IMPLEMENTACIÓN DE UNA METODOLOGÍA PARA LA CALIBRACIÓN DE MONITORES DE CONTAMINACIÓN SUPERFICIAL

IMPLEMENTACIÓN DE UNA METODOLOGÍA PARA LA CALIBRACIÓN DE MONITORES DE CONTAMINACIÓN SUPERFICIAL

José Antonio Tamayo García
Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas

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CAPÍTULO II MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Instrumentación y equipos.

Para el desarrollo de esta tesis se emplearon cinco monitores de contaminación superficial con detectores de diferentes tipos y modelos. El equipamiento utilizado está detallado en  las Tablas I y II de los anexos.  En la tabla I aparecen los datos de los monitores y los detectores y en la tabla II las fuentes planas usadas con toda la información necesaria de datos del fabricante y los de calibración.

2.2 Método de las posiciones contiguas

El método de las porciones contiguas consiste en la medida de la respuesta del detector a una fuente de calibración colocada en posiciones adyacentes debajo del monitor pero que no se superponen, hasta que toda el área del detector sea barrida (Fig. 1). Las respuestas son entonces corregidas al fondo y sumadas juntas para dar la respuesta total esperada de una fuente de calibración de área igual al área total barrida por las posiciones individuales de la fuente.

La eficiencia del instrumento es determinada comparando su respuesta total con la  tasa de emisión superficial corregida por el decaimiento de la fuente, por unidad de área de la fuente de calibración y por el área de la ventana del detector del instrumento. Esta puede ser expresada algebraicamente como sigue:

   donde:        es la eficiencia del detector              
                  es la respuesta del detector en  posiciones i de la fuente (s-1)        
                    es el fondo (s-1)
                   es la tasa de emisión superficial (s-1)
                    área de la fuente (cm-2)
                   área del detector (cm-2)
Esto es importante para reconocer que la eficiencia podría depender de factores característicos como: el decaimiento de los radionucleidos utilizados y de la distancia entre el detector y la fuente de calibración.
Es complicado identificar el potencial de incertidumbre de las fuentes dentro del método de las posiciones contiguas. La dirección tomada en cada etapa de esta investigación estuvo dependiente por el resultado de los estudios de las etapas previas:

  • identificación de los factores que podrían afectar los resultados de una calibración de las posiciones contiguas
  • selección de instrumentos y fuentes (representativos de aquellos usados comúnmente) para investigar los factores identificados anteriormente
  • determinación de los efectos experimentales sobre las respuestas de los detectores debido a:

                                    uniformidad del detector
                                    uniformidad de la fuente

                                    distancia fuente-detector

                                    energía y tipo de radiación

                                    retrodispersión

                                    efectos en el borde de la fuente

evaluación de los datos experimentales y estudios de campo

evaluación práctica del mótodo de las posiciones contiguas usando una fuente de área grande

Si utilizamos el método de las posiciones contiguas usando un detector particular por primera vez, su perfil debe ser estudiado. Similarmente para una fuente de calibración que no ha sido utilizada, la uniformidad de la fuente debe ser determinada.

Si el perfil del detector ha sido realizado, es posible hacer las mediciones de las posiciones contiguas (tal vez para un 95%), de la respuesta total del detector obtenida durante el perfil. Para los resultados obtenidos por las posiciones contiguas al considerar el área no estudiada, se puede aplicar un factor de corrección.

Si la fuente de calibración está siendo usada en sus contornos, el posicionamiento de la  fuente debe estar delimitada por la cuadrícula para este ajuste, el área activa (en lugar del borde exterior de la fuente) debe ser adyacente y no superpuesta.

Preparación:

Trazar una cuadrícula adyacente; pero que las posiciones de la fuente no se solapen (Fig.1), extendiendo en todas las direcciones más allá del área del detector escogida, determinado por el contorno del detector.

Fijar el detector concéntricamente sobre la cuadrícula (con el centro del detector coincidiendo con el centro de la posición central de la fuente), de manera que la distancia fuente detector sea de 3 mm.

Mediciones

anotar la tasa de conteo del fondo

colocar la fuente en la primera posición sobre la cuadrícula, asegurando que esta quede dentro de los límites de la línea.

medir la respuesta del detector rotar la fuente 90o y anotar el valor observado

 repetir las mediciones para rotaciones de fuentes adicionales para 180o y 270o

 Calcular el valor medio de la respuesta del detector para las cuatro orientaciones de la fuente

 mover la fuente para la próxima posición sobre la cuadrícula, realizar mediciones en las cuatros orientaciones de la fuente y calcular el valor medio

 Continuar las mediciones hasta que todas las posiciones sobre las cuadrículas sean estudiadas

Análisis

calcular la media de la tasa de conteo del fondo medido ()

restar la media del fondo (, de cada media de la tasa de conteo observado () con la fuente en cada una de las posiciones sobre la cuadrícula.

 

calcular la sumatoria de la respuesta del detector corregido al fondo, , y aplicar un factor de corrección si es necesario

para obtener la eficiencia del detector (conteos por segundos por emisión por unidad de área), se divide la respuesta total del detector corregida, , por la tasa de emisión superficial por unidad de área de la fuente de calibración tal como aparece detallado en la fórmula (2.1)

2.3 Determinación del perfil del detector

Montar una sonda apropiada concéntricamente sobre la fuente del radionucleido para ser estudiada, a una separación de 3 mm del filtro en caso de ser requerido, o en otro caso, desde el plano activo de la fuente

Fijar una regla o una escala conveniente sobre la superficie del banco de modo que coincida el origen con el centro del área activa de la fuente

Quitar la fuente debajo del detector y medir la tasa de conteo del fondo

Regresar la fuente al origen y registrar la respuesta del detector

Medir la respuesta del detector a intervalos regulares 1cm en ambas direcciones del origen hasta que la respuesta observada sea consistente con la tabla de conteo del fondo

Plotear los resultados obtenidos en una gráfica (Fig. 2). Notar que para emisores alfa la curva podría tener un plano de respuesta próximo al origen y una caída acampanada

Calcular y plotear la respuesta del detector acumulada (la respuesta total observada contra la distancia horizontal)

Determinar la fracción de la respuesta total para las cuales las mediciones de las posiciones contiguas podrían hacerse; esto es necesario para no realizar medidas a la distancia en la cual la respuesta del detector alcancen el fondo.

Aplicar un factor de corrección para la respuesta total del detector para las medidas de las posiciones contiguas para tomar en cuenta dentro del cálculo el porcentaje de la respuesta del detector que no fue estudiada

2.3.1  Determinación de la homogeneidad de la fuente

Dividir la superficie del área grande de la fuente bajo estudio en iguales porciones de áreas no mayores que 10 cm2 (de acuerdo a la ISO 8769)

Determinar la tasa de conteo del fondo usando un monitor apropiado para los radionucleidos bajo examen

Utilizar una máscara atenuadora de suficiente densidad y espesor para atenuar todas las radiaciones emitidas desde la fuente, a su vez exponer el monitor a cada una de las porciones individuales

Determinar el valor medio de la respuesta del detector observada corregida al fondo

Calcular el porcentaje para el cual cada porción de la fuente difiere del valor principal

Determinar la desviación estándar en la media de la respuesta del detector, para dar la uniformidad total de la fuente

2.3.2 Uso del factor de corrección

El área de la cuadrícula a través de la cual se hacen las medidas de las posiciones contiguas pueden ser reducidas para adoptar una distancia medida horizontal que es un porcentaje conocido de aquel determinado durante el perfil del detector. La suma resultante de la respuesta del detector de esas medidas de las posiciones contiguas podrían ser algún porcentaje de la respuesta total que podría ser obtenida si las mediciones hubieran sido hecha por encima del área total de la cuadrícula. Un factor de corrección puede ser aplicado para los resultados obtenidos a partir de las posiciones contiguas para considerar  el área no estudiada. 

Para convertir la respuesta del instrumento de conteos por segundos a Becquerel por unidad de área, debe ser aplicado un factor P,

donde es el factor apropiado.

Si la calibración se realiza utilizando la técnica de las posiciones contiguas, la prueba de laboratorio debe decir las dimensiones de la cuadrícula usada en el certificado, de modo que los resultados previos y posteriores a las calibraciones puedan ser comparados. Para reducir el número de mediciones incluidas en una calibración de las posiciones contiguas, es posible conocer un porcentaje de la distancia radial que ha sido identificada en el perfil del detector. Si las medidas son realizadas por ejemplo para un 95 % de esa distancia, un factor de corrección puede ser aplicado para compensar los resultados para las áreas no cubiertas.

2.4 Cálculo de la incertidumbre expandida
El método usado en este trabajo para la estimación de la incertidumbre referente a los resultados de las mediciones es la recomendación INC-1 [91], del Buró Internacional de Medidas y Pesas (BIPM), aprobado por el Comité internacional de Medidas y Pesas (CIPM) en 1981. La tarea de desarrollar una guía detallada basada sobre esta aproximación unificada fue transferida a la ISO in 1986. La emisión de este resultado, en 1993, del documento ISO titulado “Guide to the expresión of uncertainty in Measurement” [92],  que debe ser consultado para más detalle. Este trabajo aparece resumido el apéndice A del Technical Reports Series No. 277 [47] y del IAEA Technical Reports Series No.16. [46]

2.5 Incertidumbre estándar de tipo A
Las incertidumbres del tipo A identificadas el este proceso de calibración son:

  1. La medida  de la tasa de conteo del instrumento
  2. La medida del fondo del instrumento.

Ambas, son estimadas como la menor división de la escala del instrumento.

2.6 Incertidumbre estándar de tipo B
Las incertidumbres del tipo B identificadas son las siguientes:

  1. Actividad superficial de la fuente patrón
  2. Simulación de fuente semiinfinita (bordes)
  3. No uniformidad de detección del instrumento (minimizada por método de medición)
  4. La no homogeneidad de la fuente patrón (caso extremo 6 % según NPL report CIRM 6)
  5. Dimensiones del área activa de la fuente (6 %  en caso extremo según NPL report CIRM 6)
  6. Posicionamiento general (según NPL report CIRM 6).

Otras fuentes identificadas son el tamaño de la ventana del detector y el decaimiento de la fuente.
Para calcular la incertidumbre expandida de la eficiencia, para un 95% de confianza, se deberá multiplicar la incertidumbre combinada U() obtenida con la expresión (2.1) por un factor de cobertura k = 2.0, asumiendo una distribución normal de .
Luego, la incertidumbre expandida puede expresarse como:

donde,
: Incertidumbre del tipo A
: Incertidumbre del tipo B
Incertidumbre expandida
Desglosando las contribuciones de cada tipo de incertidumbre se obtiene que:
donde los dos primeros términos de la ecuación (2.4) son las incertidumbres asociadas a los procesos de medición de la tasa de conteo y al fondo, el tercero y cuarto término son las contribuciones de la activad de la fuente por unidad de área y el último término la incertidumbre aportada por el área del detector.
Luego la incertidumbre asociada al proceso de medición de la tasa de conteo neta puede ser expresada como:

La incertidumbre asociada a la tasa de emisión superficial de la fuente puede interpretarse como la suma de las incertidumbres de la actividad superficial y del decaimiento de la fuente.
donde:
: es la incertidumbre asociada a la actividad superficial de la fuente (certificado de calibración de la fuente)
: incertidumbre producida por el decaimiento de la fuente
La incertidumbre asociada al área sensible de la ventana, posicionamiento y uniformidad del detector es como sigue:

La incertidumbre asociada al área activa de la fuente, posicionamiento y uniformidad es como sigue:

Sustituyendo las ecuaciones 2.5; 2.6; 2.7 y 2.8 en 2.4 se obtienen las fuentes de
incertidumbres que más aportan al proceso de calibración:
Estas fuentes de incertidumbres identificadas son las que más contribuyen a este proceso. Dentro estas hay algunas muy pequeñas como la producida por el decaimiento de la fuente que puede despreciarse y la otra, la no uniformidad de detección del instrumento que es  minimizada por el método de medición.