Un misuratore di rilevamento con sonda in fibra ottica estensibile per materiale radioattivo presente in natura (NORM) e altri emettitori deboli

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11918 (2023) Citare questo articolo

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Abbiamo sviluppato un misuratore di rilevamento basato sulla radioluminescenza da utilizzare nelle industrie in cui è coinvolto il materiale radioattivo presente in natura (NORM), anche a supporto di coloro che necessitano di rilevare altri deboli emettitori di radiazioni. La funzionalità del sistema si confronta con particolari carenze dei misuratori portatili attualmente utilizzati. Il dispositivo accoppia uno scintillatore LYSO:Ce con un fotorilevatore tramite una guida d'onda in fibra ottica polimerica, consentendo un'ispezione "intrinsecamente sicura" all'interno di tubazioni, separatori, valvole e altri componenti simili. La sonda in fibra ottica di piccolo diametro è elettricamente passiva, immune alle interferenze elettromagnetiche e chimicamente inerte. Il circuito di lettura è interamente incorporato all'interno di un involucro portatile che ospita un circuito di rilevamento fotomoltiplicatore al silicio (SiPM) e un circuito a microprocessore collegato a un display LCD. Una guida d'onda in fibra ottica PMMA flessibile lunga 15 m è accoppiata di testa a una sonda in plastica ABS che trattiene lo scintillatore LYSO:Ce. I test iniziali hanno incluso l'uso di sorgenti miste di raggi gamma in laboratorio, le misurazioni sono state effettuate di concerto con un misuratore di rilevamento GM convenzionale di riferimento. La caratterizzazione, tramite sorgenti NORM presso un impianto di decontaminazione, ha mostrato un'utile sensibilità, coprendo l'intervallo di velocità di dose da 0,10 a 28 µSv h−1 (R quadrato 0,966), estendendosi a 80 µSv/h come dimostrato nell'uso di un Cs- 137 fonte. È stato dimostrato che il sistema fornisce uno strumento efficace per il rilevamento della radioattività in luoghi di difficile accesso, in particolare per sorgenti che emettono a bassi livelli di radiazione, fino a valori che si avvicinano al fondo.

La necessità di determinazioni dei livelli di radiazione al di sopra del fondo è ben documentata, non ultimo per quanto riguarda le industrie estrattive e associate a valle, che richiedono che il materiale radioattivo presente in natura (i cosiddetti mezzi interessati dalla NORM) sia maneggiato nel dovuto rispetto della salute e sicurezza, minimizzazione della creazione di rifiuti e riutilizzo dei media dismessi interessati dalla NORM. Tali problemi vengono affrontati, ad esempio, nell'industria del petrolio e del gas (O&G), nell'industria dei benefici minerali, nella movimentazione dei rottami metallici e nei materiali destinati all'esportazione. Inoltre, nel contesto della sicurezza, è necessaria una capacità più versatile nel rilevamento di sorgenti antropomorfe che, per una serie di ragioni, potrebbero emettere solo a livelli deboli. In entrambi gli ambiti, e in particolare ai fini dello sgombero, potrebbe essere necessario effettuare determinazioni all'interno di luoghi di difficile accesso, un tema che il presente lavoro cerca di affrontare. I rifiuti radioattivi nel settore O&G upstream si manifestano come fanghi e incrostazioni. La rilevazione di NORM riscontrabili nelle parti interne di vari componenti può essere resa complessa a causa delle forme e dimensioni degli elementi coinvolti (comprese curve nei tubi, spesso di diametro interno limitato), luoghi di difficile accesso e elementi di lunghezze fino a circa 15 metri e oltre. È essenziale un monitoraggio sicuro e regolare dei sistemi e delle materie prime.

Quando si ispezionano i tubi per individuare materiale radioattivo presente in natura (NORM), una questione su cui si concentrerà il presente lavoro, fungendo anche da piattaforma per altre sfide simili, determinare la presenza di radioattività è una questione di notevole necessità. Potrebbe essere necessario farlo per livelli di emissione che si avvicinano anche al livello di fondo, a seconda dei requisiti legali, anche per quanto riguarda il grado di precisione necessario. Potrebbe essere necessario controllare lunghi tratti di tubazioni, separatori, pozzi, componenti di limitazione del flusso, crepe e altri spazi ristretti. I sistemi di ispezione dovrebbero essere robusti, anche con la capacità dei sistemi di rilevamento di funzionare in ambienti acquosi e altri ambienti simili, nonché in presenza di gas esplosivi. Nell'industria upstream del petrolio e del gas, anche in altre industrie estrattive e di beneficenza, NORM si trova spesso in luoghi senza dubbio difficili da raggiungere. In situazioni che coinvolgono grandi quantità di materiali interessati, lavorare con questi può rappresentare un potenziale rischio per i lavoratori. Inoltre, può diventare difficile smaltire i mezzi interessati, il riciclaggio dei rottami metallici richiede l'assenza di radioattività rilevabile. Di conseguenza, misurare le radiazioni a bassi livelli diventa importante, anche per le industrie interessate, anche per quanto riguarda lo smantellamento degli impianti e il riutilizzo o la riconversione del materiale ispezionato. La maggior parte degli attuali dispositivi commerciali per la misurazione delle radiazioni non sono intrinsecamente sicuri, non sono in grado di effettuare misurazioni a distanza, non consentono il lavoro in ambienti acquosi e sono meno efficaci nell'effettuare determinazioni della radioattività che provocano solo deboli emissioni di raggi X o gamma. Anche dato il potenziale per componenti beta più forti (ad esempio Pb-210 non supportato), in tali circostanze le misurazioni effettuate esternamente alle tubazioni o ad altre schermature simili potrebbero non riuscire a rilevare le emissioni beta a corto raggio (che sono di alcune decine di cm solo nell'aria ).