Aunque no es un objetivo fundamental de esta Tesis Doctoral la medida de la radiación gamma ambiental superficial, describiremos en este punto los detectores que hemos utilizado, tanto de los terrenos donde se han tomado medidas de radón en suelos, como de las muestras de suelos y rocas que se han recopilado para analizarlas y caracterizarlas desde el punto de vista de la emanación de radón. También y de forma sucinta se describirá el sistema de espectrometría gamma de alta resolución que se ha utilizado para caracterizar radioisotopicamente todas las muestras recopiladas.
2.3.1 Detector de radiación gamma ambiental, radiómetro Ludlum μR Model 12S
El equipo base de campo es el radiómetro Ludlum R 12S1 del que se disponen dos unidades, el mismo, se ha seleccionado porque es un detector de radiación gamma ambiental de bajo fondo, portátil, con muy buena estabilidad en la medida y en la calibración (figura 2.7). Está especialmente indicado por el fabricante para la medida de radiación gamma de muy bajo nivel (del orden de los R).
Radiómetro portátil Ludlum Model 12S (i) y detalles del panel de control (d)
La sonda es de ioduro de sodio con impurezas de talio, NaI(Tl), con un volumen sensible de detección cilíndrico de 11 pulgadas. Debido a que es un radiómetro portátil, el tubo de centelleo y la electrónica están integrados en una única carcasa. Para la lectura se dispone un display analógico (figura 2.1) de 0 - 3 μR/h, y un selector que permite escoger entre cuatro escalas lineales (×1, ×10, ×100, ×1000) de forma que el rango total de medida es de 0 – 3000 μR/h. Tiene una sensibilidad de
1http://www.ludlums.com/product/m12s.htm.
40 Capítulo 2 – Material y métodos
175 cpm/R/h (para el 137Cs) y una linealidad entorno al 10% del valor real medido. Este detector se ha utilizado también como patrón de referencia para el resto de los equipos empleados. Estos detectores se verifican periódicamente por el Servicio de protección radiológica de la ULPGC.
Según las especificaciones del fabricante, el radiómetro Ludlum 12S dispone de un circuito de compensación de temperatura a termistores en la placa base, lo que lo hace muy estable ante cambios de temperatura con un rango de operación de -20 a +50 ºC. Nuestra experiencia de campo corrobora esta afirmación teniendo en cuenta, además, que en las Islas Canarias las variaciones de temperatura son mucho menos extremas. El equipo dispone de dos modos de respuesta uno denominado FAST en el que el tiempo de recuento (en el que se alcanza el 90% de la medida final) es de 4 s y otro denominado SLOW en el que el tiempo de recuento es de 22 s (siendo, por tanto, la media más estable). En el procedimiento seguido para las medidas ambientales, se utiliza el modo SLOW tomando cuatro medidas en veinte minutos, habiendo dejado transcurrir cinco minutos, tras los cuales el detector se ha estabilizado. Como valor final se toma la media de las lecturas y como error instrumental se ha estimado media división del display de forma que en la escala ×10, que es la más utilizada en el rango de medidas ambientales en las Islas Canarias, se estima en ± 1 μR/h.El fondo del instrumento se ha determinado comparando su respuesta a la radiación ambiental en el interior de un blindaje de hierro de 15 cm de espesor con la respuesta en el exterior, obteniéndose una cota máxima de 0,8 μR/h., de esta forma, se estima que la incertidumbre en las medidas de tasa de exposición con estos equipos es, (en la escala de ×10,) de ± 2 μR/h.
2.3.2 Sistema de espectrometría gamma de alta resolución.
La espectrometría de rayos gamma es un método analítico que permite la identificación y cuantificación de la emisión gamma de isótopos radiactivos en una variedad de situaciones. En una sola medida y con una simple preparación de la muestra, permite detectar varias emisiones gamma de los radionúclidos que se encuentran en la muestra. La medida da un espectro de líneas; la altura de las mismas es proporcional a la actividad del radionúclido y su posición en el eje horizontal da una idea sobre su energía. Entre sus aplicaciones se pueden citar: la vigilancia de instalaciones nucleares, la salud ambiental, la medicina nuclear, la investigación de materiales, las ciencias ambientales o los usos industriales de radioisótopos
El equipo de espectrometría gamma utilizado en este trabajo de Tesis Doctoral consta de un detector coaxial de Germanio hiperpuro de rango extendido (XtRa) en configuración vertical Modelo GX3518 7500 SL de la marca Canberra y su electrónica asociada. El detector tiene un volumen activo de 153 cm3 y un 38% de eficiencia relativa respecto a un detector de NaI(Tl) de 3x3 pulgadas. Según las especificaciones del fabricante, la FWHM es de 0.875 keV a 122 keV y de 1.8 keV a 1.33 MeV. La principal característica de los detectores de rango extendido es que permiten el estudio de las líneas de baja energía (por debajo de 150 keV) fundamentales para analizar algunos radioisótopos de interés ambiental como el 210Pb (46.5 keV). Esto se debe a que dispone de una
Capítulo 2 – Material y métodos 41
ventana delgada de berilio o carbono en la superficie frontal que se extiende a lo útil rango de energía hasta 3 keV. En comparación, los detectores coaxiales convencionales tienen una ventana de contacto de difusión de litio de, normalmente entre 0,5 y 1,5 mm de espesor, y esta capa muerta previa a la zona activa del cristal detiene la mayoría de los fotones por debajo de 40 keV limitando su capacidad de medir a bajas energías. Así, los detectores del tipo Xtra debido a su fina ventana de entrada de un “composite” de berilio/carbono ofrecen todas las ventajas de detectores coaxiales estándar convencionales, tales como alta eficiencia, buena resolución, con un coste moderado pero con una mayor capacidad de medida en la zona de baja energía del espectro gamma.
La electrónica asociada consiste en un analizador multicanal DSA-10001 de Canberra, un completo analizador multicanal de 16000 canales basado en una tecnología avanzada de Canberra de procesamiento de señales digitales (DSP). Este equipo incluye el amplificador tomando la señal directamente del preamplificador del detector y dispone de un circuito estabilizador de la ganancia. El software de análisis y control es el programa GENIE20002 de Canberra, el cual, permite realizar una adquisición de datos de alta calidad y todo tipo de análisis espectrometría gamma muy completos, de forma sencilla y es común a otros equipos del laboratorio. El DSA-1000 ofrece una gran estabilidad de ganancia de pico (linealidad) en algunos casos un factor de dos a tres veces mejor que los productos analógicos de última generación, mientras que la deriva de cero (offset) es apenas mensurable en todo el rango de temperatura de funcionamiento del instrumento, figura 2.8.
Detalles del panel frontal (izquierda) y trasero (derecha) del Analizador
Multicanal Canberra DSA-1000.
El DSA-1000 proporciona también la alimentación de alta tensión al detector en un rango (dependiendo de la polaridad elegida) que va de ±10 a ±1300 V dc. El panel frontal muestra la tensión aplicada al detector y también envía señal al software de control. El núcleo fundamental del DSA-1000 es el subsistema de procesamiento digital de señales (DSP por su acrónimo en inglés)
1http://www.canberra.com/products/radiochemistry_lab/pdf/DSA-1000-SS-C27268.pdf 2http://www.canberra.com/products/radiochemistry_lab/pdf/Gamma-Analysis-SS-C37593.pdf
42 Capítulo 2 – Material y métodos
que, a diferencia de los sistemas convencionales, digitaliza la señal al inicio de la cadena de procesamiento, lo que minimiza la necesidad de circuitería analógica previa (de conformado y discriminación de los pulsos) aumentando, así la estabilidad, precisión y reproducibilidad. La no-
linealidad integral es ±0.025% de la escala total sobre el máximo del 99% del rango seleccionado y la no-linealidad diferencial es ±1% sobre el máximo del 99% del rango seleccionado, incluyendo, los efectos de no-linealidad integral. Presenta un deslizamiento de ganancia en canales de menos de 35 ppm/ºC y de deslizamiento de cero de menos de 3 ppm/ºC tras 15 minutos de operación, lo que significa menos de un canal en todo el rango de temperatura (para 8000 canales).
El detector se ha adquirido caracterizado por CANBERRA para permitir su calibración en eficiencia para distintas geometrías mediante el software LabSOCS 1 basado en el método de Montecarlo (Trevisi et al., 2013). La caracterización es un procedimiento para obtener la respuesta del detector para fuentes situadas dentro de una esfera de radio 500 m, centrado en el detector, y sobre un rango de energía de los fotones de 45 keV-7 MeV. Aunque este procedimiento requiere semanas y encarece el detector, tiene la ventaja de que en principio, una vez caracterizado el detector puede ser utilizado cualquier configuración geométrica fuente-detector. Además, LabSOCS junto con el software de análisis de espectros GENIE-2000, forman un sistema integrado de calibración y análisis que funciona sobre un ordenador personal con sistema operativo Windows, lo que los hace particularmente sencillo de utilizar.
Blindaje del sistema de espectrometría gamma Modelo GX3518 7500 SL.
El equipo dispone de un blindaje de hierro de bajo fondo de 15 cm de espesor para apantallarlo de la radiación cósmica y ambiental y de un sistema de refrigeración por nitrógeno líquido, figura 2.9. Como parte del equipamiento de laboratorio se ha montado un sistema de trasiego y recarga del nitrógeno líquido. El equipo de espectrometría gamma se encuentra en el Laboratorio
Capítulo 2 – Material y métodos 43
de Detectores del Departamento de Física en el sótano II del edificio de Informática y Matemáticas, figura 2.10. La ubicación se ha seleccionado para que el recinto estuviese situado directamente sobre el terreno, sin ningún otro local por debajo, debido al elevado peso de los blindajes de los detectores (1700 kg). Además, el edificio apantalla parcialmente la radiación cósmica. La superficie construida es de 52 m2 y se han instalado medidas de ventilación forzada para la evacuación de radón
Laboratorio de detectores de Radiactividad Ambiental del grupo GIRMA del
Departamento de Física de la ULPGC.
El equipo de espectrometría gamma se encuentra en el Laboratorio de Detectores del Departamento de Física en el sótano II del edificio de Informática y Matemáticas. La ubicación se ha seleccionado para que el recinto estuviese situado directamente sobre el terreno, sin ningún otro local por debajo, debido al elevado peso de los blindajes de los detectores (1700 kg). Además, el edificio apantalla parcialmente la radiación cósmica. La superficie construida es de 52 m2 y se han instalado medidas de ventilación forzada para la evacuación de radón.