BR112019027208B1 - PROTECTED X-RAY RADIATION APPARATUS - Google Patents
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Abstract
Aparelho de radiação por raios X protegido que compreende uma fonte de raios X, um protetor de atenuação de raios X que inclui uma cavidade alongada para alojar a fonte de raios X e incorpora uma região para acomodar uma amostra, um protetor de atenuação de nêutron, e um protetor de atenuação de gama. O protetor de atenuação de nêutron está situado adjacente a e circunda substancialmente o protetor de atenuação de raios X e o protetor de atenuação de gama é adjacente a e circunda substancialmente o protetor de atenuação de nêutron. Em algumas modalidades, um meio de inserção de amostra removível é fornecido para inserir amostras na cavidade alongada e que é composto de blocos adjacentes de material, sendo que cada respectivo bloco tem uma espessura e uma composição que substancialmente corresponde à espessura e a uma composição de um dentre os protetores de atenuação de raios X, atenuação de nêutron e atenuação de raios gama.Shielded X-ray radiation apparatus comprising an X-ray source, an X-ray attenuation shield including an elongated cavity for housing the X-ray source and incorporating a region for accommodating a sample, a neutron attenuation shield, and a gamma attenuation shield. The neutron attenuation shield is adjacent to and substantially surrounds the X-ray attenuation shield and the gamma attenuation shield is adjacent to and substantially surrounds the neutron attenuation shield. In some embodiments, a removable sample insertion means is provided for inserting samples into the elongated cavity and which is composed of adjacent blocks of material, each respective block having a thickness and composition substantially corresponding to the thickness and composition of one of X-ray attenuation, neutron attenuation, and gamma-ray attenuation shields.
Description
[001] As modalidades descritas no presente documento geralmente se referem a um aparelho de proteção para proteger uma fonte de raios X de alta energia e alta potência. Aqui, alta energia denota raios X com energias na faixa de energia multi-MeV. Em particular, as modalidades se referem a um aparelho para proteger uma fonte de raios X, em que a fonte de raios X é destinada ao uso de análise de ativação gama. Aplicações particulares se referem ao uso da fonte de raios X para a análise de ouro e outros elementos valiosos como prata, cobre e chumbo em amostras de minério. Um método é adicionalmente fornecido para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X.[001] The embodiments described herein generally refer to a protective apparatus for protecting a high-energy, high-power X-ray source. Here, high energy denotes X-rays with energies in the multi-MeV energy range. In particular, the embodiments relate to an apparatus for shielding an X-ray source, wherein the X-ray source is intended for use in gamma activation analysis. Particular applications relate to the use of the X-ray source for the analysis of gold and other valuable elements such as silver, copper and lead in ore samples. A method is further provided for optimizing protection for an apparatus from X-ray radiation.
[002] A análise de ativação gama (GAA), também conhecida como análise de ativação de fóton, usa uma fonte de raios X de alta energia para induzir reações nucleares em elementos alvo em uma amostra e, então, mede a radiação de decaimento emitida pela amostra ativada para determinar as concentrações desses elementos.[002] Gamma activation analysis (GAA), also known as photon activation analysis, uses a high-energy X-ray source to induce nuclear reactions in target elements in a sample and then measures the decay radiation emitted by the activated sample to determine the concentrations of those elements.
[003] Tipicamente, os raios X na faixa de energia multi-MeV são produzidos com o uso de fontes que usam um acelerador de elétron encaixado com um alvo de conversão para produzir raios X através do processo Bremsstrahlung. Um tipo comum de acelerador de elétron é um acelerador linear ou LINAC.[003] Typically, X-rays in the multi-MeV energy range are produced using sources that use an electron accelerator fitted with a conversion target to produce X-rays via the Bremsstrahlung process. A common type of electron accelerator is a linear accelerator or LINAC.
[004] Se os elementos presentes em baixas concentrações devem ser detectados com boa sensibilidade, então, uma fonte de raios X de alta intensidade é necessária. Por exemplo, uma potência de feixe de acelerador linear de 5 a 10 kW ou superior pode ser usada. A potência de feixe descrita no presente documento se refere à potência do feixe de elétrons acelerado incidente no alvo de conversão de raios X. Tais fontes de alta intensidade produzem quantidades prodigiosas de radiação por raios X, muitas vezes na faixa de 100 a 200 Sieverts(Sv)/min, medidas em um metro do ponto de emissão de raios X. Tais níveis de radiação apresentam um risco severo para o pessoal e precisam ser reduzidos com o uso de proteção adequada.[004] If elements present in low concentrations are to be detected with good sensitivity, then a high-intensity X-ray source is required. For example, a linear accelerator beam power of 5 to 10 kW or greater can be used. The beam power described in this document refers to the power of the accelerated electron beam incident on the X-ray conversion target. Such high-intensity sources produce prodigious amounts of X-ray radiation, often in the range of 100 to 200 Sieverts(Sv)/min, measured at one meter from the point of X-ray emission. Such radiation levels present a severe risk to personnel and need to be reduced with the use of adequate protection.
[005] As fontes de raios X usadas para GAA são, em geral, operadas em energias de fonte de pelo menos 7 MeV, e podem ser usadas em energias até 15 MeV, ou até superior. A energia de fonte se refere à energia de pico do feixe de elétrons acelerado, que corresponde à energia de ponto final do espectro de Bremsstrahlung de raios X. Essas energias são suficientemente altas para induzir reações nucleares em certos elementos. Essas reações comumente incluem a produção de nêutrons, que apresentam um perigo de radiação adicional. É necessário que a proteção seja projetada para reduzir também os níveis de radiação de nêutron em áreas acessíveis a um nível aceitável.[005] The X-ray sources used for GAA are, in general, operated at source energies of at least 7 MeV, and can be used at energies up to 15 MeV, or even higher. Source energy refers to the peak energy of the accelerated electron beam, which corresponds to the endpoint energy of the Bremsstrahlung spectrum of X-rays. These energies are high enough to induce nuclear reactions in certain elements. These reactions commonly include the production of neutrons, which present an additional radiation hazard. It is necessary that the shielding is designed to also reduce neutron radiation levels in accessible areas to an acceptable level.
[006] Convencionalmente, os sistemas à base de acelerador para aplicação industrial falham em três categorias amplas: 1. Aqueles usados para radioterapia em ambientes hospitalares. As fontes de raios X associadas a esses sistemas são tipicamente operadas em energias de fonte que se situam na faixa de poucos MeV a 15 a 18 MeV, mas têm uma potência relativamente baixa (uma taxa de dose de poucos Sv/min) e ciclo de trabalho muito baixo (até 500 Sv/semana). A proteção é normalmente fornecida mediante a construção de um “abrigo” de concreto massivo com uma passagem convolucionada ou “labirinto” para fornecer acesso. 2. Os aceleradores usados para esterilização industrial ou irradiação de produto e que são tipicamente operados em energias de fonte de até 10 MeV. Nesse tipo de sistema, as potências de feixe podem ser muito alta, da ordem de 10 a 20 kW ou mais. Novamente, a proteção é fornecida por construção de concreto massiva, com objetos a serem irradiados transportados em uma trajetória curva para evitar a difusão de radiação. Portas de proteção massivas também podem ser instaladas. 3. Os aceleradores usados para aplicações de imageamento de segurança como varredura de carga. Tais sistemas geralmente são operados em uma energia de fonte baixa de cerca de 6 MeV ou no modo de energia dupla (por exemplo, alternando entre 3 e 6 MeV), embora energias de até 9 MeV possam ser usadas em algumas aplicações. Nesses sistemas, a potência de feixe também é geralmente muito baixo e a produção de nêutrons não é uma consideração significativa. A proteção geralmente compreende chumbo ou tungstênio ao redor do acelerador e uma cabine com paredes de aço.[006] Conventionally, accelerator-based systems for industrial application fall into three broad categories: 1. Those used for radiotherapy in hospital settings. The X-ray sources associated with these systems are typically operated at source energies that fall in the range of a few MeV to 15 to 18 MeV, but have relatively low power (a dose rate of a few Sv/min) and very low duty cycle (up to 500 Sv/week). Protection is normally provided by constructing a massive concrete “shelter” with a convoluted walkway or “maze” to provide access. 2. Accelerators used for industrial sterilization or product irradiation and which are typically operated at source energies up to 10 MeV. In this type of system, beam powers can be very high, on the order of 10 to 20 kW or more. Again, protection is provided by massive concrete construction, with objects to be radiated transported in a curved path to avoid diffusion of radiation. Massive protection doors can also be installed. 3. Accelerators used for security imaging applications such as cargo scanning. Such systems are usually operated at a low source power of around 6 MeV or in dual power mode (e.g. switching between 3 and 6 MeV), although powers as low as 9 MeV can be used in some applications. In these systems, beam power is also usually very low and neutron production is not a significant consideration. The shield usually comprises lead or tungsten around the throttle and a steel walled cab.
[007] Os métodos convencionais para instalar o tipo de fonte de acelerador de alta potência usada para GAA exigem a construção de um protetor de concreto de propósito especial dedicado. Tipicamente, a espessura de proteção necessária é da ordem de 1,5 a 2,0 m, o que leva a uma grande área de projeção e a massas de centenas a milhares de toneladas.[007] Conventional methods for installing the type of high power accelerator source used for GAA require the construction of a dedicated special purpose concrete shield. Typically, the required shielding thickness is in the order of 1.5 to 2.0 m, which leads to a large projection area and masses of hundreds to thousands of tons.
[008] As abordagens alternativas existentes para a proteção de acelerador incluem o desenvolvimento de materiais de propósito especial que fornecem proteção tanto de raios X como de nêutrons. Um exemplo consiste em uma mistura de concreto combinada com aditivos especiais de absorção de raios X e nêutrons. Entretanto, tais abordagens aumentam a massa geral da proteção necessária.[008] Existing alternative approaches to accelerator protection include the development of special purpose materials that provide protection from both X-rays and neutrons. An example is a concrete mixture combined with special X-ray and neutron absorbing additives. However, such approaches increase the overall mass of protection needed.
[009] É desejável fornecer um aparelho de proteção aprimorado para uso com uma fonte de raios X de alta energia e alta potência adequada para GAA.[009] It is desirable to provide an improved protective apparatus for use with a high-energy, high-power X-ray source suitable for GAA.
[0010] Qualquer discussão de documentos, ações, materiais, dispositivos, artigos ou similares que foram incluídos no presente relatório descritivo não deve ser tomada como uma admissão de que algum ou todos esses assuntos fazem parte da base de técnica anterior ou eram de conhecimento geral comum no campo relevante para a presente revelação, à medida que existia antes da data de prioridade de cada reivindicação deste pedido.[0010] Any discussion of documents, actions, materials, devices, articles or the like that have been included in the present specification should not be taken as an admission that any or all of these matters form part of the prior art base or were common general knowledge in the field relevant to the present disclosure, as it existed prior to the priority date of each claim of this application.
[0011] Ao longo deste relatório descritivo, a palavra “compreender”, ou variações como “compreende” ou “compreendendo”, serão entendidas como implicando a inclusão de um elemento, número inteiro ou etapa declarado, ou grupo de elementos, números inteiros ou etapas, mas não a exclusão de qualquer outro elemento, número inteiro ou etapa, ou grupo de elementos, números inteiros ou etapas.[0011] Throughout this descriptive report, the word "comprises", or variations such as "comprises" or "comprising", will be understood to imply the inclusion of a declared element, integer or step, or group of elements, integers or steps, but not the exclusion of any other element, integer or step, or group of elements, integers or steps.
[0012] Em um aspecto da invenção é fornecido um aparelho de radiação por raios X protegido que compreende: uma fonte de raios X; um protetor de atenuação de raios X que inclui uma cavidade alongada que tem uma região em uma extremidade para acomodar uma amostra; um protetor de atenuação de nêutron; um protetor de atenuação de gama; e em que o protetor de atenuação de nêutron é adjacente a e circunda substancialmente o protetor de atenuação de raios X; e em que o protetor de atenuação de gama é adjacente a e circunda substancialmente o protetor de atenuação de nêutron.[0012] In one aspect of the invention there is provided a shielded X-ray radiation apparatus comprising: an X-ray source; an X-ray attenuation shield including an elongated cavity having a region at one end for accommodating a sample; a neutron attenuation shield; a gamma attenuation protector; and wherein the neutron attenuation shield is adjacent to and substantially surrounds the X-ray attenuation shield; and wherein the gamma attenuation shield is adjacent to and substantially surrounds the neutron attenuation shield.
[0013] A fonte de raios X pode ser qualquer dispositivo adequado para análise de ativação de gama. A fonte de raios X pode incluir um acelerador de elétron para gerar um feixe de elétrons que tem uma direção de feixe de elétrons, e um alvo de conversão no qual o feixe de elétrons é direcionado.[0013] The X-ray source can be any device suitable for gamma activation analysis. The X-ray source may include an electron accelerator for generating an electron beam having an electron beam direction, and a conversion target onto which the electron beam is directed.
[0014] Em uma modalidade, a energia do feixe de elétrons gerada a partir do acelerador de elétron pode ser entre 7 MeV e 15 MeV e o acelerador de elétron pode ser operável com uma potência de feixe de pelo menos 0,5 kW e, de preferência, de cerca de 8 kW. A potência de feixe máxima pode ser uma função decrescente da energia de feixe.[0014] In one embodiment, the electron beam energy generated from the electron accelerator may be between 7 MeV and 15 MeV and the electron accelerator may be operable with a beam power of at least 0.5 kW and preferably of about 8 kW. The maximum beam power can be a decreasing function of the beam energy.
[0015] Em uma outra modalidade, a energia do feixe de elétrons gerada a partir do acelerador de elétron pode ser entre 7 MeV e 10 MeV. Em tal modalidade, o acelerador de elétron pode ter uma potência de feixe máxima de 2 kW.[0015] In another embodiment, the energy of the electron beam generated from the electron accelerator can be between 7 MeV and 10 MeV. In such an embodiment, the electron accelerator can have a maximum beam power of 2 kW.
[0016] De forma concebível, a energia do feixe de elétrons gerada a partir do acelerador de elétron pode ser entre 8 MeV e 10 MeV. Em tal modalidade, o acelerador de elétron pode ter uma potência de feixe máxima entre 8 kW e 20 kW.[0016] Conceivably, the electron beam energy generated from the electron accelerator can be between 8 MeV and 10 MeV. In such an embodiment, the electron accelerator can have a maximum beam power between 8 kW and 20 kW.
[0017] O protetor de atenuação de raios X é, de preferência, construído a partir de um materiais de alta densidade e é, de preferência, construído principalmente de chumbo. Com menos preferência, o protetor de atenuação de raios X é construído principalmente de tungstênio. Alternativamente, o protetor de atenuação de raios X é construído de camadas de chumbo e tungstênio.[0017] The X-ray attenuation shield is preferably constructed from a high density materials and is preferably constructed primarily of lead. Less preferably, the X-ray attenuation shield is constructed primarily of tungsten. Alternatively, the X-ray attenuation shield is constructed of layers of lead and tungsten.
[0018] O protetor de atenuação de nêutron é, de preferência, construído a partir de um material polimérico que tem uma densidade de hidrogênio de aproximadamente 0,1 g/cm3. Os polímeros com a fórmula genérica (-CH2-)n, como polietileno, são particularmente adequados. Alternativamente, o protetor de atenuação de nêutron pode ser formado a partir de uma resina fundida como resina de poliuretano. O protetor pode incluir materiais enriquecidos com hidrogênio, como, porém sem limitação, um ou mais dentre polietileno ou polipropileno. O material polimérico pode, opcional ou adicionalmente, incluir uma proporção de um elemento substancialmente de absorção de nêutron escolhido a partir do grupo que inclui boro e lítio. A proporção do elemento de absorção de nêutron pode se situar na faixa de 1 a 5% em peso e, de preferência, ser de 5% em peso.[0018] The neutron attenuation shield is preferably constructed from a polymeric material that has a hydrogen density of approximately 0.1 g/cm3. Polymers of the general formula (-CH2-)n, such as polyethylene, are particularly suitable. Alternatively, the neutron attenuation shield can be formed from a cast resin such as polyurethane resin. The shield can include hydrogen-enriched materials, such as, but not limited to, one or more of polyethylene or polypropylene. The polymeric material may optionally or additionally include a proportion of a substantially neutron absorbing element selected from the group including boron and lithium. The proportion of the neutron absorbing element can be in the range of 1 to 5% by weight and preferably be 5% by weight.
[0019] O protetor de atenuação de gama é, de preferência, construído principalmente de chumbo. Com menos preferência, o protetor de atenuação de gama é construído principalmente de aço. Alternativamente, o protetor de atenuação de gama é construído de camadas compósitas de chumbo e aço.[0019] The gamma attenuation shield is preferably constructed primarily of lead. Less preferably, the gamma attenuation protector is constructed primarily of steel. Alternatively, the gamma attenuation shield is constructed of composite layers of lead and steel.
[0020] Uma porção das paredes internas da cavidade pode ser alinhada com um envoltório de suporte para sustentar pelo menos o acelerador de elétron, alvo de conversão de raios X e amostra irradiada nas posições relativas corretas. De preferência, o envoltório de suporte é construído a partir de aço. Os materiais alternativos podem ser selecionados contanto que os materiais sejam substancialmente isentos de elementos que ativam prontamente através de reações nucleares induzidas por raios X ou nêutrons.[0020] A portion of the inner walls of the cavity may be lined with a support casing to hold at least the electron accelerator, X-ray conversion target, and irradiated sample in the correct relative positions. Preferably, the support wrap is constructed from steel. Alternative materials may be selected as long as the materials are substantially free of elements that readily activate through X-ray or neutron induced nuclear reactions.
[0021] A espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 90° a partir da direção de feixe de elétrons pode se situar na faixa de 60 a 80% da espessura na direção para frente, e a espessura em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons pode se situar na faixa de 25 a 50% da espessura na direção para frente. Mais preferencialmente, a espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 90° a partir da direção de feixe de elétrons pode ser aproximadamente 75% da espessura na direção para frente, e a espessura em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons pode ser aproximadamente 50% da espessura na direção para frente.[0021] The thickness of the X-ray attenuation shield at an angle of 90° from the electron beam direction can be in the range of 60 to 80% of the thickness in the forward direction, and the thickness at an angle of 180° from the electron beam direction can be in the range of 25 to 50% of the thickness in the forward direction. More preferably, the thickness of the X-ray attenuation shield at an angle of 90° from the electron beam direction may be approximately 75% of the thickness in the forward direction, and the thickness at an angle of 180° from the electron beam direction may be approximately 50% of the thickness in the forward direction.
[0022] A espessura da espessura de protetor de atenuação de raios X na direção para frente pode ser estimada com o uso de camadas de valor decimal tabuladas e um fator de atenuação de dose desejado. Mais particularmente, a espessura de protetor de atenuação de raios X (tXR) na direção para frente pode ser estimada pela equação: txR = TVL x logio [( R x 60 x 106)/(r d2)], em que d é a distância a partir do alvo no qual a taxa de dose reduzida deve ser calculada, R é a taxa de dose em 1 m a partir do alvo produzido pela fonte não protegida, r é a taxa de does protegida desejada no ponto acessível ao pessoal mais próximo na distância d e TVL é a camada de valor decimal predefinida para o material de protetor de atenuação de raios x.[0022] The thickness of the X-ray attenuation shield thickness in the forward direction can be estimated using tabulated decimal value layers and a desired dose attenuation factor. More particularly, the X-ray attenuation shield thickness (tXR) in the forward direction can be estimated by the equation: txR = TVL x logio [(R x 60 x 106)/(r d2)], where d is the distance from the target at which the reduced dose rate is to be calculated, R is the dose rate in 1 m from the target produced by the unprotected source, r is the desired protected dose rate at the nearest personnel accessible point at distance d, and TVL is the preset decimal value layer for x-ray attenuation shield material.
[0023] A espessura da camada de atenuação de nêutron pode ser determinada a partir do conhecimento da taxa de produção de nêutron da fonte de raios x. A taxa de produção de nêutron é uma função do projeto da fonte, particularmente o alvo de conversão de raios x, e da energia do feixe de elétrons. Comumente, a taxa de emissão de nêutrons será fornecida pelo fabricante de fonte em termos da taxa de dose (Sv) devido à emissão de nêutrons dividida pela taxa de dose (Sv) devido à emissão de raios x. A partir desse parâmetro, a taxa de dose de nêutron não protegida em uma determinada distância a partir da fonte pode ser calculada a partir do conhecimento da taxa de dose de raios x direcionados para frente.[0023] The thickness of the neutron attenuation layer can be determined from the knowledge of the neutron production rate of the x-ray source. The rate of neutron production is a function of the design of the source, particularly the x-ray conversion target, and the energy of the electron beam. Commonly, the neutron emission rate will be given by the source manufacturer in terms of the dose rate (Sv) due to neutron emission divided by the dose rate (Sv) due to x-ray emission. From this parameter, the unshielded neutron dose rate at a given distance from the source can be calculated from the knowledge of the dose rate of forward-directed x-rays.
[0024] O fator de atenuação de nêutron necessário, f pode ser calculado como a razão entre a taxa de dose não protegida e a taxa de protegida desejada. A espessura do protetor de nêutron na direção para frente pode ser estimada com o uso da fórmula TVL*log10 (f) em que TVL é a espessura de valor decimal tabulado de nêutrons de baixa energia no material de atenuação de nêutron escolhido. Por exemplo, a TVL em polietileno borado para nêutrons produzidos por raios x com energias de ponto final até 15 MeV é de 62 mm. Um protetor de nêutron de espessura de 200 a 300 mm irá, então, reduzir o fluxo de nêutron em um fator de 1.700 a 7.000.[0024] The required neutron attenuation factor, f can be calculated as the ratio of the unshielded dose rate to the desired shielded rate. The thickness of the neutron shield in the forward direction can be estimated using the formula TVL*log10(f) where TVL is the tabulated decimal value thickness of low energy neutrons in the chosen neutron attenuation material. For example, the TVL in borated polyethylene for neutrons produced by x-rays with endpoint energies up to 15 MeV is 62 mm. A neutron shield 200 to 300 mm thick will then reduce the neutron flux by a factor of 1700 to 7000.
[0025] À medida que a emissão de nêutrons é substancialmente isotrópica, a espessura da camada de atenuação de nêutron pode ser escolhida para ser aproximadamente constante com o ângulo a partir da direção de feixe de elétrons. Se o alongamento do protetor necessário para acomodar a fonte de raios X for substancial, o ponto acessível mais próximo na direção traseira (próximo a 180°) pode ser significativamente mais distante do alvo de conversão de raios X do que o ponto acessível mais próximo na direção para frente. Nesse caso, a espessura do protetor de atenuação de nêutron na direção traseira pode ser proporcionalmente reduzida. De preferência, a espessura na direção traseira é 50 a 100% da espessura na direção para frente.[0025] As the neutron emission is substantially isotropic, the thickness of the neutron attenuation layer can be chosen to be approximately constant with the angle from the electron beam direction. If the shield elongation required to accommodate the X-ray source is substantial, the closest accessible point in the rearward direction (near 180°) may be significantly farther from the X-ray conversion target than the nearest accessible point in the forward direction. In that case, the thickness of the neutron attenuation shield in the rear direction can be proportionally reduced. Preferably, the thickness in the rear direction is 50 to 100% of the thickness in the forward direction.
[0026] De preferência, o protetor de atenuação de gama tem uma espessura que é proporcional à espessura otimizada do protetor de atenuação de nêutron.[0026] Preferably, the gamma attenuation shield has a thickness that is proportional to the optimized thickness of the neutron attenuation shield.
[0027] O aparelho de radiação por raios X protegido pode compreender adicionalmente um meio de inserção de amostra removível para inserir amostras na cavidade alongada; em que o meio de inserção de amostra removível é composto de blocos adjacentes de materiais, sendo que cada bloco respectivo tem uma espessura e uma composição que substancialmente corresponde à espessura e a uma composição de um dentre os protetores de atenuação de raios X, atenuação de nêutron e atenuação de raios gama.[0027] The shielded X-ray radiation apparatus may further comprise a removable sample insertion means for inserting samples into the elongated cavity; wherein the removable sample insertion means is composed of adjacent blocks of materials, each respective block having a thickness and composition that substantially corresponds to the thickness and composition of one of X-ray attenuation, neutron attenuation, and gamma-ray attenuation shields.
[0028] O meio de inserção de amostra removível pode compreender adicionalmente um membro de plataforma no qual uma amostra a ser irradiada é localizável; e em que os blocos adjacentes de materiais compreendem um primeiro bloco adjacente ao membro de plataforma, um segundo bloco em contiguidade ao primeiro bloco, e um terceiro bloco em contiguidade ao segundo bloco; em que: o primeiro bloco é compreendido de um material para substancialmente atenuar raios X e que tem uma espessura que é igual ou substancialmente igual ao protetor de atenuação de raios X, o segundo bloco é compreendido de um material para substancialmente atenuar nêutrons e que tem uma espessura que é igual ou substancialmente igual ao protetor de atenuação de nêutron, e o terceiro bloco é compreendido de um material para substancialmente atenuar raios gama com uma espessura que é igual ou substancialmente igual ao protetor de atenuação de gama; e em que o aparelho de radiação por raios X protegido compreende uma manga através da qual o membro de plataforma tem capacidade para atravessar.[0028] The removable sample insertion means may further comprise a platform member on which a sample to be irradiated is locatable; and wherein the adjacent blocks of materials comprise a first block adjacent the platform member, a second block adjacent to the first block, and a third block adjacent to the second block; wherein: the first block is comprised of a material for substantially attenuating X-rays and having a thickness that is equal to or substantially equal to the X-ray attenuating shield, the second block is comprised of a material for substantially attenuating neutrons and having a thickness that is equal to or substantially equal to the neutron attenuating shield, and the third block is comprised of a material for substantially attenuating gamma rays with a thickness that is equal to or substantially equal to the gamma-attenuating shield; and wherein the shielded X-ray radiation apparatus comprises a sleeve through which the platform member is able to pass.
[0029] De preferência, a manga do aparelho e o meio de inserção de amostra removível tem uma tolerância à folga menor que 2,00 mm, mais preferencialmente, menor que 1,00 mm, e mais preferencialmente menor que 0,50 mm.[0029] Preferably, the sleeve of the apparatus and the removable sample insertion means have a clearance tolerance of less than 2.00 mm, more preferably less than 1.00 mm, and most preferably less than 0.50 mm.
[0030] O membro de plataforma do meio de inserção de amostra removível pode ser fabricado a partir de aço ou qualquer outra substância que seja isenta de elementos que se submetem à ativação significativa a partir de raios X ou nêutrons.[0030] The platform member of the removable sample insertion means may be fabricated from steel or any other substance that is free of elements that undergo significant activation from X-rays or neutrons.
[0031] Em uma modalidade, o perfil externo do meio de inserção de amostra removível é escalonado, com pelo menos uma das dimensões de um ou mais blocos aumentando em uma direção perpendicular a uma direção de deslocamento com o aumento de distância a partir do membro de plataforma. A largura do degrau, ou de cada degrau, se situa, de preferência, na faixa de 5 a 15 mm.[0031] In one embodiment, the outer profile of the removable sample insertion means is staggered, with at least one of the dimensions of one or more blocks increasing in a direction perpendicular to a direction of displacement with increasing distance from the platform member. The width of the step, or of each step, is preferably in the range of 5 to 15 mm.
[0032] Por exemplo, o primeiro bloco pode compreender pelo menos dois degraus, de modo que as dimensões do bloco aumentem de uma maneira por degraus a partir dos degraus mais internos aos mais externos. A largura de cada degrau pode se situar na faixa de 5 a 15 mm. O primeiro bloco é, de preferência, produzido a partir de um material substancialmente atenuante para raios X, como chumbo ou tungstênio.[0032] For example, the first block may comprise at least two steps, so that the dimensions of the block increase in a stepwise manner from the innermost to the outermost steps. The width of each step can be in the range of 5 to 15 mm. The first block is preferably produced from a substantially X-ray attenuating material, such as lead or tungsten.
[0033] O primeiro bloco pode ser aderido ao membro de plataforma por qualquer meio adequado. Por exemplo, a plataforma pode compreender um apoio angular que incorpora orifícios através dos quais cavilhas podem ser inseridas para fixar rigidamente a primeira porção de bloco à plataforma.[0033] The first block may be adhered to the platform member by any suitable means. For example, the platform may comprise an angled support incorporating holes through which pegs can be inserted to rigidly secure the first block portion to the platform.
[0034] O segundo bloco pode ser um bloco unitário que tem uma face interna e uma face externa. A face interna da segunda porção de bloco fica, de preferência, em contiguidade à face externa do degrau mais externo do primeiro bloco. O segundo bloco pode ser aderido ao primeiro bloco por qualquer meio adequado, por exemplo, por meio de um apoio de aço que cavilha respectivas seções uma à outra. O segundo bloco é, de preferência, produzido a partir do material usado para construir o protetor de atenuação de nêutron, ou pode ser produzido a partir de um material alternativa substancialmente atenuante para nêutrons, como polietileno que contém 5% em peso de boro.[0034] The second block may be a unitary block having an inner face and an outer face. The inner face of the second block portion is preferably adjacent to the outer face of the outermost step of the first block. The second block can be adhered to the first block by any suitable means, for example by means of a steel backing which pegs respective sections together. The second block is preferably produced from the material used to construct the neutron attenuation shield, or it may be produced from an alternative substantially neutron attenuating material such as polyethylene which contains 5% by weight boron.
[0035] O terceiro bloco pode ser um bloco unitário que tem uma face interna e uma face externa. A face interna do terceiro bloco fica, de preferência, em contiguidade à face externa do segundo bloco. O terceiro bloco pode ser aderido ao segundo bloco por qualquer meio adequado, como um apoio de aço que cavilha as respectivas seções uma à outra. Alternativamente, o terceiro bloco pode ser conformado para fornecer meio direto para cavilhar ao segundo bloco. O terceiro bloco é, de preferência, produzido a partir de um material substancialmente atenuante para raios gama, como chumbo ou tungstênio.[0035] The third block may be a unitary block having an inner face and an outer face. The inner face of the third block is preferably adjacent to the outer face of the second block. The third block can be adhered to the second block by any suitable means, such as a steel backing that pegs the respective sections together. Alternatively, the third block can be shaped to provide a direct means for dowelling the second block. The third block is preferably produced from a substantially gamma attenuating material such as lead or tungsten.
[0036] O meio de inserção de amostra removível pode compreender adicionalmente uma porção de fixação que tem uma face interna, em que as dimensões da face interna são iguais ou maiores que as dimensões da face externa do terceiro bloco, e em que a face externa do terceiro bloco fica em contiguidade à face interna da porção de fixação. A porção de bloco de fixação pode ser aderida ao terceiro bloco por qualquer meio adequado. A porção de fixação pode ser oca. O material a partir do qual a porção de fixação é construída não precisa ser um material de proteção de radiação. O meio de fixação pode ser fixo a um mecanismo de acionamento linear para inserir e remover o meio de inserção de amostra removível do protetor de raios X.[0036] The removable sample insertion means may further comprise a fixture portion having an inner face, wherein the dimensions of the inner face are equal to or greater than the dimensions of the outer face of the third block, and wherein the outer face of the third block is adjacent to the inner face of the fixture portion. The securing block portion may be adhered to the third block by any suitable means. The securing portion may be hollow. The material from which the fastening portion is constructed need not be a radiation shielding material. The attachment means can be attached to a linear drive mechanism for inserting and removing the removable specimen insertion means from the X-ray shield.
[0037] Vantajosamente, as modalidades que usam o meio de inserção de amostra removível possibilitam a inserção e remoção de amostras a serem analisadas através do protetor sequencialmente em camadas, sem comprometer sua integridade de proteção.[0037] Advantageously, embodiments that use removable sample insertion means make it possible to insert and remove samples to be analyzed through the shield sequentially in layers, without compromising its protective integrity.
[0038] Em um aspecto adicional da invenção é fornecido um aparelho de radiação por raios X protegido que compreende: uma fonte de raios X; um protetor de atenuação de raios X que inclui uma cavidade alongada para alojar a fonte de raios X e incorpora uma região para acomodar uma amostra; um protetor de atenuação de nêutron adjacente a e que circunda substancialmente o protetor de atenuação de raios X; um protetor de atenuação de gama adjacente a e que circunda substancialmente o protetor de atenuação de nêutron; e um meio de inserção de amostra removível para inserir amostras na cavidade alongada; em que o meio de inserção de amostra removível é composto de blocos adjacentes de material, sendo que cada bloco respectivo tem uma espessura e uma composição que substancialmente corresponde à espessura e a uma composição dos protetores de atenuação de raios X, atenuação de nêutron e atenuação de raios gama, respectivamente.[0038] In a further aspect of the invention there is provided a shielded X-ray radiation apparatus comprising: an X-ray source; an X-ray attenuation shield that includes an elongated cavity to house the X-ray source and incorporates a region to accommodate a sample; a neutron attenuation shield adjacent to and substantially surrounding the X-ray attenuation shield; a gamma attenuation shield adjacent to and substantially surrounding the neutron attenuation shield; and removable sample insertion means for inserting samples into the elongated cavity; wherein the removable sample insertion means is composed of adjacent blocks of material, each respective block having a thickness and composition that substantially corresponds to the thickness and composition of the shields of X-ray attenuation, neutron attenuation and gamma-ray attenuation, respectively.
[0039] O meio de inserção de amostra removível pode compreender adicionalmente um membro de plataforma no qual uma amostra a ser irradiada é localizável; em que os blocos adjacentes de materiais compreendem um primeiro bloco adjacente ao membro de plataforma, um segundo bloco em contiguidade ao primeiro bloco, e um terceiro bloco em contiguidade ao segundo bloco; em que: o primeiro bloco é compreendido de um material para substancialmente atenuar raios X e que tem uma espessura que é igual ou substancialmente igual ao protetor de atenuação de raios X, o segundo bloco é compreendido de um material para substancialmente atenuar nêutrons e que tem uma espessura que é igual ou substancialmente igual ao protetor de atenuação de nêutron, e o terceiro bloco é compreendido de um material para substancialmente atenuar raios gama com uma espessura que é igual ou substancialmente igual ao protetor de atenuação de gama; e em que o aparelho de radiação por raios X protegido compreende uma manga através da qual o membro de plataforma tem capacidade para atravessar.[0039] The removable sample insertion means may further comprise a platform member on which a sample to be irradiated is locatable; wherein the adjacent blocks of materials comprise a first block adjacent the platform member, a second block adjacent to the first block, and a third block adjacent to the second block; wherein: the first block is comprised of a material for substantially attenuating X-rays and having a thickness that is equal to or substantially equal to the X-ray attenuating shield, the second block is comprised of a material for substantially attenuating neutrons and having a thickness that is equal to or substantially equal to the neutron attenuating shield, and the third block is comprised of a material for substantially attenuating gamma rays with a thickness that is equal to or substantially equal to the gamma-attenuating shield; and wherein the shielded X-ray radiation apparatus comprises a sleeve through which the platform member is able to pass.
[0040] A manga do aparelho e o meio de inserção de amostra removível por ter uma tolerância à folga menor que 2,00 mm, mais preferencialmente, menor que 1,00 mm, e mais preferencialmente menor que 0,50 mm.[0040] The sleeve of the apparatus and the removable sample insertion means for having a clearance tolerance of less than 2.00 mm, more preferably less than 1.00 mm, and most preferably less than 0.50 mm.
[0041] O perfil externo do meio de inserção de amostra removível pode ser escalonado, com pelo menos um dos blocos adjacentes aumentando em altura ou largura, em uma direção perpendicular a uma direção de deslocamento com o aumento de distância a partir do membro de plataforma. Aparelho de radiação por raios X protegido, de acordo com a reivindicação 5 ou 16, caracterizado pelo fato de que o primeiro bloco compreende pelo menos dois degraus, de modo que as dimensões do primeiro bloco aumentem de uma maneira por degraus a partir dos degraus mais internos aos mais externos.[0041] The outer profile of the removable specimen insertion means may be staggered, with at least one of the adjacent blocks increasing in height or width, in a direction perpendicular to a direction of displacement with increasing distance from the platform member. Shielded X-ray radiation apparatus according to claim 5 or 16, characterized in that the first block comprises at least two steps, so that the dimensions of the first block increase in a stepwise manner from the innermost to the outermost steps.
[0042] O protetor de atenuação de raios X pode ter uma espessura que diminui com o aumento de ângulo a partir da direção de feixe de elétrons. A espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 90° a partir da direção de feixe de elétrons pode se situar na faixa de 60 a 80% da espessura na direção para frente, e a espessura em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons pode se situar na faixa de 25 a 50% da espessura na direção para frente. Mais preferencialmente, a espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 90° a partir da direção de feixe de elétrons pode ser aproximadamente 75% da espessura na direção para frente, e a espessura em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons pode ser aproximadamente 50% da espessura na direção para frente.[0042] The X-ray attenuation shield may have a thickness that decreases with increasing angle from the electron beam direction. The thickness of the X-ray attenuation shield at an angle of 90° from the electron beam direction can be in the range of 60 to 80% of the thickness in the forward direction, and the thickness at an angle of 180° from the electron beam direction can be in the range of 25 to 50% of the thickness in the forward direction. More preferably, the thickness of the X-ray attenuation shield at an angle of 90° from the electron beam direction may be approximately 75% of the thickness in the forward direction, and the thickness at an angle of 180° from the electron beam direction may be approximately 50% of the thickness in the forward direction.
[0043] A espessura e o materiais a partir do qual os respectivos protetores são formados podem ser configurados de acordo com a descrição até agora ensinada.[0043] The thickness and the material from which the respective protectors are formed can be configured according to the description taught so far.
[0044] Em um aspecto adicional da invenção, é fornecido um método para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X, sendo que o aparelho compreende um protetor de atenuação de raios X que inclui uma cavidade alongada para alojar uma fonte de raios X, um protetor de atenuação de nêutron adjacente a e que circunda substancialmente o protetor de atenuação de raios X e um protetor de atenuação de gama adjacente a e que circunda substancialmente o protetor de atenuação de nêutron, sendo que o método compreende:[0044] In a further aspect of the invention, a method is provided for optimizing protection for an X-ray radiation apparatus, the apparatus comprising an X-ray attenuation shield including an elongated cavity for housing an X-ray source, a neutron attenuation shield adjacent to and substantially surrounding the X-ray attenuation shield, and a gamma attenuation shield adjacent to and substantially surrounding the neutron attenuation shield, the method comprising:
[0045] determinar uma primeira espessura (tXR) do protetor de atenuação de raios X na direção para frente pela equação: txR = TVL x logio [( R x 60 x 106)/(r d2)], em que d é a distância a partir de um alvo de elétrons, R é a taxa de dose em 1 m do alvo de elétrons produzido por uma fonte de raios X, r é a taxa de dose protegida no ponto acessível ao pessoal mais próximo e TVL é uma camada de valor decimal predefinida para o material de protetor de atenuação de raios X;[0045] determine a first thickness (tXR) of the X-ray attenuation shield in the forward direction by the equation: txR = TVL x logio [(R x 60 x 106)/(r d2)], where d is the distance from an electron target, R is the dose rate in 1 m of the electron target produced by an X-ray source, r is the protected dose rate at the point accessible to the nearest personnel, and TVL is a predefined decimal value layer for the X-ray attenuation shield material;
[0046] determinar uma espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 90° a partir da direção de feixe de elétrons para se situar na faixa de 60 a 80% da espessura na direção para frente; e[0046] determine a thickness of the X-ray attenuation shield at an angle of 90° from the electron beam direction to lie in the range of 60 to 80% of the thickness in the forward direction; It is
[0047] determinar uma espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons para se situar na faixa de 25 a 50% da espessura na direção para frente.[0047] determine an X-ray attenuation shield thickness at an angle of 180° from the electron beam direction to lie in the range of 25 to 50% of the thickness in the forward direction.
[0048] O método para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X pode compreender adicionalmente determinar uma espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 90° a partir da direção de feixe de elétrons para ser aproximadamente 75% da espessura na direção para frente.[0048] The method for optimizing protection for an X-ray radiation apparatus may further comprise determining an X-ray attenuation shield thickness at an angle of 90° from the electron beam direction to be approximately 75% of the thickness in the forward direction.
[0049] O método para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X pode compreender adicionalmente determinar uma espessura do protetor de atenuação de raios X em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons para ser aproximadamente 50% da espessura na direção para frente.[0049] The method for optimizing protection for an X-ray radiation apparatus may further comprise determining an X-ray attenuation shield thickness at an angle of 180° from the electron beam direction to be approximately 50% of the thickness in the forward direction.
[0050] O método para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X pode compreender adicionalmente determinar uma espessura (tnt) do protetor de atenuação de nêutron em uma direção para frente pela equação: tnt = TVLn log10 (f), em que TVLn é uma camada de valor decimal predefinida para a atenuação de nêutrons de baixa energia no protetor de atenuação de nêutron e f é uma razão entre uma taxa de dose não protegida e uma taxa de protegida desejada.[0050] The method for optimizing protection for an X-ray radiation apparatus may further comprise determining a thickness (tnt) of the neutron attenuation shield in a forward direction by the equation: tnt = TVLn log10(f), where TVLn is a predefined decimal value layer for the attenuation of low-energy neutrons in the neutron attenuation shield and f is a ratio between an unshielded dose rate and a desired shielded rate.
[0051] O método para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X pode compreender adicionalmente determinar a espessura do protetor de atenuação de nêutron em um ângulo de 180° a partir da direção de feixe de elétrons em uma direção para trás para ser 50% a 100% da espessura (tnt) na direção para frente.[0051] The method for optimizing protection for an X-ray radiation apparatus may further comprise determining the thickness of the neutron attenuation shield at an angle of 180° from the electron beam direction in a backward direction to be 50% to 100% of the thickness (tnt) in the forward direction.
[0052] O método para otimizar a proteção para um aparelho de radiação por raios X pode compreender adicionalmente determinar a espessura do protetor de atenuação de gama para ser proporcional à espessura do protetor de atenuação de nêutron.[0052] The method for optimizing protection for an apparatus from X-ray radiation may further comprise determining the thickness of the gamma attenuation shield to be proportional to the thickness of the neutron attenuation shield.
[0053] As modalidades serão agora descritas em referência aos desenhos anexos em que: A Figura 1 é uma ilustração esquemática de uma modalidade da configuração de proteção; A Figura 2 é uma vista em perspectiva de uma modalidade do meio de inserção de amostra removível para executar a invenção descrita no presente documento; e A Figura 3 mostra um gráfico que ilustra a razão entre a taxa de dose de nêutron e a taxa de dose de raios X para frente não protegida versus a energia de ponto final para um acelerador de elétron ajustado com um alvo de conversor Bremsstrahlung de tungstênio.[0053] The embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings in which: Figure 1 is a schematic illustration of an embodiment of the protection configuration; Figure 2 is a perspective view of one embodiment of removable sample insertion means for carrying out the invention described herein; and Figure 3 shows a graph illustrating the ratio of neutron dose rate to unshielded forward X-ray dose rate versus endpoint energy for an electron accelerator fitted with a tungsten Bremsstrahlung converter target.
[0054] A Figura 1 ilustra um exemplo de um aparelho de radiação por raios X protegido 100 que é configurado para operar com uma energia de ponto final que pode ser variada ao longo da faixa de 8 a 14 MeV. A taxa de dose de raios X máxima entregue pelo gerador de raios X (não mostrado) varia de 160 Sv/min a uma energia de operação de 8 MeV a 25 Sv/min a uma energia de operação de 14 MeV.[0054] Figure 1 illustrates an example of a shielded X-ray radiation apparatus 100 that is configured to operate with an endpoint energy that can be varied over the range of 8 to 14 MeV. The maximum X-ray dose rate delivered by the X-ray generator (not shown) ranges from 160 Sv/min at an operating energy of 8 MeV to 25 Sv/min at an operating energy of 14 MeV.
[0055] O aparelho de radiação por raios X protegido 100 inclui um protetor de atenuação de raios X 110 e 111, um protetor de atenuação de nêutron 120 e 121 e um protetor de atenuação de gama 130 e 131. O protetor de atenuação de raios X inclui uma cavidade 106 que tem aproximadamente 1,5 m de comprimento que aloja o LINAC (não mostrado). O LINAC acelera um feixe de elétrons 101 a um alvo de conversão 102, produzindo radiação por raios X de Bremsstrahlung que é substancialmente direcionada na direção do feixe de elétrons. Em uso, a radiação por raios X irradia uma amostra 103.[0055] The shielded X-ray radiation apparatus 100 includes an X-ray attenuation shield 110 and 111, a neutron attenuation shield 120 and 121, and a gamma attenuation shield 130 and 131. The X-ray attenuation shield includes a cavity 106 that is approximately 1.5 m long that houses the LINAC (not shown). The LINAC accelerates an electron beam 101 to a conversion target 102, producing Bremsstrahlung X-ray radiation that is substantially directed in the direction of the electron beam. In use, X-ray radiation irradiates a sample 103.
[0056] A cavidade 106 que aloja a porção para dianteira do LINAC, o alvo de conversão 102 e a amostra 103 é substancialmente circundado por um invólucro de suporte 104 que fornece meios para sustentar o LINAC, o alvo e a amostra nas posições relativas de correção. Chumbo, sendo um material mole e maleável, é pouco adequado para esse propósito. Nesse exemplo, o invólucro de suporte 104 é produzido a partir de um material tal como aço. Em outros exemplos, o material selecionado deve ser substancialmente isento de elementos que ativam prontamente por meio de reações nucleares induzidas por nêutrons ou raios X. Por exemplo, o invólucro deve ser isento do elemento cobalto, o que leva à formação do isótopo 60Co de vida longa por meio da captura de nêutrons. A formação de tais isótopos de vida longa pode levar a dificuldades no descomissionamento ou descarte eventual dos componentes de proteção.[0056] The cavity 106 which houses the forward portion of the LINAC, the conversion target 102 and the sample 103 is substantially surrounded by a support housing 104 which provides means for supporting the LINAC, the target and the sample in the correcting relative positions. Lead, being a soft and malleable material, is ill-suited for this purpose. In that example, the support housing 104 is produced from a material such as steel. In other examples, the material selected must be substantially free of elements that readily activate through neutron- or X-ray induced nuclear reactions. For example, the enclosure must be free of the element cobalt, which leads to the formation of the long-lived isotope 60Co through neutron capture. The formation of such long-lived isotopes can lead to difficulties in decommissioning or eventual disposal of the protective components.
[0057] O protetor de atenuação de raios X (um protetor primário) compreende uma porção de cabeça 110 e uma porção de corpo 111. A espessura do protetor de atenuação de raios X é uma função do ângulo a partir da direção de feixe de elétrons: as direções de 0, 30, 60, 90, 120, 150 e 180 graus são indicadas na Figura 1. A espessura é calculada em conformidade com a descrição fornecida posteriormente no relatório descritivo. O protetor de atenuação de raios X 110, 111 pode ser formado fundindo-se chumbo derretido em um molde ou carcaça de aço.[0057] The X-ray attenuation shield (a primary shield) comprises a head portion 110 and a body portion 111. The thickness of the X-ray attenuation shield is a function of the angle from the electron beam direction: the directions of 0, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 degrees are indicated in Figure 1. The thickness is calculated in accordance with the description provided later in the specification. X-ray attenuation shield 110, 111 can be formed by melting molten lead in a steel mold or shell.
[0058] O protetor de atenuação de raios X 110, 111 é circundado por um protetor de atenuação de nêutron (um protetor secundário) 120, 121 formado de polietileno contendo 5% em peso de boro. A espessura do protetor de atenuação de nêutron está em conformidade com a descrição fornecida posteriormente no relatório descritivo. Nesse exemplo, o protetor de atenuação de nêutron 110, 111 é formado a partir de folhas planas do material.[0058] The X-ray attenuation shield 110, 111 is surrounded by a neutron attenuation shield (a secondary shield) 120, 121 formed of polyethylene containing 5% by weight of boron. The thickness of the neutron attenuation shield conforms to the description provided later in the specification. In this example, the neutron attenuation shield 110, 111 is formed from flat sheets of the material.
[0059] O protetor de atenuação de nêutron 110, 111 é circundado por um protetor de atenuação de gama 130, 131 (um protetor terciário) formado a partir de folhas de chumbo. O protetor de atenuação de gama tem uma espessura proporcional à espessura do protetor de atenuação de nêutron subjacente. No exemplo mostrado, a razão entre as espessuras do protetor de atenuação de gama e do protetor de atenuação de nêutron é 1:10.[0059] The neutron attenuation shield 110, 111 is surrounded by a gamma attenuation shield 130, 131 (a tertiary shield) formed from lead sheets. The gamma attenuation shield has a thickness proportional to the thickness of the underlying neutron attenuation shield. In the example shown, the ratio between the thicknesses of the gamma attenuation shield and the neutron attenuation shield is 1:10.
[0060] As dimensões gerais do protetor em camadas (110 e 111, 120 e 121, 130 e 131) são aproximadamente 3.300 mm de comprimento e 1.650 mm de comprimento, e a massa de proteção total é aproximadamente 22 toneladas. Consequentemente, o projeto de proteção pode ser confortavelmente acomodado dentro das restrições de tamanho e massa de um container para transporte de 6,1 metros (20 pés) padrão.[0060] The overall dimensions of the layered shield (110 and 111, 120 and 121, 130 and 131) are approximately 3,300 mm in length and 1,650 mm in length, and the total shield mass is approximately 22 tons. Consequently, the protective design can be comfortably accommodated within the size and mass constraints of a standard 6.1 meter (20 foot) shipping container.
[0061] A amostra 103 a ser irradiada é inserida e removida através da proteção em camadas por meio de um meio de inserção de amostra móvel, denominado de outro modo como um plugue 140. O plugue 140 passa através de uma manga 141 encaixada nas camadas de proteção primária, secundária e terciária. A folga entre a manga 141 e o plugue 140 deve ser tão pequena quanto praticamente possível, permitindo o movimento do plugue. A tolerância é, de preferência, menor do que 0,5 mm.[0061] The sample 103 to be irradiated is inserted and removed through the layered shield by means of a movable sample insertion means, otherwise known as a plug 140. The plug 140 passes through a sleeve 141 engaged in the primary, secondary and tertiary shield layers. The gap between sleeve 141 and plug 140 should be as small as practically possible, allowing for movement of the plug. The tolerance is preferably less than 0.5 mm.
[0062] O projeto do plugue 140 é mostrado em mais detalhes na Figura 2. A amostra 103 é sustentada no membro de plataforma 150 que é formado a partir de aço ou um material similar. Em conformidade com o projeto do invólucro 104, o material a partir do qual o membro de plataforma é fabricado deve também ser isento de elementos que passam por ativação significativa de raios X ou nêutrons.[0062] The design of the plug 140 is shown in more detail in Figure 2. The sample 103 is supported on the platform member 150 which is formed from steel or a similar material. In accordance with the design of enclosure 104, the material from which the platform member is fabricated must also be free of elements that undergo significant X-ray or neutron activation.
[0063] A segunda seção do plugue 160 compreende pelo menos duas porções escalonadas 161, 162, com as dimensões do degrau mais externo 162 maiores do que as do mais interno 161. No exemplo mostrado, o degrau tem uma largura de 10 mm. A segunda seção do plugue 160 é formada a partir de um material que fornece atenuação eficiente de raios X, tal como chumbo ou tungstênio. De preferência, essa seção do plugue 160 deve ser formada a partir de um material substancialmente similar a este usado para o protetor de atenuação de raios X 110,111.[0063] The second section of the plug 160 comprises at least two staggered portions 161, 162, with the dimensions of the outermost step 162 greater than those of the innermost 161. In the example shown, the step has a width of 10 mm. The second section of plug 160 is formed from a material that provides efficient X-ray attenuation, such as lead or tungsten. Preferably, that section of plug 160 should be formed from a material substantially similar to that used for X-ray attenuation shield 110,111.
[0064] A terceira seção do plugue 170 é construída de um material que interrompe eficientemente os nêutrons. De preferência, a terceira seção do plugue é fabricada a partir de um material substancialmente similar a este usado para formar o protetor de atenuação de nêutron 120,121. Um membro de união 171 para unir a segunda e a terceira seções do plugue é fornecido. O membro de união 171 é um apoio de aço cavilhado à segunda e à terceira seções do plugue.[0064] The third section of plug 170 is constructed of a material that efficiently disrupts neutrons. Preferably, the third section of the plug is fabricated from a material substantially similar to that used to form the neutron attenuation shield 120,121. A joining member 171 for joining the second and third sections of the plug is provided. The connecting member 171 is a steel support bolted to the second and third sections of the plug.
[0065] A quarta seção do plugue 180 é construída de um material que fornece atenuação eficiente dos raios X, tal como chumbo ou tungstênio. Nesse exemplo, a quarta seção do plugue inclui dois degraus, apesar de que, em outros exemplos, a mesma poderia incluir mais do que dois degraus, ou apenas um único degrau.[0065] The fourth section of plug 180 is constructed of a material that provides efficient attenuation of X-rays, such as lead or tungsten. In this example, the fourth section of the plug includes two steps, although in other examples it could include more than two steps, or just a single step.
[0066] A última seção do plugue 190 é fornecida para permitir que o plugue inteiro seja fixado a um mecanismo que fornece movimento linear (não mostrado) para transportar o plugue para dentro e para fora da cavidade. Essa seção 190, que não é exigida para fornecer qualquer função de proteção, pode ser uma estrutura sólida ou oca com meios para fixação a um dispositivo de movimento linear.[0066] The last section of the plug 190 is provided to allow the entire plug to be attached to a mechanism that provides linear motion (not shown) to transport the plug in and out of the cavity. This section 190, which is not required to provide any protective function, may be a solid or hollow structure with means for attachment to a linear motion device.
[0067] As Tabelas da eficácia de proteção de raios X de diferentes materiais estão prontamente disponíveis (por exemplo, Relatório NCRP 151 “Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X- and Gamma-ray Radiotherapy facilities”). A eficiência de proteção é comumente citada como ‘camadas de valor decimal’ (TVLs), sendo a espessura do material exigida para reduzir a taxa de dose de raios X por um fator de 10. TVLs são uma função da composição de material, densidade de material e energia de fonte de raios X.[0067] Tables of X-ray shielding effectiveness of different materials are readily available (eg NCRP Report 151 “Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X- and Gamma-ray Radiotherapy facilities”). Shielding efficiency is commonly referred to as 'decimal value layers' (TVLs) being the material thickness required to reduce the X-ray dose rate by a factor of 10. TVLs are a function of material composition, material density and X-ray source energy.
[0068] Por exemplo, os valores de TVL relatados para uma fonte de raios X de 10 MeV são 57/57 mm para chumbo, 410/370 mm para concreto e 110/110 mm para aço. Em cada caso, o primeiro valor relatado é a TVL para a primeira camada de proteção, e o segundo valor relatado é a TVL para todas as camadas subsequentes de proteção. Considerar um projeto de proteção para uma fonte de raios X particular projetada para reduzir as taxas de dose por um fator particular. Deixar o protetor ser construído a partir de chumbo e ter uma massa total M. se o material de proteção for alterado para aço, então, cada dimensão linear do protetor precisará ser aumentada por um fator de 110/57 = 1,93 para alcançar o mesmo fator de redução de taxa de dose. A massa do novo protetor, M’, será dada por: M’ = M x 1,93k x densidade de aço / densidade de chumbo em que k é um exponente com um valor entre 1 e 3.[0068] For example, the reported TVL values for a 10 MeV X-ray source are 57/57 mm for lead, 410/370 mm for concrete, and 110/110 mm for steel. In each case, the first value reported is the TVL for the first layer of protection, and the second value reported is the TVL for all subsequent layers of protection. Consider a shield design for a particular X-ray source designed to reduce dose rates by a particular factor. Let the shield be constructed from lead and have a total mass M. If the shield material is changed to steel then each linear dimension of the shield will need to be increased by a factor of 110/57 = 1.93 to achieve the same dose rate reduction factor. The mass of the new shield, M', will be given by: M' = M x 1.93k x steel density / lead density where k is an exponent with a value between 1 and 3.
[0069] Se a cavidade 106 que aloja o gerador de raios X for maior em comparação à espessura de proteção em camadas (como é comum em unidades de radioterapia, em que a fonte de raios X é mantida em um ambiente grande o suficiente para acomodar um paciente), então, k é aproximadamente 1. Se a espessura da proteção em camadas for maior em comparação ao tamanho da cavidade 106, então, k está próximo de 3. Para projetos de proteção relativamente compactos, o valor de k está entre 2 e 3.[0069] If the cavity 106 that houses the X-ray generator is larger compared to the thickness of the layered shield (as is common in radiotherapy units, where the X-ray source is kept in an environment large enough to accommodate a patient), then k is approximately 1. If the thickness of the layered shield is greater compared to the size of the cavity 106, then k is close to 3. For relatively compact shield designs, the value of k is between 2 and 3.
[0070] Com k = 2, M’ = 2,6 M; para k = 3, M’ = 5,0. Portanto, a consequência da comutação de proteção de chumbo para proteção de ferro é aumentar a massa exigida do protetor por um fator de 2,6 a 5,0. Se o protetor de atenuação de raios X 110, 111 for construído a partir de concreto em vez de chumbo, que tem uma densidade ainda menor, o aumento na massa é um fator de 8,8 a 57. O inventor determinou que é vantajoso construir o protetor de atenuação de raios X 110, 111 a partir de um material de alta densidade e, com máxima preferência, chumbo, se o objetivo for reduzir a massa geral da proteção.[0070] With k = 2, M' = 2.6 M; for k = 3, M' = 5.0. Therefore, the consequence of switching from lead protection to iron protection is to increase the required shield mass by a factor of 2.6 to 5.0. If the X-ray attenuation shield 110, 111 is constructed from concrete rather than lead, which has an even lower density, the increase in mass is a factor of 8.8 to 57. The inventor has determined that it is advantageous to construct the X-ray attenuation shield 110, 111 from a high density material, and most preferably lead, if the objective is to reduce the overall mass of the shield.
[0071] Uma desvantagem significativa de construir o protetor de atenuação de raios X a partir de um elemento, tal como chumbo, é a produção de fotonêutrons. Geralmente, a energia limite de raios X para a produção de nêutrons por meio de reações (g,n) diminui com o aumento do número atômico, e a seção transversal ou probabilidade de reação aumenta.[0071] A significant disadvantage of constructing the X-ray attenuation shield from an element, such as lead, is the production of photoneutrons. Generally, the X-ray limiting energy for neutron production via (g,n) reactions decreases with increasing atomic number, and the cross section or reaction probability increases.
[0072] Chumbo consiste em 4 isótopos de ocorrência natural: 204Pb (1,4%), 206Pb (24,1%), 207Pb (22,1%) e 208Pb (52,4%). Os limites (g,n) para esses isótopos são 8,4, 8,1, 6,7 e 7,4 MeV, respectivamente. Isso significa que um acelerador operado para produzir raios X com uma energia de ponto final de cerca de 6,7 MeV ou mais alta originará fotonêutrons, com a produção de nêutrons aumentando rapidamente com o aumento da energia de raios X. Metais pesados, tais como chumbo, são muito pobres em nêutrons de proteção.[0072] Lead consists of 4 naturally occurring isotopes: 204Pb (1.4%), 206Pb (24.1%), 207Pb (22.1%) and 208Pb (52.4%). The limits (g,n) for these isotopes are 8.4, 8.1, 6.7 and 7.4 MeV, respectively. This means that an accelerator operated to produce X-rays with an endpoint energy of about 6.7 MeV or higher will give rise to photoneutrons, with neutron output increasing rapidly with increasing X-ray energy. Heavy metals, such as lead, are very poor in shielding neutrons.
[0073] O inventor considerou adicionar um protetor de atenuação de nêutron fora do protetor de raios X, sendo formado a partir de um material que eficientemente termiza (retarda) e absorve nêutrons. Materiais com um alto teor de hidrogênio são muito eficientes no retardamento de nêutrons, devido à alta perda de energia que ocorre em colisões elásticas (n,p). Os exemplos de materiais adequados que têm um alto teor de hidrogênio incluem polímeros com a fórmula genérica (-CH2-)n, tais como polietileno e polipropileno, e água. O teor de hidrogênio desses materiais é aproximadamente 0,11 a 0,13 g/cm3. Vantajosamente, polímeros, tais como polietileno, estão disponíveis em folhas de autossuporte grandes, o que simplifica a construção da proteção. Outras opções de proteção de nêutron incluem materiais, tais como resina de poliuretano, que podem ser fundidos na forma exigida. A resina pode ser misturada com materiais, tais como péletes de polietileno, para aumentar o teor de hidrogênio.[0073] The inventor considered adding a neutron attenuation shield outside of the X-ray shield, being formed from a material that efficiently thermizes (delays) and absorbs neutrons. Materials with a high hydrogen content are very efficient in retarding neutrons, due to the high energy loss that occurs in elastic collisions (n,p). Examples of suitable materials that have a high hydrogen content include polymers with the generic formula (-CH2-)n, such as polyethylene and polypropylene, and water. The hydrogen content of these materials is approximately 0.11 to 0.13 g/cm3. Advantageously, polymers such as polyethylene are available in large self-supporting sheets, which simplifies shield construction. Other neutron shielding options include materials, such as polyurethane resin, which can be cast to the required shape. The resin can be mixed with materials such as polyethylene pellets to increase the hydrogen content.
[0074] Vantajosamente, a camada de proteção de nêutron é projetada para incluir uma proporção de um elemento, tal como boro (B), que absorve fortemente nêutrons térmicos. O isótopo 10B (19,9% de boro natural) tem uma seção transversal de absorção de nêutron térmica de 3.835 barns, em comparação a um valor de apenas 0,333 barns para 1H e 0,00353 barns para 12C. O raio gama produzido quando boro absorve um nêutron tem uma energia de 478 keV em comparação a 2.234 keV resultante da captura de nêutron por hidrogênio. Opcionalmente, lítio (Li) pode ser selecionado como um elemento absorvente. O isótopo 6Li (7,6% de lítio natural) tem uma seção transversal de absorção de nêutron térmica de 940 barns. A seção transversal inferior e a fração de isótopo inferior significam que lítio é um absorvedor de nêutron menos eficiente do que boro. Entretanto, lítio não produz nenhum raio gama durante a captura de nêutron.[0074] Advantageously, the neutron shielding layer is designed to include a proportion of an element, such as boron (B), which strongly absorbs thermal neutrons. The 10B isotope (19.9% natural boron) has a thermal neutron absorption cross section of 3.835 barns, compared to a value of only 0.333 barns for 1H and 0.00353 barns for 12C. The gamma ray produced when boron absorbs a neutron has an energy of 478 keV compared to 2234 keV resulting from neutron capture by hydrogen. Optionally, lithium (Li) can be selected as an absorbing element. The 6Li isotope (7.6% natural lithium) has a thermal neutron absorption cross section of 940 barns. The lower cross-section and lower isotope fraction mean that lithium is a less efficient neutron absorber than boron. However, lithium does not produce any gamma rays during neutron capture.
[0075] Boro ou lítio podem ser incorporados no protetor de nêutron de várias formas. Polietileno carregado com boro e carregado com lítio está disponível com várias concentrações de dopantes. Um carregamento de 5% é típico e fornece absorção de nêutron térmica eficiente. Os compostos de boro ou lítio solúveis podem ser adicionados à água. Compostos de boro ou lítio em pó podem ser adicionados à resina ou misturas de microesferas de polímero-resina.[0075] Boron or lithium can be incorporated into the neutron shield in various ways. Boron-loaded and lithium-loaded polyethylene is available with various concentrations of dopants. A loading of 5% is typical and provides efficient thermal neutron absorption. Soluble boron or lithium compounds can be added to water. Powdered boron or lithium compounds can be added to the resin or polymer-resin microsphere mixtures.
[0076] A espessura de camada de valor decimal (TVL) para nêutrons em um material, tal como polietileno borado, é uma função de energia de nêutron. Os nêutrons produzidos em reações (g,n) têm uma energia máxima igual à energia de feixe de elétrons de acelerador menos o limite de reação, mas a maioria dos nêutrons é produzida a uma energia muito baixa. Em casos em que a energia de acelerador é menor do que 15 MeV, a energia de nêutron média é << 1 MeV. O valor para a TVL de nêutron em polietileno borado é cerca de 62 mm [Relatório NCRP no 79, Neutron Contamination from Medical Electron Accelerators]. Um protetor de nêutron de espessura 200 a 300 mm reduzirá, então, o fluxo de nêutron por um fator de 1.700 a 7.000.[0076] The decimal value layer thickness (TVL) for neutrons in a material, such as borated polyethylene, is a function of neutron energy. Neutrons produced in (g,n) reactions have a maximum energy equal to the accelerator electron beam energy minus the reaction threshold, but most neutrons are produced at very low energy. In cases where the accelerator energy is less than 15 MeV, the average neutron energy is << 1 MeV. The value for the neutron TVL in borated polyethylene is about 62 mm [NCRP Report No. 79, Neutron Contamination from Medical Electron Accelerators]. A neutron shield 200 to 300 mm thick will then reduce the neutron flux by a factor of 1700 to 7000.
[0077] Projetar a proteção de radiação apropriada é adicionalmente complicado já que a captura de nêutrons na camada de proteção de nêutron pode produzir raios gama energéticos. Os materiais hidrogenados de baixa densidade usados para a camada de proteção de nêutron fornecem proteção muito limitada desses raios gama, que podem ser mais eficientemente bloqueados com o uso de um protetor terciário (protetor de atenuação de gama) compreendido de chumbo, aço ou outro metal de alta densidade.[0077] Designing appropriate radiation shielding is additionally complicated as neutron capture in the neutron shielding layer can produce energetic gamma rays. The low-density hydrogenated materials used for the neutron shield layer provide very limited protection from these gamma rays, which can be more efficiently blocked using a tertiary shield (gamma attenuation shield) comprised of lead, steel or other high-density metal.
[0078] Se boro for usado como o material de absorção de nêutron no protetor de atenuação de nêutron, então, o fluxo de raios gama fora do protetor é dominado por raios gama de 478 keV resultantes da captura de nêutron por 10B. A TVL para raios gama de 478 keV em chumbo é aproximadamente 1,2 cm e, em ferro, 5,2 cm. Fornecer atenuação de 100 vezes da taxa de dose de raios gama induzida por nêutron exigiria uma espessura de aproximadamente 2,5 cm de chumbo ou 10 cm de ferro. A massa de proteção de ferro exigida para produzir esse nível de atenuação seria cerca de 3 vezes maior do que a massa de proteção de chumbo. Consequentemente, chumbo é a escolha preferencial para o protetor de atenuação de gama.[0078] If boron is used as the neutron absorbing material in the neutron attenuation shield, then the gamma ray flux outside the shield is dominated by 478 keV gamma rays resulting from neutron capture by 10B. The TVL for 478 keV gamma rays in lead is approximately 1.2 cm and in iron 5.2 cm. Providing attenuation of 100 times the neutron-induced gamma dose rate would require a thickness of approximately 2.5 cm of lead or 10 cm of iron. The iron shielding mass required to produce this level of attenuation would be about 3 times greater than the lead shielding mass. Consequently, lead is the preferred choice for the gamma attenuation protector.
[0079] Um mecanismo para inserir e remover rapidamente amostras das proximidades da fonte de raios X é desejado. Isso é particularmente verdadeiro para reações de ativação de vida curta, tais como a formação do metaestado de 197Au que tem uma meia-vida de 7,73 s.[0079] A mechanism to quickly insert and remove samples from the vicinity of the X-ray source is desired. This is particularly true for short-lived activation reactions, such as the formation of the 197Au metastate which has a half-life of 7.73 s.
[0080] O protetor em camadas inclui uma manga, ou um canal de acesso de amostra, que é substancialmente reta. O plugue 140 preenche completamente o canal de acesso de amostra quando o mesmo é inserido e fornece os meios para inserir e remover amostras conforme anteriormente descrito. Conforme ilustrado na Figura 2, o perfil externo do plugue 140 é escalonado para remover quaisquer trajetórias de linha reta através das quais radiação por raios X ou nêutron pode escapar. Vantajosamente, isso permite que tolerâncias maiores sejam deixadas entre os lados do plugue 140 e as paredes do canal através do qual o plugue passa, simplificando tanto a fabricação quanto o movimento do plugue.[0080] The layered shield includes a sleeve, or a sample access channel, that is substantially straight. Plug 140 completely fills the sample access channel when it is inserted and provides the means for inserting and removing samples as previously described. As illustrated in Figure 2, the outer profile of the plug 140 is scaled to remove any straight line paths through which X-ray or neutron radiation can escape. Advantageously, this allows for greater tolerances to be left between the sides of the plug 140 and the walls of the channel through which the plug passes, simplifying both fabrication and movement of the plug.
[0081] A espessura de protetor de atenuação de raios X na direção para frente é estimada com o uso de TVLs tabuladas e do fator de atenuação de dose desejado. Considerar um acelerador que produz uma taxa de dose não protegida a 1 m do alvo na direção para frente de R Sv/min. Supor que a taxa de dose protegida desejada no ponto acessível por pessoal mais próximo na distância d do alvo é r microSv/hora. Para um protetor de atenuação de raios X de chumbo em que a TVL para radiação de Bremsstrahlung é independente da energia de acelerador através pelo menos da faixa de energia 4 a 25 MeV, a espessura de proteção t é dada por: t = TVL x logio [( R X 60 X 106)/(r d2)] (1)[0081] The X-ray attenuation shield thickness in the forward direction is estimated using tabulated TVLs and the desired dose attenuation factor. Consider an accelerator that produces an unshielded dose rate 1 m from the target in the forward direction of R Sv/min. Assume that the desired protected dose rate at the nearest personnel accessible point at distance d from the target is r microSv/hour. For a lead X-ray attenuation shield where the TVL for Bremsstrahlung radiation is independent of accelerator energy across at least the 4 to 25 MeV energy range, the shield thickness t is given by: t = TVL x logio [(R X 60 X 106)/(r d2)] (1)
[0082] Por exemplo, considerar um LINAC produzindo uma taxa de dose não protegida máxima de 160 Sv/min. Se o ponto acessível mais próximo estiver a 1 m do alvo, e a taxa de dose protegida desejada for 2,5 microSv/hora, então, t = 9,8 TVL. Substituir o valor tabulado de 57 mm por TVL rende t = 560 mm.[0082] For example, consider a LINAC producing a maximum unprotected dose rate of 160 Sv/min. If the nearest accessible point is 1 m from the target, and the desired protected dose rate is 2.5 microSv/hour, then t = 9.8 TVL. Substituting the tabulated value of 57 mm for TVL yields t = 560 mm.
[0083] A determinação da espessura de protetor de atenuação de raios X ideal a diferentes ângulos é um cálculo mais complexo, na medida em que depende não apenas do perfil angular da emissão de raios X da fonte, mas também dos processos de dispersão e absorção de raios X dentro da proteção. O inventor determinou empiricamente que, para acelerador, fontes que produzem raios X com energias de ponto final na faixa 8 a 14 MeV, espessuras de proteção de atenuação de raios X dentro da faixa de 60 a 80% (e mais preferencialmente 75%) e dentro da faixa de 25 a 50% (e mais preferencialmente 50%) da espessura na direção para frente são adequadas a ângulos de 90° e 180° ao feixe de elétrons, respectivamente. Para o exemplo sob consideração, uma espessura de protetor de atenuação de raios X de 420 mm é exigida a um ângulo de 90°, e uma espessura de cerca de 280 mm é exigida a um ângulo de 180°.[0083] Determining the thickness of the ideal X-ray attenuation shield at different angles is a more complex calculation, as it depends not only on the angular profile of the X-ray emission from the source, but also on the X-ray scattering and absorption processes within the shield. The inventor has empirically determined that, for accelerator, sources producing X-rays with endpoint energies in the range 8 to 14 MeV, X-ray attenuation shield thicknesses within the range of 60 to 80% (and more preferably 75%) and within the range of 25 to 50% (and most preferably 50%) of the thickness in the forward direction are suitable at angles of 90° and 180° to the electron beam, respectively. For the example under consideration, an X-ray attenuation shield thickness of 420 mm is required at an angle of 90°, and a thickness of about 280 mm is required at an angle of 180°.
[0084] Dentro dessas exigências ferais na espessura de protetor, a configuração detalhada da proteção pode ser mais convenientemente otimizada com o uso de um código de computador de transporte de radiação, tal como uma simulação Monte Carlo. O código de simulação pode ser usado para modelar a produção, dispersão e absorção de raios X e para registrar a taxa de dose simulada a diferentes posições por todo o modelo. A configuração de proteção pode, então, ser otimizada para alcançar a taxa de dose desejada em todos os pontos na superfície externa do protetor. Os códigos de simulação Monte Carlo de propósito geral, tais como EGS, MCNP e GEANT, estão prontamente disponíveis.[0084] Within these general requirements on shield thickness, the detailed shield configuration can be most conveniently optimized using a radiation transport computer code, such as a Monte Carlo simulation. The simulation code can be used to model X-ray production, scattering and absorption and to record the simulated dose rate at different positions throughout the model. The shield setting can then be optimized to achieve the desired dose rate at all points on the outer surface of the shield. General purpose Monte Carlo simulation codes such as EGS, MCNP and GEANT are readily available.
[0085] A determinação da espessura do protetor de atenuação de nêutron depende da taxa de produção de nêutrons, que é uma forte função da energia de ponto final de acelerador. A produção de nêutron pode ocorrer no alvo de acelerador, na amostra irradiada e no protetor de atenuação de raios X. Os dados de produção de nêutron são fornecidos por fabricantes de muitos sistemas de acelerador. Os mesmos podem também ser medidos experimentalmente ou calculados com o uso de códigos de simulação em computador.[0085] The determination of the thickness of the neutron attenuation shield depends on the neutron production rate, which is a strong function of the accelerator endpoint energy. Neutron production can occur in the accelerator target, the irradiated sample, and the X-ray attenuation shield. Neutron production data is provided by manufacturers of many accelerator systems. They can also be measured experimentally or calculated using computer simulation codes.
[0086] A Figura 3 plota a taxa de dose de nêutron por unidade de dose de raios X direcionada para frente para um acelerador com um alvo de tungstênio e proteção de atenuação de raios X de chumbo. A energia de operação de acelerador de elétron e, portanto, a energia de ponto final de raios X é variada entre 8 e 14 MeV. Os resultados foram determinados pelo inventor com o uso de uma simulação em computador de transporte de raios X e produção de nêutron, realizada com o uso do código Monte Carlo MCNP.[0086] Figure 3 plots the neutron dose rate per unit forward-directed X-ray dose for an accelerator with a tungsten target and lead X-ray attenuation shield. The electron accelerator operating energy and therefore the X-ray endpoint energy is varied between 8 and 14 MeV. The results were determined by the inventor using a computer simulation of X-ray transport and neutron production, performed using the Monte Carlo MCNP code.
[0087] Retornando-se ao exemplo de um LINAC produzindo uma taxa de dose de raios X para frente não protegida de 160 Sv/min, se a energia de operação de LINAC for 8,5 MeV, então, a taxa de dose de nêutron correspondente será aproximadamente 160 x 2 x 10-6 Sv/min = 3,2 x 10—4 Sv/min. Se for desejado reduzir essa taxa de dose para 2,5 microSv/h a uma distância de 1 m, então, a equação 1 pode ser usada para determinar que t = 3,9 TVL. Com uma TVL de 62 mm para nêutrons de baixa energia, a espessura de proteção correspondente é de 240 mm. Como a produção de nêutron é uma função de energia de LINAC, a espessura projetada deve ser calculada para o envelope de saídas de taxa de dose/energias para a aplicação em questão, e a maior espessura selecionada.[0087] Returning to the example of a LINAC producing an unshielded forward X-ray dose rate of 160 Sv/min, if the LINAC operating energy is 8.5 MeV, then the corresponding neutron dose rate will be approximately 160 x 2 x 10-6 Sv/min = 3.2 x 10—4 Sv/min. If it is desired to reduce this dose rate to 2.5 microSv/h at a distance of 1 m, then equation 1 can be used to determine that t = 3.9 TVL. With a TVL of 62 mm for low energy neutrons, the corresponding shield thickness is 240 mm. As neutron output is a function of LINAC energy, the designed thickness must be calculated for the envelope of dose rate/energies outputs for the application in question, and the largest thickness selected.
[0088] Como a produção de nêutron é aproximadamente isotrópica, uma espessura de proteção similar é exigida em todas as direções. Se o projeto do acelerador de elétron exigir uma cavidade substancial para alojar a estrutura de aceleração, de modo que a porção do protetor em uma direção para trás seja significativamente mais afastada do alvo do que a porção em uma direção para frente, então, a equação 1 prevê que uma espessura de proteção reduzida pode ser aceitável na direção para trás, devido ao valor maior de d2.[0088] As the neutron output is approximately isotropic, a similar shielding thickness is required in all directions. If the electron accelerator design requires a substantial cavity to house the acceleration structure, such that the portion of the shield in a backward direction is significantly farther from the target than the portion in a forward direction, then equation 1 predicts that a reduced shield thickness may be acceptable in the backward direction, due to the larger value of d2.
[0089] Uma simulação Monte Carlo de fóton-nêutron pode ser usada para otimizar o projeto detalhado do protetor de atenuação de nêutron. Um modelo do protetor de atenuação de raios X e protetor de atenuação de nêutron é criado, e raios X e nêutrons induzidos por raios X rastreados através do modelo. A taxa de dose de nêutron é, então, registrada em pontos da superfície do protetor de atenuação de nêutron. A espessura do protetor de atenuação de nêutron pode ser ajustada para garantir que essa superfície externa coincida aproximadamente com um contorno de isodose de nêutron no nível de taxa de dose desejado.[0089] A Monte Carlo photon-neutron simulation can be used to optimize the detailed design of the neutron attenuation shield. A model of the X-ray attenuation shield and neutron attenuation shield is created, and X-rays and X-ray-induced neutrons traced through the model. The neutron dose rate is then recorded at points on the surface of the neutron attenuation shield. The thickness of the neutron attenuation shield can be adjusted to ensure that this outer surface approximately matches a neutron isodose contour at the desired dose rate level.
[0090] Como a produção de raios gama induzidos por nêutron é proporcional ao fluxo de nêutrons, e as respectivas espessuras do protetor de atenuação de nêutron e do protetor de atenuação de gama exigidas para reduzir os fluxos de nêutrons e raios gama a níveis aceitáveis são ambas proporcionais ao logaritmo do fator de redução de fluxo, a espessura exigida do protetor de atenuação de gama é proporcional à espessura otimizada do protetor de atenuação de nêutron.[0090] Since the production of neutron-induced gamma rays is proportional to the neutron flux, and the respective thicknesses of the neutron attenuation shield and the gamma attenuation shield required to reduce the neutron and gamma ray fluxes to acceptable levels are both proportional to the logarithm of the flux reduction factor, the required thickness of the gamma attenuation shield is proportional to the optimized thickness of the neutron attenuation shield.
[0091] No caso em que o protetor de atenuação de nêutron é produzido a partir de polietileno contendo 5% de boro em peso, e o protetor de atenuação de gama é produzido a partir de chumbo, o inventor determinou que a espessura ideal do protetor de atenuação de gama é 0,1 vez a espessura da camada de polietileno secundária. Por exemplo, se a espessura do protetor de atenuação de nêutron em uma localização particular for 300 mm, então, a espessura ideal do protetor de atenuação de gama nessa posição é 30 mm. Se a composição dos protetores de atenuação de gama ou nêutron for alterada, uma constante de proporcionalidade diferente pode ser determinada, por exemplo, através do uso da simulação Monte Carlo.[0091] In the case where the neutron attenuation shield is produced from polyethylene containing 5% boron by weight, and the gamma attenuation shield is produced from lead, the inventor determined that the ideal thickness of the gamma attenuation shield is 0.1 times the thickness of the secondary polyethylene layer. For example, if the thickness of the neutron attenuation shield at a particular location is 300 mm, then the ideal thickness of the gamma attenuation shield at that position is 30 mm. If the composition of the gamma or neutron attenuation shields is changed, a different proportionality constant can be determined, for example, through the use of Monte Carlo simulation.
[0092] A modalidade no presente documento descrita tem a vantagem em que pode fornecer serviços de GAA em um formato relocável compacto. A modalidade descrita no presente documento permite que uma fonte de raios X baseada em LINAC de 8 kW, 8 a 14 MeV seja desenvolvida na área de projeção de um container para transporte de 6,1 metros (20 pés) padrão. Com a adição de container (ou containers) adicional que aloja sistemas de detecção de radiação e manipulação de amostras, uma instalação de GAA inteira pode ser construída em uma fábrica e, então, rapidamente transportada e instalada em qualquer localização desejada. Isso é particularmente vantajoso quando é desejado instalar um laboratório de análise de minerais em uma localização remota, tal como um sítio de mineração.[0092] The embodiment described herein has the advantage that it can provide GAA services in a compact relocatable format. The embodiment described in this document allows an 8 kW, 8 to 14 MeV LINAC-based X-ray source to be deployed in the projection area of a standard 6.1 meter (20 ft) shipping container. With the addition of an additional container (or containers) that house radiation detection and sample handling systems, an entire GAA facility can be built in a factory and then quickly transported and installed in any desired location. This is particularly advantageous when it is desired to install a mineral analysis laboratory in a remote location, such as a mining site.
[0093] As modalidades da invenção fornecem proteção contra radiação projetada para uso ao redor de uma fonte de raios X de alta energia de modo a reduzir o tamanho e o peso da proteção em comparação a projetos existentes. Vantajosamente, a redução do tamanho e do peso para serem consistentes com os parâmetros permitidos para um container para transporte de 6,1 metros (20 pés) padrão permite uma instalação mais fácil do equipamento de raios X de alta energia.[0093] Embodiments of the invention provide radiation shielding designed for use around a high energy X-ray source in order to reduce the size and weight of the shield compared to existing designs. Advantageously, reducing the size and weight to be consistent with the allowable parameters for a standard 6.1 meter (20 ft) shipping container allows for easier installation of high energy X-ray equipment.
[0094] Embora as modalidades da invenção tenham sido descritas como sendo particularmente aplicáveis a campos que exigem a análise de elementos em amostras minerais, a invenção é adicionalmente aplicável a aplicações que incluem radiografia, triagem de carga, esterilização e detecção de material fissionável. Em essência, a invenção é a aplicação a qualquer aplicação que exija o desenvolvimento de fontes de raios X operáveis a uma energia suficientemente alta para produzir nêutrons.[0094] While embodiments of the invention have been described as being particularly applicable to fields that require the analysis of elements in mineral samples, the invention is additionally applicable to applications that include radiography, cargo screening, sterilization, and detection of fissile material. In essence, the invention is application to any application that requires the development of X-ray sources operable at an energy high enough to produce neutrons.
[0095] Embora não ilustrado, deve ser entendido que, para possibilitar a manutenção do acelerador, o aparelho será, na maioria das circunstâncias, configurado para possibilitar acesso ao acelerador. O aparelho pode, portanto, ser configurado com portas nas proximidades do acelerador. Em um caso, o aparelho pode ser configurado com portas situadas na extremidade posterior do acelerador imediatamente atrás do acelerador que permitem esse acesso.[0095] Although not illustrated, it should be understood that, in order to allow accelerator serviceability, the apparatus will, under most circumstances, be configured to provide access to the accelerator. The device can therefore be configured with ports in close proximity to the accelerator. In one case, the apparatus may be configured with ports located at the rear end of the accelerator immediately behind the accelerator to allow such access.
[0096] Será entendido pelas pessoas versadas na técnica que inúmeras variações e/ou modificações podem ser feitas às modalidades descritas acima, sem se afastar do escopo geral amplo da presente revelação. Portanto, as presentes modalidades devem ser consideradas em todos os aspectos como ilustrativas e não restritivas.[0096] It will be understood by those skilled in the art that numerous variations and/or modifications can be made to the embodiments described above without departing from the broad general scope of the present disclosure. Therefore, the present arrangements are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.
Claims (24)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/AU2017/050643 WO2018232435A1 (en) | 2017-06-23 | 2017-06-23 | A shielded x-ray radiation apparatus |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BR112019027208A2 BR112019027208A2 (en) | 2020-06-30 |
| BR112019027208B1 true BR112019027208B1 (en) | 2023-05-30 |
Family
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