preguntas capitulo 10

7/26/2019 Preguntas Capitulo 10

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Indice

1. Introduccion. 1

1.1. DETECTORES DE RADIACTIVIDAD . . . . . . . . . . . . 11.2. INSTRUMENTOS Y ACCESORIOS INDICADORES . . . . 51.3. INSTRUMENTACION DE RADIACION PARA REACTO-

RES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4. INSTRUMENTACION DE PROCESO POR RADIACION . 91.5. CALIBRACION DE LA INSTRUMENTACION DE RADIA-

CION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2. PREGUNTAS 10

2.1. Harold Soisson Capitulo 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2. Experimental Metods for engineers (Capitulo 12) . . . . . . . 172.3. CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1. Introduccion.

La deteccion y la medicion de radiactividad dependen totalmente de lainstrumentacion. Los sentidos del hombre no pueden detectar la radiactivi-dad producida por partculas alfa y beta, rayos gamma o neutrones. Estosignifica que un individuo no sabe si algo radioactivo y si lo es, no sabe enque grado, a menos que tenga los medios adecuados para detectar y medir

la radiactividad. Esta es la realidad, en una aplicacion industrial o cualquierotra. Por lo tanto, se veran los diferentes tipos de radiacion emitidos porsubstancias radioactivas, los distintos medios de deteccion y los instrumen-tos que se usan en el detector que sirve para medir un tipo particular deradiacion.

1.1. DETECTORES DE RADIACTIVIDAD

La radiactividad se puede detectar con pelculas fotograficas, camaras deionizacion, contadores proporcionales, contadores Geiger-Mueller, contado-

res de centello, semiconductores y algunas combinaciones especiales. El tipoy la intensidad de la radiactividad determinan el tipo de detector basico quese debe de usar. La aplicacion es la que dicta el metodo de calibracion deldispositivo de lectura.Pelcula fotografica. La pelcula fotografica es sensible a la radiacion electro-magnetica liberada por fuentes emisoras alfa, beta y gamma. Se puede usarun microscopio para medir la longitud real de la trayectoria sobre la pelculaprocesada. La radiacion beta y gamma tambien produce el obscurecimientode la pelcula. La exposicion no muy larga de la pelicula a las dos clases deradiacion se puede medir en un densitometro. De manera que la exposici on

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total de la pelcula se puede determinar, la densidad de la pelcula expuesta

se compara con una densidad conocida producida por un estandar de ra-diacion conocido. Esta tecnica se emplea en los monitores personales y lospaquetes de pelculas colocadas fuera de las pantallas de proteccion para de-tectar una posible sobreexposicion y determinar la cantidad de radiaci on ala que puede estar expuesto el personal. El paquete de pelcula es un registrode exposicion a la radiacion ya consumada, es decir, no indica al individuola cantidad de radiacion que su cuerpo ah recibido despues de haber estadoexpuesto a ella.Camaras de ionizacion. La camara de ionizacion consiste en una cajacilndrica y un alambre axial central; la ca ja actua como catodo y el alam-bre axial como anodo. La caja distribuye el potencial alrededor del anodo y

forma las paredes del volumen sensible en el que se define un campo electrico,de acuerdo con la geometra de los electrodos. Las camaras de colonizacionfuncionan en lo que se denomina una region de voltaje bajo. Se aplica unpotencial V a los electrodos de la camara de ionizacion. Hay una resistenciaR, que se coloca en el circuito de salida, para provocar una cada de voltaje,de manera que se produce un pulso de voltaje cuando la radiaci on que entraal volumen sensible produce la ionizacion del gas contenido dentro de el. Elgas puede fluir a traves de la camara a la presion atmosferica aproximada-mente, o bien, se puede sellar dentro de ella a presiones mayores o menoresen relacion con esta. La capacitancia C incluye toda la capacidad distribui-da en el circuito. El tiempo de recuperacion no puede ser mas breve que la

constante de tiempo RC (la resistencia R se da en ohms por capacitancia, Cen farads igual al tiempo t en segundos). La camara de ionizacion requiereun voltaje entre el anodo y el catodo que varia de unos cuantos a varioscientos de volts, segun el diseno de la camara.Si el circuito se arregla de manera que el anodo(alambre) sea positivo conrespecto al catodo (caja), y se mantenga constante el flujo de radiacion, sepuede hacer variar el voltaje y los iones negativos formados en el gas debidoa la ionizacion, se recogeran en el anodo, como los electrones del volumen.Si no hay ningun potencial en el alambre central, no se producira un flujo decorriente detectable y no se registraran fluctuaciones de voltaje en el anodoaunque, se crea un campo entre el anodo y el catodo. Los iones negativos

creados por los rayos de radiacion que chocan con los atomos del gas tiendena concentrarse en el anodo. Cualquier ion positivo formado durante la coli-sion tiende a reunirse al catodo, el anodo recoge los electrones que se hayanformado dentro de la camara.El numero de particular cargadas que llegan al alambre y el total de la ca-pacitancia distribuida del alambre central, determinan la magnitud de pulsode voltaje V. Los electrones tienen mayor movilidad que los iones posi-tivos y, como resultado, estos pueden formar una carga espacial alrededordel alambre y reducir el campo electrico. La llegada de una carga Qa unanodo de capacidad C produce cambio en el potencial V. En terminos de

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la carga electronica unitaria, y suponiendo que no haya carga espacial, el

aumento del potencia en el anodo se puede expresar mediante la ecuacion:

V =Q

C = 1,60x107

N

C

Las camaras de ionizacion se pueden usar para detectar partculas alfa cuan-do el material emisor se coloca dentro de ellas. Para el control de areas, sepuede lograr que una camara de ionizacion tenga una respuesta de energamuy plana a la radiacion gamma y que un solo detector pueda alcanzar unamplio rango de niveles de flujo (radiacion), por ejemplo, de un millon auno. Las camaras de ionizacion son muy simples y, por consiguiente seguras.Sin embargo, la salida de una camara de ionizacion es una corriente muy

pequena, de manera que requiere un circuito de lectura muy especial y sensi-ble. Puesto que opera en una meseta de voltaje muy amplia, tiene la ventajade requerir solo una regulacion de voltaje nominal para que funcione bien.Contadores proporcionales.Un contador proporcional es un tubo llenocon un gas especial que, cuando esta debidamente polarizado produce unpequeno pulso de salida por cada estallido de iones creados por un rayode radiacion o por una partcula que pase a traves del volumen sensible.El contador proporcional funciona a un voltaje mas alto que la c amara deionizacion. El voltaje aumenta, hasta llegar a un valor en el que se formanelectrones secundarios dentro del gas, los contadores proporcionales operanen la region de voltaje cuyo limite inferior es el voltaje mas bajo capaz de

producir esa amplificacion, y cuyo limite superior es el umbral de Geiger.La region de Geiger se analizara en la siguiente seccion. La amplificacion delgas A se afecta tan pronto como el campo instantaneo v/res suficien-temente fuerte para proporcionar al electron una velocidad lo bastante altapara crear la ionizacion al chocar con mas de una partcula de gas. El pulsode voltaje instantaneo para la amplificacion del gas se puede expresar como:

v= 1,60x1013AN

C

o el voltaje del pulso aplicando al alambre que actual como anodo en funcionde la carga electronica e es:

V = ANeC

Para poder utilizar un contador proporcional a fin de detectar radiacionesalfa, se debe construir con una ventanilla o mirilla muy delgada que, por locomun, no llega a ser proporcionar continuamente al detector un gas especiala una velocidad uniforme. Las mirillas delgadas son fragiles y no se les puededar mantenimiento, pero son muy utiles cuando se necesita un sistema dedeteccion dual para radiacion alfa y beta-gamma.Los contadores proporcionales tambien sirven para medir neutrones. Estoscontadores casi siempre se sellan y estan recubiertos de boro o llenos de gas

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de trifluoruro de boro. El neutron interactua con el boro para producir una

partcula alfa que se detecta facilmente dentro del contador proporcional.Esta es una de las mejores manera que se disenado para medir flujos deneutrones de nivel bajo y, al mismo tiempo, establecen una diferenciaciono discriminacion de la radiacion beta y gamma. Estos detectores se usanpara dirigir el flujo de neutrones en reactores nucleares, y pueden servir pa-ra neutrones lentos o veloces. En flujos altos de neutrones se necesita unacompensacion para eliminar el efecto de la radiacion gamma. Mediante laseleccion apropiada del umbral de altura de pulso -lo que significa que nose detectaran los pulsos gamma menores y contar solo los pulsos de neutroncon fondos gamma hasta 104Rh . R es el smbolo que representa el Roentgen,unidad de medicion de la radiacion.

Contadores Geiger. El umbral del Geiger se encuentra en el limite supe-rior de la region proporcional y que se llega a una meseta de voltaje en laque hay poco o ningun cambio en la velocidad de conteo para un incrementode voltaje dado. Si el voltaje aumenta a un valor demasiado alto, se llega auna condicion de descarga continua y no se puede obtener ningun dato util.Si se aplica un voltaje muy alto, el tubo Geiger-Mueller puede danarse enforma permanente.Por lo comun, los contadores que operan en la region Geiger se denomi-nan contadores GM o, mas concretamente, contadores Geiger-Mueller. Loscontadores que se usan en la industria, son del tipo de auto enfriamiento ytienen una ventanilla lateral o en el extremo.

El tubo Geiger-Mueller es un tubo lleno de gas que produce un pulso gran-de que se cuenta facilmente por cada evento de ionizacion que penetra enel volumen sensible y dispara la accion de avalancha. Segun su diseno yconstruccion, el tubo requiere de 500 a 2000 volts para funcionar; pero, porfortuna, casi siempre se opera en una region plana de su caracterstica, demanera que funciona satisfactoriamente con una regulacion de voltaje mo-derada. Las ventanillas pueden ser lo suficientemente delgadas para permitirque las radiaciones beta de la mayora de los materiales radiactivos o isoto-pos penetren con solo una pequena atenuacion o perdida de energa. Estohace del tubo Geiger-Mueller un buen detector para la radiaci on beta obeta-gamma. Tambien esta relativamente libre de los efectos debidos a las

variaciones e temperatura. Los tubos llenos de halogeno tienen una largavida, limitada solo por pequenas fugas que presentan en el tubo o por con-taminantes del gas que quedan atrapados dentro durante su fabricacion. Eltubo Geiger Mueller debe construirse con una configuracion cilndrica paraque pueda tomar una traza limitada de la muestra plana. Nunca puede cap-tar mas del 50 % de la radiacion emitida por la muestra que mide.Contadores de centelleo.El contador de centelleo consiste en un cristalmuy denso, por ejemplo, de yoduro de sodio, que convierte la radiacion encentelleos de luz y donde la luz se detecta mediante un tubo fotomutiplica-dor. El cristal tiene dos ventajas importantes: primero, es aproximadamente

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cien veces mas sensible a los rayos gamma que un tubo, Geiger-Mueller debi-

do a la densidad por unidad de volumen en el cristal, en comparacion con elgas relativamente ligero dentro del volumen sensible del tubo Geiger-Mueller.En segundo lugar, el contador de centello produce un pulso de salida propor-cional a la energa del foton de rayos gamma que origina el pulso. Cuando unrayo radioactivo choca con un cristal centelleante se producen fotones. Ca-da tipo de cristal sigue emitiendo fotones durante un tiempo determinado,despues de que lo activa el rayo o la partcula recibida. Mientras menor esel tiempo de recuperacion de un centellador, se detectaran y resolveran maseventos recibidos. Puesto que el pulso de salida es proporcional a la energadel foton de rayos gamma, se puede utilizar un analizador y diferenciar lasdiversas energas de rayos gamma. El tubo fotomultiplicador que se usa en

el centellador requiere de 1000 a 2000 volts para su funcionamiento. Tieneuna gran sensibilidad al voltaje y necesita una fuente de alto voltaje bienregulada para funcionar en forma adecuada. El fotomultiplicador tambienes muy sensible a la luz y se debe emplear en un sistema detector a pruebade luz. Ademas, el tubo fotomultiplicador es muy sensible a la temperatura,de manera que, para obtener resultados constantes en analisis de espectros,el contador de centelleo se debe utilizar en un ambiente en que, entre lasestandarizaciones la temperatura este controlada, dentro de unos cuantosgrados.Semiconductores.El diodo semiconductor se ha utilizado con gran exi-to como detector de partculas alfa y posee una respuesta proporcional a

la energa. El detector para medir fragmentos de fision, partculas de al-ta energa, neutrones y radiacion gamma. Se trata de una aplicacion y uncampo relativamente nuevo de los semiconductores; pero, conforme la tecno-loga avanza y el producto manufacturado adquiere una mayor uniformidaden su funcionamiento, se estan empleando cada vez mas en la industria. Enla mayora de las aplicaciones industriales de los detectores de radiacion seconsideran la salud y seguridad, de manera que, por lo general, se prefiereusar los sistemas que se conocen mejor y que emplean con mayor frecuencia.El diodo semiconductor requiere un buen sistema amplificador para mante-ner el ruido electronico a un nivel mas bajo que la senal detectada y lo queexisten hoy en da esta limitados en lo que respecta al area fsica que pueden

cubrir. Este tipo de detector tiene la ventaja de que permite el control selec-tivo de admisores especficos de partculas Alfa en presencia de otras clasesde radiaciones. Por ejemplo, tiene una aplicacion posible en la medicion delplutonio en presencia de radiactividad natural.

1.2. INSTRUMENTOS Y ACCESORIOS INDICADORES

La eleccion del instrumento o los accesorios de lectura o indicacion de-pende de la aplicacion y la senal de salida del detector. Las senales de salida

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muy pequenas requieren pre-amplificadores y amplificadores. Las senales de

salida de nivel mediano pueden necesitar un amplificador antes de que sepuedan alimentar a un equipo convencional de lectura. Los instrumentosde lectura pueden variar desde un simple medidor de indicacion hasta unanalizador de espectro completo o una computadora, si se requiere lo mejoren control para dicha aplicacion. Cada unidad tambien necesita de algunaclase de fuente de alimentacion.Pre-amplificadores.El pre-amplificador el pre-amplificador se localiza tancerca del detector como sea posible. Existen por lo menos tres clases depre-amplificadores: los de disparo, los lineales y los proporcionales. El pre-amplificador de disparo es un dispositivo que produce un pulso grande desalida en baja impedancia, con amplitud y anchura constantes para cada

impulso que recibe del detector. Este tipo de pre-amplificador se utiliza enequipos transistorizados de control portatiles y en otras clases de equiposmonitores donde los unicos requisitos son los valores de la radiacion total odosificacion. En algunos casos, ademas de amplificar el pulso del detector,el pre-amplificador sirve para igualar la impedancia del detector a una lineacoaxial con objeto de evitar la degradacion de los pulsos en la linea y evitarsu perdida en las que son muy largas.El pre-amplificador lineal se emplea cuando la salida se alimenta a un am-plificador o cuando se usa analizador de un solo canal. El pre-amplificadorlineal sirve para preservar las relaciones lineales de las alturas de pulso pro-ducidas por varias radiaciones de energa.

Amplificadores.El tipo de amplificador que se requiere para sistemas delectura de radiacion depende del pulso de salida del detector o del amplifi-cador del sistema. Cuando se producen pulsos, se necesita un amplificadorde pulso y, cuando en la aplicacion se necesita la espectrometria (medicionde un espectro de energa), el amplificador debe ser lineal en su operaciony no tener sobrecargas. En aplicaciones en las que se va a medir un ampliorango de radiacion con el mismo instrumento, podra ser ventajoso emplearun amplificador logartmico. Si se usa un detector de salida continua en lu-gar de uno que tenga salida en pulsos, se requiera un amplificador en cd.Contadores electronicos.Los contadores pueden ser simples circuitos bi-narios, basados en el principio del multivibrador biestable (flipflop), o bien,

se puede tratar de sistemas decimales mas complejos. Cualquiera que sea elcaso, sirven para leer el numero de eventos que ocurren en un tiempo pre-determinado. La salida del circuito electronico de conteo se puede integraren conteos por segundo, por minuto, miliroentgens por hora, roentgens porhora o cualquier otra unidad de medicion adecuada que sea la mas apropiadapara la aplicacion en particular. Estos valores se pueden indicar, registrar oimprimir.Contadores Binarios.Los contadores binarios operan con base en el prin-cipio de los multiplos de dos. Estos dispositivos se denominan a menudoescaladores y utilizan el circuito comun de multivibrador biestable. El cir-

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cuito multivibrador biestable es una escala de dos, donde se usan dos tubos o

transistores para detectar la senal recibida.En caso de usar luces para indicara cuenta, representativo del empleado en el escalador binario. La secuenciade encendido de las luces, conforme los eventos generan senales para activarel circuito de multivibrador biestable, es la siguiente:La numero 1 se enciende para un evento.La numero 2 se enciende para dos eventos y la numero 1 se apaga.La numero 1 y la numero 2 se enciende para tres eventos.La numero 4 se enciende para cuatro eventos y las numeros 1 y 3 se apagan.Las numero 1 y 4 se encienden para cinco eventos.Esta secuencia continua hasta llegar a 255 eventos y luego se repite el ciclo.Cuando esto sucede, el evento 256 activa un registro, el numero registrado

representa 256 eventos y todas las luces se apagan. A continuacion, el evento257 enciende la luz numero 1 y el ciclo continua como antes.El contador binario fue el primer sistema disenado para contar eventos deradiacion; pero raramente se utiliza en aplicaciones industriales debido a loserrores posibles y al alto costo de operacion que representa leer, multiplicar,sumar y anotar cada lectura. Se han desarrollado sistemas de lectura deci-mal y directa que se prefieren en aplicaciones industriales.Contadores decimales.Un sistema decimal tpico que contiene un grupode lampara de neon colocados en forma de columna vertical con numeros de0 a 9, comenzando en la base. En el decimo evento, todas la luces se apagany activa el segundo grupo. En la unidad que se muestra se puede registrar un

total de 108

eventos por cada ciclo completo. Este tipo de construccion pro-duce el mismo grado de exactitud, o incluso mejor, requiere menos energapara su funcionamiento y, en general, reduce el tamano y el numero de losmodulos necesarios en un sistema total.Medidores de velocidad de conteo.En aplicaciones en las que no es ne-cesario conocer el conteo exacto, pero en que se requiere saber la velocidada la que se produce la radiactividad, se emplea un medidor de velocidad deconteo. Este tipo de medidor es una unidad disenada para admitir, los pulsosy analizar su velocidad de repeticion para despues presentar el resultado deacuerdo con los recuentos por unidad de tiempo en un medidor-indicador.Los medidores de velocidad de conteo pueden ser lineales o logartmicos, El

medidor de tipo lineal presenta una lectura lineal que comienza en cero ytiene un limite superior que depende del rango del instrumento.Fuentes de alimentacion.La energa para los detectores de radiacion ysus equipos asociados se obtiene por medio de bateras o a partir de ca.Las bateras se usan en instrumentos portatiles y su voltaje y tamano puedenvariar desde nas celdas tamano pluma fuentede 1.5 V hasta las pequenasbateras de mercurio de 1.3 y 1.4 V para los antiguos dispositivos portati-les de tubo. Estas bateras tienen una vida util especifica de ampere-horay se deben remplazar a intervalos regulares. En algunos equipos monitorestransistorizados se emplean bateras recargables para mantener la energa

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adecuada de las unidades cuando llegan a ocurrir fallas en la fuente de

energa comercial en ca, pues las bateras estan siempre disponibles. El tipode nquel-cadmio cuenta con una vida prolongada hasta varios anos, en com-paracion con la de las pilas secas, que tienen una vida de tres a seis mesesen aplicaciones de campo. Se debe cuidar las bateras que estan en servicioantes de que comiencen a tener fugas o corroerse con el fin de evitar danosa los soportes y otros componentes del circuito.

1.3. INSTRUMENTACION DE RADIACION PARA REAC-TORES

La instrumentacion de radiacion nuclear efectua dos funciones principa-les: detecta y mide la radiacion y sirve para controlar, medir e indicar laoperacion de las varillas de control de un reactor.Las cuestiones de seguridad y estabilidad del circuito requieren por lo me-nos dos y con frecuencia, tres canales de seguridad de medici on y control encada reactor. Dos de los canales de seguridad de medicion y control en cadareactor. Dos de los canales deben tener senales coincidentes para apagar elreactor. En otras palabras, no se considera seguro tener un solo canal decontrol de seguridad, debido a que las falsas alarmas causadas por fallas omal funcionamiento del instrumento son costosas. Cuando dos canales decontrol reciben la misma senal en forma simultanea, se inicia rapidamente

una accion para apagar o cerrar el sistema con toda seguridad.Normalmente, el canal de velocidad de conteo tiene un detector de camarade fision que suministra pulsos a un amplificador lineal, un discriminador dealtura, un escalador y un medidor logartmico de velocidad de conteo. Estecanal es un sistema de radiacion de bajo nivel. El medidor logartmico develocidad de conteo se utiliza para obtener un amplio rango de operacion.El canal lineal se usa para medir el nivel del reactor durante su operacion ynormalmente emplea una camara ionica compensada y un sistema de lectu-ra de pico amperes.El canal de nivel de seguridad representa un dispositivoprimario de seguridad nuclear. Como se dijo antes. En un sistema de nivelde seguridad se emplean dos o mas canales y, cuando por lo menos dos de

estos reciben las senales coincidentes, el reactor se interrumpe dejando caerlas varillas de control dentro del nucleo de reactor para detener la reac-cion nuclear en cadena. Este tipo de canal consiste de una c amara ionicano compensada, un pre-amplificador, un amplificador de logaritmo de N enescalador y un registrador. En algunas aplicaciones se utiliza una camaraionica compensada y un amplificador magnetico.

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1.4. INSTRUMENTACION DE PROCESO POR RADIA-

CIONLa instrumentacion de radiacion se usa en procesos industriales para me-

diaciones y para control de densidad, humedad, espesor y niveles lquidos.Esta clase de instrumentacion es necesaria cuando el detector no puede estaren contacto con el producto que se va a medir, ya sea porque el producto esdemasiado voluminoso o porque el detector se podra contaminar.Mediciones de densidad.Se pueden realizar mediciones continuas y preci-sas de la densidad de materiales lquidos o granulados en tuberas, depositos,tanques, tolvas y otros recipientes. En estos sistemas, el medidor de densi-dad se compone de dos unidades que se pueden sujetar a una tubera encualquier lugar del proceso. Se tiene una fuente que contiene el isotopo cesio137, que emite rayos gamma que se detectan a una velocidad inversamenteproporcional a la densidad del material que se esta midiendo. Estos rayosgamma se detectan con un detector tipo camara de ionizacion, que emiteuna senal proporcional de salida. La senal electrica ca de salida se conectaa un control para proporcionar el sistema de control completo.Medicion de humedad. Las mediciones y el control de humedad empleanlas mismas tecnicas que se usan en relacion con la densidad. las unidadesindicadas de izquierda a derecha son un medidor superficial de humedad,un medidor superficial de densidad, un escalador portatil, un medidor dehumedad de profundidad. Las mediciones de humedad se llevan a cabo uti-

lizando neutrones o rayos gamma y aplicando una tecnica de medicion deretrodispersion. De acuerdo con esta, se dirige un haz de neutrones de altaenerga del medidor al material y parte de los neutrones se reflejan nueva-mente hacia atras o sufren una retrodispersion. Estos neutrones reflejadospierden parte de su energa y el material que se mide con el detector. Todoslos materiales sirven como moderadores de neutrones, pero algunos son maseficaces que otros; el mas eficiente de todos es el hidr ogeno. Cuando la mayorparte del hidrogeno de un material se asocia con agua, la determinacion delnumero de neutrones moderador reflejados desde el material constituye unamedida de la cantidad de humedad que hay en el material por unidad devolumen.

Casi todos los materiales tienen variaciones de densidad, al igual que de con-tenido de humedad, de modo que esta no se puede medir con una variableindependiente, a menos que se conozca la densidad del material simultanea-mente con un haz de neutrones. El numero de rayos gamma que refleja elmaterial o que se transmite a traves de este es una funcion inversa de sudensidad.Mediciones de espesor.El espesor es una hoja movil de materiales quepuede medir utilizando una fuente beta o gamma. El medidor beta tienela fuente en un lado de la hoja m ovil y el detector en el otro. Esta fuentese puede usar en materiales cuya densidad es tan baja que no protege to-

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talmente la fuente beta del detector. Cualquier espesor de material con la

atenuacion equivalente de 1/4 de pulgada de aluminio no se puede medir conel medidor de espesores. Las hojas delgadas de acero, papel y otros mate-riales se pueden medir con un medidor beta. Estas mediciones de espesor seefectuan con base en su poder de atenuacion. Las variaciones en el espesorse registran o indican en conteo por minuto que se calibran para leerse enmilesimas de espesor para el material que se esta midiendo.Nivel de lquidos.Las fuentes y los detectores de radiacion sirven paracontrolar con precision el nivel entre puntos fijos predeterminados o bien,para regular y controlar niveles en forma continua. La senal electrica se cali-bra para aplicarla a un deposito de proceso en particular y se puede utilizarcomo parte del enlace de control de un sistema para mantener los niveles

requeridos.

1.5. CALIBRACION DE LA INSTRUMENTACION DE RA-DIACION

Los detectores de radiacion se calibran utilizando una fuente radioac-tiva conocida que se coloca a una distancia determinada del volumen o elarea sensible del detector. El detector se conecta a un indicador de lecturao registrador adecuado y se calibra en conteos por unidad de tiempo. enunidades de radiacion por unidad de tiempo o en valores de corriente.

Una fuente de calibracion de intensidad conocida y colocada a una distanciafija del detector, produce un valor de salida que se puede verificar moviendola fuente a otra posicion y observando el cambio. La velocidad de conteodebe disminuir el proporcion al cuadrado de la distancia a la que se muevela fuente en relacion al detector que se calibra. Las unidades de calibracioncasi siempre con conteos por segundo, conteos por minuto, roentgen porminuto, miniroentgens por hora o rems. Las unidades de calibracion em-pleadas dependen de la aplicacion de la unidad detectora y la intensidad dela radiacion que se esta midiendo o controlando.

2. PREGUNTAS

2.1. Harold Soisson Capitulo 10

1. Como se puede detectar la radioactividad?La radioactividad se puede detectar con peliculas fotograficas, cama-ras de ionizacion, contadores proporcionales, conadores Geiger-Muller,contadores de centelleo semiconductores y algunas combinaciones omodificaciones de estos detectores basicos para aplicaciones especia-les.

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2. Explique como se puede medir la cantidad de partculas alfa.

El material emisor de la partcula alfa debe penetrar en el area sensibleo el volumen de un detector, o bien, se debe usar paredes o mirillasmuy delgadas para permitir que la radiacion las atraviese y puedallegar al area sensible o al volumen de un detector.

3. Cual es el rango de medicion de radioactividad de las partculas Beta?

4. Como se pueden medir con efectividad la cantidad de partculas Beta?Los aparatos para detectar estas partculas tienen una construccionmas fuerte y las ventanillas o mirillas son mas gruesas que para lasparticulas alfa.

5. Que es un rayo gamma? Como se puede medir eficazmente?Son radiaciones electromagneticas con las mismas caractersticas delos rayos X, pero con longitudes de onda mas cortas.

6. Que caractersticas hacen que el neutron se comporte de un mododistinto en la medicion, en comparacion con la radiacion alfa, beta ogamma?Los neutrones no tienen carga de manera que no se pueden detectaren la misma forma que las radiaciones alfa, beta y gamma. Tambienpenetran mas que la radiacion gamma y en la mayora de los casos

se necesitan paredes de concreto de varios pies de espesor para unaproteccion adecuada.

7. Como se detecta la radioactividad con una pelcula fotografica?La pelicula es sensible a la radiacion electromagnetica liberada porfuentes emisoras alfa, beta y gamma. Se puede usar un microscopiopara medir la longitud real de la trayectoria sobre la pelcula procesa-da.

8. Que es ionizacion y como funciona una camara de ionizacion?La ionizacion es el fenomeno qumico o fsico mediante el cual se produ-cen iones, estos son atomos o moleculas cargadas electricamente debido

al exceso o falta de electrones respecto a un atomo o molecula neutra.A la especie qumica con mas electrones que el atomo o molecula neu-tros se le llama anion, y posee una carga neta negativa, y a la que tienemenos electrones cation, teniendo una carga neta positiva. Hay variasmaneras por las que se pueden formar iones de atomos o moleculas. Lacamara de ionizacion consiste en una caja cilndrica y un alambre axialcentral; la caja actua como catodo y el alambre axial como anodo. Lacaja distribuye el potencial alrededor del anodo y forma las paredesdel volumen sensible en el que se define un campo electrico, de acuerdocon la geometra de los electrodos.

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9. Como se puede emplear una camara de ionizacion como totalizador

e integrador de pulsos?Las camaras de ionizacion tambien se pueden utilizar como totaliza-dores de pulsos y para integrar la ionizacion total sobre un intervaloespecifico. Cualquiera de estas funciones, la de conteo o la de integra-cion, se puede efectuar en principio con la misma camara, segun elvalor RC del circuito. El potencial final de una camara de ionizacionde conteo se exprese de la forma siguiente:

VF =V0etRC

10. Cual es la diferencia entre una camara de ionizacion y un contador

proporcional?

11. Como se desarrolla el tamano del pulso en un contador proporcional?El tamano del pulso se desarrolla mediante la ionizacion progresiva enuna formacion de avalancha conocida como avalancha de Townsend.En un contador proporcional cilindrico, si se define el radio al que seinicia la ionizacion como r0 se relaciona con el potencial aplicado v,con el voltaje de umbral, con V y con el radio del alambre centrar, r.

12. Con que ventaja cuenta un contador proporcional en relacion con unacamara de ionizacion?Tienen la ventaja de que su pulso de salida es proporcional a la ener-

gia del rayo de radiacion o las particulas recibidas y que se disipandentro del detector. Esto hace que el contador proporcional permitauna medicion diferencial de la radiacion alfa en funcion de la radiacionbeta-gamma. Incluso con la amplificacion de gas adicional los pulsosde salida son muy pequenos, de manera que el sistema conador pro-porcional requiere un amplificador con una ganancia considerable.

13. Que caractersticas se requieren en un contador proporcional paramedir la radiacion de neutrones?Estos contadores casi siempre se sellan y estan recubiertos de boro ollenos de gas de trifloruro de boro. El neutron interactua con el boro

para producir una partcula alfa que se detecta facilmente dentro delcontador proporcional.

14. Que es un roentgen? Que tipo de radiacion representa?R es el smbolo que representa un Roentgen, unidad de medicion de laradiacion.

15. Como funciona un contador Geiger-Mueller? Que tipo de radiacionse puede medir con el?Es un tubo lleno de gas que produce un pulso grande que se cuentafacilmente por cada evento de ionizacion que penetra en el volumen

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sensible y dispara la accion de avalancha. Las ventanillas pueden ser

lo suficientemente delgadas para permitir que las radiaciones beta dela mayora de los materiales radiactivos o isotopos penetren con unapequena atenuacion o perdida de energa. Esto hace al tubo un buendetector para la radiacion beta o beta-gamma.

16. Explique en que consiste un sistema monitor de area o zona y la formaen que funciona.Monitores de Area en que se utilizan tubos llenos de halogeno. Estossistemas tienen 10 monitores, cuyos requisitos de energa se satisfacendesde un abastecimiento de energa central. En el sistema se utilizanmedidores que no hacen contacto directo, es decir no se emplean topes

fisicos para que puedan leer valores de radiacion a escala completa.17. Como esta construido un contador de centelleo?

Consiste en un cristalmuy denso, por ejemplo, de yoduro de sodio,que convierte la radiacion en centelleos de luz y donde la luz de de-tecta mediante un tubo fotomultiplicador.El cristal tiene dos ventajasimportantes: Es aproximadamente cien veces mas sensible a los rayosgamma que un tubo Geiger Mueller y en segundo lugar, el contadorde centello produce un pulso de salida proporcional a la energa delfoton de rayos gamma que origina el pulso.

18. Como funciona un sistema de contador de centelleo para medir la

radiacion?Cuando un rayo radiactivo choca con un cristal centelleante se produ-cen fotones. Cada tipo de cristal sigue emitiendo fotones durante untiempo determinado, despues de que lo activa el rayo o partcula reci-bidos. Mientras menos es el tiempo de recuperacion de un centellador,se detectaran y resolveran mas eventos recibidos. Puesto que el pulsode salida es proporcional a la energa del foton de rayos gamma, sepuede utilizar un analizador de altura del pulso de un solo canal.

19. Que es lo que controla el espesor del cristal en un contador de cente-lleo?

Existen cristales de varios espesores que son utilizados en ambientescontrolados, mas sin embargo nada controla su espesor.

20. Tiene un diodo semiconductor alguna ventaja como detector de ra-diacion? Si es asa, Cual es esta?Este tipo de detector tiene la ventaja de que permite el control selec-tivo de admisores especficos de partculas Alfa en presencia de otrasclases de radiaciones.

21. En que casos se requieren los siguiente accesorios: Preamplificador,amplificador, contador.

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Preamplificador se utiliza en equipos transistorizados de control de

portatiles y en otras clases de equipos monitores donde los unicosrequisitos son los valores de la radiacion total o la dosificacion. Am-plificadores se requieren en sistemas de lectura de radiacion dependedel pulso de salida del detector o del amplificador del sistema. Conta-dores sirven para leer el numero de eventos que ocurren en un tiempodeterminado.

22. Explique como opera un contador binario.Operan con base en el principio de los multiplos de dos. Cuando serecibe el primer evento o suceso de entrada, se activa el primer tuboal vacio, T1 o el transistor Q1. Al llegar el segundo se activa T2 o Q2

y se desactiva a T1 o Q1. El tercer evento recibido activa T1 o Q1 ydesactiva T2 o Q2.

23. Como funciona un contador decimal en comparacion con un contadorbinario?Contiene un grupo de lamparas de neon colocado en forma de columnavertical con numero que van de 0 a 9, comenzando en la base. En eldecimo evento todas la lamparas se apagan y se activa el segundogrupo.

24. Cual es la ventaja del diseno modular? Posee algunas desventajas?El diseno modular permite emplear solo los modulos que se necesitan

para una aplicacion dada.

25. Describa los tipos y explique las aplicaciones de los medidores de ve-locidad de conteo.Pueden ser lineales o logartmicos. El lineal presenta una lectura linealque comienza en cero y tiene un limite superior que depende del rangodel instrumento. El tiene una salida de escala logartmica que puedecubrir una, dos, cinco o mas decadas.

26. De el nombre y describa los tipos de fuentes de alimentacion que seusan en combinacion con detectores de radiacion.Las fuentes de alimentacion con frecuencia se clasifican como no regu-

ladas, reguladas y bien reguladas. Las fuentes de alimentacion puedentener salida positiva, negativa o ambas. El diseno de la unidad o elsistema de deteccion y medicion de radiacion determina tanto el tipocomo la capacidad de la fuente de alimentacion necesaria.

27. Escriba las ventajas y las desventajas de la rectificacion de media onday de onda completa.La rectificacion puede ser de media onda o de onda completa. El demedia onda solo rectifica la mitad positiva o la negativa de la se nalde ca, mientras que de onda completa rectifica tanto las alternancia

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positiva como negativa. Esto no solo proporciona una salida de cd

promediada mas alta, sino que tiene menos fluctuaciones que el circuitode media onda.

28. Defina la regulacion en funcion de la lnea, la carga y las fluctuaciones.Reguladas, no reguladas y bien reguladas.

29. Cuales son las mejores elecciones en la actualidad, en lo que respectaa fuentes de alimentacion?Dependera de la aplicacion industrial especifica.

30. Por que se requiere mas de un canal de medicion y control para elfuncionamiento de los reactores nucleares?

No se considera seguro tener un solo canal de control de seguridad, de-bido a que las falsas alarmas causadas por fallas o mal funcionamientodel instrumento son costosas.

31. Cuales son las areas funcionales que se miden o controlan en un sis-tema de operacion de reactor nuclear?Los canales acostumbrados para operacion son el canal de velocidadde conteo, el canal de periodo, el lineal y el de nivel de seguridad.

32. Que caracterstica hace que la medicion y el control de radiacion seanconvenientes en un proceso industrial?La instrumentacion de radiacion se usa en procesos industriales para

mediciones y para control de densidad, espesor y niveles lquidos.

33. Describa la forma en que se puede medir la densidad utilizando unafuente radioactiva y un detector.En estos sistemas, el medidor de densidad se compone de dos unidadesque se pueden sujetar a una tubera en cualquier lugar del proceso.Se tiene una fuente que contiene isotopo cesio 137, que emite rayosgamma que se detectan a una velocidad inversamente proporcional ala densidad del material que se esta midiendo. estos rayos gamma sedetectan con un detector tipo camara de ionizacion, que emite unasenal proporcional de salida. La senal electrica de salida se conecta a

un control para proporcionar el sistema de control completo.

34. Como se puede medir la humedad empleando tecnicas de radiactivi-dad?Los medidores de humedad se llevan a cabo utilizando neutrones o ra-yos gamma y aplicando una tecnica de medicion de retrodispersion. Deacuerdo con esta, se dirige un haz de neutrones de alta energa del me-didor al material y parte de los neutrones se reflejan nuevamente haciaatras o sufren una retrodispersion. Estos neutrones reflejados pierdenparte de su energia y el material que se mide los modera. Cuando la

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mayor parte del hidrogeno de un material se asocia con agua, la de-

terminacion del numero de neutrones moderados reflejados desde elmaterial constituye una medida de la cantidad de humedad que hayen el material por unidad de volumen.

35. Que determina el grado de precision con que se puede hacer una me-dicion de humedad aplicando tecnicas radioactivas?Por lo general se puede esperar que un sistema de este tipo tengauna precision algo mejor de 0.2 % en un rango de humedad de 2 a80 % para materiales que contienen un porcentaje relativamente fijode hidrogeno enlazado, y en la medicion se hace menos precisa conmateriales que tiene mayores cantidades variables de hidrogeno enla-

zado. Para un contenido de humedad inferior a 2 % se necesita unaconstante de tiempo mayor para mantener una alta precision.

36. Explique como se puede medir el espesor de una hoja de material enmovimiento utilizando las tecnicas radioactivasEl espesor de una hoja movil de material se puede medir utilizandouna fuente beta o gamma. El medidor Beta tiene la fuente en un ladode la hoja movil y el detector en el otro. Esta fuente se puede usaren materiales cuya densidad es tan baja que no protege totalmente lafuente beta del detector. Cualquier espesor de material con la atenua-cion equivalente de 1/4 de pulgada de aluminio no se puede medir conel medidor de espesores.

37. Como medira y controlara el nivel de un lquido con una fuente deradiacion y un detector?Los sistemas nucleares para detectar niveles tienen una respuesta rapi-da y son utiles en aplicaciones como el mantenimiento de niveles deacidos en puntos crticos de alta presion. Estos sistemas son seguros, defuente construccion, sensibles a los cambios de nivel medidos a travesde las paredes del deposito, no tiene partes moviles y emplean unidadeselectronicas de estado solido.

38. Explique como se pueden calibrar los detectores de radiacion y los ins-

trumentos de control.Los detectores de radiacion se calibraran utilizando una fuente radiac-tiva conocida que se coloca a una distancia determinada del volumeno el area sensible del detector. El detector se conecta a un indicadorde lectura o registrador adecuado y se calibra en conteos por unidadde tiempo, en unidades de radiacion por unidad de tiempo o en caloresde corriente. Esta calibracion se base en que 1 Ci produce 37,1 + 109

desintegraciones por segundo. La preparacion cuidadosa de fuente conuna radiactividad conocida para el tipo de radiacion que se va a detec-tar, permitira efectuar calibraciones precisas. Hay fuentes de radiacion

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de tipo comercial adecuadas para fines de calibracion.

2.2. Experimental Metods for engineers (Capitulo 12)

1. Consider the termistor detector and radiation sourse of example 12.1.Instead of the bare detector, an optical system collects the radiationover a circular area of radius r and focuses it on the detector, which ismaintained at 20oC. Plot the sourse temperature necessary to main-tain a signal-to-noise (S/N) ratio of 200 as a funtion of the radius ofthe collecting optical system. Assume that the distance between thesourse and detector is 1.0 m, as in Example 12.1. Neglect losses in theoptical system for this calculation.

T4s T4

d =gs2

A

T4s T4

d =(6,826x106)(362)

0,1714x108(r2d)

TS=

780x108 + (2,370x108)

1

r2d

1/4

2. Repeat Prob 12.1 for distance os 6 and 12 ft between the sourse anddetector.For S = 6 ft

TS=

780x108 + (9,480x108)

1

r2d

1/4

For S = 12 ft

TS=

780x108 + (37,95x108)

1

r2d

1/4

3. A thermocouple detector has characteristics such that the minimumimput power necessary to prodice an S/N ratio of unity is 3x106 W.

A 2-in-diameter optical system collects the input thermal radiationand focuses it on the thermocouple. The optical-thermocouple systemis to be used to measure the temperature of a 2-in black sphere 6 ftaway. The thermocouple bead is maintained at a temperature of 70oF.Estimate and plot the uncertainty in the temperature measurement asa funtion of the temperature of the sphere.

4. The apparatus of Example 12.2 is used for an emissitivity determi-nation between the temperature limits of 150 and 540oC. Plot the

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percent uncertainty in emissivity as a funtion of T, for nominal emissi-

vities of 0.2 and 0.8. Take the uncertainties in radiometer temperatureand output voltage as

TR = 0,3oC

R= 0,004mV

The uncertainty in the source temperature is take as 0,5oC.

S= 7,84E

FtsT4S T

4R

WEs =

100

T4s 5304

1,082x1020 + 10T6S+ 25x1016

1/2

5. A radioactive sample is observed, and the total and background coun-ting rates are 500 and 100 count/min, respectively. Estimate the totaltime necessary to produce a standard deviation of 2 percent in thenominal sourse counting rate. Repeat for counting rates of 100 and 22.For rT= 100 and rb = 22Ts = 100 22 = 78 [counts/min]

2s = [(0,02)(78)

2] = 2,45

tT = 1

2,45

(22)1/2(100)1/2 + 100

= 59,9min

t6= 59,9 22

100

1/2= 28min

tTotal = 87,9min

For rT= 500 and r0100rs = 500 100 = 4002S= [(0,02)(400)]

2 = 64,0

tT = 1

64

(100)1/2(500)1/2 + 500

= 11,3min

tb= 11,31

5

1/2

= 5,07

tTotal = 16,37min

6. The following counting data are collected on a radioactive sample.Each of the number of counts is taken in an exact time interval of 1 min.

The background counting rate is know accurately as 23 counts/min.Calculate the nominal value of the sourse counting rate and the un-certainty in the rate. Apply Chauvenets criterion to eliminate someof the data if necessary. Assume that the Poisson distribution applies.Chauvenet criterion rs = rT rb= 503,75 23 = 480,75counts/min

Ws =W2T+ W

2b

1/2=S=

1/2s

7. After a ser of radioactive counting measurement has been made, it isfound that the timming has been spurius in operation. A set of cali-bration measurements on the timer has given the standard deviation

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of the time interval measurements as t. Using the approach taken in

Example 12.3, derive an expression for the standard deviation of thesourse counting rate in terms of the standard deviations of the numberof background and total counts and the standars deviation of the timeinterval.

8. Derive an expression for the optimum time tT under the conditionsthat rb = rs. Express in terms ofs and rs.2S=W

2S=

rstb

+ rTtT ; rb= rS; tb+ tT =const.dWSdtb

= 0; 2WsdWSdtb

= rst2b

rTt2T

dtTdtb

= 0

dTt

dtb= 1; rS

t2

b

= rT

t2

T

tb = tT rSrT1/2

2S= rS

tT

rSrT

1/2 +

rTtT

tT = 1

2S

rs1/2rT1/2 + rT

rT = 2rstT =

3,414rs2s

9. Ther emissivity-parameter procedure described in the paragraphs fo-llowing Eq. 12.2 is used to determinate the emissivity of a surface at300C. The surrounding radiation temperature is only 25C and thus isexpected to have little influence on the measurement. With = 1,0,the apparent temperature is indicated as 231C. The uncertainty in theradiometer indication of temperature is 3C and the uncertainty inthe surface-temperature measuremente is 1C. What surface emissi-vity is indicated by these measurements? What is its uncertainty?T = 300 = 573K 1CTa= 231 = 504K 3C

a =TaT

4

=504

573

4

= 0,599

We =

16

WTaTa

2

+ 16

WTT

21/2

=4

3

5042

+

1

57321/2

= 0,0248

W= (0,0248)(0,599) = 0,015

10. Assuming the internal emissivity comprensation of the radiometer inprob 12.11 is exact. whats temperature will be indicates when the ins-trument is set for the nominal value obtained in prob. 12.11= 0,599

TS=T1/4 = 573(0,599)1/4 = 504K

11. Repeat prob 12.11 for an indicated temperature of 150C when is setequal to 1.0.

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Ta= 151C= 424K

a424573

4= 3

Wt = 4

3

424

2

+

1

573

21/2

= 0,0291

W= (0,0291)(0,3) = 0,0087

12. Assuming the internal emissivity compensation for the radiometer inProb 12.18 is exact, what temperature will be indicated when theinstrument is set for the nominal value obtained in prob. 12.18?T= (573)1/4 = (573)(0,464)1/4 = 473K

2.3. CONCLUSIONES

Leal Villavicencio Hector Javier: La instrumentacion nuclear no so-lo es util para el ambiente nuclear, sino que muchos de los metodos paramedir radiacion se pueden extrapolar en el ambiente industrial por ejemploal momento de medir humedades o nivel de lquidos, entre otras cosas. Meda la impresion de que tambien muchas cosas del libro hoy en da estan endesuso dado que muchos de los elementos son analogicos hoy en da con lasalida de los micro-controladores y sistemas de control mas mas complejoslos elementos analogicos si bien son necesarios estan siendo remplazados pordigitales y este no es el caso.

Luis Angel Hernandez Pascual: Concluyendo, ya hemos visto que lasunidades de medida se agrupan en las que miden radiacion pura, en las quemiden absorcion y las que miden absorcion efectiva. Tres grupos. Ademashemos visto que el contador geiger no proporciona ninguna de esas medidasde forma directa, y que la conversion entre valores requiere de un procesode calibracion. Puesto que ese proceso de calibracion se hace bajo unas con-diciones de elemento radiante y de tipo de tejido que no se van a reproducirfuera del laboratorio, siempre va a haber un error en la conversion entreCPM y Bequereles o CPM y Sieverts/hora. Pero al final, segun las medi-ciones que hemos hecho hasta ahora (comparando nuestras medidas con lasmedidas de contadores calibrados y con las medidas de radiacion de fondo)

parece que los errores se mueven alrededor del 20 % y que esto a la horade mediciones de seguridad no supone ningun problema porque la escala deniveles radiacion es enorme.

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preguntas capitulo 10

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