HARDWARE E SOFTWARE PARA MONITORAMENTO EM INSTALAÇÕES RADIOATIVAS

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1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: HARDWARE E SOFTWARE PARA MONITORAMENTO EM INSTALAÇÕES RADIOATIVAS Paulo H. Campos da Mata and Tarcísio P. R. Campos Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares Escola de Engenharia Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antônio Carlos, 6627, prédio PCA sl Belo Horizonte, MG campos@nuclear.ufmg.br, paulomata@ig.com.br RESUMO O sistema de monitoração das radiações presentes no laboratório de fontes seladas do NRI - Núcleo de Radiações Ionizantes, é utilizado para dar suporte a proteção radiológica deste laboratório. Um contínuo trabalho de monitoração permite antecipar e prevenir exposições desnecessárias e operações indevidas dos dispositivos de irradiação durante procedimentos experimentais. Estes envolvem radiações ionizantes de partículas neutras e fótons. São três os dispositivos presentes: irradiador de Cs-137; irradiador de nêutrons rápidos; irradiador para Braquiterapia por Cf-252, que produzem perfis de radiações espalhadas pelo laboratório, quando operados. É papel então, do sistema de monitoração identificar o processo desempenhado na sala e monitorar os níveis de exposição à radiação, gerando alarmes caso ocorra níveis perigosos de exposição. Para tal, 5 detectores de radiação ionizantes, tipo Geiger Muller, foram projetados, montados, e serão distribuídos em posições privilegiadas da sala. Um sistema de aquisição de dados dos pulsos eletrônicos referentes a cada dispositivo opera no sentido de calcular a taxa de exposição em cada um das posições onde se encontram os detectores. Estas taxas, juntamente com flags de operação, são processadas por um sistema computadorizado que apresenta a informação através de interfaces bastante amigáveis. Estas interfaces são gerenciadas por três telas principais: i) de monitoramento geral; ii) outra, para o cadastramento de novos procedimentos; e iii) finalmente, uma tela para modificação dos níveis atuais de radiação aceitáveis em cada um dos pontos da sala. É ainda perspectiva do trabalho monitorar e controlar não somente os níveis ambientais, mas também todo o processo de irradiação. 1. INTRODUÇÃO O emprego de radiação ionizante é relevante em diversas áreas, principalmente na medicina, no entanto, tais locais podem ser produzir exposições nocivas à saúde. Por isso existe a necessidade de um contínuo trabalho de monitoramento para antecipar e prevenir exposições desnecessárias e operações indevidas nos dispositivos de irradiação. Um bom exemplo deste tipo de ambiente citado acima, é o laboratório de fontes seladas do NRI - Núcleo de Radiações Ionizantes, em montagem. Neste laboratório serão executados diversos procedimentos experimentais com radiações ionizantes de partículas neutras, para tal conta-se com três dispositivos: irradiador de Cs-137; irradiador de nêutrons rápidos; irradiador para Braquiterapia por Cf-252. Trata-se de um laboratório multifuncional que opera em variadas configurações, possível de executar diferentes procedimentos experimentais. Esta flexibilidade de operação do laboratório lhe confere uma característica especial, na qual, o perfil de radiação espalhado pelo ambiente vai depender do procedimento executado no momento. O artigo então propõe justamente um sistema de monitoramento capaz de

2 identificar e se adaptar ao procedimento executado alterando seus parâmetros limites de acordo com o protocolo aplicado. O principal sensor do sistema consiste do detector de radiação. Visto que as radiações ionizantes não podem ser medidas diretamente, detecta-se o resultado produzido da iteração desta com um meio sensível. O produto da interação pode ser de origem: elétrica, química, luminosa, calorífica ou termoluminescente. Por exemplo, pulsos elétricos podem ser produzidos diretamente por sensores a gás ou semicondutores. Os detectores a gás são baseados no princípio da ionização direta do gás, sendo que a radiação ionizante incidente no gás cria pares de íons que podem ser contados por um dispositivo elétrico, que mede um pulso isolado de voltagem ou a soma média do número de pulsos no tempo. A Fig.1 sintetiza as regiões de operação do detector a gás. Figure 1. Curva do detector a gás [1] Os detectores que operam na região V do gráfico são chamados de Geiger Muller e possuem alta sensibilidade e projeto eletrônico simplificado e robusto. São versáteis na detecção de diferentes tipos de radiação, mas não permitem a discriminação do tipo de radiação e nem da energia. O Hardware proposto para o sistema de monitoramento em tempo real da radiação ambiental em instalações radioativas envolve os sensores à gás e sua eletrônica, uma placa de aquisição de dados de alta velocidade, sinalizadores digitais de execução de procedimentos, um computador tipo PC e softwares específicos. A Fig. 2 apresenta um diagrama resumido do funcionamento do sistema proposto.

3 Figure 2. Diagrama do funcionamento do sistema 2. HARDWARE São utilizados como elementos primários de detecção de radiação dispositivos do tipo Geiger Muller localizados em 5 pontos estratégicos da sala experimental, que geram um número de pulsos de acordo com o nível de radiação a que são submetidos. Para aquisição de dados através destes dispositivos, montou-se uma placa impressa que possui dois circuitos: um de alta tensão com valor operante em ~500 volts (já que com esta polarização obteve-se boa linearidade da taxa de exposição com a taxa de pulsos observadas pelo sistema para os valores encontrados na sala), utilizado para alimentar a câmara aonde ocorrem os pulsos ocasionados pela presença de radiação ionizante; e outro de baixa tensão, utilizado para condicionar e tratar o sinal gerado e transmiti-lo para a placa de aquisição de dados do computador. O isolamento é feito através de um optoacoplador. Após o condicionamento dos pulsos, o dispositivo detector gera na saída múltiplos pulsos com uma tensão de ~5 volts, que são passados por um filtro RC, portas schmittrigger, para então serem transferidos para a entrada de I/O digital da placa de aquisição de dados. O uso do filtro RC se justifica pela enorme quantidade de ruído de alta freqüência presente nos pulsos, mas como conseqüência de sua utilização o tempo de subida do pulso se torna muito lento, sendo necessária a utilização de portas schmit-trigger para acondicionar o tempo de subida mais curto. São utilizadas na placa de aquisição de dados, cinco entradas digitais referentes a cinco detectores presentes na sala experimental, com o objetivo de fazer a contagem individual de cada um deles,

4 refletindo o nível de radiação nos diferentes pontos da sala. Uma placa de aquisição de dados analógicos e digitais é empregada para leitura dos sinais dos detectores e também para flags de controle, que sinalizam a execução de procedimentos. A placa de aquisição transfere para o sistema computacional os dados captados do ambiente físico através de seus hardwares dedicados. Os sinais elétricos referentes aos detectores e sinalizadores estão disponíveis nas portas da placa, para que estes sejam efetivamente transferidos para o sistema computacional. Para isto, um programa de aquisição executado em tempo real varre as portas analógicas e digitais efetivamente transferindo os sinais das portas para o microcomputador.[4,5] Em resumo, são identificados os flags sinalizadores e é operada a soma do número de pulsos ocorridos em um minuto para cada porta conectada aos detetores. Estes dados são transferidos para uma área de memória comum e atualizados a uma freqüência de 30 segundos a 1 minuto (tempo regular). Estes dados então são utilizados pelo software de monitoramento. 3. SOFTWARE Para configuração e comunicação com o usuário, é utilizado um conjunto de interfaces amigáveis dedicadas[6]. Este conjunto é composto principalmente por 3 interfaces desenvolvidas em rotinas em C++ [2,3,5]. Uma das interfaces é para o monitoramento global da sala de terapia experimental e outras duas auxiliam na configuração do sistema. Existem 5(cinco) detectores espalhados pela sala de terapia, sendo 1(um) para a sala de controle e 4(quatro) na área experimental. Como há 3 irradiadores com fontes radioativas distintas localizadas em pontos específicos da sala, os 4(quatro) detectores da área experimental executarão diferentes leituras dos níveis de radiação de acordo com o procedimento em execução. Estes perfis de radiação são bem distintos para cada procedimento, permitindo ao sistema de monitoramento identificar o perfeito andamento do procedimento em execução. Caso qualquer um dos detectores identifique um nível de radiação maior do que o determinado pelo procedimento, são disparados alarmes visuais na tela da interface. Ainda referente à interface de monitoramento ambiental, ela também gera um arquivo de log contendo hora e data de todos os acontecimentos, leituras dos detectores e outras informações, mostra, para cada detector, o número de pulsos ocorridos no último minuto (informação esta, presente na área de memória compartilhada), o número de pulsos acumulados nos últimos 5 minutos, além de um buffer para sinalizar últimos eventos ocorridos e mensagens. A interface é mostrada na Fig. 3. Diante do fato que cada procedimento executado na sala define um nível de radiação bastante distinto para o conjunto de detectores, é possível definir setpoints diferentes para estes, dependendo do procedimento em execução. Sendo assim, o sistema possui uma base de dados onde, para cada procedimento, há um perfil de valores mínimos, normais e máximos para cada detector. Este perfil é carregado e passa a valer no momento em que a execução do procedimento é sinalizada e identificada, informação esta presente na área de memória compartilhada. O interessante da técnica utilizada para monitoramento dos níveis de radiação é que ao não possuir níveis fixos para os detectores, é possível trabalhar com um alto nível de redundância. Se um detector próximo a uma fonte em atividade falhar, um detector distante da mesma fonte pode ser o responsável por disparar um alarme, mesmo com um baixo nível de radiação sobre ele, pois seus setpoints para este procedimento são baixos devido ao fato da sua distância à fonte em atividade. Para flexibilizar a base de dados relativa aos procedimentos criou-se uma interface que possibilita o próprio usuário a cadastrar um procedimento. A Fig. 3 contêm a referida

5 interface. É importante observar que o cadastro da interface envolve o nome do procedimento, a porta na placa de aquisição de dados pela qual ele será sinalizado e os valores de limite inferior, setpoint inferior, setpoint superior e limite superior. É possível cadastrar os procedimentos com todo o sistema em funcionamento, sem precisar reiniciá-lo ou interrompe-lo. A informação a respeito dos procedimentos e seus parâmetros ficam armazenados em arquivos do sistema. Para tornar o sistema um pouco mais flexível, criou-se uma terceira interface na qual é possível alterar os setpoints atuais dos níveis de radiação em tempo de execução, sem que ela altere a base de dados do sistema, para eventuais necessidades momentâneas. Esta interface também está presente na Fig. 3. Figure 2. Interfaces do sistema de monitoramento on-line. 4. CONCLUSÃO Atualmente, o sistema de monitoramento possui três interfaces operacionais. É objetivo da presente pesquisa que o sistema englobe, além do monitoramento ambiental já existente, também o monitoramento das propriedades físicas, químicas e nucleares dos experimentos e de características operacionais de cada irradiador individualmente.

6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem especialmente o suporte da FAPEMIG-950/01 e a FUNDEPinfraestrutura, que de forma indireta contribuíram para esta pesquisa. Os autores agradecem a Reitoria/UFMG pela concessão de uma bolsa de iniciação cientifica para o Sr. Paulo da Mata. REFERÊNCIAS 1. Knoll, Glenn F., Radiation Detection and Measurement, 3rd edition, John Wiley & Sons, New York, United States (1999). 2. Schildt, Herbert, C Completo e Total, São Paulo, Brasil (1991). 3. Boylestad, Robert L; Nashelsky, Louis, Dispositivos eletronicos e teoria de circuitos, 3ªed., Rio de Janeiro, Brasil, (1984). 4. ComputerBoards, Inc., Universal Library: Programmers Manual, Mansfield, United States, revision 3.3, (1996). 5. ComputerBoards, Inc., PCI-DAS1602/16: Manual, Mansfield, United States, revision 1 (1997). 6. National Instruments, G Programing and Reference Manual, (1998).