CARE: Desarrollo de un sistema de control automático de la concentración de radón en edificios

Referencia: RTC-2016-5627-1

Título del proyecto: CARE - Desarrollo de un sistema de control automático de la concentración de radón en edificios

Solicitante:  ALIBAVA SYSTEMS SL

Participantes: AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC), ALIBAVA SYSTEMS SL, ATI SISTEMAS SL, RADIANSA CONSULTING SL, SENSING & CONTROL SYSTEMS SL, UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA

Coordinador técnico del proyecto (Persona/Entidad): Juan Herranz (ALIBAVA SYSTEMS SL)

Final ejecución de la anualidad (dd/mm/aa): 30/03/2021    Final proyecto (dd/mm/aa): 31/12/2020

Objetivo: Reducir de forma eficiente la concentración de gas radón en edificaciones hasta niveles que no planteen un riesgo para la salud de sus habitantes y/o usuarios, desarrollando un sistema que mida la concentración de radón en tiempo real y gestione la información recibida garantizando una ventilación activa, selectiva e inteligente, actuando únicamente donde y cuando sea necesario para minimizar el impacto que la exposición al radón pueda tener en la población. La consecución de este objetivo se plantea a través del diseño, desarrollo y validación de un nuevo sistema activo de control de la concentración de gas radón en edificaciones basado en el desarrollo de un sensor semiconductor para la detección de radiación alfa, un monitor de radón capaz de proporcionar medidas de concentración de radón con frecuencias inferiores a media hora, un sistema de gestión de la información proporcionada por estos monitores y un sistema inteligente que actúe inmediatamente sobre una instalación de climatización/ventilación en función de las concentraciones de radón medidas.

Actividades realizadas en relación con las Tareas/Hitos contemplados en la memoria de solicitud del proyecto.

Dentro del proyecto CARE el trabajo del IMB-CNM-CSIC se ha centrado, principalmente, en el diseño conceptual y construcción del sensor de partículas integrado en silicio responsable de la detección de los elementos radioactivos generados durante la desintegración del radón, junto a su caracterización y calibración en un entorno de prueba que emule las condiciones de trabajo para las que ha sido concebido.

Durante la ejecución del proyecto, los principales objetivos alcanzados han sido los siguientes,

• Se ha fabricado en la sala blanca del IMB-CNM un lote de sensores de silicio optimizados para el monitor de radón, con un área activa de cada sensor es 5.16 x 5.16 mm2 (26.6 mm2).     El tamaño se ha elegido para que cada sensor tenga una sensibilidad óptima y, al mismo tiempo, puedan formar parte de una estructura modular que permita aumentar la sensibilidad del sistema de detección. Tras su fabricación y caracterización eléctrica, se seleccionaron los sensores con mejores características eléctricas para formar parte de los primeros prototipos.
• El número de sensores de silicio del monitor, y por tanto el área total sensible, se determinó mediante medidas de ruido electrónico de diversas configuraciones de sensores conectados en serie, tomando como base la electrónica de lectura fabricada por Alibava (empresa coordinadora del proyecto). De esta forma se determinó que el eran necesarios 30 sensores polarizados a 30V para obtener resultados óptimos, maximizando el área sensible y manteniendo un ruido electrónico aceptable (dentro de un cilindro metálico polarizado a 200 V). Así, se concluyó que el área de silicio (área sensible) total del prototipo CARE debía ser de 800 mm2, lo que proporcionaría una eficiencia de contaje dentro de especificaciones (40-60 cph, 0.6-1cpm).
• Las simulaciones de campo eléctrico realizadas por la USC determinaron que la forma óptima de distribuir estos 30 sensores es en tres placas lineales alrededor de un cilindro interno. Las placas están conectadas en paralelo de manera que es posible desconectar cada una de ellas individualmente si hay algún fallo de funcionamiento sin que esto afecte a la funcionalidad de las otras dos. En el IMB-CNM se montaron cuatro de estas placas lineales, en las que se integran 10 sensores conectados en serie (ver figura 1). Cada placa se probó con la electrónica de lectura desarrollada por Alibava, seleccionando las tres con mejor relación señal-ruido para su uso dentro del prototipo final del sistema de detección de radón. El ensamblado del prototipo y las comprobaciones eléctricas básicas se llevaron a cabo por Alibava en estrecha colaboración con el IMB-CNM.

Figura 1. Placa de circuito impreso con 10 sensores de silicio, conectados en serie, para la fabricación del detector CARE

• Los primeros test del sensor completo como monitor de radón se llevaron a cabo en los laboratorios del IMB-CNM (ver figuras 2 y 3). El trabajo comprendió, inicialmente, en el estudio de la respuesta del monitor a una fuente alfa encapsulada de calibración. Posteriormente se adquirieron las primeras medidas de radón ambiental en las instalaciones el IMB-CNM (ver figura 4). Los resultados de estas actividades demostraron la utilidad como monitor de radón del prototipo fabricado.

Figura 2. Imagen del prototipo CARE con la fuente alfa de calibración usada para las pruebas realizadas en el IMB-CNM.

Figura 3. Espectro medido por el detector CARE de una fuente alfa de calibración.

Figura 4. Medidas de radón natural realizadas en las instalaciones del IMB-CNM tras 44 horas de operación comparadas con las obtenidas mediante la fuente alfa patrón

• Así, se demostró que el sistema CARE nos permite identificar los picos característicos de la desintegración del radón: 218Po a 6MeV y 214Po a 7.7 MeV. Además, su ruido electrónico está muy alejado de estos picos, por lo que podemos discriminar con facilidad las cuentas del espectro correspondientes al radón. Las pruebas realizadas también permitieron demostrar que el sistema era capaz de funcionar durante más de 100 horas de forma estable, sin problemas de ruido que afecten a su eficiencia de detección.
• Tras estos experimentos se envió el monitor a la USC para su prueba y calibración en su sistema de radón de alto flujo en condiciones controladas. A continuación, ATI Sistemas integró el prototipo CARE dentro de un sistema de seguridad industrial y comprobó sus prestaciones en condiciones reales de trabajo. Los resultados obtenidos demostraron la utilidad como monitor de radón del prototipo fabricado y la mejora en prestaciones al compararlo con sistemas comerciales tradicionales.