Dosimetría de radiación

Un contador de cuerpo entero es un instrumento que mide las cantidades de radionucleidos emisores de rayos gamma en el cuerpo (es decir, es un espectrómetro de rayos gamma ). En las instalaciones nucleares, estos contadores se utilizan para medir la radiactividad dentro del cuerpo humano , es decir, para medir la contaminación interna . Esto no debe confundirse con un «monitor de cuerpo entero» que se utiliza para el monitoreo de salida del personal, que es el término utilizado en la protección contra la radiación para verificar la contaminación externa de todo el cuerpo de una persona que abandona un área controlada de contaminación radiactiva. Los contadores de cuerpo entero son dispositivos muy sensibles y, por lo tanto, a menudo están rodeados por grandes cantidades de blindaje de plomo para reducir laRadiación de fondo . Un contador de cuerpo entero consiste, por ejemplo, en una cabina de pie con dos detectores de centelleo NaI de área grande . El detector superior controla los pulmones, el detector inferior controla el tracto gastrointestinal.

Cabe señalar que todas las personas también tienen algunos isótopos radiactivos dentro de sus cuerpos desde el nacimiento . Estos isótopos son especialmente potasio 40 , carbono 14 y también los isótopos de uranio y torio . La dosis de radiación anual promedio para una persona a partir de materiales radiactivos internos distintos del radón es de aproximadamente 0.3 mSv / año, de los cuales:

• 2 mSv / año proviene de potasio-40,
• 12 mSv / año provienen de las series de uranio y torio,
• 12 μSv / año proviene del carbono-40.

La variación en la dosis de radiación de una persona a otra no es tan grande, pero también es detectada por un contador de cuerpo entero.

Espectroscopía Gamma

Si se emite un rayo gamma desde un elemento radiactivo dentro del cuerpo humano debido a la desintegración radiactiva, y su energía es suficiente para escapar, entonces se puede detectar. Esto sería por medio del espectrómetro de rayos gamma. Los espectroscopios, o espectrómetros, son dispositivos sofisticados diseñados para medir la distribución de potencia espectral de una fuente. La radiación incidente genera una señal que permite determinar la energía de la partícula incidente. La mayoría de las fuentes radiactivas producen rayos gamma , que son de diversas energías e intensidades. Los rayos gamma acompañan frecuentemente la emisión de radiación alfa y beta . Cuando estas emisiones se detectan y analizan con un sistema de espectroscopia, unSe puede producir espectro de energía de rayos gamma . Los rayos gamma de la desintegración radiactiva están en el rango de energía de unos pocos keV a ~ 8 MeV, lo que corresponde a los niveles de energía típicos en los núcleos con vidas razonablemente largas. Como se escribió, se producen por la descomposición de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado más bajo. Un análisis detallado de este espectro se usa típicamente para determinar la identidad y la cantidad de emisores gamma presentes en una muestra, y es una herramienta vital en el ensayo radiométrico. El espectro gamma es característico de los nucleidos emisores de gamma contenidos en la fuente.

Para la medición de rayos gamma por encima de varios cientos de keV, hay dos categorías de detectores de gran importancia, centelleadores inorgánicos como NaI (Tl) y detectores de semiconductores . En los artículos anteriores, describimos la espectroscopía gamma utilizando un detector de centelleo, que consiste en un cristal centelleador adecuado, un tubo fotomultiplicador y un circuito para medir la altura de los pulsos producidos por el fotomultiplicador. Las ventajas de un contador de centelleo son su eficiencia (gran tamaño y alta densidad) y la alta precisión y tasas de conteo posibles. Debido al alto número atómico de yodo, una gran cantidad de todas las interacciones dará como resultado la absorción completa de la energía de los rayos gamma, por lo que la fracción de la foto será alta.

Pero si se requiere una resolución energética perfecta , tenemos que usar un detector a base de germanio , como el detector HPGe . Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan con mayor frecuencia cuando se requiere una muy buena resolución energética, especialmente para la espectroscopía gamma , así como la espectroscopía de rayos X. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. El FWHM (ancho completo a la mitad como máximo) para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.

Captación de dosis interna

Si decimos que la fuente de radiación está dentro de nuestro cuerpo, es exposición interna . La ingesta de material radioactivo puede ocurrir a través de varias vías, como la ingestión de contaminación radioactiva en alimentos o líquidos, la inhalación de gases radiactivos o la piel intacta o herida. La mayoría de los radionucleidos le darán mucha más dosis de radiación si de alguna manera pueden ingresar a su cuerpo, de lo que lo harían si permanecieran afuera. Para dosis internas, primero debemos distinguir entre ingesta y absorción. La ingesta significa lo que una persona toma. La captación significa lo que una persona conserva.

Cuando un compuesto radiactivo ingresa al cuerpo, la actividad disminuirá con el tiempo, debido a la descomposición radiactiva y al aclaramiento biológico . La disminución varía de un compuesto radiactivo a otro. Para este propósito, la vida media biológica se define en la protección radiológica.

La vida media biológica es el tiempo necesario para que la cantidad de un elemento particular en el cuerpo disminuya a la mitad de su valor inicial debido a la eliminación solo por procesos biológicos, cuando la tasa de eliminación es aproximadamente exponencial. La vida media biológica depende de la velocidad a la que el cuerpo normalmente usa un compuesto particular de un elemento. Los isótopos radiactivos que se ingirieron o tomaron a través de otras vías se eliminarán gradualmente del cuerpo a través de los intestinos, los riñones, la respiración y la transpiración. Esto significa que una sustancia radiactiva puede ser expulsada antes de que haya tenido la posibilidad de descomponerse.

Como resultado, la vida media biológica influye significativamente en la vida media efectiva y la dosis global de la contaminación interna. Si un compuesto radiactivo con semivida radiactiva (t _1/2 ) se elimina del cuerpo con una semivida biológica tb, la semivida efectiva (t _e ) viene dada por la expresión:

Como se puede ver, los mecanismos biológicos siempre disminuyen la dosis total de la contaminación interna . Además, si t _1/2 es grande en comparación con t _b , la vida media efectiva es aproximadamente la misma que t _b .

Por ejemplo, el tritio tiene una vida media biológica de aproximadamente 10 días, mientras que la vida media radiactiva es de aproximadamente 12 años. Por otro lado, los radionúclidos con vidas medias radiactivas muy cortas también tienen vidas medias efectivas muy cortas. Estos radionucleidos administrarán, a todos los efectos prácticos, la dosis total de radiación dentro de los primeros días o semanas después de la ingesta.

Para el tritio, la ingesta límite anual (ALI) es 1 x 10 ⁹ Bq. Si toma 1 x 10 ⁹ Bq de tritio, recibirá una dosis para todo el cuerpo de 20 mSv. La dosis efectiva comprometida , E (t), es por lo tanto 20 mSv. No depende de si una persona realiza esta cantidad de actividad en poco tiempo o en mucho tiempo. En todos los casos, esta persona recibe la misma dosis para todo el cuerpo de 20 mSv.

Descubrimiento de rayos gamma

Los rayos gamma se descubrieron poco después del descubrimiento de los rayos X. En 1896, el científico francés Henri Becquerel descubrió que los minerales de uranio podrían exponer una placa fotográfica a través de otro material. Becquerel supuso que el uranio emitía algo de luz invisible similar a los rayos X, que fueron descubiertos recientemente por WCRoentgen . Lo llamó » fosforescencia metálica «. De hecho, Henri Becquerel descubrió que la radiación gamma emitida por el radioisótopo ²²⁶ Ra (radio), que forma parte de la serie de uranio de la cadena de desintegración de uranio. Primero se pensó que los rayos gamma eran partículas con masa, por ejemplo partículas beta extremadamente energéticas.. Esta opinión falló, porque esta radiación no puede ser desviada por un campo magnético, lo que indica que no tienen carga. En 1914, se observó que los rayos gamma se reflejaban en las superficies de los cristales, lo que demuestra que deben ser radiaciones electromagnéticas , pero con mayor energía (mayor frecuencia y longitudes de onda más cortas).

Aniquilación de positrones

La aniquilación de electrones-positrones ocurre cuando un electrón con carga negativa y un positrón con carga positiva colisionan. Cuando un electrón de baja energía aniquila un positrón de baja energía (antipartícula de electrones), solo pueden producir dos o más fotones (rayos gamma). La producción de un solo fotón está prohibida debido a la conservación del momento lineal y la energía total. La producción de otra partícula también está prohibida debido a que ambas partículas (electrón-positrón) juntas no transportan suficiente energía de masa para producir partículas más pesadas. Cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan dando como resultado la conversión completa de su masa en reposo en energía pura (de acuerdo con la  fórmula E = mc ² ) en forma de dos rayos gamma (fotones) de 0.511 MeV opuestos.

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0.511 MeV)

Este proceso debe cumplir una serie de leyes de conservación, que incluyen:

• Conservación de carga eléctrica. La carga neta antes y después es cero.
• Conservación del momento lineal y la energía total. T
• Conservación del momento angular.

Interacciones de positrones

Las fuerzas de coulomb que constituyen el mecanismo principal de pérdida de energía para los electrones están presentes para la carga positiva o negativa en la partícula y constituyen el mecanismo principal de pérdida de energía también para los positrones. Cualquiera que sea la interacción implica una fuerza repulsiva o atractiva entre la partícula incidente y el electrón orbital (o núcleo atómico), el impulso y la transferencia de energía para partículas de igual masa son casi iguales . Por lo tanto, los positrones interactúan de manera similar con la materia cuando son energéticos . La pista de positrones en el material es similar a la pista de electrones. Incluso su pérdida y rango de energía específicos son casi iguales para energías iniciales iguales.

Al final de su camino , los positrones difieren significativamente de los electrones. Cuando un positrón (partícula antimateria) se detiene, interactúa con un electrón (partícula de materia), lo que resulta en la aniquilación de ambas partículas y la conversión completa de su masa en reposo en energía pura (de acuerdo con la fórmula E = mc ² ) en forma de dos rayos gamma ( fotones ) de 0.511 MeV opuestos .

Aniquilación de positrones

La aniquilación de electrones-positrones ocurre cuando un electrón con carga negativa y un positrón con carga positiva colisionan. Cuando un electrón de baja energía aniquila un positrón de baja energía (antipartícula de electrones), solo pueden producir dos o más fotones (rayos gamma). La producción de un solo fotón está prohibida debido a la conservación del momento lineal y la energía total. La producción de otra partícula también está prohibida debido a que ambas partículas (electrón-positrón) juntas no transportan suficiente energía de masa para producir partículas más pesadas. Cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan dando como resultado la conversión completa de su masa en reposo en energía pura (de acuerdo con la  fórmula E = mc ² ) en forma de dos rayos gamma (fotones) de 0.511 MeV opuestos.

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0.511 MeV)

Este proceso debe cumplir una serie de leyes de conservación, que incluyen:

• Conservación de carga eléctrica. La carga neta antes y después es cero.
• Conservación del momento lineal y la energía total. T
• Conservación del momento angular.

Radiación Cherenkov

La radiación cherenkov es radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada (como un electrón) se mueve a través de un medio dieléctrico más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio . Es similar a la onda de proa producida por un barco que viaja más rápido que la velocidad de las ondas de agua. La radiación de Cherenkov se produce solo si la velocidad de la partícula es mayor que la velocidad de fase de la luz en el material. Incluso a altas energías, la energía perdida por la radiación de Cherenkov es mucho menor que la de los otros mecanismos (colisiones, bremsstrahlung). Lleva el nombre del físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov , quien compartió el Premio Nobel de física en 1958 conIlya Frank e Igor Tamm por el descubrimiento de la radiación Cherenkov, realizada en 1934.

La radiación de Cherenkov se puede usar para detectar partículas cargadas de alta energía (especialmente partículas beta). En los reactores nucleares o en un grupo de combustible nuclear gastado, las partículas beta (electrones de alta energía) se liberan a medida que los fragmentos de fisión se descomponen. El brillo también es visible después de que la reacción en cadena se detiene (en el reactor). La radiación cherenkov puede caracterizar la radiactividad restante del combustible nuclear gastado, por lo tanto, se puede utilizar para medir el consumo de combustible.

Radiación Cherenkov – Youtube

Bremsstrahlung

El bremsstrahlung  es radiación electromagnética producida por la aceleración o desaceleración de una partícula cargada cuando es desviada por campos magnéticos (un electrón por campo magnético del acelerador de partículas) u otra partícula cargada (un electrón por un núcleo atómico). El nombre bremsstrahlung proviene del alemán. La traducción literal es ‘radiación de frenado’ . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía.

El bremsstrahlung es una de las posibles interacciones de partículas cargadas de luz con la materia (especialmente con números atómicos altos ).

Los dos casos más comunes de bremsstrahlung son:

• Desaceleración de partículas cargadas. Cuando las partículas cargadas entran en un material, son desaceleradas por el campo eléctrico de los núcleos atómicos y los electrones atómicos.
• Aceleración de partículas cargadas. Cuando las partículas cargadas ultra-relativistas se mueven a través de campos magnéticos, se ven obligadas a moverse a lo largo de un camino curvo. Dado que su dirección de movimiento cambia continuamente, también están acelerando y emiten bremsstrahlung, en este caso se denomina radiación sincrotrón .

Dado que el bremsstrahlung es mucho más fuerte para las partículas más ligeras, este efecto es mucho más importante para las partículas beta que para los protones, las partículas alfa y los núcleos pesados ​​( fragmentos de fisión ). Este efecto puede descuidarse con energías de partículas por debajo de aproximadamente 1 MeV , porque la pérdida de energía debido a bremsstrahlung es muy pequeña. La pérdida de radiación comienza a ser importante solo a energías de partículas muy por encima de la energía mínima de ionización. En las energías relativistas, la relación entre la tasa de pérdida por bremsstrahlung y la tasa de pérdida por ionización es aproximadamente proporcional al producto de la energía cinética de la partícula y al número atómico del absorbedor.

La sección transversal de bremsstrahlung depende principalmente de estos términos:

Espectro de partículas beta

En el proceso de desintegración beta, se emite un electrón o un positrón. Esta emisión se acompaña de la emisión de antineutrino (descomposición β) o neutrino (descomposición β +), que comparte la energía y el impulso de la descomposición. La emisión beta tiene un espectro característico. Este espectro característico es causado por el hecho de que se emite un neutrino o un antineutrino con emisión de partículas beta. La forma de esta curva de energía depende de qué fracción de la energía de reacción ( valor Q -la cantidad de energía liberada por la reacción) es transportada por la partícula masiva. Por lo tanto, las partículas beta pueden ser emitidos con cualquier energía cinética que van desde 0 a Q . Para 1934, Enrico Fermi había desarrollado una teoría de Fermi sobre la desintegración beta., que predijo la forma de esta curva de energía.

Naturaleza de la interacción de la radiación beta con la materia

Resumen de tipos de interacciones:

• Colisiones inelásticas con electrones atómicos (excitación e ionización)
• Dispersión elástica de núcleos
• Bremsstrahlung.
• Radiación de Cherenkov.
• Aniquilación (solo positrones)

La naturaleza de la interacción de una radiación beta con la materia es diferente de la radiación alfa , a pesar de que las partículas beta también son partículas cargadas. En comparación con las partículas alfa, las partículas beta tienen una masa mucho menor y alcanzan principalmente energías relativistas . Su masa es igual a la masa de los electrones orbitales con los que están interactuando y, a diferencia de la partícula alfa, una fracción mucho mayor de su energía cinética se puede perder en una sola interacción. Dado que las partículas beta alcanzan principalmente energías relativistas, la fórmula Bethe no relativista no se puede utilizar. Para electrones de alta energía, Bethe también ha derivado una expresión similarpara describir la pérdida de energía específica debido a la excitación e ionización (las «pérdidas por colisión»).

Además, las partículas beta pueden interactuar a través de la interacción electrón-nuclear (dispersión elástica de los núcleos), lo que puede cambiar significativamente la dirección de la partícula beta . Por lo tanto, su camino no es tan sencillo. Las partículas beta siguen una ruta muy en zig-zag a través del material absorbente, esta ruta resultante de partículas es más larga que la penetración lineal (rango) en el material.

Las partículas beta también difieren de otras partículas cargadas pesadas en la fracción de energía perdida por el proceso radiactivo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung («radiación de frenado») .

Existe otro mecanismo por el cual las partículas beta pierden energía a través de la producción de radiación electromagnética. Cuando la partícula beta se mueve más rápido que la velocidad de la luz (velocidad de fase) en el material, genera una onda de choque de radiación electromagnética conocida como radiación de Cherenkov .

Los positrones interactúan de manera similar con la materia cuando son energéticos . Pero cuando el positrón se detiene , interactúa con un electrón cargado negativamente, lo que resulta en la aniquilación del par electrón-positrón.