ИИ поможет создать приборы для досмотра кораблей и реакторов
Исследователи из Сибирского федерального университета, Института физики имени Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН и Южно-китайского технологического университета на основе алгоритмов искусственного интеллекта разработали инновационный метод поиска веществ, которые эффективно преобразуют рентгеновское излучение в видимое. Работа выполнена по совместному российско-китайскому гранту Российского научного фонда (РНФ) «Дизайн, синтез и свойства гибридных рентгеносцинтилляционных материалов на основе галогенидов Cu(I)» (№ 24-43-00006).
Как объяснили учёные, такие соединения называют сцинтилляторы. Они поглощают ионизирующее излучение (например, рентген, гамма-кванты, альфа-частицы) и излучают свет в оптическом диапазоне. Такие свойства востребованы, к примеру, для регистрации излучения, пропущенных сквозь светопроводящие объекты.
В частности, в рентгено-телевизионной технике, предназначенной для изучения внутренней структуры материалов, диагностики органов людей и животных или выявления скрытого содержания грузов. Методика, предложенная учёными, позволит выявлять вещества, которые помогут создавать просвечивающую технику в широком диапазоне форм и размеров.
«Физика не развивалась бы без сцинтилляторов, потому что невидимое излучение надо как-то визуализировать. В настоящее время для этих целей существует развитая линейка приборов среднего класса. Для них выращивают специальные монокристаллы-сцинтилляторы. Однако существует потребность в создании и более крупного просвечивающего оборудования», — рассказал разработчик методики, доцент базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ и старший научный сотрудник лаборатории кристаллофизики ИФ СО РАН Максим Молокеев.
Он объяснил, что такое оборудование нужно, чтобы, к примеру, выявлять дефекты внутренней структуры самолётов, вагонов поездов, кораблей, подлодок, атомных реакторов и другой крупногабаритной техники. Вырастить кристаллы для устройств такого размера невозможно, поэтому следует разрабатывать другие подходы.
По словам ученого, перспективное направление для поиска сцинтилляторов — это металлорганические соединения. Это соединения, содержащие как ионы металлов, так и органические молекулы. Химики уже разработали ряд эффективных металлоорганических соединений, которые успешно применяются на практике. Однако они не понимают взаимосвязи между их структурой и свойствами, что затрудняет объяснение их высокой эффективности.
«Мы первая группа, которая, благодаря инструментам искусственного интеллекта, показала методы, которые помогают находить такие соединения. Причем, поскольку статистики недостаточно, были задействованы нестандартные способы подготовки данных для машинного обучения», — сообщил Максим Молокеев.
В частности, объяснил он, была выдвинута гипотеза, что высокой яркости излучения способствует определённое расстояние между атомами металлов. На следующем шаге ученые собрали базу из 296 открытых металлоорганических соединений с известными расстояниями между металлами и использовали ее для обучения искусственного интеллекта. Программа выявила функциональные группы органических молекул, обеспечивающие определённое расстояние между металлами, способствующее высокой сцинтилляции. Таким образом, решение задачи было выполнено на большом объёме данных, что повысило надёжность прогноза и получаемых правил.
В заключение исследователи протестировали полученные правила и алгоритм и нашли пять перспективных соединений-сцинтилляторов. Одно из них синтезировал профессор кафедры физической и неорганической химии в СФУ, Николай Головнев, ещё четыре — в Южно-Китайском технологическом университете в Гуанчжоу (Китай). Все показали хорошие характеристики и оказались пригодными для приборостроения. В частности, и по разрешающей способности, и по интенсивности свечения, они соответствуют требованиям для производства медицинского оборудования, принятым во всем мире.
Полученные составы, рассказал Максим Молокеев, представляют собой порошкообразные вещества, которые легко наносятся на поверхности. Один из них, учёные применили, чтобы сделать опытный дефектоскоп для проверки электрических устройств. В ходе испытаний специалисты просветили рентгеном USB-разъем с корпусом, залитым пластмассой, и на пластине, покрытой сцинтиллятором, детально рассмотрели изображение его внутренней структуры — системы проводов и металлических компонентов.
«Мы предложили новый подход к использованию машинного обучения в материаловедении. В дальнейшем, расширяя эти инструменты, можно предсказывать новые материалы с уникальными свойствами в различных отраслях. В частности, разработанный метод поможет найти сцинтилляторы и для других приложений. Например, для микроскопических просвечивающих устройств, которые помогут исследовать труднодоступные области организмов или искусственных механизмов», — поделился своими мыслями Максим Молокеев.
Он отметил, что предложенная методика носит открытый характер, и любой исследователь может свободно использовать ее для своих разработок и научных изысканий.
Источник: Сибирский федеральный университет