Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS PRÁCTICA 4 DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA VARIACIÓN DE LA DOSIS ABSORBIDA, DEBIDA A UNA FUENTE PUNTUAL, EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA, TIEMPO Y BLINDAJE © CSN-2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS ÍNDICE GUIÓN: .............................................................................................................................................. 3 MATERIAL NECESARIO: ..................................................................................................................... 3 1.- INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 4 2.- DISTANCIA .................................................................................................................................... 4 3.- TIEMPO ......................................................................................................................................... 7 4.- BLINDAJE. ................................................................................................................................... 10 4.1.-Comprobación de la ley de atenuación exponencial. ...................................................... 10 4.2.-Limitaciones de la ley de atenuación exponencial. .......................................................... 11 5.- CONCLUSIONES. ......................................................................................................................... 12 IR_SP_BA_TX-P04 2/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS PRÁCTICA 4: DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA VARIACIÓN DE LA DOSIS ABSORBIDA, DEBIDA A UNA FUENTE PUNTUAL, EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA, TIEMPO Y BLINDAJE GUIÓN: a) Medir experimentalmente, con la instrumentación y dispositivos adecuados, la tasa de dosis absorbida, a distintas distancias fuente-detector. b) Medir experimentalmente, con la instrumentación y dispositivos adecuados, la dosis equivalente en un punto, durante distintos intervalos de tiempo. c) Detectar el número de cuentas por minuto colectadas por un equipo adecuado interponiendo entre la fuente de radiación y el detector absorbentes de distintos materiales y espesores. d) Comparar los valores obtenidos experimentalmente con los calculados teóricamente y sacar conclusiones. MATERIAL NECESARIO: La práctica descrita se realiza con los materiales y detectores que se detallan a continuación, pudiéndose realizar con otra instrumentación y dispositivos, siempre y cuando sean adecuados a los requerimientos de la práctica definidos en el guión y las condiciones reales del laboratorio donde se vayan a impartir. 1. Cámara de ionización. 2. Dosímetros operacionales (de lectura directa). 3. Detector de centelleo sólido de NaI(Tl) + analizador monocanal. 4. Colimador de plomo. 5. Absorbentes de distintos espesores de plomo y hierro. 6. Soporte de metacrilato. 7. Metro. 8. Cronómetro. 9. Fuentes de radiación: fuente de 226Ra y fuente de 137Cs. IR_SP_BA_TX-P04 3/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS 1.- INTRODUCCIÓN Como se ha visto en las lecciones teóricas, la dosis efectiva que recibe una persona, debido a irradiación externa, al permanecer en las proximidades de una fuente radiactiva, depende de tres factores fundamentales: * Distancia entre la fuente y el operador. * Tiempo de permanencia. * Blindaje interpuesto entre ambos. La variación de dichos factores permite realizar las operaciones necesarias en las instalaciones donde se generan radiaciones ionizantes, minimizando la dosis recibida por el operador y por tanto el riesgo al que se ve sometido (criterio ALARA). La presente práctica tiene por objeto comprobar experimentalmente la influencia que tienen los tres factores mencionados en la reducción de dosis. 2.- DISTANCIA La radiación gamma emitida por una fuente radiactiva de reducidas dimensiones o la generada en un tubo de rayos X, se propaga en el espacio libre siguiendo una ley de proporcionalidad inversa al cuadrado de la distancia. Según esta ley, al alejarse de la fuente, la tasa de radiación (tasa de fluencia de fotones o tasa de fluencia de energía) disminuye en la misma proporción en que aumenta el cuadrado de la distancia. Y análogamente, al acercarse a la fuente la tasa de radiación aumenta en la misma proporción en que disminuye el cuadrado de la distancia. Como consecuencia de ello tenemos que: donde D1 y D2 son las dosis absorbidas (en cualquier material), durante el mismo periodo de tiempo y en puntos a las distancias d1 y d2 respectivamente de la fuente. Esquemáticamente: d 2 d1 Fuente D1 D2 Para la comprobación experimental de la ley del inverso del cuadrado de la distancia, utilizaremos un detector de ionización gaseosa, concretamente una cámara de ionización donde el IR_SP_BA_TX-P04 4/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS Detector Fue nte Ra-226 d gas de llenado es aire. Para ello preparamos un dispositivo similar al indicado en la Figura 1. Figura 1.- Dispositivo experimental. Medimos las tasas de dosis absorbida a distintas distancias fuente-detector (120, 110, 100, 90, 80, 70, 60 y 50 cm.) y anotamos los valores obtenidos experimentalmente en la Tabla 1. A continuación, calculamos los valores teóricos de la tasa de exposición para una distancia de 1 metro aplicando la expresión: C · m2 · A Bq kg · Bq · s C X 2 2 kg · s d m donde: = Constante específica de radiación gamma, para exposición A = Actividad (Bq) d = Distancia (m) En este caso, se utiliza una fuente puntual de exposición conocida. 226 Ra de actividad y constante específica de = Constante específica de radiación gamma (exposición)= 1,60 · 10-18 C · m2/ kg · Bq · s A = Actividad = 33,9 · 106 Bq d = Distancia = 1 m · 1,60 ·10 C · m2 · 33,9 · 10 6 Bq kg · Bq · s 18 X1 2 1 m 5,42 · 10 11 C s · 3600 kg · s h C kg · s 1,95 · 10 7 C kg · h La relación entre la tasa de exposición y la tasa de dosis absorbida en aire (suponiendo despreciable la fracción de energía que escapa como radiación de frenado) es: IR_SP_BA_TX-P04 5/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS · D f ·X , siendo en este caso: f = 34 Gy · kg/C Este valor de f se obtiene sabiendo que en promedio, en aire se emplean unos 34 eV para producir un par ion-electrón. Luego, tendremos: · D f ·X 1 34 Gy·kg · 1,95 · 10 C C kg · h 7 Gy h 6 6,63 · 10 Sin embargo nuestra cámara de ionización (Nardeux Mod. Babyline 31) está calibrada en tasa de dosis absorbida en tejido. Para pasar de dosis absorbida en aire a dosis absorbida en tejido, debemos multiplicar por el coeficiente de absorción de energía para tejido y dividir por el coeficiente de absorción de energía en aire, correspondientes a la energía de los fotones que queramos medir. El paso de una magnitud a otra depende por tanto de la energía de los fotones que se vayan a medir. Es por ello por lo que en el certificado de calibración del equipo se advierte que se ha utilizado la energía correspondiente al 137Cs. Debido a que la relación de coeficientes de absorción depende de forma suave con la energía, podemos relacionar de forma aproximada tasa de exposición y dosis absorbida en tejido, de forma que utilizamos un valor de f ligeramente distinto: f = 38,7 Gy · kg/C (observar que 1 C/kg = 3876 R, este factor implica tomar 1 rad en tejido = 1 R). Con este valor de f y para un metro, obtenemos: · D f ·X 1 38,7 Gy·kg · 1,95 · 10 C C kg · h 7 7,56 · 10 6 Gy h Para obtener los valores teóricos de las tasas de dosis absorbidas en tejido a las restantes distancias, no tenemos más que sustituir la x por su valor, en la ley anterior. Así por ejemplo, para x = 1,2 m, tendríamos: D x = d1 2 D1 d x D 1, 2 IR_SP_BA_TX-P04 7,56 · 10 6 12 · 2 1,2 2 5,25 ·10 6/12 2 1 2 x 6 Gy h 5,25 Gy h © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS Una vez calculados todos los valores teóricos los anotamos en su lugar correspondiente en la Tabla 1. Tabla 1 VARIACIÓN CON LA DISTANCIA DISTANCIAS (m) TASAS DE DOSIS ABSORBIDA EXPERIMENTALES TEÓRICAS ( Gy/h) 1,2 5,3 1,1 6,3 1 7,6 0,90 9,3 0.80 11,8 0,70 15,4 0, 60 21,0 0, 50 30,2 Seguidamente representamos gráficamente, por ejemplo empleando una hoja de cálculo, los valores de tasa de dosis absorbida teóricos (en el eje de abscisas) en función de los valores de tasa de dosis absorbida experimentales (en el eje de ordenadas). Una vez representados los valores teóricos frente a los experimentales, discutir las discrepancias observadas en los puntos del gráfico respecto a la recta promediada. 3.- TIEMPO La dosis recibida por una persona expuesta a las radiaciones ionizantes es directamente proporcional al tiempo de exposición. Es decir: DOSIS = TASA DE DOSIS x TIEMPO Esta fórmula es aplicable para las distintas magnitudes (dosis absorbida, dosis equivalente en un punto, etc.) expresadas en sus unidades correspondientes. Así, para dosis equivalente en un punto, en el Sistema Internacional (SI): IR_SP_BA_TX-P04 7/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS Sievert = Sievert/segundo · segundo= (Sv/s) · s La comprobación experimental de la influencia del factor tiempo la vamos a llevar a cabo con los llamados dosímetros operacionales (de lectura directa) (Figura 2). Figura 2.- Dosímetros operacionales En primer lugar, se ponen a cero los 3 dosímetros a utilizar o se anota la medida que muestran. A continuación, se colocan sobre un dispositivo, como el que se muestra en la Figura 3, a la misma distancia del centro (unos 20 cm) en el que colocaremos la misma fuente de 226Ra que utilizamos en el apartado anterior (cuya actividad es de 33,93 MBq), al mismo tiempo que ponemos en marcha un cronómetro que previamente hemos puesto a cero. Fuente de Ra-226 HP SIEMENS HP HP SIEM EN NS ME SIE S NRPB NR PB PB NR Figura 3.- Dispositivo experimental con dosímetros operacionales En la Tabla 2 se va registrando la lectura de cada dosímetro en los diferentes intervalos de tiempo (5, 10, 15 y 20 minutos). Como sabemos del apartado anterior la tasa de dosis absorbida en tejido a 1 m para la fuente de 226 Ra es de 7,56 Gy/h. Entonces se puede calcular a 20 cm usando la ley inversa del cuadrado de la distancia. El resultado es 189 Gy/h. Para tener el valor por minuto dividimos por 60. Luego: IR_SP_BA_TX-P04 8/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS Como: Para t = 5 minutos: De la misma manera calcularemos los valores teóricos de las dosis para 10, 15 y 20 minutos, que anotaremos en la Tabla 2. Tabla 2 Variación de la dosis con el intervalo de tiempo Tiempo (minutos) Datos experimentales Dosímetro 1 Dosímetro 2 Dosímetro 3 Media Datos teóricos ( Sv)* 5 15.75 10 31.5 15 47.25 20 63 *Se ha usado la relación 1 Gy = 1 Sv para el caso de fotones. Se representan gráficamente, por ejemplo empleando una hoja de cálculo, los tiempos de exposición (en minutos) en el eje de abscisas frente a los valores de dosis ( Sv) acumulados en el eje de ordenadas. Se representan también los valores teóricos, calculados en función de la constante específica de tasa de exposición ( ), la actividad (A) y la distancia (d), frente a los experimentales. Una vez representados los valores teóricos y experimentales, discutir las discrepancias observadas de los puntos del gráfico respecto a la recta promediada y de los valores calculados (teóricos) frente a los valores medidos (experimentales). IR_SP_BA_TX-P04 9/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS 4.- BLINDAJE. 4.1.-Comprobación de la ley de atenuación exponencial. Para la radiación electromagnética (X ó ), la atenuación producida por la interposición de distintos espesores de un mismo material, sigue una ley de tipo exponencial: donde: Ix = Intensidad emergente; I0 = Intensidad incidente; = Coeficiente de atenuación lineal; x = Espesor del absorbente siempre y cuando se cumplan las siguientes condiciones: a) b) c) Haz de radiación monoenergético (fotones emitidos a una única energía). Radiación colimada (haz fino de fotones que llega al detector en dirección perpendicular al mismo), para evitar la radiación dispersa. Espesores de absorbentes no gruesos (un espesor es no grueso cuando la probabilidad de que se produzca una doble interacción Compton es menor del 1%). Para que se cumpla la condición a) utilizamos una fuente de 137Cs que emite fotones de 662 keV. Además seleccionamos en el analizador monocanal un rango de energía limitado donde el número de cuentas sea máximo (corresponde a un intervalo de energía centrado en el fotopico). La condición b) se cumple por el uso de colimadores, según se muestra en la figura 4. La condición c) para la energía de 662 keV, se cumple para los espesores señalados en la tabla adjunta. Para comprobar el efecto que produce el blindaje interpuesto entre la fuente radiactiva y el detector, se harán varias medidas con distintos espesores de un mismo material (hierro). Después se repetirá la misma operación utilizando un material diferente (plomo). Los resultados obtenidos se anotarán en la Tabla 3. Esperamos encontrar la ley de atenuación exponencial señalada anteriormente, donde el coeficiente de atenuación lineal es el correspondiente al material que se interponga entre la fuente y el detector. La energía es la correspondiente al 137Cs (662 keV). IR_SP_BA_TX-P04 10/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS TABLA 3 NUCLEIDO 137 Cs MATERIAL ESPESOR (cm) HIERRO 0,0 cpm 0,4 0,8 1,2 PLOMO 0,0 0,4 0,8 1,2 Absorbente Fuente radiactiva Colimadores de plomo Detector de NaI(Tl) Analizador monocanal P HA W INDOW COUNTS INDEPEN A SYMMET. B TIM E 1 2 3 4 5 6 7 J EN - INVENTARIO Ref. 0 8 0 4 3 M eV RANGE 0 , 1 0 ,2 0 ,5 1 ,0 2 ,0 GM SYMMET. C TES T A B 0 ,4 0 ,8 1 ,2 1 ,4 K ILO VO LTS UPPER LEVEL WINDO W WIDTH C % WINDO W HV CPM SUB ST RACT 0 9 1 0 9 8 8 2 7 7 3 4 5 6 6 5 1 2 3 4 TIM E EXTER S TART AUTO CYCLE DIS P LAY. 0 1 2 3 4 5 POWER LO WER LEVEL PEAK ENERG Y P ICKER S P ECTROS CALER 4 COUNT DETEC. S TOP M ANUALDIS P LAY INP UT PRESET CO UNTS/ TIME CO UNTS X 100 TIME ( 0, 01 MIN. ) 0 9 1 0 9 8 8 2 7 7 3 4 5 6 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 5 0 9 1 0 9 8 8 2 7 7 3 4 5 6 6 5 1 2 3 HV POWER 4 OFF OFF Figura 4.- Dispositivo experimental. Se representan gráficamente, por ejemplo empleando una hoja de cálculo, los distintos espesores para ambos materiales en el eje de abscisas frente a los valores de cpm en el eje de ordenadas, para discutir las discrepancias observadas en función del material. 4.2.-Limitaciones de la ley de atenuación exponencial. El objetivo de este apartado es ver que ocurre con la ley de atenuación exponencial anterior cuando no se cumple alguna de las condiciones antes señaladas. Cuando entre una fuente de radiación monoenergética y un punto de observación, se interpone IR_SP_BA_TX-P04 11/12 © CSN 2013 Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR). MÓDULO BÁSICO. PRÁCTICAS una lámina de un material de determinado espesor, el espectro de energía de los fotones que alcanzan el punto de observación, deja de ser monoenergético. En general los fotones que alcanzan el detector son, por una parte, los que no han interaccionado con el material interpuesto (siguiendo una ley de decrecimiento exponencial en función del espesor de material), más aquellos que han sufrido una o más interacciones Compton con el material interpuesto (con la consiguiente degradación de energía). También pueden llegar fotones de aniquilación producidos en el material, si la energía del haz monoenergético incidente es superior a 1022 keV, pero en nuestro caso no consideramos esta posibilidad al trabajar con 137Cs, ya que, como se ha dicho anteriormente, la energía de emisión es 662 keV. Este hecho es de gran importancia a efectos de cálculo de blindajes para el caso de radiación X o gamma, ya que es el responsable de que magnitudes radiológicas como la dosis absorbida en un punto o la exposición, no sigan leyes de atenuación exponencial análogas a la anteriormente señalada. Este es por tanto el origen del factor de acumulación o "Bild-up" (para dosis absorbida en tejido o para exposición). Para ver experimentalmente el efecto que se produce vamos a modificar ligeramente el experimento realizado anteriormente. Para ello: 1.-Eliminamos la colimación del haz de radiación incidente. Esto lo podemos hacer simplemente, desplazando la fuente justo al extremo opuesto del colimador. 2.-Extendemos el intervalo de energía que seleccionamos, en el analizador monocanal. Con ello podremos detectar fotones que hayan sufrido una o más interacciones Compton en el material interpuesto y que por tanto hayan degradado su energía (a estos efectos es útil considerar que una interacción Compton el fotón emergente es el incidente que ha degradado parcialmente su energía). Repetir las medidas anteriores en estas condiciones y comentar los resultados. Advertencia: Antes de realizar las medidas experimentales de este apartado, considerar, a efectos de protección radiológica de los alumnos y del instructor de la práctica, que el cambio de posición de la fuente tiene efectos notables en cuanto a niveles de radiación en las proximidades. Se utilizará una fuente de actividad adecuada o se implementaran los blindajes biológicos adecuados para ello. 5.- CONCLUSIONES. A la hora de trabajar con fuentes de radiación, debemos tener en cuenta los tres factores mencionados: distancia, tiempo y blindaje para que la dosis efectiva que recibamos por irradiación externa, sea lo menor posible. De este modo el riesgo al que estamos sometidos será lo menor posible (criterio ALARA). Siempre que se pueda se aumentará la distancia operador-fuente radiactiva; para ello, en ocasiones se utilizan telemanipuladores. El tiempo de exposición a la radiación será el menor posible; a veces, se optimiza mediante el entrenamiento con fuentes simuladas. Además, siempre que se pueda, se interpondrán blindajes adecuados entre la fuente y el operador. IR_SP_BA_TX-P04 12/12 © CSN 2013