¿Qué es el blindaje de la radiación gamma? Definición

El blindaje efectivo de la radiación gamma se basa en el uso de materiales de alta densidad y alta Z. También se puede usar agua y uranio empobrecido como escudo de rayos gamma. Dosimetría de radiación

En la protección radiológica hay tres formas de proteger a las personas de las fuentes de radiación identificadas:

  • Limitando el tiempo. La cantidad de exposición a la radiación depende directamente (linealmente) del tiempo que las personas pasan cerca de la fuente de radiación. La dosis puede reducirse limitando el tiempo de exposición .
  • Distancia. La cantidad de exposición a la radiación depende de la distancia desde la fuente de radiación. De manera similar al calor de un incendio, si está demasiado cerca, la intensidad de la radiación de calor es alta y puede quemarse. Si está a la distancia correcta, puede resistir allí sin ningún problema y, además, es cómodo. Si está demasiado lejos de la fuente de calor, la insuficiencia de calor también puede dañarlo. Esta analogía, en cierto sentido, puede aplicarse a la radiación también de fuentes de radiación.
  • Blindaje Finalmente, si la fuente es demasiado intensa y el tiempo o la distancia no proporcionan suficiente protección contra la radiación, se debe usar el blindaje. El blindaje contra la radiación generalmente consiste en barreras de plomo, concreto o agua. Hay muchos materiales que se pueden usar para proteger contra la radiación, pero hay muchas situaciones en la protección contra la radiación. Depende en gran medida del tipo de radiación que se va a proteger, su energía y muchos otros parámetros. Por ejemplo, incluso el uranio empobrecido puede usarse como una buena protección contra la radiación gamma, pero, por otro lado, el uranio es un blindaje absolutamente inapropiado de la radiación de neutrones .
principios de protección radiológica: tiempo, distancia, blindaje
Principios de protección radiológica: tiempo, distancia, blindaje

Características de los rayos gamma / radiación

Las características clave de los rayos gamma se resumen en los siguientes puntos:

  • Los rayos gamma son fotones de alta energía (aproximadamente 10 000 veces más energía que los fotones visibles), los mismos fotones que los fotones que forman el rango visible del espectro electromagnético: la luz.
  • Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
  • Los rayos gamma ionizan la materia principalmente a través de la ionización indirecta .
  • Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.
  • Los rayos gamma viajan a la velocidad de la luz y pueden viajar miles de metros en el aire antes de gastar su energía.
  • Como la radiación gamma es una materia muy penetrante, debe estar protegida por materiales muy densos, como el plomo o el uranio.
  • La distinción entre rayos X y rayos gamma no es tan simple y ha cambiado en las últimas décadas. Según la definición actualmente válida, los rayos X son emitidos por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo .
  • Los rayos gamma acompañan frecuentemente la emisión de radiación alfa y beta .

 

Comparación de partículas en una cámara de niebla.  Fuente: wikipedia.org
Comparación de partículas en una cámara de niebla. Fuente: wikipedia.org
Coeficientes de atenuación.
Total de secciones transversales de fotones.
Fuente: Wikimedia Commons

Blindaje de la radiación gamma

En resumen, el blindaje efectivo de la radiación gamma se basa en la mayoría de los casos en el uso de materiales con las siguientes dos propiedades:

  • Alta densidad de material.
  • alto número atómico de material (materiales con alto contenido de Z)

Sin embargo, los materiales de baja densidad y los materiales de baja Z pueden compensarse con un mayor espesor, que es tan significativo como la densidad y el número atómico en aplicaciones de blindaje.

Un cable se usa ampliamente como un escudo gamma. La principal ventaja del blindaje de plomo es su compacidad debido a su mayor densidad. Por otro lado,  el uranio empobrecido es mucho más efectivo debido a su mayor Z. El uranio empobrecido se usa para proteger en fuentes portátiles de rayos gamma.

En las centrales nucleares, la  protección del núcleo de un reactor puede ser proporcionada por materiales del recipiente a presión del reactor, internos del reactor ( reflector de neutrones ). También se usa hormigón pesado para proteger tanto los neutrones como la radiación gamma.

Aunque el agua no es material de alta densidad ni de alta Z, se usa comúnmente como escudos gamma. El agua proporciona una protección contra la radiación de los conjuntos de combustible en una piscina de combustible gastado durante el almacenamiento o durante el transporte desde y hacia el núcleo del reactor .

En general, la protección contra la radiación gamma es más compleja y difícil que la protección contra la radiación alfa o beta . Para comprender de manera exhaustiva la forma en que un rayo gamma pierde su energía inicial, cómo puede atenuarse y cómo puede protegerse, debemos tener un conocimiento detallado de sus mecanismos de interacción.

Ver también más teoría: interacción de la radiación gamma con la materia

Ver también calculadora: actividad de Gamma a la tasa de dosis (con / sin escudo)

Ver también XCOM – DB de sección transversal de fotones: XCOM: base de datos de secciones cruzadas de fotones

Atenuación de rayos gamma

La sección transversal total de interacción de los rayos gamma con un átomo es igual a la suma de las tres secciones transversales parciales mencionadas: σ = σ f + σ C + σ 

  • σ f – Efecto fotoeléctrico
  • σ C – Dispersión de Compton
  • σ p – Producción en pareja

Dependiendo de la energía de los rayos gamma y del material absorbente, una de las tres secciones transversales parciales puede ser mucho más grande que las otras dos. A valores pequeños de energía de rayos gamma domina el efecto fotoeléctrico . La dispersión de Compton domina a las energías intermedias. La dispersión de compton también aumenta al disminuir el número atómico de la materia, por lo tanto, el intervalo de dominación es más amplio para los núcleos de luz. Finalmente, la producción de pares electrón-positrón domina a altas energías.

Según la definición de la sección transversal de interacción, se puede deducir la dependencia de la intensidad de los rayos gamma con el grosor del material absorbente. Si los rayos gamma monoenergéticos se coliman en un haz estrecho y si el detector detrás del material solo detecta los rayos gamma que pasaron a través de ese material sin ningún tipo de interacción con este material, entonces la dependencia debería ser una simple atenuación exponencial de los rayos gamma . Cada una de estas interacciones elimina el fotón del haz, ya sea por absorción o por dispersión fuera de la dirección del detector. Por lo tanto, las interacciones pueden caracterizarse por una probabilidad fija de ocurrencia por unidad de longitud de camino en el absorbedor. La suma de estas probabilidades se llamacoeficiente de atenuación lineal :

μ = τ (fotoeléctrico) + σ (Compton) + κ (par)

Atenuación de rayos gamma
La importancia relativa de varios procesos de interacción de la radiación gamma con la materia.

Coeficiente de atenuación lineal

La atenuación de la radiación gamma se puede describir con la siguiente ecuación.

I = I 0 .e -μx

, donde I es la intensidad después de la atenuación, I o es la intensidad incidente, μ es el coeficiente de atenuación lineal (cm -1 ) y el espesor físico del absorbedor (cm).

Atenuación
Dependencia de la intensidad de la radiación gamma en el espesor del absorbedor

Los materiales enumerados en la tabla de al lado son aire, agua y elementos diferentes desde el carbono ( Z = 6) hasta el plomo ( Z = 82) y sus coeficientes de atenuación lineal se dan para tres energías de rayos gamma. Hay dos características principales del coeficiente de atenuación lineal:

  • El coeficiente de atenuación lineal aumenta a medida que aumenta el número atómico del absorbedor.
  • El coeficiente de atenuación lineal para todos los materiales disminuye con la energía de los rayos gamma.

Capa de valor medio

La capa de valor medio expresa el espesor del material absorbente necesario para la reducción de la intensidad de radiación incidente en un factor de dos . Hay dos características principales de la capa de valor medio:

  • La capa de valor medio disminuye a medida que aumenta el número atómico del absorbedor. Por ejemplo, se necesitan 35 m de aire para reducir la intensidad de un haz de rayos gamma de 100 keV en un factor de dos, mientras que solo 0,12 mm de plomo pueden hacer lo mismo.
  • La capa de valor medio para todos los materiales aumenta con la energía de los rayos gamma. Por ejemplo, desde 0,26 cm para hierro a 100 keV hasta aproximadamente 1,06 cm a 500 keV.

Ejemplo:

¿Qué cantidad de agua necesita, si desea reducir la intensidad de un haz de rayos gamma monoenergéticos ( haz estrecho ) de 500 keV al 1% de su intensidad incidente? La capa de valor medio para los rayos gamma de 500 keV en agua es de 7.15 cm y el coeficiente de atenuación lineal para los rayos gamma de 500 keV en agua es de 0.097 cm -1 . La pregunta es bastante simple y se puede describir mediante la siguiente ecuación:I (x) = frac {I_ {0}} {100}, ;;  cuando;  x =?Si la capa de valor medio para el agua es 7.15 cm, el coeficiente de atenuación lineal es:mu = frac {ln2} {7.15} = 0.097cm ^ {- 1}Ahora podemos usar la ecuación de atenuación exponencial:I (x) = I_0; exp; (- mu x)frac {I_0} {100} = I_0; exp; (- 0.097 x)por lo tantofrac {1} {100} =; exp; (- 0.097 x)lnfrac {1} {100} = - ln; 100 = -0.097 xx = frac {ln100} {{0.097}} = 47.47; cmEntonces el espesor requerido de agua es de aproximadamente 47.5 cm . Este es un espesor relativamente grande y es causado por pequeños números atómicos de hidrógeno y oxígeno. Si calculamos el mismo problema para el plomo (Pb) , obtenemos el grosor x = 2.8cm .

Coeficientes de atenuación lineal

Tabla de coeficientes de atenuación lineal (en cm-1) para diferentes materiales a energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

Amortiguador 100 keV 200 keV 500 keV
Aire   0.000195 / cm   0.000159 / cm   0.000112 / cm
Agua 0,167 / cm 0.136 / cm 0,097 / cm
Carbón 0.335 / cm 0.274 / cm 0,196 / cm
Aluminio 0.435 / cm 0.324 / cm 0.227 / cm
Planchar 2,72 / cm 1.09 / cm 0.655 / cm
Cobre 3.8 / cm 1.309 / cm 0,73 / cm
Dirigir 59,7 / cm 10.15 / cm 1,64 / cm

Capas de valor medio

capa de valor medio

La capa de valor medio expresa el espesor del material absorbente necesario para la reducción de la intensidad de radiación incidente en un factor de dos. Con la capa de valor medio es fácil realizar cálculos simples.
Fuente: www.nde-ed.org

Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales con energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

Amortiguador 100 keV 200 keV 500 keV
Aire 3555 cm 4359 cm 6189 cm
Agua 4,15 cm 5,1 cm 7,15 cm
Carbón 2,07 cm 2,53 cm 3,54 cm
Aluminio 1,59 cm 2,14 cm 3,05 cm
Planchar 0,26 cm 0,64 cm 1,06 cm
Cobre 0,18 cm 0,53 cm 0,95 cm
Dirigir  0,012 cm  0,068 cm  0,42 cm

Coeficiente de atenuación masiva

Al caracterizar un material absorbente, a veces podemos usar el coeficiente de atenuación de masa.  El coeficiente de atenuación de masa se define como la relación del coeficiente de atenuación lineal y la densidad del absorbedor (μ / ρ) . La atenuación de la radiación gamma se puede describir con la siguiente ecuación:

I = I 0 .e – (μ / ρ) .ρl

, donde ρ es la densidad del material, (μ / ρ) es el coeficiente de atenuación de masa y ρ.l es el espesor de la masa. La unidad de medida utilizada para el coeficiente de atenuación de masa cm 2 g -1 .

Para energías intermedias, la dispersión de Compton domina y diferentes absorbentes tienen coeficientes de atenuación de masa aproximadamente iguales. Esto se debe al hecho de que la sección transversal de la dispersión de Compton es proporcional a la Z (número atómico) y, por lo tanto, el coeficiente es proporcional a la densidad del material ρ. A valores pequeños de energía de rayos gamma o a valores altos de energía de rayos gamma, donde el coeficiente es proporcional a las potencias más altas del número atómico Z (para efecto fotoeléctrico σ f ~ Z 5 ; para producción de pares σ p ~ Z 2 ), el El coeficiente de atenuación μ no es una constante.

Validez de la Ley Exponencial

La ley exponencial siempre describirá la atenuación de la radiación primaria por la materia. Si se producen partículas secundarias o si la radiación primaria cambia su energía o dirección, entonces la atenuación efectiva será mucho menor. La radiación penetrará más profundamente en la materia de lo que se predice solo por la ley exponencial. El proceso debe tenerse en cuenta al evaluar el efecto de la protección contra la radiación.

Ejemplo de acumulación de partículas secundarias.  Depende en gran medida del carácter y los parámetros de las partículas primarias.
Ejemplo de acumulación de partículas secundarias. Depende en gran medida del carácter y los parámetros de las partículas primarias.

 

Factores de acumulación de blindaje contra rayos gamma

El factor de acumulación es un factor de corrección que considera la influencia de la radiación dispersa más cualquier partícula secundaria en el medio durante los cálculos de protección. Si queremos dar cuenta de la acumulación de radiación secundaria, entonces tenemos que incluir el factor de acumulación . El factor de acumulación es entonces un factor multiplicativo que da cuenta de la respuesta a los fotones no colidados para incluir la contribución de los fotones dispersos. Por lo tanto, el factor de acumulación se puede obtener como una relación de la dosis total a la respuesta para la dosis no contaminada.

La fórmula extendida para el cálculo de la tasa de dosis es:

Factor de acumulación

El ANSI / ANS-6.4.3-1991 Coeficientes de atenuación de rayos gamma y factores de acumulación para el estándar de materiales de ingeniería, contiene coeficientes de atenuación de rayos gamma derivados y factores de acumulación para materiales y elementos de ingeniería seleccionados para usar en cálculos de blindaje (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).

 

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.