Instalação e Blindagem de Equipamento de Raios-X Industrial em Ambiente Laboratorial

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1 Universidade Federal de São João Del-Rei MG 26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia Instalação e Blindagem de Equipamento de Raios-X Industrial em Ambiente Laboratorial A. R. Luisa e P. R. C. Tarcisio Departamento de Engenharia Nuclear UFMG Belo Horizonte, MG CEP: Resumo. O artigo descreve a instalação e blindagem de um equipamento de Raios-X Industrial ANDREX LSG em laboratório de pesquisas, para utilização em análises de peças em metal e cerâmica, mantendo a infra-estrutura do local e respeitando as normas de segurança e proteção radiológica. O projeto foi desenvolvido com base em dados e informações fornecidas pelo fabricante e nas normas e regulamentos de proteção radiológica instituídas pela CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear órgão superior responsável no Brasil). Foram calculados e estabelecidos princípios para obtenção das radiografias segundo critérios de qualidade da imagem. A blindagem foi feita com blocos de concreto pesado com agregado de minério de ferro e folhas de chumbo em torno da mesa de suporte do tubo gerador do feixe. O resultado demonstrou uma radioproteção satisfatória, visto que os valores requeridos de blindagem foram bem inferiores a espessura dos blocos de concreto pesado instalados. Foi possível manter os princípios de qualidade da imagem, como variação de Distância Foco-Filme (FFD), Distância Foco-Objeto (FOD) e penumbra, mesmo mantendo fixo o tubo gerador do feixe e direcionando este para o chão. A taxa de exposição registrada no detector durante os testes foi relativamente baixa e inferior ao limite de dose estabelecido pelas normas de radioproteção para o público. Palavras-chave: RAIOS-X INDUSTRIAL, INSTALAÇÃO, AMBIENTE LABORATORIAL, SEGURANÇA, PROTEÇÃO RADIOLÓGICA.

2 1 INTRODUÇÃO Os raios-x artificiais são gerados a partir da colisão de um feixe de elétrons contra um alvo metálico. Os raios-x são gerados numa ampola de vidro, denominada tubo de Coolidge, que possui duas partes distintas: o ânodo e o cátodo. O ânodo é constituído de uma pequena parte fabricada em tungstênio e o cátodo de um pequeno filamento, tal qual uma lâmpada incandescente, por onde passa uma corrente elétrica da ordem de miliamperes. Quando o tubo é ligado, a corrente elétrica do filamento se aquece e passa a emitir espontaneamente elétrons que são atraídos e acelerados em direção ao alvo. Nesta interação dos elétrons com os átomos de tungstênio ocorre a desaceleração repentina dos elétrons, transformando a energia cinética adquirida em raios-x. Na indústria, a radiação tem grande utilidade, destacando-se, principalmente, o controle de processos e produtos, o controle de qualidade de soldas e a esterilização. O método está baseado na mudança de atenuação da radiação eletromagnética, causada pela presença de descontinuidades internas, quando esta passa pelo material e deixa sua imagem gravada em um filme, sensor radiográfico ou em um intensificador de imagem. A principal finalidade da proteção radiológica é proteger os indivíduos dos efeitos danosos das radiações ionizantes. Para atingir essa finalidade, três princípios básicos da proteção radiológica são estabelecidos: Justificação, limitação de dose e otimização. A justificação impõe que toda exposição deve ser justificada, para garantir que o benefício decorrente dessa aplicação seja mais importante que o risco inerente. A limitação de dose representa a introdução de um limite abaixo do qual os riscos decorrentes da exposição à radiação são considerados aceitáveis. No caso das radiações ionizantes, são estabelecidos limites de dose anuais máximos admissíveis. Estes são valores de dose às quais os indivíduos podem ficar expostos, anulando a possibilidade de um dano determinístico e minimize os possíveis efeitos estocásticos. Otimização significa um procedimento no qual a exposição de indivíduos a fontes de radiação sejam mantidas tão baixo quanto razoavelmente exeqüível. Em adição, os equipamentos, os recipientes, as áreas, que possuam riscos potenciais de radiações ionizantes, devem ser sinalizadas. O sinal consiste de um trifólio que representa a radiação. A distância é o meio mais simples, de baixo custo, e mais rápido numa situação normal ou de emergência; sabendo-se que, a intensidade do feixe diminui com o quadrado da distância da fonte. O cálculo para barreira de proteção contra raios-x envolve: tipo do aparelho; tensão aplicada no tubo; corrente aplicada no tubo; fabricante do aparelho, ou projeto elétrico do aparelho; e distâncias. Levando-se em conta que a interação da radiação com a matéria ocorre de uma forma diferente conforme a energia que a mesma possui e a densidade do material, verificamos que o coeficiente de atenuação apresenta valores diferentes para diferentes energias de radiação. Portanto podemos concluir duas regras simples: quanto mais alta a espessura, a densidade e o número atômico de certo material, maior será a quantidade de radiação eletromagnética capaz de ser absorvida; quanto maior a energia de radiação eletromagnética incidente, menor será a quantidade de radiação absorvida pelo material. A camada semi-redutora ou meia espessura ou ainda em inglês Half Value Layer - HVL é definida como a espessura de um material capaz de absorver metade da intensidade de radiação medida sem barreira. A camada décimo - redutora (TVL) é a espessura particular de material capaz de reduzir 10 vezes a intensidade de radiação. Veja a tabela 1 abaixo, alguns exemplos:.

3 Tabela 1 Valores aproximados de HVL e TVL para alguns tipos de materiais FONTE DE RADIAÇÃO Alumínio 2,3 g/cm³ (cm) Chumbo 12 g/cm³ (cm) Concreto 2,3 g/cm³ (cm) Aço 7,8 g/cm³ (cm) HVL TVL HVL TVL HVL TVL HVL TVL Raios-X 100 kvp 10,24 34,00 0,026 0,087 1,65 5, Raios-X 200 kvp 2,20 7,32 0,043 0,142 2,59 8, Raios-X 250 kvp - - 0,088 0,29 0,28 0, Raios-X 300 kvp - - 0,147 0,48 0,31 1, Raios-X 400 kvp - - 0,25 0,83 0,33 1, Irídio 192 3,66 12,16 0,55 1,90 4,30 14,00 1,30 4,30 Cobalto 60 5,36 17,80 1,10 4,00 6,30 20,30 2,00 6,70 Césio 137 4,17 19,85 0,65 2,20 4,90 16,30 1,60 5,40 2 MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho descreve a instalação e blindagem de um equipamento de raios-x industrial da marca Andrex modelo LSG, doado pelo Departamento de Engenharia Metalúrgica da UFMG, limitado pelas condições físicas do laboratório e respeitando as normas de proteção radiológica e radio proteção. O aparelho será utilizado para visualização radiográfica de peças metálicas e fantoma em acrílicos, gesso, silicone, entre outros, desenvolvidos pelo grupo de pesquisa. Para a análise de radioproteção, foram empregados como referência as normas e fatores de exposição fornecidos no manual de manutenção e instalação do aparelho para materiais em ferro e aço; além de princípios da proteção radiológica e regulamentos prescritos pela CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) órgão superior de planejamento, orientação, supervisão e fiscalização, que estabelece normas e regulamentos em radioproteção e licencia, fiscaliza e controla a atividade nuclear no Brasil. Com base nesses dados, desenvolvemos um diferenciado projeto de instalação para o aparelho, e implantamos no local todos os itens obrigatórios para a proteção radiológica e instalação, tais como, monitoramento e classificação das áreas, blindagem, sinalização luminosa, interruptores no interior da sala (para interromper a radiação em casos de emergência), monitores de radiação e sinalização de local crítico. Serão também elaborados os cálculos realizados para a construção da mesa de suporte e das blindagens utilizadas seguindo os parâmetros de obtenção de radiografias para se obter qualidade nas imagens e segurança na operação. Equipamento de raios-x industrial andrex. O aparelho é formado por uma unidade de controle modelo Andrex LSG 419, onde estão os dispositivos de controle do tubo e o tubo gerador do feixe de raios-x, com um disco condutor do feixe, modelo LSG 274. O manual do fabricante apresenta detalhes e descrição. (LSG 419)

4 Instalação do equipamento de raios-x e proteção radiológica. As dimensões da sala não se adéquam aos valores de distância estabelecidos pelo fabricante, que é uma distância mínima de 100 metros do tubo de raios-x e uma blindagem das paredes com no mínimo 5 mm de espessura de chumbo para a máxima potência e carga (mas) de operação. Entretanto tais recomendações são direcionadas a evitar exposições oriundas de um feixe primário diretamente orientado ao individuo, que seria o caso extremo. Diante da necessidade de que as operações sejam feitas dentro dos parâmetros de proteção radiológica e de forma mais segura para os operadores e público presente, foi elaborado um projeto de uma mesa que comporte o aparelho e que tenha todos os requisitos básicos para a proteção radiológica. A mesa foi projetada com um suporte superior de madeira de forma que o tubo de raios-x fique fixo. Esse suporte possui 90 cm de comprimento, 60 cm de largura e 4 cm de espessura. Esses valores foram adotados de acordo com as medidas do tubo, como mostra a Figura 1. Há na mesa três cortes, dois retangulares em cada lateral, onde encaixam as hastes do tubo e um círculo central, onde acomoda o disco de onde sai o feixe de raios-x. A mesa possui 1,24 m de altura, estando a bandeja de madeira que acomoda o objeto há 14 cm inferior a saída do feixe de raios-x. Abaixo está a bandeja que comporta o filme. Essa bandeja varia de posição conforme necessário variar a Distância Foco Filme (FFD), sendo: 50, 70 e 90 cm. Contados a partir do suporte de madeira. A mesa foi coberta com lâminas de chumbo com 5 mm de espessura, colocada a 5,30 metros da sala ao lado e 3,24 metros do corredor, encostado na parede blindada já existente. Na outra lateral e nas regiões anterior e posterior do tubo, foi feita uma proteção com blocos de concreto pesado (tendo uma massa específica superior a do concreto leve devido a utilização de agregados pesados, no caso, a hematita em uma mistura de cimento e areia) com 1,06 metros de altura e 17,0 cm de espessura. O acesso as instalações, somente será feito pelo responsável do laboratório, com quem permanecem as chaves da área e do aparelho, após registros do mesmo. Os adesivos de sinalização indicando local de perigo foram colocados na porta e uma lâmpada de cor vermelha que deve ser ligada quando o aparelho estiver em funcionamento, impedindo a entrada de pessoas na sala durante períodos de operação. Figura 1 Ilustração do projeto da mesa para o suporte do tubo de raios-x.

5 Cálculo da área (objeto) exposto em função de FFD. O cálculo da distância entre o feixe de radiação incidente e o filme foi feito de acordo com as instruções do fabricante, onde a distância entre o foco e o objeto (FOD) atinge o valor fixo de 14 cm. Para tal caso foram adotados: FFD (Distância Foco Filme) de 70 cm; e, A (Comprimento do filme radiográfico/região produzida pelo feixe de raios-x) igual a 48 cm; B (Largura do filme radiográfico/região produzida pelo feixe de raios-x) de 10 cm. Os valores X, comprimento do objeto, e Y, largura do objeto, foram tomados como segue: X = FOD (A +2) e Y = FOD (B+2) (1) FFD FFD A equação 1 é fornecida pelo fabricante para calcular as distâncias entre o foco, objeto, filme e o tamanho do objeto a serem radiografados. Logo, para FFD igual a 70cm, teremos X de 10 cm e Y de 2,4cm. Para outros FFD de 80 e 50 cm, respectivamente, os valores X assumiram 8,75cm e 14 cm e Y de 2,1cm e 3,36 cm. Cálculo da penumbra. A penumbra é produzida quando o feixe de raios-x passa pela borda do objeto e não o atinge. Isso ocorre devido o fato de que a fonte de raios-x não é uma fonte pontual, e apresenta dimensões f, produzindo o efeito penumbra com dimensões p. Esse efeito gera baixas definições das bordas do objeto e até mesmo defeitos a serem analisados. A imagem abaixo representa o esquema da produção de penumbra. O valor da penumbra foi calculado pela relação: p = f FFD 1 (2) FOD sendo p a dimensão da penumbra; f a dimensão da fonte, adotado em 10 cm; FFD, a distância da fonte ao filme, adotado de 50, 70 e 80 cm; e FOD, distância da fonte ao objeto, igual a 14 cm. A partir da Eq. (1) teremos p igual a 25,7, 40 e 47,1cm para 50,70 e 80 cm de FFD, respectivamente. Pode se notar que o principal fator para reduzir a penumbra da imagem é a dimensão da fonte, porém esse valor é fixo. Sendo assim, podemos otimizar esses resultados, reduzindo o tamanho da distância entre a fonte e o filme (FFD). Fatores de exposição para radiografias. As figuras 2 e 3 reproduzem os gráficos com os fatores de exposição para radiografias fornecidas pelo fabricante. É importante notar que o gráfico fixa uma série de fatores como: material inspecionado; densidade óptica do filme; distância do foco-filme e tipo de filme usado, pois esses fatores também interferem na escolha da amperagem e voltagem.

6 Figura 2 Diagrama de exposição do tubo LSG 274 em função da tensão e corrente para espessura do material distinta.

7 Figura 3 Taxa de radiação para espessura de filtro em aço. Parâmetros para cálculo das blindagens. Para garantir maior segurança na proteção, adotamos o valor da energia dos fótons incidente como monoenergético superiores ao valor máximo referente à diferença de potencial do tubo, que é de 275 kv. Este valor é em favor da maior espessura de blindagem. O valor calculado para a espessura da blindagem deve reduzir a intensidade do feixe incidente a metade e décima parte, isto é, camada semi - redutora e décimo - redutora. Sabe-se que o chumbo tem densidade de 12 g/cm ³, coeficiente de atenuação de massa (σ) de 4,03 x 10-¹ cm ² /g. Para as proteções laterais com blocos de concreto pesado, foram adotados: coeficiente de atenuação de massa (σ) igual a 1,09 x 10 -¹ cm ² /g e densidade igual a 4,3 g/cm ³. Esses valores foram tomados com base em uma energia de fótons de incidência de 300 kev obtidos de gráficos gerados na literatura (NIST). A partir disso, calculamos o valor do coeficiente de atenuação linear μ e os valores de camada semi-redutora (HVL) décimo redutora (TVL), a partir do

8 cálculo de coeficiente de atenuação mássico, σ = μ/ρ. Para o chumbo, σ (Coeficiente de atenuação de massa) é 4,03x10 -¹ cm ² /g e ρ, densidade do material, 12,0 g/cm ³. Logo, μ = 4,03x10 -¹ cm 2 /g x 12,0g= 4, 836 cm -¹. Para encontrar a camada semi-redutora e décimo - redutora iremos usar as equações: X 1/2 = ln2 e X 1/10 = ln10 (3) μ μ Logo, HVL será 0, 143 cm e TVL 0, 475 cm, onde se adotou μ 4, 836 cm-¹. Observa-se que para, os blocos de concreto pesado, σ - coeficiente de atenuação de massa é 1,09x10 -¹ cm ² /g e ρ,densidade do material, 4,30 g/cm ³. Portanto, μ será 0,468 cm -¹. Logo, HVL será 1, 365 cm e TVL 4,91 cm. Conclui-se que a espessura dos blocos utilizados possui valor superior ao TVL encontrado. O que significa que a blindagem é satisfatória, mesmo que a radiação blindada pelos blocos será a secundária (espalhada) originaria do chão de menor espectro energético e intensidade. Entretanto, medidas experimentais devem ser feitas. 3 RESULTADOS Figura 4 Ilustrações de detalhamento da montagem do raios-x industrial A figura 4 ilustra detalhes da montagem. A figura 5 mostra os pontos onde foram feitas as medições e os valores encontrados, utilizando o disco sem o direcionador de feixe e um detector do tipo Geiger-Muller MRA G1E Plus. Cuja mediação pode ser feita em escalas 1 mr/h, 10mR/h, 100mR/h e 1R/h.

9 Figura 5 Representação do ambiente onde está instalado o equipamento de raios-x e os valores das doses medidas. Foram feitos dois testes para avaliação dos parâmetros de obtenção das radiografias. No primeiro, foram irradiados placas de alumínio, chaves, chaves de fenda, uma placa de chumbo, todos com espessuras inferiores a 5 mm. Os objetos e o filme radiográfico foram colocados a 90 cm do ponto de incidência do feixe, a tensão e corrente aplicados foram 140 kv e 2,5 ma, respectivamente, durante 40 segundos. Neste teste verificamos apenas que o tubo estava emitindo radiação por enegrecer o filme, mas não foi possível visualizar as imagens dos objetos. No segundo teste, acrescentamos duas lâminas de chumbo, de 2 mm de espessura junto aos outros objetos irradiados no primeiro teste. Tanto o filme, quanto os objetos foram colocados a 14 cm do foco. A tensão e corrente aplicados foram 120 kv e 2,5 ma, respectivamente durante 60 segundos. A figura 6 mostra a radiografia obtida. 4 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO Figura 6 - Imagens radiográficas obtidas do aparelho Foi possível efetuar a instalação sem ter que fazer grandes mudanças na estrutura do local e principalmente, por ter sido feito com materiais disponíveis no laboratório, o que

10 significa uma redução de gastos e com devida segurança. Os valores obtidos nas medições foram baixos, inferiores ao esperado. Os testes experimentais mostraram que a exposição no ambiente gerada pela radiação espalhada do tubo é muito baixa e inferior aos valores fornecidos pelo aparelho para cada tensão e corrente aplicados. Pode-se concluir a principio que isso também decorre do uso de um disco direcionador do feixe de raios-x que possui um diâmetro de incidência de 1 cm apontado para o chão. Este fato faz com que a radiação incidente espalhe menos e se direcione para uma região menor. Quando utilizado o outro disco, com maior diâmetro para incidência do feixe, houve uma variação na taxa de dose detectada. Na região onde a dose foi mais alta, a mediação foi feita a dois metros de distância do ponto de incidência do feixe. Devemos levar em conta que o tempo de exposição utilizado nos testes não foi alto, que influi consideravelmente para esses resultados. Assim, experimentos futuros devem ser feitos para limitar o tempo de exposição para atender a requisitos de segurança radiológica. A blindagem utilizada foi suficiente para controlar a radiação espalhada e não por em risco os profissionais do laboratório e público geral. O não aparecimento de imagens na primeira radiografia efetuada pode ser devido ao tempo curto e a distância do foco ao objeto, que não obedeceu a valores sugeridos pelo manual do equipamento, que é de 14 cm. A baixa qualidade da imagem obtido nos experimentos foi decorrente do processo de revelação manual, do não uso de filmes específicos para radiografia industrial, e pelos químicos utilizados não especificados para tal fim. Conclui-se que, foi possível efetuar a instalação do equipamento de raios-x de forma diferenciada e segura, dentro dos limites de dose e proteção radiológica e respeitando os trabalhadores e público presente. Avaliações futuras deveram definir limites de tempo de exposição para atender a requisitos de proteção radiológica. 5 BIBLIOGRAFIA Andreucci, R Proteção Radiológica, aspectos industriais. São Paulo: ABENDE. Setembro. 119p. LSG 419, Instruction and maintenance manual for Andrex X-ray equipment model No Edition 2. Mazzinelli, B. P., Romero, C.R., Kodama, Y. et al Noções Básicas de Proteção Radiológica. São Paulo: IPEN. Agosto. 53p. USP, <http://web.cena.usp.br/apostilas/julio/apostila%20prot%20radiologica.pdf>, acessado em: dez de setembro de 2009 às 8h. U.S. Atomic Energy Commission. Industrial Radiography Manual. Eric, nfpb=true&_&ericextsearch_searchvalue_0=ed025614&ericextsearch_searcht ype_0=no&accno=ed025614, acessado em seis de Agosto de 2009 às 7h33mim. Normas e regulamentos da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear): CNEN-NN Qualificação de Pessoal e Certificação para Ensaios Não-destrutivos em itens de Intalações Nucleares. CNEN, <http://www.cnen.gov.br/seguranca/normas/mostranorma.asp?op=604>, acessado em: 29 de agosto de 2009 às 10h20min. Nono Simpósio de Mecânica Computacional

11 CNEN-NN Diretrizes Básicas de Proteção Radiológica. CNEN, acessado em: 30 de agosto de 2009 às 7h40min. CNEN-NN Funcionamento de Serviços de Radiografia Industrial. CNEN, <http://www.cnen.gov.br/seguranca/normas/mostra-norma.asp?op=604>, acessado em: 30 de agosto de 2009 às 8h23min. 6 DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

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