Aplicación de la irradiación gamma

Aplicación de la irradiación
gamma
Por Walter Rangel Urrea,
director de Servicios Tecnológicos, ININ
En primer término, es conveniente marcar la
diferencia entre radiación e irradiación. Sin
recurrir a tecnicismos, la radiación puede
definirse como una forma de manifestación
de la energía que se transmite a través del
espacio en forma de partículas u ondas
electromagnéticas (como la luz, el calor, las
microondas, los rayos X y los rayos gamma).
Cuando la radiación tiene la energía suficiente
para provocar cambios en los átomos de la
materia con que interacciona, se llama
radiación ionizante. En particular, la radiación
gamma es de naturaleza similar a la luz
visible o a las ondas de radio, la única
diferencia es que tiene una longitud de onda
muy corta y, por tanto, un nivel de energía
más alto que la luz. Estas diferencias facilitan
la penetración profunda de la radiación
gamma dentro de ciertos materiales.
Finalmente, la irradiación es el proceso
mediante el cual se expone deliberadamente
en forma controlada un material a la acción
de una fuente de radiación, como pueden
ser los rayos gamma o un haz de electrones.
La aplicación de la radiación ionizante para
desbacterización o esterilización es un método
que cuenta con el respaldo del International
Plant Protection Convention (IPPC) y del Codex
Alimentarius. Además, el Departamento de
Agricultura de los Estados Unidos (USDA, por
sus siglas en inglés) ha aprobado la irradiación
como una opción para el tratamiento
fitosanitario de frutas y hortalizas, y admite que
es más eficiente que los otros métodos
conocidos.
Esta alternativa consiste en la exposición del
producto a los rayos gamma (cobalto-60 o cesio137) o a un haz de electrones (producido por
aceleradores), bajo condiciones controladas. La
exposición total a la que se trata el producto
puede ir desde unos cuantos grays hasta 1,000
grays. Este rango, que se considera como de
dosis bajas, permite aniquilar o esterilizar
insectos y otros organismos, y retarda el proceso
de maduración, con lo que se alarga la vida
de anaquel del producto.
Se estima que hoy en día existen más de 200
irradiadores gamma en operación en 55 países,
entre los cuales se incluye México. Sus campos
de aplicación son diversos: esterilización de
organismos para control de población, como
es el caso de la mosca del mediterráneo
(moscamed), procesamiento de productos para
el consumo humano (frescos y deshidratados),
control bacteriológico o eliminación de agentes
patógenos, esterilización de productos
biomédicos como sangre y tejidos, y los de
Países que poseen
irradiadores gamma
Tabla 1: Instalaciones de
Irradiación de alimentos en el
mundo (Reportados en la base
de datos del Joint FAO/IAEA
Programme 2007)
cuidado a la salud como: recipientes, jeringas,
guantes, ropa de quirófano y equipos diversos.
Otro campo es el ordenamiento molecular
(cross-linking) de polímeros con el fin de
mejorar las características físicas y químicas
de productos como el aislamiento de cables
eléctricos.
Tipos de
irradiadores
γ
Por otra parte, el número de aceleradores (ebeam generators) crece. En el mundo existen
aproximadamente 1,200 aceleradores que
producen haces de electrones, algunos de los
cuales se utilizan para irradiación en
aplicaciones como las mencionadas. El uso del
haz de electrones como fuente de radiación
tiene como ventajas impartir la dosis en
Irradiadores gamma
Existen comercialmente diversos tamaños. Los
hay desde muy pequeños, para aplicaciones
de investigación, hasta aquellos capaces de
procesar grandes cantidades de producto. Las
diferencias radican en el nivel de actividad de
la fuente radiactiva y el método que se utiliza
para mover el producto. Los principios de diseño
básicos son: maximizar el aprovechamiento de
la energía de radiación, proporcionar al
producto una dosis relativamente uniforme y
lograr una operación segura y sencilla.
Estos irradiadores se dividen en autocontenidos
y panorámicos. El Organismo Internacional de
Energía Atómica los clasifica en función del
almacenamiento de la fuente: los primeros
como Categoría I (almacenamiento seco) y III
(almacenamiento húmedo), y los segundos
como Categoría II (almacenamiento seco) y IV
(almacenamiento húmedo).
Los autocontenidos se destinan a aplicaciones
cuestión de segundos y obtener un ajuste
rápido del proceso para diferentes intensidades
del haz. Su desventaja mayor comparada a
los rayos gamma es su bajo poder de
penetración en los materiales Además, la
radiación gamma puede procesar productos
de geometría no uniforme y de alta densidad.
Otra tecnología alternativa son los rayos X de
alta energía, ya que hoy se cuenta con
aceleradores de electrones de alta potencia y
dispositivos de incidencia del haz (blancos de
metales pesados) que pueden transformar este
haz en rayos X. En la tabla 1 se enumeran las
instalaciones de irradiación de alimentos en
el mundo por tipo y lugar:
que requieren niveles de radiación bajos y
una capacidad de procesamiento pequeña:
irradiación de sangre y esterilización de
insectos. Los panorámicos se destinan a
plantas piloto o de escala comercial y pueden
procesar mayor cantidad de producto
dependiendo de su diseño. A continuación se
describen algunos ejemplos de estos
irradiadores.
Irradiador gamma con cámara de
irradiación
La fuente de irradiación está basada en
cobalto-60 encapsulado en pequeños cilindros
de acero inoxidable, que a su vez se introducen
en una vaina o lápiz también de acero
inoxidable. En esta forma se asegura una
«fuente herméticamente sellada». La radiación
(fotones) atraviesa el encapsulado para incidir
en el material que se va a irradiar en la
cámara, pudiendopenetrar más de 60 cm en
productos alimenticios si se irradian por ambos
lados.
Tabla 2. Principales ventajas y desventajas de cada sistema de irradiación.
El cobalto-60 emite radiación sin interrupción
«no puede apagarse». Para que una persona
pueda ingresar a la cámara cuando no se
esté irradiando producto, la fuente de cobalto60 se tiene que retirar a su blindaje o
descender a una piscina con agua para su
almacenamiento. Estos irradiadores por lo
general utilizan blindajes de concreto o acero.
Cuentan con enclavamientos de seguridad
para impedir que el personal pueda ingresar
a la cámara cuando la fuente no esté en la
posición de almacenamiento. Su operación
puede ser por lote o de manera continua. El
producto se introduce en contenedores o se
deposita alrededor de la fuente.
Irradiador gamma en inmersión
Este también utiliza una fuente basada en
cobalto-60. A diferencia del irradiador con
cámara de irradiación blindada, dicha fuente
permanece en el fondo de la piscina con agua.
El producto a irradiarse se deposita dentro de
contenedores herméticos que se introducen
hasta el fondo de esta piscina, junto a la fuente.
A nivel del piso de la instalación no se requiere
blindaje adicional ni enclavamientos de
seguridad para evitar que durante el proceso
de irradiación ingresen personas a la cámara,
en virtud de que no existe tal. Los contenedores
simplemente descienden, el producto se irradia
y suben de regreso por medio de un
mecanismo elevador. El agua actúa como
blindaje y no se vuelve radiactiva.
Planta típica de
irradiación gamma
Irradiador de electrones
cercanas a la de la luz. Este torrente se conoce
como haz de electrones. Cabe aclarar que
por tener masa, los electrones no pueden
penetrar profundamente en el material a
tratar: alcanzan sólo alrededor de 3.5 cm (7
cm si se irradia por ambos lados). Además,
gracias a su carga eléctrica es posible
guiarlos mediante campos magnéticos hacia
el producto en exposición.
Aceleradores de electrones
Representan otra alternativa para obtener
radiación ionizante. Su utilización ha estado
en constante crecimiento: el público en general
los acepta con mayor facilidad debido a que
no usan material radiactivo, ofrecen facilidades
que permiten adaptarlos a procesos de
manufactura para operación en línea y brindan
razones altas de dosis por lo que es posible
obtener grandes rendimientos.
Un acelerador de electrones es un dispositivo
capaz de acelerar estas partículas a velocidades
R
X
Irradiadores de rayos X
Consisten en aceleradores de electrones de
alta energía a los cuales se les adiciona un
dispositivo para generar rayos X, que son
fotones y tienen propiedades similares a los
rayos gamma emitidos por el cobalto-60. El haz
de electrones se hace incidir en un material
de alta densidad como tungsteno (W), acero o
tantalio (Ta). Los electrones al desacelerarse
(frenarse) repentinamente provocan la emisión
de rayos X (fotones). La ventaja sobre el haz
de electrones es su mejor penetración:
irradiando por ambos lados se logran más de
60 cm. No obstante, se pierde mucha energía
durante el proceso de conversión, por lo que
al compararlo con otros irradiadores para los
mismos volúmenes de producto, resulta tener
una fuerte desventaja en costo. En condiciones
En una instalación industrial de este tipo se
logra obtener electrones con energías
superiores a los 10,000,000 electrón volts (10
MeV). El blindaje que se utiliza por lo general
es concreto, acero o plomo. Cuenta con
enclavamientos de seguridad que garantizan
que nadie pueda entrar a la cámara de
irradiación cuando los materiales se están
exponiendo. El producto a tratar se hace
llegar a la cámara mediante trasportadores
de rodillos o bandas. Esencialmente, se
destinan para tratar cables (aislamiento), para
producir material termoretráctil y para la
esterilización de artículos médicos como
óptimas sólo el 7.6% de la energía total del
haz de electrones se convierte en una
corriente frontal de rayos X en el caso de
energías de 5 MeV. Enseguida se presenta
un ejemplo.
Irradiador de rayos X con cámara de
irradiación
Se basa en un acelerador de gran energía
y de gran potencia. La transportación del
producto se realiza en contenedores que
se exponen frente a las boquillas de
dispersión de rayos X. Cuenta con blindaje
y enclavamientos de seguridad similares a
los del irradiador gamma con cámara de
irradiación y al irradiador de haz de
electrones. Una de sus ventajas es la
facilidad sobre el control de la radiación, lo
jeringas, ropa de quirófano, accesorios, entre
otros.
La extracción del haz se puede adaptar para
satisfacer diversos requerimientos. Es posible
diseñar aceleradores con un área de
tratamiento o multiáreas, flexibilidad que
permite incrementar la eficiencia en el uso
del haz o reducir la energía del electrón para
cumplir una especificación especial. Se
clasifican en tres categorías en función de la
energía del electrón.
Baja energía
Entre 400 a 700 KeV con corrientes de haz de
unos cuantos miliamperios hasta más de 1000
mA y un ancho de barrido desde 0.5 a 1.8 m.
Se utiliza para curado de superficies,
laminados, recubrimientos y la producción de
películas antiestáticas y antiniebla.
Media energía
Entre 1 a 5 Mev con potencias de haz desde
25 a 300 kW y un ancho de de barrido de 0.5
cual le da una extraordinaria flexibilidad. La
distribución de dosis puede ser similar o
mejor a la que se obtiene en irradiadores
gamma.
Un nuevo desarrollo denominado Palletron,
resultado de la alianza de un fabricante de
irradiadores gamma canadiense y de un
fabricante de aceleradores europeo, propone
esta alternativa que mejora sustancialmente
la relación dosis/penetración. En este caso,
se adicionan colimadores entre la fuente de
rayos X y el contenedor, con el objeto de
adecuar las características y la forma del haz.
Por su parte, el sistema de transportación
traslada sólo un contenedor a la vez, el cual
se hace girar frente a dicho haz. Tanto el haz
como dicho giro se realizan conforme a un
patrón previamente determinado, lo cual arroja
a 1.8 m. Se usan para ordenamiento molecular,
mejoramiento de color de gemas, esterilización
de productos médicos y alimentos.
Alta energía
Entre 5 a 10 MeV con potencias de haz de 25
a 350 kW y un ancho de barrido hasta de 1.8
m. Es aplicable para producto a granel. Se
utiliza para ordenamiento molecular de
productos con secciones gruesas, esterilización
de productos médicos, desinfectación,
tratamiento de agua y extensión de vida de
anaquel, entre otros.
Con respecto a su construcción existen tres
tipos: Corriente Directa; en donde se extrae un
haz constante, Microondas Pulsadas (linear
microwave accelerator); en donde el haz oscila
a una baja frecuencia, y el de Onda Pulsada o
Continua (single cavity radiofrequency
accelerator), en donde los electrones se
aceleran con base en la amplitud de dicha
onda.
e-
resultados excelentes. La eficiencia en el
aprovechamiento de energía se incrementa,
se optimiza la distribución de dosis y se
minimiza la diferencia entre la dosis máxima
y la mínima. Sin embargo, estos beneficios
afectan el rendimiento global de la capacidad
de procesamiento, en virtud de que el
tratamiento se realiza de contenedor en
contenedor.
Irradiador de rayos X con
cámara de irradiación