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Visualização e Análise de Radiografias corri Nêutrons

AILTON FERNANDO DIAS 1 ,2 ARNALDO DE ALBUQUERQUE ARAÚJQ2

1CDTN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CNEN - Comissão Nacional de Energia Nuclear

Caixa Postal 1941 30.161-970 - Belo Horizonte, MG, Brasil

cdtn@brufmg

2DCC - Departamento de Ciência da Computação UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais

Caixa Postal 702 30.161-970 - Belo Horizonte, MG, Brasil arnaldo@dcc.ufmg.br, dias@dcc.ufmg.br

Abstract. Neutron radiography is an important non-destructive testing technique. It is specially useful for hydrogenous materiais inspection and it reveals invisible details to other radiographic methods. Radiographic images have been obtained by using the neutron radiography device ofthe IPR-R1 reactor. This work describes the development of a neutron radiography imaging and analyzer system at CDTN. The digital image processing software has been based on PhotoPix interface, a system designed to MS­Windows .environment, using oriented-object programming.

Introdução

Este trabalho descreve o sistema de captura, visualização e análise de imagens obtidas através de radiografia com nêutrons no reator IPR-R1, do Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN). As rotinas de processamento digital de imagens (PDI) para análise das radiografias com nêutrons estão sendo desenvolvidas a partir da plataforma PhotoPix (SOL, 1993), desenvolvida para o ambiente MS-Windows.

A radiografia com nêutrons constitui um processo de ensaio não-destrutivo, tendo sido investigada pela primeira vez por Kallman e Kuhn, em 1935, na Alemanha. Esse processo é empregado em problemas especiais de inspeção, onde não há possibilidade de obtenção de radiografias por raios-X ou por raios y, ou ainda para complementar esses dois métodos, com fornecimento de detalhes adicionais. Na verdade, as diferenças de absorção entre nêutrons e raios­X indicam que as técnicas são complementares entre si e, juntas, expandem a utilidade da radiografia como método de análise (BERGER, 1965). O método de obtenção da radiografia com nêutrons é baseado no registro da imagem produzida por um objeto posicionado entre o fluxo colimado de nêutrons e o conjunto conversor-filme. Essa imagem é formada indiretamente pelos nêutrons que atravessam o objeto e interagem com o conversor, emitindo radiações y e ~ que impressionam o filme. O tempo de exposição e o tipo de filme mais adequado são determinados para cada condição do sistema (AMORIM, 1987b). Dois outros métodos de radiografia com nêutrons têm recebido grande atenção por parte de pesquisadores de todo o mundo : tomografia e imageamento em tempo real. Devido a restrições fisicas do dispositivo extrator de nêutrons do reator IPR-R1, não é possível a realização de tomografias com nêutrons nessa instalação. Por

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outro lado, o trabalho aqui descrito tem como objetivo servir de base para o desenvolvimento de um sistema de imageamento de radiografias com nêutrons em tempo real.

o Reator IPR-Rl

Há cerca de 60 reatores TRlGA em operação no mundo, sendo que, de acOrdo com a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), eles representam cerca de 20% do total de reatores de pesquisa atualmente em operação. O reator IPR-Rl é um reator TRlGA Mark-l, fabricado pela General Atomics (USA), que se encontra em operação desde 1960. O núcleo do reator IPR-Rl, que se encontra instalado em uma piscina de cerca de 6 m de profundidade, consiste de 58 varetas de elementos combutível-moderador de hidreto de zircônio, contendo 8,0 wt% de urânio enriquecido a 20%, revestidas de alumínio. A potência nominal do reator é de 100 kW. Cinco dispositivos de irradiação equipam o reator IPR-Rl, que são listados a seguir, com seus respectivos fluxos de nêutrons térmicos à potência de 100 kW: (i) tubo central (4,3 x 1012 n· cm-2 . s-J); (ii) mesa giratória, que comporta até 40 amostras simultaneamente (6,6 x 1011 n· cm-2 . s-l); (iii) terminal pneumático no núcleo (1,7 x 1012 n· cm-2 . s-l); (iv) terminal pneumático fora do núcleo (1,8 x 1011 n· cm-2 . s-l); (v) extrato r de nêutrons, para radiografia com nêutrons, colocado sobre o núcleo (2,0 x 108 n· cm-2 . s-J) (TÓFANI & PAIANO, 1989) .

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FIGURA 1: Dispositivo extrator de nêutrons do reator IPR-Rl FONTE - AMORIM, 1987b. p. 10.

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Descrição do Extrator de Nêutrons

o canal extrator de nêutrons do reator IPR-R1, representado na FIG. 1, é um dispositivo mecânico que possibilita a condução de um feixe de nêutrons, produzidos no núcleo do reator, até a superfície do poço, ao nível do piso. Ele consiste basicamente em um tubo vertical de alumínio, estanque à água, com seções de 10 e 15 em de diâmetro, fechado em sua extremidade inferior. Essa extremidade é colocada imediatamente acima do anel refletor de grafita e a extremidade oposta, aberta, é utilizada para introdução das amostras a serem analisadas. O dispositivo extrato r de nêutrons pode ser movimentado sobre o núcleo do reator através de trilhos instalados com essa finalidade. O tempo de exposição do filme durante os testes não ultrapassou cinco minutos, a um fluxo de nêutrons térmicos de 1,68 x 106 n· em-2 . s-i e a uma distância de 3,6 m do núcleo do reator. As dimensões dos objetos a serem inspecionados estão limitadas a 14,5 em de diâmetro ou comprimento (AMORIM, 1987a).

Detecção dos Nêutrons

As reações dos nêutrons com o núcleo dos materiais podem ser do tipo espalhamento elástico (n, n) ou espalhamento inelástico (n, n'), nas quais um nêutron continua existindo após cada interação, mas o ângulo de espalhamento remove-o do feixe colimado, conduzindo-o até o detector. Há ainda reações de absorção, tais como a captura radiativa (n, y) ou aquelas em que uma partícula carregada é produzida após a captura do nêutron (n, a) ou (n, p) . Os nêutrons devem produzir alguma radiação secundária que seja facilmente detectável, tal como partículas carregadas ou fótons, porque os nêutrons em si não produzem nenhum efeito direto significante sobre os detectores. O registro em filme fotográfico exige uma espécie de conversor: tela conversora (uma mistura de absorvedor de nêutrons, materialluminescente e um agente fixador) ou tela cintiladora (W ALKER, 1985). Em sistemas de imageamento em tempo real, tubos foto­multiplicadores são utilizados após a tela conversora, sendo que os elétrons secundários gerados pelo tubo foto-multiplicador são acelerados em direção a uma tela cintiladora, sobre a qual a imagem é formada. Essa câmara de nêutrons pode ser adaptada a um sistema de vídeo (câmara de vídeo, monitor de TV e VCR), de forma a permitir visualização e gravação remotas dos ensaios (DOMANUS, 1988).

Radiografia com Nêutrons em Tempo Real

Tipicamente, um sistema de radiografia com nêutrons em tempo real é composto de quatro partes: uma fonte de nêutrons, um conversor de nêutrons, um sistema de detecção e um dispositivo de visualização e de processamento de imagens. Na TAB. 1, é apresentada a correspondência entre esse sistema típico e o sistema em desenvolvimento no CDTN.

A maioria dos sistemas de radiografias com nêutrons em tempo real utiliza foto-multiplicadores entre a tela conversora e a câmara de vídeo para amplificar a radiação secundária produzida pelos nêutrons incidentes na tela conversora. Entretanto, pretende-se eliminar tal foto-multiplicador neste sistema, utilizando-se uma câmara de vídeo de maior sensibilidade e aplicando-se rotinas de PDI, como integração de imagens, por exemplo, para melhorar a qualidade das imagens obtidas. Embora a qualidade da radiografia em tempo real seja inferior àquela obtida pelo método com filme, o sistema de imageamento em tempo real possibilita que um grande número de amostras seja analisada num curto intervalo de tempo e que objetos em movimento possam ser visualizados (FUnNE, 1985).

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TABELA 1

Correspondência entre um sistema típico de radiografia com nêutrons em tempo real e o sistema em desenvolvimento no CDTN

SISTEMA TIPICO SISTEMA DO CDTN

Fonte de nêutrons Reator IPR-R1 Conversor de nêutrons Tela cintiladora Sistema de detecção Câmara de vídeo e interface de

digitalização de imagens (jrame-grabber) Dispositivo de visualização e Monitor de vídeo, microcomputador processamento de imagens compatível com IBM 386DX e rotinas de

PDI incorporadas à plataforma PhotoPix

Descrição da Plataforma PhotoPix

A plataforma PhotoPix (SOL, 1993) fornece uma base conceitual e prática para sistemas de PDI, permitindo isolar a implementação de algoritmos de PDI da codificação de funcionalidades não­essenciais, tais como: manutenção da interface aplicativo-usuário, leitura e escrita de arquivos ou tratamento de restrições da Application Programming Intel/ace (API) e do hardware utilizados. O PhotoPix foi implementado a partir da API do ambiente operacional MS-Windows e foi codificado na linguagem C + + . A opção pelo uso de técnicas de programação orientada para objetos deve-se a sua adequação quando se deseja encapsular detalhes de programação e garantir a independência dos módulos que constituem o sistema. O formato interno para as imagens, denominado Packed-DIB, foi escolhido por ser compatível com diversas primitivas do ambiente MS-Windows. A ampliação das funcionalidades do PhotoPix é bastante facilitada pelo isolamento entre as classes desenvolvidas e qualquer código-fonte de algoritmo de PDI, implementado na linguagem C, pode ser facilmente adaptado para o PhotoPix.

Aplicação de PDI à Radiografia com Nêutrons

A utilização de PDI permite a revelação de detalhes invisíveis em imagens diretas, tais como pequenos orificios através da inversão da imagem, defeitos em detectores através de integração de imagens e percepção de ligeiras diferenças de contraste entre imagens de baixo contraste através de subtração das imagens. Pequenos orificios em uma placa fina de cádmio, p.ex., são mais evidentes em uma imagem inversa do que em uma imagem normal (REUSCHER et alii, 1990). A extração de contornos é particularmente efetiva quando aplicada para observar objetos em movimento. A operação de média de quadros aproveita a presença de ruído na imagem para aumentar a relação sinal-ruído da mesma: vários quadros da imagem com ruído são somados e a imagem final é dividida pelo número de quadros combinados. As convoluções espaciais são operações sobre grupos de pixels que realizam filtragem espacial em uma imagem. Esse processo permite que uma imagem seja separada em componentes de baixas e de altas freqüências. Outras convoluções espaciais implementam determinações de gradiente das imagens que, por sua vez, são úteis na identificação de bordas (FUJINE et alii, 1985).

As operações de PDI que estão sendo desenvolvidas são as seguintes: (a) Convoluções N x M; (b) Aumento de contraste; (c) Subtração de fundo; (d) Operações sobre janelas; (e) Histogramas; (f) Reversão; (g) Extração de contornos; (h) Adição, subtração, multiplicação e divisão; (i)

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Operações lógicas AND, OR, XOR; G) Média de quadros; (k) Filtragem; (I) Sobreposições gráficas; (m) Visualização em pseudo-cores; (n) Integração. As imagens correspondentes às radiografias com nêutrons, registradas em filme fotográfico, são convertidas para a forma digital através de um digitalizador de mesa com resolução de 300 dpi e 256 tens de cinza. Em seguida, essas imagens são submetidas às rotinas de PDI acima relacionadas, de acordo com a análise que se pretende realizar.

Aplicações da Radiografia com Nêutrons

Quanto às aplicações, a radiografia com nêutrons apresenta melhor definição em matenals hidrogenados, como plásticos em geral, separados ou inclusos em metais, materiais biológicos, elementos químicos e isótopos com seções de choque elevadas e em montagens compostas de materiais de diferentes densidades. Do ponto de vista do usuário da radiografia por raios-X, o maior potencial de aplicação da radiografia com nêutrons está na inspeção de materiais leves inclusos em materiais pesados. Em função das características do dispositivo extrator de nêutrons e do reator IPR-R1, a radiografia com nêutrons pode ser empregada para: (a) Detecção de falhas em materiais usados para blindagem neutrônica; (b) Detecção de defeitos na interface entre borrachas e metais; (c) Detecção e localização de borrachas, plásticos, graxas e óleos dentro de peças metálicas; (d) Detecção de falhas em adesivos; (e) Detecção de materiais explosivos em invólucros metálicos.

Medidas de Desempenho do Sistema Radiográfico

o desempenho do sistema pode ser medido utilizando-se os indicadores de sensibilidade definidos pela American Society for Testing MateriaIs (ASTM), através de amostras de cádmio, para cálculo da dimensão de orificios e de resolução de bordas agudas (SULCOSKI et alli, 1988). As seguintes medidas permitem a avaliação do desempenho do sistema radiográfico : (a) Medições do fluxo de nêutrons; (b) Determinação da razão r/nêutrons; ( c) Determinação da razão efetiva comprimento/diâmetro do colimador; (d) Determinação da temperatura efetiva dos nêutrons; (e) Determinação da eficiência do colimador e do sistema de captura de imagens através da medição da função de transferência de modulação (MTF). A MTF oferece um meio rápido, confiável e reprodutível de monitorar alterações no sistema em tempo real, incluindo tanto o feixe de nêutrons quanto os componentes eletrônicos. A MTF é uma representação gráfica da relação entre a amplitude de saída do sistema e a amplitude de entrada como uma função da freqüência espacial, ou seja, é uma representação gráfica da capacidade do sistema de reproduzir as diversas freqüências espaciais de uma imagem. A definição técnica da MTF pode ser estabelecida como sendo a relação sinal/ruído de uma imagem dividida pela relação sinal/ruído da fonte (REUSCHER et alli, 1990).

Resultados Preliminares

A seguir, são apresentadas algumas imagens obtidas através de radiografia com nêutrons, que foram digitalizadas por meio de um digitalizador ScanJet IIp HP, de 300 dpi, 256 tons de cinza. A FIG. 2 mostra uma radiografia com nêutrons do padrão Visual lmage Quality lndicator (VISQI) e um desenho da montagem do padrão. A análise da radiografia desse padrão permite avaliar a resolução do feixe de nêutrons, nitidez da imagem e sombreamento devido à radiação r (LINDSA Y et alli, 1983).

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J FIGURA 2: Radiografia com nêutrons e desenho do padrão VISQI FONTE - AMORlM, 1987b. p.12.

A FIG. 3 representa a radiografia de quatro pastilhas compactadas de óxido de uramo, diferentemente enriquecidas. O uso de PDI possibilita a medição dessas variações de enriquecimento, pois a probabilidade de uma interação nêutron-núcleo depende do nuclídeo em particular e não exibe uma relação direta com o número atômico, como ocorre na atenuação dos raios-X. Com nêutrons térmicos, o coeficiente de atenuação apresenta grandes variações entre nuclídeos. Desta forma,. isótopos diferentes podem apresentar seções de choque muito diferentes e a radiografia com nêutrons pode revelar a distribuição de um detenninado isótopo em uma amostra (W ALKER, 1985), medida a partir do tom de cinza médio de cada amostra.

Na FIG. 4(a), é apresentada uma radiografia de um padrão construído em aço e polietileno. Esse padrão consiste em uma lâmina de polietileno de 1,3 mm de espessura, com trinca e orifícios, inserida entre duas lâminas de aço (com espessuras de 5 e 10 mm). Na FIG. 4(b), é mostrada a aplicação de rotinas de melhoria de contraste, de limiarização e de reversão da imagem para realçar a trinca e os orifícios presentes na lâmina de polietileno. Na FIG. 4(c), aparece o desenho desse padrão.

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Pastilha I Pastilha 11 Pastilha III Pastilha IV

Enriquecimento: Urânio Natural Enriquecimento: 1,98% de U-235 Enriquecimento: 2,8% de U-235 Enriquecimento: 3,4% de U-235

. FIGURA 3: Radiografia com nêutrons de pastilhas cilíndricas de óxido de urânio compactadas.

(a)

c. DESENHO 00 PADRÃO

(SCALA' I : '

(c)

o

(b)

dAll/IIA PI': PQUETILfNO COIII TRINCA E FUROS ~ PfKNA.

FIGURA 4: (a) Radiografia com nêutrons de padrão em aço e poli etileno; (b) Imagem melhorada com aplicação de rotinas de PDI; (c) Desenho do padrão. FONTE - AMORIM, 1987b. p.14.

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A FIG. 5(a) mostra uma radiografia com nêutrons de um detector Geiger-Miiller construído com revestimento cilíndrico externo de aço inoxidável e filamento central blindado por um cilindro concêntrico, enquanto que na FIG. 5(b), é apresentada essa mesma imagem realçada com aplicação de rotinas de PDI, tendo sido aplicada uma melhoria de contraste seguida de uma extração de contornos.

As FIG. 6 e 7 representam radiografias com nêutrons de materiais biológicos, tais como uma folha de hibisco de cerca de 0,2 mm de espessura e uma ante-coxa de galinha expostas ao fluxo de nêutrons durante 4 e 3,5 minutos, respecti\famente.

(a) (b)

FIGURA 5: (a) Radiografia com nêutrons de detector Geiger-Müller construído com revestimento cilíndrico externo de aço inoxidável e filamento central blindado por um cilindro concêntrico; (b) Imagem realçada com aplicação de rotinas de PDI.

FIGURA 6: Radiografia com nêutrons de folha verde de hibisco .

A FIG. 8 mostra as radiografias com raios-X e com nêutrons de um projétil calibre 38, onde pode-se observar que o exame por raios-X produz uma imagem mais nítida, mas não revela a presença do propelente, a pólvora, no interior do invólucro do projétil.

Na FIG. 9, são apresentadas uma radiografia com nêutrons e uma radiografia com raio-X de um mesmo conjunto de peças para possibilitar a comparação entre os métodos. Pode-se constatar que os materiais leves, como os plásticos, são transparentes a raio-X, sendo visualizados somente através de radiografia com nêutrons.

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FIGURA 7: Radiografia com nêutrons de .ante~coxa de galinha.

. : ~ .

FIGURA 8: Radiografia com raios-X e radiografia com nêutrons de um

FIGURA 9: Radiografia com nêutrons e radiografia com raios-X de um conjunto de peças variadas (retentor de borracha, lâmina de cádmio, interruptor de plástico, frasco de polietileno).

Comentários Finais

A qualidade da imagem obtida depende da pressão mecânica entre o filme e o conversor: a área de bom contacto produz radiografias de boa qualidade, enquanto as outras áreas resultam em radiografias de qualidade inferior. Durante o processo de revelação dos filmes, a qualidade das radiografias pode ser melhorada pela variação dos seguintes parâmetros : velocidade de tração do filme, fluxo de água, temperatura da água, fluxo de ar aquecido e temperatura do ar -aquecido

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(TOMLINSON, 1977). Isso justifica a utilização de um sistema automático de processamento de filmes de raios-X.

o sistema de PDI está sendo implementado a partir da plataforma PhotoPix (SOL, 1993), desenvolvida para o ambiente MS-Windows utilizando programação orientada para objetos. Inicialmente, o sistema analisará imagens registradas em filme fotográfico, mas o objetivo final do trabalho é o desenvolvimento de um sistema capaz de capturar e analisar as imagens de radiografias com nêutrons em tempo real.

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