Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica* Lead Free Materials for the Mitigation of Ionizing Radiation in Radiologic Protection Recibido: 17 de septiembre de 2014 - Aceptado: 7 de octubre de 2014 Manuel Alejandro Mayorga Betancourt** Sergio Enrique Plazas Jiménez*** Para citar este artículo: M. Mayorga, S. Plazas, E. Salazar, «Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica», Ingenium, vol. 15, n.° 30, pp. 39-49, octubre, 2014. Emeterio Cruz Salazar**** Resumen En los servicios de Medicina Nuclear y Radiodiagnóstico es necesario ubicar barreras protectoras para atenuar las radiaciones ionizantes hasta niveles aceptables. Existen diferentes tipos de barreras, como muros de concreto, láminas de plomo, vidrio plomado y accesorios de protección radiológica personal que contienen láminas o placas de plomo. En este trabajo se presenta la etapa de simulación y análisis teórico para la obtención de materiales sin plomo, viables en protección radiológica. Para esto, se utilizó la base de datos * Artículo de investigación, producto derivado del proyecto de investigación Desarrollo de materiales atenuadores libres de plomo, para uso en protección radiológica, realizado en el grupo GIATME, GINIC-HUS e INDETECA de la Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales, UNIECCI, iniciado en abril de 2013. ** Ingeniero Químico y Magíster en Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Docente investigador de la Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales, UniECCI, área de Mecánica. Experto en el área térmica, energía sostenible, biocombustibles, procesos químicos, materiales y tratamiento de residuos. Líder de la línea de Energía del Grupo de Investigación en Aprovechamiento Tecnológico de Materiales y Energía, GIATME. e_mail: mmayorgab@ecci.edu.co. *** Ingeniero Químico de la Universidad Nacional de Colombia y candidato a Magíster en Ciencia y Tecnología de Polímeros de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Docente Investigador de la Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales, UniECCI, área de Plásticos. Especialista en Sistemas de Gestión Integrados de la Universidad Agraria de Colombia. Experto en polímeros, procesos químicos, materiales, energía sostenible y tratamiento de residuos. Líder del Grupo de Investigación en Aprovechamiento Tecnológico de Materiales y Energía, GIATME. e_mail: splazasj@ecci.edu.co. **** Físico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y candidato a Magíster en Física Médica de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Docente investigador de la Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales, UniECCI, área de Biomédica. Experto en protección radiológica para medicina nuclear. Participa en el grupo de investigación en Innovación y Desarrollo Tecnológico Aplicado, INDETECA. Editor de la revista TECCIENCIA. e_mail: ecruzs@ecci.edu.co 39 Revista de la Facultad de Ingeniería • Año 15 • n.° 30, Julio - Diciembre de 2014 del National Institute of Standards and Technology, que permite la construcción teórica de materiales a partir de los elementos químicos y hallar los coeficientes de atenuación de estos compuestos. También, se realizó la simulación de la atenuación de estos materiales para energías de 30keV a 1MeV, rango energético común en el campo clínico y se comparó con la atenuación del Plomo para estas energías. Se concluyó que estos materiales atenuadores se pueden ubicar sobre un sustrato poliméricos para lograr su aplicabilidad y se obtuvieron coeficientes de atenuación similar a los del plomo, aplicable tanto en protección personal como en la infraestructura física de instalaciones. También, se puede inferir que desde el punto de vista teórico, los materiales obtenidos presentan una respuesta a la interacción con la radiación similar a la del plomo. Sin embargo, es necesario experimentar la respuesta del material cuando el elemento atenuador está distribuido uniformemente en la matriz polimérica o como recubrimiento de esta para evaluar su viabilidad desde lo económico. Palabras clave Atenuadores de radiación, blindajes contra las radiaciones ionizantes, protección radiológica Abstract In services of Nuclear Medicine and Radiology is necessary to place protective barriers to attenuate ionizing radiation to acceptable levels. There are different types of barriers such as concrete walls, lead sheets, leaded glass and accessories for personal radiation protection sheets or plates containing lead. In this paper the simulation phase and theoretical analysis for obtaining materials unleaded viable radiation protection is presented. Database of the National Institute of Standards and Technology, which enables the theoretical construction materials from the chemical elements and finding the coefficients of attenuation of these compounds was used for this. Simulating the attenuation of energy of these materials to 30keV to 1MeV, common energy range in the clinical field was also carried out and compared with the attenuation of lead for these energies. It was concluded that these materials can be placed attenuators on a polymeric substrate to achieve its applicability and coefficients similar to those of lead attenuation is obtained, applicable both personal protection and physical infrastructure facilities. Also, you can infer that from the theoretical point of view, the materials obtained have a response to the interaction with lead similar to the radiation. However, it is necessary the material response experiment when the attenuator element is uniformly distributed in the polymer matrix or coating is to evaluate from the economic viability. Keywords Shielding against ionizing radiation, radiation attenuators, radiation protection. 1. Introducción Un requerimiento para la habilitación de Servicios de Radiodiagnóstico y Medicina Nuclear, consiste en garantizar medidas de protección radiológica (PR) para todo el personal en riesgo potencial a exposición con radiaciones ionizantes [1]. Las medidas de PR involucran 40 Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica • pp. 39-49 Investigación entre otras acciones, obra civil adecuada referente a muros de concreto, concreto con láminas de plomo y otras barreras físicas, que atenúen las radiaciones ionizantes. También, accesorios personales y barreras móviles. Tradicionalmente, recubrimientos y delantales para protección contra las radiaciones han sido manufacturados con hojas de plomo (Pb), u hojas de polímeros cargados con partículas de plomo. Los primeros estudios con materiales sin plomo se realizaron con el objeto de reducir el peso de los elementos de protección personal y la posibilidad de mejorar de desempeño atenuador. El reto está en desarrollar procesos que incorporen polvos metálicos u otros compuestos atenuadores, dentro de hojas de materiales poliméricos, en la cantidad suficiente para lograr una atenuación efectiva, pero a la vez suficientemente robustas para evitar que se rompan, fisuren o sufran otras formas de deterioro. Además el plomo es un material tóxico y los problemas que supone su disposición, también son una importante razón para el desarrollo de materiales atenuadores sin plomo [2]. En el desarrollo de materiales atenuadores sin plomo se han empleado elementos metálicos como cadmio, indio, estaño, antimonio, cesio, bario, cerio, gadolinio, tungsteno y bismuto [2]. También se ha encontrado que compuestos con estos elementos como sulfato de bario, se emplean para atenuar las radiaciones X y ɣ, sustituyendo las hojas de plomo. Estas opciones de materiales presentan alta viabilidad económica en la medida en que el material atenuador se disponga de manera adecuada para aumentar la eficiencia del blindaje con baja cantidad de material atenuador. Existen mezclas de bario, tugsteno, bismuto, silicio, molibdeno, caucho y silicio, de espesor equivalente a 0.3 mm de plomo que pueden ofrecer una capacidad de blindaje satisfactoria con un empaquetamiento de 30 % y una porosidad mayor al 20 % [3]. Al evaluar estos elementos en cuanto a su poder atenuador se ha encontrado por ejemplo que el bario presenta una mejor atenuación que el plomo desde los 38 keV hasta los 85 keV, dentro de una parte del rango de las aplicaciones de diagnóstico médico como se observa en la figura 1. Figura 1. Atenuación de una hoja de bario comparada con la de una hoja de plomo de iguales espesores [3]. También se han evaluado no solo los elementos puros, sino también sus compuestos, como por ejemplo: • óxido de bario, se utilizó en aplicaciones ópticas, como atenuador en lentes para filtros UV; 41 Revista de la Facultad de Ingeniería • Año 15 • n.° 30, Julio - Diciembre de 2014 • cenizas de cascarilla de arroz (óxido de bario y óxido de boro), con uso potencial como blindaje de radiación gamma [4] y sistemas de varios óxidos para lentes que atenúen las radiaciones ionizantes [5]; • compuestos de óxido de tugsteno en resinas epóxicas para blindajes de Rx para radiología y mamografía, de 10 a 40 keV; en estos un aumento del material de relleno generó una mejora en las propiedades mecánicas del material. De otro lado, el incremento del atenuante lleva a un deterioro en la resistencia a la flexión y dureza [6]. • sistemas de vidrio, como el borosilicato de bismuto, para uso en blindajes contra la radiación en aplicaciones médicas [7]. Otro aspecto importante a considerar es el efecto del material atenuador incorporado dentro de una matriz de soporte con potencial uso en prendas y blindajes móviles. Para esto se han llevado a cabo estudios para determinar los coeficientes de atenuación másicos de diferentes materiales atenuadores distribuidos en matrices poliméricas. En ellos se observó una alta dependencia de la atenuación, con la densidad y la masa molar [8]. Para lograr una adecuada dispersión del atenuador en la matriz polimérica se puede partir de estudios realizados con compuestos de boro en polietileno de alta densidad (PEAD) [9]. Para barreras sólidas fijas hay un amplio panorama de estudios de materiales atenuadores en concreto, para radiación secundaria, usando diferentes especies de iones como blindaje para aceleradores en hadronterapia [10]. La adición de tres compuestos de boro en el blindaje de hormigón contra la radiación [11] ha dado excelentes resultados, se han ensayado materiales a base de hidrógeno, hierro y silicio, consiguiendo una mayor atenuación a la radiación gamma y de neutrones, que el mismo hormigon [12]. El uso de hormigón con agregados de escoria de horno de arco eléctrico y retazos de acero, en una proporción de 50 % reduce el costo de la barrera por el menor espesor de hormigon sin perder propiedades [13]. La zeolita como agregado en el hormigón no constituye una alternativa como blindaje contra la radiación gamma, ya que el coeficiente de atenuación lineal disminuye con una mayor concentración de zeolita [14]. Otras aplicaciones de materiales atenuadores para uso en blindajes, como los neutrones rápidos en reactores nucleares, donde se han ensayado blindajes con óxido de samario [15], y para la protección contra radiación electromagnética intrínseca se han investigado recubrimientos con películas delgadas de polianilina en cuerpos transparentes como puertas y ventanas de edificios satisfaciendo la transmisión óptica [16]. La mayoría de materiales atenuadores se combinan con plomo que es un material de alta toxicidad y por tanto es necesario reemplazarlo por otros que permitan el mismo efecto protector. Una de las barreras para el uso de los materiales que han dado buenos resultados como atenuadores es su alto costo. En este artículo se presenta la primera etapa del proyecto de desarrollo de materiales atenuadores sin plomo. Desarrollado por los grupos de Investigación de Innovación y Desarrollo Tecnológico Aplicado y el Grupo de Investigación en Ingeniería Clínica de la Universidad ECCI-Hospital Universitario de la Samaritana y el grupo de Investigación en Aprovechamiento Tecnológico de Materiales y Energía de la Universidad ECCI en Colombia. 42 Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica • pp. 39-49 Investigación En esta primera etapa del proyecto se evaluaron teóricamente los materiales poliméricos (polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo y polietilén tereftalato) que servirán de matriz contenedora de los elementos o compuestos atenuadores; también se evaluaron tanto elementos como compuestos de materiales atenuadores y finalmente se evaluaron mezclas de materiales atenuadores con polímeros. El cálculo de los coeficientes de atenuación y la simulación de su respuesta a las radiaciones ionizantes se realizó en el rango de energías de 30kev a 1MeV. 2. Método El estudio teórico de los materiales atenuadores se basó en la probabilidad de interacción de la radiación con la materia. Esta interacción depende de la energía de los fotones incidentes, de los átomos y su configuración en el material con el cual se interactúa. Por tal razón, se abordó la probabilidad de interacción a partir de las bases de datos del NIST –National Institute of Standards and Technology consolidadas a partir de su PML– Physical Measurement Laboratory. Este laboratorio cuenta entre otras investigaciones, con métodos espectroscópicos y normas para infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X, y la radiación de rayos gamma; investiga la estructura y dinámica de los átomos, las moléculas y biomoléculas [17]. Junto con las bases de datos del NIST, se empleó el software WinXCom, un programa para el cálculo de los coeficientes de atenuación de Rayos X, desarrollado por The Technical University of Denmark. Los fundamentos físicos de las bases de datos del NIST que permitieron los datos utilizados para este trabajo teórico, se presentan a continuación. Se realizó una evaluación teórica de los coeficientes de atenuación de polímeros de uso general, como el polipropileno (PP), poliestireno (PS), polietilentereftalato (PET), policloruro de vinilo (PVC) y policarbonato (PC), seleccionados por ser materias primas de amplio uso y disponibilidad. Este único criterio de selección de las matrices poliméricas a evaluar, pues los materiales atenuadores son por lo general costosos y se requiere que la matriz polimérica sea de bajo costo, como los son algunos de estos plásticos de consumo masivo. Además, los polímeros por estar constituidos por átomos de bajo peso molecular (principalmente carbono Z=12), no se espera de ellos grandes contribuciones al efecto atenuador de la mezcla polímero-compuesto atenuador. Estructuralmente producen láminas con suficiente resistencia mecánica para soportar el uso y contener adecuadamente los materiales de carga atenuadores; siempre y cuando, no superen los contenidos de cargas o rellenos que puedan reducir drásticamente las propiedades mecánicas de las matrices poliméricas haciéndolas inapropiadas para uso en blindajes. Por esta razón, se limitará la simulación de las mezclas a contenidos máximos de 50 %. Aunque solo pruebas mecánicas reales determinarán si son viables contenidos tan elevados de material atenuador. El criterio para la selección de los elementos y compuestos atenuadores es el peso atómico; teniendo como referente el elemento atenuador de mayor uso, el plomo (Z=82 y densidad de 11,36 g/cm3). Con estos criterios se evaluaron los coeficientes 43 o. Además, los polímeros estar atenuador.por Estructuralmente producen láminas conmolecular suficiente resistencia mecánica parano se espera constituidos por átomos de contribuciones bajo peso (principalmente Z=12), de ellos grandes al efecto atenuador carbono de la mezcla polímero-compuesto ipalmente carbonosoportar Z=12), noelseuso espera y de contener adecuadamente los materiales de carga atenuadores; siempre y ellosatenuador. grandes contribuciones al producen efecto atenuador mezcla polímero-compuesto Estructuralmente láminas de conla suficiente resistencia mecánica para r de la mezcla cuando, polímero-compuesto no superen los contenidos cargas oproducen rellenos que puedan reducir drásticamente las Estructuralmente láminas conlos suficiente resistencia mecánica para soportar eldeuso y contener adecuadamente materiales de carga atenuadores; siempre y suficiente resistencia mecánica paraatenuador. propiedades mecánicas de las matrices poliméricas haciéndolas inapropiadas para uso en siempre soportar el uso y contener adecuadamente los materiales de carga atenuadores; y Revistayde la Facultad de Ingeniería • Año 15 • n.° contenidos 30, Julio - Diciembre de 2014 cuando, no superen los de cargas o rellenos que puedan reducir drásticamente las ales de carga atenuadores; siempre blindajes. Por esta razón, se limitará la simulación de las mezclas a contenidos máximos de cuando, no superen los contenidos de cargas o rellenos que puedan reducir drásticamente las propiedades mecánicas de las matrices poliméricas haciéndolas inapropiadas para uso en s que puedan reducir drásticamente las mecánicas de las matrices poliméricas inapropiadas en 50 %. Aunque pruebas mecánicas reales determinarán sonhaciéndolas viables tanpara usomáximos blindajes. Por esta razón, se limitará la si simulación de lascontenidos mezclas a contenidos de haciéndolas inapropiadas para uso solo enpropiedades blindajes. Por esta razón, se limitará la simulación de las mezclas a contenidos máximos de elevados de material atenuador. 50 %. Aunque solo pruebas mecánicas reales determinarán si son viables contenidos tan las mezclas a contenidos máximos de de atenuación desolo compuestos metálicos con átomos de número atómicotan(Z), pruebas atenuador. mecánicas reales determinarán si alto son viables contenidos elevados de material minarán si son viables contenidos tan50 %. Aunque O3), atómico; óxido de tungsteno tales como:deóxido bario (BaO), óxido atenuadores de bismutoes(Bi material atenuador. El criterio para la elevados selección de los de elementos y compuestos el 2peso El criterio para la selección de los elementos y compuestos atenuadores es el material peso atómico; ) y sulfato de bario (BaSO ). Una vez realizada la evaluación dedecada (WO teniendo como referente el elemento atenuador de4 mayor uso, el plomo (Z=82 y densidad 2 El criterio para la selección de los elementos y compuestos atenuadores es el peso atómico; 3 teniendo como referente el elemento atenuador de mayor uso, el plomo (Z=82 y densidad de uestos atenuadores11,36 es el peso se seleccionaron de mayores atenuación (polímero ). por Conseparado, estos criterios se 3evaluaron losloscoeficientes de coeficientes atenuación dede compuestos g/cmatómico; teniendo como referente el elemento atenuador de mayor uso, el plomo (Z=82 y densidad de 11,36 g/cm ). Con estos criterios se evaluaron los coeficientes de atenuación de compuestos yor uso, el plomo (Z=82 y densidad de de alto metálicos con yátomos (Z), se tales óxido de bario (BaO), óxido de%compuestos sustancia atenuadora), los cuales secomo: mezclaron en proporciones del 5de hasta 50 % 3número atómico 11,36 g/cm ). Con estos criterios evaluaron los coeficientes de atenuación metálicos con átomos de alto número atómico (Z), tales como: óxido de bario (BaO), óxido de ficientes de atenuación de compuestos bismuto (Bi2Oen óxido de bismuto tungsteno (WO ) ynúmero sulfato de bario (BaSO ). Una vez realizada laUna óxido 3), contenido 2óxido 4como: de átomos material atenuador. metálicos con de alto atómico (Z), tales óxido de bario (BaO), de (Bi O ), de tungsteno (WO ) y sulfato de bario (BaSO ). vez realizada la 2 3 2 4 como: óxido de bario (BaO), óxido de material por separado, se seleccionaron los de mayores coeficientes de evaluación de cada O ), óxido de tungsteno (WO ) y sulfato de bario (BaSO ). Una vez realizada la bismuto (Bi evaluación de cada material por separado, se seleccionaron los de mayores coeficientes de 2 3 2 4 de bario (BaSO4). Una vez realizada la atenuación (polímero y sustancia atenuadora), se proporciones del cada material por separado, se mezclaron seleccionaron los de coeficientes de atenuación (polímero ylos sustancia atenuadora), los en cuales se mayores mezclaron en proporciones del Elevaluación método adeseguir empleando elcuales software Win XCom fue: onaron los de mayores coeficientes de 5 % hasta 50 % en contenido de material atenuador. atenuación (polímero y sustancia atenuadora), los cuales se mezclaron en proporciones del 5 % hasta 50 % en contenido de material atenuador. ales se mezclaron en proporciones del 5 % hasta 50 % en contenido de material atenuador. • Evaluación del coeficiente de atenuación de las matrices poliméricas puras. El método a seguir empleando software Win XCom fue: El método a seguir empleando el software Win XCom el fue: El método a seguir empleando el software XCom Evaluación del coeficiente de atenuación de fue: laspuras. matricesatenuadores. poliméricas puras. Evaluación•del coeficiente atenuaciónde de atenuación las matricesWin poliméricas fue: Cálculo deldecoeficiente de los compuestos Evaluación del coeficiente de atenuación de las matrices poliméricas puras. Cálculo del coeficiente de atenuación de los compuestos atenuadores. Cálculo del coeficiente de atenuación de los compuestos atenuadores. ices poliméricas puras. Cálculo del coeficiente de atenuación de los compuestos atenuadores. Determinación del coeficiente decompuesto atenuación del mejor compuesto atenuador mezclado con • del Determinación delatenuación coeficiente atenuación del mejor compuesto atenuador mezclado stos atenuadores. Determinación coeficiente de deldemejor atenuador mezclado con polímero de PP en proporciones de hasta 50 %. Determinación del coeficiente de atenuación del mejor compuesto atenuador mezclado con con polímero de PP en proporciones de hasta 50 %. jor compuesto atenuador mezclado conen proporciones de hasta 50 %. polímero de PP polímero de PP en proporciones de hasta 50 %. El coeficiente de atenuación másico, μ/ρ 2.1 El coeficiente2.1 de atenuación másico, μ/ρ 2.1 El coeficiente2.1 de El atenuación μ/ρ másico, μ/ρ coeficientemásico, de atenuación Asumiendo un haz estrecho de fotones monoenergéticos una intensidadincidente incidente , que Asumiendo un haz estrecho de fotones monoenergéticos concon una intensidad Asumiendo unque hazinteractúa estrecho de fotones monoenergéticos con una intensidad incidente , que interactúa con una capa de material de espesor X y densidad ρ, emerge con intensidad Asumiendo un haz estrecho de fotones monoenergéticos con una intensidad incidente , que . La con una capa de material de espesor X y densidad ρ, emerge con intensidad os con una intensidad incidente , que interactúa con una capa de material de espesor X y densidad ρ, emerge con intensidad . La siguiente expresión representa esta situación. interactúa con una capa de material de espesor X y densidad ρ, emerge con intensidad . La La siguiente expresión representa esta situación. nsidad ρ, emerge con intensidad . La siguiente expresiónsiguiente representa esta situación. expresión representa esta situación. (1) (1) (1) La ecuación (1) se puede reescribir: La ecuación (1) se puede reescribir: La ecuación (1) se puede reescribir: La ecuación (1) se puede reescribir: (2) (2) (2) (2) (2) Los dependen gran medida de los teóricos de la sección eficaz total por total átomo, Los μ/ρ dependenLos enμ/ρ gran medida en deen losgran valores teóricos de valores la sección eficaz total átomo, μ/ρ dependen medida devalores los teóricos de lapor sección eficaz por Los μ/ρ dependen en gran medida de losmedida valores teóricos de la teóricos sección eficaz total por átomo, Los μ/ρ dependen ensegún gran de los valores de la sección eficaz total por átomo, σ relacionada con μ/ρ según la expresión: tot, la cual está σtot, la cual está relacionada con μ/ρ la expresión: , la cual está relacionada con μ/ρ según la expresión: átomo, σ σLos está con μ/ρdesegún la expresión: tot μ/ρcual dependen granestá medida los valores la sección eficaz total por átomo, tot, la σtotrelacionada , laencual relacionada con μ/ρ teóricos según lade expresión: σtot, la cual está relacionada con μ/ρ según la expresión: (3) (3) (3) (3) (3) El atenuación, coeficiente de atenuación, las secciones eficaces de fotónica interacción fotónica y las otras El Elcoeficiente laslas secciones eficaces de interacción yy las otras coeficientede decoeficiente atenuación, secciones eficaces interacción fotónica lasfotónica otraseficaz El de atenuación, las secciones eficaces dede interacción yy las magnitudes relacionadas, son funciones de de la energía de los fotones. La sección totalotras se El coeficiente de atenuación, las secciones eficaces interacción fotónica las otras magnitudes relacionadas, son dedelalaenergía de los fotones. La sección eficaz total se magnitudes relacionadas, sonfunciones funciones energía de los fotones. sección eficaz total sesección El coeficiente de atenuación, las lasecciones eficaces de energía interacción fotónica y las otras magnitudes relacionadas, son funciones de de la deLalos fotones. La sección eficaz de total puede escribir como suma de las contribuciones las principales interacciones losse magnitudes relacionadas, son funciones la energía de los fotones. La eficaz puede escribir como suma de contribuciones de principales interacciones de puede escribir comolaescribir la suma delaslas contribuciones delas lasfotones. principales interacciones de los los magnitudes relacionadas, son funciones delalasuma energía de Lalas sección total seinteracciones fotones [18]: puede como la suma de las de contribuciones de principales interacciones de los total se puede escribir como laslos contribuciones de laseficaz principales fotones [18]: fotones [18]: puede escribirfotones como [18]: la suma de las contribuciones de las principales interacciones de los de los fotones [18]: fotones [18]: (4) (4) (4) (4) (4) 2.2 El coeficiente másico de absorción de energía, μen/ρ 2.22.2ElEl coeficiente dedeabsorción /ρ coeficiente absorción deenergía, energía,μμenen /ρenergía, μen/ρ 2.2 másico Elmásico coeficiente másicode de absorción de métodos utilizados calculardeelenergía, coeficiente másico de absorción de energía, μen/ρ, se 2.2 ElLos coeficiente másico depara absorción μen/ρ 2.2 El coeficiente másico de absorción de energía, μen/ρ /ρ, se LosLos métodos utilizados para calcular el coeficiente másico de absorción energía, hallan mediante el coeficiente másico de transferencia dede μtrμ/ρ. Aenergía, partir de estese en métodos utilizados para calcular el coeficiente másico de absorción deenergía, energía, en Los métodos utilizados para calcular el coeficiente másico absorción de μen/ρ, hallan mediante el coeficiente másico de transferencia de energía, μ /ρ. A partir de este coeficiente másico de transferencia es posible obtener el KERMA [19]. hallan mediante el coeficiente másico de transferencia de energía, μ /ρ. A partir tr Los métodos hallan utilizados para calcular el coeficiente másico de absorciónde energía, tr deenergía, mediante el coeficiente deeltransferencia μμtr/ρ. de este en/ρ,Asepartir Los métodos utilizados para másico calcular coeficiente másico de absorción de energía, coeficiente másico de transferencia eses posible obtener elelKERMA [19]. coeficiente másico de transferencia posible obtener KERMA [19]. hallan mediante el coeficiente másico de transferencia de energía, μ /ρ. A partir de este coeficiente másico de transferencia es posible obtener el KERMA [19]. tr μen/ρ, se hallan mediante el coeficiente másico de transferencia de energía, μtr/ρ. A partir 2.3 Procedimiento con obtener las bases datos del NIST coeficiente másico de transferencia es posible el de KERMA [19]. de este coeficiente másico de transferencia es posible obtener el KERMA [19]. 2.32.3Procedimiento con del Procedimiento conlas lasbases basesde dedatos datos delNIST NIST 2.3 Procedimiento con las bases de datos del NIST Para la presente las tablas 1, 2, 3 y 4 del NIST: Tables of X-Ray 2.3 Procedimiento consimulación las bases se de emplearon datos del NIST Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption from 1 keV to 20 Para presente simulación emplearonlas lasemplearon tablas y44 del del NIST: Tables Para la la presente simulación seseemplearon tablas 33 ytablas Tables of X-Ray Para la presente simulación se las 1,NIST: 2, 3 yCoefficients 4 del NIST: Tables of X-Ray 441,1,2,2, MeV for Elements Z = 1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest Mixtures Mass Coefficients and MassEnergy-Absorption Energy-Absorption Coefficients from ParaAttenuation laAttenuation presente simulación seand emplearon lasand tablas 1, Energy-Absorption 2, 3 yCoefficients 4 del NIST:from Tables of X-Ray Mass Coefficients Mass 11 keV tofrom 20 1 keV to 20 Mass Attenuation Coefficients Mass Coefficients andZ Coefficients compounds [3]. Para elementos tabulados en la tabla 3 del National of MeV Elements Z 1toto9292and and Additional Substances Dosimetric Interest Mass Attenuation and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 keV toInterest 20 Institute MeV forfor Elements = =1Elements Substances ofof Dosimetric Interest Mixtures MeV for Z48 =48 1Additional to los 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Mixtures Standards and Technology-NIST; los cálculos se hicieron empleando la fórmula, compounds [3]. elementos tabulados en la la tabla tabla dellaNational National Institute of Institute of MeV for Elements ZPara =Para 1 los tolos 92elementos and Para 48 Additional Substances of Dosimetric Interest Mixtures andand compounds [3]. tabulados en 33en del Institute and compounds [3]. los elementos tabulados tabla 3 del National (1) (4) 2.2 El coeficiente másico de absorción de energía, μen/ρ (4) (4) 2.2 El coeficiente de absorción de absorción energía, μen 2.2para Elmásico coeficiente másico de de/ρenergía, en/ρ Los métodos utilizados calcular el coeficiente másico de absorción deμenergía, μen/ρ, se hallan mediante el coeficiente másico de transferencia de energía, μtr/ρ. A partir de este Los métodos utilizados parautilizados calcular el coeficiente másico de absorción de energía, /ρ,energía, se Los métodos calcular el coeficiente absorciónμende μen/ρ, se coeficiente másico de transferencia es para posible obtener el KERMA másico [19]. A partirμtrde hallan mediante el coeficiente transferencia de NIST energía, μde tr/ρ.energía, mediante elmásico coeficiente másico de del transferencia /ρ. este A partir de este 2.3hallan Procedimiento con lasde bases de datos coeficiente másico de transferencia posible obtener el KERMA coeficiente másico de es transferencia es posible obtener[19]. el KERMA [19]. 2.3 Procedimiento con simulación las bases dese datos del NIST Para la presente emplearon las tablas 1, 2, 3 y 4 del NIST: Tables of X-Ray 2.3 Mass Procedimiento conCoefficients las bases de datos del NIST Attenuation Mass Energy-Absorption Coefficients 2.3 Procedimiento las bases de del NIST: NIST Tables Para la presente simulación se emplearoncon lasand tablas 1, 2, 3datos y 4 del of X-Rayfrom 1 keV to 20 MeV for Elements = 1Energy-Absorption to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest Mass Attenuation Coefficients and Z Mass Coefficients from 1 keV to 20 Para la presente simulación sesimulación emplearon lasPara tablas 1,elementos 2,las3 tablas y 4 del1, NIST: Tables oftabla X-Ray Para la presente se emplearon 2, 3 y 4 del NIST: Tables of X-Ray Mixtures and compounds [3]. los tabulados en la 3 del National MeV for Elements Z = 1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest Mixtures Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 keV tofrom 20 1 keV to 20 Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients and compounds [3].ofPara los elementos tabulados en la los tabla 3 del se National Institute of la fórmula, Institute Standards and Technology-NIST; cálculos hicieron empleando MeV for Elements Z 1 to 92 and Additional Substances ofSubstances Dosimetricof Interest Mixtures for= Elements Zlos =481cálculos to 92 and 48 Additional Dosimetric Interest Mixtures Standards andMeV Technology-NIST; se hicieron empleando la fórmula, and compounds Para los [3]. elementos tabulados en tabulados la tabla 3endellaNational Institute of Institute of and[3]. compounds Para los elementos tabla 3 del National Standards andStandards Technology-NIST; los cálculos se hicieron empleando la fórmula, (5) and Technology-NIST; los cálculos se hicieron empleando la fórmula, Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica • pp. 39-49 (5) (5) Los valores de Los los coeficientes de atenuación másicos, , paramásicos, las 48 mezclas y compuestos valores de los coeficientes de atenuación , para las 48 mezclas y (asumiendo homogeneidad total) están homogeneidad reportados en latotal) tabla 4están del NIST, y fueronenobtenidos (asumiendo reportados la tabla y4compuestos del NIST, y Los valorescompuestos deLos los valores coeficientes atenuaciónde másicos, ,másicos, para las 48 mezclas y compuestos de losdecoeficientes atenuación , para las 48 mezclas por la simple ley de aditividad, principio que también será utilizado para el cálculo de las obtenidos porestán la simple leyestán deenaditividad, principio también será utilizado para (asumiendofueron homogeneidad total) reportados la tabla 4 del NIST, y4fueron obtenidos (asumiendo total) reportados en la tablaque del NIST, y fueron obtenidos mezclas propuestas en estehomogeneidad estudio, por la simple ley la desimple aditividad, principio que también será utilizado para el cálculo de las el por cálculo de lasley mezclas propuestas en este estudio, de aditividad, principio que también será utilizado para el cálculo de las mezclas propuestas en propuestas este estudio, (6) mezclas en este estudio, (6) (6) Con los datos del NIST y el Software WinXCom, se realizaron los cálculos y las gráficas de la sección eficaz para cada tipo de interacción en (barn/átomo) de acuerdo a las energías Con los datosCon del y eldel Software seWinXCom, realizaron los cálculos ylos las cálculos gráficas los datos Software se se realizaron ydelas gráficas de ConNIST losEstas datos delNIST NISTyWinXCom, yelelde Software WinXCom, realizaron cálculos y las gráficas incidentes en (MeV). probabilidades interacción permitieron calcular los los coeficientes la sección eficaz para cada tipo de interacción en (barn/átomo) de acuerdo a las energías la sección eficaz para cada tipo de interacción en (barn/átomo) de acuerdo a las energías la sección para cada de interacción (barn/átomo) de acuerdo a las másicos de de atenuación, y el eficaz comportamiento de tipo las secciones eficaces en en función de la energía incidentes en (MeV). Estas probabilidades de interacciónde permitieron los coeficientes incidentes encompuestos (MeV). Estas probabilidades interaccióncalcular permitieron calcular los coeficientes incidente para polímeros, y mezclas. energías incidentes en (MeV). Estas probabilidades de interacción permitieron calcular másicos de atenuación, el comportamiento de las secciones en función de en la energía másicos dey atenuación, y el comportamiento de eficaces las secciones eficaces función de la energía losincidente coeficientes másicos yde atenuación, y el comportamiento de las secciones eficaces en incidente para polímeros, compuestos mezclas. para polímeros, compuestos y mezclas. función de la energía incidente para polímeros, compuestos y mezclas. 3 Resultados 3 Resultados 3.3 Resultados Resultados Con el programa WinXCom [20], el cual se fundamenta en el informe descriptivo original de Berger y Hubbell [21, 22], la base de datos de NBS / NIST subyacente [23], se calcularon, a Con el programa [20], el cual se[20], fundamenta el informe en descriptivo original de original de ConWinXCom el programa WinXCom el cual seenfundamenta el informe descriptivo Con el programa WinXCom [20], el cual se fundamenta en el informe descriptivo Berger y Hubbell [21, 22], la base de datos de NBS / NIST subyacente [23], se calcularon, a calcularon, Berger y Hubbell [21, 22], la base de datos de NBS / NIST subyacente [23], se a original de Berger y Hubbell [21, 22], la base de datos de NBS / NIST subyacente [23], se calcularon, a partir de la sección eficaz de las diferentes interacciones de la radiación con la materia, los coeficientes de atenuación del polipropileno para las diferentes energías, gráfico mostrado en la figura 2. Figura 2. Atenuación del polipropileno a partir de la interacción radiación materia. 45 Investigación Revista de la Facultad de Ingeniería • Año 15 • n.° 30, Julio - Diciembre de 2014 La figura 3, muestra los resultados de la atenuación másica del PVC y PP para energías hasta de 1 MeV, las cuales se presentan junto a la línea base que es la atenuación del Pb, se puede observar que para energías cercanas a los 100 keV la atenuación de estos polímeros es muy baja comparada con la del Pb, esto indica que el tipo de polímero usado como matriz para la fabricación de barreras atenuadoras no contribuye a la atenuación; por tanto, su uso debe satisfacer únicamente propiedades mecánicas, fotoquímicas y fotofísicas según la aplicación de la barrera atenuadora. Figura 3. Atenuación másica del PVC y PP para energías hasta de 1 MeV. La figura 4 muestra la atenuación del óxido de wolframio y sulfato de bario para energías incidentes hasta de 1 MeV, junto a la línea base correspondiente a la atenuación del Pb; se puede observar que los tres materiales son buenos atenuadores y para energías entre los 50 keV y los 100 keV se pueden usar con resultados de atenuación muy similares. Lo anterior permite inferir que para la práctica de R-X en procedimientos de Odontología, Mamografía y R-X convencional (E˂100 keV) teóricamente estos dos materiales pueden sustituir al plomo. Figura 4. Atenuación de dos aditivos. En la figura 5 se presentan los coeficientes de atenuación de diferentes mezclas de óxido de wolframio (IV) con PVC, así: 50 % WO2 y 50 % de PVC, 15 % WO2 y 85 % de PVC y 10 % WO2 y 90 % de PVC, con el propósito de evaluar la variación de los coeficientes de atenuación a partir de la línea base. También, evaluar la variación de los coeficientes 46 Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica • pp. 39-49 Investigación de atenuación entre las mezclas para las diferentes energías con el propósito de planificar la preparación de los materiales para una etapa de experimentación, en este contexto. Se observa que la muestra que contiene el 50 % de material atenuador se aproxima considerablemente a la curva del plomo y por tanto la decisión de las concentraciones para fines prácticos estará basada en las propiedades que se requieran según la aplicación. Figura 5. Atenuación para diferentes concentraciones de WO2 en PVC. 4. Discusión Es importante ver en las bases de datos del NIST, una herramienta muy importante para la construcción teórica de los materiales atenuadores y los cálculos de los coeficientes de atenuación a partir de las secciones eficaces para los diferentes tipos de interacción radiación- materia. Dado el alto costo de los elementos y compuestos atenuadores, es importante de desarrollar los compuestos atenuadores con matrices poliméricas de bajo costo, cuyo único requisito es que permitan obtener las propiedades mecánicas adecuadas para las diferentes aplicaciones. Por ejemplo, para uso en protección personal como protectores de tiroides, gonadales y chalecos. Para energías bajas, en el rango de 30 keV a 150 keV en donde el HVL del Pb es del orden de los 0.3mm, se pueden obtener materiales con plomo en donde sus HVL sean similares al Pb. Los elementos y compuestos atenuadores ensayados se seleccionaron con base en el umbral máximo de absorción de energía (K en keV), de los elementos puros con mayor atenuación, teniendo como referente el del plomo (K=88.0 KeV), se seleccionó el tungsteno (K=69.5 keV), que es el más próximo y el bario (K=37.4 keV), con un valor medio y descartando el elemento con el coeficiente de absorción más bajo, el del cadmio (K=26.7 keV) [2]. Así se evaluó la respuesta de los materiales como WO2 y el BaSO4 en la interacción radiación-materia, la cual resultó similar a la del Pb; sin embargo, el costo de estos materiales supera ampliamente al del Pb, por esto, el trabajo presenta una primera etapa en el desarrollo de los materiales atenuadores libres de plomo. 47 Revista de la Facultad de Ingeniería • Año 15 • n.° 30, Julio - Diciembre de 2014 5. Conclusiones Las matrices poliméricas evaluadas, por estar constituidas por átomos con bajo Z (carbono e hidrógeno principalmente), presentan coeficientes de atenuación muy bajos; como se puede evidenciar en la figura 2, donde el PP pierde todo su efecto atenuador por encima de los 10 keV, el PP pierde gran parte de su capacidad atenuadora, lo que se corrobora en la figura-3, donde las curvas para materiales poliméricos se unifican y los coeficientes de atenuación para PP y PVC caen a valores cercanos a 0,1 cm2/g. por tanto la selección de la matriz polimérica estará basada solo en disponibilidad, costo y propiedades mecánicas, ya que en cuanto a poder de atenuación, no inciden en el comportamiento del compuesto a desarrollar. El coeficiente de atenuación másico aumenta con el contenido de sustancia atenuadora (WO2); sin embargo, solo con la experimentación y la caracterización de propiedades mecánicas de los materiales se evidenciará si es posible cargar la matriz polimérica a niveles tan altos como 50 %. Con la matrices poliméricas se espera conseguir las propiedades adecuadas para las diferentes aplicaciones, ya que los elementos atenuadores puros carecen de las propiedades mecánicas necesarias para su uso real. En términos económicos, es claro que los costos de estos materiales alternativos al plomo son muy altos, por esta razón deben evaluar, además de polímeros cargados, el desarrollo de recubrimientos con películas de espesor del orden de 10-6 m que provean alta capacidad atenuadora. Este trabajo mostró que abordar la investigación de nuevos materiales desde el punto de vista teórico es conveniente para direccionar la fase de experimentación. Se observó que el óxido de wolframio y el sulfato de bario son atenuadores viables que para algunos rangos de energía son más eficientes que el plomo. Se concluye además que la fase experimental con recubrimientos de material atenuador sobre sustrato polimérico, permitirá evaluar la viabilidad de los materiales desde el punto de vista económico. También se infiere que los materiales óptimos desde el análisis teórico, orientan la fase experimental, sin embargo, se requiere una caracterización de sus propiedades para evaluar las modificaciones que permitan llevarlos a aplicaciones reales. Referencias [1] OIEA, «Protección radiológica y seguridad de las fuentes de radiación». Colección de Seguridad N.o 120, Viena, 1997. [2] H. S. B. D. a. E. M.-H. J. P. McCaffrey, «J. P. McCaffrey, H. Shen, B. DRadiation Attenuation by Lead and Nonlead Materials Used in Radiation Shielding Garments». J. P. McCaffrey, H. Shen, B. Downton, and E. Mainegra-Hing. Radiation Attenuation by Lead and Nonlead Materials us Med. Phys. 34, 530 (2007); http://dx.doi.org/10.1118/1.2426404., vol. 34, n.º 2, pp. 529, 530, 2007. [3] S.-C. Kim, K.-R. Dong y W.-K. Chung, «Medical Radiation Shielding Effect by Composition of Barium Compounds,» Annals of Nuclear Energy, vol. 47, pp. 1-5, 2012. 48 Materiales libres de plomo para atenuación de radiaciones ionizantes en protección radiológica • pp. 39-49 Investigación [4] S. Tuscharoen, J. Kaewkhao, P. Limsuwan y W. Chewpraditkul, «Structural, Optical and Radiation Shielding Properties of BaO-B2O3-Rice Husk Ash Glasses,» Procedia Engineering, vol. 32, pp. 734-739, 2012. [5] S. Kaewjaeng, J. Kaewkhao, P. Limsuwan y U. Maghanemi, «Effect of BaO on Optical, Physical and Radiation Shielding Properties of SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Na2O Glasses System,» Procedia Engineering, vol. 32, pp. 1080-1086, 2012. [6] N. Noor Azman, S. Siddiqu y I. Low, «Characterisation of Micro-Sized and Nano-Sized Tungsten Oxide-Epoxy Composites for Radiation Shielding of Diagnostic X-rays,» Materials Science and Engineering C, vol. 33, pp. 4952-4957, 2013. [7] N. Chanthima y . J. Kaewkhao, «Investigation on Radiation Shielding Parameters of Bismuth Borosilicate Glass from 1 keV to 100 GeV,» Annals of Nuclear Energy, vol. 55, pp. 23-28, 55 2013. [8] Y. Elmahroug, B. Tellili y C. Souga, «Determination of Shielding Parameters for Different Types of Resins,» Annals of Nuclear Energy, vol. 63, pp. 619-623, 2014. [9] J. Wook Shin y e. a., «Polyethylene/Boron-Containingcomposites,» ThermochimicaActa, vol. 585, pp. 5-9, 2014. [10] S. Agosteo, A. Mereghetti, E. Sagia y M. Silari, «Shielding Data for Hadron-Therapy ion Accelerators: Attenuation of Secondary Radiation in Concrete,» Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, vol. 319, pp. 154-167, 2014. [11] M. Kharita, S. Yousef y M. AlNassar, «Review on the Addition of Boron Compounds to Radiation Shielding Concrete,» Progress in Nuclear Energy, vol. 53, pp. 207-211, 2011. [12] E. Calzada, F. Grünauer, B. Schillinger y H. Türck, «Reusable Shielding Material for Neutron- and Gamma-Radiation,» Reusable Shielding Material for Neutron- and Gamma-Radiation, vol. 651, pp. 77-80, 2011. [13] M. Maslehuddin, A. Naqvi, M. Ibrahim y Z. Kalakada, «Radiation Shielding Properties of Concrete with Electric arc Furnace Slag Aggregates and Steel Shots,» Annals of Nuclear Energy, vol. 53, pp. 192-196, 2013. [14] I. Akkurt, H. Akyıldırım, B. Mavi, S. Kilincarslan y C. Basyigit, «Radiation Shielding of Concrete Containing Zeolite,» Radiation Measurements, vol. 45, pp. 827-830, 2010. [15] «Mechanical Properties of UHMWPE/Sm2O3 Composite Shielding Material,» Journal Of Rare Earths, vol. 28, p. 482, 2010. [16] B. Kim, H. Lee, E. Kim y S.-H. Lee, «Intrinsic Electromagnetic Radiation Shielding/Absorbing Characteristics of PolyanilineCoated Transparent thin Films,» Synthetic Metals, vol. 160, pp. 1838-1842, 2010. [17] NIST, 1996. [En línea]. Available: www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm. [18] National Institute of Standards and Technology, [En línea]. Available: http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ chap2.html.. [19] National Institute of Standards and Technology, [En línea]. Available: http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ chap3.html. [20] M. J. Berger y J. H. Hubbell. [En línea]. Available: http://physics.nist.gov/xcom.. [21] L. Gerward, N. Guilbert, K. B. Jensen y H. Levr, «X-ray absorption in matter. Reengineering XCOM.,» Radiat. Phys. Chem., vol. 60, pp. 23-24, 2001. [22] L. Gerward, N. Guilbert, K. B. Jensen y H. Levr, «WinXCom – A Program for Calculating X-ray Attenuation Coefficients,» Radiat. Phys. Chem., vol. 71, pp. 653-654, 2004. [23] G. M. 2. U. National Institute of Standards and Technology, «XCOM: Photon Cross Sections on a Personal Computer». USA Patente NBSIR 87-3597 (1987), 1999. 49
