2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: 85-99141-01-5 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 2285 31270901 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
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.
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,
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
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.
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).