Qué es la dosimetría de neutrones – Dosímetro de neutrones – Definición

La dosimetría de neutrones del personal sigue siendo uno de los problemas en el campo de la protección radiológica, ya que ningún método proporciona la combinación de características de respuesta energética, sensibilidad y dependencia de la orientación.
detección de neutrones
En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor y uno de los detectores de radiación convencionales.
Fuente: large.stanford.edu

La dosimetría de neutrones es muy específica, dado que los neutrones son partículas eléctricamente neutras, por  lo que están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).

Los estudios han demostrado que la radiación alfa y de neutrones causa un daño biológico mayor para una deposición de energía dada por kg de tejido que la radiación gamma. Se descubrió que los efectos biológicos de cualquier radiación  aumentan  con la  transferencia de energía lineal  (LET). En resumen, el daño biológico de la radiación de  alto LET  ( partículas alfa ,  protones  o  neutrones ) es mucho mayor que el de la radiación de  bajo LET  ( rayos gamma) Esto se debe a que el tejido vivo puede reparar más fácilmente el daño de la radiación que se extiende sobre un área grande que la que se concentra en un área pequeña. Como se causa más daño biológico por la misma dosis física (es decir, la misma energía depositada por unidad de masa de tejido), un gris de radiación alfa o de neutrones es más dañino que un gris de radiación gamma. Este hecho de que las radiaciones de diferentes tipos (y energías) dan diferentes efectos biológicos para la misma dosis absorbida se describe en términos de factores conocidos como la  efectividad biológica relativa  (RBE) y el factor de ponderación de la  radiación  (w R ).

Factores de ponderación de la radiación – ICRP

Para la radiación de fotones y electrones, el factor de ponderación de la  radiación tiene el valor 1 independientemente de la energía de la radiación y para la radiación alfa el valor 20. Para la radiación de neutrones, el valor depende de la energía y es de 5 a 20.

Factores de ponderación de la radiación
Fuente: ICRP, 2003. Efectividad biológica relativa (RBE), factor de calidad (Q) y factor de ponderación de la radiación (wR). Publicación ICRP 92. Ann. ICRP 33 (4).

En 2007, ICRP publicó un  nuevo conjunto de factores de ponderación de la radiación (Publicación ICRP 103: Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica). Estos factores se dan a continuación.

Factores de ponderación de la radiación - actual - ICRP
Fuente: ICRP Publ. 103: Las Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica

Como se muestra en la tabla, aw R  de 1 es para todas las radiaciones de baja LET, es decir, rayos X y rayos gamma de todas las energías, así como electrones y muones. Una curva suave, considerada una aproximación, se ajustó a los valores de w R en función de la energía de neutrones incidente. Tenga en cuenta que E n  es la energía de neutrones en MeV.

factor de ponderación de la radiación - neutrones - ICRP
El factor de ponderación de radiación wR para neutrones introducido en la Publicación 60 (ICRP, 1991) como una función discontinua de la energía de neutrones (- – -) y la modificación propuesta (-).

Así, por ejemplo, una dosis absorbida de 1 Gy por partículas alfa conducirá a una dosis equivalente de 20 Sv, y ​​se estima que una dosis equivalente de radiación tiene el mismo efecto biológico que una cantidad igual de dosis absorbida de rayos gamma, que es dado un factor de ponderación de 1.

Detección de neutrones térmicos.

Los neutrones térmicos son neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante de temperatura 290K (17 ° C o 62 ° F). La energía más probable a 17 ° C (62 ° F) para la distribución Maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de neutrones constituye la parte más importante del espectro en los reactores térmicos .

Los neutrones térmicos tienen una sección transversal efectiva de absorción de neutrones diferente (y a menudo mucho más grande ) ( fisión o captura radiactiva ) para un nucleido dado que los neutrones rápidos.

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. En los reactores nucleares, los detectores de ionización gaseosa son los más comunes, ya que son muy eficientes, confiables y cubren una amplia gama de flujo de neutrones. Varios tipos de detectores de ionización gaseosa constituyen el llamado  sistema de instrumentación nuclear excore (NIS) . El sistema de instrumentación nuclear excore monitorea el nivel de potencia del reactor mediante la  detección de fugas de neutrones  desde el núcleo del reactor.

Detección de neutrones usando la cámara de ionización

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de los neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de 0,48 MeV (n, alfa) reacciones de 10B

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo  el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando una cámara de ionización es usar el trifluoruro de boro gaseoso   (BF 3 ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los  contadores BF 3 generalmente se operan en la región proporcional.

Detección de neutrones rápidos

Los neutrones rápidos son neutrones de energía cinética mayor de 1 MeV (~ 15 000 km / s). En los reactores nucleares, estos neutrones generalmente se denominan neutrones de fisión. Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para la fisión de 235U ) 2 MeV. Dentro de un reactor nuclear, los neutrones rápidos se reducen a las energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones . Estos neutrones también son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o reacciones (ɑ, n).

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. Pero debe agregarse, la detección de neutrones rápidos es una disciplina muy sofisticada, ya que la sección transversal de los neutrones rápidos es mucho más pequeña que en el rango de energía para los neutrones lentos. Los neutrones rápidos a menudo se detectan primero moderándolos (desacelerándolos) a energías térmicas. Sin embargo, durante ese proceso se pierde la información sobre la energía original del neutrón, su dirección de viaje y el tiempo de emisión.

Proton Recoil – Detectores de retroceso

El tipo más importante de detectores para neutrones rápidos son aquellos que detectan directamente las partículas de retroceso , en particular los protones de retroceso resultantes de la dispersión elástica (n, p). De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente livianos para una aplicación práctica. En el último caso, las partículas de retroceso se detectan en un detector. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos de luz. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos que permiten la detección de neutrones rápidos sin un moderador . Este método permite medir la energía del neutrón junto con la fluencia de neutrones, es decir, el detector puede usarse como un espectrómetro. Los detectores de neutrones rápidos típicos son centelleadores líquidos., detectores de gases nobles a base de helio-4 y detectores de plástico (centelleadores). Por ejemplo, el plástico tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo tanto, es útil para detectores de neutrones rápidos , cuando se usa como centelleador.

Espectrómetro Bonner Spheres

Existen varios métodos para detectar neutrones lentos, y pocos métodos para detectar neutrones rápidos. Por lo tanto, una técnica para medir neutrones rápidos es convertirlos en
neutrones lentos y luego medir los neutrones lentos. Uno de los métodos posibles se basa en las esferas de Bonner . El método fue descrito por primera vez en 1960 por Ewing y Tom W. Bonner y emplea detectores de neutrones térmicos (generalmente centelleadores inorgánicos como 6 LiI) integrados en esferas de moderación de diferentes tamaños.  Las esferas de Bonner se han utilizado ampliamente para la medición de espectros de neutrones con energías de neutrones que van desde térmicas hasta al menos 20 MeV. Un espectrómetro de neutrones de esfera de Bonner (BSS) consiste en un detector de neutrones térmicos, un conjunto de conchas esféricas de polietilenoy dos casquillos de plomo opcionales de varios tamaños. Para detectar neutrones térmicos se puede utilizar un detector 3 He o centelleadores inorgánicos como 6 LiI. Los centelleadores LiGlass son muy populares para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Detección de neutrones usando el contador de centelleo

Los contadores de centelleo  se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones que incluyen medidores de medición de radiación de mano, monitoreo personal y ambiental de  contaminación radiactiva , imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares. Son ampliamente utilizados porque pueden fabricarse de manera económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.

Los contadores de centelleo se pueden usar para detectar  la radiación alfa ,  beta y  gamma . Se pueden usar también para la  detección de neutrones . Para estos fines, se utilizan diferentes centelleadores.

  • Neutrones . Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).  Los neutrones rápidos  (> 0.5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo  centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos  dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores 6LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Dosímetro termoluminiscente de neutrones – TLD de neutrones

La  dosimetría de neutrones del personal  sigue siendo uno de los problemas en el campo de la protección contra la radiación, ya que ningún método proporciona la combinación de respuesta energética, sensibilidad, características de dependencia de la orientación y precisión necesarias para satisfacer las necesidades de un dosímetro de personal.

Los dosímetros de neutrones de personal más utilizados con fines de protección radiológica son los  dosímetros termoluminiscentes  y los  dosímetros de albedo . Ambos se basan en este fenómeno:  termoluminiscencia . Para este propósito, el fluoruro de litio ( LiF ) como material sensible (chip) es ampliamente utilizado. Fluoruro de litio TLD se utiliza para la exposición a rayos gamma y neutrones (indirectamente, usando la reacción nuclear Li-6 (n, alfa)). Los cristales pequeños de LiF (fluoruro de litio) son los dosímetros de TLD más comunes, ya que tienen las mismas propiedades de absorción que los tejidos blandos. El litio tiene dos isótopos estables, litio-6 (7,4%) y litio-7 (92,6%). Li-6 es el isótopo sensible a los neutrones. Para registrar neutrones, los dosímetros de cristal de LiF pueden enriquecerse en litio-6 para mejorar la reacción nuclear de litio-6 (n, alfa). La eficiencia del detector depende de la  energía de los neutrones.. Debido a que la interacción de los neutrones con cualquier elemento es altamente dependiente de la energía, hacer que un dosímetro sea independiente de la energía de los neutrones es muy difícil. Para separar los neutrones térmicos y los fotones, los dosímetros de LiF se utilizan principalmente, que contienen diferentes porcentajes de litio-6. Chip de LiF enriquecido en litio-6, que es muy sensible a los neutrones térmicos y chip de LiF que contiene muy poco litio-6, que tiene una respuesta de neutrones insignificante.

El principio de los TLD de neutrones es entonces similar al de los TLD de radiación gamma. En el chip LiF, hay impurezas (por ejemplo, manganeso o magnesio), que producen estados de trampa para electrones energéticos. La impureza causa trampas en la red cristalina donde, después de la irradiación (a la radiación alfa), se retienen los electrones. Cuando el cristal se calienta, los electrones atrapados se liberan y se emite luz. La cantidad de luz está relacionada con la dosis de radiación recibida por el cristal.

Dosímetro termoluminiscente de neutrones de albedo

La dosimetría de neutrones de Albedo  se basa en el efecto de la moderación y la retrodispersión de neutrones por el cuerpo humano. Albedo, la palabra latina para «blancura», fue definida por Lambert como la fracción de la luz incidente reflejada difusamente por una superficie. La moderación y la retrodispersión de neutrones por el cuerpo humano crea un flujo de neutrones en la superficie del cuerpo en el rango de energía térmica e intermedia. Estos neutrones retrodispersados ​​llamados  albedo neutrones , pueden detectarse mediante un dosímetro (generalmente un  chip LiF TLD ), colocado en el cuerpo que está diseñado para  detectar neutrones térmicos . Dosímetros de albedo Se ha encontrado que son los únicos dosímetros que pueden medir dosis debido a neutrones en todo el rango de energías. Por lo general, se utilizan dos tipos de fluoruro de litio para separar las dosis aportadas por los rayos gamma y los neutrones. Chip de LiF enriquecido en litio-6, que es muy sensible a los neutrones térmicos y chip de LiF que contiene muy poco litio-6, que tiene una respuesta de neutrones insignificante.

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