ITMI20080853A1 - RADIOACTIVITY MONITORING SYSTEM - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce in generale al rilevamento e monitoraggio di radioattività, in particolare al rilevamento e monitoraggio di radioattività causata da radionuclidi allo stato aeriforme (isotopi gassosi). The present invention relates in general to the detection and monitoring of radioactivity, in particular to the detection and monitoring of radioactivity caused by radionuclides in the gaseous state (gaseous isotopes).
Sistemi di rilevamento e monitoraggio del tipo suddetto sono utilizzati in sistemi di ventilazione di impianti radiogeni, quali ad esempio quelli installati in laboratori di medicina nucleare, in laboratori di radiodiagnostica e/o di radioterapia, in laboratori di centri di ricerca o di impianti industriali, ed in generale in qualsiasi struttura utilizzante acceleratori di particelle, per controllare l’eventuale rilascio di radioattività in atmosfera causato da nuclidi sotto forma di isotopi gassosi che non vengono trattenuti dai filtri del sistema di ventilazione. Detection and monitoring systems of the aforementioned type are used in ventilation systems of radiogenic plants, such as those installed in nuclear medicine laboratories, in radiodiagnostic and / or radiotherapy laboratories, in laboratories of research centers or industrial plants, and in general in any structure using particle accelerators, to control the possible release of radioactivity into the atmosphere caused by nuclides in the form of gaseous isotopes which are not retained by the filters of the ventilation system.
Il quadro normativo attualmente in vigore prevede due diversi approcci al problema. The regulatory framework currently in place provides for two different approaches to the problem.
Un primo approccio impone il rilascio, da parte di un’autorità competente, di una licenza d’esercizio dell’impianto radiogeno. In questo caso, i livelli permessi di emissione in atmosfera sono stabiliti sulla base di un criterio “integrale”, ovverosia in termini di massima radioattività rilasciabile in periodi di tempo prestabiliti. Conseguire il rilascio di una licenza d’esercizio, e mantenerla in vigore nel corso del tempo, impone peraltro procedure complesse e costose. A first approach requires the issuance, by a competent authority, of an operating license for the X-ray system. In this case, the permitted levels of emission into the atmosphere are established on the basis of an "integral" criterion, that is in terms of maximum radioactivity that can be released in pre-established periods of time. Achieving the issue of an operating license, and keeping it in force over time, also requires complex and expensive procedures.
Un secondo approccio, applicabile a quegli impianti che sono caratterizzati da livelli di emissione inferiori ad una soglia massima consentita (tipicamente, pari ad 1 Bequerel/grammo), dispensa dal rilascio di una licenza d’esercizio, ma in questo caso ai conduttori degli impianti è imposto di poter dimostrare, mediante un sistema di monitoraggio continuo nel tempo, che i livelli delle emissioni risultino sempre inferiori alla soglia massima consentita. Il livello di sensibilità richiesto ai sistemi di rilevamento e monitoraggio per questo tipo di impianti è estremamente elevato, e vi è la tendenza a cercare di raggiungere un livello pari ad 1/10 della soglia massima consentita. A second approach, applicable to those plants that are characterized by emission levels below a maximum allowed threshold (typically, equal to 1 Bequerel / gram), exempts from the issue of an operating license, but in this case to the plant operators it is required to be able to demonstrate, by means of a continuous monitoring system over time, that the emission levels are always below the maximum permitted threshold. The level of sensitivity required of the detection and monitoring systems for this type of plant is extremely high, and there is a tendency to try to reach a level equal to 1/10 of the maximum allowed threshold.
Sulla base delle conoscenze della Richiedente, i sistemi di monitoraggio noti possono essere classificati come segue. On the basis of the Applicant's knowledge, the known monitoring systems can be classified as follows.
Una prima classe è quella dei sistemi con rivelatori proporzionali, che impiegano da uno a quattro rivelatori proporzionali a gas xeno (ciascuno completo di circuiti elettronici di preamplificazione, di gestione dell’alta tensione e di discriminazione), installati attorno alla camera di misura (la quale tipicamente ha un volume di circa 11 litri) con schermatura in piombo e campionamento con pompa a flusso continuo (con portata tipica di 4 m3/ora). Questi sistemi misurano soltanto la radiazione β totale, e la loro sensibilità (e di conseguenza il loro costo) dipende dal numero di rivelatori impiegati. Peraltro, anche nella configurazione ottimale a quattro rivelatori (uno dei quali è utilizzato per la compensazione) non si ottengono le sensibilità richieste per gli impianti senza licenza d’esercizio. A first class is that of systems with proportional detectors, which use from one to four proportional xenon gas detectors (each complete with electronic pre-amplification, high voltage management and discrimination circuits), installed around the measurement chamber (the which typically has a volume of about 11 liters) with lead shielding and sampling with a continuous flow pump (with a typical flow rate of 4 m3 / hour). These systems only measure the total β radiation, and their sensitivity (and consequently their cost) depends on the number of detectors used. Moreover, even in the optimal configuration with four detectors (one of which is used for compensation), the sensitivity required for plants without an operating license is not obtained.
Una seconda classe comprende sistemi basati su metodi spettrometrici con l’impiego di rivelatori al ioduro di sodio (NaI(TI)), che effettuano un campionamento con una pompa a flusso continuo in una camera di misura a geometria definita (tipicamente, una camera con geometria di tipo “Marinelli”, per ottimizzare l’efficienza di rivelazione), e nei quali la misura è effettuata con un rivelatore NaI(Tl) collegato ad una catena di circuiti elettronici comprendente preamplificatore, amplificatore, convertitore analogico/digitale (ADC) ed analizzatore multicanale (MCA). Il tempo di conteggio di ogni singola misura è tipicamente di 10 minuti, ed il dato viene elaborato mediante software dedicato. Questi sistemi hanno prestazioni superiori a quelle dei sistemi della prima classe, perché consentono la misura non solo di β emettitori, ma anche di eventuali altri contaminanti γ emettitori; peraltro, la sensibilità è accettabile solo per impianti soggetti a rilascio di licenza d’esercizio. A second class includes systems based on spectrometric methods with the use of sodium iodide (NaI (TI)) detectors, which carry out a sampling with a continuous flow pump in a measuring chamber with defined geometry (typically, a chamber with "Marinelli" type geometry, to optimize the detection efficiency), and in which the measurement is carried out with a NaI (Tl) detector connected to a chain of electronic circuits including preamplifier, amplifier, analog / digital converter (ADC) and multichannel analyzer (MCA). The counting time of each single measurement is typically 10 minutes, and the data is processed by dedicated software. These systems perform better than those of the first class systems, because they allow the measurement not only of β emitters, but also of any other contaminants γ emitters; however, the sensitivity is only acceptable for plants subject to the issue of an operating license.
Una terza classe comprende sistemi basati su metodi spettrometrici con l’impiego di rivelatori al germanio iperpuro. Questi sistemi hanno una configurazione analoga a quelli della seconda classe, con la differenza che i rivelatori NaI sono sostituiti da rivelatori al germanio, cosa che migliora notevolmente le prestazioni, grazie alla elevata risoluzione del rivelatore. Il limite principale di questi sistemi risiede nel fatto che i rivelatori devono essere raffreddati con azoto liquido, cosa che complica significativamente la struttura complessiva, oltre che la manutenzione (devono essere previsti rabbocchi periodici del refrigerante, ad esempio su base settimanale) o mediante raffreddamento elettrico, che richiede alimentazione elettrica sempre garantita. I costi iniziali e di esercizio sono dunque notevolmente elevati. A third class includes systems based on spectrometric methods with the use of hyperpure germanium detectors. These systems have a configuration similar to those of the second class, with the difference that the NaI detectors are replaced by germanium detectors, which greatly improves performance, thanks to the high resolution of the detector. The main limitation of these systems lies in the fact that the detectors must be cooled with liquid nitrogen, which significantly complicates the overall structure, as well as maintenance (periodic refilling of the refrigerant must be provided, for example on a weekly basis) or by electrical cooling. , which requires always guaranteed power supply. The initial and operating costs are therefore remarkably high.
Una quarta classe di sistemi attua un metodo di rivelazione in linea, con rivelatori in anticoincidenza. Si tratta di sistemi innovativi, progettati per ottimizzare la rivelazione di emettitori "β+" sfruttando la specificità dell'annichilazione. Il condotto ove passa il flusso di aria da monitorare viene misurato con quattro rivelatori plastici, disposti a quadrato ed accoppiati due a due con opportuni circuiti di coincidenza, in modo da contare solo eventi simultanei che avvengono a 180°. I sistemi così concepiti sono caratterizzati da alta efficienza (conseguibile grazie all’impiego dei rivelatori plastici) e da un rumore di fondo molto basso (dovuto a coincidenze casuali), e non richiedono schermature di piombo. Peraltro, questi sistemi, oltre ad essere estremamente costosi, non rivelano γ emettitori, e per misure della durata di 10 minuti non raggiungono le sensibilità richieste. A fourth class of systems implements an on-line detection method, with anti-incidence detectors. These are innovative systems, designed to optimize the detection of "β +" emitters by exploiting the specificity of annihilation. The duct where the air flow to be monitored passes is measured with four plastic detectors, arranged in a square and coupled two by two with appropriate coincidence circuits, so as to count only simultaneous events occurring at 180 °. The systems thus conceived are characterized by high efficiency (achievable thanks to the use of plastic detectors) and by a very low background noise (due to random coincidences), and do not require lead shielding. Moreover, these systems, besides being extremely expensive, do not detect γ emitters, and for measurements lasting 10 minutes they do not reach the required sensitivities.
Riassumendo, mentre per il rilevamento e monitoraggio di radioattività in sistemi di ventilazione di impianti radiogeni soggetti al rilascio di una licenza di esercizio da parte delle autorità competenti esistono sul mercato sistemi con prestazioni adeguate, non sono invece disponibili sistemi in grado di garantire le sensibilità di rivelazione di β e γ emettitori richieste dalle autorità nel caso di impianti non soggetti al rilascio di licenza d’esercizio. In summary, while systems with adequate performance exist on the market for the detection and monitoring of radioactivity in ventilation systems of radiogenic plants subject to the issue of an operating license by the competent authorities, systems capable of guaranteeing the sensitivity of detection of β and γ emitters required by the authorities in the case of plants not subject to the issue of an operating license.
Vi è pertanto l’esigenza di poter disporre di un sistema di rilevamento e monitoraggio di isotopi radioattivi gassosi, quali ad esempio β e γ emettitori, di elevata sensibilità, che consenta di soddisfare le normative con particolare riferimento al rilevamento ed al monitoraggio di radioattività in sistemi di ventilazione di impianti radiogeni non soggetti al rilascio di licenza d’esercizio da parte delle autorità competenti. There is therefore the need to have a system for the detection and monitoring of gaseous radioactive isotopes, such as β and γ emitters, of high sensitivity, which allows to meet the regulations with particular reference to the detection and monitoring of radioactivity in ventilation systems for radiogenic plants not subject to the issue of an operating license by the competent authorities.
La Richiedente ha osservato che una metodologia che può costituire un buon punto di partenza per il conseguimento di una migliorata sensibilità è quella basata sul metodo spettrometrico con l’impiego di rivelatori NaI. Questa tecnica consente infatti di selezionare la regione di maggior interesse (“Region Of Interest” o “ROI”), o una combinazione di due o più ROI, e di conservare nel tempo i rapporti delle misure effettuate, oltre al fatto che il costo dei rivelatori NaI è più contenuto rispetto ad altri tipi di rivelatori. The Applicant noted that a methodology that can constitute a good starting point for achieving improved sensitivity is that based on the spectrometric method with the use of NaI detectors. This technique makes it possible to select the region of greatest interest ("Region Of Interest" or "ROI"), or a combination of two or more ROIs, and to keep the reports of the measurements carried out over time, in addition to the fact that the cost of NaI detectors is more contained than other types of detectors.
La Richiedente ha osservato che un possibile approccio al problema dell’aumento delle prestazioni di un sistema di rivelazione e monitoraggio, particolarmente del tipo a rivelatore NaI, consiste nell’aumentare la durata temporale della singola misura, oltre il limite di 10 minuti normalmente adottato. Peraltro, la Richiedente ha osservato che i tempi di misura non possono essere significativamente aumentati oltre tale limite, in vista delle vite medie relativamente brevi degli isotopi la cui concentrazione deve essere rilevata e monitorata, ed in ogni caso il conseguente guadagno in termini di prestazioni non sarebbe comunque elevato, poiché la sensibilità varia con la radice quadrata del tempo. The Applicant noted that a possible approach to the problem of increasing the performance of a detection and monitoring system, particularly of the NaI detector type, consists in increasing the time duration of the single measurement, beyond the limit of 10 minutes normally adopted. Moreover, the Applicant observed that the measurement times cannot be significantly increased beyond this limit, in view of the relatively short average lives of the isotopes whose concentration must be detected and monitored, and in any case the consequent gain in terms of performance is not it would still be high, since the sensitivity varies with the square root of time.
La Richiedente ha anche osservato che un altro possibile approccio al problema dell’aumento delle prestazioni di un sistema di rivelazione e monitoraggio in sistemi a rivelatore NaI consiste nell’aumentare la massa del campione di fluido (aria) esposto al rivelatore, aumentando il volume della camera d misura oltre il volume di 3 lt comunemente adottato. Peraltro, la Richiedente ha notato che in tal modo non si ottengono risultati apprezzabili in termini di miglioramento delle prestazioni. The Applicant has also observed that another possible approach to the problem of increasing the performance of a detection and monitoring system in NaI detector systems consists in increasing the mass of the sample of fluid (air) exposed to the detector, increasing the volume of the chamber d measures more than the commonly adopted volume of 3 liters. Moreover, the Applicant has noted that in this way no appreciable results are obtained in terms of performance improvement.
La Richiedente ha trovato che una soluzione al problema dell’incremento della sensibilità consiste nell’aumentare la massa del campione di fluido (aria) esposto al rivelatore aumentando la pressione del flusso d’aria campionata, ovverosia introdotta nella camera di misura, a parità (o sostanziale parità) di volume di quest’ultima. In altre parole, il campione di fluido da esporre al rivelatore, anziché essere introdotto nella camera di misura sostanzialmente a pressione atmosferica, o comunque alla pressione che si ha nel sistema di ventilazione, viene introdotto nella camera di misura ad una pressione maggiore. Si riesce così ad aumentare la massa di fluido sottoposta a misura, evitando gli effetti negativi connessi con l’aumento di volume della camera di misura. The Applicant has found that a solution to the problem of increasing the sensitivity consists in increasing the mass of the sample of fluid (air) exposed to the detector by increasing the pressure of the sampled air flow, i.e. introduced into the measuring chamber, with the same ( or substantial parity) of the latter's volume. In other words, the fluid sample to be exposed to the detector, instead of being introduced into the measurement chamber substantially at atmospheric pressure, or in any case at the pressure that occurs in the ventilation system, is introduced into the measurement chamber at a higher pressure. It is thus possible to increase the mass of fluid subjected to measurement, avoiding the negative effects associated with the increase in volume of the measurement chamber.
La Richiedente ha osservato che grazie a questo accorgimento, la sensibilità della misura risulta migliorata, sostanzialmente in proporzione alla quantità in peso del campione di fluido presente nella camera, e dunque proporzionalmente alla pressione del fluido stesso. The Applicant has observed that thanks to this expedient, the sensitivity of the measurement is improved, substantially in proportion to the quantity by weight of the fluid sample present in the chamber, and therefore in proportion to the pressure of the fluid itself.
Secondo un aspetto della presente invenzione, è fornito un sistema di rivelazione e monitoraggio di radioattività causata da radionuclidi allo stato aeriforme contenuti in un flusso di fluido, comprendente: According to an aspect of the present invention, a system for detecting and monitoring radioactivity caused by radionuclides in the gaseous state contained in a fluid stream is provided, comprising:
- una camera di misura comprendente mezzi rilevatori sensibili alle radiazioni emesse dai radionuclidi; e - a measuring chamber comprising detector means sensitive to the radiations emitted by the radionuclides; And
- mezzi di adduzione per prelevare da detto flusso di fluido una portata di fluido da sottoporre a misura, e ad alimentarla alla camera di misura, - adduction means for taking a flow rate of fluid to be subjected to measurement from said fluid flow, and feeding it to the measuring chamber,
caratterizzato dal fatto che characterized by the fact that
detti mezzi di adduzione sono atti ad elevare la pressione della portata di fluido da sottoporre a misura rispetto ad una pressione iniziale della portata di fluido prelevata, e ad alimentare la portata di fluido a pressione elevata alla camera di misura. said adduction means are adapted to raise the pressure of the flow rate of fluid to be subjected to measurement with respect to an initial pressure of the flow rate of drawn fluid, and to feed the flow rate of fluid at high pressure to the measurement chamber.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione, è fornito un metodo di rilevamento e monitoraggio di radioattività causata da radionuclidi allo stato aeriforme contenuti in un flusso di fluido, comprendente le fasi di: According to another aspect of the present invention, a method for detecting and monitoring radioactivity caused by radionuclides in the gaseous state contained in a fluid stream is provided, comprising the steps of:
- prelevare da detto flusso di fluido una portata di fluido da sottoporre a misura, ed addurla ad una camera di misura di radiazioni, e - taking from said fluid flow a flow rate of fluid to be subjected to measurement, and feeding it to a radiation measurement chamber, and
- misurare le radiazioni emesse dai radionuclidi contenuti nella portata di fluido addotta alla camera di misura, - measure the radiations emitted by the radionuclides contained in the flow of fluid supplied to the measuring chamber,
caratterizzato dal fatto che characterized by the fact that
detta fase di addurre comprende l’elevare la pressione della portata di fluido da sottoporre a misura rispetto ad una pressione iniziale della portata di fluido prelevato, ed alimentare la portata di fluido a pressione elevata alla camera di misura. said adducting step comprises raising the pressure of the flow rate of fluid to be subjected to measurement with respect to an initial pressure of the flow rate of the drawn fluid, and feeding the flow rate of fluid at high pressure to the measurement chamber.
Questi ed altri caratteristiche e vantaggi della presente invenzione saranno resi evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, fornita a puro titolo di esempio non limitativo e mostrata nel disegno annesso, nel quale è rappresentato uno schema di un sistema di rivelazione e monitoraggio di radioattività secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. These and other characteristics and advantages of the present invention will be made evident by the following detailed description of a practical embodiment thereof, provided purely by way of non-limiting example and shown in the attached drawing, in which a diagram of a detection and detection system is represented. radioactivity monitoring according to an embodiment of the present invention.
Con riferimento ai disegni, in Figura 1 è mostrato uno schema di un sistema di rivelazione e monitoraggio di radioattività secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Il sistema, indicato nel complesso con 100, è associabile ad un sistema di ventilazione di un impianto radiogeno, quale ad esempio un impianto installato in un laboratorio di medicina nucleare, o in un laboratorio di radiodiagnostica e/o di radioterapia, o in un laboratorio di un centro di ricerca o di un impianto industriale, o in una struttura utilizzante acceleratori di particelle, per controllare l’eventuale rilascio di radioattività in atmosfera causato da nuclidi sotto forma di isotopi gassosi che non vengono trattenuti dai filtri del sistema di ventilazione. With reference to the drawings, Figure 1 shows a diagram of a radioactivity detection and monitoring system according to an embodiment of the present invention. The system, indicated as a whole with 100, can be associated with a ventilation system of an X-ray plant, such as for example a plant installed in a nuclear medicine laboratory, or in a radiodiagnostic and / or radiotherapy laboratory, or in a laboratory of a research center or an industrial plant, or in a structure using particle accelerators, to control the possible release of radioactivity into the atmosphere caused by nuclides in the form of gaseous isotopes that are not retained by the filters of the ventilation system.
Il sistema comprende un condotto d’aspirazione 103, in collegamento di fluido con una condotta di ventilazione 105 del sistema di ventilazione, nella quale fluisce un flusso d’aria 107 di cui deve essere rilevato e monitorato il contenuto di isotopi radioattivi gassosi. Preferibilmente, il condotto di aspirazione 103 è situato lungo il sistema di ventilazione a valle di filtri 109 del sistema di ventilazione medesimo, ed ancor più preferibilmente in prossimità di un camino di scarico 111 del sistema di ventilazione attraverso il quale l’aria di ventilazione viene rilasciata all’ambiente esterno, tipicamente in atmosfera. Il condotto di aspirazione 103 ha la funzione di prelevare, dal flusso di aria 107 che fluisce nella condotta di ventilazione 105, una portata di aria da sottoporre a rivelazione e monitoraggio; poiché l’aria prelevata è già stata sottoposta a filtraggio da parte dei filtri 109, e dovendo controllare la presenza di isotopi radioattivi gassosi, non occorrono particolari accorgimenti per il prelevamento della portata d’aria da sottoporre a misura (quali ad esempio accorgimenti per garantire condizioni di isocinecità del flusso d’aria prelevato), essendo comunque preferibile che il prelievo avvenga in corrispondenza della zona centrale della condotta 105, evitando lo strato limite del flusso in corrispondenza della parete della condotta 105 stessa. The system includes an intake duct 103, in fluid connection with a ventilation duct 105 of the ventilation system, in which an air flow 107 flows, the content of gaseous radioactive isotopes must be detected and monitored. Preferably, the intake duct 103 is located along the ventilation system downstream of the filters 109 of the ventilation system itself, and even more preferably in the vicinity of an exhaust chimney 111 of the ventilation system through which the ventilation air is released to the external environment, typically in the atmosphere. The suction duct 103 has the function of withdrawing, from the air flow 107 which flows in the ventilation duct 105, a flow rate of air to be subjected to detection and monitoring; since the air withdrawn has already been subjected to filtering by the filters 109, and having to check the presence of gaseous radioactive isotopes, no particular precautions are required for sampling the air flow to be subjected to measurement (such as, for example, measures to ensure conditions of isokinecity of the withdrawn air flow), it being in any case preferable that the withdrawal takes place in correspondence with the central area of the duct 105, avoiding the boundary layer of the flow at the wall of the duct 105 itself.
Lungo il condotto di aspirazione 103 è preferibilmente previsto un filtro 113, per ulteriormente filtrare i campioni di aria prelevati, ed evitare la presenza in essi di eventuali aerosol. Il filtro 113, ove previsto, è preferibilmente dimensionato per avere una portata molto maggiore della portata di aria in transito lungo il condotto di aspirazione 103, al fine di minimizzare le perdite di carico ed assicurare un periodo di funzionamento senza interventi (pulizia, sostituzione della cartuccia filtrante) molto elevato (ad esempio almeno un anno). Il filtro 113 può essere di un qualunque tipo comunemente impiegato in sistemi di monitoraggio della radioattività in flussi di aria, e può ad esempio essere dimensionato per una portata di 24 m3/ora (circa sette volte la portata d’esercizio del condotto di aspirazione 103) ed un potere filtrante di 4 µ. A filter 113 is preferably provided along the suction duct 103, to further filter the air samples taken, and avoid the presence in them of any aerosols. The filter 113, where provided, is preferably sized to have a much greater flow rate than the flow rate of air in transit along the suction duct 103, in order to minimize pressure drops and ensure a period of operation without interventions (cleaning, replacement of the filter cartridge) very high (for example at least one year). The filter 113 can be of any type commonly used in radioactivity monitoring systems in air flows, and can for example be sized for a flow rate of 24 m3 / hour (approximately seven times the operating flow rate of the suction duct 103 ) and a filtering power of 4 µ.
Al termine del condotto di aspirazione 103, a valle del filtro 113 (ove previsto), è inserito un compressore 115a, avente la funzione di elevare la pressione del flusso d’aria prelevato dalla conduttura 105 rispetto alla pressione del flusso d’aria 107 nel sistema di ventilazione (pressione Pin), portando la pressione al valore desiderato (pressione Pm); ad esempio, nel caso il flusso d’aria 107 nel sistema di ventilazione sia sostanzialmente a pressione atmosferica, il compressore 115a è ad esempio in grado di elevare la pressione del flusso d’aria prelevato sino ad un valore compreso fra 0,3 e 0,4 MPa (ovverosia 3-4 bar); il valore di pressione del flusso d‘aria successivamente alla compressione è preferibilmente variabile su impostazione di un operatore. At the end of the suction duct 103, downstream of the filter 113 (where provided), a compressor 115a is inserted, having the function of raising the pressure of the air flow taken from the duct 105 with respect to the pressure of the air flow 107 in the ventilation system (Pin pressure), bringing the pressure to the desired value (pressure Pm); for example, if the air flow 107 in the ventilation system is substantially at atmospheric pressure, the compressor 115a is for example capable of raising the pressure of the air flow taken up to a value between 0.3 and 0 , 4 MPa (i.e. 3-4 bar); the pressure value of the air flow after compression is preferably variable on the setting of an operator.
Il compressore 115a deve preferibilmente assicurare l’assenza di contaminazione dell’aria prelevata, per tracce d’olio, detriti provenienti dal meccanismo e/o dalle tenute, una elevata affidabilità su periodi prolungati d’esercizio continuo (preferibilmente almeno un anno di funzionamento continuo senza interventi di manutenzione), la costanza delle prestazioni nel periodo di tempo considerato, e la possibilità di funzionare a circuito chiuso, senza perdite all’atmosfera. Può ad esempio essere utilizzato un compressore di tipo “oil-less”, garantito per almeno 10.000 ore di funzionamento continuo. The compressor 115a must preferably ensure the absence of contamination of the air taken, due to traces of oil, debris coming from the mechanism and / or from the seals, a high reliability over prolonged periods of continuous operation (preferably at least one year of continuous operation without maintenance interventions), the constancy of performance in the period of time considered, and the possibility of operating in a closed circuit, without losses to the atmosphere. For example, an “oil-less” type compressor can be used, guaranteed for at least 10,000 hours of continuous operation.
Al compressore 115a è preferibilmente associata una ventola di raffreddamento 117a. A cooling fan 117a is preferably associated with the compressor 115a.
In una forma di realizzazione preferita, al fine di aumentare l’affidabilità del sistema, può essere previsto, in parallelo al compressore 115a (normalmente in esercizio), un secondo compressore 115b, normalmente mantenuto in “stand-by”, e che entra automaticamente in funzione nel caso in cui il compressore normalmente in esercizio 115a vada fuori servizio; anche al secondo compressore 115b è associata una rispettiva ventola di raffreddamento 117b. I due compressori 115a e 115b sono ad esempio alimentati mediante rispettivi condotti in diramazione dal condotto di aspirazione 103, la diramazione essendo preferibilmente a valle del filtro 113, ove previsto. In a preferred embodiment, in order to increase the reliability of the system, a second compressor 115b, normally kept in "stand-by", and which automatically enters in operation if the normally operating compressor 115a goes out of service; a respective cooling fan 117b is also associated with the second compressor 115b. The two compressors 115a and 115b are for example fed through respective ducts branching off from the intake duct 103, the branch being preferably downstream of the filter 113, where provided.
Preferibilmente, all’ingresso del o dei compressori 115a, 115b è prevista una rispettiva valvola di intercettazione 119a, 119b, ad esempio una valvola manuale, per consentire, ove necessario (ad esempio, per effettuare interventi di manutenzione del sistema, ad esempio per la sostituzione del compressore) di isolare il compressore da sottoporre a manutenzione, senza dover interrompere il funzionamento del sistema. Preferably, at the inlet of the compressor or compressors 115a, 115b a respective shut-off valve 119a, 119b is provided, for example a manual valve, to allow, where necessary (for example, to carry out maintenance interventions on the system, for example for the compressor replacement) to isolate the compressor to be serviced, without having to interrupt the operation of the system.
In uscita dal compressore in funzionamento (115a o 115b), un condotto 121 convoglia la portata di aria prelevata ad un’unità refrigerante 123, ad esempio uno scambiatore aria-aria atto a raffreddare la portata di aria compressa, riportandola praticamente alla temperatura ambiente. Il flusso d’aria prelevato infatti, a seguito del processo di compressione operato dal compressore 115a o 115b, si riscalda sensibilmente, raggiungendo valori di temperatura relativamente elevati (ad esempio, circa 80°C) che, oltre a diminuirne la densità, e quindi la massa d’aria che verrebbe monitorata, potrebbero risultare anche incompatibili con le condizioni operative del sensore di radioattività e della relativa elettronica direttamente montata su di esso. At the outlet of the compressor in operation (115a or 115b), a duct 121 conveys the flow of air drawn to a refrigeration unit 123, for example an air-to-air exchanger designed to cool the flow of compressed air, practically bringing it back to room temperature. The air flow drawn in fact, following the compression process operated by the compressor 115a or 115b, heats up significantly, reaching relatively high temperature values (for example, about 80 ° C) which, in addition to decreasing its density, and therefore the mass of air that would be monitored, could also be incompatible with the operating conditions of the radioactivity sensor and the related electronics directly mounted on it.
Preferibilmente, a valle dell’unità refrigerante 123 è prevista un’unità filtrante/separatrice di condensa 125, che consente di evitare che nella camera di misura (descritta in seguito) si verifichino eventuali depositi d’umidità. Preferably, downstream of the refrigerating unit 123 there is a filtering / condensate separator unit 125, which allows to prevent any moisture deposits from occurring in the measurement chamber (described below).
In uscita dall’unità filtrante/separatrice di condensa 125, la portata di aria da monitorare perviene ad una camera di misura 127, nella quale è inserito un sensore di radioattività 129, ad esempio un sensore NaI, oppure un sensore al germanio iperpuro (HPGe), o un sensore LaBr, o altri tipi di sensori idonei allo scopo. Preferibilmente, la camera di misura 127 è una camera a geometria “Marinelli” (dal nome del suo ideatore); trattasi di una classica geometria che consente l’inserimento del sensore 129 in condizioni ottimali per l’efficienza di misura, in particolare il sensore 129 è posizionato in una porzione tubolare centrale della camera di misura 127, in modo che sostanzialmente l’intero volume interno della camera di misura sia esposto al sensore stesso. Ad esempio, la camera di misura 127 può avere volume interno di circa 3 litri, ed è preferibilmente realizzato in lega d’Alluminio (Anticorodal), esecuzione saldata, essendo progettato per sostenere una pressione massima sufficientemente elevata, ad esempio pari a circa 7 bar. At the outlet from the filtering / condensate separator unit 125, the air flow to be monitored reaches a measurement chamber 127, in which a radioactivity sensor 129 is inserted, for example a NaI sensor, or a hyperpure germanium sensor (HPGe ), or a LaBr sensor, or other types of sensors suitable for the purpose. Preferably, the measuring chamber 127 is a “Marinelli” geometry chamber (from the name of its creator); this is a classic geometry that allows the insertion of the sensor 129 in optimal conditions for the measurement efficiency, in particular the sensor 129 is positioned in a central tubular portion of the measurement chamber 127, so that substantially the entire internal volume of the measuring chamber is exposed to the sensor itself. For example, the measuring chamber 127 can have an internal volume of about 3 liters, and is preferably made of Aluminum alloy (Anticorodal), welded execution, being designed to withstand a sufficiently high maximum pressure, for example equal to about 7 bar .
In corrispondenza della camera di misura 127 è installato un trasduttore di pressione 131 e, preferibilmente, anche un trasduttore di temperatura 133. A pressure transducer 131 and, preferably, also a temperature transducer 133 is installed in correspondence with the measuring chamber 127.
I dati di misura generati dal sensore 129 (e dalla relativa elettronica di pretrattamento dei segnali) ed i segnali generati dai trasduttori di pressione 131 e di temperatura 133 sono inviati ad un elaboratore di dati 135, ad esempio un Personal Computer (PC) che controlla il sistema e che è programmato per eseguire l’elaborazione dei dati di misura. La conoscenza delle condizioni di pressione e di temperatura del campione dinamico di aria sottoposto a misura consente di valutare con grande accuratezza l’effettiva massa del campione di aria sottoposto a misura, migliorando le prestazioni del sistema e rendendo meno critica la costanza del valore di pressione dell’aria entro la camera di misura 127. The measurement data generated by the sensor 129 (and by the relative electronics for pre-treatment of the signals) and the signals generated by the pressure transducers 131 and temperature 133 are sent to a data processor 135, for example a Personal Computer (PC) which controls the system and which is programmed to perform measurement data processing. The knowledge of the pressure and temperature conditions of the dynamic sample of air being measured allows to evaluate with great accuracy the actual mass of the air sample being measured, improving the performance of the system and making the constancy of the pressure value less critical. of the air inside the measuring chamber 127.
La camera di misura 127 ed il sensore 129 sono alloggiati all’interno di un schermo in piombo che ha lo scopo di minimizzare la radiazione naturale sempre presente nell’ambiente, la quale, in caso contrario, produrrebbe un segnale di fondo che potrebbe risultare incompatibile con il conseguimento della sensibilità e della precisione richiesti. La geometria dello schermo è tale da contenere al suo interno sia la camera di misura 127 che il sensore 129 e la relativa elettronica; ad esempio, lo schermo in piombo può avere uno spessore di circa 10 cm intorno alla camera di misura 127, e di circa 5 cm nella sua sezione inferiore che scherma l’elettronica del sensore 129. The measurement chamber 127 and the sensor 129 are housed inside a lead screen which has the purpose of minimizing the natural radiation always present in the environment, which, otherwise, would produce a background signal that could be incompatible. with the achievement of the required sensitivity and accuracy. The geometry of the screen is such as to contain inside it both the measurement chamber 127 and the sensor 129 and the relative electronics; for example, the lead screen can have a thickness of about 10 cm around the measuring chamber 127, and about 5 cm in its lower section that shields the electronics of the sensor 129.
In uscita dalla camera di misura 127, un condotto 137 convoglia la portata d’aria monitorata ad un’unità di regolazione di pressione 139. La regolazione della pressione può essere realizzata sia con sistemi di regolazione controreazionati (comandati cioè da un trasduttore di pressione che agisce – tramite un regolatore “Proporzionale-Integrale-Derivativo” o “PID” - su una valvola di regolazione), sia con un sistema manuale non controreazionato, in cui una valvola di regolazione agisce in modo da introdurre una perdita di carico fissa (preferibilmente regolabile dall’operatore). L’unità di regolazione di pressione 139 consente di mantenere, entro la camera di misura 127, il desiderato valore di pressione del campione dinamico di aria che viene sottoposto a misura; nella camera di misura si ha un flusso continuo di aria, con tempo di permanenza dell’aria nella camera di misura che risulta rascurabile rispetto al tempo di decadimento degli isotopi radioattivi da monitorare. La presenza dell’unità filtrante/separatrice di condensa 125 fornisce una ulteriore protezione contro eventuali micro-occlusioni della valvola dell’unità di regolazione di pressione 139, che potrebbero inficiarne il corretto funzionamento. At the outlet from the measuring chamber 127, a duct 137 conveys the monitored air flow to a pressure regulation unit 139. acts - through a "Proportional-Integral-Derivative" or "PID" regulator - on a regulation valve), and with a non-counter-reacted manual system, in which a regulation valve acts in such a way as to introduce a fixed pressure drop (preferably adjustable by the operator). The pressure regulation unit 139 allows to maintain, within the measurement chamber 127, the desired pressure value of the dynamic sample of air that is subjected to measurement; in the measurement chamber there is a continuous flow of air, with the residence time of the air in the measurement chamber which is negligible with respect to the decay time of the radioactive isotopes to be monitored. The presence of the filtering / condensate separator unit 125 provides further protection against any micro-occlusions of the valve of the pressure control unit 139, which could affect its correct operation.
A valle dell’unità di regolazione di pressione 139, il flusso d’aria ritorna alla pressione iniziale (ovverosia alla pressione presente nella condotta di ventilazione 105) e, preferibilmente dopo aver attraversato un misuratore di portata 141, ad esempio del tipo a rotametro, l’aria (riportata alla pressione iniziale Pout) viene quindi reimmessa, attraverso un condotto di scarico 143, nella condotta di ventilazione 105, preferibilmente in un punto sufficientemente a valle del punto di prelievo (condotto di aspirazione 103) per evitare eventuali ricircoli. L’aria viene quindi scaricata nell’ambiente esterno attraverso il camino 111. Downstream of the pressure regulating unit 139, the air flow returns to the initial pressure (i.e. the pressure present in the ventilation duct 105) and, preferably after passing through a flow meter 141, for example of the rotameter type, the air (brought back to the initial pressure Pout) is then reintroduced, through an exhaust duct 143, into the ventilation duct 105, preferably at a point sufficiently downstream from the sampling point (intake duct 103) to avoid any recirculation. The air is then discharged into the external environment through chimney 111.
Preferibilmente, è previsto un sistema di sicurezza, comprendente ad esempio: - un pressostato 145 atto ad azionare un’elettrovalvola di scarico 147 posta ungo un condotto 149 in diramazione al condotto 121 e terminante nel condotto di carico 143; Preferably, a safety system is provided, comprising for example: - a pressure switch 145 adapted to actuate a drain solenoid valve 147 placed next to a duct 149 branching off the duct 121 and ending in the loading duct 143;
- una valvola di sicurezza 151, posta in uscita al o ai compressori 115a e 115b ed attivabile per scaricare nel condotto di scarico 143; - a safety valve 151, located at the outlet of the compressor or compressors 115a and 115b and which can be activated to discharge into the discharge duct 143;
- un misuratore di pressione (manometro) 153, posto all’uscita della camera di misura 127, per consentire il controllo visivo della pressione nella camera; - a pressure gauge (pressure gauge) 153, placed at the outlet of the measuring chamber 127, to allow visual control of the pressure in the chamber;
- un dispositivo di allarme di bassa portata 155, associato al misuratore di portata 141. - a low flow alarm device 155, associated with the flow meter 141.
Il pressostato 145, in combinazione con l’elettrovalvola 147, implementa un primo livello di sicurezza contro pressioni eccessivamente elevate; la valvola di sicurezza 151 implementa un secondo livello di sicurezza contro pressioni eccessivamente elevate; il manometro 153 consente un immediata verifica visiva delle condizioni di esercizio da parte di un operatore. The pressure switch 145, in combination with the solenoid valve 147, implements a first level of safety against excessively high pressures; the safety valve 151 implements a second level of safety against excessively high pressures; the pressure gauge 153 allows an immediate visual check of the operating conditions by an operator.
Ad esempio, in caso di malfunzionamento può essere previsto quanto segue: - in caso di alta pressione (evento possibile in caso di otturazione del circuito, cosa peraltro estremamente improbabile grazie agli accorgimenti precauzionali sotto il profilo del filtraggio): arresto del compressore 115a o 115b correntemente in esercizio e generazione di un allarme di fuori servizio; in caso di mancato intervento del pressostato 145 e dell’elettrovalvola 147, interviene comunque la valvola di sicurezza 151. Il malfunzionamento viene comunque segnalato anche dall’allarme di bassa portata generato dal dispositivo d’allarme 155; For example, in the event of a malfunction, the following may be envisaged: - in the event of high pressure (possible event in the event of circuit blockage, which is extremely unlikely thanks to the precautionary measures in terms of filtering): compressor 115a or 115b shutdown currently in operation and generation of an out of service alarm; in case of failure of the pressure switch 145 and the solenoid valve 147, the safety valve 151 intervenes anyway. The malfunction is however also signaled by the low flow alarm generated by the alarm device 155;
- in caso di arresto del compressore 115a in esercizio scatta l’allarme di minima portata che comanda in prima istanza l’avvio del compressore di soccorso 115b; se quest’ultimo si avvia correttamente, la pressione nel circuito si ristabilizza al valore prefissato, entro un tempo relativamente breve, ad esempio circa 40 secondi, e pertanto non si ha alcun disturbo apprezzabile, neppure se fosse in corso un ciclo di misura (che, avendo una durata di 10 minuti, ne risentirebbe per poco più del 7%); solamente se dopo un ritardo prefissato (ad esempio 1 minuto) le condizioni normali di funzionamento non risultano ripristinate (permanenza del segnale di bassa portata), scatta l’allarme di fuori servizio del sistema. - in the event of a shutdown of the compressor 115a in operation, the minimum flow alarm is triggered, which in the first instance commands the start-up of the emergency compressor 115b; if the latter starts correctly, the pressure in the circuit re-establishes itself to the predetermined value, within a relatively short time, for example about 40 seconds, and therefore there is no appreciable disturbance, even if a measurement cycle is in progress (which , having a duration of 10 minutes, it would be affected by just over 7%); only if after a predetermined delay (for example 1 minute) the normal operating conditions are not restored (persistence of the low flow signal), the system out of service alarm is triggered.
Idonee condizioni di funzionamento del sistema sono ad esempio le seguenti: - portata: circa 3,6 Nm3/ora (pari a circa 1 litro al secondo); questa portata comporta che la massa del campione d’aria sottoposto a misura venga totalmente ricambiata ogni 9 - 12 secondi (in funzione della pressione di funzionamento, che si assume a titolo di esempio possa essere regolata fra 3 e 4 bar); pertanto le misure, anche se di durata superiore ai canonici 10 minuti, forniscono risultati validi anche per isotopi con tempi di dimezzamento inferiori alla durata della singola misura stessa; Suitable operating conditions of the system are for example the following: - flow rate: approximately 3.6 Nm3 / hour (equal to approximately 1 liter per second); this flow rate means that the mass of the air sample subjected to measurement is totally exchanged every 9 - 12 seconds (depending on the operating pressure, which is assumed by way of example can be adjusted between 3 and 4 bar); therefore the measurements, even if lasting longer than the canonical 10 minutes, provide valid results also for isotopes with half-life less than the duration of the single measurement itself;
- pressione: come già accennato, il sistema può essere progettato per operare a valori di pressione compresi fra 3 e 4 bar, ma nulla impedisce di incrementare la pressione anche a valori superiori; peraltro alcune considerazioni consigliano di mantenersi in questo intervallo di valori, in quanto pressioni inferiori potrebbero ridurre fino a vanificare i vantaggi derivanti dall’operare la misura su una massa d’aria in pressione (la massa d’aria sottoposta a misura potrebbe ridursi eccessivamente, non garantendo più che la misura abbia la sensibilità richiesta), mentre incrementando la pressione oltre i valori suggeriti potrebbero non aversi sostanziali vantaggi, in quanto la maggior pressione richiederebbe di incrementare gli spessori della camera di misura, cosa che per contro aumenterebbe l’assorbimento delle radiazioni emesse dagli isotopi gassosi da parte delle pareti della camera di misura, e si avrebbe una maggior sollecitazione dei componenti (in particolare del compressore), a scapito dell’affidabilità complessiva del sistema. - pressure: as already mentioned, the system can be designed to operate at pressure values between 3 and 4 bar, but nothing prevents the pressure from increasing even to higher values; however, some considerations recommend keeping within this range of values, as lower pressures could reduce to nullify the advantages deriving from operating the measurement on a mass of air under pressure (the mass of air subjected to measurement could be excessively reduced, no longer guaranteeing that the measurement has the required sensitivity), while increasing the pressure beyond the suggested values may not have substantial advantages, as the greater pressure would require an increase in the thickness of the measurement chamber, which on the other hand would increase the absorption of the radiation emitted by the gaseous isotopes from the walls of the measurement chamber, and there would be a greater stress on the components (in particular the compressor), to the detriment of the overall reliability of the system.
Nel funzionamento, i dati di misura prodotti dal sensore 129, nonché i segnali dai trasduttori di pressione 131 e di temperatura 133 sono inviati al PC 135. Su quest’ultimo viene eseguito un programma (opportunamente pre-installato in precedenza) atto ad effettuare il calcolo della concentrazione, nel campione d’aria sottoposto a misura, di ciascun radionuclide d’interesse, a partire dai conteggi forniti dal rivelatore 129 (corretti per il valore d’efficienza del rivelatore), rapportati all’effettiva massa del campione d’aria sottoposto a misura. La precisione del valore di concentrazione calcolato dipende dalla corretta valutazione della massa del campione d’aria sottoposto a misura; l’accuratezza di questa valutazione è ottenibile fornendo come dati di ingresso al programma che viene eseguito dal PC 135, oltre al volume della camera di misura 127, anche i valori misurati di pressione e di temperatura del campione di aria sottoposto a misura, ottenuti attraverso i trasduttori 131 e 133. In operation, the measurement data produced by the sensor 129, as well as the signals from the pressure transducers 131 and the temperature 133 are sent to the PC 135. A program (suitably pre-installed previously) is run on the latter to carry out the calculation of the concentration, in the air sample subjected to measurement, of each radionuclide of interest, starting from the counts provided by the detector 129 (corrected for the detector efficiency value), related to the actual mass of the air sample subjected to measurement. The accuracy of the calculated concentration value depends on the correct evaluation of the mass of the air sample being measured; the accuracy of this evaluation can be obtained by providing as input data to the program that is executed by the PC 135, in addition to the volume of the measurement chamber 127, also the measured values of pressure and temperature of the sample of air being measured, obtained through transducers 131 and 133.
Il PC 135, opportunamente programmato, permette anche di supervisionare l’intero ciclo di misura, analisi, allarmi e trasferimento delle informazioni. Il programma prevede preferibilmente un'interfaccia utente semplificata, ad esempio di tipo grafico. Preferibilmente, localmente al PC 135 viene mantenuto un archivio degli spettri acquisiti e dei risultati delle misure, utilizzando ad esempio una applicazione di gestione di basi dati. Attraverso il programma che viene eseguito dal PC 135, l’operatore può preferibilmente configurare le ROI di interesse ed i relativi allarmi in caso di superamento di valori di radioattività prestabiliti. The PC 135, properly programmed, also allows you to supervise the entire cycle of measurement, analysis, alarms and information transfer. The program preferably provides a simplified user interface, for example of a graphic type. Preferably, an archive of the spectra acquired and the results of the measurements is kept locally at the PC 135, using for example a database management application. Through the program that is run from the PC 135, the operator can preferably configure the ROIs of interest and the related alarms in case of exceeding preset radioactivity values.
La presente invenzione fornisce un metodo ed un sistema in grado di effettuare un campionamento dinamico pressurizzato di un fluido da sottoporre a monitoraggio per rilevare la presenza e la concentrazione di isotopi radioattivi, utilizzando un flusso continuo di fluido in una camera di misura, con tempo di permanenza del fluido nella camera di misura stessa sufficientemente ridotto da risultare sostanzialmente trascurabile rispetto al tempo di decadimento degli isotopi da monitorare. The present invention provides a method and a system capable of carrying out a pressurized dynamic sampling of a fluid to be monitored to detect the presence and concentration of radioactive isotopes, using a continuous flow of fluid in a measuring chamber, with time of permanence of the fluid in the measuring chamber itself sufficiently reduced to be substantially negligible with respect to the decay time of the isotopes to be monitored.
L’invenzione è stata qui descritta facendo riferimento ad una sua possibile forma di realizzazione; peraltro, i tecnici del ramo, sulla scorta degli insegnamenti forniti nella presente descrizione, potranno apportare numerose varianti alla forma di realizzazione qui descritta, così come anche forme di realizzazione alternative, senza per questo riuscire dall’ambito di tutela definito nelle rivendicazioni che seguono. The invention has been described here with reference to a possible embodiment thereof; however, those skilled in the art, on the basis of the teachings provided in the present description, will be able to make numerous variations to the embodiment described here, as well as alternative embodiments, without thereby succeeding from the scope of protection defined in the following claims.
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Also Published As
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