DIPLOMADO EN TECNOLOGIA NUCLEAR
VERSIÓN 2012
TECNICAS DE OPERACIÓN DE MATERIAL RADIOLOGICO
EXPERIMENTO I:
Manejo de Instru...
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  1. 1. DIPLOMADO EN TECNOLOGIA NUCLEAR VERSIÓN 2012 TECNICAS DE OPERACIÓN DE MATERIAL RADIOLOGICO EXPERIMENTO I: Manejo de Instrumentación Eduardo Mera1 1 Departamento de Física, Universidad Tecnológica Metropolitana, Av. Alessandri #1242, Ñuñoa. Santiago de Chile, Noviembre 2012
  2. 2. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física RESUMEN En el presente laboratorio se conoció los diversos tipos de detectores, el alumno identifico el tipo de partículas emitidas por una fuente radioactiva y calculo ejercicios numericos con unidades de radiación ionizante 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− = 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. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 2
  3. 3. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física Otro parámetro útil para caracterizar el decaimiento de un núcleo es la vida media T1/2. La vida media de una sustancia radioactiva es el tiempo que tarda la mitad del número de núcleos radioactivos en decaer (la vida media para el decaimiento del 238 U es 4,47 x 109 años). Para poder evaluar la radiación fueron inventados los detectores, el modo de funcionamiento general de un detector de espectrometría genérico, está basado en el hecho físico de que toda interacción protagonizada por la radiación ionizante sobre el volumen del detector, (sólidos, gaseosos, o líquidos) genera una carga total Q por interacción, cantidad de carga que dependerá de las características especificas de cada tipo de detector. De acuerdo a la finalidad, se escogerá el detector adecuado a ese objetivo. Los tiempos de interacción de las partículas ionizantes con la materia que constituye el detector son muy pequeños, reduciéndose en la mayoría de los casos prácticos a unos pocos nanosegundos en detectores gaseosos o picosegundos en detectores sólidos, de manera que, considerando la velocidad de respuesta del equipo electrónico asociado, podemos estimarlos como eventos instantáneos. Una vez generada la carga Q, el paso siguiente consiste en colectarla para formar la señal eléctrica básica, proceso que se realiza típicamente creando un campo eléctrico dentro del detector que origina la separación de cargas y la consiguiente corriente. El tiempo de colección tC depende del tipo de detector que se use, variando desde mili (detectores gaseosos) hasta nanosegundos (detectores de estado sólido). De acuerdo al tipo de interacción, energía y tC del detector, el pulso de corriente generado variará su altura y longitud y el modelo más simple de un detector, consiste en suponer que cada interacción lleva asociada una y sólo una carga Q distinguible de la siguiente, lo que puede considerarse verdadero, si las actividades de la fuente emisora no son altas. En general, los detectores funcionan en dos modos: pulso y corriente. El primero, lejos mayoritario en las aplicaciones, consiste en registrar cada interacción de radiación con el detector por separado mientras que en el modo corriente se mide la corriente promedio (cc) producida en el detector, durante un tiempo de respuesta característico, dando por resultado neto que es proporcional a la razón media de interacciones por segundo y a una carga media por interacción. Este tipo de modo de operación se usa en dosimetría y/o en monitoreo de reactores nucleares, ya que se necesitan valores totales de radiación. Marco teórico basado en [1], [2] y [3] Objetivos 1. Conocer los detectores:  Geiger Muller  Contadores proporcionales (Gas)  Detectores de Estado Sólido (Centelleo)  Cámaras de Ionización 2. El alumno conocerá las unidades de radiación ionizante Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 3
  4. 4. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física II. Procedimiento Experimental: 1. Estimación de la radiación de fondo: Se procedió a obtener la radiación de fondo se implementó el sistema de la figura 1, que consiste en un instrumento (paleta), el cual al llegar una partícula ionizante (α, β, γ), genera un pulso eléctrico que se amplifica y cuenta electrónicamente, mediante la interfaz conectada a un PC. Figura 1.- Montaje experimental Se deben alejar todas las muestras radioactivas del detector y se registraron las cuentas de forma continuada. 2. Determinación tipo emisión: Se procedió a determinar el tipo de emisión de una fuente radioactiva utilizando el mismo sistema de la figura 1, se analizaron y midieron dos fuentes radiactivas, a saber: i.- Am-241 T1/2 = 432,6 años ii.- Cs-137 T1/2 = 30,3 años Se midió la radiación de las dos fuentes radiactivas. Luego y sabiendo que las partículas α pueden ser bloqueadas por papel dado su bajo poder de penetración, se midió la radiación de cada fuente ubicando una lámina de papel sobre el detector. A partir de las mediciones anteriores, si estas disminuyen, se puede asumir que la radiación emitida por esa fuente es α. 3. Teórica: El docente dio a conocer los rangos de radiación ionizante que son considerados peligrosos y se dieron ejercicios numéricos a calcular. 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. Regla Equipos y materiales basados en [3] Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM Detector Contador interfaz PC 4
  5. 5. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física III. Datos Experimentales I. Estimación de la radiación de fondo: se procedió a dejar muestreando el censor de centelleo por un lapso de 6 segundos (0.1 minutos), teniendo el cuidado de alejar toda fuente radioactiva del sector, los datos registrados son (tabla 1): Medición conteos 1 5905 Tabla N° 1: evaluación de background Los datos de temperatura y presión del laboratorio eran 19ºC y una presión atmosférica de 1025 HPa. II. Determinación tipo emisión: Se midió la radiación de las dos fuentes radiactivas. Luego y sabiendo que las partículas α pueden ser bloqueadas por papel dado su bajo poder de penetración, se midió la radiación de cada fuente ubicando una lámina de papel sobre el detector. A partir de las mediciones anteriores, si estas disminuyen, se puede asumir que la radiación emitida por esa fuente es α. III. Teórica: Los humanos no disponemos de ningún órgano sensorial apropiado para detectar la radiación ionizante, a pesar de su nocividad. Por ello, dependemos de instrumentos para indicar la presencia de radiaciones ionizantes en el entorno. Aprovechando el fenómeno de la ionización que se produce debido a la interacción de la radiación con la materia, se cuantifica la radiación a través de instrumentación electrónica especializada. Los cuales a partir de estos fenómenos, se pueden clasificar, según el mecanismo físico involucrado en el proceso de detección, en: Detectores por ionización y detectores por excitación. Los detectores por ionización comprenden básicamente los gaseosos y los semiconductores. Los detectores gaseosos pueden ser cámaras de ionización, contadores proporcionales y los detectores Geiger Müller. Los detectores por excitación pueden ser clasificados a su vez, en inmediatos y retardados. Los detectores de excitación inmediatos son básicamente los detectores de centelleo y los detectores de excitación retardados, agrupan entre otros los de película fotográfica, los termoluminiscentes, los radiofotoluminiscentes, los de emisión exoelectrónica termo o fotoestimulada, etc. Existe una clasificación de la instrumentación que tiene que ver directamente con la aplicación radiológica y la adecuación del instrumento con la práctica: los detectores personales, los monitores portátiles, los detectores de área (radiación ambiental), los electrómetros de precisión y los detectores telescópicos. Detectores gaseosos: Cámaras de ionización Este tipo de instrumento consta principalmente de un detector con dos electrodos metálicos que pueden ser dos placas paralelas, dos superficies cilíndricas concéntricas o una barra metálica rodeada de una superficie cilíndrica. Entre los electrodos se interpone un gas (comúnmente aire) el cual va a ser ionizado por el campo de radiación al cual se le somete. La ionización del gas da lugar a la producción de electrones e iones gaseosos positivos, simultáneamente se aplica un potencial eléctrico (mayor de 10 V) entre los electrodos, los electrones libres y los iones positivos son atraídos por el electrodo de carga opuesta, por lo tanto, una fracción de iones es atraída por los electrodos y la otra fracción es recombinada. La proporción descargada en los electrodos crece sí se aumenta el potencial entre los electrodos, por ejemplo, para 50 V todos los iones producidos por la radiación ionizante son atraídos por los electrodos y Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 5
  6. 6. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física no se produce recombinación, puede que siga aumentado el potencial pero llegará un momento en que no habrá variación de carga colectada para un voltaje determinado. La neutralización de cargas sobre los electrodos da lugar a una corriente i, cuando la intensidad de corriente corresponde a la captura de todos los iones primarios se denomina is "corriente de saturación". Una cámara de ionización funciona "en corriente" cuando el potencial aplicado da lugar a la salida de corriente de saturación cuya intensidad es proporcional a la intensidad de la ionización causada por la radiación en el gas. La magnitud de la radiación depende de la actividad de la fuente y de la energía de la radiación, en conclusión una cámara de ionización "en corriente" hace diferenciación por energía. Detectores gaseosos: Contadores proporcionales Al igual que una cámara de ionización este funciona con un gas, utilizándose comúnmente argón mezclado con un 10% de metano, y para propósitos de detección de neutrones se usa un gas hidrocarburo liviano, un gran volumen del detector y construcción de las paredes con un material de bajo número atómico. La tensión aplicada a los electrodos es un poco mayor que la utilizada en las cámaras de ionización, debido a ello se producen ionizaciones secundarias que crea una avalancha de electrones que luego van a ser detectados en uno de los electrodos, debido a este fenómeno estos instrumentos tienen una mayor sensibilidad que las cámaras de ionización. Se llaman proporcionales porque si se aumenta la tensión aplicada a los electrodos aumenta proporcionalmente la fracción de electrones colectados. Estos detectores hacen diferenciación de energías y por lo tanto son adecuados para medir y diferenciar entre diferentes tipos de radiación. Los pulsos colectados son relativamente pequeños y de todas formas se debe amplificar la señal mediante un amplificador Detectores gaseosos: Contadores GEIGER MULLER La estructura de un detector de este tipo es similar a la de un contador proporcional, contando con dos electrodos y un gas de relleno generalmente argón mezclado con un pequeño porcentaje de gas “extintor” a una baja presión aproximadamente 0.1 atm, el ánodo suele ser recto o en forma de aro. La tensión aplicada en los electrodos es mayor que en los contadores proporcionales creándose una avalancha de electrones tan grande que se extiende en todo el gas, debido a esto, todos los pulsos tienen el mismo tamaño y debido a ello no hay diferenciación de energía. La multiplicación de los pulsos son del orden de 1V y pueden registrarse en un escalímetro sin necesidad de una etapa de amplificación. A causa del pequeño tamaño del detector y de la simplicidad de la electrónica asociada estos instrumentos se utilizan de manera portátil y a un bajo costo. Detectores Excitación: Detectores Semiconductores Estos detectores son sólidos construidos de elementos puros a los cuales la radiación ionizante les produce un efecto de excitación a los electrones menos ligados al átomo “electrones de valencia” llevándolos a un nivel de mayor energía llamado nivel de “electrones de conducción” donde pueden desplazarse libremente entre el cristal. Al pasar a la banda de conducción quedan desligados de los átomos de la red cristalina quedando una vacancia que corresponde a una carga positiva, esta vacancia puede ser ocupada inmediatamente por un electrón del átomo vecino y este a su vez deja una vacancia que luego va a ser ocupada, dando como resultado una carga positiva desplazándose hacia el cátodo. De los materiales semiconductores utilizados están el Germanio, el Silicio y el Arseniuro de galio. El germanio hiperpuro conduce corriente bajo un campo eléctrico por movimiento de electrones y agujeros hacia los electrodos. Detectores Excitación: Detectores De Centelleo Los electrones del cristal de centelleo son excitados por la radiación directa e indirectamente ionizante, estos detectores usan la propiedad de remitir la excitación atómica o molecular en forma de luz. Cuando el fenómeno sucede de manera instantánea se le denomina “fluorescencia” y si sobrepasa un tiempo mayor a 10-8 s se le llama “fosforescencia”, parte de la energía de excitación es devuelta como vibración térmica y otra como radiación visible. Los cristales utilizados se les llama “fósforos” o haluros alcalinos. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 6
  7. 7. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física Cuando ha sido excitado un electrón, este queda ocupando un nivel en la banda de conducción para luego caer en un nivel intermedio (entre la banda de conducción y la banda de valencia) inmediatamente este cae al nivel de valencia emitiendo un fotón de luz “proceso fluorescente”. Debido a que parte de la energía de excitación se pierde, la eficiencia de estos detectores es pobre. En la detección de la luz emitida se emplea un tubo fotomultiplicador que amplifica y cuantifica la luz convirtiéndola en una señal eléctrica del orden de 10mV para luego llevarla a una etapa de preamplificación y amplificación. Los detectores de centelleo hacen diferenciación por energía y son muy empleados para detectar niveles de radiación del orden del fondo natural. Recomendaciones para el manejo de la instrumentación • Antes de utilizar un instrumento se debe verificar el estado de las baterías, ya que de esto depende su correcto funcionamiento. • Seleccionar la escala adecuada para medir el nivel de radiación, cuando no se tiene conocimiento del valor esperado se debe iniciar con la escala de mayor rango, cambiándola si es necesario hasta obtener una lectura apreciable. • Algunos equipos poseen un ajuste de cero, el cual debe hacerse de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. • La calibración de los instrumentos de medida, es un paso imprescindible antes de comenzar la utilización de un equipo. Sin embargo, no es menos necesario constatar que entre sucesivas calibraciones el instrumento no ha sufrido variaciones importantes. Para llevar a cabo estas comprobaciones, algunos fabricantes entregan con el instrumento una pequeña fuente radiactiva (fuente de chequeo); es de anotar, que no siempre estas fuentes emiten el tipo de radiación para el cual se utiliza el instrumento, esta es la razón por la cual a estas fuentes se les da el carácter de "fuentes de comprobación de estabilidad" muy lejos del que algunos usuarios erróneamente le atribuyen al designarlas como "fuentes de calibración"; de ahí que la calibración sea periódica en un laboratorio de metrología acreditado oficialmente y sea un paso necesario. • Es de vital importancia tener en cuenta en la interpretación de los resultados el factor de calibración dado por el laboratorio de metrología. Dosímetros Personales: Con el fin de evaluar las dosis recibidas por el personal ocupacionalmente expuesto, se utilizan sistemas para el monitoreo individual, los que se pueden agrupar en dosímetros de lectura directa y dosímetros de lectura diferida. Dosímetros de lectura directa: En algunas aplicaciones y de acuerdo a los procedimientos establecidos, es muy frecuente determinar valores de exposición sobre intervalos de tiempo cortos, tales como un día o menos, utilizando cámaras de ionización tipo lapicera u otro sistema que permita obtener las lecturas cuando el usuario lo desee. El dosímetro personal tipo lapicera está constituido por una cámara de ionización de aire, aproximadamente 2 cm3 , con un electrodo central en forma de varilla fina que va unida a una fibra de cuarzo metalizado. Al utilizar este tipo de dosímetro personal se es conveniente tener en cuenta los siguientes aspectos: • Llevar a cero el dosímetro antes de iniciar cualquier práctica. • Sujetarlo firmemente y llevarlo continuamente. • Leerlo a intervalos más frecuentes cuanto mayor sea el riesgo a una exposición. • Si se ha caído o golpeado verificar su normal funcionamiento. • Si en una de las lecturas se observa que se fue de escala, inmediatamente verificar los niveles de radiación para determinar el procedimiento a seguir. • Verificar la bondad de la calibración y hacerlo recalibrar cuando sea necesario. Existen otros dosímetros personales de lectura directa cuyo detector es un Geiger Müller y su lectura se muestra en un tablero digital llamados Dosímetros electrónicos personales. Estos dosímetros están dotados por una alarma acústica la cual se activa cuando la intensidad del campo de radiación supera un nivel prefijado en el instrumento. La electrónica asociada que poseen estos instrumentos los hace más voluminosos siendo menos versátiles que los de tipo lapicera y por lo tanto menos utilizados. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 7
  8. 8. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física Dosímetros de lectura retardada: Este tipo de dosímetro personal, solamente permite obtener la información de la dosis acumulada mediante el respectivo procedimiento o tratamiento según el tipo de dosímetro. En general, son detectores de excitación, el más frecuentemente utilizado como dosímetro personal es el de película fotográfica, sin embargo, los detectores termoluminiscentes están siendo ampliamente utilizados como dosímetros personales, sustituyendo o complementando a los de película. En radioprotección los dosímetros de lectura retardada son de gran importancia, ya que si se les da el uso adecuado, permiten el registro de las dosis recibidas por el usuario; y en el caso del dosímetro de película es el único sistema dosimétrico que mantiene la información fija para cuando sea solicitada. Uso y escogencia del instrumento con fines de radio protección: En la elección de los instrumentos requeridos con fines de radioprotección es fundamental evaluar los riesgos potenciales que genera la práctica que se desea realizar. En el caso del monitoreo individual se debe considerar el riesgo a la irradiación externa y el riesgo de la contaminación interna, en determinadas prácticas uno de ellos prevalece sobre el otro y en otras ambos son importantes y por lo tanto se deben evaluar simultáneamente. Para niveles altos de radiación se utilizan las cámaras de ionización, debido a que cubren rangos que van desde los pocos mR/h a 103 o 104 R/h. Para niveles bajos se usan lo detectores Geiger Müller y los centelladores, estos cubren rangos entre 0.1 mR/h hasta 2 R/h. Es importante que se conozcan muy bien las características del instrumento y una muy importante se refiere al tiempo de respuesta, especialmente en las instalaciones de radiodiagnóstico, donde en la escogencia del instrumento se deben considerar las altas tasas de exposición y los cortos tiempos de emisión empleados. En estos casos se recomienda el uso de otros métodos alternativos de medida como el uso de dosímetros de película, dosímetros termoluminiscentes o cámaras de ionización usadas como dosímetros o integradores que tengan un tiempo de respuesta corto y tengan una calibración adecuada para tal fin. En las instalaciones que albergan generadores de electrones, la instrumentación que se requiere para monitorear las áreas aledañas, deben ser intensímetros y/o monitores utilizados para medir la radiación X que se genera en las dispersiones a través de las barreras blindantes. En el caso de uso de fuentes abiertas, presentan riesgos diferentes a los observados en las fuentes selladas. Cuando se manipulan fuentes abiertas, el material radiactivo puede ser inhalado, ingerido o puede ser incorporado a través de la piel; en general el riesgo de irradiación externa es este caso es despreciable cuando las actividades que se manejan son pequeñas. Para este tipo de fuentes es necesario realizar: • Monitoreo del aire. Este se puede hacer con cámaras de ionización de flujo continuo de gas, o también haciendo circular aire a través de filtros, los cuales son monitoreados posteriormente. En general se requieren instrumentos para la detección de betas y gammas, también en algunos casos se requiere instrumentación para monitorear la presencia de partículas alfa. • Monitoreo de líquidos. Puede realizarse continuamente o sobre muestras básicas. En el primer caso se puede realizar sumergiendo un geiger o un detector de centelleo en el líquido a ser medido. En el segundo caso para el análisis de muestras, se desarrollan técnicas especiales que requieren de instrumentación compleja, la cual solamente se tiene en laboratorios especializados, a los que hay que recurrir para este tipo de evaluaciones. • Monitoreo de superficies. Se pueden medir directamente con detectores geiger sensibles, de ventana delgada. Para la detección de contaminaciones con materiales radiactivos emisores de partículas alfa, se requiere que la ventana sea extremadamente delgada, de 1 a 10 mg/cm2 . Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 8
  9. 9. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física También se puede realizar el monitoreo de superficies de forma indirecta realizando un frotis a la superficie con papel filtro, midiendo posteriormente su contenido de material radiactivo y en base a este valor determinar la contaminación superficial. Instrumentación Usada en el Monitoreo de la Radiación Tipo de Equipo Radiación Medida Rango de Medición típico Uso principal Geiger Muller Beta Equis ( X ) Gamma 0.1 a 100 rem 500 a 100000 cpm - Medición de campos de radiación. - Contaminación por emisores betas y gammas. Contadores de Centelleo Beta Equis (X) Gamma 0,01 a 20 rem 50 a 250000 cpm Evaluaciones con pequeñas contaminaciones. Cámaras de Ionización Beta Equis (X) Gamma 3 mR/h a 500 R/h Supervisión general Contador Proporcional Alfa Neutrones 100 a 500000 cpm 1 mrem a 100 rem - Contaminación alfa - Monitoreo neutrones Equipo de contaje de laboratorio Medición de muestras tomadas en áreas contaminadas Muestreadores de aire. Monitoreo de la contaminación en el aire. Dosímetros de lectura directa Equis Gamma 0 a 200 mrem 0 a 5 rem Monitoreo personal. Dosímetro de película, y TLD Beta Equis (X) Gamma Neutrones 10 mrem a 10000 rem Monitoreo personal. Dosímetros con alarma Equis (X) Gamma. 0 a 1000 mrem Supervisión general. Unidades de Medida: Las unidades de medida de la radiación son algo complejas, pues a las tradicionales, a saber, Roentgen, Rad y Rem, se han unido más recientemente sus equivalentes en el sistema internacional de unidades (SI). Unidades tradicionales: El Roentgen es una unidad utilizada para la medición de la exposición a la radiación. Solamente puede ser usada con propiedad para medir cantidades de radiación ionizante electromagnética, es decir, rayos gamma o X, y solamente en el aire. Un roentgen es la energía radiante que deposita 2.58 * 104 culombios por kilogramo de aire seco. Es realmente una medida de la ionización existente en las moléculas de una masa de aire. A pesar de las mencionadas limitaciones, la ventaja de esta unidad es que es fácil de medir de forma directa. El rad es una unidad de medida de la dosis de radiación absorbida. Se relaciona con la cantidad de energía absorbida por un material, y puede ser utilizada para cualquier tipo de radiación y para cualquier material. Se define como la absorción de 100 ergios por gramo de material. A pesar de las ventajas reseñadas, no describe los efectos biológicos de las diferentes radiaciones. Por ello se describió el rem (rad equivalent man). Es una unidad utilizada para cuantificar los efectos biológicos de la radiación. No todas las radiaciones tienen el mismo efecto biológico, incluso con la misma cantidad de dosis absorbida. Para determinar la dosis equivalente (rem) hay que multiplicar la dosis absorbida en rads por un factor de calidad W, propio de cada tipo de radiación. Para las radiaciones electromagnéticas, el rad y el rem coinciden en su valor, puesto que se les asigna un valor W=1. Las dosis suelen expresarse en términos de milésimas de rem, o mrem. Unidades SI: Las unidades SI son cada vez más utilizadas, El Gray (Gy) es una medida de la dosis absorbida. Como el rad, su equivalente en el sistema tradicional, puede utilizarse para cualquier tipo de Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 9
  10. 10. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física radiación, y para cualquier material. Un Gray es igual a un Joule de energía depositado en un kilogramo de materia. Como el rad, no describe los efectos biológicos de la radiación. La dosis absorbida se expresa a menudo en centésimas de Gray o centigrays. Un Gy es equivalente a 100 rads. El Sievert (Sv) es una unidad utilizada para describir la dosis equivalente en efectos biológicos. Es pues paralela al rem, y equivalente a 100 rem. A menudo debe utilizarse en unidades fraccionarias, hasta de millonésimas de Sievert, o micro-Sievert IV. Resultados I. Estimación de la radiación de fondo: se procedió a dejar muestreando el censor de centelleo por un lapso de 6 segundos (0.1 minutos), teniendo el cuidado de alejar toda fuente radioactiva del sector, los datos registrados son (tabla 1): Medición conteos 1 5905 Tabla N° 1: evaluación de background Los datos de temperatura y presión del laboratorio eran 19ºC y una presión atmosférica de 1025 HPa. II. Determinación tipo emisión: los resultados obtenidos son: a) Radiación de fondo: H = 160nSv/h A = 8,5cps b) Principales formas de decaimiento de las fuentes: i.- Am-241: α- (100%) ii.- Cs-137: β- (100%) III. Teórica: Fotos: Figura 1. Detectores Geiger - Muller Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 10
  11. 11. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física Figura 2. Contador Proporcional Figura 3. Detectores de Germanio Hiper-Puro Figura 4. Detectores de Centelleo Ejercicios 1) Con un instrumento se mide una tasa de dosis absorbida de 25mrad/h de radiación gamma, ¿a cuánto equivale esta lectura en mSv/h y µSv/h? Sol.: Sabiendo que: [ ] [ ]1 / 100 /mGy h mrad h= [ ] 25 1 0,25 / 100 D mGy h × = =& Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 11
  12. 12. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física Además, al tratarse de radiación gamma, el factor de peso para la radiación es: 1RW = Así: [ ] [ ]1 0,25 0,25 / 250 /RH W D mSv h Sv hµ= × = × = =& & 2) En una instalación se mide una tasa de exposición de 15mR/h ¿Cuál es la tasa de dosis absorbida en aire medido en mrad/h y en mGy/h? Sol.: Sabiendo que: [ ] [ ]/ 0,87 /D rad h X R h=& & [ ] [ ] [ ]3 3 / 0,87 15 10 13,1 10 / 13,1 /D rad h rad h mrad h− − = × × = × =& Además: [ ] [ ]1 / 100 /mGy h mrad h= [ ] [ ] 13,1 1 0,131 / 131 / 100 D mGy h Gy hµ × = = =& 3) El oficial de protección radiológica de una instalación establece que el límite de dosis equivalente para irradiación uniforme en todo el cuerpo en el POE es de 12 mSv/año ¿Cuál es el límite mensual en mSv, el limite semanal en mrem, el límite diario en µSv y la tasa de dosis equivalente quede existir en la instalación para no sobrepasar el límite de dosis equivalente establecido en µSv/h? Sol.: Puesto que un año posee 12 meses, el límite de dosis mensual es: [ ] 12 1 / 12 H mSv mes= =& Suponiendo un año laboral de 50 semanas el límite semanal es: [ ] [ ] 12 0,24 / 24 / 50 H mSv semana mrem semana= = =& La semana laboral tiene 5 días, luego el límite diario es: [ ] [ ] 0,24 0,048 / 48 / 5 H mSv día Sv díaµ= = =& Suponiendo un día laboral de 8 horas, el nivel de tasa de dosis es: [ ] 48 6 / 8 H Sv hµ= =& Obteniendo que el grafico de actividad corregida se acerca de mejor manera a una forma cuadrática Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 12
  13. 13. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física V. Análisis y Conclusiones Análisis y Conclusiones: Las magnitudes de las corrientes producidas en una cámara de ionización son muy pequeñas, del orden de los nanoamperios por ello se debe amplificar la señal por medio de un "amplificador electrónico", de este modo, los pulsos pueden ser registrados por un escalímetro, que al final es un registrador de pulsos de tensión. Puesto que los instrumentos de medición de la radiación pueden resultar de vital utilidad, su uso sugiere tener presentes algunas recomendaciones importantes, entre las que se encuentran: verificar el estado de las baterías, seleccionar la escala adecuada para medir el nivel de radiación, ajustar el cero, mantener una correcta mantención y calibración del instrumento y tener en cuenta en la interpretación de los resultados el factor de calibración dado por el laboratorio. Al intentar describir el tipo de decaimiento predominante en una fuente radiactiva, se logró establecer que según sugieren las mediciones realizadas, la fuente de Am-241 emite predominantemente radiación alfa pues para la primera medición de la fuente esta aumentó considerablemente la radiación de fondo, al colocar una lámina de papel entre la fuente y el detector la el valor de la radiación volvió al valor de la radiación de fondo. Por lo cual además se puede concluir que predominantemente la radiación de fondo está formada por β y γ. Se tiene en en clase que los detectores gaseosos que ls amplitud del impulso eléctrico depende del número de cargas generadas (colectadas). El poder de ionización de las partículas α es mayor que el de las partículas β → La amplitud del impulso será mayor en el caso de las partículas α. El poder de ionización de las partículas β es mayor que el de la radiación γ → La amplitud del impulso será mayor en el caso de las partículas β. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 13
  14. 14. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, 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 Manejo de Instrumentación, CCHEN. 2012. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 14

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