Tomografía de rayos gamma

La tomografía por rayos gamma ( TRG ) es una técnica de imagen no invasiva que se utiliza principalmente para caracterizar flujos multifásicos en procesos industriales. Mediante la atenuación de la radiación gamma, esta técnica permite visualizar y analizar en detalle la estructura interna y la dinámica de los materiales que fluyen a través de tuberías o recipientes.

La tomografía de rayos gamma experimentó avances sustanciales a partir de la década de 1990, impulsados ​​principalmente por la investigación realizada en la Universidad de Bergen , Noruega. ^{[ 1 ] [ 2 ]} La universidad fue pionera en configuraciones de tomografía de rayos gamma de alta velocidad optimizadas para el estudio de flujos multifásicos complejos, consolidándose como líder en la investigación de tomografía industrial.

Un avance significativo se produjo con el sistema de tomografía de rayos gamma de segunda generación, diseñado en colaboración por la Universidad de Bergen y Prototech para el Consejo de Investigación de Saskatchewan (SRC). ^{[ 3 ]} Entregado en 2016, este avanzado sistema mejoró considerablemente las capacidades de obtención de imágenes en tiempo real, capturando hasta 100 fotogramas por segundo con una resolución espacial mejorada. Desde entonces, este sistema se ha convertido en parte integral del Centro de Tecnología de Flujo en Tuberías del SRC, facilitando el análisis avanzado de la dinámica de las tuberías de lodos y el modelado predictivo de flujos multifásicos. ^{[ 4 ]}

La tomografía de rayos gamma funciona basándose en la densitometría de rayos gamma, regida por la ley de Beer-Lambert :

${\displaystyle I=I_{0}Be^{-\int {\mu (x)dx}}}$

Aquí,${\displaystyle I}$es la intensidad medida,${\displaystyle I_{0}}$es la intensidad de la fuente,${\displaystyle B}$es el factor de acumulación,${\displaystyle \mu }$es el coeficiente de atenuación lineal y${\displaystyle x}$es la longitud del camino entre la fuente y el detector.

Según este principio, un haz estrecho de radiación gamma monocromática emitido por una fuente se atenúa exponencialmente al atravesar un material, lo que permite medir la distribución de densidad del material a lo largo de trayectorias definidas. Múltiples fuentes y detectores de rayos gamma dispuestos alrededor del material investigado facilitan la reconstrucción detallada de imágenes transversales mediante algoritmos como la Técnica Iterativa de Mínimos Cuadrados (ILST). ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El coeficiente de atenuación lineal${\displaystyle \mu }$Depende de las propiedades del material y de la energía del fotón . Para optimizar la precisión de la medición, es crucial seleccionar cuidadosamente las dimensiones geométricas y la fuente radiactiva con un nivel de energía de fotón adecuado. La incertidumbre relativa en las mediciones de densitometría gamma se puede expresar como:

${\displaystyle {\sigma _{\mu } \over {\mu }}={{1 \over \mu x}{\sqrt {e^{\mu x} \over I_{0}\tau }}}}$

dónde${\displaystyle \sigma _{\mu }}$es la incertidumbre absoluta de${\displaystyle \mu }$,${\displaystyle x}$es la distancia entre la fuente y el detector, y${\displaystyle \tau }$es el tiempo de integración . Dado que la función${\displaystyle {{\sqrt {e^{x}}}/x}}$tiene un mínimo en${\displaystyle x=2}$, seleccionando el producto${\displaystyle \mu x}$Un valor cercano a este minimiza la incertidumbre.

Las configuraciones típicas de flujo multifásico para tomografía de rayos gamma requieren una alta resolución temporal. En lugar de utilizar configuraciones de escaneo, estas consisten en pares fijos de fuentes radiactivas y conjuntos de detectores dispuestos simétricamente alrededor del centro de la tubería. La radiación gamma emitida por fuentes radiactivas como el americio-241 se colima en un haz en forma de abanico que cubre la sección transversal de la tubería. Frente a estas fuentes, los conjuntos de detectores, colimados individualmente, capturan mediciones de haz estrecho, lo que permite obtener imágenes detalladas de la sección transversal de las distribuciones de fase y las densidades. Se suelen utilizar detectores de CdZnTe basados ​​en semiconductores. ^{[ 6 ]}

Aunque no se implementa ampliamente en las operaciones industriales diarias debido a su costo y complejidad, la tomografía de rayos gamma sigue siendo un instrumento de referencia esencial en la investigación y medición de flujos multifásicos . Proporciona datos de referencia críticos para validar y calibrar técnicas alternativas de medición multifásica, lo que mejora significativamente las capacidades de investigación de flujos multifásicos. ^{[ 7 ]} También se ha utilizado ampliamente para estudiar diferentes flujos multifásicos, como el flujo de lodos, ^{[ 8 ]} y el flujo de petróleo, agua y gas en diversas geometrías. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

La combinación de la tomografía de rayos gamma con técnicas como la tomografía de capacitancia eléctrica (ECT) ^{[ 7 ]} o la tomografía de resistencia eléctrica (ERT) ^{[ 8 ]} mejora la caracterización multifásica al utilizar resoluciones espaciales y temporales altas y complementarias de estas modalidades.