UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

POSGRADO EN INGENIERÍA EN ENERGÍA

FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA NUCLEAR

PRÁCTICA DE INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA.

UZZIEL CALDIÑO HERRERA

INTRODUCCIÓN

El aprovechamiento de la energía nuclear constituye una actividad muy importante en el desarrollo actual de la sociedad, no solo en el sector energético, sino también en el sector industrial y médico por mencionar algunos.

Al trabajar con reacciones nucleares es importante conocer que estas producen la transformación de un elemento a otro, y esto muchas veces viene acompañado de emisiones de radiaciones para que el elemento resultante quede en un estado estable.

Estas radiaciones están presentes de manera natural en muchos fenómenos, como lo es la radiación solar, y aun nosotros mismos como seres humanos emitimos radiación por elementos como el C14

que esta en nosotros de manera natural.

Para las radiaciones producidas por el hombre (tales como residuos radiactivos de plantas nucleoeléctricas o radiaciones utilizadas para esterilización) se vio la necesidad de conocer su naturaleza y la manera en que interactuan con la materia para de esta manera poder establecer regulaciones y normativas sobre tiempos de exposición a las radiaciones para personas que laboran en espacios que involucren .

Las radiaciones pueden ser ionizante y no ionizante. Las no ionizantes son aquellas que al ser de baja energía o longitudes de onda muy larga (o frecuencia corta), no logran separar electrones de los átomos al interactuar con ellos, esto es, no los ionizan. Ejemplos de radiación no ionizante son los neutrones térmicos, y una manera de protección es el blindaje de Cadmio, por captura radiactiva y el Boro por reacción de transmutación

Esquema gráfico de radiaciones ionizantes y no ionizantes

La radiación ionizante es aquella que al ser de mayor energía, tiene la capacidad de “arrancar” electrones de los átomos con los cuales interactua.. Es causada por partículas cargadas como alfas, betas o por rayos gammas o rayos X. A su vez la radiación ionizante se divide en; directamente ionizante e indirectamente ionizante..La directamente ionizante la producen las partículas alfa y beta, al ser estas partículas cargadas,

interaccionan de manera directa con los atamos ionizándolos.La indirectamente ionizante es la producida por los rayos gamma o fotones, los cuales al interactuar con la materia producen fenómenos (como efecto fotoeléctrico, efecto Comton o producción de pares) que ionizan la materia.

Radiación no ionizante Radiación ionizante

Las radiaciones no son detectables con los sentidos humanos, por ello es necesario conocer su naturaleza para saber de que manera se pueden cuantificar y clasificar.

El contador Geiger-Müller fue desarrollado en 1908 por Hans Geiger en colaboración con Ernest Rutherford, en el año de 1928, el mismo Gieger ahora con su estudiante Walther Müller mejoro aquel dispositivo que permitió detectar un mayor numero de interacciones.

El funcionamiento del contador Geiger-Müller es el siguiente:

Un cilindro con un gas en su interior (Argón) y con un hilo metálico en medio actuá como ánodo y cátodo siendo una pared el polo positivo y el hilo el polo negativo.Cuando una partícula ionizante (alfa, beta o gamma) ingresa al cilindro, ioniza algún átomo de Argón, esto es, la partícula le “arranca” un electrón al átomo. Los iones positivos viajan hacia el cátodo. Los electrones, mucho más ligeros, en su camino hacia el ánodo alcanzan la energía suficiente para volver a ionizar otros átomos generando una avalancha de electrones que dan lugar a un pulso o señal eléctrica. El tamaño del pulso que se obtiene en estos detectores es independiente de la ionización causada por la partícula por lo que el detector solo cuenta número de partículas sin distinguir su naturaleza o su energía.

La practica realizada en el Instituto de Ciencias Nucleares se llevo a cabo con contadores Geiger-Müller BERTHOID (Nuclear Spectrometer LB 2040)

PROCEDIMIENTO

La practica realizada en el Instituto de Ciencias Nucleares se llevo a cabo con contadores Geiger-Müller BERTHOID (Nuclear Spectrometer LB 2040).

En la primer imagen podemos ver el Espectrómetro BERTHOID, abajo el contado Geiger-Müller, y a la derecha el contador sobre su base listo para realizar mediciones.

Durante la práctica se realizaron cuatro diferentes mediciones.

1. Lecturas de fondo (radiación en el ambiente)2. Partículas Beta de una fuente Sr90

3. Radiación Gammas de una reacción Ag + n

Para todas las mediciones se ajusto el tiempo de medición en el contador para un intervalo de 0.2 minutos.

A continuación se describe el procedimiento realizado para obtener cada una de las cuatro mediciones; para cada una de ellas se tomaron muestras de diferentes tamaños.

Lecturas de fondo

Con el contador se tomaron cinco mediciones de la radiación de fondo, estas variaron entre si, lo cual es de esperarse ya que esta es afectada tanto por fenómenos naturales como por fenómenos provocados por el hombre (teniendo en cuenta que al momento de la medición nos encontrábamos en un laboratorio de radiaciones), y ambas fuentes de radiaciones son variables en el tiempo.

Medición de partículas beta y atenuaciones.

Con una fuente de betas (Sr90) se tomo una medición de las interacciones de la fuente, a continuación se coloco una placa delgada de vidrio con Rm=256 mg/cm2, para de esta manera atenuar las interacciones.Ya con la placa sobre la muestra se volvió a tomar medición de las interacciones y ver de que manera se cambio a causa del materia que se interpone entre el contador y la fuente.Este procedimiento se realizo para 9 placas de vidrio del mismo espesor, obteniendo resultados peculiares, que confirman el fenómeno de Bremsstrahlung.

Muestra de Sr90, fuente de partículas β en el contador.

Radiación Gamma

Para realizar estas mediciones se sometieron pequeñas laminillas de plata al canal de atenuación el cual es una fuente de neutrones. Se dejaron en el dispositivo por 30 minutos.

Medición de radiación cerca del Plata radiactiva en el contador. canal de atenuaciones

La plata tiene dos isótopos naturales; Ag107 y Ag109 por lo que al ser sometidos a una fuente de nuetrones, cada uno obedecerá las siguientes reacciones:

Ag107 + 0n1 --> Ag108 + γAg109 + 0n1 --> Ag110 + γ

Y de estos dos isótopos resultantes, cada uno tiene una vida media diferente por lo que una decaerá antes que el otro notándose en las interacciones por segundo registradas en el contador.

RESULTADOS

Lecturas de fondo (radiación en el ambiente)

Se normalizaron todas las mediciones a un intervalo de tiempo de 12 segundos (0.2 minutos (, las mediciones de fondo solo servirán de referencia para comparar mas adelante con otras mediciones. A continuación se presentan tabuladas las mediciones obtenidas y su gráfica, con una linea de tendencia, también se obtiene el promedio y la desviación estándar de las mediciones para poder obtener un valor característico de las mediciones de fondo.

De tal manera que podemos tomar un valor característico de la medición de fondo como 244.81 La radiación de fondo nunca es constante, ya que las fuentes naturales que la emiten la hacen variar en el tiempo, esto es, nunca esta en estado estacionario; eso queda de manifiesto en la gráfica, pero es posible calcular un valor característico, de cualquier forma, si tuviéramos mediciones a lo largo de un periodo de tiempo prolongado observaríamos una variación mas marcada.

Partículas Beta de una fuente Sr90

Con el procedimiento descrito anteriormente fuimos testigos del fenómeno de la radiación de frenado. En la aplicación de protección radiológica esto es muy importante, ya que se puede diseñar cierto confinamiento con materiales que atenúen la radiación, pero si no se considera este fenómeno se deja libre cierta radiación que no es deseada y es dañina.

A continuación se muestran los datos tabulados y la gráfica de este fenómeno, se marco con una linea roja la radiación de fondo para visualizar como la atenuación no llega a la radiación de fondo por el efecto Bremsstrahlung.

Mediciones de fondo1 2342 2523 2534 2425 2436 2457 2508 2429 24310 24511 244

0 2 4 6 8 10 12220

225

230

235

240

245

250

255

f(x) = -0,01x + 244,87

Medición de fondo

# de medición

Inte

racc

ion

es

/se

gu

nd

o

Promedio 244,81818182Desviación 5,3444958942

Visualización del fenómeno de atenuación de partículas betas

Radiación Gammas de una reacción Ag + n

Este es un fenómeno muy interesante; se activa plata natural con una fuente de neutrones, y esta se vuelve radiactiva decayendo por la emisión de partículas β. A continuación se muestran los datos tabulados y su representación gráfica.

0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

1200

1400

Atenuación

# de medición

Inte

rea

ccio

ne

s/s

eg

un

do

Medición de atenuaciones1 12412 8313 4574 4215 4186 4087 3878 3909 37610 398

Decaimiento Ag1 3892 3573 3234 2985 2916 2787 2818 2619 23610 25611 25712 24013 25914 25915 24516 21817 24718 22319 26020 208

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Decaimiento

# de medición

Inte

racc

ion

es

/se

gu

nd

o

Como se menciono, uno de los isótopos de la plata decae mas rápido que el otro, por lo que su contribución en las mediciones de interacciones, se nota. A continuación se muestran dos gráficas; el la primera esta la presencia de los dos isótopos y en la segunda solo la contribución del isotopo de vida media mas larga.

Las curvas en azul representan los datos de las mediciones; las curvas en rojo son los ajustes correspondientes a una curva exponencial.

Se puede apreciar en las funciones correspondientes a los ajustes de curva como estas no son semejantes. Esto deja ver el cambio en el decaimiento radiactivo.Si se grafica el eje de las ordenadas en escala logarítmica y se obtiene:

Con su respectiva función de ajuste de curva.

Si ahora tomamos las dos funciones de los ajustes de curva y las superponemos para los intervalos que les corresponden observamos el comportamiento del decaimiento de los dos isótopos de la plata.

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22-50

50

150

250

350

450

f(x) = 292,8 exp( -0,01 x )

Ag 109

-3 2 7 12 17 220

100

200

300

400

500

f(x) = 414,15 exp( -0,08 x )

Ag 107 + Ag 109

0 5 10 15 20 25100

1000

f(x) = 337,54 exp( -0,02 x )

Decaimiento (log)

# de medición

Inte

racc

ion

es

/se

gu

nd

o

En escala logarítmica se nota una diferencia considerable; no se ve una sola linea recta, sino dos lineas con pendientes diferentes.

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Decaimiento

# de medición

Inte

racc

ion

es

/se

gu

nd

o

0 5 10 15 20 2510

100

1000

Decaimiento

# de medición

Inte

racc

ion

es

/se

gu

nd

o

CONCLUSIONES

El poder ver de manera tangible los fenomenos de interaccion de la radiación con la materia abre el panorama para entender el porqué es necesaria la protección radiológica.

De las conclusiones de mayor relevancia en esta práctica esta el hecho considerar siempre que no solo basta con atenuar radiaciones, sino que fenomenos como la radiación de frenado pueden causar radiaciones “inesperadas”; por esto es muy importante tener en cuenta siempre que se trabaje con radiaciones (tratamientos médicos, generación de energía eléctrica, esterilización deelementos)todas las posibles formas de radiaciones, para asi brindar un ambiente de trabajo seguro.

De esta manera el mayor temor de la sociedad con respecto al uso pacífico de la energía nucelar quedara sin fundamento.

Tambien esta práctica resalta la importancia de las normativas de trabajo en ambienes radiactivos, es muy importante cumplir con las especificaciones de la norma para asi evitar exposiciones peligrosas y dañinas. Sobre todo las dosis a las que una persona puede someterse y los tiempos de exposición.