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Atenuación por distancia iii e_mera

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TECNOLOGÍA NUCLEAR
ATENUACIÓN RADIACIÓN POR DISTANCIA
TÉCNICAS DE OPERACIÓN DE MATERIAL RADIOLÓGICO

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Atenuación por distancia iii e_mera

  1. 1. DIPLOMADO EN TECNOLOGIA NUCLEAR VERSIÓN 2012 TECNICAS DE OPERACIÓN DE MATERIAL RADIOLOGICO EXPERIMENTO III: Atenuación por Distancia Eduardo Mera1 1 Departamento de Física, Universidad Tecnológica Metropolitana, Av. Alessandri #1242, Ñuñoa. Santiago de Chile, Noviembre 2012
  2. 2. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física RESUMEN En el presente laboratorio de radiactividad se evalúo la radiación de fondo o background, se midió la actividad de una muestra radioactiva, se encontró la dependencia de la actividad de la muestra con la distancia. Se evalúo la actividad de las muestras a distintas distancias y se encontró que la relación funcional asociada es del tipo potencial 1/Xn , donde “n” tiende al orden 2. I. Introducción y Objetivos Introducción Desde la siglo XIX comenzó el estudio de la radioactividad cuando W. Roentgen descubrió los rayos X, Henry Becquerel observó que las sales de uranio emitían espontáneamente radiaciones y tiempo después los esposos Curie, concentraron a partir de los minerales de uranio el polonio y radio, se empezó a observar en estos productos el fenómeno de la desintegración espontánea de forma muy marcada. El proceso de emisión espontánea de radiación se llama radioactividad. Experimentos posteriores demostraron que la radioactividad es el resultado del decaimiento radioactivo, o desintegración de núcleos inestables. En el proceso de desintegración nuclear, los átomos de los elementos radioactivos, se transforman en otros átomos diferentes, produciéndose así una cadena de desintegraciones hasta llegar a ser un elemento estable en el cual la gran parte de las veces es plomo. Hay tres tipos de radiación que pueden ser emitidos por una sustancia radioactiva: radiación alfa (α), donde las partículas emitidas son núcleos de Helio; radiación beta (β), en el cual las partículas emitidas pueden ser electrones o positrones (partícula que tiene las mismas características del electrón pero su carga es +e); y radiación gamma (γ) las cuales son ondas electromagnéticas es decir, son fotones de alta energía. Los tres tipos de radiación tienen capacidad de penetración distinta. Partículas alfa apenas penetran una hoja de papel, partículas beta pueden penetrar unos cuantos milímetros de aluminio, y los rayos gamma penetran varios centímetros el plomo. Las propiedades principales que caracterizan a un elemento radioactivo son: la constante de de desintegración ( λ) y la energía de las radiaciones emitidas. La razón a la cual ocurre un determinado proceso de decaimiento en una muestra radioactiva es proporcional al número de núcleos radioactivos presentes en cualquier instante (esto es, aquellos núcleos que aún no han decaído). Si N es el número de núcleos radioactivos presentes en cualquier instante, la razón de cambio de N es: N dt dN λ−= , acomodando términos NdtdN λ−= , Integrando la ecuación anterior se obtiene que t oeNN λ− = La constante de desintegración λrepresenta la probabilidad de desintegraciones por unidad de tiempo por átomo presente del elemento radioactivo y N0 representa el número de núcleos radioactivos en el instante t = 0. A menudo la razón de decaimiento de una muestra se llama actividad (A), la cual corresponde al número de átomos desintegrados por unidad de tiempo, que es lo que realmente se mide. t oeAA λ− = Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 2
  3. 3. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física La unidad SI de actividad se llama Becquerel (Bq), donde: 1Bq = 1 decaimiento/s. Se tiene que la unidad original de actividad es el curie (Ci) donde 1 Ci=3,7*1010 Bq =3,7*1010 decaimientos/s, la cual fue seleccionada ya que es la actividad aproximada de 1 gramo de uranio. Para el estudio de la atenuación de la radiación con la distancia dada la naturaleza electromagnética de los rayos gamma se puede comparar su comportamiento (en particular) con el comportamiento de la luz ordinaria. Recuérdese que dada una fuente luminosa que emite el mismo numero de fotones por unidad de superficie en todas las direcciones por unidad de superficie (fuente isotropita), un observador notara que la intensidad, I cambia según se acerque o se aleje de ella mas aun notara que cambiara según su inverso al cuadrado. Analíticamente significa que ka intensidad de la luz I en un punto d del espacio es igual a la razón entre el número de fotones por segundo de la fuente No y el área de la esfera Ao centrada en la fuente esto es: 2 4 d No Ao No I π == Experimentalmente la fuente luminosa no cambia de intensidad durante el transcurso del experimento por lo cual No y 4π son constantes. Marco teórico basado en [1], [2] y [3] Objetivos 1. Evaluar la radiación de fondo o background 2. Encontrar la dependencia de la actividad de la muestra con la distancia. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 3
  4. 4. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física II. Procedimiento Experimental: Para el experimento de evaluación de la atenuación de la radiación con la distancia arme el montaje de la figura 1, sobre una superficie nivelada ubique un detector de radiación D, separados a una distancia d de la fuente radiactiva F. teniendo en cuenta las siguientes indicaciones a realizar: Figura 1. Montaje a. Ubique el detector D a d=100 cm de la fuente F b. Energice el detector D mediante el cambio de posición del interruptor de encendido on-off. Espere 60 segundos y verifique que el contador realiza el conteo de t (segundos), repita por lo menos 3 veces. c. Inicie el conteo mediante el botón de partida (previamente borre o contabilice la indicación dada por el detector D). Cuando halla estabilizado la medida o halla terminado el tiempo de conteo t, registre la lectura L, por el lapso de 0.1 minutos, con el detector y repita el proceso por 3 veces (3 lecturas). d. Mueva el detector D a diversas posiciones d y repita el proceso anterior. e. Ubique el detector D en la posición de d = 100 cm, retire y guarde la fuente radiactiva F en un contenedor, repita el paso c para esta posición, los valores que se registren corresponden al Background. Consideraciones Finales: Para la medición del background de fondo, se realizaron la medicion de 5 segundos, con las fuente resguarda. La medición de Io se realizo con la distancia fuente sensor de 100 cm. Para el estudio de la radiación y la distancia se evaluaron las fuentes radioactivas, se varío la distancia entre la fuente y el detector, y se registro para cada distancia la radiación por el intervalo de tiempo de 6 segundos. Marco teórico basado en [1], [2] y [3] Equipos Materiales Fuente radiactiva de Cs-137 Instrumento de detección (detector de centelleo) Sistema de conteo y electrónica asociada. Dosímetros digitales integrados de dosis para uso personal. Pinzas Guantes Pinzas Regla Equipos y materiales basados en [3] Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM di variable F D 4
  5. 5. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física III. Datos Experimentales Estimación de la radiación de fondo: se procedió a dejar muestreando el censor de centelleo por un lapso de 5 segundos, teniendo el cuidado de alejar toda fuente radioactiva del sector, los datos registrados en seis repeticiones son (tabla 1): Medición Tasa de Radiación Horaria (ηSv/h) 1 680 2 623 3 615 4 653 5 707 6 696 Tabla N° 1: evaluación de background Los datos de temperatura y presión del laboratorio eran 19ºC y una presión atmosférica de 1025 HPa. Evaluación de la actividad de la muestra con la distancia: se procedió alinear el equipo como lo indica la figura 1, y se alisto la muestra radioactiva γ, 137 Cs, co una actividad inicial de 25.2 mCi, fecha de elaboración 05-04-10, y una media T1/2 de 30.3 años. Las evaluaciones fueron realizadas por un lapso de 6 segundos cada una en corridas de 3 repeticiones, a distancias de 50 cm, 100 cm y 150 cm ; los datos obtenidos fueron (Tabla 2): Distancia (cm) Tasa de Radiación Horaria (μSv/h) 50 75,1 77,3 76,2 76,8 75,6 76,9 81,6 100 23,7 22,9 22,7 23,3 23,1 27 22,9 150 11,3 11,9 10,6 10,5 10,7 10,8 10,6 Tabla N° 2: evaluación de las muestras radioactivas con la distancia Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 5
  6. 6. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física IV. Resultados Estimación de la radiación de fondo: Se tiene que la tasa de la tasa de radiación de fondo estimado es de: [ ] [ ]hnSvhnSvdarEsDesviaciónomedioTasaTasa /35//652tan_/Pr_ −+=−+= Evaluación de la actividad de la muestra con la distancia: en un primer paso se procedió a analizar la validez de las muestras, ya que una muestra pierde su actividad y se vuelve estable al pasar un tiempo de cinco vidas medias, se obtuvo que contrastando contra este concepto y con respecto a la actividad de fondo los siguientes resultados (tabla 3): Variable 137Cs - Gamma 1 5 T1/2 151.5 años 2 Tiempo Realizar Experiencia 2.8 años 3 Actividad Omnidireccional Estimada 8.79x108 Bq Tabla N° 3: Evaluación de la actividad de las muestras Con lo cual se concluye que la muestra 137 Cs está activa. De la tabla 2, se obtuvo la siguiente tabla de actividad, actividad promedio desviación estandar de la actividad y error asociado a la desviación estándar de la actividad (error % = desviación / promedio *100) (tabla 4): Distancia (cm) Tasa Radiación (μSv/h) Tasa Radiación Promedio (μSv/h) Tasa Radiación Desviación (μSv/h) 50 75,1 77 2 77,3 error % 3 76,2 76,8 75,6 76,9 81,6 100 23,7 24 2 22,9 error % 6 22,7 23,3 23,1 27 22,9 150 11,3 11 1 11,9 error % 5 10,6 10,5 10,7 10,8 10,6 Tabla N° 4: Actividad de la muestra evaluada en distancia y parámetros asociados De la tabla anterior se llega a la conclusión que el error asociado a la medición es mayor que el valor de background promedio de 0.65 μSv/h, pero de igual forma se procede a corregir la tasa de radiación por el factor de background (Ac =A-Ab), quedando la siguiente tabla (tabla 5): Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 6
  7. 7. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física Distancia (cm) Tasa radiación (μSv/h) Tasa radiación Corregida(μSv/h) 50 77 76,65 100 24 23,35 150 11 10,35 Tabla N° 5: Tasa de radiación de la muestra evaluada en distancia La expresión grafica de la tabla 5, es presentada en el siguiente grafico (grafico 1): Radiacion v/s Distancia y = 91422x-1,8071 R2 = 0,9981 y = 76895x-1,7616 R2 = 0,9987 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 Distancia (cm) Radiacion(μSv/h) Tasa Radiacion Tasa Radiacion Corregida Potencial (Tasa Radiacion Corregida) Potencial (Tasa Radiacion) Grafico Nº 1: Actividad y Actividad corregida en función de la distancia Obteniendo que el grafico de actividad corregida se acerca de mejor manera a una forma cuadrática inversa del tipo 1/x2 , con un coeficiente de determinación de 0.99, la ecuación potencial tiene como forma funcional: [ ]hSv d A / 91422 80.1 µ= Ecuación potencial de exponente 1.8, la cual presenta en su exponente un error relativo porcentual del 10%. Se tiene que la forma cuadrática aproximada obtenida para los datos sin corrección es: [ ]hSv d A / 76895 76.1 µ= Ecuación potencial de exponente 1.76, la cual presenta en su exponente un error relativo porcentual del 12%. Nota: Cabe notar que la actividad omnidireccional estimada a la fecha es de 8.79x108 c.p.s, de la cual solamente salen de la fuente 106 c.p.s. , por lo cual la absorción del blindaje de contención es de 8.78x108 c.p.s. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 7
  8. 8. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física V. Análisis y Conclusiones Análisis: Estimación de la radiación de fondo: La tasa de radiación registrada es de [ ] [ ]hnSvhnSv /35//652 −+ , valor considerado bajo con respecto a los 2.5 μSv/h de Radiación Total que un individuo promedio recibe. Evaluación de la radiación de la muestra con la distancia: En la tabla 5, se observa que la relación funcional actividad corregida v/s distancia, es la mas adecuada para establecer el fenómeno a través de una relación de tipo potencial inversa del grado n, del tipo [ ]hSv d A / 91422 80.1 µ= , la cual tiene un coeficiente de determinaron de 0.99 (ver grafico 1), y un error relativo porcentual respecto al exponente de grado cuadrático (2) del 10%. Conclusiones: Se evalúo la actividad de la muestra a distintas distancias y se encontró que la dependencia de la actividad de la muestra con la distancia, tiene una relación funcional asociada es del tipo potencial 1/Xn , donde “n” es de orden se aproxima al orden 2, en la cual la corrección de fondo aporta la mejor ecuación asociada al orden del exponente buscado. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 8
  9. 9. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física VI.- Bibliografía 1. Serway, Raymond; Beichner, Robert “Física para Ciencias e Ingeniería”, Editorial Mc Graw Hill, 2002. 2. Sears; Zemansky; Young; Freedman “Física Universitaria” Novena Edición Pearson Education 1999 México. 3. Guía Experiencia Atenuación de la Radiación por Distancia, CCHEN. 2012. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 9
  10. 10. Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile, Facultad de Ciencias Naturales, Matemáticas y de Medioambiente, Departamento de Física VI.- Bibliografía 1. Serway, Raymond; Beichner, Robert “Física para Ciencias e Ingeniería”, Editorial Mc Graw Hill, 2002. 2. Sears; Zemansky; Young; Freedman “Física Universitaria” Novena Edición Pearson Education 1999 México. 3. Guía Experiencia Atenuación de la Radiación por Distancia, CCHEN. 2012. Diplomado en Tecnología Nuclear – UTEM/CCHEM 9

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