Un medidor extensible de sonda de fibra óptica para materiales radiactivos naturales (NORM) y otros emisores débiles

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11918 (2023) Citar este artículo

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Hemos desarrollado un medidor de sondeo basado en radioluminiscencia para su uso en industrias en las que hay implicación con material radiactivo natural (NORM), también como apoyo a aquellas que necesitan detectar otros emisores débiles de radiación. La funcionalidad del sistema se enfrenta a deficiencias particulares de los medidores topográficos portátiles que se utilizan actualmente. El dispositivo acopla un centelleador LYSO:Ce con un fotodetector a través de una guía de ondas de fibra óptica de polímero, lo que permite una inspección "intrínsecamente segura" dentro de tuberías, separadores, válvulas y otros componentes similares. La sonda de fibra óptica de pequeño diámetro es eléctricamente pasiva, inmune a las interferencias electromagnéticas y químicamente inerte. El circuito de lectura está completamente incorporado dentro de una carcasa portátil que alberga un circuito de detección de fotomultiplicador de silicio (SiPM) y un circuito de microprocesador conectado a una pantalla LCD. Una guía de ondas de fibra óptica PMMA flexible de 15 m de largo está acoplada a tope a una sonda de plástico ABS que retiene el centelleador LYSO:Ce. Las pruebas iniciales han incluido el uso de fuentes mixtas de rayos gamma basadas en laboratorio, y las mediciones se han realizado en conjunto con un medidor topográfico GM convencional de referencia. La caracterización, mediante fuentes NORM en una instalación de descontaminación, ha demostrado una sensibilidad útil, que cubre el rango de tasa de dosis de 0,10 a 28 µSv h-1 (R cuadrado 0,966), extendiéndose hasta 80 µSv/h, como se demuestra en el uso de un Cs- 137 fuente. Se ha demostrado que el sistema proporciona una herramienta eficaz para la detección de radiactividad en lugares de difícil acceso, en particular para fuentes que emiten a niveles bajos de radiación, hasta valores que se aproximan al fondo.

La necesidad de determinar los niveles de radiación por encima del fondo está bien documentada, sobre todo en lo que respecta a las industrias extractivas y asociadas, lo que exige que el material radiactivo de origen natural (los llamados medios afectados por NORM) se maneje con el debido respeto a la salud y a la salud. seguridad, minimización de la creación de residuos y reutilización de medios desmantelados afectados por NORM. Estos problemas se enfrentan, por ejemplo, en la industria del petróleo y el gas (O&G), la industria de beneficio de minerales, el manejo de chatarra y los materiales destinados a la exportación. Además, en el contexto de la seguridad, se necesita una capacidad más versátil para detectar fuentes antropomórficas que, por diversas razones, sólo pueden estar emitiendo a niveles débiles. En ambos ámbitos, y en particular a los efectos del despeje, puede ser necesario tomar decisiones en lugares de difícil acceso, un tema que el presente trabajo busca abordar. Los residuos radiactivos en el negocio upstream de petróleo y gas se manifiestan como lodos e incrustaciones. La detección de NORM encontrada en las partes internas de diversos componentes puede resultar compleja debido a las formas y tamaños de los elementos involucrados (incluidas curvas en tuberías, a menudo de diámetro interno limitado), ubicaciones de difícil acceso y elementos de longitudes de hasta unos 15 m y más. Es esencial un seguimiento seguro y regular de los sistemas y las materias primas.

Al inspeccionar tuberías en busca de material radiactivo natural (NORM), un tema en el que se concentrará el presente trabajo, que también actúa como plataforma para otros desafíos similares, determinar la presencia de radiactividad es una cuestión de considerable necesidad. Es posible que esto deba hacerse para niveles de emisión que incluso se acerquen a los niveles mínimos, dependiendo de los requisitos legales, también con respecto al grado de precisión necesario. Es posible que sea necesario revisar tramos largos de tuberías, separadores, perforaciones, componentes de restricción de flujo, grietas y otros lugares con espacios reducidos. Los sistemas de inspección deben ser robustos, además con capacidad para que los sistemas de detección funcionen en ambientes acuosos y otros ambientes similares, así como en presencia de gases explosivos. En la industria del petróleo y el gas, así como en otras industrias extractivas y de beneficio, NORM se encuentra a menudo en lugares que, sin duda, suelen ser de difícil acceso. En situaciones que involucran grandes cantidades de materiales afectados, trabajar con ellos puede representar un riesgo potencial para los trabajadores. Además, puede resultar difícil deshacerse de los medios afectados, ya que el reciclaje de chatarra requiere una ausencia validada de radiactividad detectable. En consecuencia, medir la radiación a niveles bajos adquiere importancia, sobre todo para las industrias afectadas, incluso con respecto al desmantelamiento de instalaciones y la reutilización o reutilización del material inspeccionado. La mayoría de los dispositivos comerciales actuales de medición de radiación no son intrínsecamente seguros, no pueden realizar mediciones remotas, no permiten trabajar en ambientes acuosos y son menos efectivos para realizar determinaciones de radiactividad que solo resultan en débiles emisiones de rayos X o gamma. Incluso teniendo en cuenta la posibilidad de que existan componentes beta más fuertes (por ejemplo, Pb-210 sin soporte), en tales circunstancias las mediciones realizadas externamente a las tuberías u otros blindajes similares pueden no detectar las emisiones beta de corto alcance (que son de algunas decenas de cm sólo en el aire). ).

Este artículo describe el desarrollo y los resultados preliminares de un nuevo tipo de medidor topográfico con capacidad de detección que se basa en un sistema de fibra óptica extensible. El dispositivo consta de una pequeña sonda centelleadora no eléctrica, no higroscópica, que actualmente se puede extender unos 15 m desde la unidad de lectura portátil. La lectura la proporciona una unidad alimentada por una batería recargable de bajo voltaje y puede realizar mediciones a distancias relativamente largas, incluso en entornos estrechos y difíciles. Este nuevo dispositivo supera a las versiones anteriores de sobremesa1 en términos de tamaño y capacidad de detección de radiación.

En esfuerzos anteriores para construir un detector de radiación de operación remota en tiempo real, Jackson et al.2 analizaron un dispositivo comercial que consiste en un cristal de centelleo inorgánico (ZnWO4, 3 \(\times \) 3 \(\times \) 10 mm3) vinculado a un cable de fibra óptica, este último dirige la luminiscencia a una cámara CCD. El aparato se calibró en un entorno de radiación restringida que consta de partículas beta y rayos gamma producidos por una fuente de Cs-137 de 2,4 GBq (emisión gamma predominante de 662 keV). Durante el proceso de calibración, las tasas de dosis oscilaron entre 0,125 y 10,0 mSv/h. Debido a la alta relación señal-ruido del sistema, los investigadores encontraron que el dispositivo tenía una salida mínima de 0,2 mSv/h. Posteriormente, Jackson et al.3 informaron del uso del mismo sistema, ahora con un tubo fotomultiplicador (PMT), probado en circunstancias acuosas, con exposiciones realizadas mediante un acelerador lineal de radioterapia clínica (linac). Este último proporcionó una tasa de dosis altamente regulada que se extendía hasta 320 Sv/h. Reddy et al.4 habían propuesto previamente la misma técnica para monitorear la radiación ambiental que rodea la planta de reprocesamiento nuclear de Sellafield, produciendo en última instancia un mapa tridimensional general de la fuente. En otro estudio, se creó un sistema remoto de espectroscopia gamma basado en un sensor de radiación de fibra óptica (FORS) para su uso en reactores nucleares para detectar fuentes emisoras de gamma en lugares remotos, identificando fuentes radiactivas mediante espectros de rayos gamma5. En cada una de estas circunstancias, como también en lo que respecta a este trabajo, el sistema de fibra óptica permite investigar la radiactividad a distancia (por ejemplo, a varios metros o más de la fuente), garantizando la seguridad de los trabajadores involucrados en tales inspecciones.

La cantidad de luz de centelleo producida y recogida en un FORS es fundamental para la sensibilidad del sistema de detección. Kim et al.6 demostraron centelleos inorgánicos recubiertos con óxido de grafeno reducido (RGO) en un dispositivo FORS para espectroscopia remota de rayos gamma. Los resultados mostraron que el recubrimiento RGO del granate de galio, aluminio y gadolinio dopado con cerio (GAGG:Ce) mejoró la tasa de conteo y la resolución energética del FORS. La longitud de onda de las emisiones de GAGG:Ce fue cercana a 535 nm, lo que resultó en una mayor intensidad de luz transmitida a través de la membrana RGO. Con base en estos resultados, el estudio sugiere que un centelleador inorgánico con un alto rendimiento luminoso y una longitud de onda de emisión cercana a 535 nm funcionaría bien en espectroscopia de rayos gamma después del recubrimiento RGO. Dohler et al.7 tomaron nota de la capacidad del tiempo de integración de la señal para FORS en aplicaciones destinadas a medir la contaminación, también en la estimación de parámetros de blindaje, ya que las fuentes de baja actividad tardan más en detectarse para una fuente y un detector separados por material de hormigón grueso.

Fernández et al.8 estudiaron sondas compuestas por un centelleador CsI (Tl) de dimensiones 1 mm (OD) \(\times \) 5 mm (L), acoplado a una fibra óptica PMMA para su uso durante el monitoreo gamma in situ alrededor de la fusión termonuclear. reactores. En el laboratorio, la exposición a una fuente gamma de Co-60 proporcionó una tasa de dosis de 0,3 mGy/h a 3 Gy/h, lo que reveló una saturación a 1 Gy/h. Esta limitación, atribuida al largo tiempo de respuesta de los cristales de CsI (Tl) (0,6–3,4 µs), ha llevado a considerar el uso de una alternativa dopada con Ce para proporcionar un rango dinámico más alto. En un intento similar, Kim et al.9 monitorearon la contaminación radiactiva en tuberías de agua corriente, utilizando un centelleador GAG dopado con Ce (Gd3Al2Ga3O12), cuya configuración fija colocada externamente a la tubería formaba un medidor de radiación. El estudio destacó la eficacia del centelleador dopado con Ce para medir los niveles de radiación de una variedad de emisiones de fuentes gamma: 122 keV de una fuente de Co-57; 662 keV de una fuente de Cs-137; y 1173 keV y 1332 keV de una fuente de Co-60. Joo et al.10 presentaron un sistema FORS que mide la radiación gamma procedente de suelos contaminados radiactivamente, mientras que Han et al.11 han demostrado la espectroscopía gamma con LYSO:Ce (ortosilicato de itrio y lutecio dopado con cerio).

En los estudios mencionados hasta ahora, la fuente de energía ha sido predominantemente la red eléctrica, lo que hace que el aparato no sea adecuado para operaciones de campo. En este documento, en particular, informamos la caracterización de un sistema de dosimetría de fibra óptica basado en centelleo alimentado por batería basado en el uso de un centelleador LYSO:Ce a tasas de dosis y energías típicamente proporcionadas por fuentes NORM. Las mediciones se calibraron con un medidor de encuesta GM. En el sistema actual, la radioluminiscencia (RL) producida por los centelleadores se propaga dentro de la guía de ondas de fibra óptica hasta un sistema de fotodetección, proporcionando capacidad de mediciones de radiación en tiempo real, remotas e intrínsecamente seguras. Como se ha investigado1, la disposición particular del centelleador LYSO:Ce proporciona una sensibilidad viable que, aunque conduce claramente a valores menores que los de los sistemas GM, ofrece una versatilidad considerable en las aplicaciones prácticas para las que está destinado. En particular, LYSO:Ce proporciona una alta densidad (7,15 g/cm3) y una alta emisión de luz (70% de NaI(Tl), 25 fotones/keV), lo que conduce a una sensibilidad mejorada. Las características adicionales de un tiempo de desintegración corto (~ 40 ns), una resolución de energía favorable, <12 % y una buena dureza de la radiación apuntan a una utilidad mejorada aún más, extendiéndose al uso en entornos con tasas de dosis más altas.

El sistema desarrollado consistió en una unidad portátil alimentada por baterías (diseñada durante el proyecto y fabricada mediante impresión 3D) que acepta una entrada de fibra óptica (predominio espectral hacia el extremo azul del espectro). El sistema portátil recibe la señal de un detector en miniatura (basado en un centelleador LYSO:Ce, dimensiones personalizadas de 3 mm \(\times \) 20 mm con un revestimiento reflectante de TiO2 de EPIC Crystal Co. Ltd. (Shanghai, China) que ayuda para confinar la luminiscencia generada y proporcionar una canalización de baja pérdida de la luminiscencia a la fibra). El centelleador está alojado en una carcasa de plástico hermética a la luz y conectado (mediante un acoplamiento a tope) al otro extremo de un canal de fibra óptica de 12,5 m (cable SH8001 ESKA™ Super 2,0 × 3,0 mm SH Simplex, Mitsubishi Chemical Co., Tokio , Japón).Tokio, Japón) que está montado en un carrete giratorio manualmente. En el estado inicial, el canal de fibra óptica se enrolla y posteriormente se desenrolla según las necesidades del operador. Esta señal es adquirida por un fotomultiplicador de silicio (SiPM) MICRO-FJ-SMTPA-30035-GEVB (placa de evaluación) desarrollado por SensL Technologies Ltd. (Cork, Irlanda), procesado mediante preprocesamiento interno y Módulos de amplificación capaces de manejar señales de hasta 450 MHz y consumir 40 mA en promedio. No se espera que el recubrimiento de TiO2 mencionado anteriormente contribuya a un nivel práctico a la señal de radioluminiscencia, ya que tiene un número atómico relativamente bajo (Z = 22) y una baja capacidad de producción de radioluminiscencia asociada. Un microcontrolador de 8 bits realizó el conteo de pulsos. Con una sola carga, la batería recargable de iones de litio de 3,7 V de todo el sistema puede alimentarlo durante aproximadamente más de 33 horas. Las lecturas se mostraron en una pantalla LCD digital integrada. Además, el dispositivo está equipado con un LED rojo y un zumbador que se activa cada vez que se detecta un nivel umbral predeterminado de radiación.

El desarrollo del sistema actual ha buscado abordar dos desafíos principales:

La necesidad de una sonda en miniatura extensible de un alcance de >10 m, aunque genera problemas de intensidad de la señal, que incluyen:

Atenuación de señal. La pérdida de señal a lo largo del canal de fibra se minimizó utilizando un canal óptico en lugar del cable de cobre tradicional (que se extiende desde el fotomultiplicador de silicio) y seleccionando una fibra óptica especializada de núcleo grande adecuada hecha de plástico (en lugar del vidrio habitual) para brindar flexibilidad a lo largo de largos periodos de tiempo. distancias. La fibra óptica de núcleo más grande que tiene un diámetro de 2 mm en lugar de un diámetro de núcleo de 1 mm como en Zubair et al.1 contribuye significativamente a la captura de luz y a las mejoras de la sensibilidad;

Sensibilidad debido al tamaño pequeño: La sensibilidad de la sonda en miniatura (3 mm de diámetro, en comparación con 25 mm de diámetro en los sistemas convencionales) se maximizó aplicando una capa de pintura reflectante de óxido de titanio y diseñando estructuras impresas en 3D para admitir el acoplamiento de fibra a SiPM.

El deseo de un instrumento portátil:

Los circuitos de procesamiento de señales requieren alta potencia, generalmente suministrada por la red eléctrica: para evitar esto, se diseñó un circuito de procesamiento de señales con componentes de baja potencia.

Los dispositivos portátiles requieren baterías con una vida útil adecuada: el sistema total tiene la capacidad de funcionar durante más de 33 horas, o aproximadamente cuatro días. Esto se logró diseñando reguladores de voltaje con la mayor eficiencia de salida posible.

La Figura 1A ilustra el diseño 3D estereolitográfico (SLA) de la carcasa personalizada para la placa SiPM, creada con resina negra fotosensible. El gabinete tiene dos funciones principales: primero, impide que la luz llegue al sensor y, segundo, mantiene el conector de fibra óptica encima del sensor para garantizar su alineación y ubicación adecuadas. La Figura 1B ilustra la representación CAD (modelada y renderizada en Autodesk Fusion 36012) del gabinete portátil, producido posteriormente mediante el procedimiento SLA (B). El canal de fibra óptica está montado en un carrete externo a la unidad portátil, mientras que el gabinete SiPM y los demás componentes están alojados en el interior. El centelleador está acoplado a tope y alojado dentro de una férula de plástico especialmente fabricada, de unos 10 mm de diámetro, en el otro extremo de la fibra.

Representación CAD de (A) carcasa para placa SiPM que proporciona alineación de la fibra al fotosensor y bloquea la luz ambiental (B) prototipo de medidor topográfico portátil con sonda de fibra óptica extensible utilizando Autodesk Fusion 36012.

El centelleador en miniatura produce una emisión óptica del orden de nanosegundos (que corresponde a un único evento de interacción entre la radiación y el material centelleador), capturada por el SiPM y convertida en pulsos fotoeléctricos. Estos pulsos fotoeléctricos luego se procesan en pulsos TTL para que un microcontrolador los lea como señales digitales. El número registrado de estas señales digitales en un período de muestreo definido proporciona esencialmente la tasa de conteo. Según las especificaciones estándar y los estudios experimentales13, el centelleador LYSO:Ce tiene una constante de desintegración de aproximadamente 40 ns, como se mencionó anteriormente. Idealmente, un pulso de este medio sensor debería tener una duración inferior a 40 ns, dado que la señal analógica resultante está sujeta no sólo al rendimiento del medio fotodetector sino también al de los circuitos de preprocesamiento. En medios de estado sólido para la detección de centelleo, Dolinsky et al.14 han demostrado tiempos de respuesta favorables en comparación con los de un tubo fotomultiplicador tradicional. En ausencia de un circuito de configuración de pulso, el tiempo de caída del pulso de la señal adquirida (el tiempo necesario para que un pulso regrese a la línea base) puede ser significativamente mayor que 40 ns.

En el diseño actual, la señal del centelleador se capturó desde el puerto de "Salida estándar" de la placa de evaluación SiPM y se determinó que la constante de caída de emisión resultante era de 130 ns. Cuando se procesó a través de un amplificador, la constante de caída se extendió aproximadamente a 200 ns. La Figura 2A ilustra la respuesta del detector de una sonda simulada (sin centelleador presente). Esto proporciona los niveles de señal y las velocidades de conteo de los conteos oscuros, alcanzando una amplitud de aproximadamente 5 mV. Así, los niveles de tensión superiores a 5 mV, en este caso superiores a 6,5 mV (elegidos arbitrariamente), se consideraban señales de centelleo. La Figura 2B presenta las señales capturadas con un umbral establecido en 6,5 mV. Se capturaron pulsos de varias alturas, hasta 25 mV. La altura de estos pulsos corresponde a la energía del paquete de radiación detectado. Para controlar la tasa de dosis, es suficiente capturar el tiempo de incidencia de los pulsos.

(A) Ruido de fondo que alcanza una amplitud máxima de 5 mV, (B) señales sin procesar de un centelleador de fibra acoplada capturadas a un nivel de umbral de 6,5 mV, y (C) Señal de centelleo capturada con un osciloscopio que muestra la señal amplificada (traza amarilla) y la salida del comparador correspondiente (trazo verde).

Las señales sin procesar se procesan a través de un circuito de preprocesamiento desarrollado internamente con aproximadamente 15 veces de ganancia. La Figura 2C ilustra un par de señales TTL sin procesar de muestra que se produjo como resultado de la amplificación de la señal sin procesar (representada por el trazo amarillo) y el procesamiento posterior a través de un comparador (representado por el trazo verde). El pulso TTL negativo resultante tenía un ancho del orden de 200 a 300 ns. Luego, estos pulsos se alimentaron a un microcontrolador para realizar el conteo de pulsos.

Los datos para este estudio se recopilaron para tres tipos de muestras: Cs-137 (una fuente de laboratorio), una fuente gamma mixta (una fuente de laboratorio) y una fuente NORM de dimensiones relativamente grandes con radiactividad distribuida, con emisiones de rayos gamma y beta. Para cada muestra, las fuentes se mantuvieron en una posición fija, y la sonda del dispositivo medidor de estudio bajo prueba (DUT) se colocó a varias separaciones de la fuente. Se colocó un medidor de referencia basado en Geiger (Radiation Alert® Ranger, SE International, Inc., Tennessee, EE. UU.) en el mismo lugar que la sonda. Como se muestra en la Fig. 4A, la fuente de laboratorio de Cs-137 tuvo una actividad de 387,4 kBq el 1 de mayo de 2021, y la fuente proporcionó una emisión de rayos gamma dominante de 662 keV.

(A) Histograma de lecturas de cpm obtenidas con el DUT, que arroja una media de 1503 cpm y una desviación estándar de 89 cpm; (B) Gráfico de datos de cpm de fondo tomados durante un período de conteo prolongado.

(A) Fuente de laboratorio de Cs-137 con actividad de 10,47 µCi utilizada como fuente de radiación principal para mediciones con DUT, y (B) Respuesta del DUT en CPM para tasas de dosis entre fondo (0,2 µSv/h) y ~ 80 µSv/h.

(A) Respuesta del DUT en CPM a distancias de hasta 12 cm, y; (B) un frasco de monacita que actúa como fuente para esta parte del estudio, obtenido del almacenamiento en el laboratorio y que normalmente se utiliza con fines educativos o de capacitación.

Prototipo portátil operado en un entorno NORMAL real, con la sonda (A) colocada dentro de un tubular; (B) ilustración del tamaño miniatura de la sonda, envuelta en cinta roja. (C) Respuesta del medidor de medición de fibra óptica en cpm a diversas tasas de dosis alrededor de un paquete de muestra NORM con un ajuste polinómico de segundo orden, y; (D) Configuración experimental en el ambiente exterior, con polvo NORM (~ 700 g) recogido en un paquete justo después del proceso de descontaminación. La sonda se colocó a varias distancias del paquete.

Gráficos de densidad de recuentos de radiación (cpm) que muestran la distribución de los valores registrados obtenidos durante un período de recuento prolongado, con el uso del sistema FORS para fuentes naturales y de laboratorio y con la sonda y la fuente en posiciones fijas entre sí.

Las pruebas se realizaron utilizando una mezcla de fuentes de rayos gamma y muestras naturales de baja actividad (monacita, óxido de hierro, etc.), todo ello en el laboratorio de Alypz Sdn. Bhd. (Malasia). Se siguió el mismo procedimiento para determinar la respuesta del dispositivo en función de la separación fuente-DUT. Ciertamente no se prevé que la reciprocidad inversa entre tasa de dosis y separación, siendo claramente el resultado esperado, se ajuste a la ley del cuadrado inverso, esta última determinada para una fuente puntual y un detector puntual, cuya mejor aproximación es con separaciones suficientemente grandes. Las actividades de radionúclidos en el compuesto de monacita se dan en la Tabla 1, habiéndose obtenido estos valores en Alypz Sdn. Laboratorio Bhd utilizando su sistema de espectroscopia blindado de Ge hiperpuro (HPGe).

Se tomaron mediciones adicionales en una instalación de descontaminación tubular NORM de O&G ubicada en Terengganu, Malasia. Durante la lectura, la sonda se movió manualmente para realizar varias separaciones. El prototipo del DUT se puede ver en las Figs. 6 y 7A. La sonda se expuso a un paquete de NORM (~ 700 g) recolectado en un ejercicio posterior a la descontaminación dentro de las instalaciones de descontaminación de NORM. También se utilizaron dos medidores de encuestas GM de referencia (Radiation Alert® Inspector, SE International, Inc., Tennessee, EE. UU. y un Rad 100™, International Medcom, Inc., California, EE. UU.) para registrar la tasa de dosis. Las mediciones se tomaron a distancias de hasta 15 cm de la muestra, una separación en la que la tasa de dosis registrada comienza a acercarse a los niveles de radiación de fondo. Los niveles más altos se registraron cuando tanto la sonda como la ventana del medidor de medición GM estaban en contacto con el paquete de muestra.

Antes de realizar mediciones en las muestras, se estableció el nivel de fondo. En la Fig. 3 se presentan las lecturas de exposición prolongada al fondo (con una media y una desviación estándar de 1503 ± 89 cpm). Esto corresponde a los niveles de radiación natural del medio ambiente, normalmente dentro del rango de 0,10 a 0,25 µSv/h. Para las mismas duraciones de medición utilizadas para la sonda y para condiciones similares a las encontradas en nuestro laboratorio, el medidor de referencia registró una tasa de dosis de 0,221 ± 0,030 µSv/h. La desviación estándar de los recuentos observados, que abarca la variación natural de la radiación de fondo, contribuye a la sensibilidad inherente del centelleador.

El DUT fue expuesto a una fuente de Cs-137 para establecer la sensibilidad general. La tasa de dosis máxima capturada por el medidor de referencia fue de ~ 80 µSv/h, detectada cuando el dispositivo/sonda estaba en contacto con la fuente. La Figura 4 (A) muestra la fuente de 387,4 kBq (medida unos seis meses antes del presente estudio) encapsulada dentro de una carcasa de plástico. En la Fig. 4B se observa el mayor porcentaje de incertidumbre existente en las tasas de dosis más altas. En lo que respecta a los efectos de acumulación de impulsos, estos son en gran medida inesperados en niveles de tasa de interés bajos a moderados, y se prevé que sólo se convertirán en un problema a tasas de conteo mucho más altas, del orden de 106 cps, en línea con una anchura de pulso de del orden de 200 a 300 ns como se mencionó anteriormente. El porcentaje de incertidumbre observado, que reduce la precisión de la medición, es más probablemente atribuible a la construcción de la sonda, formada por un simple acoplamiento a tope de la fibra portadora de luz PMMA de superficie frontal correspondiente a su diámetro de 2 mm y la superficie centelleadora de 3 mm de diámetro. . Este desajuste permite que una parte del centelleo escape y entre en la fibra de PMMA, un efecto que se puede esperar que sea proporcionalmente mayor a tasas de dosis más altas debido a una mayor emisión dentro del cristal centelleador. Esto sigue siendo un área para mejoras adicionales en términos del diseño mecánico de la disposición de acoplamiento. En su estado actual, se ha estimado que la sensibilidad de la sonda a temperatura ambiente es ~ 450 cpm/μSv/h, correspondiente a tasas de dosis bajas (por debajo de 15 μSv/h) y ~ 930 cpm/μSv/h para tasas de dosis a alrededor de 15 µSv/h. Para aplicaciones prácticas, se puede utilizar una ecuación derivada del ajuste polinómico (de la forma Ax2 + Bx + C) de los datos experimentales, o aproximaciones similares, para convertir los valores de cpm registrados a la tasa de dosis en µSv/h.

En lo que respecta a escenarios prácticos, se prevé que la utilidad del sistema sea la detección de NORM y también de otros contaminantes radiactivos confinados en lugares estrechos y de difícil acceso. También se puede utilizar en la búsqueda de materiales antropomórficos, hasta niveles de emisión débiles, buscando fuentes huérfanas o fuentes que han sido ocultadas deliberadamente. Para validar la capacidad del sistema, el sistema se sometió a varias fuentes NORM débiles (que emiten rayos gamma y partículas beta) disponibles en el laboratorio de Alypz Sdn Bhd (a partir de material recolectado de sitios externos y retenido con fines de capacitación). La Figura 5A muestra los resultados de este ejercicio, relativos a un frasco que contiene una fuente de monacita. Se considera que la relación inversa entre la tasa de conteo y la separación x de la fuente a la sonda sigue una forma Ax-B, la relación de potencia particular (potencia de B) ajustada para obtener un valor de R cuadrado de 0,98. Como se muestra en la Fig. 5B, también se colocó un medidor de referencia Rad100 junto a la sonda para permitir el registro simultáneo de la tasa de dosis correspondiente, registrando un valor de 7,59 µSv/h cuando estaba en contacto con el frasco. Se encontró que las tasas de dosis medias a distancias de 12, 10, 8, 5, 3, 1 y 0,2 cm eran 1,19, 1,47, 1,98, 2,72, 4,37, 6,44 y 7,59 µSv/h, respectivamente. Como se observó en varios estudios previos1,7, a niveles de radiación extremadamente bajos, la discriminación entre diferentes tasas de dosis requiere un tiempo de integración más largo, del orden de decenas de segundos. Los resultados de la presente disposición muestran una discriminación efectiva al nivel de ~ 0,5 µSv/h para datos adquiridos durante un período de 30 a 40 s. En una subsección posterior se presentará una discusión más detallada sobre las respuestas a tasas de dosis bajas.

La funcionalidad del DUT se investigó en un escenario real afectado por NORM (Fig. 6), buscando la validación de su utilidad en el campo. Los resultados que se muestran en la Fig. 6C se refieren a las diversas lecturas (cpm del DUT frente a µSv/h de un medidor de encuesta GM) obtenidas para la sonda y el medidor de encuesta GM colocados cerca de las muestras NORM recolectadas, como se muestra en la Fig. 6C. 6D. La sonda se colocó primero a una distancia de hasta 15 cm de un paquete de polvo afectado por NORM, y la tasa de dosis medida se acercó a los niveles de fondo. En lugares más cercanos se registró un aumento de la tasa de dosis. A la distancia más cercana (con contacto realizado con la superficie del paquete NORM), la tasa de dosis registrada fue de ~ 28 µSv/h, obteniendo recuentos en el rango de ~ 3400 cpm. Al demostrar la sensibilidad del DUT dentro de un entorno operativo, se encontró un valor de 48 cpm/μSv/h, que también exhibe un comportamiento no lineal como se observa en la Fig. 4B. Se observa una disminución de la sensibilidad en comparación con los ajustes anteriores, atribuible al volumen, la distribución de la radiactividad y la atenuación de las partículas beta dentro del material afectado (las evaluaciones espectroscópicas, por ejemplo, de la fuente de monacita de laboratorio, realizada utilizando un detector de Ge hiperpuro, han demostrado tal muestras tienen un contenido apreciable de Pb-214, en consecuencia con las emisiones de partículas beta asociadas). La situación indica la necesidad de protocolos de calibración adecuados en el uso de medidores de medición de fibra óptica, reconociendo el volumen restringido del centelleador, así como su sensibilidad a las diferentes emisiones y sus energías características.

La sensibilidad exhibida por el sistema de centelleo de fibra óptica depende no sólo del tipo de fuente sino también del volumen, la forma y el ángulo formado con respecto a la posición de la sonda y la distancia desde la fuente1. La Figura 7 ofrece una visión detallada de la distribución de los recuentos (cpm) observados a distancias específicas cuando la sonda se colocó a varias distancias de las respectivas fuentes. Los histogramas están etiquetados según las tasas de dosis mínima y máxima registradas utilizando un medidor de medición GM a distancias particulares. Para la exposición de la fuente de Cs-137 de laboratorio en forma de un disco de forma regular, más pequeño en relación con el tubo GM pero comparable a las dimensiones de la sonda centelleadora (de 1 a 2 cm), las respuestas muestran que la resolución de sensibilidad es ~ 0,5 µSv/h, tomando la mediana de los recuentos registrados adquiridos durante 25 a 40 s. La tasa de dosis efectiva (medida utilizando medidores topográficos GM) a una distancia particular puede variar entre un 15 y un 20% con respecto al valor mediano (desviación estándar). Cuando se extiende a fuentes NORM (con muestras recolectadas de instalaciones de descontaminación y con una distribución aleatoria del material dentro de cada paquete), la sensibilidad se reduce considerablemente. Al tomar la mediana de las lecturas durante períodos prolongados (60 a 90 s), se ha estimado que la resolución de la tasa de dosis efectiva es ~ 2 µSv/h. Es además evidente que al hacer una comparación con los datos de fondo de la Fig. 3, los niveles mostrados por las diversas fuentes permiten la discriminación del fondo, siendo la única excepción para los medios afectados por NORM de actividad más baja, con tasas de dosis comparables a los datos de fondo. .

La principal limitación de este estudio ha sido el acceso restringido a las fuentes e instalaciones de radiación. Se requería seguir estrictamente el plan experimental, compartido antes de las fechas del experimento con el operador. En consecuencia, la recopilación de datos se ha limitado a la necesaria para satisfacer la significancia estadística de los resultados. Todos los experimentos se llevaron a cabo en sitios autorizados para albergar fuentes de radiación y materiales radiactivos en presencia de oficiales de radiación autorizados por la Junta de Licencias de Energía Atómica de Malasia.

En conclusión, el sistema detector de radiación desarrollado utilizando sondas en miniatura basadas en centelleadores LYSO:Ce demuestra un rendimiento excepcional en la medición de fuentes naturales de radiación. Esto sirvió para satisfacer una motivación particular para el trabajo: el desarrollo de un sistema sensible capaz de validar la eficiencia de la eliminación de la contaminación radiactiva de las superficies internas de las tuberías. En el caso de niveles residuales de actividad excepcionalmente bajos, la posible falta de homogeneidad en la emisión beta/gamma podría ser una consideración secundaria que merece estudio futuro. El dispositivo portátil, construido con tecnología de impresión 3D y alimentado por una batería, ofrece la capacidad de proporcionar mediciones precisas a una distancia de hasta 15 m, incluso dentro de tuberías de diámetros tan estrechos como 2 cm. El dispositivo está integrado con una alerta sonora y visual (ajustable a umbrales de tasa de dosis seleccionados) y cuenta con una batería de larga duración de aproximadamente 33+ horas con una sola carga. La ventaja más importante de este sistema es su capacidad para realizar mediciones en lugares de difícil acceso para tasas de dosis que van desde los niveles de fondo hasta el nivel máximo actualmente investigado de 80 μSv/h con una sensibilidad mínima de ~ 450 cpm/μSv/h. , una mejora significativa con respecto a disposiciones anteriores con este detector1. Esto lo convierte en una herramienta valiosa para la detección de radiactividad en una variedad de escenarios y contextos, incluida la seguridad, y no menos importante para garantizar la seguridad de las personas en entornos laborales.

Los conjuntos de datos adquiridos y analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Zubair, HT y cols. Medidor de medición acoplado a fibra óptica para monitoreo NORM y de radiactividad de bajo nivel. Radiación. Física. Química. 188, 109682 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

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Descargar referencias

Los autores desean expresar su agradecimiento al equipo de operaciones de campo y laboratorio de Alypz Sdn. Bhd estacionado en la sede de Subang Jaya y Kemaman, Malasia. Los autores también desean agradecer a Sayuti Jamaudin, Nurul Aini Mohd Noor, Izzatie Razak y Syafiq Johari de Multimedia University por su tremendo apoyo en la gestión de proyectos y la organización de excursiones. M. Alkhorayef extiende su agradecimiento a la Diputación de Investigación e Innovación del “Ministerio de Educación” de Arabia Saudita por financiar su participación en esta investigación (IFKSUOR3-016-2).

La investigación y el desarrollo del sistema prototipo contaron con el apoyo de una subvención de la Red de Investigación Público-Privada (PPRN) (MMUE/190211 PPRN-Radiation Survey) del Ministerio de Educación Superior de Malasia.

Centro de Investigación de Fibra Óptica, Facultad de Ingeniería, Universidad Multimedia, Jalan Multimedia, 63100, Cyberjaya, Malasia

HT Zubair, Adebiyi Oresegun, A. Basaif, SA Ibrahim, S. Mansor y HA Abdul-Rashid

Lumisyns Sdn Bhd, 47600, Subang Jaya, Selangor, Malasia

HT Zubair y MD Khairina

Centro de Física Aplicada y Tecnologías de la Radiación, Universidad Sunway, 46150, Petaling Jaya, Malasia

DA Bradley

Escuela de Matemáticas y Física, Universidad de Surrey, Guildford, GU2 7XH, Reino Unido

DA Bradley

Alypz Sdn Bhd, Jalan Industri USJ 1/1, Taman Perindustrian USJ 1, 47600, Subang Jaya, Selangor, Malasia

J. Othman, R. Rifiat, F. Hamidi, L. Rahman y A. Ezzadeen

Departamento de Ciencias Radiológicas, Facultad de Ciencias Médicas Aplicadas, Universidad Rey Saud, PO Box 10219, 11433, Riad, Arabia Saudita

M. Alkhorayef

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HTZ y DAB escribieron el texto principal del manuscrito, mientras que HAAR lo revisó, DAB y MAHTZ prepararon las figuras. El trabajo fue conceptualizado por HTZ, HAAR y DAB. La metodología y el equipo asociado fueron desarrollados por HTZ, AO, AB, MDK, SAI y SMJO, RR, FH y LR proporcionaron los recursos para procedimientos experimentales y experiencia en la materia. HTZ, MDK, AO y AB llevaron a cabo las investigaciones. El análisis formal fue realizado por HTZ, MDK y DABHAAR y DAB supervisó el proyecto y revisó el artículo. La financiación fue adquirida por HAAR, MA y AE.

Correspondencia a HA Abdul-Rashid.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zubair, HT, Bradley, DA, Khairina, MD et al. Un medidor extensible de sonda de fibra óptica para materiales radiactivos naturales (NORM) y otros emisores débiles. Informe científico 13, 11918 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39180-9

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Recibido: 12 de febrero de 2023

Aceptado: 20 de julio de 2023

Publicado: 24 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39180-9

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