RICSIL Investigación en Física Nuclear

Actualización Septiembre 2001

¡¡¡ Los Contadores Geiger al alcance y a la medida de todos!!!

SISTEMA DE DETECCIÓN Y RECUENTO

DE RADIACIONES IONIZANTES COMPUTERIZADO

Modelo:

COMPACT-1

Sistema de detección y recuento de radiaciones ionizantes computerizado.

Introducción.

Las radiaciones ionizantes son, básicamente, las siguientes:

Radiación alfa:

Son partículas con carga positiva, de gran tamaño, formadas por dos protones y dos neutrones, o sea, un núcleo de helio. Su capacidad de penetración es mínima, recorren pocos centímetros en el aire y un fino papel de fumar las detiene.

Radiación beta:

Son electrones, generalmente, con carga negativa aunque en raros casos pueden

ser positrones con carga positiva.

Radiación gamma:

Es una radiación electromagnética, o sea, constituida por fotones. Tiene gran capacidad de penetración; para detenerla se precisa un grueso espesor de plomo.

Radiación X:

También es una radiación del espectro electromagnético constituida por fotones y sólo difiere de la radiación gamma en que su origen no está en el núcleo.

Existen diversos métodos de detección de radiaciones ionizantes pero, el que nos ocupa, y en el que se basa nuestro sistema es el tubo geiger-müller.

Descripción del mismo:

Consiste en un cilindro que contiene una mezcla de gases a baja presión, uno noble y trazas de un halógeno. La pared del cilindro constituye el cátodo y el eje de simetría del mismo está atravesado por un fino ánodo, ambos, de metales adecuados.

Funcionamiento:

Al aplicarse una diferencia de potencial inicial e incrementándola entre ambos electrodos encontramos el umbral donde se inicia el funcionamiento del tubo. Si seguimos el incremento de esta diferencia de potencial encontramos diversas regiones con comportamientos distintos hasta llegar a un límite en el que habría una descarga constante o avalancha con la consecuente destrucción del tubo. No entraremos en detalle de cada región y nos centraremos en la región denominada geiger que es la más usual.

La región geiger es delimitada por dos diferencias de potencial positivas con una extensión variable que puede ser de entre 100 y 200 V y se le denomina “plateau”; el punto central de éste es la zona adecuada de trabajo del tubo.

Una de las bondades principales que caracterizan un geiger es la baja pendiente que se expresa en el tanto por ciento de incremento de cuentas por voltio aumentado dentro del “plateau”.

Una vez el tubo está polarizado con su correcta tensión de trabajo y penetra una radiación ionizante en su interior se crean pares de cargas y se produce una pequeña corriente catódica que llevada a un sistema electrónico adecuado es procesada para su posterior recuento.

Hay varias clases de tubos según el tipo y nivel de radiación a detectar, por ejemplo, los adecuados para medir radiación alfa suelen ser “end-window” y llevan, como su nombre indica, una ventana final de mica muy fina y frágil que permite el paso de las partículas alfa. Los tubos que no tienen tal material en su ventana no permiten el paso de estas partículas y sólo detectan radiaciones más penetrantes.

La sensibilidad de los tubos es directamente proporcional a su tamaño. Si queremos medir radiación cósmica precisamos tubos de gran tamaño, del orden de los 20 o 30 cm., y por el contrario, si queremos medir radiaciones de intensidades muy elevadas se reduce su tamaño a unos pocos milímetros.

Origen de las radiaciones en nuestro entorno.

Todos estamos sometidos constantemente a radiaciones en nuestro entorno. Estas proceden de distintas fuentes, naturales o no, que en mayor o menor medida, pueden ocasionar daños físicos en los organismos vivos.

Las fuentes naturales de radiación son básicamente los productos de choque de los rayos cósmicos con capas de la atmósfera que llegan muy atenuados a la superficie terrestre, haciéndose patente un incremento según la altitud. En principio, no se ha observado que ocasionen daños.

Otra fuente natural es la de los elementos de la propia tierra que contienen en mayor o menor proporción isótopos de uranio 238, 235 y 234, torio 232, potasio 40, rubidio 87, etc.

En principio, la radiación natural, salvo raras excepciones, no es perjudicial a la vida y en cambio proporciona beneficios como son la elevación de la temperatura del planeta la cual no debemos exclusivamente al sol e incluso las mutaciones genéticas que han determinado la evolución positiva de las formas de vida.

Fuentes artificiales de radiación. Dada la evolución científica y tecnológica de la humanidad se vienen utilizando diversas fuentes y procesos encaminados a muy dispares aplicaciones, ejemp., cómo combustibles en las centrales nucleares de fisión en cuyos reactores se producen gran cantidad de isótopos altamente radiactivos.

Otra aplicación industrial son las técnicas de gammagrafía para análisis de materiales.

Con fines bélicos, en bombas de fusión y fisión y en el armamento convencional se utiliza el uranio empobrecido por la capacidad de penetración debida a su elevado peso específico.

En medicina nuclear se utilizan isótopos como marcadores, con fines terapéuticos y en diagnóstico por la imagen, rayos X. Estos se originan al acelerar electrones con diferencias de potencial muy elevadas que al chocar con el ánodo, por efecto Bremsstrahlung, -radiación de frenado-, producen la emisión de rayos X, éstos fueron descubiertos por William Conrad Röentgen. De naturaleza muy parecida a la luz, por encima del espectro ultravioleta y con gran capacidad de penetración.

Además de estos tres grandes sectores, utilizan isótopos radiactivos, en mayor o menor medida, múltiples artículos de uso cotidiano con gran tendencia a la disminución de la cantidad de éstos dadas las legislaciones internacionales cada vez más restrictivas. Algunos ejemplos de estos artículos pueden ser los siguientes: las camisas de los camping-gas contienen torio, los pararrayos americio Am 241 y antiguamente radio, los detectores de humo Am 241, la sal para hipertensos cloruro potásico K 40 y muchos elementos fluorescentes decorativos que hace algunos años contenían cantidades más o menos considerables de isótopos radiactivos.

Unidades de medida de los diversos parámetros relacionados con la radiactividad.

La radiactividad se produce por dos tipos de desintegraciones nucleares: alfa o

beta. La radiación gamma es la que procede de cualquiera de estas dos cuando el núcleo final queda en estado excitado. Los núcleos no estables, o sea, los susceptibles de estas desintegraciones tienen una velocidad de desintegración característica que se expresa por el tiempo de semi-desintegración que es el que se precisa para que la cantidad de núcleos no estables se reduzca a la mitad. Este proceso es aleatorio y se rige por el sistema de distribución de Poisson o sea que tomando el valor medio, la media aritmética, obtenemos el valor más probable, el cual es más preciso cuanto mayor es el tiempo de muestreo.

Un parámetro muy importante a tener en cuenta es la cantidad de núcleos radiactivos que tiene una muestra. Se expresa en divisores de curios y en múltiplos de becquerels. Un curio es el número de núcleos radiactivos que tiene un gramo de radio. 1 Ci = 3.7·

10E10 desintegraciones por segundo. 1 Bq = 27 pCi. El becquerel equivale a 27 picocurios.

La energía se mide en röentgens y un röentgen equivale a 2’58·10E4 C/Kg.

cuando el medio es el aire.

Las dosis de absorción específicas se determinan por Rad, -röentgen absorbed dose-; otra unidad muy usual es el Gy, -grey-, en ambas medidas suelen utilizarse sus divisores. Si nos referimos concretamente a la absorción por parte del ser humano, se utiliza el Rem, -röentgen equivalent man-, o el Sievert, -Sv-: en ambas se utiliza un factor de calidad que determina el daño ocasionado y que es diez para las partículas alfa y la unidad para las beta y rayos gamma o X.

La tolerancia del ser humano a la radiación es difícil de establecer, sin embargo, “a priori”, debemos considerar cualquier radiación como potencialmente peligrosa y limitar al máximo la exposición a la misma. Los profesionales expuestos habitualmente por su actividad a elementos o aparatos que sean emisores de radiaciones ionizantes deben someterse, por seguridad, a control dosimétrico por medio de dosímetros personales cuando el plazo a analizar es largo, generalmente mensual, o bien, teniendo en el entorno de trabajo contadores geiger adecuados al tipo de radiación de su entorno laboral.

Se pueden realizar registros de diversos tiempos, e incluso, indicadores si se superan umbrales alarmantes de forma puntual. (VEASE UNA DE LAS CARACTERISTICAS DEL SOFTWARE DE NUESTRO APARATO).

Si se observa haber superado los límites establecidos, tanto por períodos como por acumulación, deben tomarse las medidas oportunas para reducirlos; en el caso de los dosímetros personales es la empresa que los suministra y analiza quien comunica al usuario estas dosis.

Si el usuario posee además un contador geiger evitará la acumulación dado que en el momento puntual en que se supere el nivel establecido éste será avisado por el sistema informático y podrá tomar las medidas oportunas de reducción inmediata, al tiempo que, el mismo sistema seguirá registrando datos en memoria para posterior análisis, en los plazos que interese.

Los tubos geiger tienen una respuesta característica indicada por el fabricante referenciada, por regla general, a la energía del isótopo Cs 137 o Co 60, el cual es tomado como patrón unidad, cuya energía es 665 KeV – 1250 KeV, dando una gráfica de respuesta relativa de los mismos con la cual se pueden extrapolar las cuentas reales a cualquier energía. Los tubos geiger tienen variación de respuesta relativa que puede alcanzar un factor de once principalmente a energías de 60-70 KeV, -rayos X-, por lo que si nos guiamos por las cuentas sin observar este factor, obtendremos información errónea de la dosis. Existen algunos tubos de energía compensada que por medio de filtros adecuados ajustan con gran probabilidad a la unidad la respuesta relativa a diversas energías, sin embargo, como desventaja, podemos citar la irregular distribución polar debida al filtro, la cual también tiene que tenerse en cuenta, atendiendo a las gráficas del fabricante.

Filosofía de nuestro sistema de detección y recuento de radiaciones ionizantes computerizado.

El desarrollo de este sistema ha requerido un largo período de investigación tanto de la física que rige el comportamiento de los tubos geiger-müller así como en el análisis de las señales eléctricas de éstos, su proceso electrónico y la adaptación a los niveles propios de los ordenadores IBM PC compatible.

La fuente de alimentación que suministra las múltiples altas tensiones al ánodo del tubo ha sido diseñada con una intensidad holgada para evitar caídas de tensión cuando los tubos que más consumen estén dando sus máximos ratios de cuentas. Las demás fuentes que suministran las bajas tensiones del resto de los circuitos que componen la placa COMPACT 1 siguen la misma filosofía. Un sistema de ventilación activo evita un exceso de incremento de la temperatura en las partes que lo requieren. La etapa de detección de la señal que procede de los pulsos catódicos del tubo geiger está formada por una etapa previa ubicada en el interior de la sonda que evita que la capacidad parásita del cable introduzca tiempos muertos innecesarios. Por otra parte, en el interior del aparato, se ajusta tanto en tiempo como en nivel de tensión para ofrecer el resultado al indicador acústico-luminoso y al interface que gestiona los niveles de tensión y controla los tiempos para cualquier dispositivo de entrada de un ordenador personal.

Se ha realizado el máximo esfuerzo en la fidelidad de transmisión de la señal inicial a la final que se introduce al ordenador guiándonos en todo momento en las descripciones técnicas dadas por el fabricante de los tubos utilizados.

Tenemos en laboratorio diversos periféricos de ampliación del sistema que en un futuro próximo permitirán implementar diversas prestaciones que funcionarán simultáneamente con los PC, o bien, de forma autónoma, ejemp., alarmas, contadores digitales, integradores analógicos, dispositivos microcontrolados, etc.

El software básico ofrecido al usuario final permite efectuar las más elementales operaciones de un contador geiger, sin embargo, desarrollamos aplicaciones específicas para diversas áreas profesionales y científicas, todas ellas son independientes y ejecutadas desde un menú común. También ofrecemos la posibilidad de análisis y programación de aplicaciones propuestas a medida para satisfacer las necesidades del usuario que precise algo no standard. Para los detalles referentes al uso de nuestras aplicaciones, remitimos al usuario a nuestro manual general de software el cual es entregado al usuario acompañando el sistema. Dada la constante evolución y creación de nuevas aplicaciones cualquier detalle técnico no incluido en el manual general de software será entregado con las revisiones o las aplicaciones nuevas. Nos ponemos también a la disposición del usuario para resolver sus dudas respecto al software al igual que aquellas ocasionadas a nivel de hardware.

Descripción de nuestro sistema de detección y recuento de radiaciones ionizantes computerizado basado en el hardware COMPACT.

Este aparato consta de una placa compacta constituida básicamente por la fuente de alimentación tanto de alta como bajas tensiones necesarias para el funcionamiento del aparato. La etapa de detección que ajusta los impulsos procedentes del tubo geiger para su posterior proceso y la etapa de interface que ajusta y permite adaptar los niveles de tensión a los diversos puertos de acceso a los sistemas informáticos que soportan el software. Estas características se describirán posteriormente.

En los paneles de nuestro aparato encontramos los siguientes controles:

PANEL FRONTAL

1. Interruptor general de red.

2. Indicador de funcionamiento.

3. Botón selector de tensiones con seis opciones. 1 –450 V-. 2 –500 V-. 3 –575 V-. 4 –600 V-. 5 –625 V-, y 6 –auxiliar-, (en este modelo no implementado.)

Este control permite alimentar la mayor parte de tubos geiger que constituyen nuestras sondas.

4. Conector con anclaje de seguridad de la sonda activa que suministra la alta tensión, la alimentación de la electrónica de la sonda y que recoge los impulsos preprocesados. Con imposibilidad, dada la mecánica, de accidental desconexión.

5. LED indicador de cuantos de radiación simultaneado por una indicación acústica procedente de un altavoz interno.

6. Divisor.

7. Retardo de señal.

Estos dos controles últimos ( 6 y 7 ) permiten que los ordenadores personales puedan acceder al rápido recuento del tubo sin necesidad de recurrir a tarjetas muy rápidas, -y caras-, para sistemas informáticos. En el caso de poseerlas, estos controles permitirán usarlas también, sin embargo, para los puertos paralelos, los puertos serie y las tarjetas de adquisición de datos de bajo coste, se hace imprescindible la activación del divisor y retardo cuando los niveles radiactivos sean relativamente altos.

PANEL POSTERIOR

1, 2 y 3 salidas optoacopladas para PC. Permiten conectar 3 PC,s simultáneamente, -incluso más, utilizando un cable especial-, a nuestro aparato. Permiten por medio de cables adecuados conectar el aparato a los diversos puertos paralelo, serie o tarjetas de adquisición de datos. Podemos suministrar tarjeta de adquisición de datos de bajo coste con cable adecuado, o bien, estudiar su tarjeta adquisidora y diseñarle un cable adecuado a la misma, en caso de solicitarlo.

4. Salida BNC destinada a ampliaciones del sistema.

5. Alimentador de red standard 220V- 50 Hz.

6. Fusible exterior de seguridad.

Funcionalidad.

Para utilizar por primera vez nuestro aparato debe efectuar los siguientes pasos:

1. Instalación del software siguiendo las indicaciones del manual del mismo, analizando las opciones sin conexión al aparato y familiarizándose con éste.

2. Muy importante. Estando apagados el ordenador y el aparato, conéctese el cable que los une.

3. Encienda el ordenador PC compatible. Cargue el menú del software.

4. Conecte la sonda al aparato. Muy importante. El aparato debe estar apagado.

5. Verifique que la tensión del aparato corresponde a la de la sonda.

6. Ponga divisor 1. Retardo de señal SI.

7. Pulse el interruptor de activación del aparato.

Habiendo realizado estos pasos usted deberá escuchar de manera más o menos

frecuente, según la sonda, los pulsos procedentes del altavoz interno simultaneados por los destellos luminosos del LED que indica radiación de fondo. En este momento usted puede elegir la opción número 1 del programa, siguiendo las indicaciones del software con lo que observará la indicación del nivel de fondo. Acercando una fuente radiactiva a la sonda se incrementarán los pulsos y el aparato estará en pleno funcionamiento.

Deberá tener en cuenta dadas las características del PC utilizado, lo mencionado anteriormente respecto a los divisores y retardo.

Medidas de seguridad.

Hemos de hacer hincapié en la importancia de que nunca debe enchufarse o desenchufarse la sonda cuando el aparato está en ON y si se ha de desenchufar no sólo debe apagarse el aparato sino además esperar como mínimo tres minutos para que se descarguen las capacidades internas. Si no se respetan estas normas puede deteriorarse la sonda y/o el aparato.

Bajo ningún concepto, abra el aparato, la sonda o manipule el conector de la sonda dadas la alta tensión que podría atentar contra su seguridad personal.

Nunca debe conectarse el cable procedente del aparato al PC, con este último o el aparato en funcionamiento. Es una norma general que aunque no es habitual seguir por descuido, debe respetarse con cualquier periférico, no sólo con nuestro aparato, bajo riesgo de deterioro del puerto del PC o del interface del periférico.

GUIA GENERAL DE SOFTWARE RS

En la presente guía se describe de forma global las diversas aplicaciones que constituyen nuestros paquetes de software. Si alguna de esas aplicaciones que lo constituyen es revisada posteriormente deberá el usuario remitirse a la guía detallada que se adjuntará con cada aplicación al igual que deberá hacerlo para detalles concretos que se aparten de esta somera guía.

Las aplicaciones principalmente se dividen en tres finalidades distintas:

1.- Adquisición de datos, (en tiempo real o diferido).

2.- Análisis de datos y representación de los datos adquiridos, (de forma matemática o gráfica).

3.- Utilidades.

1.-Adquisición de datos.

1.- Con representación de resultados en tiempo real.

Permite adquirir desde el ordenador los impulsos procedentes del aparato COMPACT 1 y representar en pantalla el número de cuentas o las dosis correspondientes a ellas. Incluyendo si se precisa una alarma que permite al mismo tiempo que efectuar el muestreo en tiempo real, establecer un umbral de disparo de indicador acústico, en caso de ser superado, muy útil en industrias o laboratorios donde el personal puede estar sometido a elevados niveles puntuales de radiación.

2.- Grabación de datos para proceso en diferido.

Los datos adquiridos junto con las condiciones de adquisición serán grabados en soporte adecuado para posterior proceso por medio de diversas aplicaciones específicas.

En ambos sistemas de adquisición deberán introducirse los datos referentes a la dirección y bit del puerto y las opciones de interface.

También cualquier aplicación de adquisición de datos requerirá la indicación de la sonda utilizada en el muestreo para poder efectuar los cálculos de dosis y también las observaciones o comentarios que ayudarán a la correcta interpretación de los datos adquiridos. De forma automática quedaran registrados la fecha y hora de inicio del muestreo.

2.- Análisis de datos y representación de resultados.

Múltiples aplicaciones permitirán analizar siguiendo distintos criterios y de forma, tanto analítica como gráfica, representar los resultados. Como, por ejemplo, indicación en tiempo real de número de cuentas, dosis referidas a diversas energías y en distintas unidades, representaciones gráficas indicando en coordenadas el registro de los datos, indicación de media de la totalidad de la muestra, media dinámica, ejes de ordenadas y abcisas y ejes indicadores relativos que permiten fácilmente establecer la relación cuentas-tiempo. Se puede efectuar zoom para analizar minuciosamente zonas concretas de la gráfica. Las indicaciones numéricas dan con precisión la ubicación de la parte analizada así como los extremos máximo y mínimo de cuentas por segundo y minuto, la información del nombre de fichero analizado y los comentarios referentes al muestreo.

Análisis numéricos diversos permiten efectuar un estudio de la gran cantidad de datos que puede tener una muestra, como por ejemplo, los análisis de tramos tanto de número de cuentas como de tiempos así como parámetros estadísticos, etc.

3.- Utilidades.

Programas de cálculo, conversión de unidades y diversos auxiliares relacionados con la Física Nuclear.

Debida nuestra dedicación constante a la creación de nuevas aplicaciones que satisfagan a la industria, didáctica, medicina, etc., aconsejamos a quien desee utilizar nuestro software, se ponga en contacto con nosotros o con nuestros distribuidores para suministrarle el producto más adecuado de entre los existentes o desarrollar uno personalizado si es preciso. Dado también nuestro empeño en mejorar las aplicaciones ya creadas realizaremos nuevas versiones de las mismas con las mejoras o correcciones que creamos oportunas después de nuestros testeos constantes en nuestro laboratorio o bien por las sugerencias de los usuarios finales.

No duden en contactar con nosotros para cualquier información adicional.

RICSIL I.F.N

Dpto. Técnico