Unidades Dosimétricas y Sistemas de Detección de Radiación

Unidades Dosimétricas y de Radioprotección

• Exposición ($X$): Se define como la capacidad que posee un haz de radiación para medir la ionización del aire. Cuantifica las cargas eléctricas producidas por la radiación al interactuar con una masa específica de aire.

  • Fórmula: $X = \frac{dq}{dm}$
  • Variables:
    • $dq$: Es la cantidad de cargas generadas en el aire.
    • $dm$: Es la cantidad de masa del aire en la que se generan dichas cargas.
  • Unidad: Coulomb por cada kilogramo de aire ($C/kg$).

• Kerma ($K$): Mide la energía cinética de las partículas cargadas que se generan durante el proceso de ionización. Se refiere específicamente a la energía transferida a las partículas cargadas.

  • Fórmula: $K = \frac{dE_{tr}}{dm}$
  • Variables:
    • $dE_{tr}$: Energía cinética inicial transferida a las partículas secundarias cargadas por la radiación ionizante.
    • $dm$: Masa del material considerado.
  • Unidad: Gray ($Gy$).

• Relación Kerma / Dosis Absorbida: Se dice que existe un equilibrio electrónico cuando el valor del Kerma es igual al de la dosis absorbida.

• EBR (Eficacia Biológica Relativa) y Factor de Calidad ($Q$): Es la relación entre las dosis necesarias de dos fuentes de radiación distintas para producir exactamente el mismo efecto biológico.

  • Factor de Calidad ($Q$): Es el resultado numérico de esta comparación.
  • Fórmula: $EBR = \frac{D_{\text{referencia}}}{D_{\text{a estudiar}}}$
  • Interpretación: Si la $EBR > 1$, se requiere una dosis mayor de la radiación de referencia para producir el mismo efecto biológico que la radiación que se está estudiando.

• Dosis Ambiental: Mide la radiación presente en un lugar concreto y evalúa el efecto que tendría una persona si permaneciera en dicha ubicación.

• Dosis Personal: Se mide cuando el aparato de detección se coloca directamente sobre la persona para capturar la exposición individual.

Conceptos Fundamentales de la Detección y Medida de la Radiación

• Eficiencia: Representa la capacidad del dispositivo para detectar las radiaciones. Se divide en dos tipos:

  • Eficiencia Extrínseca: Relación entre la cantidad de partículas que llegan efectivamente al detector y el total de partículas emitidas por la fuente.
  • Eficiencia Intrínseca: Relación entre la cantidad de partículas que generan una señal detectable dentro del dispositivo y el total de partículas que lograron alcanzar el detector.

• Umbral de Energía: Se refiere a la cantidad mínima de radiación necesaria para que el dispositivo pueda detectarla.

• Sensibilidad: Indica qué tan pequeño es el estímulo de radiación que puede detectar. A mayor sensibilidad, menor es la energía necesaria para que el detector registre el evento.

• Tiempo Muerto: Es el intervalo de tiempo que el dispositivo necesita para procesar una señal y estar listo para registrar la siguiente. Durante este lapso, el detector es incapaz de medir nuevos impactos.

Dosimetría y Control de la Radiación

• Dosimetría: Es el cálculo de la dosis que puede absorber un tejido vivo. Su objetivo primordial es la prevención de efectos biológicos adversos.

• Zonas de Medida y Control:

  • Dosis Ambiental: Se controla en zonas donde el público en general puede tener acceso.
  • Dosis de Área: Dirigida a las zonas donde se encuentran los trabajadores expuestos.
  • Dosis Personal: Referente a la monitorización individual de la radiación recibida por cada trabajador.

• Tipos de Monitores Ambientales y de Área:

  • Monitor de Radiación: Mide la tasa de dosis en un punto específico (es decir, la velocidad a la que se recibe la dosis).
  • Monitor de Contaminación: Mide la cantidad de contaminación superficial y ambiental (contaminación externa).
  • Modos de Operación:
    • Control Continuo: Dispositivos estacionarios para vigilancia permanente.
    • Portátiles: Equipos utilizados específicamente para labores de inspección y limpieza.
    • Aparatos con Filtros Especiales: Equipos que capturan partículas en filtros que posteriormente deben ser enviados a un laboratorio para su análisis.

Clasificación de la Dosimetría Personal

• Dosimetría Interna: Mide la radiación que recibe una persona cuando se ha incorporado algún dispositivo o sustancia radiactiva dentro de su propio organismo. Se evalúa mediante:

  • Radiometría Corporal: Medición directa del cuerpo.
  • Análisis de Excrementos: Medición indirecta de la eliminación de radionúclidos.

• Dosimetría Externa: Detecta la radiación proveniente del exterior mediante dosímetros personales y adicionales.

• Tipos de Dosímetros según su Respuesta:

  • Dosímetros Instantáneos (Activos): Proporcionan el valor de la tasa de dosis al momento.
  • Dosímetros Integradores (Pasivos): Acumulan la señal de radiación durante un periodo de tiempo determinado.

• Uso Obligatorio y Categorización:

  • Es obligatorio para trabajadores de Categoría A.
  • Se utilizan principalmente dosímetros pasivos de tipo TLD (Termoluminiscentes).
  • Los dispositivos suelen ser ligeros y se colocan típicamente en el tórax.
  • El recambio de estos dosímetros se realiza de forma mensual.

• Mecanismos de Dosímetros Pasivos:

  • Recombinación de Cargas: Los iones generados vuelven a neutralizarse.
  • Termoluminiscentes (TLD): Acumulan energía que se libera en forma de luz al ser calentados.
  • Fotográficos: Utilizan una película que se ennegrece.

• Dosímetros Operacionales: Son de tipo Activo y aportan información adicional a la proporcionada por los dosímetros personales estándar.

Tecnología de Detectores: Sólidos y Centelleo

• Detector Semiconductor (Estado Sólido): Utiliza sólidos basándose en la Teoría de Bandas Energéticas:

  1. Banda de Valencia: Nivel de mayor energía donde los electrones todavía están ligados al átomo.
  2. Banda de Conducción: Nivel donde los electrones están libres y disponibles para conducir electricidad.
  3. Banda Prohibida (Gap): Espacio que separa ambas bandas. Si esta banda es pequeña, los electrones saltan con facilidad a la de conducción.
  • Funcionamiento: La radiación aporta energía a los electrones de la banda de valencia para que salten a la de conducción. El voltaje ($V$) aplicado permite medir el flujo de electrones que se desplazan del polo negativo ($\ominus$) al polo positivo ($\oplus$).

• Detector de Centelleo: Utiliza sustancias luminiscentes que emiten luz al recibir radiación.

  1. El material centelleador emite un destello de luz.
  2. Esta luz se envía a un Tubo Fotomultiplicador.
  3. El tubo convierte la señal luminosa en un impulso eléctrico medible.
  • Fenómenos de emisión:
    • Fluorescencia: Emisión de luz inmediata durante el estímulo. Es típica en centelleadores orgánicos, es rápida y se usa para detectar partículas Beta ($\beta$) y neutrones.
    • Fosforescencia: Emisión de luz que continúa una vez que ha finalizado el estímulo. Es propia de centelleadores inorgánicos, es más lenta y se usa para radiación Gamma ($\gamma$).

Detectores de Termoluminiscencia (TLD) y Película

• Detectores TLD (Termoluminiscencia):

  • Funcionan acumulando energía al recibir radiación.
  • Al ser calentados posteriormente, liberan esa energía acumulada en forma de luz.
  • Etapas del proceso: Excitación y Relajación.
  • Curva TL: Gráfico que relaciona la intensidad de la luz emitida en función de la temperatura alcanzada por el material.

• Detectores de Película Radiográfica:

  • Compuestos por materiales químicos que reaccionan a la energía de la radiación ($x, \gamma, \beta$).
  • La película se ennegrece de forma proporcional a la cantidad de radiación recibida.
  • Suelen incluir filtros para discriminar tipos de energía.

Detectores de Ionización Gaseosa

• Principio de Funcionamiento:

  • Contienen un gas con carga neutra encerrado entre dos electrodos (ánodo y cátodo).
  • La radiación ioniza el gas, que entonces deja de ser aislante.
  • Los electrones e iones producidos son atraídos por los electrodos debido a la diferencia de potencial (voltaje).

• Tipos de Detectores según el Voltaje Aplicado (de menor a mayor tensión):

1. Cámara de Ionización (CI):

   • Funciona con tensiones bajas.
   • Tiene un umbral de detección alto.
   • Sufre de recombinación de cargas (algunas cargas se pierden antes de llegar a los electrodos).

2. Contador Proporcional (CP):

   • Funciona con un voltaje mayor/más tensión que la cámara de ionización.
   • Tiene un umbral más bajo.
   • Ocurre la multiplicación de cargas, lo que amplifica la señal inicial.

3. Contador Geiger-Müller (CG):

   • Utiliza las tensiones más altas.
   • Tiene un umbral de detección muy bajo.
   • Son los detectores más sensibles, pero poseen poca resolución de energía.

• Resumen de Tensión: Geiger ($CG$) > Proportional ($CP$) > Cámara de Ionización ($CI$). A mayor tensión, el detector suele recoger la señal de forma menos precisa en términos de energía (peor resolución).

Propiedades de la Medida

• Espectrometría: Técnica utilizada para medir y analizar la distribución de la energía de la radiación.
• Resolución de Energía: Capacidad del detector para distinguir entre valores de energía muy similares.
• Sensibilidad: Capacidad para detectar cantidades mínimas de radiación.
• Precisión: Consistencia del detector para entregar siempre la misma medida ante el mismo estímulo.
• Exactitud: Capacidad del detector para medir el valor real o exacto de la radiación (un equipo ideal es tanto preciso como exacto).