Radiaciones ionizantes

Las sustancias radiactivas son emisores de energía predecibles y continuos. La energía emitida puede serlo en forma de partículas alfa, partículas beta y rayos gamma. La interacción entre estas radiaciones y la materia puede, en ciertas circunstancias, dar lugar a la emisión de rayos X y neutrones.

Los rayos gamma y X consisten en entidades físicas denominadas fotones que se comportan como partículas colisionando con otras partículas cuando interaccionan con la materia. Sin embargo, los fotones en grandes cantidades se comportan, en conjunto, como ondas de radio o luminosas. Cuanto más corta es su longitud de onda, más alta es la energía de cada fotón. La energía de los rayos gamma y su capacidad para penetrar la materia se debe a que sus longitudes de onda son mucho más cortas.

Los rayos X son producidos por una máquina de rayos X sólo cuando el tubo de rayos X recibe una alimentación de miles de voltios. Aunque son similares a los rayos gamma, los rayos X tienen habitualmente longitudes de onda mayores y por lo tanto portan menos energía y son menos penetrantes; (sin embargo los fotones de rayos X producidos por aceleradores pueden sobrepasar la energía de la radiación gamma y su capacidad de penetrar los materiales. Las máquinas de generar rayos X producen una cantidad de radiación generalmente cientos o miles de veces mayor que la radiación gamma emitida por una fuente radiactiva industrial típica.

Los rayos gamma provenientes del Iridio 192 tienen menos energía que los producidos por el cobalto 60. Se trata de diferencias útiles que permiten escoger entre una amplia gama de radionucleidos artificiales aquél que emite las radiaciones que más convienen para una aplicación determinada.

Las partículas beta son electrones y también pueden tener una gama diferente de energía. Por ejemplo, las partículas beta producidas por un radionucleido como el hidrógeno 3 son más lentas y por lo tanto tienen casi una centésima parte de la energía de las partículas beta de un radionucleido tal como el fósforo 32

La radiación formada por neutrones puede generarse de diversas maneras. La más común consiste en mezclar una sustancia radiactiva, tal como el americio 241 con berilio. Cuando las partículas alfa emitidas por el americio 241 colisionan con el berilio, se produce una reacción especial emitiéndose neutrones rápidos (de alta energía). El americio 241 también emite rayos gamma y de esa manera la fuente compuesta de americio 241/berilio produce neutrones y rayos gamma.

Otra manera de generar neutrones es la utilización de una máquina generadora de radiaciones con una combinación especial de alta tensión eléctrica y blancos especiales (ánodos). Las sustancias especiales situadas dentro de la máquina, combinadas con altas tensiones, pueden generar gran número de neutrones de energía sumamente alta.

Las partículas alfa en general son más lentas que las partículas beta, pero como se trata de partículas más pesadas son emitidas generalmente con una mayor energía. Las partículas alfa se usan en aplicaciones que requieren una ionización intensa en distancias cortas, tal como los eliminadores de carga estática y los detectores de humos.

RADIACIONES RAYOS X ♦    Se producen en reacciones o interacciones de las capas electrónicas del átomo.

♦   En las fuentes en las que normalmente se utilizan se pueden controlar su producción.

ONDULATORIAS RAYOS y ♦    Se producen en reacciones de núcleos atómicos inestables.

♦    Su poder de penetración es muy elevado.

PARTICULAS a ♦    Son núcleos de Helio. Poseen cuatro unidades de masa y dos unidades de carga eléctrica positiva

♦    Su poder de penetración es muy escaso.

RADIACIONES

CROPUSCULARES

PARTICULAS p ♦    Son electrones nucleares expulsados a gran velocidad. Su masa es prácticamente nula y posee carga negativa.

♦   Poseen penetración escasa

NEUTRONES ♦   Forman junto con los protones el núcleo. No tienen masa ni carga.

♦   Poseen penetración elevada.

Tabla 11-3: TIPOS DE RADIACIONES IONIZANTES


Figura 11-10

Características de las sustancias ionizantes. Medida

Para expresar la energía de estos diferentes tipos de radiaciones se utiliza una unidad llamada el electrón-voltio (eV). Un electrón voltio es la energía adquirida por un electrón acelerado mediante una tensión de un voltio. de este modo 1.000 voltios crearían un espectro de energía de hasta 1.000 eV, diez mil voltios crearían rayos X de hasta 10.000 eV, etc. En la práctica se utilizan unidades múltiplo, por ejemplo el kiloelectrón voltio (1.000 eV), el megaelectrónvoltio (1.000.000 eV), etc.

Propagación a través de la materia

Cuando la radiación se propaga a través de la materia colisiona e interacciona con los átomos y moléculas que la componen. En una sola colisión o interacción la radiación generalmente cederá solo una pequeña parte de su energía al átomo o molécula. El átomo o molécula será alterado y se convertirá en un par de iones. La radiación ionizante deja una traza formada por esos átomos y moléculas ionizados, cuyo comportamiento puede entonces modificarse.

Después de sucesivas colisiones una partícula alfa pierde toda su energía y deja de moverse, habiendo creado una traza iónica corta y densa. Esto ocurrirá en un recorrido de unos pocos centímetros en el aire, en el espesor de un trozo de papel o tela o en la capa exterior de la piel de una persona. En consecuencia los radionucleidos que emiten partículas alfa no constituyen un peligro externo.

Esto significa que las partículas alfa no pueden causar daño si el emisor alfa está fuera del cuerpo. En cambio, los emisores alfa que han sido ingeridos o inhalados representan un grave peligro interno.

Sea cual sea su energía las partículas beta pueden propagarse como máximo a unos pocos metros en el aire y a unos pocos centímetros en sustancias como un tejido o un plástico. Finalmente, a medida que pierde energía la partícula beta, se hace considerablemente más lenta y es absorbida por el medio. Los emisores beta representan un peligro interno y aquellos que emiten partículas beta de alta energía constituyen también un peligro externo.

Los átomos más pesados como los del plomo, absorben una parte mayor de energía beta en cada interacción, pero como resultado de ello los átomos producen rayos X denominados radiación de frenado. Entonces el blindaje se convierte en un emisor de rayos X por lo que se requiere aumentar el blindaje. Los materiales de peso ligero (densidad baja) son por lo tanto los blindajes más eficaces de la radiación beta, aunque se hace necesario un espesor mayor del material.

Los rayos ganma y rayos X son más penetrantes. Sin embargo, al causar ionización pueden ser eliminados del haz o perder su energía. De este modo, pierden progresivamente su capacidad de penetración y su número se reduce, vale decir, se atenúa, hasta que dejan de presentar un peligro externo grave.

Existe una manera de expresar la calidad o capacidad de penetración de los rayos gamma y X que es también un medio útil para calcular el espesor apropiado de los blindajes. El espesor hemirreductor o capa hemirreductora (CHR) es el espesor del material que cuando se interpone en la trayectoria de la radiación la atenúa a la mitad de su valor original. El espesor que de modo similar reduce la radiación a un décimo de su valor original es la capa decimorreductora (CDR).

Los materiales que contienen átomos y moléculas pesados, tales como el acero y el plomo ofrecen los blindajes más eficaces (más delgados) para la radiación gamma y los rayos X.

Figura 11-12: ACCIÓN BIOLÓGICA DE LAS RADIACIONES IONIZANTES

Los neutrones se comportan de manera compleja cuando se propagan a través de la materia. Al colisionar con átomos y moléculas de mucha más masa, los neutrones rápidos se dispersan (son desviados) sin perder mucha energía. Sin embargo, en una colisión entre un neutrón y un átomo o molécula de poca masa, el átomo o molécula absorbe una parte de la energía del neutrón. El átomo que menos masa tiene, el del hidrógeno, es capaz de causar la mayor reducción de energía.

Los materiales ricos en hidrógeno, tales como el agua, petróleo, polietileno, etc. constituyen por tanto los mejores blindajes neutrónicos. Existe una complicación por el hecho de que un neutrón, cuando ha perdido casi toda su energía, puede ser capturado o absorbido en su totalidad por un núcleo. A menudo el nuevo núcleo formado resulta ser un radionucleido, el cual en muchos casos puede emitir un rayo gamma de energía sumamente alta. Los blindajes especiales de hidrógeno capaces de absorber neutrones contienen una pequeña cantidad de boro que favorece la absorción de neutrones.

El daño causado a los tejidos humanos por la radiación ionizante es función de la energía cedida al tejido. Ello depende del tipo y de las energías de la radiación que se utilicen. Por lo tanto, las precauciones necesarias para trabajar con diferentes radionucleidos dependen también del tipo y de la energía de la radiación.

Las sustancias radiactivas pueden producirse en cualquier forma física, gaseosa, líquida o sólida. En muchas aplicaciones médicas y la mayoría de las aplicaciones industriales se utilizan fuentes en que la sustancia radiactiva se ha sellado en una cápsula metálica o ha sido encerrada entre capas de materiales no radiactivos. A menudo esas fuentes se encuentran en «forma especial», lo que significa que

 

se han diseñado y fabricado para resistir las pruebas más rigurosas, incluidas fuerzas de impacto especificadas, fuerzas de aplastamiento, inmersión en líquidos y tensión térmica, sin que se produzca fuga de sustancia radiactiva.

Las fuentes selladas presentan únicamente un peligro externo. A condición de que la fuente no tenga fugas, no hay riesgo de que la sustancia radiactiva sea ingerida, inhalada o se introduzca en el cuerpo de una persona de algún otro modo.

Algunas fuentes no selladas permanecen dentro del recipiente, pero la contención es intencionadamente débil de modo que permita la salida de la radiación; las sustancias radiactivas no selladas presentan peligros externos e internos

Actividad de las fuentes. Medida

La actividad de las fuentes se mide en becquerelios (Bq) e indica el número de átomos del radionucleido que se desintegra por segundo (dps). 1 becquerelio equivale a un átomo desintegrado por segundo.

Las aplicaciones industriales y médicas requieren habitualmente fuentes selladas con actividades de miles o millones de becquerelios. Una forma práctica de expresar número tan elevados es usar prefijos: el kilo (1.000), mega (1.000.000), giga (1.000.000.000) y terabecquerelio (1.000.000.000.000)

La actividad de una fuente depende del período de semidesintegración del radionucleido de que se trate. Cada radionucleido tiene su período de semidesintegración característico, que es el tiempo que tarda la actividad de la fuente en disminuir a la mitad de su valor original. Los radionucleidos con períodos de semidesintegración cortos son los escogidos generalmente para fines médicos que implican la introducción en el cuerpo por vía oral, inyección o inhalación, mientras que los de período de semidesintegración relativamente largo son a menudo útiles para aplicaciones médicas terapeúticas e industriales.

Por ejemplo el período de semidesintegración del estroncio 90 es de 28 años, el del iridio 192 de 74 días, el del radio 226 de 1620 años, el del americio 241 de 458 años, el del iodo 131 de 8 días, etc.

Cuando las sustancias radiactivas se dispersan en otros materiales o se dispersan sobre otras superficies en forma de contaminación, se utilizan las unidades de medida de Bq/ml, Bq/g, Bq/m3 ó Bq/cm2 para la dispersión en líquidos, sólidos, gases o superficies respectivamente.

Todavía se utiliza también la unidad antigua Curio (Ci) que se definió originalmente como la actividad de un gramo de radio 226. Un curio equivale a 37 Gbq

Medida de las radiaciones

Las radiaciones ionizantes no pueden verse, ni sentirse, ni percibirse por el cuerpo de otras maneras y, como se ha observado, el daño al tejido humano depende de la energía absorbida por el tejido como resultado de la ionización. El término utilizado para expresar la absorción de energía en una parte del cuerpo humano es la «dosis».

Puesto que la radiación se propaga en línea recta, en direcciones divergentes la tasa de dosis disminuye en proporción inversa al cuadrado de la distancia medida desde la fuente.

La unidad moderna de dosis es el gray (Gy). Sin embargo en protección radiológica práctica la unidad más utilizada es el sievert (Sv). En el caso de rayos X, radiación gamma y beta un sievert corresponde a un gray. Existen dispositivos de medida que dependen de la respuesta de una película o detectores de estado sólido.

Los medidores de tasa de dosis modernos se calibran generalmente para que indiquen los datos en microsievert por hora; otros instrumentos sigen utilizando el milirem por hora. Diez qSvh-1 equivalen a 1 mrem h-1.

La radiación neutrónica sólo puede detectarse utilizando medidores de tasa de dosis especiales.

Definiciones empleadas en el campo de la radioprotección

Entre 1953 y 1962, el ICRP ( International Commision on Radiological Protection) en colaboración con la ICRU (Comisión Internacional de Medidas y Unidades Radio­lógicas) establecieron las definiciones empleadas en el campo de la Radioprotección: Dosis absorbida. Exposición, Actividad y Dosis equivalente.

a) Dosis absorbida ( D ).

La dosis absorbida por una región determinada, se determina dividiendo la energía de la radiación por unidad de masa. Es diferente para cada parte del cuerpo Se expresa en Gray ( Gy ) o en rad, considerando que 1 Gy = 100 rad.

b) Dosis equivalente ( H ).

Aunque el daño producido por un tipo determinado de RI depende de la cantidad de energía transmitida, algunos tipos de partículas producen efectos mayores que otros de la misma energía. Por ejemplo, a igualdad de dosis absorbida, las partículas a dan lugar a un mayor daño que los protones, y estos, a la vez, producen más daño que las partículas p. En otras palabras, que la dosis absorbida en un tejido orgánico no determina el efecto biológico resultante, ya que intervienen otros factores como naturaleza de la radiación, su distribución por el tejido, etc. Así, el rem se calcula multiplicando la cantidad de rads por un denominado factor de calidad Q. El valor de Q para las partículas P y rayos X y y es de 1 y para las partículas a de 20.100 rem = 1 sievert (Sv).

c) Exposición ( X ).

Es la medida del grado de ionización en el aire producida por rayos X y rayos y. La Unidad de magnitud es (R) renguenio empleándose también el culombio/kg.

d) Actividad ( A ).

El evento básico que caracteriza un radionucleido es transformación de su núcleo en un núcleo de otra especie Esta transformación se conoce como desintegración. El número de transformaciones nucleares por unidad de tiempo se denomina actividad. La unidad es el curio (Ci) o el bequerelio. (Bq).

La dosis absorbida, la dosis equivalente y la exposición están relacionadas con la irradiación externa, mientras que la actividad lo está con la contaminación o irritación interna.

  • Irradiación externa. Existe riesgo de irradiación cuando la persona está expuesta a una fuente de radiación dispersa, externa a la misma y no se da un contacto directo con la fuente. El riesgo en el caso de las partículas a se considera despreciable y muy bajo para las p, mientras que es muy grande para los rayos y y los neutrones.
  • Contaminación radiactiva. Existe el riesgo de contaminación cuando el organismo entra en contacto con la fuente, la cual puede estar dispersa en el ambiente (gases, vapores, aerosoles ) o bien depositada en una superficie. Se habla de contaminación interna si la fuente penetra en el interior del organismo y de contaminación externa si solo afecta a la superficie del mismo. En el caso de las partículas a es muy grande, de grado medio en caso de las p y pequeño para los rayos y.

La mayoría de medidores reciben electricidad de batería que debe comprobarse. Asimismo el funcionamiento correcto del instrumento puede comprobarse poniéndolo cerca de una pequeña fuente blindada; algunos instrumentos tienen una pequeña fuente de comprobación incorporada.

Es importante que los usuarios tengan conciencia del gran peligro de confiar en mediciones realizadas empleando un instrumento defectuoso.

Un dosímetro mide la dosis total acumulada en un periodo de tiempo, algunos dosímetros pueden indicar de inmediato la dosis, otros solo pueden indicar resultados después de haber sido procesados por el laboratorio.

Los usuarios de fuentes no selladas necesitarán además otro instrumento: un medidor de contaminación de superficies. Este suele ser simplemente un detector más sensible que debe utilizarse para vigilancia de posibles derrames. Al elegir un detector de este tipo lo mejor es optar por uno que tenga una buena eficiencia de detección para el radionucleido que se utilice y dé una indicación audible. El peligro de contaminación interna creado por pequeños derrames podrá entonces descubrirse y será posible mantener una zona de trabajo segura.

Medidas y detección de las radiaciones

Normalmente lo que interesa evaluar es la dosis que produce la irradiación y puede hacerse mediante :

  • Dosimetrías ambientales o de área.
  • Dosimetrías personales.

Dosímetros de área: Los distintos tipos de detectores utilizados en dosimetría de área son:

  • Detectores de centelleo.
  • Detectores de semiconductores.
  • Cámaras de ionización, contadores proporcionales, Geiger Müller.

Detectores de centelleo: Están basados en la emisión de luz cuando interaccionan las radiaciones en determinadas sustancias luminiscentes, llamadas centelleadoras. La energía luminosa transformada en eléctrica es amplificada y registrada.

La elección de la sustancia centelleadora vendrá en función de las medidas que queramos realizar:

a) Para la detección de radiación electromagnética (X,y) se emplean monocristales INa de hasta un litro de volumen que asociados a un buen fotomultiplicador, constituyen detectores con eficiencias mayores al 60 por 100.

b) Para la detección de partículas p, utilizaremos centelleadores líquidos, siendo la eficacia de detección de hasta el 100 por 100.

c) Para la medida de partículas a utilizaremos cristales de sulfuro de cinc activado con plata.

Detectores de semiconductores: Están basados en la aplicación de electrodos metálicos en las caras opuestas de un cristal semiconductor entre los que se ha establecido una diferencia de potencial.

El sistema evoluciona al paso de la radiación, como una cámara de ionización.

Son detectores con mejor resolución energética que las cámaras de ionización y mejor rendimiento para la detección de radiación y y X.

Cámaras de ionización: Consiste en un recinto cerrado lleno de gas, que puede ser aire, en donde se encuentran dos electrodos entre los que se aplica una tensión eléctrica.

Cuando la radiación ionizante interacciona con el gas, provoca la ionización de un parte de sus átomos y por consiguiente se liberan iones positivos y electrones, con ello, el gas que primitivamente se comportaba como un aislante eléctrico, pasa a ser parcialmente conductor. Al aplicar entre los electrodos una tensión eléctrica se puede medir la corriente eléctrica que circula por la cámara y que en determinadas condiciones es proporcional a la intensidad de radiación que la atraviesa.

Las cámaras de ionización se clasifican , atendiendo a la forma de los electrodos, en planas o cilíndricas según estén dotadas de electrodos plano paralelos, o cilíndricos. La parte exterior de la cámara no debe ser muy gruesa a fin de que pueda ser atravesada por la radiación que se quiere detectar.

Las cámaras de ionización son sensibles a cualquier tipo de radiación, pero su utilización más frecuente se aplica a la detección de fotones y partículas p.

Contador proporcional: Tiene la misma característica que la cámara de ionización su diferencia consiste en aumentar la tensión de polarización. Este instrumento es capaz de discriminar radiaciones de distinta naturaleza. Estos contadores están indicados para detección de partículas p y rayos X.

Contadores Geiger-Müller: Genera impulsos de amplitud constante con independencia de la energía cedida por la radiación incidente.

En general, estos contadores están diseñados para la detección de fotones y partículas p.

La relativa lenta velocidad de operación es el principal inconveniente del detector Geiger-Müller.

Dosímetros personales

Se utilizan tres tipos de detectores en dosímetria personal:

  • Cámaras de ionización de bolsillo.
  • Dosímetros de película.
  • Dosímetros termoluminiscentes.

Cámaras de ionización de bolsillo: Se denominan también de pluma (por su forma). El detector es una cámara de ionización de capacidad fija, que se carga con anterioridad a la medida y que bajo la acción de la radiación pierde gradualmente su carga.

Son poco precisas, debido a las fugas y a otros posibles fallos se utilizan durante períodos muy cortos de tiempo. Además, el intervalo de exposición que pueden medir es muy limitado ( del orden de 0 a 200 mR).

Dosímetros de película: Se basan en el hecho de que las emulsiones fotográficas se ennegrecen por la radiación ionizante. Comparando el ennegrecimiento de la película utilizada por un trabajador expuesto, con el de películas expuestas a cantidades de radiación conocidas, se puede determinar la exposición a la que ha estado sometida la película. Una de las ventajas del uso de dosímetros de películas es que almacenan la información permanente, de forma que las lecturas se pueden repetir.

Dosímetros termoluminiscentes: La radio-termoluminiscencia es la propiedad que poseen ciertos cristales de emitir luz al calentarlos después de haber sido expuestos a radiaciones ionizantes. La cantidad de luz es proporcional a la cantidad absorbida de la radiación. Por tanto, la intensidad de la luz emitida por los cristales termoluminiscentes es proporcional a la dosis de radiación. El instrumento se calibra midiendo la intensidad de la luz emitida por dosímetros expuestos a dosis conocidas de radiación. Tienen entre otras ventajas:

– Mayor precisión, menor umbral de detección y un intervalo útil de dosis más amplio que los dosímetros fotográficos.

Un argumento utilizado en contra de la dosimetría por termoluminiscencia es su capacidad de guardar un registro permanente. No obstante, se acepta que las lecturas registradas por un sistema dosimétrico fiable, proporcionan una documentación legal satisfactoria.

Utilización correcta de los dosímetros

Uno de los puntos básicos de un programa de vigilancia es cómo y dónde se deben llevar los dosímetros.

El dosímetro se debe colocar en la posición que será más representativa de la parte más expuesta de la superficie del tronco.

La dosis a las extremidades ( especialmente manos) pueden ser algo mayores pero a menos que sea probable que estas dosis se aproximen a los tres décimos de los límites de dosis equivalentes apropiados, no será necesaria la utilización de dosímetros adicionales.

  • El dosímetro debe estar perfectamente cerrado.
  • Si los filtros metálicos que lleva el dosímetro están sueltos o se han desprendido, debe notificarse al Centro de dosimetría.
  • Bajo ninguna circunstancia se debe manipular el dosímetro abriéndolo, ya que al cerrarlo se puede colocar de forma incorrecta.