Estudio de los niveles de radiactividad gamma natural en

XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN
Revista Investigación Científica, Vol. 4, No. 2, Nueva época. Mayo - Agosto 2008
ISSN 1870-8196
Estudio de los niveles de radiactividad gamma natural en suelos
superficiales en el municipio de Guadalupe, Zacatecas
Fidel E. Flores Ocampo
Fernando Mireles García
Ignacio Dávila Rangel
Carlos Ríos Martínez
Hugo López del Río
José Luís Pinedo Vega
Valentín Badillo Almaraz
Unidad Académica de Estudios Nucleares
E–mail: kriptost@hotmail.com
Introducción
La radiación está definida como la emisión energética a nivel atómico de
ciertas sustancias; de acuerdo a su origen se puede dividir en antropogénica,
producto de investigación y ensayos nucleares donde se producen sustancias
radiactivas artificiales (Jibiri, 2006; UNSCEAR, 2000); y de origen natural, formada
por dos componentes principalmente: los rayos cósmicos y los minerales que
conforman la superficie de la tierra (Grasty, 2004; UNSCEAR, 2000). La cantidad
de minerales con propiedades radiológicas en la superficie de la Tierra es
enorme, pero destacan por su abundancia tres de ellos: el Torio-232, el Uranio238 y su familia, y el Potasio-40, siendo los primeros dos escasos y el tercero muy
abundante en los ciclos biológicos (UNSCEAR, 2000). Por otra parte, algunos
radionúclidos artificiales como el Cesio-137 han sido depositados en la superficie
de la Tierra y contribuyen también a la cantidad de radiación presente
(Hamarneh, 2003).
Se le llama radiación de fondo a la presente constantemente en la Tierra, y
la originan las fuentes naturales y los materiales liberados en la atmósfera por la
actividad humana. Los niveles de radiación de fondo en diversas partes del
mundo son cantidades pequeñas, pero variables, a veces no bien definidas
para regiones en específico. Por ejemplo, en México, no se cuenta con otros
datos sino los reportados por UNSCEAR en 2000; en el caso particular de la
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ciudad de Zacatecas se cuenta también con un estudio de radiación ambiental
(Mireles, et al., 2003).
Palabras clave: Radiación natural, concentración en actividad, espectrometría
gamma.
Objetivos
Objetivo General
o
Estudiar la radiación gamma de fondo en los municipios de Zacatecas
y Guadalupe.
Objetivos Particulares
o
Calibrar el sistema de espectrometría gamma
o
Medir la radiación de fondo.
o
Determinar los niveles de radiación gamma en suelo en distintas
comunidades de los municipios de Zacatecas y Guadalupe.
Materiales y métodos
Los municipios de Zacatecas y Guadalupe
El municipio de Zacatecas alberga la capital del estado; representa el 0.6% de
la superficie del mismo, y colinda
al
norte
con
los municipios de Calera,
Morelos y Vetagrande; al este con los municipios de Vetagrande y Guadalupe; al
sur con los municipios de Guadalupe, Genaro Codina y Villanueva y al oeste con
los municipios de Villanueva y Jerez. La ciudad de Zacatecas, capital del estado
y del municipio, tiene una altura de 2420 m sobre el nivel del mar. Su clima es
semiseco templado, de temperatura promedio 15.6 °C, y su precipitación pluvial
anual promedio es de 469.3 mm. (INEGI 2000)
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El municipio de Guadalupe representa el 1.3% de la superficie del estado.
Colinda al norte con los municipios de Vetagrande, Pánuco, Villa de Cos y
el estado de San Luís Potosí; al este con el estado de San Luís Potosí y los
municipios de General Pánfilo Natera y Trancoso; al sur con los municipios
de Ojocaliente y Genaro Codina; al oeste con los municipios de Genaro
Codina, Zacatecas y Vetagrande. La cabecera municipal, la ciudad de
Guadalupe, está elevada 2280 m sobre el nivel del mar. Predomina el clima
semiseco templado, con temperatura promedio 16.7 °C y precipitación pluvial
anual promedio 428.4 mm. (INEGI 2000)
Muestreo
Las muestras fueron recolectadas en el interior de los municipios de Guadalupe y
Zacatecas del estado de Zacatecas, México. Para la selección de los lugares
de muestreo se consideraron como punto de referencia las diez comunidades
con mayor población en cada municipio. Los sitios fueron seleccionados en la
zona bajo tres consideraciones: que fueran abiertos, de nivel razonable, y sin
tendencia obvia a inundaciones u otras perturbaciones naturales (EML 1997,
Mireles et al. 2003). Se tomaron dos muestras por cada una de las localidades,
de acuerdo a la accesibilidad al área, excepto para las cabeceras municipales,
que destacan tanto por su extensión territorial como por su población, donde se
tomaron cuatro muestras.
En cada uno de los sitios de muestreo se tomaron cinco porciones de suelo
superficial, con una profundidad de entre 5 y 10 cm, sobre un área de ~1000
m2 aplicando el método de muestreo de núcleos de suelo. Los puntos fueron
elegidos al azar dentro del área seleccionada, con la única restricción de que
ninguna porción debería ser tomada cerca de un límite en campo, como seria
el caso de un árbol, un edificio u otra obstrucción que tienda al sesgo de los
resultados. (Mireles 2003, Seddek 2005, EML 1997). La muestra conformada por
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las cinco porciones fue cribada para remover piedras y guijarros, y tamizada in
situ a través de una criba de malla 2-mm, hasta obtener un volumen
aproximado de 2 L.
De esta manera se recolectó un total de 44 muestras de suelo, 22 de cada
municipio. La preparación de cada muestra consistió en aforar el material a un
volumen de 500 mL para después pesarlo, luego secarlo al aire por varios días, y
colocarlo en una estufa, modelo Barnstead Imperial V 3478M, a 90 °C por 12h.
La muestra fue subsecuentemente repesada para determinar el contenido de
humedad. Finalmente, la muestra así preparada fue empacada en un
contenedor tipo Marinelli de polipropileno de 500 ml, que se selló para prevenir
el escape de gas y se almacenó al menos 4 semanas antes de realizar las
mediciones, con el propósito de lograr el equilibrio radiactivo entre el
226
Ra,
222
Rn
y sus descendientes (Mireles et al. 2003).
Espectrometría de Rayos Gamma
Las mediciones para la espectrometría de rayos gamma de los radionúclidos de
interés se realizaron con un detector coaxial de germanio hiperpuro (HPGe),
marca ORTEC, modelo GMX-25190-P-PLUS con una eficiencia del 25% y una
resolución de 1.81 keV para el rayo gamma de energía 1.33 MeV del
60
Co. El
detector de Ge esta acoplado a una tarjeta TRUMP-PCI-2k como analizador
multicanal con 1024 canales. El manejo de los espectros se lleva a cabo
mediante el uso del software GammaVision-32, del Ortec.
Dado que la medición de los rayos gamma provenientes del
238
U y del
son complicadas, es frecuente medir como representantes de las familias al
232
Th
214
Bi
y al 228Ac respectivamente (Navas 2004, Mireles et al. 2000).
Existe un número de características que garantizan la calidad de las
mediciones realizadas mediante un detector de HPGe. El sistema se debe
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calibrar en energía y en eficiencia, se debe determinar el tiempo necesario para
las mediciones, y se debe cuantificar la Actividad Mínima Detectable (AMD).
Calibración en energía del sistema
Se debe establecer una constante de proporcionalidad entre el número de
canal y la energía del rayo gamma; esta constante depende del voltaje del
detector y la ganancia del amplificador. Para encontrar la constante de
proporcionalidad se debe calibrar el detector usando fuentes de rayos gamma
de energía conocida.
El detector se calibró en energía utilizando fuentes puntuales de referencia
(Mireles et al. 2003, Tsoulfanidis 1995) con código NES-101S y energías conocidas
del
133
Ba,
137
Cs,
22
Na y
60
Co; se consideró también al
40
K, disponible en la
naturaleza, en la curva de calibración de energía pues su energía es conocida.
Las fuentes puntuales se colocaron a 3.5 cm del detector. El tiempo de
medición fue de 600 s para los fotopicos de interés.
Calibración en eficiencia del sistema
El detector se calibra en eficiencia usando un estándar de multinúclidos
certificado en actividad, numero de serie MULTLM479, con una actividad total
de 32.84 kBq ± 3.2% a la fecha de emisión del certificado, en una matriz de
1000 ml de agua, y un nivel de confianza de 99%. Una porción del estándar
multinúclidos de 259 ml fue aforada a un volumen de 500 ml con agua
destilada. La calibración en eficiencia se llevó a cabo usando los cuatro
fotopicos detectables a la fecha mediante el sistema de HPGe. Para mantener
un error relativo menor al 5% en las regiones de interés se tomo un tiempo de
conteo de 40000 s para la adquisición del espectro del estándar, fondo y
muestras.
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Tiempo de Conteo de las Muestras
La ecuación
tg =
g
( g − b) ( a /100) 2 − σ b2
2
(1)
(Tsoulfanidis, 1995) describe el tiempo de medición necesario para alcanzar un
error estadístico del a por ciento. Los resultados de mediciones preliminares se
usaron para calcular el tiempo necesario para alcanzar un 5 por ciento de error
estadístico, según la ecuación (1),
Determinación de la Actividad Mínima Detectable
La Actividad Mínima Detectable (AMD) es la cantidad mas pequeña de
desintegraciones por unidad de masa que puede ser reportado con un cierto
grado de confianza y que representa una concentración real en actividad para
un determinado radioisótopo y no es una variación estadística de la radiación de
fondo (Mireles et al. 2000, Tsoulfanidis 1996). Para el cálculo de la AMD se utiliza
la expresión matemática
AMD = 4.653σ B
(2)
donde σB es la desviación estándar de la radiación de fondo para cada uno de
los fotopicos de interés. En el uso de esta expresión se considera un límite de
confianza del 95%. (Tsoulfanidis 1995, Mireles et al. 2003)
Cálculo de la actividad
Una vez identificadas las energías de interés se toman las cuentas totales bajo los
fotopicos usando los programas de manejo y análisis de espectros, para luego
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sustraer la contribución del fondo y efecto de dispersión de Compton. La
actividad especifica por fotopico (EG&G ORTEC) se determina con la formula
AE i =
N Ei
ε E tγ d w s
(2)
Resultados
Muestreo
Las 44 muestras almacenadas para su estudio presentan una densidad muy
diversa, las del municipio de Guadalupe en el rango de 0.85 a 1.32 kg L-1, con
una media de 1.17 kg L-1, y en el municipio de Zacatecas en el rango de 1.00 a
1.41 kg L-1 con una media de 1.21 kg L-1. Al ser repesadas después del secado,
se determinó una concentración promedio de humedad de 3.92% para las
muestras de Guadalupe, y de 2.45% para las de Zacatecas.
Calibración en energía
Para la calibración en energía del sistema de detección, se relacionan
experimentalmente energías conocidas con un número de canal. Se encuentra
que tienen una correlación de R = 0.99999 y se ajustan a la recta descrita por
E = 0.6135C + 2.613
(3)
La diferencia entre los valores reales y los valores pronosticados fue calculada, y
la mayor de ellas es de 0.09%.
Calibración en Eficiencia
Después de realizar una lectura del estándar multinúclidos en matriz acuosa de
500 mL del CREN, y bajo la hipótesis de que los valores energía – eficiencia están
correlacionados, se ajustaron a la curva
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ε i = 1.5798 ×10−8 xi 2 − 4.2974 ×10−5 xi + 0.0373
(4)
Para esta expresión, la diferencia entre los valores reales y los valores
pronosticados también fue calculada, encontrando que la mayor entre las
diferencias es de 2.14%.
Usando esta aproximación se calcularon coeficientes de eficiencia para las
energías de interés: 609.32 keV (ε=1.7%), 661.66 (ε=1.6%), 911.07 (ε=1.13%) y
1460.75 (ε=0.83%).
Tiempo de Conteo
El fotopico que necesita el mayor tiempo de conteo para alcanzar el límite en el
error estadístico que se requiere es el del
137
Cs, con una marca de hasta 38000
segundos. De acuerdo a estos resultados se elige un tiempo de medición de
40000 segundos para cada muestra, lo que garantiza un error estadístico menor
al 5%.
Actividad Mínima Detectable
Del total de las 44 muestras, se encontró que las actividad mínimas detectables
para los radioisótopos naturales eran mucho menores que las de la menor
actividad para cada uno de ellos: 1.73 Bq kg-1 para el
232
Th y 6.88 Bq kg-1 para el 40K. En el caso del
137
226
Ra, 3.66 Bq kg-1 para el
Cs, la AMD se calculo de 0.96 Bq
kg-1, lo que obligo a descartar 12 de las mediciones como falsos positivos, 6
para cada uno de los municipios.
Cálculo de la Concentración en Actividad
Para el municipio de Guadalupe, las muestras presentan una concentración de
226
Ra en el rango 11.003 – 31.283 Bq kg-1 con un valor medio de 22.284 ± 1.48%
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Bq kg-1, mientras que la concentración de
232
Th se encuentra en el rango de los
11.046 a los 41.829 Bq kg-1, con un valor medio de 28.169 ± 2.5% Bq kg-1. En el
caso de
40
K, las concentraciones fueron de 339.84 a 782.6 Bq kg-1, con una
actividad media de 540.54 ± 0.6% Bq kg-1.
En el municipio de Zacatecas, se encontró una concentración en actividad
para el
226
Ra en el rango de 8.3028 a 34.446 Bq kg-1 con una media de 24.778
± 1.36% Bq kg-1. En el caso del
232
Th, se encontró que la concentración en
actividad va de 10.428 a 56.792 Bq kg-1 con valor medio de 35.1103 ± 1.96%
Bq kg-1. Para el 40K, se encontró en el rango de 279.47 a 1278.3 Bq kg-1, con una
media de 625.22 ± 0.51% Bq kg-1.
La presencia del radionuclido
137
Cs, de origen artificial, fue detectada en 32
de las 44 muestras tomadas. En el caso del municipio de Guadalupe se tuvo un
promedio de 2.71 ± 5.94% Bq kg-1, en el rango de 0.95 a 5.51 Bq kg-1; para el
caso de Zacatecas, la concentración promedio se encontro de 3.54 ± 1.22%
Bq kg-1, en el rango de 1.13 a 7.68 Bq kg-1. Aunque estos niveles estan por
debajo de la actividad promedio mundial reportada por UNSCEAR (2000), es
remarcable el hecho de que su presencia sea detectable.
Conclusiones
La calibración del sistema de espectrometría es un paso muy importante en la
medición de la radiación de fondo debido a la baja intensidad de la misma en
las muestras. En este caso, la calibración del sistema y los parámetros de
medición elegidos permiten observar espectros con picos muy bien definidos y
que no se traslapan de manera importante en la región de interés.
Para los radioisótopos
232
Th y
226
Ra, la concentración en actividad se
encuentra ligeramente por debajo de la media mundial según UNSCEAR (2000),
y sus valores máximos y mínimos están dentro de los límites esperados. En el
caso del 40K el valor medio para ambos municipios se encontró como superior a
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la media mundial, aunque sus valores mínimos y máximos están dentro del límite
esperado. También se detecto la presencia de
137
Cs, en un valor menor al
reportado por UNSCEAR (1988).
Agradecimientos
Este trabajo se realizó bajo el auspicio parcial de CONACyT, proyecto 54520.
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