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Protección contra Radiaciones. 02. Protección contra radiaciones ionizantes. Parte 1

Fecha de Publicación: 13/4/2012

CAPITULO II

PROTECCIÓN CONTRA RADIACIONES IONIZANTES

Ing. César F. Arias

El Ing. César F. Arias es egresado de la Universidad de Buenos Aires con el título de Ingeniero Electromecánico y de la Universidad de Rochester (Estado de Nueva York) con el grado de Master of Science en la especialidad Protección Radiológica.
Ha desempeñado funciones directivas y gerenciales en el área  de regulación de la Protección Radiológica en el Ministerio de Salud de la Nación, en la Comisión Nacional de Energía Atómica y en la Autoridad Regulatoria Nuclear de Argentina.
Es consultor de la Organización Panamericana de la Salud y del Organismo Internacional de Energía Atómica y ha sido miembro del Comité N° 3 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica.
Desarrolla actividades educativas de grado y postgrado en la Universidad de Buenos Aires, la universidad de Belgrano y otras Universidades e Instituciones argentinas y del exterior siendo autor de publicaciones y artículos sobre la especialidad.


1- INTRODUCCIÓN

La posibilidad de contar con herramientas para explorar el interior de la materia y el cuerpo humano sorprendió al mundo a fines del siglo XVIII. En 1895 William Roentgen descubría los Rayos x en la Universidad de Wurzburg. El año siguiente, en su laboratorio de París Henry Becquerel, hallaba otro fenómeno que poco después Marie Curie denominaría Radiactividad. En la actualidad se registran innumerables aplicaciones de aquellos descubrimientos en la Industria y otras Actividades Productivas, en Investigación, y muy especialmente en Medicina.

El posterior descubrimiento de las reacciones nucleares y sus implicancias energéticas posibilitó la producción artificial de radioisótopos y el desarrollo de la energía nuclear.  En la generación de energía nuclear se producen materiales radiactivos que deben gestionarse como residuos, eventualmente después de su reprocesamiento.

Los rayos x y las emisiones nucleares pueden dañar severamente la salud. Esa evidencia surgió entre las personas que emplearon tubos de rayos x y materiales radiactivos en sus investigaciones y primeras aplicaciones. Los pioneros de la radiología enfermaban o morían tempranamente. Los científicos debieron entonces aceptar la contradictoria evidencia de que los fenómenos descubiertos podían contribuir tanto a salvar vidas, gracias a sus sorprendentes posibilidades de diagnóstico, como a provocar la muerte. Sin embargo, en aquellos primeros tiempos de la radiología y la radiactividad no existían aún señales de posibles efectos cancerígenos.

Los rayos x, las emisiones radiactivas (alfa, beta, positrones, gamma) así como los productos de reacciones nucleares (neutrones, protones, deuterones, etc) tienen algo en común: constituyen Radiaciones cuyas partículas o fotones transportan la suficientemente energía como para provocar la ionización de átomos que encuentran a su paso.  Por eso se denominan Radiaciones Ionizantes


2 - ANTECEDENTES INTERNACIONALES

La percepción de los riesgos de las radiaciones ionizantes evolucionó desde una confiada  ignorancia hasta el conocimiento de los efectos biológicos de nuestros días. Acompañando ese proceso nació y creció una interdisciplina nueva: la Protección Radiológica.

ICRP
Los primeros trabajadores con fuentes de radiación ionizante fueron los médicos dedicados a las exploraciones radiológicas y, en vista de los daños que experimentaban, el Segundo Congreso Internacional de Radiología celebrado en 1928, recomendó la creación de un Comité  Internacional para estudiar el problema. Ese fue el origen de lo que hoy se conoce como Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) (www.icrp.org) y el comienzo formal de la Protección Radiológica. Las primeras recomendaciones emitidas se referían a valores de blindajes que entonces se consideraban necesarios para la protección de los radiólogos y poco después a los valores de dosis de radiación que no debían exceder las personas que trabajaban con radiaciones. En la actualidad, esa Comisión constituye el organismo internacional que lidera la concepción filosófica y práctica de la Protección Radiológica (1).

UNSCEAR
En respuesta a la preocupación generada por los ensayos de armas nucleares en la atmósfera, la Organización de las Naciones Unidas creó en 1955 un organismo con la misión de recopilar toda  información disponible sobre los efectos de las radiaciones ionizantes: el Comité Científico de las Naciones Unidas para el estudio de los Efectos de las Radiaciones Atómicas (UNSCEAR) (www.unscear.org). Desde entonces este Comité publica periódicamente reportes (2) con  información sobre las fuentes de radiación existentes en el mundo, los niveles de exposición de las personas y los resultados de las investigaciones sobre los efectos de las radiaciones ionizantes en la salud.

ICRU
A fin de poder establecer correlaciones entre valores de exposición a radiaciones ionizantes y efectos fue necesario estructurar un conjunto de magnitudes y unidades apropiadas teniendo en cuenta fenómenos físicos y radiobiológicos. En este aspecto, se destaca la labor de la Comisión Internacional de Unidades de Radiación (ICRU) (www.icru.org) creada en 1925, en el Primer Congreso Internacional de Radiología. Esta Comisión y la ICRP han contribuido a definir las magnitudes y unidades que emplea la Protección Radiológica en la actualidad (3).

OIEA
Los aspectos relativos a la regulación en Protección Radiológica han sido encarados durante la última década por un conjunto de organismos internacionales: Organización Mundial de la Salud (WHO) (www.who.org), Organización Panamericana de la Salud (PAHO) (www.paho.org), Organización Internacional del Trabajo (ILO) (www.ilo.org), Organización para la Alimentación y la Agricultura (FAO) (www.fao.org), Agencia Nuclear de Energía (NEA) (www.nea.org)  y Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA) (www.iaea.org), organismo éste último que actuó como coordinador. Estos organismos han preparado varias publicaciones con la finalidad de orientar a los gobiernos en la organización o reorganización de las funciones reguladoras. En 1997 publicaron las “Normas Básicas de Seguridad para la Protección contra las Radiaciones Ionizantes y el Uso Seguro de Fuentes de Radiación” (4) Este documento establece un puente entre las recomendaciones conceptuales de la ICRP y las funciones de los gobiernos relacionadas con la implementación de tales recomendaciones de manera efectiva.


3 - ASPECTOS FÍSICOS DE LAS RADIACIONES IONIZANTES

La materia posee una estructura corpuscular. El átomo constituye la menor unidad de  sustancia simple que conserva propiedades químicas. Habitualmente, el estado eléctrico de cada átomo es neutro debido a una compensación de cargas de las partículas que lo componen. Pero cierto tipo de Radiaciones, al interactuar con las estructuras atómicas,  pueden transferirles la energía necesaria para romper ese equilibrio. En tal caso el átomo se divide en dos partículas cargadas eléctricamente denominadas iones. Este fenómeno se conoce como ionización y las radiaciones capaces de provocar este efecto se llaman radiaciones ionizantes.


3.1 - Ionización y Radiaciones Ionizantes 

La expresión Átomo, creada por los griegos para expresar la idea de una partícula no subdivisible, es empleada en la actualidad para denominar la menor unidad de sustancia química simple pero en modo alguno puede atribuírsele propiedades de indivisibilidad e inalterabilidad. El número de  protones y neutrones que constituyen el núcleo de los átomos, así como el de los electrones orbitales puede modificarse por causas naturales o artificiales.

La parte sustancial de la masa de un átomo se encuentra en su núcleo pero el volumen atómico está determinado por las órbitas electrónicas. La relación de radios orbítales y nucleares para el átomo de hidrógeno es del orden de 10.000 a 1 y por lo tanto la relación de volúmenes nucleares y atómicos es del órden de 1012 a 1. Consecuentemente, la estructura atómica puede ser interpretada como un espacio esencialmente vacío y por lo tanto fácilmente “navegable” por partículas que no posean carga eléctrica, como es el caso de los neutrones y la radiación electromagnética.

Normalmente, cada átomo posee igual cantidad de protones con carga positiva en su núcleo y electrones orbitales con carga negativa, por lo que el átomo en su conjunto constituye una estructura eléctricamente neutra. Esta situación es relativamente estable pues los electrones orbitales están vinculados a los núcleos por fuerzas eléctricas, así como los objetos están vinculados a la tierra por fuerzas gravitatorias. Para alejar un objeto de la tierra de modo que ingrese al campo gravitatorio de la luna u otro planeta se debe invertir una considerable energía. Análogamente, para alejar un electrón orbital del núcleo del átomo al que pertenece, de modo que su influencia no sea superior a la de otros núcleos, se debe aportar cierta energía al sistema núcleo – electrón. Este proceso se denomina ionización y la energía necesaria energía de ionización. Su valor cuantitativo que suele expresarse en eV (electron Volt) es superior a algunas decenas de eV.  (1eV =  1,6 . 10-19  Joule). 

Estos valores de energía son muy pequeños en relación con los que habitualmente se manejan en aplicaciones domésticas o industriales; sin embargo, en el mundo del átomo tales niveles de energía no pueden obtenerse fácilmente. Sin embargo cierto tipo de Radiaciones, al interactuar con las estructuras atómicas, pueden transferirles la energía necesaria para ionizar el átomo. Tales radiaciones se denominan Radiaciones Ionizantes.

Vale decir, se entiende por ionización el proceso en el cual un electrón se desvincula eléctricamente del átomo al cual pertenece debido al aporte de energía externa. Quedan, como resultado de este proceso, un átomo con un electrón menos y una carga positiva en exceso y un electrón independiente con su carga negativa. Ambas partículas se denominan iones.

El concepto de radiación implica transporte de energía. Sin embargo no cualquier tipo de radiación, al interactuar con estructuras atómicas, puede provocar fenómenos de ionización. Las radiaciones, de manera similar a la materia, también poseen una estructura discontinua o discreta consistente en partículas o fotones y sólo pueden inducir ionizaciones si cada una de estas partículas o fotones posee la energía suficiente. Así por ejemplo las radiaciones electromagnéticas que se utilizan en comunicaciones (radio, televisión) no tienen capacidad ionizante puesto que la energía de cada fotón es muy débil.

Se denominan Radiaciones Ionizantes a aquellas radiaciones que son capaces de ionizar los átomos de la materia que encuentran en su trayecto. Los efectos de la ionización que produce este tipo de radiaciones pueden ser significativos pues al destruirse la neutralidad eléctrica de los átomos se modifica el comportamiento químico de las moléculas de cuya estructura forman parte. Si ello ocurre en células vivas, pueden originarse efectos sobre la salud de gravedad diversa aún con valores de energía muy  pequeños.

Así pues, si bien las Radiaciones Ionizantes constituyen un factor de riesgo de naturaleza física (pues el fenómeno inicial de ionización es de carácter físico), pueden provocar daños en las estructuras biológicas a través de un incremento en la reactividad química del medio.

Los seres humanos estamos expuestos a radiaciones ionizantes por motivos naturales (Radiación Cósmica y radiación proveniente de sustancias radiactivas naturales). Adicionalmente, en el medio laboral podemos resultar expuestos a radiaciones ionizantes toda vez que se utilicen equipos de rayos X, aceleradores de partículas, materiales radiactivos o reactores nucleares.


3.2 -  Características de las radiaciones ionizantes

Tienen propiedades ionizantes las radiaciones que emiten las sustancias radiactivas (alfa, beta, positrones, gamma), las radiaciones  que se producen en las reacciones nucleares (como las que ocurren en reactores nucleares o las que se logran mediante aceleradores de partículas), los rayos X, y las radiaciones que provienen del Universo (rayos cósmicos). Los diversos tipos de radiaciones ionizantes difieren por los valores de masa, carga eléctrica y energía de sus partículas. Estas características  determinan el comportamiento de las mismas al interactuar con un medio material.


Rayos  x

Los denominados rayos x consisten en radiaciones electromagnéticas originadas en  la colisión de un haz de electrones contra un material de alto número atómico como el Tungsteno (habitualmente llamado blanco). La colisión puede tener lugar  en el interior de un tubo de rayos x o un acelerador de electrones. La energía de los fotones (unidades energéticas de la radiación electromagnética generada en este proceso) están entre 10 keV y 150 keV en los equipos utilizados para obtener imágenes médicas o industriales y entre 100 keV y 50 MeV en los equipos de tratamiento. (1)

Tanto en los equipos de rayos x como en los aceleradores de partículas la emisión de rayos x  puede iniciarse, controlarse e interrumpirse a voluntad accionando los controles de los equipos.


Tubo de Rayos x 

El dispositivo específicamente diseñado para emitir rayos x consiste en un tubo de vidrio o metal de alto vacío. En un extremo del mismo (cátodo) se liberan electrones por emisión termoiónica. En el otro extremo se dispone el ánodo o blanco que recibe el impacto de los electrones. Entre el cátodo y el ánodo se aplica alta tensión continua. El campo eléctrico así creado provoca la aceleración de los electrones hacia el blanco. Regulando la tensión entre distintos valores (10 kV a 300 kV) se obtienen rayos x (fotones) de mayor o menor energía de acuerdo con la capacidad de penetración que se requiera. El flujo de electrones constituye una corriente eléctrica cuya intensidad puede regularse (10 mA a 300 mA) para modificar la intensidad del haz de rayos x generado. 

En el blanco, los rayos x se generan en todas las direcciones del espacio. Pero, a efectos de evitar exposiciones innecesarias, debe limitarse la emisión de rayos x a un cono cuyo ángulo sea estrictamente el necesario para obtener el campo de radiación que se desea en relación con el objeto a irradiar. Por ello, el tubo está revestido de una protección de plomo que reduce drásticamente la emisión de rayos x (radiación de fuga) en toda el área en que no interesa la emisión. Adicionalmente se utilizan dispositivos colimadores del haz.

Consola de comando

La operación del tubo de rayos x se realiza desde una consola, alejada de la posición en que está instalado el tubo. Desde la consola pueden controlarse todos los parámetros que definen las características del haz y el tiempo de irradiación.

Control de tensión del tubo (kV):  regulando la diferencia de potencial que se aplica al tubo se pueden obtener fotones de mayor o menor energía y así obtener un haz de capacidad de penetración en la materia apropiada (los fotones de mayor energía son mas penetrantes)

Control de la intensidad de corriente en el tubo o (mA):  regulando la intensidad  de corriente se controla la cantidad de fotones de rayos x que se emiten por unidad de tiempo.

La intensidad de un haz de rayos x, como la de cualquier otra forma de radiación, está dada por la energía que transporta el haz por unidad de tiempo y por unidad de sección transversal (en Física este concepto se denomina Densidad de Potencia y se mide en Watts / m2).

La intensidad de un haz de ratos x depende de la cantidad de fotones que por unidad de tiempo son emitidos por el ánodo (lo cual es función de la corriente eléctrica en el tubo) y de la energía media de los fotones (que depende de la tensión aplicada al tubo).

Por lo expresado, tanto la tensión aplicada como la intensidad de corriente afectan la intensidad del haz de rayos x. La intensidad de corriente guarda una relación lineal con la intensidad del haz. La tensión afecta la intensidad del haz de modo aproximadamente cuadrático.

Un temporizador (timer) en la consola permite predeterminar el tiempo durante el cual se  emite  rayos x. Para radiografías este tiempo es necesariamente breve (fracciones de segundo)  a fin de evitar que los movimientos del  paciente resten nitidez a la imagen.


Radiactividad y Emisiones Radiactivas

Ciertos átomos no son estables y manifiestan un fenómeno denominado Radiactividad. Consiste en una tendencia estadísticamente sistemática a la desintegración espontánea de sus núcleos por emisión de partículas nucleares y energía electromagnética. La rapidez con que se produce este fenómeno recibe el nombre de Actividad y representa el número de desintegraciones que ocurre por unidad de tiempo en una sustancia radiactiva (depende del tipo de sustancia radiactiva y de su masa).

La unidad de actividad es el Becquerel que equivale a 1 desintegración por segundo. La antigua unidad de Actividad que aún se sigue empleando es el Curie (Ci) (1Ci = 3,7 . 1010 Bq). 1 Ci es la actividad de 1 gramo de Radio 226.  Las principales emisiones radiactivas se denominan alfa, beta y gamma. Este fenómeno no es controlable ni es posible interrumpir.

La actividad de una sustancia radiactiva disminuye espontáneamente de manera exponencial en función del tiempo (decaimiento radiactivo). Una medida muy útil del ritmo con que se produce el decaimiento espontáneo es el Tiempo de Semidesintegración  (T ½ )  (o sea el tiempo en que la actividad inicial de una sustancia radiactiva se reduce a la mitad). Este tiempo es característico de cada sustancia radiactiva y puede variar desde algunos segundos hasta miles de millones de años. 

Las emisiones radiactivas gamma, al igual que los rayos x, son  de naturaleza electromagnética (fotones) y se originan en el núcleo de algunos átomos radiactivos. Sus energías se encuentran en un rango de algunos keV hasta algunos Mev.

Las emisiones radiactivas alfa son partículas constituidas por dos protones y dos neutrones provenientes del núcleo, su carga eléctrica es +2  (tomando como unidad la carga eléctrica de un protón).

Las emisiones radiactivas beta negativas consisten en partículas iguales a electrones que provienen del núcleo y que son  emitidas toda vez que un neutrón se transforma en un protón.  Su carga eléctrica es –1.

Las emisiones radiactivas beta positivas o positrones consisten en partículas iguales a electrones pero con carga positiva provenientes de núcleo y que son  emitidas toda vez que un protón se transforma en un neutrón.  Su carga eléctrica es +1.


Reacciones nucleares y radiaciones resultantes

Es posible inducir artificialmente ciertas trasmutaciones nucleares mediante proyectiles  apropiados (protones, neutrones, partículas alfa, radiación gamma, etc). Estas reacciones nucleares se pueden controlar a voluntad y como producto de las mismas resultan diversas radiaciones ionizantes como protones, neutrones, radiación gamma, etc. Las energías están dentro de un amplio rango. Reacciones nucleares de particular interés son las de fisión y fusión por su importancia energética y las reacciones de activación porque dan lugar a la producción de nuevas sustancias radiactivas cuya actividad, una vez generadas, no es ya  controlable.


ACELERADORES DE PARTICULAS

Toda partícula que posea carga eléctrica puede ser acelerada mediante campos eléctricos y magnéticos. De tal modo, las partículas pueden adquirir suficiente energía como para generar rayos x al interactuar con un blanco o provocar reacciones nucleares que den origen a otras radiaciones ionizantes de interés.

Sobre esta base se diseñan los aceleradores de partículas. Su utilización ha sido creciente en medicina y en investigación debido a la posibilidad que ofrecen de disponer de haces de radiación de muy alta energía.  El rango de energías de las partículas emitidas por los materiales radiactivos no supera unos pocos Mev.  Los aceleradores han extendido este valor hasta algunos cientos de Gev.


3.3 – Interaccion entre la radiacion y la materia

Cuando un haz de radiación ionizante interactúa con la materia que encuentra a su paso cede energía y genera ionizaciones. De tal modo, a lo largo de su recorrido, la radiación disminuye su intensidad. Este fenómeno da lugar a modificaciones en la materia irradiada y modificaciones energéticas y direccionales en el haz de radiación.  Este proceso se aprovecha, por ejemplo, en el diseño de blindajes.


RADIACIONES DIRECTA E INDIRECTAMENTE IONIZANTES

Las radiaciones constituidas por partículas cargadas eléctricamente, tales como las radiaciones alfa y beta, pueden ionizar directamente los átomos del material con el que interactúan y se denominan "radiaciones directamente ionizantes". Los rayos x y gamma (radiaciones electromagnéticas) y los neutrones, que no poseen carga eléctrica, al interactuar con la materia, liberan partículas cargadas que son las que a su vez ionizan los átomos del material; estas radiaciones se denominan "indirectamente ionizantes"

Son Radiaciones Indirectamente Ionizantes los rayos x, radiación gamma y la radiación neutrónica.

Son Radiaciones Directamente Ionizantes las radiaciones alfa, beta y otras partículas con carga eléctrica provenientes de reacciones nucleares.


CAPACIDAD DE PENETRACION

Un aspecto importante de la interacción radiación–materia consiste en la capacidad de penetración de la radiación.  Las radiaciones directamente ionizantes son poco penetrantes. El alcance o máxima penetración es de algunos micrones para las partículas alfa y algunos  milímetros para las partículas beta cuando interactúan con agua o tejidos biológicos (los tejidos se comportan de modo muy similar al agua en este aspecto). Por el contrario, las radiaciones indirectamente ionizantes no tienen un alcance máximo en la materia. Su intensidad se atenúa exponencialmente en función del espesor del material y, en rigor, esa intensidad resulta nula sólo para espesores infinitos de materia. Una manera práctica de comparar la acción penetrante de las radiaciones indirectamente ionizantes consiste en cotejar los valores del Hemiespesor ó Capa Hemirreductora. Recibe este nombre el espesor de material necesario para reducir a la mitad la intensidad de una radiación. El valor del hemiespesor depende del tipo de radiación indirectamente ionizante (elecromagnética o neutrónica), su  espectro de energías, y la naturaleza del material absorbente. 

Se utilizan rayos x o emisores gamma como el Cobalto 60 cuando se requiere atravesar espesores considerables de materia como es el caso de la radiografía industrial o médica. Se utilizan emisores beta como el Estroncio 90  cuando sólo se requiere atravesar espesores delgados como es el caso de los equipos de medición de espesores en la fabricación de papel o el tratamiento de lesiones superficiales en medicina. En los equipos detectores de humo se emplea emisores alfa como el Berilio.

Publicación    UART