INNOVACIÓN TECNOLÓGICA
Nuevo dosímetro de zona programable para la medición y monitoreo operacional de la radiación gamma externa
A new programmable
zone dosimeter for operational monitoring and measurement of external gamma
radiation
René Toledo
Acosta1, Raúl Arteche Díaz1, Guillermo Mesa Pérez1, Sandra
Fernández Llanez, Bárbara Fuente González1, José
A. Tamayo García2, Gilberto Alonso Villanueva2
1 Centro de Aplicaciones
Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN)
Calle 30 y 5ta Avenida, Miramar. Ciudad de La Habana, Cuba
2 Centro de Protección e Higiene de las Radiaciones (CPHR)
Calle 20 no 4113 e/41 y 47, Playa. Ciudad de La Habana, Cuba
toledo@orasen.co.cu
RESUMEN
La detección y la medición de las radiaciones nucleares se han convertido en un importantísimo renglón en la aplicación de los detectores nucleares y específicamente los Geiger-Muller. Los tubos Geiger con una alta sensibilidad de detección, su robusta construcción y un simple circuito adjunto continúan siendo uno de los detectores más usados en todas las áreas de aplicación en la física e investigaciones nucleares. Se presenta un nuevo diseño de instrumento para medir la tasa de dosis externa ambiental de radiación gamma desde 0,05 µSv/h hasta 10 mSv/h. Consta de tres elementos fundamentales: el detector Geiger-Muller, una tarjeta electrónica de adquisición y control y el software de aplicación. El instrumento se comunica a través de una interfase USB con la computadora solo para variar y ajustar los parámetros de la calibración. El software sedesarrolló en lenguaje C utilizando el compilador PICC4.08.
ABSTRACT
The detection and measurement of nuclear radiation have turn into an important aspect in the application of nuclear detectors and specifically, the Geiger Muller tubes. Endowed with high detection sensibility, robust construction and a relative simplicity of the associated circuit, the Geiger Tubes are still one of the most widely used detectors in all areas of application in physics and nuclear research. A new design of the instrument enables measurements of the environmental external dose rate of g (gamma) radiation from 0.05 µSv/h to 10 mSv/h. It consists of three elements: Geiger-Muller detector, a data acquisition and control card and the application software. The instrument is connected to the computer through a USB interface only to vary and adjust the calibration parameters. The software was developed in C programming language using the PICC4.08 compiler.
Key words: measuring instruments, data acquisition systems, design, gamma radiation, gamma sources, radiation doses, radiation protection, dosimetry, certification, control, nuclear medicine, dosemeters, electronic equipment
Introducción
Por la necesidad
de velar por el medio ambiente y la protección individual y colectiva,
la detección y la medición de las radiaciones nucleares se han
convertido en un importantísimo renglón en la aplicación
de los detectores nucleares y específicamente los Geiger-Muller. Los
tubos Geiger con una alta sensibilidad de detección, su robusta construcción
y un simple circuito adjunto continúan siendo los detectores más
usados en todas las áreas de aplicación en la física e
investigaciones nucleares.
Los usos más
típicos de los Geiger son en la detección de las partículas
alfa ,
beta
,
rayos X y partículas gamma
.
Las aplicaciones típicas se encuentran en el chequeo sistemático
de las propiedades de los colimadores, en la seguridad del personal, en cualquier
situación de contaminación y en el monitoreo del ambiente cerca
de las instalaciones nucleares. El ambiente cerca de las fuentes de las instalaciones
nucleares es generalmente monitoreado por un número de instrumentos periféricos
cada uno con dos tubos Geiger Muller. Para estas aplicaciones en la detección
de accidente nuclear son ideales los zp1301 o el zp1313 para el monitoreo de
alto nivel de radiación y los zp1221/01 y zp1320 para el monitoreo de
bajo nivel de radiación.
Al mismo tiempo,
en una institución médica donde se labore con fuentes radiactivas
o radiofármacos es imprescindible disponer de un Dosímetro de
Zona que mida tasas de dosis ambiental hasta 10 mSv/h. Para disminuir el consumo
de corriente y abaratar los costos se diseñó el instrumento relacionado
con una base tecnológica superior a sus predecesores [1-3].
El empleo de este
instrumento constituye una obligación establecida por la Organización
Mundial de la Salud (OMS) y el OIEA mediante la norma IEC846 [4].
Las características
técnicas logradas son producto de la propia calidad tecnológica
de los componentes electrónicos utilizados y del diseño seleccionado.
Descripción
del hardware
El Dosímetro
de Zona es básicamente un dispositivo para realizar radiometría
nuclear por un solo canal de detección partiendo de un detector Geiger-Muller
del tipo zp1320. El instrumento se compone de las siguientes partes fundamentales:
fuente de alto voltaje para el detector Geiger Muller, circuito para la adquisición
y control de la información con salida a Display, la interfase USB solo
para ajustar y variar los parámetros de calibración del instrumento
y por último el software de aplicación. Además, el instrumento
permite realizar mediciones con las condiciones de automatización, seguridad
y confiabilidad necesarias y mantener fijas las posiciones alcanzadas, lo que
posibilita repetir las mediciones con las mismas condiciones.
El núcleo
del hardware del instrumento es el microcontrolador PIC18F2455 [5] En la figura
se muestra el diagrama en bloques de los circuitos electrónicos del Dosímetro
de Zona.
En la figura se muestra el diagrama en bloques de los circuitos electrónicos del Dosímetro de Zona.
La sección
radiométrica está constituida por un comparador integral. Los
pulsos de salida (SAL) del comparador se conectan directamente a la entrada
de conteo del microcontrolador T0.
El microcontrolador
utilizado se encarga de todo el funcionamiento del instrumento, entre los cuales
se encuentra atención a teclado (CTR), a display y por la capacidad interna
de Memoria EPROM, almacenar el software de aplicación. La salida de datos
del microcontrolador se conecta a un expansor de puerto MAX7310 [6] para la
transmisión de estos hacia el display y a cuatro conversores digital-análogos
del tipo DAC 6574 [7] de 10 bits para fijar los voltajes de referencias para
la fuente de alto voltaje y para el umbral de discriminación.
La fuente de alto voltaje se diseñó con un conversor DC-DCHV (circuito híbrido de bajo consumo), pequeñas dimensiones y alta estabilidad QO-7 [8] que garantiza la polarización correcta del detector (DET) Geiger-Muller. El intervalo de regulación de la fuente va desde 100 V hasta 700 V, aunque el intervalo de voltaje de alimentación del detector para obtener mayor eficiencia en los conteos está entre 510 y 600 voltios, intervalo de voltaje óptimo señalado por el productor. Al circuito se le adicionó un circuito de regulación del voltaje de entrada y un circuito de filtrado para el voltaje de salida hacia el detector.
Una de las ventajas logradas es la utilización de baterías recargables de 1,2 V y de 1000 mA/h y un circuito DC-DC MAX1796 [9] para el ajuste del voltaje de alimentación de +5 V a todo el circuito analógico y digital del instrumento.
Descripción
del Software de Aplicación
El software se
desarrolló en lenguaje C utilizando el compilador PICC4.08.
El programa principal
cuenta con 4 ficheros:
1 Dosim. C: contiene
el programa principal y las demás funciones escritas en C.
2 CSARTUP.S03: contiene las inicializaciones de las variables, se define el
stack y los vectores de interrupción.
3 Interrup.S03: contiene las subrutinas de atención a interrupciones
y las declaraciones del grupo de variables fijas (no se deben inicializar cuando
empieza el programa, sino que mantienen sus valores en memoria, entre ellas
el factor de calibración, etc.).
4 Dosim.XCL: contiene las definiciones de las direcciones de los segmentos,
el stack interno, el banco de registro, así como de los comandos para
el enlazador.
La medición
se realizó fijando el valor del alto voltaje al detector y el nivel de
discriminación de los impulsos provenientes del tubo Geiger. Posteriormente
se tomó el conteo de cada segundo y se comparó con el promedio
de los conteos de los últimos segundos. El valor de
se fijó en un intervalo de 1 a 25 segundos. Con este método se
logró promediar las fluctuaciones de las radiaciones y además,
permitió visualizar rápidamente un cambio de intensidad. Se obtuvo
una indicación sonora por cada partícula detectada. El nivel de
alarma se chequeó cuando el promedio sobrepasó el nivel de alarma
fijado y emitió un sonido agudo.
Los valores de
(cantidad de segundos para los que se calcula el promedio), la desviación
que indica si un cambio es significativo, el nivel de alarma, la posibilidad
de indicación sonora y el factor de calibración, se pudieron
introducir y/o modificar a través de la opción Setup.
Con los valores
conteo y tiempo se obtuvo la cantidad de conteos por segundos, la que se multiplicó
por el factor de calibración y dio como resultado la potencia de dosis
en µSv/h.
Los parámetros
de la medición se especifican o modifican por mediación de la
tecla Setup. En el software se logró que en el momento de variar la configuración
del instrumento se desconecte el alto voltaje con el fin de disminuir el consumo.
Conclusiones
La ejecución
de este proyecto cumplió a cabalidad con los objetivos propuestos del
diseño de un nuevo Dosímetro de Zona calibrado por los Laboratorios
Secundarios de Calibración Dosimétrica del CPHR. Los resultados
finales de las mediciones se aprecian en la tabla. Según señala
la norma IEC 846 el error intrínseco para instrumentos de esta clase
no debe sobrepasar el 40%. El instrumento de referencia logró en general
en las tres escalas de las tasas de dosis del irradiador del CPHR 6,79% sin
incluir las escalas medias de 45,8 µSv/h y 68,6 µSv/h. Incluyendo
los valores obtenidos en estas dos magnitudes se obtuvo 8,6%. Esto demostró
que el Dosímetro de Zona diseñado cumple con la norma establecida
para esta clase de instrumentos. Por los resultados alcanzados se emitió
el Certificado de Calibración CPR1043 y el sello de "CALIBRADO".
El nuevo diseno
posibilito disponer de un instrumento de
alta tecnologia y de produccion nacional para ser utilizado en los modulos de
medicina nuclear y otras instituciones que necesiten medir la tasa de
dosis ambiental de rayos gamma en un intervalo desde 0,05 µSv/h hasta
10 mSv/h.
Referencias Bibliográficas
[1] Programmable
Zone Dosimeter for Operational Monitoring and Measurement of External Gamma
Radiation. Sixth Mexican Symposium on Medical Physics. México City, México
2002. p. 247-250.
[2] KNOLL GF. Radiation, Detection and Measurement. 1979.
[3] Manual del Dosímetro de Zona DKC-04. Certificado 2.805.395 PS-A.
[4] OIEA. Norma del OIEA No: IEC 846:1989.
[5] Microchip Technology Inc. PIC18F2455 Data Sheet, 2007.
[6] Maxim. 2-Wire-Interfaced 8 Bit I/O Port Expander with Reset. Data Sheet
19-2698, Rev0, 1/03.
[7] Texas Instruments. Quad 10 Bit, Low Power Voltage output, I2C Interface
Digital to Analog Converter. December 2003.
[8] EMCO High Voltage Corporation. Ultra Miniature DC to HV DC Converters Q-Series.
[9] Maxim. Low Supply Current Step-Up DC-DC Converters with True Shutdown Data
Sheet, 19, 1798, Rev0, 12/00.
Bibliografía
Consultada
[1] ATTIX FH. Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry.
John Wiley & Sons, 1986.
[2] Data Transmission Circuits. Data Books. 1993.
[3] DORSCHEL B, SCHRICHT V, STEUER J The Physics of Radiation Protection. Nuclear
Technology Publishing, 1996.
[4] Geiger Mullers Tubes. Manual CENTRONIC. 1992.
[5] GREENING JR. Fundamentals of Radiation Dosimetry. Medical Physics Handbooks.
2nd edition. Adam Hilger Ltd, 1985.
[6] Ingeniería del Software: un enfoque práctico. Madrid: Mc Graw
Hill, 1993.
[7] JONHS HE, CUNINGHAM JR. The Physics of Radiology. 4a edition. Charles C
Thomas Publisher, 1983.
[8] PROGRAMANDO EN C++. Editora CAMPUS, 1993.
[9] TURNER JE. Atoms, Radiation and Radiation Protection. 2nd edition. 2004.
[10]Windows Wisdom for C and C++ Programmers. New York: John Wiley & Sons,
1993.
Recibido: 25
de octubre de 2010
Aceptado: 11 de noviembre de 2010