Monitorización de Espectros de Radiación Gamma

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"Al disponer de varios tipos de chasis cDAQ con conectividad Ethernet y USB se asegura que se podrían adquirir diferentes tipos de señales a la vez"

- Juan José Cabana González , OPIDIS

The Challenge:
Implementar un sistema de medición de espectros de radiación gamma para la monitorización de radionúclidos en gases y líquidos. Posibilidad de almacenar la información durante grandes períodos de tiempo.

The Solution:
Realizar una aplicación para ordenadores tipo PC y Sistema Operativo MS Windows 7 que pueda adquirir espectros de radiación desde un procesador digital de espectros del tipo AmpTek DP5 (o DP5G). Realizar la configuración del dispositivo DP5 desde la aplicación y realizar mediciones periódicas de espectros de radiación gamma pudiendo monitorizar la actividad de varias regiones de interés. Permitir el almacenamiento de la información de forma continua durante largos períodos de tiempo o a partir de la ocurrencia de un evento. Realizar de forma opcional mediciones de señales analógicas para monitorizar el estado de diversos equipos de planta.

Author(s):
Juan José Cabana González - OPIDIS

Introducción

La Empresa OPIDIS realizó para uno de sus clientes del sector de la generación de energía eléctrica nuclear, un sistema de medición de espectros de radiación gamma para la monitorización de varios fluidos (gases y líquidos) y la determinación de la presencia de determinados radionúclidos. Estas mediciones indicarían en algunos casos la fuga de material radiactivo y permitiría tomar las medidas oportunas para solucionar dichas averías en los inicios cuando los problemas son menores. Este tipo de sistemas de medida pueden aplicarse en otras áreas como la vigilancia de material en transportes debido a que se puede discriminar los radionúclidos presentes y si la actividad detectada es producto de la presencia de materiales naturales o artificiales.

Requisitos Generales del Sistema de Medición

El sistema de medición debe poder conectarse a los procesadores digitales de espectros de la firma AmpTek (DP5 y DP5G) por medio de comunicaciones de tipo Ethernet, USB y COM. Se debe realizar una interface fácilmente actualizable porque los firmwares de dichos procesadores digitales se actualizan con relativa frecuencia. El software debe permitir configurar en tiempo real los procesadores digitales y a la vez mostrar las mediciones en tiempo real y su estado, en forma gráfica.

Se debe poder realizar mediciones de parámetros de campo para monitorizar el estado de determinados equipos relacionados y detectar situaciones anormales.

La aplicación debe ser ejecutada en un ordenador portátil sobre el SO MS Windows 7 y no requerir de instalaciones complejas.

Solución Basada en Measurement Studio

La solución que se implementó consiste en realizar una aplicación de MS Windows en el lenguaje de programación C# y Visual Studio 2010. Se utilizó NI Measurement Studio 2010 Enterprise para realizar la interface de visualización, la realización de cálculos matemáticos, el control de dispositivos de medida por NI-DAQmx y el almacenamiento de la información en archivos con formato TDMS. Para las mediciones se utilizó un dispositivo NI CompactDAQ-9181.

El software de medida y la interfaz gráfica realiza todas las funciones de medida y presentación en múltiples procesos concurrentes (Threads) basados en colas para asegurar que las mediciones se realizan en tiempo con menos de 1 ms de error. Los períodos de adquisición de espectros varían con dependencia de la interfaz que se utilice para realizar las conexiones con el procesador digital, siendo para Ethernet de hasta 800 ms y USB hasta 200 ms. No obstante se suelen emplear tiempos de adquisición del orden de 1 s. En la Figura 1 se muestra la interfaz principal de la aplicación.

Todo el sistema está preparado para gestionar de forma concurrente varios procesadores digitales DP5 con conexiones de diversos tipos y utilizar de forma efectiva los recursos de varios procesadores de los ordenadores modernos que en la actualidad pueden ser de 4 CPU y en un futuro cercano de más de 6 CPU. El sistema de ha probado con 5 procesadores digitales y adquisiciones de 1 segundo. En la Figura 2 se muestra la arquitectura de varios medidores concurrentes.

Los procesadores digitales de espectros DP5 contienen una electrónica avanzada que incluye una FPGA que permite realizar la interface con diversos tipos de detectores de radiación. La misma firma AmpTek proporciona detectores de semiconductor para radiación de rayos X y Gamma del tipo CdTe. Se pueden utilizar otros tipos de detectores con materiales de cristal como los de BaF2, LsCl3, NaI(TI) de Saint Gobain Crystals y los detectores de Germanio de varios tipos.  Los detectores pueden tener tamaños de unos pocos centímetros hasta uno o más metros. Debido a que los detectores de radiación se suelen colocar en diversos sitios como tuberías de líquidos o gases o derivaciones de estas, o directamente en pórticos; es necesario monitorizar el estado del dispositivo donde están ubicados. Se requiere realizar las medidas de parámetros físicos como por ejemplo el flujo del medio en que están ubicados, la temperatura de dicho medio, las vibraciones del detector, etc., ya que los cambios en estos parámetros pueden afectar las mediciones de los espectros o el estado del detector.

Para realizar la adquisición de estos parámetros desde los sensores se ha previsto la utilización de dispositivos NI CompactDAQ y gestionarlos por medio de su interfaz DAQmx a la vez que se realizan las medidas de los espectros. Todas las medidas de sensores se realizan en 4-20 mA desde los transmisores de los sensores. Al disponer de varios tipos de chasis cDAQ con conectividad Ethernet y USB se asegura que se podrían adquirir diferentes tipos de señales a la vez. De forma predeterminada se ha utilizado un NI cDAQ-9181 con un módulo tipo C NI-9203 para 8 señales de 4-20 mA. En la Figura 3 se muestra el dispositivo utilizado.

Todas las medidas de espectros y las configuraciones se almacenan en archivos de datos TDMS y se puede seleccionar los tamaños de los archivos para que se puedan gestionar posteriormente. Por ejemplo para 72 horas de muestreos continuos de 1 s, el archivo TDMS tiene un tamaño de 1.7 GB. Estos archivos se pueden procesar desde la misma aplicación buscando zonas de interés y generando un informe en MS Word.

Conclusiones

Se ha desarrollado una aplicación que permite la adquisición de espectros desde procesadores digitales AmpTek DP5, realizar la medición cada cierto período de tiempo durante períodos largos y marcar zonas de interés para realizar vigilancia de los radionúclidos que emiten en estas zonas de energía.

La aplicación realiza la monitorización de parámetros de sensores industriales de forma concurrente a los espectros y puede almacenar las mediciones en archivos de datos TDMS.

La aplicación permite fijar límites de alerta y alarma a las medidas de las vigilancias de las regiones de interés y a las señales analógicas. Estas alertas y alarmes pueden enviar mensajes a los operadores que están supervisando las pruebas.

El programa realizado es la base de un sistema de medida más amplio de múltiples sensores concurrentes para la vigilancia de emisores de radiación gamma por medios espectrométricos.

Author Information:
Juan José Cabana González
OPIDIS
Spain

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