as, among others, Medicine, Industry, Environment, Energy, Agriculture, Space, and Research, is crucial for global security and the safe, sustainable use of radiation sources. SNM, including plutonium and highly enriched uranium, poses significant risks if misused, potentially leading to improvised nuclear devices. The illicit trafficking of radioactive materials also raises concerns about their malicious use in radiological dispersal devices (e.g., "dirty bombs") and radiological exposure devices, with highly disruptive consequences. Effective control of radiation sources, from cradle to grave, requires stringent oversight during transportation, particularly at borders, airports, and seaports. While advanced detection systems like Radiation Portal Monitors are essential, their high cost and limited deployment create constraints in preventing the illicit trafficking of these hazardous materials. This thesis details the development and optimization of an innovative radiation detection system tailored for security and defence applications in challenging environments with large source-detector distances and concealed sources. Utilizing EJ-200 and EJ-426HD scintillators with silicon photomultipliers, the system simultaneously detects gamma/beta and neutron radiation, respectively. Designed for unmanned aerial vehicles (UAVs), it offers a compact, lightweight, and cost-effective design, validated through Monte Carlo simulations, laboratory experiments, and field tests. When performing a radiological inspection of a maritime shipping container cargo the radiation detection system successfully detected and localized a 4 MBq 137𝐶𝑠 radioactive source and a 1.45 GBq 241𝐴𝑚 − 𝐵𝑒 neutron source. Using a novel in-house search algorithm with informative path planning and profit functions, the system achieved superior gamma-ray source localization accuracy, and a better calculation of source activity compared to predefined paths, while also reducing inspection time through an optimized exit condition. The system’s modular design and UAV integration offer an easily replicable, affordable alternative or complement to existing radiation detection technologies.