Zpráva č. 31/2014. Systém pro hromadné měření radiojodu ve štítné žláze. (Prototyp) Autoři: Ing. Pavel Fojtík, Mgr. Vendula Pfeiferová

Transkript

1 Zpráva č. 31/2014 Systém pro hromadné měření radiojodu ve štítné žláze (Prototyp) Autoři: Ing. Pavel Fojtík, Mgr. Vendula Pfeiferová Praha, Výtisk č. 1

2 Státní ústav radiační ochrany veřejná výzkumná instituce Systém pro měření radiojodu ve štítné žláze (Prototyp) SÚRO zpráva Strana: / počet stran: 1/12 Autor: Odbor: Oddělení: Název : Ing. Pavel Fojtík, Mgr. Vendula Pfeiferová Monitorování Vnitřní kontaminace Systém pro měření radiojodu ve štítné žláze (Prototyp) Abstrakt: V rámci projektu výzkumu, vývoje a inovací VG uzavřeného mezi Ministerstvem vnitra ČR a příjemci SÚRO, v.v.i., a společností Envinet, a.s. (nyní Envinet NUVIA Group) byl navržen systém pro hromadné měření radiojodu ve štítné žláze. Prototyp systému byl vyroben a testován v SÚRO, v.v.i. a bude součástí měřicí výbavy Centrální laboratoře RMS. Zpráva slouží k dokumentaci prototypu. Výrobní dokumentace je archivována ve společnosti Envinet NUVIA Group. Klíčová slova: I-131, radiojod, štítná žláza, monitorování, vnitřní kontaminace tel: fax: suro@suro.cz,

3 Strana: / počet stran: 2/12 Obsah: I. Úvod... 3 II. Vývoj, návrh a konstrukce prototypu... 3 III. Popis prototypu... 3 III.1. Popis koncepce... 3 III.2. Popis provedení... 4 IV. Software... 7 V. Obrazová příloha... 8

4 Strana: / počet stran: 3/12 I. Úvod Motivací vývoje prototypu systému pro hromadné měření radiojodu ve štítné žláze je skutečnost, že takové zařízení chybí složkám radiační ochrany, přičemž znalost dávky na štítnou žlázu má zejména u dětí zásadní význam pro posouzení zdravotních důsledků ozáření obyvatelstva po úniku radiojodu při havárii JEZ. Pouze velký počet měření jednotlivců může vést k spolehlivému odhadu dávky od radiojodu. Vývoj, návrh a konstrukci prototypu umožnila finanční podpora obdržená v rámci projektu výzkumu, vývoje a inovací VG uzavřeného mezi Ministerstvem vnitra ČR a příjemci SÚRO, v.v.i., a společností Envinet, a.s. (nyní Envinet NUVIA Group). II. Vývoj, návrh a konstrukce prototypu Vývoj byl zahájen v roce 2012 a byl rozdělen do fází vývoje optimalizovaného tvaru scintilačního krystalu, jeho výroby, testování, přípravy prototypu scintilační sondy, osazení komerční elektronikou, která nebyla předmětem vývoje, a vývoje elektroniky speciálně určené pro dosažení záměru. Prototyp byl dokončen v roce 2014 a je umístěn na pracovišti odboru monitorování SÚRO, v.v.i. v Praze. Hlavní částí systému je měřicí jednotka na bázi scintilačního detektoru fotonového záření. Systém obsahuje šest takových jednotek. Jsou vybaveny čtečkami čárových kódů nebo čipů pro radiofrekvenční identifikaci. Tato technologie usnadňuje přiřazování měření zaregistrovaným osobám a kontrolu logistiky měření. K ovládání měření, registraci a ukládání výsledků měření slouží software vyvinutý v rámci projektu [***Příručky k SW HW]. V roce 2014 byl konečný prototyp doveden do stavu hotového výrobku. Výrobek prošel interními testy funkčnosti a je zařazen do výbavy Centrální laboratoře Radiační monitorovací sítě. Je umístěn v laboratoři celotělového počítače SÚRO, v.v.i. v Praze. III. Popis prototypu III.1. Popis koncepce Měřicí jednotka obsahuje detekční sondu se scintilačním krystalem a fotonásobičem a analyzátor, který rovněž obsahuje napájecí modul, napěťový dělič a spektrometrický zesilovač. Scintilační krystal je překryt wolframovým kolimátorem předsazeným před čelo detekční sondy. Detekční sonda je umístěna v magneticky stíněném a uzemněném pouzdře z hliníkové slitiny. Prostor mezi tímto pouzdrem a scintilačním krystalem je vysypán hutněným MgO. Podstatou nového řešení je, že scintilační krystal detekční sondy je válcového tvaru, jehož čelo přechází v komolý kužel zúžený do průměru pro těsné světlovodivé dosednutí na fotokatodu fotonásobiče, který je vsazen do patice mnohokanálového analyzátoru.

5 Strana: / počet stran: 4/12 Mnohokanálový analyzátor je uložen ve společném kompaktním pouzdře s detekční sondou. Na kompaktní pouzdro je vyvedeno od mnohokanálového analyzátoru tlačítko pro ruční spouštění měření. Do zakrytovaného prostoru je v blízkosti mnohokanálového analyzátoru umístěna čtečka pro snímání čárového kódu s možností omezení jen na určitý typ kódu (dále jen čtečka EAN) a čtečka pro čtení kódu čipu pro radiofrekvenční identifikaci (dále jen čtečka RFI). Anténa čtečky RFI je zakryta plastovou krytkou, která je umístěna v plášti kompaktního pouzdra a je opatřena světlovody vedoucími od diod pro signalizaci stavu připravenosti měřicí jednotky k měření, které jsou ovládány mnohokanálovým analyzátorem a jsou s ním propojeny vodiči. Mnohokanálový analyzátor je opatřen konektorem vyvedeným přes rozhraní LAN na povrch kompaktního pouzdra do společného panelu, opatřeného dále konektorem pro připojení síťového kabelu čtečky EAN a/nebo čtečky RFI. Mnohokanálový analyzátor je přes společné rozhraní LAN propojen s napájecími obvody a s počítačem. Kompaktní pouzdro měřicí jednotky sestává ze tří dílů, a to z vrchního dílu opatřeného madlem a závěsy pro upevnění a aretaci ve stojanu, z prvního spodního dílu a na něj navazujícího druhého spodního dílu. Výhodou uvedeného řešení zejména je, že v jedné kompaktní měřicí jednotce sdružuje detekční zařízení s optimalizovanými parametry z hlediska nároků na objem scintilačního krystalu, analyzátor spektrometrického signálu a zařízení pro samoobslužnou identifikaci měřených osob kartou s čipem nebo čárovým kódem pro bezobslužné spouštění měření osob po jejich přihlášení. Měřicí jednotka může pracovat v poloze na podstavci, po odejmutí z podstavce je možno s ní manipulovat a měřit například u osoby na lůžku. Více kompaktních jednotek lze síťovým připojením navázat na centrální odbavovací a vyhodnocovací databázový SW. Celý systém je autonomní a není vázán na elektrickou síť. Měřicí jednotku lze podle potřeb převážet na určená měřící pracoviště, jako jsou školy, úřady, a podobně. Optimalizace konstrukce a vlastností jednotlivých prvků zařízení z hlediska jejich účelu a nároků na objem a hmotnost materiálu a jejich následná integrace do jedné kompaktní detekční jednotky obsahující také čtečku EAN nebo čtečku RFI umožňuje jedné osobě obsluhy provozovat více přenosných zařízení najednou, a to při krátkém měřicím čase a jednoznačném automatickém provázání naměřených hodnot s osobou, která se k měření identifikovala některou z identifikačních technologií zabezpečených čtečkami. III.2. Popis provedení Čísla uvedená v popisu provedení odkazují na díly měřicí jednotky na obrázku 2. Měřicí jednotka obsahuje detekční sondu 1 osazenou scintilačním krystalem SK, který je z NaI(Tl), a fotonásobičem v magneticky stíněném pouzdře, přičemž prostor mezi krystalem a tímto pouzdrem je vyplněn hutněným MgO jako reflektorem scintilačních fotonů, a monohokanálový analyzátor 2 obsahující také napájecí modul, napěťový dělič a spektrometrický zesilovač. Detekční sonda 1 a mnohokanálový analyzátor 2 jsou umístěny v kompaktním pouzdře. Scintilační krystal SK je překryt wolframovým kolimátorem 13 předsazeným před čelo detekční sondy 1. Tloušťka a hloubka kolimátoru 13, a tedy objem a hmotnost, jsou optimalizovány vzhledem k očekávanému obsahu měřeného radionuklidu 131 I v jiných relevantních orgánech

6 Strana: / počet stran: 5/12 a tkáních než štítné žláze, zejména se jedná o slinnou žlázu a dýchací cesty. Hloubka kolimátorů u hotového výroku je od 23 do 28 mm, s výjimkou detekční jednotky interně označené č. 4, z důvodu obrobení kolimátoru. Scintilační krystal detekční sondy 1 je válcového tvaru a jeho čelo přechází v komolý kužel zúžený do průměru pro těsné světlovodivé dosednutí na fotokatodu fotonásobiče vsazeného do patice mnohokanálového analyzátoru 2. V uváděném příkladu byl použit komerční 2" fotonásobič ET Enterprise PMT 9266KB se 14 kolíky. Na povrch kompaktního pouzdra je vyvedeno od analyzátoru 2 tlačítko 5 pro ruční spouštění měření. Do zakrytovaného prostoru je v blízkosti mnohokanálového analyzátoru 2 umístěna jednak čtečka 6 EAN s možností omezení jen na určitý typ kódu a jednak čtečka 7 RFI. Anténa čtečky 7 RFI je zakryta plastovou krytkou 11 umístěnou v plášti kompaktního pouzdra, do které jsou vyvedeny vývody světlovodů vedoucích od diod pro signalizaci stavu připravenosti měřicí jednotky k měření. Diody jsou umístěny na společném panelu 4 a jsou vodiči propojeny s mnohokanálovým analyzátorem 2. Mnohokanálový analyzátor 2 je opatřen konektorem 3 vyvedeným přes rozhraní LAN na povrch kompaktního pouzdra do společného panelu 4. Na společném panelu 4 je umístěn také konektor pro připojení síťového kabelu čtečky 6 EAN a/nebo čtečky 7 RFI. Mnohokanálový analyzátor 2 je přes společné rozhraní LAN propojen s napájecími obvody a s počítačem. Nový tvar scintilačního krystalu SK poskytuje vyšší detekční účinnost pro energii záření gama 364 kev na jednotku objemu scintilačního krystalu než obvyklý tvar krystalů. Energie 364 kev je dominantní linie gama záření radionuklidu 131 I používaná k identifikaci 131 I a stanovení jeho aktivity. Zároveň tento nový tvar snižuje nejistotu stanovení aktivity 131 I ve štítné žláze v důsledku neznámé velikosti štítné žlázy a nedodržení jednotné polohy měřené štítné žlázy vůči detekční jednotce. V uvedeném příkladu je detekční sonda 1 osazena 2" fotonásobičem, k němuž je souose připojený mnohokanálový analyzátor 2. Mnohokanálový analyzátor 2 slouží pro napájení fotonásobiče, zpracování spektrometrického signálu ze scintilační detekční sondy 1 a pro obsluhu signalizace připravenosti k měření pomocí diodami a dále pro spouštění měření tlačítkem 5. Ovládání mnohokanálového analyzátoru 2 počítačem a jeho napájení jsou řešeny společným rozhraním LAN vyvedeným přes společný konektor 3. Spuštění měření je zabezpečeno buď samoobslužně měřenou osobou nebo operátorem, a to prosvětleným tlačítkem 5 vyvedeným na bok kompaktního pouzdra měřicí jednotky, nebo vzdáleně z ovládacího počítače přes rozhraní LAN. Jako čtečka 6 EAN byl použit snímač typu Datalogic Gryphon GFS s možností omezení na určitý typ kódu pro zamezení načtení neplatného kódu a čtečka 7 RFI typu Anet ASH-TERM-PCC-LBS. Použití více druhů čteček dává provozovateli zařízení možnost volit mezi identifikačními technologiemi. V případě závady čtečky 6 EAN nebo čtečky 7 RFI je možné přiřazovat měřené osobě číselný kód na danou měřicí jednotku přímo z řídicího PC. Signály ze čtečky 6 EAN a čtečky 7 RFI jsou sloučeny na do jednoho výstupu LAN na desku plošných spojů společného panelu 4. Na Obr. 2 je kompaktní pouzdro měřicí jednotky zhotoveno ze tří dílů z hliníkové slitiny (AlMg 3 ), a to z vrchního dílu 8, prvního spodního dílu 9 a druhého spodního dílu 10. Tvarování těchto dílů je funkcionální jak z hlediska obestavěnosti elektroniky a detektoru, tak z hlediska manipulovatelnosti s měřicí jednotkou, a rovněž z hlediska

7 Strana: / počet stran: 6/12 montáže, servisu, nastavování. Toto uspořádání dává možnost měřící jednotku snadno odaretováním vyjmout ze stojanu a použít ji bez stojanu, například pro měření člověka upoutaného na lůžku. Na povrch kompaktní pouzdra jsou vyvedeny konektory RJ45 pro sloučený signál čteček, ovládání a napájení mnohokanálového analyzátoru a dále plastová krytka 11 antény čtečky 7 RFI se světlovody vedoucími od diod pro signalizaci stavu připravenosti měřicí jednotky k měření umístěných na desce plošných spojů společného panelu 4, a tlačítko 5 pro ruční spuštění měření. Kompaktní pouzdro slouží také pro fixaci kolimátoru 13. Ve spodní části kompaktního pouzdra, pod kolimátorem 13, slouží k fixaci ocelové pero 14, které zapadne do drážky v kolimátoru. Kolimátor 13 je kromě pera 14 a drážky fixován proti posunu a otáčení pomocí plastové vložky 15 lepené na detekční sondě 1. Samozřejmě, že fixaci kolimátoru 13 lze zabezpečit i jinými způsoby. Vrchní díl 8 kompaktního pouzdra měřicí jednotky je s výhodou opatřen madlem 16 a závěsy pro upevnění a aretaci ve stojanu libovolné vhodné konstrukce. Měřicí jednotka pracuje následujícím způsobem. Fotony gama záření emitovaného radionuklidem 131 I ve štítné žláze jsou absorbovány ve scintilačním krystalu SK detekční sondy 1, v němž dochází mechanismem scintilace k emisi světelného záření. Fotony i za přispění reflektoru z MgO obklopujícího scintilační krystal SK dopadají na fotokatodu fotonásobiče, který je společně se scintilačním krystalem SK uzavřen ve světlotěsném, magneticky stíněném pouzdře detekční sondy 1, a uvolňují fotoelektrony, jejichž počet se násobí na dynodách fotonásobiče. Výstupní elektrický signál, úměrný energii absorbovaných fotonů záření gama, se zpracovává mnohokanálovým analyzátorem 2. Mnohokanálový analyzátor 2 kromě amplitudové analýzy elektrického signálu z fotonásobiče zabezpečuje napěťový potenciál na dynodách fotonásobiče a tvarování a zesílení elektrického signálu. K identifikaci radionuklidu 131 I a stanovení jeho aktivity se využívají zejména jím emitované fotony záření gama o energii 364 kev. Poměr počtu fotonů o této energii absorbovaných scintilačním krystalem SK a celkového počtu těchto fotonům emitovaným radionuklidem 131 I ve štítné žláze je navrženým tvarem scintilačního krystalu SK zvýšen ve srovnání s jinými tvary scintilačních krystalů o stejném objemu. Toto zvýšení umožňuje zkrátit měřicí čas při zachování stejné citlivosti detekce 131 I, jakou lze dosáhnout se scintilačními krystaly s větším objemem, a tedy i větší hmotností. Tvar je dále upraven tak, aby bylo možno použít tento scintilační krystal s nejběžnějším rozměrem fotonásobiče, tj. s 2" fotonásobičem. Dalším technickým opatřením vedoucím co nejrychlejšímu proměření velkého počtu osob je zajištění značné míry samoobslužnosti při identifikaci osoby k měření. Je toho dosaženo integrací čtečky 7 RFI respektive čtečky 6 EAN do společného kompaktního pouzdra měřicí jednotky a vyvedením čtecího rozhraní čtečky 6 EAN na kompaktní pouzdro měřicí jednotky a překrytím čtecího rozhraní čtečky 7 RFI plastovou krytkou 11 a provázáním údajů ze čteček s obsluhou mnohokanálového analyzátoru 2 prostřednictvím obslužného počítače, včetně světelné signalizace na výstupu 12 světlovodů. Funkční stavy světelné signalizace, řízené obslužným SW z PC, odpovídají stavu připravenosti měřicí jednotky k měření a průběhu měření.

8 Strana: / počet stran: 7/12 Čtečky jsou určeny pro čtení karet s čárovým kódem EAN nebo čipem RFI, které obdrží měřená osoba a kterými se identifikuje k měření. Komunikace počítače se čtečkami a mnohokanálovým analyzátorem 2 se děje prostřednictvím rozhraní pro síť LAN. Pokud dojde k poruše obou čtecích zařízení, lze spustit měření na mnohokanálovém analyzátoru 2 tlačítkem 5. Veškerá naměřená data jsou po ukončení měření zapsána na disk počítače do databáze k příslušnému číslu osoby, které jí bylo vydáno s identifikační kartou při registraci. Naměřená data lze hodnotit pomocí SW a rozeznávat např. stav vyžadující opakování měření. Nová data se zapíší do databáze a operátor je vyhodnotí. IV. Software Popis softwaru systému se je v tomto dokumentu omezen na rámcový Řídicí a registrační software je sloučen do jedné aplikace s názvem JODDET. Aplikace je určena pro OS MS Windows XP a vyšší. Využívá dvouvrstvý model s databází ORACLE. Aplikace se spustí pomocí zástupce, který odkazuje na hlavní soubor joddet.exe. Přístup uživatelů do aplikace je zabezpečen pomocí uživatelského jména a hesla. Systém ověří správnost zadaných dat a jsou-li v pořádku, umožní uživateli práci s aplikací. Vlastní aplikaci JODDET lze spustit ve dvou režimech (podle oprávnění uživatele): Registrační/Měřicí. Úrovně přístupu se dají rozdělit na funkce: Administrace systému Registrace skupin a osob Řízení měření osob Tisk výstupních sestav Důležitou vlastností komunikace hardwaru a softwaru je možnost zobrazit spektrum a ovlivnit průběh měření pomocí softwaru GamWin společnosti Envinet NUVIA Group.

9 Strana: / počet stran: 8/12 V. Obrazová příloha Výrobní dokumentace k měřicím jednotkám je archivována ve společnosti Envinet NUVIA Group OBR. 1 Scintilační krystal SK OBR. 2 Měřicí jednotka

10 OBR. 3 Scintilační sonda SÚRO zpráva Strana: / počet stran: 9/12

11 SÚRO zpráva Strana: / počet stran: 10/12 OBR. 4 Strojní výkres pouzdra krystalu a fotonásobiče

12 Strana: / počet stran: 11/12 a b c d OBR. 5 Vnitřní díly měřicí jednotky a) Víko s čtečkou, bez analyzátoru b) Osazen analyzátor MCB3 c) Detail čtečky RFI d) Detail čtečky čárových kódů

13 OBR. 6 Hardware systému JodDET SÚRO zpráva Strana: / počet stran: 12/12