TECNOLOGÍA NUCLEAR ATENUACIÓN RADIACIÓN POR DISTANCIA TÉCNICAS DE OPERACIÓN DE MATERIAL RADIOLÓGICO

1. DIPLOMADO EN TECNOLOGIA NUCLEAR
VERSIÓN 2012
TECNICAS DE OPERACIÓN DE MATERIAL RADIOLOGICO
EXPERIMENTO III:
Atenuación por Distancia
Eduardo Mera1
1
Departamento de Física, Universidad Tecnológica Metropolitana, Av. Alessandri #1242, Ñuñoa.
Santiago de Chile, Noviembre 2012

2. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile,
Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente,
Departamento de Física
RESUMEN
En el presente laboratorio de radiactividad se evalúo la radiación de fondo o background, se midió la
actividad de una muestra radioactiva, se encontró la dependencia de la actividad de la muestra con la
distancia. Se evalúo la actividad de las muestras a distintas distancias y se encontró que la relación
funcional asociada es del tipo potencial 1/Xn
, donde “n” tiende al orden 2.
I. Introducción y Objetivos
Introducción
Desde la siglo XIX comenzó el estudio de la radioactividad cuando W. Roentgen descubrió los rayos X,
Henry Becquerel observó que las sales de uranio emitían espontáneamente radiaciones y tiempo después
los esposos Curie, concentraron a partir de los minerales de uranio el polonio y radio, se empezó a
observar en estos productos el fenómeno de la desintegración espontánea de forma muy marcada.
El proceso de emisión espontánea de radiación se llama radioactividad. Experimentos posteriores
demostraron que la radioactividad es el resultado del decaimiento radioactivo, o desintegración de
núcleos inestables. En el proceso de desintegración nuclear, los átomos de los elementos radioactivos, se
transforman en otros átomos diferentes, produciéndose así una cadena de desintegraciones hasta llegar a
ser un elemento estable en el cual la gran parte de las veces es plomo.
Hay tres tipos de radiación que pueden ser emitidos por una sustancia radioactiva: radiación alfa (α),
donde las partículas emitidas son núcleos de Helio; radiación beta (β), en el cual las partículas emitidas
pueden ser electrones o positrones (partícula que tiene las mismas características del electrón pero su
carga es +e); y radiación gamma (γ) las cuales son ondas electromagnéticas es decir, son fotones de alta
energía.
Los tres tipos de radiación tienen capacidad de penetración distinta. Partículas alfa apenas penetran una
hoja de papel, partículas beta pueden penetrar unos cuantos milímetros de aluminio, y los rayos gamma
penetran varios centímetros el plomo.
Las propiedades principales que caracterizan a un elemento radioactivo son: la constante de de
desintegración ( λ) y la energía de las radiaciones emitidas.
La razón a la cual ocurre un determinado proceso de decaimiento en una muestra radioactiva es
proporcional al número de núcleos radioactivos presentes en cualquier instante (esto es, aquellos núcleos
que aún no han decaído). Si N es el número de núcleos radioactivos presentes en cualquier instante, la
razón de cambio de N es:
N
dt
dN
λ−= , acomodando términos
NdtdN λ−= , Integrando la ecuación anterior se obtiene que
t
oeNN λ−
=
La constante de desintegración λrepresenta la probabilidad de desintegraciones por unidad de tiempo
por átomo presente del elemento radioactivo y N0 representa el número de núcleos radioactivos en el
instante t = 0.
A menudo la razón de decaimiento de una muestra se llama actividad (A), la cual corresponde al número
de átomos desintegrados por unidad de tiempo, que es lo que realmente se mide.
t
oeAA λ−
=
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La unidad SI de actividad se llama Becquerel (Bq), donde: 1Bq = 1 decaimiento/s. Se tiene que la unidad
original de actividad es el curie (Ci) donde 1 Ci=3,7*1010
Bq =3,7*1010
decaimientos/s, la cual fue
seleccionada ya que es la actividad aproximada de 1 gramo de uranio.
Para el estudio de la atenuación de la radiación con la distancia dada la naturaleza electromagnética de los
rayos gamma se puede comparar su comportamiento (en particular) con el comportamiento de la luz
ordinaria. Recuérdese que dada una fuente luminosa que emite el mismo numero de fotones por unidad de
superficie en todas las direcciones por unidad de superficie (fuente isotropita), un observador notara que
la intensidad, I cambia según se acerque o se aleje de ella mas aun notara que cambiara según su inverso
al cuadrado.
Analíticamente significa que ka intensidad de la luz I en un punto d del espacio es igual a la razón entre el
número de fotones por segundo de la fuente No y el área de la esfera Ao centrada en la fuente esto es:
2
4 d
No
Ao
No
I
π
==
Experimentalmente la fuente luminosa no cambia de intensidad durante el transcurso del experimento por
lo cual No y 4π son constantes.
Marco teórico basado en [1], [2] y [3]
Objetivos
1. Evaluar la radiación de fondo o background
2. Encontrar la dependencia de la actividad de la muestra con la distancia.
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II. Procedimiento Experimental:
Para el experimento de evaluación de la atenuación de la radiación con la distancia arme el montaje
de la figura 1, sobre una superficie nivelada ubique un detector de radiación D, separados a una distancia
d de la fuente radiactiva F. teniendo en cuenta las siguientes indicaciones a realizar:
Figura 1. Montaje
a. Ubique el detector D a d=100 cm de la fuente F
b. Energice el detector D mediante el cambio de posición del interruptor de encendido on-off.
Espere 60 segundos y verifique que el contador realiza el conteo de t (segundos), repita por lo
menos 3 veces.
c. Inicie el conteo mediante el botón de partida (previamente borre o contabilice la indicación
dada por el detector D). Cuando halla estabilizado la medida o halla terminado el tiempo de
conteo t, registre la lectura L, por el lapso de 0.1 minutos, con el detector y repita el proceso
por 3 veces (3 lecturas).
d. Mueva el detector D a diversas posiciones d y repita el proceso anterior.
e. Ubique el detector D en la posición de d = 100 cm, retire y guarde la fuente radiactiva F en un
contenedor, repita el paso c para esta posición, los valores que se registren corresponden al
Background.
Consideraciones Finales:
Para la medición del background de fondo, se realizaron la medicion de 5 segundos, con las fuente
resguarda. La medición de Io se realizo con la distancia fuente sensor de 100 cm.
Para el estudio de la radiación y la distancia se evaluaron las fuentes radioactivas, se varío la distancia
entre la fuente y el detector, y se registro para cada distancia la radiación por el intervalo de tiempo de 6
segundos.
Marco teórico basado en [1], [2] y [3]
Equipos Materiales
Fuente radiactiva de Cs-137
Instrumento de detección (detector de centelleo)
Sistema de conteo y electrónica asociada.
Dosímetros digitales integrados de dosis para uso personal.
Pinzas
Guantes
Pinzas
Regla
Equipos y materiales basados en [3]
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di
variable
F D
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III. Datos Experimentales
Estimación de la radiación de fondo: se procedió a dejar muestreando el censor de centelleo por un
lapso de 5 segundos, teniendo el cuidado de alejar toda fuente radioactiva del sector, los datos registrados
en seis repeticiones son (tabla 1):
Medición Tasa de Radiación Horaria (ηSv/h)
1 680
2 623
3 615
4 653
5 707
6 696
Tabla N° 1: evaluación de background
Los datos de temperatura y presión del laboratorio eran 19ºC y una presión atmosférica de 1025 HPa.
Evaluación de la actividad de la muestra con la distancia: se procedió alinear el equipo como lo indica
la figura 1, y se alisto la muestra radioactiva γ, 137
Cs, co una actividad inicial de 25.2 mCi, fecha de
elaboración 05-04-10, y una media T1/2 de 30.3 años.
Las evaluaciones fueron realizadas por un lapso de 6 segundos cada una en corridas de 3 repeticiones, a
distancias de 50 cm, 100 cm y 150 cm ; los datos obtenidos fueron (Tabla 2):
Distancia
(cm)
Tasa de Radiación
Horaria (μSv/h)
50
75,1
77,3
76,2
76,8
75,6
76,9
81,6
100
23,7
22,9
22,7
23,3
23,1
27
22,9
150
11,3
11,9
10,6
10,5
10,7
10,8
10,6
Tabla N° 2: evaluación de las muestras radioactivas con la distancia
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IV. Resultados
Estimación de la radiación de fondo: Se tiene que la tasa de la tasa de radiación de fondo estimado es
de:
[ ] [ ]hnSvhnSvdarEsDesviaciónomedioTasaTasa /35//652tan_/Pr_ −+=−+=
Evaluación de la actividad de la muestra con la distancia: en un primer paso se procedió a analizar la
validez de las muestras, ya que una muestra pierde su actividad y se vuelve estable al pasar un tiempo de
cinco vidas medias, se obtuvo que contrastando contra este concepto y con respecto a la actividad de
fondo los siguientes resultados (tabla 3):
Variable 137Cs - Gamma
1 5 T1/2 151.5 años
2 Tiempo Realizar Experiencia 2.8 años
3 Actividad Omnidireccional Estimada 8.79x108
Bq
Tabla N° 3: Evaluación de la actividad de las muestras
Con lo cual se concluye que la muestra 137 Cs está activa.
De la tabla 2, se obtuvo la siguiente tabla de actividad, actividad promedio desviación estandar de la
actividad y error asociado a la desviación estándar de la actividad (error % = desviación / promedio
*100) (tabla 4):
Distancia (cm)
Tasa Radiación
(μSv/h)
Tasa Radiación
Promedio (μSv/h)
Tasa Radiación
Desviación (μSv/h)
50
75,1 77 2
77,3 error % 3
76,2
76,8
75,6
76,9
81,6
100
23,7 24 2
22,9 error % 6
22,7
23,3
23,1
27
22,9
150
11,3 11 1
11,9 error % 5
10,6
10,5
10,7
10,8
10,6
Tabla N° 4: Actividad de la muestra evaluada en distancia y parámetros asociados
De la tabla anterior se llega a la conclusión que el error asociado a la medición es mayor que el valor de
background promedio de 0.65 μSv/h, pero de igual forma se procede a corregir la tasa de radiación por el
factor de background (Ac =A-Ab), quedando la siguiente tabla (tabla 5):
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Departamento de Física
Distancia
(cm)
Tasa radiación
(μSv/h)
Tasa radiación
Corregida(μSv/h)
50 77 76,65
100 24 23,35
150 11 10,35
Tabla N° 5: Tasa de radiación de la muestra evaluada en distancia
La expresión grafica de la tabla 5, es presentada en el siguiente grafico (grafico 1):
Radiacion v/s Distancia
y = 91422x-1,8071
R2
= 0,9981
y = 76895x-1,7616
R2
= 0,9987
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
Distancia (cm)
Radiacion(μSv/h)
Tasa Radiacion
Tasa Radiacion
Corregida
Potencial (Tasa
Radiacion Corregida)
Potencial (Tasa
Radiacion)
Grafico Nº 1: Actividad y Actividad corregida en función de la distancia
Obteniendo que el grafico de actividad corregida se acerca de mejor manera a una forma cuadrática
inversa del tipo 1/x2
, con un coeficiente de determinación de 0.99, la ecuación potencial tiene como
forma funcional:
[ ]hSv
d
A /
91422
80.1
µ=
Ecuación potencial de exponente 1.8, la cual presenta en su exponente un error relativo porcentual del
10%.
Se tiene que la forma cuadrática aproximada obtenida para los datos sin corrección es:
[ ]hSv
d
A /
76895
76.1
µ=
Ecuación potencial de exponente 1.76, la cual presenta en su exponente un error relativo porcentual del
12%.
Nota: Cabe notar que la actividad omnidireccional estimada a la fecha es de 8.79x108
c.p.s, de la cual
solamente salen de la fuente 106
c.p.s. , por lo cual la absorción del blindaje de contención es de 8.78x108
c.p.s.
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V. Análisis y Conclusiones
Análisis:
Estimación de la radiación de fondo: La tasa de radiación registrada es de
[ ] [ ]hnSvhnSv /35//652 −+ , valor considerado bajo con respecto a los 2.5 μSv/h de Radiación Total
que un individuo promedio recibe.
Evaluación de la radiación de la muestra con la distancia: En la tabla 5, se observa que la relación
funcional actividad corregida v/s distancia, es la mas adecuada para establecer el fenómeno a través de
una relación de tipo potencial inversa del grado n, del tipo [ ]hSv
d
A /
91422
80.1
µ= , la cual tiene un
coeficiente de determinaron de 0.99 (ver grafico 1), y un error relativo porcentual respecto al exponente
de grado cuadrático (2) del 10%.
Conclusiones:
Se evalúo la actividad de la muestra a distintas distancias y se encontró que la dependencia de la actividad
de la muestra con la distancia, tiene una relación funcional asociada es del tipo potencial 1/Xn
, donde “n”
es de orden se aproxima al orden 2, en la cual la corrección de fondo aporta la mejor ecuación asociada al
orden del exponente buscado.
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9. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile,
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Departamento de Física
VI.- Bibliografía
1. Serway, Raymond; Beichner, Robert “Física para Ciencias e Ingeniería”, Editorial Mc Graw
Hill, 2002.
2. Sears; Zemansky; Young; Freedman “Física Universitaria” Novena Edición Pearson Education
1999 México.
3. Guía Experiencia Atenuación de la Radiación por Distancia, CCHEN. 2012.
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10. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile,
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Departamento de Física
VI.- Bibliografía
1. Serway, Raymond; Beichner, Robert “Física para Ciencias e Ingeniería”, Editorial Mc Graw
Hill, 2002.
2. Sears; Zemansky; Young; Freedman “Física Universitaria” Novena Edición Pearson Education
1999 México.
3. Guía Experiencia Atenuación de la Radiación por Distancia, CCHEN. 2012.
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