las radiaciones ii el manejo de las radiaciones nucleares.pdf

26/1/2014 COMIT DE SELECCIN

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_1.htm 1/1

C O M I T D E S E L E C C I N

Dr. Antonio Alonso

Dr. Juan Ramn de la Fuente

Dr. Jorge Flores

Dr. Leopoldo Garca-Coln

Dr. Toms Garza

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Guillermo Haro

Dr. Jaime Martuscelli

Dr. Hctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. Juan Jos Rivaud

Dr. Emilio Rosenblueth

Dr. Jos Sarukhn

Dr. Guillermo Sobern

Coordinadora fundadora:

Fsica Alejandra Jaidar

Coordinadora:

Mara del Carmen Faras

26/1/2014 EDICIONES


E D I C I O N E S

Primera edicin, 1991

Primera reimpresin, 1995

La Ciencia desde Mxico es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Econmica, al quepertenecen tambin sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretara deEducacin Superior e Investigacin Cientfica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia yTecnologa.

D. R. 1990, FONDO DE CULTURA ECONMICA, S. A. DE C.V.

D.R. 1995, FONDO DE CULTURA ECONMICA

Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 Mxico, D.F.

ISBN 968-16-3545-0

Impreso en Mxico

26/1/2014 INTRODUCCIN


I N T R O D U C C I N

La raza humana ha estado siempre expuesta a la radiacin ionizante de origen csmico yde otras fuentes naturales de radiacin. Hoy en da se agregan a estas fuentes lasproducidas artificialmente por el hombre, como los radioistopos, los generadores derayos X y los aceleradores y reactores nucleares. En la sociedad moderna estassubstancias y aparatos han llegado a ser elementos necesarios, por ejemplo en lasaplicaciones mdicas o industriales. Sin embargo, como en cualquier otra actividad,existen ciertos riesgos en el uso de las radiaciones ionizantes. El campo de la seguridadradiolgica trata de proteger al ser humano contra los riesgos excesivos sin impedir suutilizacin benfica.

Es bien conocido que si una persona es expuesta a una cierta dosis de radiacin, ya seaaccidentalmente, por motivos de trabajo, o por tratamiento mdico, pueden causarsedaos a la salud. Se ha acumulado un gran acervo de informacin sobre los efectos de laradiacin en los humanos, mediante seguimiento y anlisis de sucesos, algunos graves yotros leves, que involucran exposicin a la radiacin.

En este libro se resumen los conocimientos prcticos sobre la radiacin y sus efectos.Esto permitir reducir a niveles aceptables los riesgos inherentes a las aplicacionesindustriales de la radiacin y adoptar una actitud responsable en cuanto a su uso,considerando tanto al trabajador como al pblico en general.

Toda cuestin tcnica requiere, para su cabal comprensin, del auxilio de lasmatemticas. El campo de la proteccin radiolgica no es la excepcin. Se ha procuradoincluir aqu el menor nmero posible de frmulas matemticas con objeto de que lalectura completa se pueda llevar a cabo con fluidez. Para el lector que desee profundizarms, se incluyen algunos desarrollos matemticos en los apndices al final del libro. Unsinnmero de aspectos tocantes a la radiacin, su aprovechamiento, su medida, y susefectos no han sido tratados por razones de espacio. Estos pueden ser estudiados afondo en los libros especializados, de los que se mencionan algunos en la bibliografa.

26/1/2014 I. LA ESTRUCTURA ATMICA DE LA MATERIA


I . L A E S T R U C T U R A A T M I C A D E L AM A T E R I A

I.1. INTRODUCCIN

QU es la materia? Segn el diccionario, es "aquello que constituye la sustancia deluniverso fsico". La Tierra, los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombrecontempla, toca o siente, es materia. Tambin lo es el hombre mismo. La palabramateria deriva del latn mater, madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tanadaptable como el agua, tan informe como el oxgeno del aire. A diferentes temperaturaspuede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, est constituida porlas mismas entidades bsicas, los tomos.

Las radiaciones ionizantes y sus efectos tambin son procesos atmicos o nucleares. Poreso debemos describir a los tomos y sus ncleos antes de hablar de la radiacin.

I.2. EL TOMO

La pequeez de los tomos embota la imaginacin. Los tomos son tan pequeos quepueden colocarse unos 108, o sea 100 millones de ellos, uno despus de otro, en un

centmetro lineal. Su radio es del orden de l0-8 cm. A su vez, los ncleos tienen

dimensiones lineales 10 000 a 100 000 veces ms pequeas. El radio nuclear es de 10-

12 a 10-13 cm. En trminos de volumen, los tomos ocupan como l0- 24 cm y los

ncleos l0-38 cm.

En un slido, los tomos se encuentran en contacto entre s y fuertemente ligados, demanera que su movimiento relativo es mnimo. Por esta razn los slidos conservan suforma. En los lquidos, en cambio, aunque los tomos tambin se hallan en contacto, noestn fuertemente ligados entre s, de modo que fcilmente pueden desplazarse,adoptando el lquido la forma de su recipiente. Los tomos o las molculas de los gasesestn alejados unos de otros, chocando frecuentemente entre s, pero desligados, demanera que pueden ir a cualquier lugar del recipiente que los contiene.

Nuestra imagen del atmo recuerda la de un sistema planetario en el que el ncleo esten el centro y los electrones giran a su alrededor, aunque de hecho no puede decirse, adiferencia de nuestro Sistema Solar, exactamente dnde se encuentra cada electrn encada instante, como se ilustra en la figura 1.



Figura 1. Nuestra imagen del tomo.

El ncleo de cada tomo est formado a su vez por protones y neutrones. Lo podemosimaginar como un racimo de partculas, pues neutrones y protones se encuentran encontacto unos con otros.

Los electrones tienen carga elctrica negativa (-e), los protones la misma, pero positiva(+e), y los neutrones no tienen carga. Los ncleos son por consiguiente positivos. Lafuerza fundamental que mantiene a los electrones unidos a su respectivo ncleo es laelctrica; sabemos que cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se repelen.

Los tomos normalmente son elctricamente neutros, pues el nmero de electronesorbitales es igual al nmero de protones en el ncleo. A este nmero se le denominanmero atmico (Z) y distingue a los elementos qumicos. Ahora bien, los electronesorbitales se encuentran colocados en capas. La capa ms cercana al ncleo es la capa K;le siguen la capa L, la M, la N, etc. Una clasificacin de los elementos la constituye la tablaperidica, en que a cada elemento se le asocia su correspondiente Z (vase la figura 2).En el cuadro 1 se dan ejemplos de algunos elementos ligeros, incluyendo el nmero deelectrones que corresponde a cada capa; la capa K se llena con 2 electrones, la L con 8,etc. Se conocen ms de 100 elementos. Ntese que nombrar el elemento equivale aestablecer su nmero atmico.

CUADRO 1. Configuracin electrnica de los elementos ligeros.

Elemento ZNmero de electrones

en la capa

K L M

H (hidrgeno) 1 1



He (helio) 2 2

Li (litio) 3 2 1

Be (berilio) 4 2 2

B (boro) 5 2 3

C (carbono) 6 2 4

N (nitrgeno) 7 2 5

O (oxgeno) 8 2 6

F (flor) 9 2 7

Ne (nen) 10 2 8

Na (sodio) 11 2 8 1

Mg (magnesio) 12 2 8 2

Al (alumino) 13 2 8 3

etctera

Figura 2. La tabla peridica de los elementos.

Si por algn proceso fsico un electrn se separa de su tomo correspondiente, se diceque sucede una ionizacin. El tomo resultante, ahora con una carga neta positiva, sellama ion positivo, o tomo ionizado. La ionizacin puede tener lugar en cualquiera de lascapas atmicas, denominndose ionizacin K, L, M, etc. Cuando sucede una ionizacin decapa interna, como la K, queda un espacio vacante en la capa. El tomo tiene la tendenciaentonces a llenar esta vacancia con un electrn de una capa externa. Al suceder esto, hayuna emisin de radiacin electromagntica (luz visible, rayos ultravioleta, o rayos X),como lo muestra la figura 3.



Figura 3. Si sucede una ionizacin en la capa K, un electrn de la capa L llena la vacancia,

emitindose un fotn.

En un compuesto qumico se unen tomos de diferentes elementos para formar unamolcula, de acuerdo con la valencia de cada tipo de tomo. Tambin pueden formarsemolculas de tomos iguales, como en el caso del nitrgeno o del oxgeno, que en suestado natural existen como molculas diatmicas (dos tomos).

I.3.EL NCLEO

Como ya se mencion, el ncleo est en la parte central del tomo, y consiste deprotones y neutrones. Cada elemento de un Z determinado puede contener en su ncleodiferente nmero de neutrones sin que ello afecte su nmero atmico; por ejemplo, elhidrgeno, el elemento ms sencillo, puede tener cero, uno, o dos neutrones. El ncleodel hidrgeno ms comn slo consiste de un protn; le sigue el hidrgeno pesado, odeuterio, con un protn y un neutrn; y el tritio, con un protn y dos neutrones. Todosellos son hidrgeno, por ser de Z = 1, pero las variantes segn N, el nmero deneutrones, se llaman istopos del hidrgeno. En la Tierra, slo 15 de cada 100 000ncleos de hidrgeno son de deuterio. La llamada agua pesada est formada por deuterioen lugar de hidrgeno comn. Por otro lado, el tritio, que es radiactivo, slo se encuentraen nfima cantidad; lo produce la radiacin csmica. La figura 4 muestra los istopos delhidrgeno.



Figura 4. Los istopos del hidrgeno.

El nmero de masa A de los ncleos es igual al nmero total de nucleones (as se llamagenricamente a los neutrones y protones). En otras palabras, A = N + Z, con lo cual sedefine totalmente de qu ncleo se trata. Hay ms de 2 000 istopos conocidos detodos los elementos. En el cuadro 2 se dan ejemplos de algunos istopos de loselementos ms ligeros.

CUADRO 2. Algunos istopos de los elementos ligeros.

Elemento Z N A = N+Z

H 1 0 1

H 1 1 2

H 1 2 3

He 2 1 3

He 2 2 4

Li 3 3 6

Li 3 4 7

Be 4 5 9

B 5 5 10

B 5 6 11

C 6 6 12

C 6 7 13

C 6 8 14

N 7 7 14

N 7 8 15

O 8 8 16



O 8 9 17

O 8 10 18

etctera

Para identificar sin ambigedad a los ncleos, se usa la siguiente notacin:

en donde X representa el smbolo qumico (H, He, Li, etc.). Al indicar A y Z, queda definidoN = A- Z. Ntese, adems, que se puede prescindir de escribir Z, pues ya se tiene el

smbolo qumico, que es equivalente. En esta notacin, los istopos del hidrgeno son 1H,2H y 3H. Los del oxgeno sern 16O, 17O y 18O. La llamada Tabla de los Nclidos clasificaa todos los ncleos conocidos. En ella se asignan casilleros a los nclidos, teniendo en eleje horizontal el nmero N y en el vertical Z, como lo muestra la figura 5 para loselementos ms ligeros.

Figura 5. Tabla de los istopos de los elementos ligeros. Cada rengln corresponde a un elemento. El

nmero de cada cuadro es el nmero total de nucleones A. Los crculos indican istopos naturales.

I.4. LA MASA Y LA ENERGA

La masa de los ncleos es otra de sus caractersticas importantes. Para cuantificara se

define la unidad atmica de masa (u.a.m) como 1/12 de la masa del tomo de 12C, quetiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. En estas unidades las masas de laspartculas fundamentales resultan ser:

masa del protn = mp = 1.007277 u.a.m.



masa del neutrn = mn = 1.008665 u.a.m.

masa del electrn = me = 0.000549 u.a.m.

Como se puede ver, la parte importante de la masa de un tomo se debe a losnucleones; los electrones contribuyen poco, siendo la masa del electrnaproximadamente igual a 1/ 1 835 de la masa del protn.

La masa, aqu en la Tierra, se manifiesta como el peso. Cuando uno pesa un objeto, estpesando todos sus componentes, pero principalmente los ncleos. El ncleo define laposicin del tomo, y los electrones giran alrededor del ncleo.

Un mol de una substancia es igual a su peso molecular expresado en gramos. Se sabeque un mol de cualquier material tiene el mismo nmero de molculas, a saber, 6.023 X

1023, llamado nmero de Avogadro. Una u.a.m. equivale a 1.66043 X 10-24 gr, que esprecisamente el recproco del nmero de Avogadro.

La masa de un istopo dado nunca es igual a la suma de las masas de sus componentes.Este hecho extrao se debe a que la masa (m) se puede transformar en energa (E), yviceversa, segn la muy conocida ecuacin de Einstein:

E = mc,

donde c es la velocidad de la luz, 3 X 1010 cm/ seg. Si la masa del istopo es menorque la suma de las masas de sus componentes, la diferencia de las masas es la energade amarre del istopo. sta es la energa que se requiere para romper al istopo en suscomponentes.

La unidad conveniente de energa es el elctrn-volt (eV), que es la energa adquirida poruna partcula con una carga electrnica (e) al ser acelerada en una diferencia de potencialde 1 volt. Sus mltiplos son:

10 3eV = 1 000 eV = 1 keV (kilo electrn-volt)

10 6eV = 1 000 000 eV = 1 MeV (mega electrn-volt)

Se puede demostrar que 1 Mev equivale a 1.6 X 10-6 ergs.

De acuerdo con la ecuacin de Einstein, se puede calcular que 1 u.a.m: (la masa de un

nuclen aproximadamente) equivale a 931 MeV, o bien a 1.49 X l0-3 ergs. Si se piensa enel gran nmero de ncleos que contiene la materia, sta es una cantidad enorme deenerga. En el Apndice I se muestra el detalle de algunos de estos clculos.

Como ejemplo de energa de amarre, consideremos el deuterio cuya masa medida es2.014102 u.a.m. Por separado, el protn, el neutrn y el electrn totalizan 2.016491u.a.m. Esto significa que para separarlos hara falta proporcionarles 0.002389 u.a.m., obien 2.23 MeV. Por esta razn se dice que la energa de amarre del deuterio es 2.23 MeV,y este istopo es estable. Por otro lado, hay istopos a los que les sobra masa, y por lotanto pueden romperse en distintas formas y todava los fragmentos resultan con granenerga cintica.

La fuerza nuclear que acta en estos procesos es una fuerza de atraccin entre pares denucleones (protn-protn, neutrn-neutrn y neutrn-protn). Asimismo, es



independiente de las otras fuerzas, como la elctrica y la gravitacional.

26/1/2014 II. FUENTES DE RADIACIN


I I . F U E N T E S D E R A D I A C I N

II.1.LAS FUENTES RADIACTIVAS

Los ncleos pueden transformarse unos en otros, o pasar de un estado energtico aotro, mediante la emisin de radiaciones. Se dice entonces que los ncleos sonradiactivos; el proceso que sufren se denomina decaimiento radiactivo o desintegracinradiactiva. Esta transformacin o decaimiento sucede de manera espontnea en cadancleo, sin que pueda impedirse mediante ningn factor externo. Ntese, adems, quecada decaimiento va acompaado por la emisin de al menos una radiacin. La energaque se lleva cada radiacin es perdida por el ncleo, siendo la fuerza nuclear el origen deesta energa y lo que da a las radiaciones sus dos caractersticas ms tiles: poderpenetrar materia y poder depositar su energa en ella.

No todos los ncleos de la naturaleza son radiactivos. El decaimiento nuclear slo sucedecuando hay un exceso de masa-energa en el ncleo, la emisin le ayuda entonces alograr una mayor estabilidad. Los decaimientos radiactivos de los diferentes ncleos secaracterizan por: el tipo de emisin, su energa y la rapidez de decaimiento.

II.2 TIPOS DE DECAIMIENTO RADIACTIVO

Solo hay unas cuantas maneras en que los ncleos pueden decaer, si bien cada tipo dencleo tiene su propio modo de decaimiento. A continuacin describimos los msimportantes.

a) Decaimiento alfa (a). Un grupo importante de elementos pesados puede decaer

emitiendo partculas alfa, que consisten de un agregado de dos protones y dos neutrones.

Estas partculas alfa son idnticas a ncleos de helio (4He), por lo que su carga es +2e ysu nmero de masa es 4. Cuando un ncleo emite una partcula alfa, pierde 2 unidades decarga y 4 de masa, transformndose en otro ncleo, como lo indica el siguiente ejemplo:

226

Ra222

Rn+4

a88 86 2

Ntese que los nmeros atmicos y de masa deben sumar lo mismo antes y despus dela emisin. Ntese tambin que hay una verdadera transmutacin de elementos.

b) Decaimiento beta (b). Hay dos tipos de decaimiento beta, el de la partcula negativa yel de la positiva. La partcula beta negativa que se emite es un electrn, con sucorrespondiente carga y masa, indistinguible de los electrones de las capas atmicas. Envista de que los ncleos no contienen electrones, la explicacin de esta emisin es que unneutrn del ncleo se convierte en un protn y un electrn; el protn resultantepermanece dentro del ncleo en virtud de la fuerza nuclear, y el electrn escapa comopartcula beta. El nmero de masa del ncleo resultante es el mismo que el del ncleooriginal, pero su nmero atmico se ve aumentado en uno, conservndose as la carga.El siguiente caso es un ejemplo de decaimiento beta negativa.



24

Na24

Mg+0

b.11 12 -1

Debe mencionarse que en todo decaimiento beta se emite tambin una nueva partcula,el neutrino. Esta partcula no tiene carga ni masa y, por lo tanto, no afecta el balance dela ecuacin anterior. Por esa razn, y porque los neutrinos son muy inocuos, no seincluye en la ecuacin. Sin embargo, se lleva parte de la energa total disponible en elproceso, quedando la partcula beta con slo una parte de sta.

Algunos ncleos emiten partculas beta positivas (positrones), que tienen la misma masaque los electrones, y carga +e, o sea una carga electrnica pero positiva. Estas partculasson las antipartculas de los electrones. Se crean en el ncleo cuando un protn seconvierte en un neutrn. El nuevo neutrn permanece en el ncleo y el positrn (juntocon otro neutrino) es emitido. En consecuencia, el ncleo pierde una carga positiva, comolo indica el siguiente ejemplo:

22

Na22

Ne+0

b.11 10 +1

C) Decaimiento gamma (g ). Los rayos gamma son fotones, o sea paquetes de radiacinelectromagntica, como la luz visible, la ultravioleta, la infrarroja, los rayos X, lasmicroondas y las ondas de radio. No tienen masa ni carga, y solamente constituyenenerga emitida en forma de onda. En consecuencia, cuando un ncleo emite un rayogamma, se mantiene como el mismo ncleo, pero en un estado de menor energa.

d) Captura electrnica. En ciertos nclidos es posible otro tipo de decaimiento, la capturaelectrnica. En este caso el ncleo atrapa un electrn orbital, de carga negativa. Enconsecuencia uno de sus protones se transforma en un neutrn, disminuyendo as sunmero atmico. El electrn atrapado por el ncleo generalmente proviene de la capa K,dejando una vacancia. Para llenar esta vacancia, cae un electrn de una capa exterior (L,M, etc.), emitiendo de manera simultnea un fotn de rayos X. El proceso total seidentifica por los rayos X emitidos al final, que son caractersticos del nuevo tomo, comolo muestra el siguiente ejemplo:

55Fe+ 0e

55Mn+X26 -1 25



Hay otros procesos de menor importancia que tambin implican decaimiento radiactivo,transmutacin de elementos y emisin de alguna radiacin caracterstica. Por otro lado, sise cuenta con un acelerador de partculas o un reactor nuclear, se puede inducir un grannmero de reacciones nucleares acompaadas por sus correspondientes emisiones. Dehecho, en la gran mayora de las fuentes radiactivas que se usan en la actualidad, laradiactividad ha sido inducida por bombardeo con neutrones provenientes de un reactornuclear.

Hay fuentes radiactivas que emiten neutrones, pero stos provienen de reaccionesnucleares secundarias, porque ningn ncleo emite neutrones espontneamente, salvo enel caso poco comn de la fisin nuclear, la cual va acompaada por la emisin de variosneutrones.

II.3. ENERGAS DE DECAIMIENTO

La segunda propiedad que caracteriza al decaimiento radiactivo de cada nclido es laenerga de la radiacin emitida. Esta energa est dada por la diferencia entre los nivelesinvolucrados en el decaimiento. Como los ncleos slo pueden existir en niveles deenerga fijos (se dice que su energa est cuantizada), se deduce que la energa dedecaimiento entre dos estados dados es siempre la misma. Esta energa puede inclusoservir para identificar el nclido.

Las radiaciones a y g cumplen con esta regla de ser monoenergticas si provienen de un

solo tipo de decaimiento. Las b, sin embargo, deben compartir la energa disponible con el

neutrino, por lo que tienen un espectro continuo de energas. Las radiaciones nuclearestienen normalmente energas del orden de los MeV.

II.4. LEY DE DECAIMIENTO RADIACTIVO

La tercera propiedad caracterstica de la desintegracin radiactiva es su rapidez. Unnclido al desintegrarse se transforma en otro nclido y por lo tanto desaparece. Si elproceso es rpido, el nclido original dura poco, pronto se agota. Si el proceso es lento,puede durar mucho tiempo, hasta miles de millones de aos.

Supngase que se tiene una muestra con un nmero dado N de ncleos radiactivos. Laactividad A, o sea la emisin de radiacin por unidad de tiempo, es proporcional alnmero N presente en cada instante:

A =l N

La cantidad l se llama constante de decaimiento, y es caracterstica de cada elemento y

cada tipo de decaimiento. Representa la probabilidad de que haya una emisin en un lapsodado. De acuerdo con la frmula, para un valor dado de N, la actividad es mayor o menoren magnitud segn si l es grande o pequea.



Figura 6. Ley de decaimiento exponencial. Si l es grande, el decaimiento es rpido; si l es pequea,

el decaimiento es lento.

La actividad A se mide en desintegraciones/ unidad de tiempo. La unidad de actividadaceptada internacionalmente es el Becquerel (Bq), que equivale a 1 desintegracin/

segundo. Sus mltiplos son:

1 KiloBecquerel = 1 kBq = 1 000 desintegraciones/ segundo

1 MegaBecquerel = 1 MBq

= 1 000 000 desintegraciones/ segundo

Tambin se ha usado tradicionalmente la unidad Curie (Ci), igual a 3.7 X 10 10

desintegraciones/ segundo (sta es la actividad de un gramo de radio). Es claro que 1 Ci

= 3.7 X 10 10 Bq. Cuando uno adquiere una fuente radiactiva, debe especificarse su

actividad. Por ejemplo, una fuente de 1 Ci de 60 Co. Los submltiplos del Curie son:

1 miliCurie = 1 mCi=

l0-3Ci = .001 Ci

1 microCurie = 1mCi = l0

-6Ci = .000001 Ci

El Apndice II indica cmo puede uno obtener la ley de decaimiento radiactivo,

A = A0e -lt

En esta ecuacin Ao es la actividad inicial de la muestra, e es la funcin exponencial, y t es



el tiempo. La figura 6 es una grfica de actividad contra tiempo. Al principio del proceso,cuando t=0, la actividad tiene un valor Ao. Al transcurrir el tiempo, el valor de A va

disminuyendo hasta que, para tiempos muy grandes, casi desaparece. El valor de laconstante de decaimiento l determina qu tan rpidamente cae la curva. Si la misma

ecuacin se grafica en papel semilogartmico, el resultado es una lnea recta, como lomuestra la figura 7.

Figura 7. Ley de decaimiento exponencial graficada en papel semilogartmico

II.5. LA VIDA MEDIA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS

Para representar la duracin de las fuentes radiactivas se ha definido el concepto de vidamedia, y se representa como t1/2. La vida media de un istopo es el tiempo que tardaen reducirse su actividad a la mitad. Dada la naturaleza de la funcin exponencial, estavida media es la misma sin importar el instante en que se empieza a contar.

Como se puede ver en la figura 8, al transcurrir una vida media, la actividad se reduce a lamitad, al transcurrir dos vidas medias, se reduce a la cuarta parte, al transcurrir tres vidasmedias, se reduce a una octava parte, etc. En general, si transcurren n vidas medias, la

actividad se reduce a una fraccin l/2n del valor original.

Nmero de vidas medias transcurridas (n)



Figura 8. Por cada vida media que pasa, la actividad se reduce a la mitad. Despus de n vidas

medias, la actividad es A o /2n

Sabemos que la constante de decaimiento l representa la probabilidad de desintegracin.

Por lo tanto, es de esperarse que si l es grande, la vida media es corta, y viceversa, o

sea que hay una relacin inversa entre la constante de decaimiento y la vida media. Estarelacin es la siguiente:

t1/2 =0.693

l

segn se demuestra en el Apndice II.

Cada nclido tiene su vida media propia, y sta es otra cantidad que no puede seralterada por ningn factor externo. Las vidas medias de los istopos pueden ser desdefracciones de segundo hasta miles de millones de aos. El cuadro 3 muestra las vidasmedias de algunos radioistopos importantes.

CUADRO 3. Vida media de algunos istopos importantes.

3 H 12.26 aos

14 C 5.730 aos

22 Na 2.6 aos

32 P 14.3 das

40 K 1.3 x 109 aos

60 Co 5.24 aos

90 Sr 28.8 aos

124 Sb 60.4 das

129 I 1.6 x 107 aos

131 I 8.05 das

137 Cs 30 aos

170 Tm 134 das

169 Yb 32 das

192 Ir 74 das

210 Po 138 das

222 Rn 3.82 das



226 Ra 1620 aos

235 U 7.13 x 108 aos

238 U 4.51 x 109 aos

239 Pu 24 360 aos

241 Am 458 aos

252 Cf 2.7 aos

II.6 LOS ESQUEMAS DE DECAIMIENTO

Todas las caractersticas hasta aqu descritas sobre la desintegracin radiactiva de cadanclido se pueden representar de forma grfica en un llamado esquema de decaimiento,como los mostrados en la figura 9 para varios istopos: En estos esquemas, las lneashorizontales representan los estados energticos en que pueden estar los ncleos, ydistintos ncleos se encuentran desplazados horizontalmente, creciendo Z hacia laderecha. Las flechas indican transiciones por emisin radiactiva. La escala vertical es unaescala de energas; la energa disponible para cada decaimiento est indicada por laseparacin entre los estados correspondientes. De esta manera un decaimiento porpartcula cargada implica una flecha diagonal, y una emisin de rayo gamma una flechavertical.

Para la figura 9 se han seleccionado unos de los radioistopos ms empleados en la

industria, el 32P, el 60Co y el 137Cs (el 192Ir no se presenta por su complejidad). Alobservar detalladamente estos esquemas, se ve que un nclido puede decaer de variosmodos distintos, que tienen indicado el porcentaje en que se presenta cada uno. Adems,puede haber decaimientos secuenciales en varios pasos hasta llegar al estado de menorenerga (estado base). La emisin de rayos gamma siempre es resultado de la creacinprevia de un estado excitado del ncleo final. ste decae (posiblemente en varios pasos)hasta el estado base mediante transiciones llamadas isomricas.

Figura 9. Esquemas de decaimiento de algunos istopos.



Algunos de estos esquemas pueden ser muy complejos. A fin de simplificar la figura slose muestran las transiciones ms importantes. Habr que recalcar que no hay dosesquemas de decaimiento iguales, y el conocimiento que se tiene sobre decaimientosnucleares conforma ya un gran acervo.

Obsrvese, por ejemplo, el caso del 32P. Cada desintegracin corresponde a la emisinde una beta negativa y un neutrino, cuya suma de energas es 1.71 MeV, quedando como

resultado un ncleo de 32S en su estado base. En el caso del 60Co, se emite beta con

neutrino y luego dos rayos gamma secuenciales de 1.17 y 1.33 MeV. En el 137Cs, lamayora de las veces (92%) se emite beta negativa con neutrino y luego un rayo gammade .662 MeV; en 8% de los casos se emite slo una beta con neutrino, de un total de

energa de 1.17 MeV. El decaimiento del 192Ir es ms complicado, emitindose betaspositivas y negativas, neutrinos y varios rayos gamma de distintas energas.

II.7.FORMA FSICA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS

Como los radioistopos tienen las mismas propiedades qumicas que los elementosestables, las substancias radiactivas pueden presentarse de muy distintas formas. Paraempezar, pueden ser slidos, lquidos o gases, de acuerdo con el material primarioempleado en su produccin. La produccin de radioistopos consiste en colocar lasubstancia en un reactor nuclear y someterla a un bombardeo intenso con neutrones. Sepuede tener, adems, el material radiactivo en diferentes compuestos qumicos.

Las fuentes radiactivas ms empleadas (fuera de los laboratorios de investigacin) seencuentran encapsuladas, de manera que es poco probable que el material se esparza amenos que se le someta a un intenso maltrato. Generalmente estn soldadas dentro deuna cpsula de acero inoxidable que permite la salida de los rayos gamma pero no de lasalfas y slo parte de las betas. Nunca debe interferirse con el encapsulamiento de unafuente radiactiva.

Cuando se adquiere una fuente radiactiva, el proveedor deber especificar de qu istopose trata y cul es la actividad de la fuente en Becquerels o Curies.

II.8. LAS FUENTES DE RAYOS X

Adems de las fuentes radiactivas, en la industria o en la medicina suelen usarse aparatosde rayos X. A diferencia de las fuentes radiactivas, pueden encenderse o apagarse cuandose necesite. Esta caracterstica, a primera vista trivial, hace que el manejo de cada tipo defuente sea muy distinto, y que las precauciones para protegerse de la radiacin tambinlo sean.

Los generadores de rayos X funcionan con base en el hecho de que, cuando un haz deelectrones es frenado en un material, emite radiacin electromagntica (fotones)principalmente de longitudes de onda correspondientes a los llamados rayos X. Suscomponentes principales se indican en la figura 10. Un generador de rayos X consta de unbulbo de vidrio a alto vaco, con dos electrodos a los que se conecta un alto voltaje. Elelectrodo negativo, o ctodo, contiene un filamento emisor de electrones y es de formatal que los electrones emitidos se enfocan en una pequea regin del nodo, o electrodopositivo.



Figura 10. Tubo generador de rayos X.

Este nodo generalmente es de wolframio (tungsteno), cuyo elemento puede soportarlas altas temperaturas que resultan del bombardeo electrnico. Si se conecta un altovoltaje entre los dos electrodos, los electrones catdicos se aceleran a altas velocidadesy adquieren la energa correspondiente al voltaje aplicado. Cuando llegan al nodo, sefrenan bruscamente, produciendo rayos X y calor. Los rayos X salen del tubolateralmente a travs del vidrio.

Para activar el tubo de rayos X, es necesaria una fuente de alimentacin de alto voltaje.Por lo general se emplean decenas o hasta centenas de kilovolts. El valor del alto voltajedetermina la penetracin de los rayos X, como veremos ms adelante. El haz deelectrones constituye una corriente elctrica entre los dos electrodos, medida enmiliamperes. La cantidad de rayos X producida, que define la dosis de radiacin, esproporcional a la corriente de electrones, que puede ser hasta de unos 200 mamps. Estase controla mediante una fuente de alimentacin del filamento.

Figura 11. Espectro de energas de un tubo de rayos X.



La energa de los rayos X producidos tiene un espectro continuo, como el que se fija en lafigura 11. La energa mxima est dada por el kilovoltaje aplicado, la mnima por elgrueso del vidrio que tienen que atravesar al salir del tubo. Sobre este espectro seencuentran dos picos de energas fijas, correspondientes a los rayos X caractersticos deltungsteno, producto de la ionizacin de este elemento.

II.9. FUENTES DE NEUTRONES

En ocasiones se emplean fuentes de neutrones para la exploracin geofsica por lascaractersticas especiales de la dispersin de estas partculas en la materia. Como yasabemos, no existen substancias radiactivas que emitan neutrones, con excepcin dealgunos elementos pesados que sufren fisin espontnea, rompindose en dosfragmentos masivos y emitiendo varios neutrones a la vez. Un ejemplo es el californio252Cf, que emite 3 o 4 neutrones por cada fisin. Adems, sufre decaimiento alfa con unavida media de 2.7 aos. Acompaa a estas emisiones una importante cantidad de rayosgamma.

Las fuentes ms comunes de neutrones se basan en inducir una reaccin nuclear cuyoproducto sea un neutrn. Las reacciones ms empleadas para esto son las siguientes:

9Be+a 12C+n (5.704 MeV)

9Be+ y 8Be+n (-1.666 MeV)

2H+y 1H+n ( -2.225 MeV)

3H+ 2H 4He+n ( 17.586 MeV)

2H+2H 3He+n (3.226 MeV)

Estas reacciones pueden ser provocadas de distintas maneras, pero siempre basadas enhacer llegar un proyectil al blanco correspondiente. El valor indicado en el parntesis es laenerga disponible en cada tipo de reaccin y corresponde aproximadamente a la energadel neutrn emitido. Cuando es negativo, se requiere que el proyectil tenga por lo menosesta energa adicional para provocar la reaccin. Aunque los neutrones pueden serproducidos en reactores o aceleradores nucleares de varios diseos, las fuentes mscomnmente usadas en la industria son porttiles, y de dos tipos, las de berilio y losgeneradores de tubo sellado.

Las fuentes de berilio aprovechan cualquiera de las dos primeras reacciones mencionadasen que se hacen llegar partculas alfa o rayos gamma de una substancia radiactivaprimaria al elemento berilio. Los emisores de alfas ms empleados en estas fuentes sin el241Am, el 239Pu y el Po; el emisor de gammas ms comn es el Sb. Con objeto de que lasalfas o las gammas lleguen con gran eficiencia al berilio, ambas substancias estn enforma de polvo, y se mezclan a fondo. Si por accidente se rompiera el sello de una deestas fuentes y se esparcieran los polvos, cada uno de ellos sera txico por su lado, peroya no se emitiran neutrones.

La vida media de estas fuentes claramente es la vida media del emisor primario deradiacin, porque al irse agotando ste habr menos radiaciones para inducir la reaccinsecundaria. Las energas de los neutrones emitidos muestran un espectro continuo, pero



siendo del orden de los MeV, se denominan neutrones rpidos.

Los generadores de neutrones de tubo sellado consisten en un pequeo acelerador dealto voltaje (alrededor de 120 kv) en el que se aceleran deuterones (2H+) para chocar

contra un blanco de 3H o de 2H. Se producen neutrones en virtud de las ltimas dosreacciones mencionadas. stos son rpidos y casi monoenergticos (de una solaenerga). Los generadores de neutrones tienen la ventaja de que se pueden encender yapagar, reducindose prcticamente a cero los riesgos de la radiacin cuando estnapagados.

26/1/2014 III. INTERACCIN DE LA RADIACIN CON LA MATERIA


I I I . I N T E R A C C I N D E L A R A D I A C I N C O NL A M A T E R I A

III.1. INTRODUCCIN

TODOS los empleos de la radiacin estn basados en cualquiera de las dos siguientespropiedades: penetracin de la materia y depsito de energa. Las radiografas, porejemplo, son posibles gracias a que los rayos X penetran de manera distinta a losdiferentes materiales. Por su lado, en la radioterapia se busca depositar energa en lostejidos malignos para eliminarlos. Lo que le sucede a la radiacin al pasar por la materiaes, por tanto, de primordial inters en varios campos. Uno es el ya mencionado de lamedicina. Otro, que ms nos incumbe aqu, el de la proteccin radiolgica. Adems, lapresencia misma de la radiacin en general no es evidente si no se cuenta con detectoresespaciales, cuya funcin es hacernos notar los efectos que la radiacin les induce.

Si los orgenes de las radiaciones son atmicos o nucleares, tambin es de esperarse quesus efectos se inicien a nivel atmico o nuclear. Imaginemos a nivel microscpico que unade las radiaciones que hemos descrito penetra en un material. Lo que esta radiacinescuentra a su paso son electrones y ncleos atmicos, pero en general mucho mselectrones que ncleos (por cada ncleo hay Z electrones). Por lo tanto, en trminosgenerales las interacciones con los electrones sern mucho ms abundantes que con losotros ncleos. Los efectos ms comunes son la ionizacin y la excitacin atmica delmaterial; menos numerosos son los cambios estructurales. A final de cuentas, el depsitode energa en el material da lugar a una elevacin de temperatura.

La energa promedio necesaria para producir ionizacin en un elemento depende de sunmero atmico. En los elementos ligeros es del orden de decenas de eV; para aire seacepta el valor de 34 eV. Aunque no toda la energa se va a ionizar, esto significa que unasola radiacin de energa de varios MeV es capaz de producir un total de unos 100 000pares in-electrn en aire. La forma detallada en que se produce esta ionizacin esdistinta para cada tipo de radiacin y su energa. Conviene separar los tipos de radiacinen cuatro grupos segn su interaccin con la materia: 1) las partculas pesadas cargadaspositivamente, que incluyen partculas alfa, protones e iones pesados energticos; 2) laspartculas ligeras cargadas, como electrones, betas y positrones; 3) las radiacioneselectromagnticas, incluyendo rayos X y gamma; 4) los neutrones. La figura 12esquematiza los rasgos principales de estos procesos.



Figura 12. Resumen de cmo los distintos tipos de radiacin interaccionan con la materia.

III.2. PASO DE PARTCULAS ALFA Y OTROS IONES POR LA MATERIA

Las partculas alfa ( y otros iones pesados) tienen carga positiva y carga grande. Alpenetrar la materia atraen a su paso elctricamente a los electrones cercanos,produciendo ionizacin de estos tomos. Pierden una pequea fraccin de su energa encada ionizacin producida, frenndose gradualmente hasta llegar al reposo. Cuando suvelocidad ya se ha reducido de manera sensible, atrapan electrones del material yfinalmente se detienen, constituyendo tomos extraos de helio dentro del material.

Dado que su masa es mucho mayor que la de los electrones que se encuentran a supaso, su trayectoria es esencialmente recta. Slo muy ocasionalmente chocan con unncleo y se produce una desviacin. Como son fuertemente ionizantes, pierden suenerga cintica pronto, y el alcance de las partculas alfa en cualquier material es muchomenor que el de las otras radiaciones. Adems, el alcance es mayor mientras mayor es laenerga de la partcula. En slidos es tpicamente de unas micras. Las partculas alfaprovenientes de una fuente radiactiva tienen todas el mismo alcance, en virtud de queson monoenergticas.

Para estimar el alcance de las partculas alfa en aire se puede usar la siguiente frmulaemprica

R (aire) = 0.318 E3/2,

donde el alcance R est dado en centmetros y la energa E la de partcula alfa est enMeV. En alcance en slidos se obtiene a partir del alcance en aire de acuerdo con laecuacin:



R (slido) = 3.2 x 10-4 (aire) ,

donde A es el nmero de masa del slido y p es su densidad en g/ cm. Resulta del ordende una diezmilsima del alcance en aire.

III.3. EL PASO DE ELECTRONES POR LA MATERIA

Los electrones energticos (y las betas negativas) tienen carga elctrica, y su masa es lamisma que la de los electrones atmicos que se encuentran a su paso. De hecho sonindistinguibles de los electrones del material. As como las partculas alfa, van avanzando yperdiendo energa al ionizar y excitar los tomos del material, hasta frenarse totalmente,pero con la diferencia de que sus trayectorias no son lneas rectas y, por lo tanto, sualcance no est tan bien definido como en el caso de las alfas.

Esto se debe a que en choques entre partculas de la misma masa puede haberdesviaciones importantes de la direccin inicial del proyectil.

El alcance de electrones de MeV de energa en slidos es tpicamente de unos milmetros,y en aire es de unas decenas de centmetros. Cuando han perdido toda su energa sedetienen, constituyendo entonces una carga elctrica extra colocada dentro del material,confundindose con los dems electrones. Como las betas provenientes de una fuenteradiactiva no son monoenergticas (por la energa que se lleva el neutrino), su alcance esvariado.

Cuando un electrn energtico se avecina a un ncleo, es desviado bruscamente por lagran carga elctrica del ncleo. Este desvo provoca la emisin de un fotn de rayos X,cuya emisin se denomina radiacin de frenamiento o bremsstrahlung, y es unmecanismo considerable de prdida de energa de los electrones. El desvo es msimportante entre mayor sea el nmero atmico Z del material frenador. Es lo queproduce la radiacin proveniente de un tubo generador de rayos X.

Los positrones siguen esencialmente el mismo proceso de frenado que los electronesnegativos, salvo al final de su trayectoria. Siendo antimateria, no pueden existir pormucho tiempo en un mundo de materia. El proceso normal que sufren una vez que se hafrenado casi totalmente es el siguiente. En virtud de que tienen carga positiva, se asociantemporalmente a un electrn del material, formando un "tomo" llamado positronio, en elque el electrn y el positrn giran uno alrededor del otro. El positronio tiene una vida

media del orden de 10-10 segundos. Luego se aniquilan las dos partculas, emitiendoradiacin electromagntica (rayos gamma). Las masas del electrn y del positrn son de0.51 MeV cada uno, as que hay 1.02 MeV disponibles al aniquilarse. Normalmente seemiten dos rayos gamma, cada uno de 0.51 MeV; sta se llama radiacin de aniquilacin.

III.4. EL PASO DE LA RADIACIN ELECTROMAGNTICA POR LA MATERIA

Los rayos X y gamma, al no tener carga, mo pueden ser frenados lentamente porionizacin al atravesar un material. Sufren otros mecanismos que al final los hacendesaparecer, transfiriendo su energa , pueden atravesar varios centmetros de un slido,o cientos de metros de aire, sin sufrir ningn proceso ni afectar la materia que cruzan.Luego sufren uno de los tres efectos y depositan all gran parte de su energa. Los tresmecanismos de interaccin con la materia son: el efecto fotoelctrico, el efecto Comptony la produccin de pares. Se describen en forma grfica en la figura 13.

a) El efecto fotoelctrico consiste en que el fotn se encuentra con un electrn del



material y le transfiere toda su energa, desapareciendo el fotn original. El electrnsecundario adquiere toda la energa del fotn en forma de energa cintica, y es suficientepara desligarlo de su tomo y convertirlo en proyectil. Se frena ste por ionizacin yexcitacin del material

b) En el efecto Compton el fotn choca con un electrn como si fuera un choque entredos esferas elsticas. El electrn secundario adquiere slo parte de la energa del fotn yel resto se la lleva otro fotn de menor energa y desviado.

c) Cuando un fotn energtico se acerca al campo elctrico intenso de un ncleo puedesuceder la produccin de pares. En este caso el fotn se transforma en un par electrn-positrn. Como la suma de las masas del par es 1.02 MeV, no puede suceder si la energadel fotn es menor que esta cantidad. Si la energa del fotn original en mayor que 1.02MeV, el excedente se lo reparten el electrn y el positrn como energa cintica, pudiendoionizar el material. El positrn al final de su trayecto forma un positronio y luego seaniquila producindose dos fotones de aniquilacin, de 0.51 MeV cada uno.

Cada uno de los efectos predomina a diferentes energas de los fotones. A bajas energas(rayos X) predomina el fotoelctrico; a energas medianas (alrededor de 1MeV) , elCompton; a energas mayores, la produccin de pares.

Figura 13. Las tres maneras principales de que los rayos X y los rayos y interaccionan con la materia.

En los tres casos se producen electrones energticos.

III.5. ATENUACIN DE LOS RAYOS X Y GAMMA

Supngase que se enva un haz delgado de intensidad I0 (nmero de fotones) de rayos X

o gamma monoenergticos sobre un material de espesor x, y se coloca detrs de steun detector, como lo muestra la figura 14. En el material, el haz ser atenuado por lastres interacciones ya mencionadas, llegando al detector slo la cantidad I, menor que I0.

Segn se muestra en el Apndice III, la atenuacin obedece la ley exponencial:

I = Ioe-mx

,



donde e es la base de los logaritmos naturales, y m se llama coeficiente lineal de

atenuacin. Normalmente x se expresa en unidades de cm, por lo que m estar dado en

cm-1.

Figura 14. Experimento de transmisin de radiaciones. El nmero de radiaciones absorbidas es Io -I,

y depende del espesor x del absorbedor.

Figura 15. Curva exponencial de atenuacin de rayos X o gamma. Se indican las capas

hemirreductora y decimorreductora.

Ntese que la ecuacin tiene la misma forma que la ley de decaimiento radiactivo. Lafigura 15 muestra una curva de atenuacin tpica. Cuando x= 0, o sea sin absorbedor, laintensidad medida I= I0. El valor del coeficiente lineal de atenuacin m determina qu tan

rpidamente cae la curva de atenuacin. En analoga con la vida media, se puede definir la



capa hemirreductora x1/2 como el grueso de absorbedor que reduce la intensidad inicial a

la mitad. Dos capas hemirreductoras la reducen a una cuarta parte, y as sucesivamente,

n capas hemirreductoras la reducen por un factor 1/2n. La capa hemirreductora estrelacionada con el coeficiente lineal de atenuacin segn la ecuacin

x1/2= 0.693/m

Tambin se define la capa decimorreductora x 1/10 como el espesor que reduce la

intensidad a una dcima parte. Dos de stas la reducen a un centsimo, y n capas

decimorreductoras la reducen a un factor 110n. La capa decimorreductora se relacionacon m segn la ecuacin:

x1/10 = 2.203/m

Una cantidad que se usa normalmente es el coeficiente msico de atenuacin um, que seobtiene al dividir el coeficiente lineal entre la densidad p del material

mm= m/p

Si las unidades de p son g/ cm, las de um con cm/ g.

Si se emplea el coeficiente msico de atenuacin, la ley de atenuacin queda en la forma

I = Io e- mm (px)

Los coeficientes lineal y msico de atenuacin difieren de un material a otro, segn seanbueno o malos absorbedores de rayos X y gamma. Tambin sus valores dependen de laenerga de la radiacin. La figura 16 muestra un ejemplo de la variacin del coeficientemsico de atenuacin para un buen absorbedor, el plomo, segn la energa. All se puedever tambin la contribucin relativa que ofrecen cada uno de los tres efectos deatenuacin.



Figura 16. Coeficiente msico de atenuacin de rayos X y gamma en plomo, segn la energa del

fotn. Se indica la contribucin de cada uno de los tres efectos.

La absorcin de energa por el material est relacionada por la atenuacin, pero no soniguales. La atenuacin en un experimento como el de la figura 14 implica absorcin deenerga slo si se trata de efecto fotoelctrico; en los otros dos efectos, la atenuacin delhaz inicial implica la absorcin de slo una parte de la energa de los fotones. Se defineentonces un coeficiente de absorcin ua, que siempre es menor o igual al de atenuacin.

III.6. PASO DE NEUTRONES POR LA MATERIA

Como ya se vio, los neutrones tienen masa casi igual a la del protn, pero no tienencarga elctrica. Sin embargo, se ven afectados por la fuerza nuclear. En consecuencia, noionizan directamente a los materiales por no interaccionar con los electrones; el nicoefecto que pueden producir es chocar directamente con los ncleos. Como esto es pocoprobable, los neutrones pueden recorrer distancias de algunos centmetros sin sufrirninguna colisin.

Cuando llegan a incidir directamente sobre un ncleo, puede suceder cualquiera de dosprocesos: la dispersin elstica y la reaccin nuclear (que incluye la dispersin inelstica,la captura radiactiva y la fisin nuclear). En algunas reacciones hay absorcin deneutrones, en otras hay produccin adicional.

La dispersin elstica se puede visualizar como el choque de dos bolas de billar, aunqueen nuestro caso el blanco es siempre ms pesado que el proyectil. Al chocar el neutrncon un ncleo, rebota en cualquier direccin, transfirindoles al ncleo una cantidad deenerga cintica. Esta energa transferida es mayor entre ms ligero sea el ncleo, ytambin es mayor si el ncleo sale hacia adelante. La energa transferida es a costa de laenerga del neutrn incidente, por lo que ste es desviado en cada colisin y pierde una



fraccin de su energa, pero ntese que no desaparece. La dispersin elstica queproduce el amyo efecto en el hombre es la siguiente:

1H+n en+1H

En esta dispersin el neutrn puede transferir la totalidad de su energa al protn (1H),por tener ambos la misma masa.

En las reacciones nucleares el neutrn es absorbido por el ncleo, emitindose despusotras radiaciones. Si sucede la llamada dispersin inelstica, el ncleo residual queda enestado excitado, y el neutrn emitido pierde una parte considerable de su energa.Cuando se trata de captura radiactiva, la emisin de un rayo gamma, desapareciendo elneutrn. En los elementos pesados como el uranio, los neutrones pueden inducir la fisinnuclear, con la cual se emiten dos fragmentos pesados de fisin y varios nuevosneutrones. Los neutrones pueden inducir muchos otros tipos de reaccin nuclear,emitindose, por ejemplo, protones, partculas alfa, deuterones y combinaciones destos. La reaccin nuclear inducida por neutrones que mayor dao produce en el hombre,sucede principalmente a bajas energas de neutrn:

14N+n p+14 C.

En la mayora de las reacciones productoras de neutrones, stos son emitidos conenergas del orden de varios MeV, denominndose rpidos. Al incidir en cualquier material,los neutrones rpidos sufren preferentemente dispersiones elsticas con los ncleos. vanrebotando de ncleo en ncleo, perdiendo cada vez una fraccin de su energa inicial,hasta que despus de muchos choques (pueden ser varios cientos) su velocidadpromedio es comparable con las velocidades trmicas de las molculas. Se llamanentonces neutrones trmicos, y sus energas son del orden de 1/ 40 de eV. Losneutrones trmicos sufren ms reacciones nucleares que los rpidos.

Los daos causados en los materiales por los neutrones de deben a varios efectos. Enuna dispersin elstica, por ejemplo, primero el tomo golpeado es desplazado de sulugar original, luego se convierte en ion pesado con energa, la cual va perdiendo porionizacin y excitacin al atravesar el material, pudiendo finalmente producir otrosdesplazamientos atmicos. Todos estos procesos daan el material. Si se tratara de unacaptura radiativa, por ejemplo, el ncleo golpeado emite un rayo gamma, el cualinteracciona con el material segn ya hemos visto. Otras reacciones nucleares liberanradiaciones energticas que producen sus efectos correspondientes.

26/1/2014 IV. UNIDADES QUE SE USAN EN LA SEGURIDAD RADIOLGICA


I V . U N I D A D E S Q U E S E U S A N E N L AS E G U R I D A D R A D I O L G I C A

IV.1. INTRODUCCIN

LOS efectos dainos de la radiacin ionizante en un organismo vivo se deben en primerainstancia a la energa absorbida por las clulas y los tejidos que lo forman. Esta energaabsorbida principalmente a travs de los mecanismos de ionizacin y excitacin atmica,produce descomposicin qumica de las molculas presentes.

Para poder medir y comparar las energas absorbidas por el tejido en diferentescondiciones ha sido necesario definir ciertos conceptos ( de exposicin, de dosisabsorbida, de dosis equivalente) , as como las unidades correspondientes. Estasdefiniciones y unidades han ido evolucionando a medida que se ha tenido mayorconocimiento de la radiacin.

La Comisin Internacional de Unidades de Radiacin ( CIUR) se ha abocado a la tarea dedefinir un sistema de unidades aceptado internacionalmente, y de empleo rutinario en laComisin Internacional de Proteccin Radiolgica ( CIPR). Estas unidades en el sistemainternacional (S.I.) incluyen el Becquerel, el Gray y el Sievert, y su definicin se basa en elsistema MKS. Vienen a substituir al Curie, al rad y al rem, que son unidades tradicionales.En lo que sigue se definen, en primer lugar, las unidades del S.I. para cada uno de losconceptos, y despus las antiguas. La transicin de un sistema de unidades al otro hasido lenta, por lo que es frecuente encontrar las antiguas unidades en los textos, en losmedidores de radiacin y en el uso cotidiano.

IV.2. EXPOSICIN (EL ROENTGEN)

La exposicin es una medida de la ionizacin producida por una radiacin; su unidad es elRoentgen. Un Roentgen (R) es la exposicin (X o gamma) recibida por un kilogramo deaire en condiciones estndar de presin y temperatura (CSPT) si se produce un nmero

de pares de iones equivalente a 2.58 x10- 4 Coulombs. Como la carga de un ion es

1.602 x 10-19 Coulombs, esto equivale a que se produzcan 1.61 x 1015 pares de iones/kilogramo de aire. En resumen,

1 R2.58 X 10-4 Coulombs/ kg de aire en CSPT,

1 R1.61 X 1015 pares de iones/ kg de aire en CSPT.

Esta definicin es totalmente equivalente a la antigua, en que se tomaba 0.001293gramos (1 cm de aire en vez de un kilogramo, y una unidad electrosttica de carga envez de un Coulomb.

Del nmero de iones producidos en aire por un Roentgen se puede calcular la energaempleada, si se recuerda que la energa necesaria para cada ionizacin del aire es de 34

eV, equivalente a 5.4 x10 -18 joules (J). Resulta ser:

1 R 0.00869 J/ kg de aire.

Como en tejido la energa de ionizacin es diferente que en aire,

1 R 0.0096 J/ kg de tejido.



IV.3. DOSIS ABSORBIDA (EL GRAY Y EL RAD)

En vista de que el Roentgen deposita diferentes cantidades de energa segn el materialque recibe la exposicin, resulta ms cmodo definir un nuevo concepto, la dosisabsorbida (D), como la energa depositada por unidad de masa, independientemente dequ material se trate.

En el S.I. la unidad de dosis absorbida es el Gray (Gy), definido como sigue:

1 Gy = 1 J/ kg.

La unidad antigua de dosis absorbida es el rad, definido como:

1 rad = 0.01 J/ kg.

Como se puede ver: 1 rad = 0.01 Gy = 1 cGy. Ntese tambin que un Roentgendeposita en tejido una dosis de 0.96 rad, casi un rad, por lo que con frecuencia estas dosunidades se confunden.

IV.4. DOSIS EQUIVALENTE (EL SIEVERT Y EL REM)

Aunque todas las radiaciones ionizantes son capaces de producir efectos biolgicossimilares, una cierta dosis absorbida puede producir efectos de magnitudes distintas,segn el tipo de radiacin de que se trate. Esta diferencia de comportamiento ha llevado adefinir una cantidad llamada factor de calidad (Q) para cada tipo de radiacin.

Se seleccion arbitrariamente Q = 1 para rayos X y gamma, y para las otras radiacioneslos valores dados en el cuadro 4. El factor de calidad es una medida de los efectosbiolgicos producidos por las distintas radiaciones, comparados con los producidos porlos rayos X y gamma, para una dosis absorbida dada. As, por ejemplo, un Gray departculas alfa produce efectos biolgicos 20 veces ms severos que un Gray de rayos X(segn los valores del cuadro 4). El factor de calidad Q depende de la densidad deionizacin de las diferentes radiaciones. La dosis equivalente es un nuevo concepto que sedefini tomando en cuenta el factor de calidad. Es igual a la dosis absorbida multiplicadapor el factor de calidad. La unidad de dosis equivalente en el S.I. es el Sievert (Sv),definido como:

1 SV= 1 G x Q.

La unidad antigua es el rem, con 1 rem = 1 rad x Q. Ntese que 1 rem = 0.01 Sv = 1cSv.

CUADRO 4. Factores de calidad

Tipo de radiacin Q

Rayos X, g 1

Electrones 1

Neutrones trmicos 2.3

Neutrones rpidos 10

Protones 10

Partculas a 20



IV.5. MLTIPLOS Y SUBMLTIPLOS

Es comn usar los prefijos conocidos, c (centi = 10-2), m (mili = l0-3), m (micro = 10-

6), k (kilo = 103), y M (mega = 106) para indicar mltiplos o submltiplos de lasunidades de radiacin. Algunas conversiones tiles son:

1 Ci = 3.7 X 1010 Bq = 3.7 X 104 MBq

1 mCi = 3.7 X l07 Bq = 3.7 X 101 MBq =37 MBq

1 Gy = l00 rad

1 cGy = 1 rad

1 Sv = l00 rem

1 mSv = 0.1 rem

1 mSv = 0.1 mrem

CUADRO 5. Resumen de unidades

Concepto Proceso fsico S.I.Unidadesantiguas

Actividad Desintegracin nuclear Bq Ci

Exposicin Ionizacin del aire R R

Dosis absorbida Energa depositada Gy rad

Dosis equivalente Efecto Biolgico Sv rem

El cuadro 5 muestra un resumen de las unidades de radiacin que se han definido.

IV.6. TASA ( O RAZN) DE DOSIS

Las unidades de dosis absorbida y dosis equivalente expresan la cantidad total deradiacin recibida, por ejemplo, en una operacin dada. Sin embargo, para controlar losriesgos por radiacin tambin es necesario conocer la rapidez (razn o tasa) a la cual serecibe la dosis. Para conocer la razn de dosis (D/t), se divide la dosis recibida (D) entreel intervalo de tiempo (t) correspondiente. La dosis total recibida es igual a la razn de



dosis multiplicada por el tiempo de exposicin.

D= (D/T) t.

Por ejemplo, si una fuente radiactiva produce a una cierta distancia una razn de dosis de1 mrem/ hr y una persona permanece en esa posicin durante 8 horas, entonces recibiruna dosis total de 8 mrem.

26/1/2014 V. DETECCIN Y MEDIDA DE LA RADIACIN


V . D E T E C C I N Y M E D I D A D E L AR A D I A C I N

V.1. INTRODUCCIN

PUESTO que la radiacin ionizante en general no es perceptible por los sentidos, esnecesario valerse de instrumentos apropiados para detectar su presencia. Asimismo,interesan su intensidad, su energa, o cualquier otra propiedad que ayude a evaluar susefectos. Se han desarrollado muchos tipos de detectores de radiacin, algunos de loscuales se van a describir aqu. Cada clase de detector es sensible a cierto tipo de radiaciny a cierto intervalo de energa. As pues, es de primordial importancia seleccionar eldetector adecuado a la radiacin que se desea medir. El no hacerlo puede conducir aerrores graves.

El diseo de los detectores est basado en el conocimiento de la interaccin de lasradiaciones con la materia. Como ya sabemos, las radiaciones depositan energa en losmateriales, principalmente a travs de la ionizacin y excitacin de sus tomos. Adems,puede haber emisin de luz, cambio de temperatura, o efectos qumicos, todo lo cualpuede ser un indicador de la presencia de radiacin. Se van a describir los detectores mscomunes en las aplicaciones de la radiacin, como son los de ionizacin de gas y los decentelleo.

V.2. DETECTORES DE IONIZACIN DE GAS

Como su nombre lo indica, estos detectores constan de un gas encerrado en unrecipiente de paredes tan delgadas como sea posible para no interferir con la radiacinque llega. Los iones positivos y negativos (electrones), producidos por la radiacin dentrodel gas, se recogen directamente en un par de electrodos a los que se aplica un altovoltaje.

La corriente elctrica as inducida, en general es en forma de pulsos de corta duracin;estos pulsos son contados directamente, o activan un medidor de corriente, o pueden serconectados a una bocina. Esta medida de ionizacin puede transformarse directamente aunidades de exposicin (Roentgens), segn su definicin (vase la figura 17).

Figura 17. Funcionamiento de un detector gaseoso. Los iones y electrones producidos en el gas por la



radiacin son colectados en el nodo y el ctodo.

Debido a la baja densidad de un gas (comparado con un slido), los detectores gaseosostienen baja eficiencia para detectar rayos X o gamma (tpicamente del orden de 1%) perodetectan prcticamente todas las alfas o betas que logran traspasar las paredes delrecipiente. En un detector gaseoso puede usarse cualquier gas (incluso aire).Normalmente se usa una mezcla de un gas inerte (v.gr. argn) con un gas orgnico; elprimero ayuda a impedir la degradacin y el segundo cede fcilmente electrones pararecuperar las condiciones iniciales despus de una descarga. Cada gas tiene diferentepotencial de ionizacin (energa necesaria para producir una ionizacin); para las mezclasms comunes ste es de alrededor de 34 eV.

La geometra ms usada para contadores gaseosos es de un cilindro metlico con unalambre central. Se aplica un alto voltaje positivo al alambre, convirtindose ste ennodo y el cilindro en ctodo. Entonces los electrones se dirigen al alambre y los ionespositivos al cilindro. La velocidad de los electrones es mayor que la de los iones.

Cuando una radiacin produce un cierto nmero de pares de iones, stos se dirigen a loselectrodos correspondientes gracias a la aplicacin de un alto voltaje. Sin el alto voltajeapropiado, el detector no funciona o puede dar lecturas errneas. En su trayecto hacia loselectrodos, los iones y electrones son acelerados por el campo elctrico, y pueden a suvez producir nuevas ionizaciones, o bien pueden recombinarse (neutralizarse). Lamagnitud de estos efectos depende del tipo de gas, del voltaje aplicado y del tamao deldetector. Los diferentes detectores gaseosos (cmara de ionizacin, proporcionales yGeiger-Mller) se distinguen por su operacin en diferentes regiones de voltaje. La figura18 muestra estas regiones para un detector tpico; se grafica el nmero de ionescolectados en los electrodos contra el voltaje aplicado, para partculas alfa y betarespectivamente.

Figura 18. Regiones de operacin de un detector gaseoso.

En la regin I el voltaje es tan bajo que la velocidad que adquieren los iones y electroneses pequea, dando lugar a una alta probabilidad de que se recombinen. Por el peligro deperder informacin, esta regin normalmente no se usa.



En la regin de voltaje II, el nmero de iones colectados no cambia si se aumenta elvoltaje. Se recogen en los electrodos esencialmente todos los iones primarios; es decir,no hay ni recombinacin ni ionizacin secundaria. Por esta razn, el tamao del pulsodepende de la ionizacin primaria y, por lo tanto, de la energa depositada por cadaradiacin. Se llama regin de cmara de ionizacin y se usa para medir la energa de laradiacin, adems de indicar su presencia. En general, la corriente generada en estascmaras es tan pequea que se requiere de un circuito electrnico amplificador muysensible para medirla.

En la regin III, llamada proporcional, la carga colectada aumenta al incrementarse elvoltaje. Esto se debe a que los iones iniciales (primarios) se aceleran dentro del campoelctrico pudiendo, a su vez, crear nuevos pares de iones. Si uno sube el voltaje, laproduccin cada vez mayor de ionizacin secundaria da lugar a un efecto demultiplicacin. Los pulsos producidos son mayores que en la regin anterior, pero seconserva la dependencia en la energa de las radiaciones.

Aumentando an ms el voltaje, se llega a la regin IV, llamada de proporcionalidadlimitada, que por su inestabilidad es poco til en la prctica. Si sigue aumentndose elvoltaje, se llega a la regin V, llamada Geiger-Mller En esta regin la ionizacinsecundaria y la multiplicacin son tan intensas que se logra una verdadera avalancha decargas en cada pulso (Figura 19). Los pulsos son grandes por la gran cantidad de ionescolectados, pero se pierde la dependencia en la ionizacin primaria.

Figura 19. Avalanchas producidas en un detector Geiger-Mller.

Los detectores Geiger-Mller (o sencillamente contadores Geiger) que operan en estaregin son indicadores de la presencia de radiacin, pero no pueden medir su energa. Sonlos ms usados porque son fciles de operar, soportan trabajo pesado, son deconstruccin sencilla y se pueden incorporar a un monitor porttil. Generalmente operancon voltaje de alrededor de 700 a 800 volts, pero esto puede variar segn el diseo decada detector.

Si se incrementa el voltaje an ms, se obtiene una descarga continua (regin VI), no tilpara conteo.

V.3. CALIBRACIN DE DETECTORES



No todas las radiaciones que llegan a un detector producen un pulso. La eficiencia de undetector est dada por la relacin entre el nmero de radiaciones que cuenta y el nmeroque le lleg. Una eficiencia de 100% implica que todas las radiaciones que llegan sondetectadas. En cambio una eficiencia de 1%, por ejemplo, significa que de cada 100radiaciones que recibe, cuenta slo una. Es importante conocer la eficiencia de cualquierdetector (calibrarlo) para tomarla en cuenta al calcular la dosis recibida.

Hay varias circunstancias que afectan la eficiencia de un detector. Una de ellas es el tipo yla energa de la radiacin. Las eficiencias relativas de un detector para alfas, betas,gammas o neutrones son muy diferentes, debido a los diferentes mecanismos deinteraccin de cada uno de ellos con materia (ya sea el material del detector o de suenvoltura). Consideremos la eficiencia de un contador Geiger para radiacin externa. Laspartculas alfa no logran traspasar las paredes del recipiente, as que su eficiencia es cero.Las betas, en cambio, sern contadas en la medida en que puedan atravesar las paredesdel recipiente; si stas son delgadas podr detectar la mayora que le lleguen. Los rayos Xy gamma en general pueden atravesar las paredes, pero la probabilidad de que ionicen elgas es pequea por su baja densidad; sin embargo, esto no impide su uso en trminosgenerales. Para detectar neutrones los contadores Geiger convencionales no sirven.

La energa de las radiaciones incidentes es otro parmetro que afecta la eficiencia de undetector. Para empezar, la energa de partculas alfa o beta determina si stas soncapaces de cruzar la envoltura y ser contadas. En el caso de rayos X o gamma, el poderde ionizacin depende del coeficiente de absorcin para cada uno de los tres efectos(fotoelctrico, Compton o pares). Como ya se vio, ste depende de la energa de losfotones, y en general es muy grande para bajas energas, as que es de esperarse que loscontadores en general tengan mayor eficiencia con bajas energas de rayos X o gamma.

El material del detector afecta su eficiencia, principalmente por su densidad. Losdetectores slidos son ms eficientes que los gaseosos porque hay ms materia queionizar. Adems, en los gaseosos la presin del gas determina la eficiencia. Tambin eltamao de un detector es determinante para su eficiencia, porque en un detector grandehay ms materia que ionizar, adems de que es ms difcil que la radiacin se escape.

El efecto producido en el detector y la manera como ste se pone en evidencia sonimportantes para su eficiencia. El efecto puede ser ionizacin (como en los detectoresgaseosos), produccin de luz, excitacin atmica o reaccin qumica. Cualquiera que seael efecto en un detector dado, ste se tiene que medir de alguna manera. Si es ionizacin,se puede medir con un circuito electrnico apropiado. Si es destello luminoso, se necesitauna celda fotoelctrica sensible. Si es reaccin qumica, se identifica el nuevo compuesto,por ejemplo, por su cambio de color.

Finalmente, el aparato asociado desempea un papel importante, por ejemplo, el circuitoelectrnico y el indicador de corriente en los detectores gaseosos. El acoplamientoelctrico del detector al circuito, el nivel de discriminacin para eliminar ruido electrnico,los valores y la precisin de los voltajes empleados, la magnitud de amplificacin de lospulsos, la sensibilidad del indicador de cartula, la precisin de las escalas del indicador,son factores que afectan la eficiencia de conteo. Adems, es importante sealar que laeficiencia debe referirse a la combinacin detector-circuito-indicador, y no slo a unaparte.

Los monitores de radiacin y los dosmetros dan lecturas en unidades de exposicin, dedosis absorbida o de dosis equivalente. Los pulsos que produce el detector se tienen quetransformar a estas unidades. Lo mismo puede decirse del ennegrecimiento de unapelcula o del cambio de color de una solucin. Siempre hay lugar a error en las lecturas



debido a los procesos descritos. Los fabricantes generalmente calibran sus aparatos porcomparacin con fuentes de caractersticas conocidas (patrones), y recomiendan cmose deben usar y cmo se pueden garantizar lecturas correctas. Adems, algunas de suscaractersticas van cambiando con el tiempo, as que se deben verificar de cuando encuando.

V.4. TIEMPO MUERTO DE UN DETECTOR

El pulso elctrico producido en un detector Geiger tiene una forma caracterstica que semuestra en la figura 20, que es una grfica del voltaje en el nodo contra el tiempo.

Figura 20. Forma caracterstica de los pulsos elctricos provenientes de un detector gaseoso.

Lo primero que sucede es que los electrones producidos en la ionizacin, por ser muyveloces, llegan rpidamente al nodo (+), provocando una cada brusca de su voltaje enuna fraccin de microsegundo. Los iones positivos se mueven ms lentamente, tardandocientos de microsegundos en llegar al ctodo para restablecer las condiciones iniciales.Durante este tiempo, llamado tiempo muerto del detector, ste no puede producirnuevos pulsos.

El tiempo muerto del detector (tm) depende de su diseo, del voltaje aplicado, del circuitoexterno y del gas utilizado. En general es una cantidad dada y el usuario no tiene acceso acambiar su valor. Sin embargo, cuando la rapidez de conteo con el detector es grande,pueden suceder muchos pulsos cercanos uno al otro. Entonces existe la posibilidad deque llegue una radiacin antes de que el detector se restablezca de la anterior, o seadentro del tiempo muerto, en cuyo caso la nueva radiacin no se registra, entonces lalectura ser errnea.

Cuando esto sucede, se puede corregir la razn de conteo medida (m) para obtener larazn de conteo real (n). Esta sera la razn de conteo si no hubiese tiempo muerto. Lacorreccin se hace aplicando la frmula:

n =

m

1 - mtm



Para verificar su validez, ntese que si tm fuese cero, n sera igual a m. Desde luego, n

siempre es mayor que m. Por otro lado, la correccin es mayor entre mayores sean larazn de conteo o el tiempo muerto. Para aplicar la frmula, ntese tambin que lasunidades deben ser congruentes. Por ejemplo, si las unidades de razn de conteo soncuentas/seg, el tiempo muerto debe expresarse en segundos.

Si la rapidez (razn) de conteo es muy alta, por ejemplo si uno acerca demasiado eldetector a la fuente radiactiva, existe la posibilidad de que deje de contar. Esto se debe aque las radiaciones muy seguidas unas de otras llegan al detector antes de que ste sepueda restablecer. Se dice entonces que el detector est saturado. sta es una condicinpeligrosa porque el detector puede no contar nada a pesar de estar dentro de un campode radiacin muy intenso.

V.5. DETECTORES DE CENTELLEO

Existen muchos otros tipos de detector de radiacin que no operan con la ionizacin deun gas. Uno de los ms empleados es el llamado detector de centelleo. En l seaprovecha el hecho de que la radiacin produce pequeos destellos luminosos en ciertosslidos. Esta luz se recoge y transforma en un pulso elctrico.

Los detectores de centelleo tienen algunas ventajas sobre los de gas. En primer lugar, unslido, por su mayor densidad, es ms eficiente en detener la radiacin que un gas. Por lotanto la eficiencia de un detector de centelleo es muy superior a la de uno de gas,especialmente para rayos gamma. En segundo lugar, el proceso de luminiscencia, o sea laabsorcin de radiacin y la posterior emisin de luz, es muy rpido, disminuyendo eltiempo muerto.

El material que produce el destello se llama cristal de centelleo. Se selecciona para quetenga una alta eficiencia en absorber radiacin ionizante y emitir luz (luminiscencia). Debeser transparente para poder transmitir la luz producida, y debe estar a oscuras para quela luz ambiental no le afecte.

El material ms empleado como cristal de centelleo es el yoduro de sodio activado contalio, NaI (T1). Es de costo bajo y es muy estable. Otro muy comn es el yoduro decesio activado con talio, CsI (T1), y hay otros materiales inorgnicos de usos especiales.Por otro lado, especialmente para detectar neutrones, suelen emplearse materialesorgnicos como plsticos. De stos los ms importantes son el antraceno y el estilbeno.Para ciertas aplicaciones son tiles tambin los lquidos orgnicos.

Con objeto de transformar la pequea cantidad de luz producida por un cristal decentelleo en una seal elctrica que se puede manejar con ms comodidad, se pone encontacto con un dispositivo llamado fotomultiplicador, esquematizado en la figura 21.



Figura 21. Detector de centelleo fotomultiplicador.

El contacto debe ser ptico (por ejemplo con grasa transparente) para que no hayaprdidas. El tubo fotomultiplicador es un recipiente de vidrio sellado y al alto vaco. La caraque est en contacto con el cristal de centelleo va cubierta en su interior por un materialque emite electrones al recibir luz (fotoctodo) y opera como una celda fotoelctrica.Estos electrones son acelerados y multiplicados en campos elctricos secuenciales entreelectrodos llamados dinodos, logrndose multiplicaciones de un milln de veces. En elltimo de ellos la seal elctrica es suficientemente grande para poder ser manejada conamplificadores y analizadores de pulsos convencionales.

V.6. DOSMETROS PERSONALES

El personal expuesto normalmente a radiaciones requiere de la medida habitual de la dosisrecibida y de un seguimiento de la dosis acumulada en un lapso dado. Para esto seacostumbra usar dosmetros personales, que son dispositivos sensibles a la radiacinpero que por su tamao y peso pueden ser portados individualmente con comodidad, yasea en el bolsillo o asidos a la ropa con una pinza. Los ms comnmente empleados sonlos de pelcula fotogrfica, las cmaras de ionizacin de bolsillo y los termoluminiscentes.

Los dosmetros de pelcula (vase la figura 22) aprovechan el hecho bien conocido de quela radiacin vela las pelculas fotogrficas, como sucede en las radiografas. La emulsinfotogrfica contiene granos de bromuro de plata (AgBr), y al pasar por ella una radiacindeja a su paso iones de bromo y de plata suspendidos en la emulsin, como imagenlatente. Cuando se revela la pelcula aparecen los granos de plata metlica. Eloscurecimiento se mide despus con un densitmetro ptico, que mide la transmisin deluz, y de all se deduce la dosis recibida.



Figura 22. Dosmetros de bolsillo. (a) Pelcula fotogrfica. (b) Cmara de ionizacin.

Como el oscurecimiento depende tambin del tipo y de la energa de la radiacin recibida,en el portadosmetro, que generalmente es un receptculo de plstico, se incluyen filtrosen forma de pequeas placas de elementos absorbedores de radiacin, como plomo,cadmio, cobre o aluminio. Del ennegrecimiento relativo de las zonas con filtro y sin filtrose puede deducir algo sobre estas cantidades. Hay instituciones y compaas privadas queofrecen el servicio de revelado y medida de dosis en dosmetros de pelcula.

Los dosmetros de pelcula son de bajo costo, sencillos de usar y resistentes al uso diario.Son sensibles a la luz y a la humedad. Permiten tener un registro permanente de la dosisacumulada, generalmente en periodos de un mes. Como la informacin sobre la dosis serecibe un tiempo despus de recibida la exposicin, son tiles especialmente para llevar elhistorial de exposicin del personal. Slo se pueden usar una vez. No se pueden medircon confianza dosis menores a 20 mrem.

Otro tipo de dosmetro personal que suele usarse es la cmara de ionizacin de bolsillo.Estos son dispositivos del tamao de un lapicero (Figura 22) que contienen una pequeacmara de ionizacin en la que el nodo tiene una seccin fija y una mvil, que es unafibra de cuarzo metalizada. Antes de usarse se conecta momentneamente a uncargador, en el que se le aplica un voltaje, y la fibra se separa de la parte fija por repulsinelectrosttica, quedando lista la cmara para ser usada. Luego, cada vez que le llega unaradiacin que produce ionizacin, los electrones que llegan al nodo lo van descargando yla fibra se acerca nuevamente a la parte fija. El desplazamiento de la fibra depende de laexposicin, y se puede observar directamente con una lente en el otro extremo deldosmetro. Se ve la fibra sobre una escala calibrada en unidades de exposicin; la escalaque se usa ms frecuentemente va de cero a 200 mR.

Las cmaras de ionizacin de bolsillo tienen la ventaja de que se puede tener la lectura dela exposicin inmediatamente despus de recibirla. En cambio, no son de registropermanente. Su costo es ms alto que el de las pelculas fotogrficas, pero se puedenusar repetidas veces. Son sensibles a golpes y otros maltratos.

Los dosmetros termoluminiscentes son substancias, como el fluoruro de litio (LiF) o elfluoruro de calcio (CaF2), que al recibir radiacin muchos de los electrones producidos

quedan atrapados en niveles de energa de larga vida, generalmente debidos a defectos



en la red cristalina. Cuando posteriormente son calentados estos cristales, los electronesatrapados vuelven a caer a sus estados originales, al mismo tiempo emitiendo luz (de allel nombre de termoluminiscencia). La cantidad de luz emitida es proporcional a la dosisacumulada desde la ltima vez que se calent. Se mide con un fotomultiplicador.

Estos dosmetros son de costo moderado, resistentes y pueden ser usados varias veces.Son ms precisos que los de placa fotogrfica, pero se requiere de un equipo especialpara efectuar las lecturas, las cuales no son inmediatas.

Los dosmetros personales, como los otros detectores, tienen limitaciones en cuanto altipo de radiacin y la energa a que son sensibles. Su sensibilidad es funcin de los mismosparmetros mencionados para los detectores en general, y deben ser calibrados juntocon los sistemas que dan las lecturas.

V.7. DETECTORES DE NEUTRONES

Como ya se vio previamente, los neutrones en s no producen ionizacin en losmateriales, la producen los ncleos a los cuales los neutrones les transmiten energa, yasea por dispersin elstica o por reaccin nuclear. Por lo tanto, los detectoresmencionados hasta aqu son insensibles a detectar neutrones.

Para que un detector de cualquier tipo sea til para detectar neutrones, debe ser diseadode manera que haya abundantes dispersiones o reacciones nucleares. Entonces se midela ionizacin secundaria producida por los ncleos golpeados. Los neutrones rpidosgeneralmente son detectados por las dispersiones que producen; los lentos por lasreacciones nucleares.

Los cristales de centelleo orgnicos (por ejemplo, el antraceno y el estilbeno) son tilespara detectar neutrones rpidos porque contienen elementos ligeros, en particularhidrgeno y carbono. Sus ncleos ligeros reciben, al ser golpeados por neutrones,suficiente energa para ser detectados.

Los neutrones lentos son detectados a travs de las reacciones nucleares que producen.Las reacciones ms tiles, por su alta probabilidad y por suceder en elementos quepueden ser fcilmente integrados en los detectores conocidos, son las siguientes:

10 B + n 7 Li + a(2.792

Mev)

3 He + n 3 H + R(0.765

Mev)

6 Li + n 3 H + a(4.780

Mev)

fisin de 235U (200 Mev)

El valor entre parntesis es aproximadamente igual a la energa que se reparten los

productos de las reacciones. En el primer caso, por ejemplo, el 7Li y la partcula a se

reparten aproximadamente 2.792 MeV, cantidad considerable de energa que puede serdetectada en un detector convencional.



El detector ms comn de neutrones lentos es un contador proporcional o Geiger quecontiene en el gas una proporcin alta del gas BF3 (trifluoruro de boro). De preferencia

este gas est enriquecido en el istopo 10B para provocar la primera de las reacciones (elboro natural tiene dos istopos, el 10 y el 11). Las partculas de Li y a generadas

producen los pulsos elctricos.

Tambin suelen usarse detectores de gas que contienen 3He para provocar la segundareaccin. El uso de la tercera reaccin involucra un cristal de centelleo de LiI (yoduro de

litio), enriquecido en 6Li. Por otro lado, las llamadas cmaras de fisin son contadores

proporcionales en cuyas paredes interiores va un recubrimiento que contiene el 235U.

Una tcnica muy empleada para detectar neutrones rpidos es primero moderar suenerga y luego usar una de las reacciones para neutrones lentos. Para esto se envuelveel detector con un material que es eficaz para moderar los neutrones, como el polietilenoo la parafina. ste generalmente es en forma de esfera o de cilindro de unos 30 cm dedimetro. Es importante hacer notar que si el moderador se separa del detector, stedeja de ser sensible a los neutrones rpidos.

26/1/2014 VI. SEGURIDAD RADIOLGICA


V I . S E G U R I D A D R A D I O L G I C A

Vl.1. LMITES DE LAS DOSIS

LA COMISIN INTERNACIONAL DE PROTECCIN RADIOLGICA (CIPR) es un organismoestablecido para recomendar prcticas seguras sobre el uso de radiacin. En diversasocasiones ha emitido recomendaciones, las cuales han ido variando segn se ha obtenidoms experiencia sobre el tema. En la actualidad se aceptan las siguientesrecomendaciones de tipo general:

a) No debe adoptarse ninguna prctica que involucre radiacin a menos que produzca unbeneficio neto.

b) Las exposiciones a la radiacin deben mantenerse tan bajas como searazonablemente posible (en idioma ingls se usan las siglas ALARA, que vienen de As LowAs Reasonably Achievable).

c) El equivalente de dosis que reciba cualquier individuo no debe exceder los lmitesdeterminados por la CIPR para cada circunstancia.

En todo uso de la radiacin conviene adoptar estas recomendaciones cuyo nfasis esten mantener las exposiciones tan bajas como sea posible, en vista de los efectosbiolgicos identificados como producto de la radiacin, no excediendo los umbralesdefinidos en cada caso.

Para el personal ocupacionalmente expuesto se ha definido el concepto de dosis mximapermitida, aunque en la actualidad se prefiere el trmino lmite recomendado de dosisequivalente, el cual se ha fijado en 50 mSv (5 rem) por ao.

Usaremos el lmite de dosis equivalente (LDE) de 50 mSv (5 rem)/ ao para personalocupacionalmente expuesto. Esta dosis, promediada sobre 50 semanas, da el valor de 1mSv (100 mrem)/ semana. Considerando 40 horas de trabajo por semana, estoequivale a 25 m SV (2.5 mrem)/ hora. Se recomienda no exceder estas dosis. De hecho,

es de esperarse que la dosis recibida siempre sea considerablemente menor que estoslmites. Si por necesidades de trabajo se exceden estas dosis, debe procurarse no recibirms radiacin en un intervalo de tiempo suficiente para que el promedio no exceda ellmite de dosis equivalente. Por ejemplo, si en una jornada de trabajo se reciben 100mrem, se debe tratar de no recibir ms radiacin en el resto de la semana para no llegaral valor semanal recomendado. Ntese que esta precaucin no es para que los efectosde la radiacin de alguna manera se anulen; es para no exceder una cierta posibilidad deque se presenten efectos estocsticos (vase el captulo VII.)

Si por alguna razn una persona no ocupacionalmente expuesta recibe una dosis,debern tomarse las medidas para evitar que exceda 5 mSv (0.5 rem)/ ao, o sea unadcima parte del lmite de dosis equivalente para personal ocupacionalmente expuesto.

VI.2. RADIACIN NATURAL Y ARTIFICIAL

El hombre siempre ha estado expuesto a una cierta cantidad de radiacin ambientalproveniente de fuentes naturales y de fuentes artificiales. Mencionaremos algunas deestas fuentes y los niveles de dosis que nos proporcionan para compararlos con el LDE.

De fuentes naturales de radiacin recibimos aproximadamente

las radiaciones ii el manejo de las radiaciones nucleares.pdf

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