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ESTUDIO COMPARATIVO DE MATERIALES DOSIMETRICOS

1

HERNÁN HERNÁNDEZ COLÍN

RESUMEN

La dosimetría de Termoluminiscencia (TL) ha llegado a ser un método dosimétrico común

en el campo del diagnostico radiológico. En el pasado, la dosimetría TL había estado

restringida ala dosimetría personal y a investigaciones locales tales como radiografía

dental, mamografía y radiografía de tórax. En la actualidad, su campo de aplicación se ha

ampliado a estudios de calidad de funcionamiento de equipos de tomografía

computarizada. Esto hace necesario tener un dosímetro TL que sea útil en el intervalo de

energías de los rayos-X que se usan en radiodiagnósticos.

A medida que crece el interés en conocer los efectos sobre la salud de las bajas dosis de

radiación natural o artificial, se hace más necesario un sistema dosimétrico capaz de

medir con precisión esos niveles de dosis. Por más de veinte años los dosímetros TL han

constituido un método simple y preciso para tales mediciones.


2


Contenido

Pagina

Resumen 1

Contenido 2

Índice de figuras 7

Índice de tablas 8

Introducción 9

TERMOLUMINISCENCIA

Principios básicos 10

Luminiscencia 20

Radioluminiscencia 25

Termoluminiscencia 28

Modelo de bandas de energía 29


3


Formación de la curva TL 31

Dosimetría TL 32

Instrumentación para TL 33

Componentes electrónicos de un lector TL 35

Sistema de calentamiento 36

Plancheta de calentamiento 36

Sistema detector de luz 37

Flujo de gas 39

Fuente alto voltaje 40

Fuente de luz de referencia 40

Sistema acondicionador de señal 40

CARACTERISTICAS DE MATERIALES TERMOLUMINISCENTES

Curva TL 43


4


Sensibilidad 44

Umbral de detección 47

Respuesta TL en función de la dosis absorbida 48

Respuesta TL en función de la energía y del tipo de radiación 51

Desvanecimiento 52

Reproducibilidad 53

Influencia de las condiciones ambientales 54

Requisitos que debe cumplir un material TL para dosimetría 55

OTRO METODO DE DOSIMETRIA

Lioluminiscencia 56

Factores que afectan la emisión luminosa producida por la Lioluminiscencia 59

Mecanismo Lioluminiscencia 59


5


Formación de radicales libres 60

Características de radicales libres 62

Etapas de emisión 63

Instrumentación para la Lioluminiscencia 65

Aplicaciones de la Lioluminiscencia 67

APLICACIONES MEDICAS

Dosimetría 68

Dosimetría en fantoma 69

Dosimetría en pacientes 69

Radiodiagnóstico 72

Radioterapia 74

Dosimetría de área 76


6


Especificaciones de funcionamiento 76

Uniformidad 79

Reproducibilidad 80

Dependencia de la interpretación de la exposición sobre la

duración del ciclo de campo 80

Dependencia de energía 81

Efecto de la luz 81

Dependencia de la orientación del dosímetro 81

Efecto de la humedad 82

Conclusiones 83

Bibliografía 84


7


INDICE DE FIGURAS

Pagina

Figura 1. Esquema de niveles de energía usado para explicar el fenómeno de luminiscencia 22

Figura 2. Representación esquemática para un ión halogenuro alcalino perfecto 24

Figura 3. Defectos Schottky y Frenkel en un sólido cristalino 24

Figura 4. Representación esquemática de Centros F 25

Figura 5. Diagrama de bandas de energía para explicar el fenómeno de Termoluminiscencia 30

Figura 6. Proceso de formación de la curva TL 32

Figura 7. Diagrama esquemático de las componentes de un equipo lector 34

Figura 8. Curva termoluminiscente típica 35

Figura. 9 Respuesta espectral típica de algunos fotomultiplicadores comerciales. 38

Figura 10. Diferentes técnicas para medir la señal TL 41

Figura 11. Curvas típicas de los materiales TL más comunes 45

Figura 12. Curva típica de respuesta de un material TL en función de la dosis 49

Figura 13. Respuesta teórica de diversos materiales en función de la energía de radiación. 52

Figura 14. Representación esquemática del proceso del fenómeno de Lioluminiscencia 60

Figura 15. Sistema de lectura para el fenómeno de Lioluminiscencia 66


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INDICE DE TABLAS

Pagina

TABLA 1. Sensibilidad relativa de los materiales TL más comunes. 46 TABLA 2. Solubilidad de materiales termoluminiscentes 54 TABLA 3. Materiales lioluminiscentes orgánicos e inorgánicos más comunes 58

TABLA 4. Etapas de la emisión lioluminiscente 64 TABLA 5. Criterios de prueba para la aplicación de DTL en monitoreo ambiental 78 TABLA 6. Características de los materiales TL apropiados para monitoreo ambiental 79


9


INTRODUCCION

El fenómeno TL consiste en que algún material solido emite luz al calentarlo por debajo de

su temperatura de incandescencia; todo lo anterior se da cuando el material es expuesto

a una excitación como son las radiaciones ionizantes. Así, la TL consiste en la liberación

de la energía almacenada en un material la cual había sido inducida por la radiación.

La dosimetría termoluminiscente (DTL) se basa en el hecho de que la cantidad de luz

emitida por el material TL es proporcional a la dosis de radiación recibida. Aunque la

emisión de luz se representa en una gran variedad de materiales sólidos, en la práctica se

utilizan pequeñas pastillas de algunos materiales especiales (dosímetros).

El TL es clasificado como un fenómeno de fosforescencia consiste en la emisión de luz de

un material semiconductor o aislante previamente expuesto a radiación ionizante y

posteriormente estimulado con energía calorífica.

También ha demostrado ser una técnica eficaz en aplicaciones dosimétricas, y esto ha

propiciado que se dedique un gran esfuerzo a la búsqueda de nuevos materiales con

propiedades dosimétricas que les permitan ser empleados para este tipo de aplicaciones.


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TERMOLUMINISCENCIA

Principios básicos

La termoluminiscencia (TL) es toda emisión de luz, independiente de aquella provocada

por la incandescencia, que emite un sólido aislante o semiconductor cuando es calentado.

Se trata de la emisión de una energía previamente absorbida como resultado de un

estímulo térmico. Esta propiedad física, presente en muchos minerales, es utilizada como

técnica de datación.

La datación por TL es la capacidad que tienen algunos minerales como el cuarzo y los

feldespatos(los feldespatos corresponden a los silicatos de aluminio y

de calcio, sodio o potasio, o mezclas de estas bases) para emitir luz cuando son

calentados. El origen de esta emisión es la imperfección de su estructura cristalina, que

provoca que algunos electrones libres se sitúen en niveles energéticos superiores a su

nivel fundamental. Cuando se produce un aporte de calor, parte de la energía se transmite

a estos electrones, los cuales, si se supera un límite de energía pueden escaparse de la

trampa estructural en la que se encontraban y descender a su nivel de energía más bajo o

fundamental, emitiendo en ese momento la energía sobrante en forma de luz (conocido

como TL).

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz

http://es.wikipedia.org/wiki/Aislante

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Mineral

http://es.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9cnicas_de_cronolog%C3%ADa_absoluta

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Dataci%C3%B3n_por_termoluminiscencia&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Minerales

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuarzo

http://es.wikipedia.org/wiki/Feldespatos

http://es.wikipedia.org/wiki/Silicato

http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio

http://es.wikipedia.org/wiki/Calcio

http://es.wikipedia.org/wiki/Sodio

http://es.wikipedia.org/wiki/Potasio

http://es.wikipedia.org/wiki/Estructura_cristalina

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrones

http://es.wikipedia.org/wiki/Nivel_energ%C3%A9tico


11


El cómo llegaron a situarse los electrones en dichos estados energéticos anómalos o

trampas, es mediante la absorción de la energía procedente de la radiación ambiental.

Cuando la radiactividad natural presente en el ambiente – la procedente de los isótopos

radiactivos naturales, como por ejemplo los del potasio (el isótopo radiactivo K-40) - incide

sobre una estructura cristalina, puede provocar que un electrón libre absorba la energía

incidente aumentando su nivel energético, y antes de retornar a su nivel fundamental

quede atrapado en las trampas cristalinas. Cuanto mayor sea la radiación que se reciba,

mayor será el número de electrones atrapados y mayor será la luz que se emita cuando

dicho material se caliente.

Vemos, por tanto, que la cantidad de luz que se emite en el momento del calentamiento

dependerá del tiempo que dicho material haya estado recibiendo radiación ambiental.

En la práctica para medir la termoluminiscencia de un mineral se necesitan hacer dos

operaciones: El calentamiento de la muestra y la medida de la luz emitida. Se coloca la

muestra en una placa calefactora. Seguidamente, se incrementa linealmente la

temperatura en una atmosfera de nitrógeno, para evitar la acción de oxigeno en el aire,

que podría provocar luz nociva a causa de la combustión de los restos orgánicos

presentes en la muestra cerámica. La medida de la luz se consigue utilizando un

fotomultiplicador, cuyo fotocátodo recoge los fotones despedidos por la muestra y los

transforma en estímulos eléctricos. Estos impulsos componen una corriente que muestra

el flujo luminoso producido por el mineral. Registrando esta corriente en el eje Y al mismo

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiactividad_natural

http://es.wikipedia.org/wiki/Potasio


12


tiempo que la temperatura de calentamiento en el eje X de un registrador, se tiene la

curva llamada “termo grama” cuya área es proporcional a la luz que emana el material.

En general, los principios que gobiernan la termoluminiscencia son esencialmente los

mismos de aquellos responsables de todos los procesos luminiscentes y, de esta forma,

la termoluminiscencia es uno de los procesos que componen el fenómeno de la

luminiscencia

El término radiación es muy amplio, abarca emisiones electromagnéticas como la luz

visible, la infrarroja y la ultravioleta, las microondas y las ondas de radio, los rayos-X y los

rayos gamma; y emisiones corpusculares como las partículas alfa y beta, los neutrones,

los electrones acelerados y algunos iones pesados. Sin embargo, se emplea muy a

menudo en el sentido de radiación ionizante; es decir, la que altera el estado físico de la

materia en la que incide, haciendo que sus átomos queden cargados eléctricamente, esto

es ionizados. En determinadas circunstancias, la presencia de tales iones en los tejidos

vivos puede perturbar los procesos biológicos normales. Por lo tanto, la radiación

ionizante puede constituir un riesgo para la salud humana si no se emplea en forma

apropiada y segura.

Por tal motivo, la medición de la cantidad de radiación, es decir, la dosimetría, es una

necesidad fundamental en las aplicaciones de las radiaciones y los radioisótopos; y muy

especialmente en el campo de la medicina.

Las radiaciones ionizantes de mayor uso para el diagnóstico y la radioterapia, son los

rayos X, los rayos gamma y las partículas beta; sin embargo, en los grandes centros

http://es.wikipedia.org/wiki/Luminiscencia


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médicos, se emplean también haces de electrones de alta energía, partículas pesadas y

neutrones.

La dosimetría de las radiaciones ionizantes en las aplicaciones médicas abarca tanto la

dosimetría en pacientes como la del personal ocupacionalmente expuesto (POE) y la

dosimetría ambiental o de área en hospitales. En el primer caso las exposiciones son

deliberadas y con el propósito de obtener un beneficio directo a la salud del paciente, y

por consiguiente el campo de radiación está bien definido. Su objetivo es valorar el riesgo

o la efectividad de la exposición. En los otros dos casos, el objetivo es verificar el

cumplimiento de límites establecidos en las normas de protección radiológica.

Este tipo de mediciones son efectuadas de manera más conveniente usando dosímetros

termoluminiscentes (DTL).

El mecanismo general para explicar el fenómeno de TL es el siguiente: al irradiar el cristal,

su estructura sufre alteraciones por la ionización; en este proceso se liberan electrones de

la red y se generan dos tipos de entes móviles: electrones y agujeros, ambos portadores

de carga, que pueden viajar por el cristal hasta quedar atrapados en defectos de la red,

generando centros de color.

Los electrones y agujeros permanecen atrapados hasta que se proporciona al material la

energía suficiente para liberarlos, volviéndolos a su estado natural antes de la irradiación.

Cuando esto ocurre, se desprenden del exceso de energía que adquirieron, emitiendo

fotones de luz visible. Si la energía que se proporciona al cristal para que los entes

móviles vuelvan a su estado original es térmica, se produce el fenómeno de TL. A la


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energía necesaria para liberar a los entes atrapados se le denomina energía de activación

o profundidad de la trampa.

Entre los fenómenos luminosos que han despertado interés están aquellos que

desprenden luz sin desprender calor, o que lo hacen sin una causa aparente, como un

incendio, una hoguera o el paso de una corriente eléctrica. Desde hace mucho tiempo se

conocen sustancias y animales que resplandecían en las sombras, por lo que

despertaban la curiosidad y las supersticiones.

Las primeras referencias acerca de las luciérnagas y los gusanos luminiscentes aparecen

en las crónicas chinas hace miles de años. Al cabo de unos años de esto, Aristóteles

observó la luz emitida por los peces en descomposición y este, registró lo que había visto.

También el avistamiento de luminosidad en los mares tropicales dio lugar a extrañas

leyendas, pero cuando eran contadas las tomaban como mentiras. Cristóbal Colón en su

primer viaje dijo que vio esas luces.

En 1565, Nicolás Monarde escribió acerca del extraordinario color azul intenso de una

parte acuosa de la madera. Esa misma solución fue estudiada casi 100 años más tarde

en Alemania, Italia e Inglaterra. Los que llevaron a cabo el estudio decían que cuando la

solución era iluminada con luz blanca aparecía una luz reflejada azul intensa, mientras

que la luz transmitida era amarilla. Nadie identificó entonces esa luz azul intensa como

emisión luminiscente hasta 1852, en que un físico inglés usando filtros y prismas

demostró que la luz incidente de una región espectral era absorbida y transformada por la


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solución en una luz emitida en una región espectral diferente, de mayor longitud de onda.

Demostró, con ayuda de este efecto, que el cuarzo es atravesado por las radiaciones

ultravioletas, mientras que el vidrio ordinario no lo es. Esta emisión luminiscente

desaparecía aparentemente de forma instantánea cuando se apagaba la luz incidente, tal

como hacían los espatos minerales.

La luminiscencia de los sólidos dicha por primera vez en 1603 por Vicenzo Cascariolo de

Bolonia, quien calentó polvos de barita natural (BaSO4) con carbón y encontró que la

mezcla resultante en forma de torta brillaba en la noche. Él observó que la piedra

aparentemente se cargaba de luz solar por el día y brillaba durante horas en la oscuridad.

Por esto se le llamó “piedra del Sol”. La piedra fue estudiada también por científicos

italianos. Por su aspecto poroso también la denominaron “esponja solar”, en la suposición

de que absorbiera la luz, tal como una esponja absorbe el agua.

En 1652, sin embargo, Nicolás Zucchi demostró, por medio de filtros ópticos, que el color

de la luz emitida durante la noche era la misma que cuando la piedra era expuesta a la luz

blanca o de otros colores, como azul o verde.

En 1640, Fortuna Liceti escribió la primera monografía acerca de la piedra de Bolonia a la

que los griegos llamaban litósforo o piedra de fósforo, donde fósforo significaba “dador de

luz”.

A partir de Cascariolo se designó como fosforescentes a las sustancias que presentaban

la propiedad de brillar durante largo tiempo después de excitadas. El término


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luminiscencia fue introducido en 1888 por un químico alemán para abarcar los dos

fenómenos, la fluorescencia y la fosforescencia, y definió a la luminiscencia como todos

los fenómenos luminosos no causados solamente por el aumento de la temperatura.

Hoy en día, la luminiscencia se entiende como el proceso por el cual un material genera

radiación no térmica (depende de las características del tipo de material).

Así, la luminiscencia es la emisión de luz por medios diferentes a la combustión y por eso

ocurre a temperaturas más bajas que las requeridas por la combustión. Un ejemplo de

luminiscencia es la luz, o brillo, emitido por el dial de un reloj luminoso. La luminiscencia

contrasta con la incandescencia, en que esta es la producción de luz por materiales

calentados.

Cuando ciertos materiales absorben varios tipos de energía, una parte de la energía se

emite como luz. Este proceso se efectúa en dos pasos:

a) La energía incidente hace que los electrones de los átomos del material absorbente se

exciten y salten de las órbitas internas de los átomos a las órbitas exteriores.

b) Cuando los electrones vuelven de nuevo a su estado original, emiten un fotón de luz.

El intervalo entre los dos pasos puede ser corto (menos de 0,0001 segundos) o largo

(muchas horas). Si el intervalo es corto, el proceso se llama fluorescencia; si el intervalo

largo, el proceso se llama fosforescencia. En ambos casos, la luz producida es casi

siempre de menor energía, es decir, de longitud de onda más larga, que la luz excitante.


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El interior de las lámparas fluorescentes tiene recubrimientos similares, que absorben las

invisibles, pero intensas componentes ultravioletas de la fuente de luz primaria y emite luz

visible. También se presenta un espectáculo interesante al usar sustancias fluorescentes

que son sensibles al ultravioleta, que al ser iluminados con esa luz producen un suave

brillo azuloso, a esto se le da el nombre de lámparas de luz negra y se usa en teatros y

espectáculos para lograr efectos luminosos, en la detección de minerales y en las

pantallas de los equipos de rayos X.

Un tipo especial de fluorescencia llamado emisión estimulada ocurre en el funcionamiento

de un láser. En dependencia de la clase de excitación que produce la luminiscencia se le

asignan diferentes nombres, que se señalan por prefijos, aunque en español se utiliza

muchas veces un par de palabras como luminiscencia catódica en lugar de

catodoluminiscencia, así tenemos 8 tipos distintos:

Quimioluminiscencia: Es causada por reacciones químicas, como cuando el

fósforo amarillo se oxida en aire, emitiendo una luminiscencia verde. Si la reacción

química ocurre en un organismo viviente, tal como la luciérnaga, el proceso se

llama bioluminiscencia.

Bioluminiscencia: Emisión de luz por organismos vivientes, sin calor apreciable.

La luz resulta de una reacción química de enzimas y ciertas otras sustancias en los

organismos. Bacterias, algas, hongos y varios animales invertebrados tienen

especies bioluminiscentes. Algunos peces de mares profundos están equipados


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con órganos que producen luminiscencia hacia la que se ve atraída la presa. La luz

emitida por la luciérnaga hembra atare al varón para el apareamiento.

Roentgen luminiscencia: Luminiscencia producida por rayos X de altas energías

al bombardear ciertos materiales; un ejemplo es la incidencia de los rayos X en una

pantalla fluoroscópica.

Catodoluminiscencia: Es conocida también como electroluminiscencia y es

debida a la excitación por electrones. Tiene lugar cuando ocurren descargas

eléctricas en presencia de gases enrarecidos o con vapores de ciertas sustancias.

De ahí los llamados rayos catódicos que se utilizan en las pantallas de diferentes

tipos de dispositivos, como: televisores, radares, etc.

Anodoluminiscencia e iono luminiscencia: Corresponden a la luminiscencia en

ánodos debida a la acción de iones positivos sobre la sustancia

Radio luminiscencia: Es la luminiscencia producida por la acción de materiales

radiactivos; se utiliza en los sistemas de centelleo para la detección y conteo de

partículas. El término no es específico acerca de qué tipo de “emisión” proveniente

de la radiactividad es la que la causa, es decir, alfa, beta o gamma.

Fotoluminiscencia: Es la creada cuando ciertos materiales son irradiados por luz

visible o luz ultravioleta; un ejemplo es la fosforescencia de pinturas.


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Sonoluminiscencia: Se ha observado en algunos líquidos orgánicos, es la

luminiscencia producida por ondas sonoras de ultra altas frecuencias, o

ultrasonidos.

Las aplicaciones prácticas de la Termoluminiscencia (TL) se iniciaron después de la II

Guerra Mundial, en la Universidad de Wisconsin, donde Daniels comienza a estudiar el

LiF (Daniels, 1953); sin embargo, tuvo que suspender su trabajo en 1956, debido a las

características poco adecuadas de este material para dosimetría. Fue en 1960, cuando

Cameron, en la misma universidad, reanudó las investigaciones sobre la TL del LiF

introduciendo a éste impurezas de Mg y Ti (Cameron, 1982), llegando a desarrollar el

famoso TLD-100 (LiF: Mg, Ti) el cual, no obstante que tiene algunas características

desfavorables, es todavía el dosímetro termoluminiscente (DTL) más popular y, para

mucha gente que conoce sólo superficialmente el campo, resulta sinónimo del término

DTL.

En México, la investigación acerca del fenómeno de TL y sus aplicaciones se inició en

1968. Desde entonces existen diversos grupos que la aplican en radioterapia,

radiodiagnóstico, protección radiológica, radiobiología, fitomejoramiento, etc. La

investigación ha estado enfocada principalmente hacia el estudio de la cinética de

recombinación entre los electrones y los agujeros y al desarrollo de nuevos materiales

para dosimetría.

En la actualidad, científicos de más de 50 países trabajan tanto en la investigación como

en las aplicaciones del fenómeno. Es tal la importancia que ha adquirido el estudio de la


20


TL y sus aplicaciones, que desde 1965 se lleva a cabo una Conferencia Internacional

Sobre Dosimetría de estado Sólido, en la que la TL tiene un papel preponderante. Así

mismo, en México se realiza cada año, a partir de 1988, un Congreso Nacional Sobre

Dosimetría de Estado Sólido.

Luminiscencia

La luminiscencia se presenta en una gran variedad de materiales tales como: cristales

inorgánicos, vidrios, cerámicas y compuestos orgánicos, así como en ciertos materiales

bioquímicos y biológicos. Los materiales que presentan este fenómeno pueden dividirse

en dos grandes grupos: materiales inorgánicos y materiales orgánicos. En los primeros, la

luminiscencia se debe principalmente a la formación de electrones libres y agujeros,

mientras que en los orgánicos a la formación de radicales libres.

En algunos casos se emite luz solamente mientras se mantiene la excitación, fenómeno

que se conoce como fluorescencia, con una duración aproximada de 10-8 segundos; y en

otros, la luz persiste cuando se elimina la excitación, fenómeno al que se le da el nombre

de fosforescencia, con una duración mucho mayor de 10-8 segundos.


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En vista de la similitud de estos dos fenómenos con el de termoluminiscencia (TL); ya que

los tres tienen el mismo origen y solo difieren en la manera en que se liberan de la

energía que les fue impartida, en seguida se explican con mayor detalle.

Fluorescencia y fosforescencia

Durante la fluorescencia, los electrones de un átomo o molécula excitados pueden

permanecer un promedio de 10-8 s en su estado excitado, volviendo a su estado

fundamental con la emisión de un fotón de longitud de onda más larga que la de la

radiación incidente.

En el proceso de fosforescencia, se presenta excitación electrónica en la misma forma

que en la fluorescencia, solamente que el regreso al estado fundamental no es tan rápido

como en el primer caso. El regreso del átomo o molécula a su estado base puede llevarse

a cabo en un tiempo comprendido entre 10-2 y 102s.

La explicación a este retraso es la existencia de estados excitados metaestables, cuyo

retorno al estado base se ve impedido por algunas causas como: la temperatura a la cual

el material es examinado, la naturaleza del agente excitante y las características de

saturación del material. La transición del estado meta estable al fundamental se puede

llevar a cabo mediante la aplicación de una excitación complementaria que puede ser, por

ejemplo, térmica.

La figura 1a representa el esquema de niveles de energía usado en luminiscencia. El

sistema emisor es producido por la excitación del nivel fundamental (f) al nivel excitado


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(e). El regreso al nivel fundamental se efectúa espontáneamente con emisión de luz en un

tiempo aproximado de 10-10 a 10-8 s, dando lugar a la fluorescencia. La figura 1b

representa un esquema similar al anterior. En este caso, interviene un estado meta

estable (m). El sistema queda en un estado excitado (e) para caer después al nivel meta

estable (m) que juega el papel de trampa, del cual no puede ser extraído; por lo que

permanece en ese nivel hasta que se le proporcione la energía suficiente (energía de

activación) para sacarlo de ese estado. Si el sistema no regresa al estado meta estable;

es decir, no es recapturado por la trampa, entonces pasa al estado fundamental (f)

emitiendo un fotón de luz, con lo que se produce el fenómeno de fosforescencia (Curie,

1963).

a) b)

Figura 1. Esquema de niveles de energía usado para explicar el fenómeno de luminiscencia

Luminiscencia en cristales

FLUORESCENCIA

ABSORCION EMISION

f

e

FOSFORESCENCIA

EMISION NIVEL METAESTABLE

E

e

m

f


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En un sólido cristalino aislante, se consideran tres espacios continuos de energía a los

que se llama bandas. Se denomina banda de valencia (BV) a la que está constituida por

el grupo de estados de energía que contiene a los electrones de la capa externa del

átomo (electrones de valencia); la que contiene los estados de energía que no pueden ser

ocupados por los electrones se llama banda prohibida (BP), y la que corresponde a los

primeros estados excitados, es decir, estados electrónicos con exceso de energía, se

llama banda de conducción (BC) y normalmente se encuentra vacía.

Antes de la irradiación, los átomos que constituyen un cristal están en su estado

fundamental. Los niveles energéticos de sus electrones están situados en la banda de

valencia. Si el sólido se somete a la radiación ionizante, ciertos electrones adquieren la

energía suficiente para ser sacados de sus órbitas y transferidos a la banda de

conducción, dejando los correspondientes agujeros en la banda de valencia.

En un sólido cristalino perfecto, los átomos ocupan posiciones ordenadas en una

estructura reticular periódica; por lo que la existencia de cualquier alteración en esta

estructura constituye un defecto.

En la naturaleza no existen cristales perfectos, sino que contienen un cierto número de

defectos o de átomos de impurezas que perturban el diagrama de energía. Los defectos o

imperfecciones pueden estar constituidos por la ausencia de iones de uno u otro signo,

llamada vacancia, o por iones intersticiales; es decir, iones de uno u otro signo, que por

razones diversas han sido desplazados de su posición normal en la red cristalina dejando

la correspondiente vacancia y quedando inmovilizados; si están en la superficie del cristal,


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se les llama defectos Schottky y si están en posiciones intersticiales dentro de la red

cristalina se les llama defectos Frenkel (ver figura 3).

La existencia de defectos en la red cristalina de un sólido es importante para que se

produzca el fenómeno de luminiscencia cuando el cristal es expuesto a un agente

excitante tal como las radiaciones ionizantes.

El hecho de que los defectos perturben el diagrama de energía del cristal, hace que se

creen localmente niveles de energía metaestables “permitidos” en la banda prohibida.

Ión alcalino Ión halógeno

Figura 2. Representación esquemática para un ión halogenuro alcalino perfecto


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Figura 3. Defectos Schottky y Frenkel en un sólido cristalino

Radioluminiscencia

Cuando un sólido cristalino es expuesto a la acción de un agente excitante, como las

radiaciones ionizantes, se producen electrones libres y consecuentemente agujeros.

Estos portadores de carga o entes móviles, migran por la red y pueden ser capturados por

las imperfecciones antes mencionadas; entonces decimos que están retenidos dentro de

las trampas.


26


En el caso, por ejemplo, de un electrón que se mueve en la banda de conducción, al

pasar por la proximidad de una vacancia de ion negativo o de un ion positivo intersticial,

sufrirá la atracción coulombiana de las cargas positivas correspondientes y podrá así ser

inmovilizado en una trampa, como se muestra en la figura 4, dando lugar a la formación

de centros de color.

Figura 4. Representación esquemática de Centros F

Se da el nombre de centros de color a determinadas configuraciones electrónicas

originadas por defectos de la red cristalina, cuyos niveles de energía producen bandas de

absorción óptica en longitudes de onda a las que el cristal es normalmente transparente

(Fowler, 1968). La posibilidad de absorber luz hace que el cristal se coloree, por lo que a

estas configuraciones se les llama centros de color.


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Al centro constituido por un electrón atrapado en una vacancia de ión negativo se le llama

centro F (Flick, et al., 1977). Se puede evidenciar la presencia de este tipo de centros,

estudiando el espectro de absorción óptica (mediante la presencia de la banda de

absorción F). Si el centro ha capturado dos electrones, se le llama centro F´; Por analogía

con el centro F, se le llama centro VF, a aquel constituido por un agujero situado en el

lugar de una vacancia de ión positivo.

Estos centros se pueden agrupar para formar agregados de dos, tres o cuatro centros,

dando origen a un centro M, R o N, respectivamente. El fenómeno de creación de centros

de color se puede provocar también induciendo estados metaestables, mediante la

introducción de impurezas a la red cristalina, con lo que se crean estados de energía

suplementarios en la banda prohibida, los cuales son susceptibles de jugar el papel de

trampas.

Este método es el más comúnmente utilizado para la creación de trampas porque permite

efectuar experimentos reproducibles. Por ejemplo, un cristal de LiF al que se le han

introducido una pequeña cantidad (ppm) de MgF2 se dice que está activado con

magnesio. El exceso local de carga positiva se compensa por la creación de una vacancia

de ión alcalino (Horowitz, 1984), que puede jugar el papel de trampa para agujeros.

Los cristales fosforescentes por lo general no son luminiscentes en estado puro; sino que

la luminiscencia se debe a la presencia de trazas de alguna impureza que crea los centros

de recombinación radiactiva. Estas impurezas reciben el nombre de activadores y dan

lugar a estados metaestables de energía en la banda prohibida, los que actúan como


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trampas o centros de recombinación. Si esta se lleva a cabo acompañada de emisión

luminosa se dice que se trata de una recombinación radiactiva en un centro luminiscente.

En un centro luminiscente, la probabilidad de emisión luminosa Pr es mayor que la

probabilidad de emisión no radiactiva o emisión de fotones, Pr >> Pnr; en el caso contrario

Pnr >> Pr se trata de un centro envenenado; como en el caso por ejemplo de fierro, níquel

o cobalto como impurezas de los sulfuros de zinc en los que actúan como venenos.

El fenómeno de luminiscencia recibe nombres particulares dependiendo del agente

excitante; así, lo llamamos radio luminiscencia cuando el agente excitante es la radiación

ionizante.

De la misma manera, la radio luminiscencia se denomina de acuerdo con el tipo de

energía que se proporciona a los centros luminiscentes para desexcitarlos. Si esta

energía se proporciona por medio de radiación de frecuencia óptica, el fenómeno se llama

radio fotoluminiscencia (RFL), y si la des excitación se logra con energía térmica se le

conoce como radio termoluminiscencia o más comúnmente como termoluminiscencia.

Termoluminiscencia

Ciertos sólidos previamente irradiados tienen la propiedad de emitir luz, si se eleva su

temperatura a un valor suficiente por debajo de su temperatura de incandescencia. A este

fenómeno se le conoce como radioluminiscencia térmicamente estimulada; sin embargo,


29


por razones históricas (Nambi, 1975), se le llama radiotermoluminiscencia o simplemente

termoluminiscencia (TL).

La importancia de este fenómeno en la dosimetría de la radiación ionizante radica en el

hecho de que la cantidad de luz emitida es proporcional a la dosis absorbida por el

material irradiado.

El mecanismo general para explicar el fenómeno de TL es el siguiente: al irradiar el cristal,

su estructura sufre alteraciones por la ionización; en este proceso se liberan electrones de

la red y se generan dos tipos de entes móviles: electrones y agujeros, ambos portadores

de carga, que pueden viajar por el cristal hasta quedar atrapados en defectos de la red,

generando centros de color.

Los electrones y agujeros permanecen atrapados hasta que se proporciona al material la

energía suficiente para liberarlos, volviéndolos a su estado natural antes de la irradiación.

Cuando esto ocurre, se desprenden del exceso de energía que adquirieron, emitiendo

fotones de luz visible. Si la energía que se proporciona al cristal para que los entes

móviles vuelvan a su estado original es térmica, se produce el fenómeno de TL

(Schulman, 1965). A la energía necesaria para liberar a los entes atrapados se le

denomina energía de activación o profundidad de la trampa.

Modelo de bandas de energía


30


Hasta la fecha, no hay una teoría que explique completamente el fenómeno de TL. Sin

embargo, varios modelos tratan de explicarlo a partir de la existencia de tres elementos

principales: los centros de recombinación, los entes móviles o portadores de carga y las

trampas. Además, se usa el modelo de bandas del sólido respecto a sus estados

electrónicos de energía. Se supone que en la banda prohibida existen estados excitados

de energía que tienen una vida media relativamente grande (estados metaestables), que

son producidos por los defectos de la red cristalina del material y pueden funcionar como

trampas o centros de recombinación.

Al interaccionar la radiación ionizante con el sólido, se puede proporcionar la energía

suficiente para crear los entes móviles; es decir, los electrones y los agujeros (portadores

de carga). Los primeros son transferidos de la banda de valencia a la de conducción,

mientras que los agujeros quedan en ésta al ocurrir la transferencia de los electrones.

Estos portadores de carga viajan por el cristal hasta que se recombinan; o bien son

atrapados en estados metaestables de energía, asociados con los defectos del material,

tal como se ilustra en la figura 5a. Posteriormente, durante el calentamiento del sólido

irradiado, los electrones y los agujeros son liberados de sus trampas para viajar por el

cristal, hasta que se recombinan emitiendo un fotón de luz visible como se muestra en las

figuras 5b a 5d.

a) Exposición del cristal a la radiación

b), c), y d) Calentamiento del cristal previamente irradiado.


31


Figura5. Diagrama de bandas de energía para explicar el fenómeno de

termoluminiscencia

Formación de la curva termoluminiscente

El proceso de emisión luminosa durante el calentamiento del cristal implica la

desocupación de las trampas en el cristal. Este proceso, se muestra en la figura 13. La

curva superior representa la probabilidad de desocupación de las trampas en función de

la temperatura; a baja temperatura, esta probabilidad es cero o despreciable ya que los


32


portadores de carga no tienen la suficiente energía cinética para escapar del pozo de

potencial.

A medida que aumenta la temperatura, la probabilidad de que las trampas se desocupen

aumenta y generalmente lo hace de cero a la unidad en un intervalo de temperatura de

283K (10ºC) a 323 k (50ºC). Durante este intervalo de temperatura, una fracción de los

portadores de carga liberados se dirige hacia los centros de recombinación haciendo que

disminuya la población de portadores de carga atrapados, por lo que la intensidad de la

luz emitida alcanza un máximo dando origen a un patrón de luminiscencia en función de la

temperatura llamado curva TL (Levy, 1974).

Si el cristal contiene más de un tipo de trampas (que es lo más común), este proceso se

repite para cada grupo de trampas, dando lugar a varios puntos de máxima intensidad de

emisión luminosa en la curva TL, los cuales se conocen comúnmente como picos TL.

Cada pico está caracterizado por la temperatura a la cual se presenta la máxima

intensidad de la emisión (Tm), por la energía de activación o profundidad de la trampa (E)

y por el factor preexponencial o factor de frecuencia (s).


33


Figura 6. Proceso de formación de la curva TL

Espectro de emisión

El hecho de que la luz emitida corresponda a fotones de diferentes energías da lugar a un

registro de su intensidad en función de la longitud de onda de la misma, que se conoce

como espectro de emisión TL; éste también puede presentar varios puntos de intensidad

máxima, a los cuales se les llama picos de emisión.

Dosimetría Termoluminiscente

En un material TL, el número de recombinaciones radiativas es proporcional al número de

iones atrapados y por lo tanto, al número de pares “electrón-agujero”, creados por

Temperatura

Inte

nsi

dad


34


ionización. En definitiva, la luminiscencia emitida es proporcional, dentro de ciertos límites,

a la dosis absorbida por la sustancia TL. Además, se ha demostrado que, tanto el área

bajo un pico TL como la amplitud del mismo, a una rapidez de calentamiento constante,

son proporcionales al número total de iones capturados en las trampas; por lo tanto, el

área bajo la curva TL es representativa de la energía luminosa liberada. Esta propiedad

es utilizada por la mayoría de los lectores TL comerciales en los que las medidas se

efectúan a partir de la emisión total de uno o varios picos de la curva TL.

Esto hace que los materiales TL pueden utilizarse como dosímetros en el intervalo en que

su respuesta es lineal con respecto a la dosis absorbida.

Instrumentación para la termoluminiscencia

El fenómeno de termoluminiscencia (TL) consistente en la emisión de luz por un material,

previamente expuesto a la radiación, al ser calentado por debajo de su temperatura de

incandescencia, tiene lugar en el instrumento de lectura. El principio de lectura de un

material TL es entonces directo y sencillo. En un tiempo relativamente corto (unos cuantos

segundos o unos cuantos minutos) el material TL debe ser calentado desde la

temperatura ambiente hasta aproximadamente 300ºC, y la luz emitida debe ser medida en

forma cuantitativa. Por consiguiente, un lector TL consiste básicamente de tres partes (ver

figura 7)

a) Sistema de calentamiento

b) Detector de luz


35


c) Sistema acondicionador de la señal

Figura 7. Diagrama esquemático de las componentes de un equipo lector

El diseño de un lector TL es relativamente fácil; sin embargo, hay que considerar algunos

problemas particulares inherentes a las características específicas del método de

dosimetría termoluminiscente (DTL) tales como las siguientes:

- La DTL es un método destructivo; es decir, casi toda la energía absorbida en el material se pierde durante el proceso de lectura.

- El comportamiento de un material TL depende de su historia térmica - La DTL es un método secundario por lo que se requiere alta estabilidad en el lector.

Durante los últimos años, se han desarrollado un gran número de sistemas de lectura TL

tanto comerciales como en laboratorios de investigación para uso propio. Se discuten los

principios de la instrumentación para DTL.

Componentes electrónicas de un lector TL

REGISTRO DE LA TL INTEGRADA

CURVA TL

SISTEMA DE

MEDICION DE

LA SEÑAL

SISTEMA DE

CALENTAMIENTO

SISTEMA DE

DETECCION

DE LUZ


36


El punto de partida para el diseño de la electrónica fundamental de un lector TL

convencional es la curva TL de un material.

La curva TL se define como el registro de la emisión luminosa de un material TL,

previamente expuesto a la radiación, en función del tiempo o de la temperatura de

calentamiento. Una curva TL puede presentar uno o varios picos (ver figura 9), los cuales

se pueden agrupar en la forma siguiente:

I) Pico(s) de precalentamiento

II) Pico(s) dosimétrico(s)

III) Pico(s) de pos calentamiento

Figura 8. Curva termoluminiscente típica

III II I

INT

EN

SID

AD

TL

TEMPERATURA


37


El pico o grupo de picos dosimétricos (región II de la figura 9) reciben este nombre porque

se ha encontrado que la dosis total suministrada a un material TL es proporcional a:

i) La altura del pico dosimétrico

ii) El área integrada bajo la curva TL en la región II de la figura 8

Sistema de calentamiento

Uno de los requisitos esenciales para el calentamiento de un material TL es que existe

óptimo contacto térmico entre el dispositivo que calienta y el material TL, ya que un

contacto térmico inapropiado afectará la reproducibilidad de los resultados.

Los métodos de calentamiento más comunes son aquellos que calientan la muestra en

forma indirecta tales como: plancheta de calentamiento, bloque de calentamiento (“dedo

caliente”), gas caliente, radiofrecuencia, frecuencia óptica laser.

Plancheta de calentamiento

Las planchetas de calentamiento pueden ser fijas o intercambiables y algunas son

calentadas indirectamente; pero por lo general actúan como el elemento calentador

mismo mediante el paso de una corriente eléctrica alta (del orden de 200 A) a través de

ella.

La energía eléctrica para alimentar la plancheta de calentamiento es proporcionada por lo

general por un transformador de bajo voltaje y alta corriente, conectando la plancheta al


38


secundario del transformador y cerrando el circuito con una resistencia pequeña

(alrededor de 10 m) al colocar la plancheta en la posición de lectura. Es común que ésta

vaya colocada en un cajón, el cual puede ser introducido o sacado de la cámara obscura

para leer o colocar el material TL respectivamente.

El material para la plancheta debe ser un metal de baja capacidad térmica, vida útil larga,

baja emisividad en la región infrarroja y que no sufra cambios apreciables en su

reflectividad. Además, la forma y tamaño de la plancheta deben adaptarse a la forma y

tamaño del material TL que se va a leer.

La temperatura de al plancheta se controla mediante el voltaje que la alimenta. Para dar

una señal de retroalimentación negativa a la unidad de control de voltaje, se utiliza un

termopar, el cual si se suelda a la plancheta proporciona un contacto adecuado pero limita

la posibilidad de cambiar la plancheta. Cuando el termopar se presiona contra la

plancheta el contacto térmico no es confiable y por lo tanto no se tiene reproducibilidad.

Una solución para ambos problemas consiste en calentar la plancheta en forma indirecta

por medio de un elemento de calentamiento separado el cual se pone en contacto con ella

y con el termopar soldado a dicho elemento. En cualquiera de los casos, el termopar debe

ir conectado a un circuito para controlar la temperatura.

Sistema detector de luz

Con el propósito de obtener la máxima eficiencia de detección de luz, el objetivo principal

es concentrar la mayor cantidad de la luz emitida por el material TL sobre el elemento

sensible del detector de luz.


39


Figura. 9 Respuesta espectral típica de algunos fotomultiplicadores comerciales.

El método más común para medir la luz cuantitativamente consiste en usar un tubo

fotomultiplicador (TFM) y, en principio, la máxima eficiencia se obtendría colocando el

material TL en contacto directo con el fotocátodo del TFM. Sin embargo, debido a la alta

sensibilidad del fotocátodo a la temperatura, se requiere una separación térmica. Para

conseguir este propósito se han aplicado varios métodos tales como: sistemas de lentes,

filtros térmicos, capas de agua, capas de vacío, tubos de luz, sistemas de espejos, etc.

Por lo general, el espectro de emisión TL se localiza en la región visible por lo que se

hace necesario usar filtros para absorber la radiación infrarroja.

Las características importantes para el buen funcionamiento del detector de luz de un

lector TL son: la respuesta espectral del fotocátodo, la sensibilidad, la corriente obscura y

la estabilidad en la amplificación.


40


La selección de la respuesta espectral depende del material TL que se desea medir. La

figura 10 da un ejemplo de varios TFM con diferente respuesta espectral.

La corriente obscura, es decir la corriente del ánodo del TFM generada por éste sin señal

luminosa, se debe principalmente a la emisión térmica de electrones del cátodo. Algunos

TFM, aún del mismo tipo, pueden presentar grandes variaciones en la corriente obscura;

por lo que es conveniente seleccionarlos por su bajo ruido. Además, la corriente obscura

se puede bajar enfriando el TFM. Otros factores que afectan el valor de la corriente

obscura son el área del fotocátodo y la corriente de fuga.

La sensibilidad y la razón señal-ruido pueden ser afectadas por campos magnéticos

generados por la electricidad usada para el calentamiento de la muestra; en especial

cuando se usa corriente directa. Este efecto se puede reducir aislando el TFM de campos

eléctricos y magnéticos. También debe tenerse en cuenta que debe hacerse un

compromiso entre sensibilidad y corriente obscura ya que al aumentar una aumenta

también la otra.

Flujo de gas

La mayoría de los lectores TL tiene un dispositivo para hacer fluir un gas dentro de la

cámara de calentamiento; es decir, en el volumen contenido entre el elemento de

calentamiento y el TFM. El flujo de gas sirve para reducir y estabilizar la corriente obscura

mediante el enfriamiento de la cara frontal del TFM y para suprimir la TL espuria.


41


Fuente de alto voltaje

En virtud de que la carga sobre el TFM es prácticamente independiente de la señal de

salida, se requiere que la corriente directa a la salida de la fuente de alto voltaje sea

constante. Esto se logra usando una entrada regulada de bajo voltaje en el circuito

oscilador.

Fuente de luz de referencia

Para verificar la estabilidad del lector TL y calibrar el sistema de lectura, por lo general, se

usa una fuente constante de luz de referencia esta fuente de luz se coloca cerca del

elemento de calentamiento de tal manera que al quedar éste en la posición de

intercambio de dosímetros, la fuente de luz quede colocada directamente frente al TFM.

Las lecturas de luz de referencia deben efectuarse durante intervalos de tiempo prefijados

y la lectura depende del alto voltaje aplicado al TFM. Estas fuentes de luz generalmente

consisten de una mezcla de un radionúclido de vida media larga emisor o (14C, 90Sr,

226Ra, 75Kr, etc.) con un material fluorescente. La interacción de la radiación con el

material fluorescente produce la emisión de luz.

Sistema acondicionador de la señal

Este sistema sirve esencialmente para convertir la señal de salida del TFM en una

magnitud que pueda medirse cuantitativamente. Esto puede hacerse de diversas

maneras, siendo las más comunes: conteo de pulsos, medición de corriente directa o

conteo de fotones (ver la figura 11)


42


Figura 10. Diferentes técnicas para medir la señal TL.

(a) Conteo de pulsos, (b) Integración de la corriente, (c) Conteo de fotones

TFM

CONVERTIDOR DE

CORRIENTE A

FRECUENCIA

ESCALADOR

MEDIDOR

DE RELACION GRAFICADOR

TFM AMPLIFICADOR CD

INTEGRADOR CD

MEDIDOR DE RELACION

SALIDA DIGITAL

TFM AMPLIFICADOR DE

PULSOS

ESCALADOR

MEDIDOR DE RELACION

GRAFICADOR

a)

b)

)

a)

c)

DISCRIMINADOR


43


En el método de conteo de pulsos, la corriente de salida del TFM es convertida en una

serie de pulsos de voltaje de amplitud fija, cuya frecuencia sea proporcional a la corriente

en varias décadas. La frecuencia del tren de pulsos puede medirse con un medidor de

relación (“ratemeter”) el cual proporciona una señal proporcional de voltaje entre 10 - 100

mV de corriente directa. El número de pulsos correspondientes a la TL emitida durante el

ciclo de lectura, puede ser contado y registrado en un escalador de pulsos.

En el método de medición de corriente integrada o carga, la corriente de salida del TFM

es amplificada por un amplificador de corriente directa. Esta corriente amplificada puede

ser registrada en un graficador X-Y. Para tener una salida visual, el integrador se acopla a

un sistema digital cuya entrada analógica sea la salida del integrador.

En el método de conteo de fotones, cada pulso formado en el ánodo del TFM corresponde

a un evento fotoeléctrico en el fotocátodo. Si varía la ganancia del TFM, sólo cambia la

amplitud del pulso y no la frecuencia. Los pulsos cuya altura se sabe que corresponden a

aquellos producidos por señales TL son seleccionados por medio de un discriminador el

cual no acepta los pulsos de baja amplitud asociados a la corriente obscura de origen

termoiónico.


44


Características dosimétricas de materiales

termoluminiscentes

Cualquier material que se pretenda sea útil en dosimetría en base al fenómeno de

termoluminiscencia debe presentar ciertas características básicas tales como: una curva

TL adecuada, buena sensibilidad, bajo umbral de detección, respuesta lineal en función

de la dosis, respuesta independiente de la energía, desvanecimiento bajo, buena

reproducibilidad, etc. En seguida se analizan cada una de estas características.

Curva termoluminiscente

Se utiliza el término curva termoluminiscente (curva TL), para indicar la representación

gráfica de la cantidad de luz emitida (intensidad TL) en función de la temperatura o del

tiempo. Este patrón de luminiscencia en función de la temperatura, es característico de

cada material TL y puede presentar uno o varios máximos, llamados picos TL, en

proporción a la concentración de los distintos tipos de trampas presente.

La aparición de picos TL a bajas temperaturas, indica que existen trampas en estados

metaestables de baja energía, que se desocuparán fácilmente a temperatura ambiente en

un corto tiempo; o bien, proporcionando al material un tratamiento térmico a baja

temperatura. Una curva TL con picos (de preferencia uno solo) entre 150ºC y 250ºC, será

la más apropiada para dosimetría, por lo que, aquellos materiales cuya curva TL presente

picos a temperaturas muy bajas o muy elevadas, será inconveniente. Así mismo, una

curva TL cuyos picos no están bien definidos, dificulta la selección del punto final de


45


integración de la luminiscencia (Azorín, 1984). La figura 1 presenta las curvas TL típicas

de los materiales TL más comunes.

La forma de la curva TL puede ser alterada por diversos factores. Así, es común que, en

la mayoría de los materiales TL, las variaciones en los niveles de exposición produzcan

cambios en la forma de la curva TL, debido a que no todas las trampas se saturan a la

misma exposición. Así mismo, un tratamiento térmico, previo a la lectura, modificará la

forma de la curva TL.

Sensibilidad

La sensibilidad de un material TL puede definirse como la cantidad de luz emitida por el

material por unidad de exposición a la radiación, y está determinada por su eficiencia TL

intrínseca, , la cual representa la proporción de la energía absorbida que se transforma

en fotones luminosos.

La determinación de este parámetro es muy complicada ya que depende de las

características del lector tales como la respuesta espectral del tubo fotomultiplicador

(TFM), el coeficiente de amplificación electrónica, etc. y de las características físicas del

material TL, especialmente de su transparencia óptica.


46


Figura 11. Curvas típicas de los materiales TL mas comunes

a) LiF:Mg,Ti

e) CaSO4:Dy

i) Al2O3:C

b) LiF:Mg, Cu, P

f) CaSO4:Tm

j) BeO THERMALOX 995

c) CaF2:Dy

g) BaSO4:Dy

d) CaF2:Tm

h) BaSO4:Eu


47


La sensibilidad de un material TL puede incrementarse al introducir un elemento extraño

en la estructura cristalina del compuesto original, el cual funciona como activador del

fenómeno.

Por consiguiente, la sensibilidad de un material TL es válida sólo para el equipo y a las

condiciones a las cuales se determinó. La tabla 1 muestra la sensibilidad de algunos

materiales TL con respecto al LiF (TLD-100) el cual se toma generalmente como material

de referencia.

TABLA 1. Sensibilidad relativa de los materiales TL más comunes.

Material TL Sensibilidad relativa

TLD - 100 1

LiF:Mg,Ti 1.5

LiF:Mg,Cu,P 25

CaF2:Dy 15

CaF2:Tm 20

CaSO4:Dy 20

CaSO4:Tm 18

BaSO4:Dy 15

BaSO4:Eu 100

- AL2O3:C 20

BeO 3


48


Umbral de detección

El umbral de detección de la respuesta de un material TL puede ser definido como la

dosis más pequeña que puede ser medida significativamente, respecto a la dosis cero de

un dosímetro no irradiado. Esta luminiscencia es similar a la espuria observada en

algunos materiales; por lo que es conveniente, utilizar atmósfera inerte (por ejemplo

Nitrógeno) al efectuar las lecturas. Es más importante determinar el umbral de detección

que la dosis mínima detectable ya que ésta depende no sólo de la sensibilidad del

material utilizado sino también de un cierto número de fenómenos parásitos que

intervienen en la aparición de una predosis aparente; éstos son:

- La corriente oscura del TFM.

- La emisión luminiscente de la plancheta de calentamiento.

- La emisión triboluminiscente.

- El fondo remanente.

La corriente oscura del fotomultiplicador se puede disminuir mediante el uso de un

sistema electrónico de compensación, seleccionando un TFM con baja corriente de fondo

y enfriándolo. Para hacer mínima la acción parásita de la emisión luminiscente de la

plancheta de calentamiento, se pueden tomar las siguientes acciones.

- Limitar la superficie emisora mediante un diafragma.

- Usar filtros ópticos apropiados.

- Seleccionar un TFM que tenga baja eficiencia para detectar emisión infrarroja.


49


El fenómeno de tribotermoluminiscencia es inducido al frotarse los cristales unos contra

otros ya que las tensiones superficiales creadas liberan su energía en la forma de emisión

luminiscente durante el calentamiento.

El polvo microcristalino presenta una tribotermoluminiscencia más importante que los

dosímetros sinterizados. Para eliminar este fenómeno, se debe evitar la presencia de

oxígeno sobre la superficie de la muestra. Esto se logra efectuando las mediciones en una

atmósfera inerte como Argón o Nitrógeno.

El fondo remanente se debe al hecho de que durante el proceso de lectura las trampas no

se desocupan en su totalidad ya que no es conveniente elevar demasiado la temperatura

de la plancheta. Por esto, es preferible regenerar los materiales TL mediante un

tratamiento térmico de borrado que permita eliminar completamente la información

anterior. Tomando en cuenta los parámetros anteriores, tanto inherentes al material TL

como al equipo de lectura, se puede determinar el umbral de detección. Por lo general se

admite que el umbral de detección sea igual a 1.5 veces la lectura de un dosímetro sin

irradiar (1.5 veces la dosis cero).

Respuesta termoluminiscente en función de la dosis absorbida

La curva de respuesta de un material TL en función de la dosis absorbida comprende por

lo general tres regiones: lineal, supralineal y de saturación (ver figura 12).


50


La región lineal es la más interesante porque en ella se efectúan las medidas con la

máxima precisión. Esta zona está limitada por los fenómenos generadores de señales

espurias mencionados anteriormente los cuales alteran la precisión de las mediciones.

Para fines prácticos, es conveniente utilizar la región lineal, o bien aquella en la que se

produzca una línea recta en escala logarítmica, para simplificar la calibración y uso del

material en dosimetría (Azorín, 1984).

Figura 12. Curva típica de respuesta de un material TL en función de la dosis

En la región de supralinealidad, la sensibilidad de muchos materiales TL se incrementa

con la dosis absorbida. El origen de este fenómeno aún no está bien determinado y puede

ser diferente según el material TL considerado. Para explicarlo se han propuesto diversas

hipótesis:

- Creación de nuevas trampas durante la irradiación (Cameron, et al., 1965).

_

_

INTE

NSI

DA

D T

L

ZONA LINEAL

ZONA

SUPRALINEAL

ZONA DE

SATURACION

DOSIS


51


- Creación de nuevos centros luminiscentes (centros de recombinación) (Cameron, et al.,

1967).

- Incremento de la eficiencia TL intrínseca debido a la multiplicación de posibilidades de

recombinación de un mismo portador de carga con más centros luminiscentes (Claffy, et

al., 1968).

- Presencia de centros de recombinación no radiativa o centros de envenenamiento que

limitan la eficiencia TL intrínseca en la región lineal (Cameron, et al., 1968a)

- Acción de un nivel de atrapamiento intermedio (Portal, 1978)

Si bien la sensibilidad de los materiales TL es superior en la zona supralineal, la precisión

de las mediciones es inferior a la que se obtiene en la zona lineal. Esto se debe a la

necesidad de introducir un factor de corrección, el cual genera errores suplementarios, y

que varía notablemente con la transferencia lineal de energía de la radiación (Cameron, et

al. 1967)

La zona de saturación se alcanza cuando todas las trampas están ocupadas

presentándose un fenómeno de inversión de la sensibilidad, consecutivo a la coloración

de los cristales y a la destrucción de ciertos elementos de la estructura cristalina por

efecto de la irradiación.

Para la mayoría de los materiales TL, esta inversión se presenta entre 104 y 106 Gy. Es

evidente que las mediciones efectuadas en la vecindad de este punto implicarán un error

demasiado grande.


52


Debe hacerse notar que el tratamiento térmico de regeneración aplicado a un material TL

irradiado hasta la zona de saturación no le restituye sus propiedades iniciales. Por tal

motivo, es recomendable no utilizar nuevamente un material TL que haya sido expuesto a

dosis altas de radiación.

Respuesta termoluminiscente en función de la energía y del tipo de radiación

La figura 13 muestra la respuesta teórica de diversos materiales TL en función de la

energía de la radiación electromagnética incidente, para una dosis absorbida en aire de

10 mGy. En la zona inferior a 150 keV predomina el efecto fotoeléctrico ya que el

coeficiente másico de absorción de energía varía considerablemente en función de la

energía de los fotones y del número atómico efectivo del material considerado. Por esta

razón, los materiales compuestos por elementos de número atómico bajo, presentan una

respuesta que varía poco con la energía de la radiación. Materiales tales como el BeO,

Li2B4O7 y LiF resultan de particular interés porque su respuesta en función de la energía

es prácticamente constante; por lo que se dice que estos materiales son equivalentes al

tejido.

Los materiales cuyo número atómico efectivo es alto como el CaSO4 y el Al2O3 presentan

una sensibilidad muy alta a bajas energías (Azorín and Gutiérrez, 1989; Azorín et al.,

1993a).


53


Desvanecimiento

Después de exponer un material TL a la radiación ionizante, la medida latente de la dosis

absorbida se relaciona con el número de portadores de carga que permanecen en los

diferentes niveles de atrapamiento. La liberación no intencional de estos entes móviles

antes del proceso de lectura, se denomina desvanecimiento. Este puede deberse a la

liberación de los portadores de carga estimulada por medios térmicos, ópticos o por una

combinación de ambos.

Un desvanecimiento térmico alto, generalmente está indicado por la presencia de un pico

TL a baja temperatura o por un pico demasiado ancho con una componente a baja

temperatura.


54


Figura 13. Respuesta teórica de diversos materiales en función de la energía de

radiación.

1) LiF:Mg,Ti

4) Al2O3:C

2) Li2B4O7:Mn

5) CaSO4:Dy

3) BeO THERMALOX 995

4) CaF2:Tm

La exposición de un material TL irradiado a fotones de luz visible o UV puede ocasionar

desvanecimiento de su respuesta ya sea por una pérdida y/o una redistribución de los

portadores de carga atrapados. Por tal motivo, para prevenir el desvanecimiento es

conveniente guardar los dosímetros irradiados en lugares donde la temperatura ambiente

no sea muy alta y protegidos de la luz.

En algunas ocasiones es conveniente provocar intencionalmente el desvanecimiento de

los picos de baja temperatura, sometiendo el material TL a tratamientos térmicos a baja

temperatura con el propósito de estabilizar su respuesta.

Reproducibilidad

La reproducibilidad de un dosímetro TL significa, idealmente, que debe obtenerse siempre

la misma lectura al irradiar un mismo dosímetro a la misma dosis un determinado número

de veces, borrándolo térmicamente en cada ocasión.

Un material TL óptimo para dosimetría debe tener una reproducibilidad no mayor de 4%

después de repetir hasta diez o doce ciclos continuos de tratamiento de borrado térmico,

irradiación y lectura de los mismos dosímetros.


55


Influencia de las condiciones ambientales

Temperatura

La temperatura tiene un efecto directo sobre la estabilidad de la información contenida en

un material TL. Si los detectores son irradiados o mantenidos a una temperatura superior

a la ambiente deberán seleccionarse materiales con trampas más profundas que serán

los que presenten mayor estabilidad a altas temperaturas.

Humedad

La humedad ambiente altera la superficie de algunos cristales y modifica su transparencia

y por consiguiente su sensibilidad. Este fenómeno es importante para algunos materiales

TL higroscópicos como el Li2B4O7. La tabla 2 hace referencia a la solubilidad de algunos

de los materiales TL más comunes.

TABLA 2. Solubilidad de materiales termoluminiscentes

Material TL Solubilidad

LiF 0.027% en agua fría

CaF2 0.00016% en agua fría

CaSO4 0.02% en agua fría, H2SO4

BaSO4 0.024% en agua fría

Al2O3 insoluble

BeO H2SO4, H3PO4 conc.


56


Efecto de la luz

La acción de la luz sobre un material TL se puede manifestar de dos maneras:

- Aumento de la señal de fondo, cuando la energía absorbida es suficiente para hacer que

los portadores de carga llenen algunas trampas. Es el caso, por ejemplo, del CaSO4:Dy o

del Al2O3:C en los que la exposición prolongada a la luz natural produce un incremento

apreciable en el fondo (Azorín et al., 1984a; Rivera, 1993).

- Desvanecimiento de la información por estimulación óptica de los portadoras de carga

retenidos en las trampas. Este fenómeno es particularmente importante en algunos

materiales TL como el CaSO4:Sm.

Por lo general, los materiales TL deben mantenerse protegidos de la luz y sólo sacarlos

de sus contenedores en el momento de efectuar las mediciones.

Requisitos que debe cumplir un material TL para dosimetría

Un material TL para uso dosimétrico debe combinar varias características que limitan la

elección a sólo algunos compuestos. Las principales propiedades deseables de un

material TL para usarse en dosimetría son:

- Alta concentración de electrones y/o agujeros y una alta eficiencia en la emisión de luz

asociada con el proceso de recombinación.

- Estabilidad de las trampas suficiente para no provocar desvanecimiento indeseable aún

en largos períodos de almacenamiento a temperatura ambiente o temperaturas


57


ligeramente mayores; tales como lugares tropicales o desérticos; o como en el caso de los

usos médicos, a la temperatura del cuerpo humano (37ºC)

- Un espectro de emisión al cual respondan bien la mayoría de los tubos

fotomultiplicadores, y tal que interfiera lo menos posible con la emisión infrarroja del

material TL y sus alrededores (entre 350 a 600 nm).

- El pico principal en su curva TL esté entre 180 y 250ºC; ya que a mayor temperatura la

emisión infrarroja y del portamuestras interfieren con las mediciones para dosis bajas.

- Una distribución de trampas que no complique el proceso de evaluación por la presencia

de picos de muy baja o muy alta temperatura.

- Resistencia ante agentes ambientales perturbadores de la respuesta, tales como: luz,

temperatura, humedad, solventes orgánicos, humos y gases.

- Su respuesta debe ser lineal en un amplio intervalo de dosis y prácticamente

independiente de la energía de la radiación.

- Fácil de manipular, no tóxico, barato, que no se deteriore con el tiempo, que no presente

triboluminiscencia, etc.

OTRO METODO DE DOSIMETRIA

LIOLUMINISCENCIA

Entre los métodos de dosimetría conocidos, resulta de especial interés la luminiscencia;

basada en la emisión de fotones de luz visible al disolver en agua u otro solvente

apropiado un sólido seco, previamente irradiado. Este termino derivado del griego “lysis”


58


(ruptura) y de luminiscencia (emisión de luz), resultando ser Lioluminiscencia (LL), la

emisión de luz al disolver una sustancia sólida previamente expuesta a la acción de un

agente excitante como las radiaciones ionizantes.

El fenómeno de la lioluminiscencia ocurre cuando los radicales libres formados por

la acción de la radiación gamma sobre el sólido, son liberados en el momento de la

disolución y se recombinan entre si o con el oxígeno del disolvente, formando nuevas

especies en estado excitado, las cuales se desprenden de su exceso de energía

emitiendo fotones en la región visible del espectro electromagnético. Estos radicales libres

pueden permanecer estables por períodos de tiempo largos y ser así de uso práctico en

dosimetría.

La producción de radicales libres en sistemas químicos y biológicos como

consecuencia de la absorción de la radiación ionizante, ha sido confirmada por medio de

la técnica de Resonancia Paramagnética Electrónica (RPE) para determinar la intensidad

relativa de los radicales libres.

El proceso de lioluminiscencia implica en primer lugar la formación de radicales

libres por absorción de la energía y en segundo lugar, la emisión luminosa al ser liberados

los radicales libres en el momento de la disolución

Los materiales que presentan el fenómeno de la lioluminiscencia deben presentar

ciertas características tales como:

Ser sólidos con estructura cristalina

Tener buena solubilidad


59


Presentar estabilidad química y física antes y después de la irradiación

Estabilidad debido a los puentes de hidrogeno

Tales materiales pueden clasificarse en compuestos orgánicos e inorgánicos como

los que se muestran en la tabla 3.

TABLA 3. Materiales lioluminiscentes orgánicos e inorgánicos más comunes


60


Factores que afectan la emisión luminosa producida por LioLuminiscentes.

Los factores que afectan la emisión luminosa producida por el fenómeno de Lioluminiscencia se resumen en tres clases:

a) Factores que dependen del disolvente

Tipo y PH Volumen y concentración Impurezas

b) Factores que dependen del potenciador

Tipo Concentración Impurezas

c) Factores que dependen del material:

Pureza Tratamiento térmico

Almacenamiento después de la irradiación Exposición a la humedad y a la luz. Temperatura de disolución Tamaño de la partícula Masa.

Mecanismo lioluminiscente

Para analizar el mecanismo que gobierna este fenómeno es necesario considerar algunos aspectos:

1 La formación de radicales libres mediante la interacción de la radiación ionizante con el

material LL.

2 El mecanismo químico de la emisión de luz durante la disolución de estos compuestos


61


3

Formación de radicales libres:

La radiación ionizante cuando interacciona con la materia libera electrones secundarios

que producen una nueva ionización y la excitación de moléculas que se encuentran a lo

largo de su trayectoria, con la consecuente disociación y la formación de radicales libres.

La ionización se presenta con mayor frecuencia en los compuestos de red cristalina iónica

(sólidos inorgánicos), mientras que la excitación o formación de radicales libres es

característica de los compuestos orgánicos (figura 14a) que poseen red cristalina

molecular al disociarse en una solución acuosa (figura 14b).

Figura 14. Representación esquemática del proceso del fenómeno de lioluminiscencia

Irradiación Disolución

a) Formación de radicales libres b) Emisión de luz


62


Si la acción se inicia al ionizarse una molécula A se produce un ion positivo A+ y un

electrón libre (e-), conteniendo ambos una gran cantidad de energía. El electrón

expulsado es capturado rápidamente por otra molécula transformándose esta en un ion

negativo (B-). El resultado final es la formación de dos iones, uno positivo y otro negativo.

A ------ A+ + e-

e- + B ------ B-

El tipo de ion negativo que se forma dependerá del tipo de moléculas que rodeen a

la molécula que ha perdió al electrón y de su afinidad relativa hacia los electrones.

El electrón libre también puede ser capturado por el ion positivo del cual fue

expulsado. La molécula firmada por esta recombinación tiene mayor cantidad de energía

que cuando se encuentra en su estado normal, dando lugar a la formación de una

molécula A* excitada.

A+ + e- ------ A*

Esta molécula excitada puede sufrir ruptura del enlace para dar la formación de

radicales libres.

A* ------ M* + N*

O una distribución de los enlaces para dar nuevas moléculas.

A* ------ D + E


63


La ionización se presenta con mayor frecuencia en los compuestos de red cristalina

(sólidos inorgánicos) mientras que la excitación da como resultado a la formación de

radicales libres.

Características de los radicales libres:

Los radicales libres son átomos o moléculas que tienen uno o mas electrones

desapareados, disponibles para formar enlaces químicos, por la ruptura del enlace

covalente de la molécula.

R:S ------ R* + s*

El proceso es reversible, es decir. Se puede presentar el proceso de combinación

de los dos radicales para da una molécula estable:

Las reacciones entre los radicales pueden ocurrir dependiendo de la concentración y

de la reactividad de las moléculas, dando origen a las siguientes características:

a) Dos radicales pueden unirse y compartir sus electrones impares en una unión química,

volviéndose a formar el producto original, sin producir cambio neto en el sistema, proceso

conocido como recombinación de radicales libres.

RH ------ R* + H*

b) Dos radicales pueden unirse provenientes de otras moléculas formándose una nueva

molécula, cuya presencia puede influir definitivamente en el sistema, fenómeno

denominado combinación de radicales.

R* + S* ------ RS


64


c) Dos radicales pueden reaccionar con una molécula ordinaria (O2) formando óxidos,

que además de ser muy reactivos, representan una nueva molécula en el sistema que

puede producir alteraciones.

R* + O2 ------ RO*2

Las propiedades físicas de los radicales así formados son: paramagnetismo,

excitación electrónica entre los subniveles triplete y decaimiento del estado electrónico

excitado, mediante la emisión de fotones en la región visible del espectro. Las dos

primeras se utilizan para estudiar a los radicales libres por una técnica que se conoce

como Resonancia Paramagnética Electrónica o Resonancia del Espín Electrónico (RPE o

REE), la cual nos permite medir directamente el paramagnetismo de un electrón

desapareado, la ultima es responsable del fenómeno de lioluminiscencia.

Etapas de emisión

La interacción de la radiación ionizante con el material LL da como resultado la

formación de radicales libres y al regresar a su estado lo hacen emitiendo un fotón de luz.

Se cree que la emisión luminosa es responsabilidad de estos radicales que se produce

mediante reacciones subsecuentes durante la disolución del sólido. Estas reacciones en

sólidos orgánicos disueltos en agua suelen ser por lo general en tres etapas.

1


65


1 Iniciación Proceso primario

2

Propagación

Proceso secundario

3 Terminación

TABLA 4. Etapas de la emisión lioluminiscente

1.- Reacción de iniciación:

R:S ------ R* + S* (1)

2.- Reacciones de propagación:

Los radicales libres (R*), fijan al oxigeno formando un radical peróxido que constituye el

segundo portador de la cadena.

R* + O2 ------ ROO* (2)

ROO* + RH ------ ROO + R* (3)

3.- Reacciones de terminación:

La finalización o ruptura de la cadena de reacción, puede producirse mediante la

combinación de los dos tipos de radicales formados en la etapa de propagación:

R* + R* ------ R – R (4)


66


R* + ROO* ------ R - OOR (5)

ROO* + ROO* ------ R - R + (O2)*2 (6)

(O2)*2 ------ 2O2 + h (7)

En este esquema, la reacción (2) suministra al producto principal para las reacciones de

terminación

Materiales Lioluminiscentes

Prácticamente todas las sustancias sólidas solubles presentan el fenómeno de

lioluminiscencia. Sin embargo, las de mayor interés son los compuestos orgánicos que

constituyen los alimentos, tales como los carbohidratos y los aminoácidos, así como los

alimentos en polvo. La lioluminiscencia también se observa en compuestos inorgánicos

solubles, como los alogenuros alcalinos, y en sustancias tan diversas como los ácidos

nucleicos, polímeros plásticos, celulosa y hasta en algunas partes del cuerpo humano,

como el pelo y las uñas.

Instrumentación para la lioluminiscencia

El equipo de lectura para la lioluminiscencia es sencillo (ver figura 15); debe

constar de un dispositivo para llevar a cabo la disolución del material LL (celda de

disolución), un instrumento fotosensible para detectar la luz emitida durante la disolución y


67


transformarla en una señal eléctrica (TFM) y un sistema electrónico para integrar la señal,

o bien para contar los pulsos de corriente producidos.

En la actualidad no existen lectores lioluminiscentes comerciales, por lo que

nuestro grupo de investigación ha construido su propio equipo de lectura modificado de

un equipo de lectura termoluminiscente eliminando el sistema de calentamiento.

Figura 15. Sistema de lectura para el fenómeno de lioluminiscencia

Celda de disolución

Filtros ópticos

H.V.

Inyector

Amplificador

Lentes

Integrador

Espejo


68


Aplicaciones de la Lioluminiscencia

En la actualidad a principal aplicación de la LL se da en la dosimetría de la

radiación ionizante debido a que se basa fundamentalmente en el hecho de que la

cantidad de luz emitida por el material LL expuesto previamente a un agente excitante es

proporcional a la dosis de radiación recibida.

Las características tanto físicas como químicas de los radicales libres formados

permiten que el método de lioluminiscencia sea útil en diversos campos de la dosimetría

de la radiación ionizante, tales como: irradiación de alimentos, irradiación industrial, en

las aplicaciones médicas así como en accidentes radiológicos, debido al intervalo de dosis

de respuesta de los materiales. Aunque todavía no se aplica en la dosimetría de

radiodiagnóstico ni en la dosimetría personal. Aunque el mayor interés de la respuesta

lioluminiscente de diversos materiales, se ha enfocado a la radiación gamma existe la

evidencia satisfactoria de la respuesta LL de estos materiales a la dosimetría de

neutrones, electrones, etc.

Los dosímetros LL comparados con otros dosímetros de estado sólido, son los que

más se aproximan al agua y al tejido blando.


69


APLICACIONES MÉDICAS

El término radiación es muy amplio, abarca emisiones electromagnéticas como la luz

visible, la infrarroja y la ultravioleta, las microondas y las ondas de radio, los rayos-X y los

rayos gamma; y emisiones corpusculares como las partículas alfa y beta, los neutrones,

los electrones acelerados y algunos iones pesados. Sin embargo, se emplea muy a

menudo en el sentido de radiación ionizante; es decir, la que altera el estado físico de la

materia en la que incide, haciendo que sus átomos queden cargados eléctricamente, esto

es ionizados. En determinadas circunstancias, la presencia de tales iones en los tejidos

vivos puede perturbar los procesos biológicos normales. Por lo tanto, la radiación

ionizante puede constituir un riesgo para la salud humana si no se emplea en forma

apropiada y segura.

Dosimetría

La medición de la cantidad de radiación, es decir, la dosimetría, es una necesidad

fundamental en las aplicaciones de las radiaciones y los radiosótopos; y muy

especialmente en las aplicaciones médicas.

La dosimetría puede efectuarse directamente en el paciente o bien en fantoma; la primera

se logra colocando los dosímetros en los sitios de interés para el médico, ya sea sobre la

superficie del paciente y/o dentro del mismo, mientras que, la dosimetría en fantoma se

efectúa con el fin de conocer la distribución de la dosis en situaciones en las que no

resulta posible colocar dosímetros dentro del paciente, por lo que éste se simula por


70


medio de un tanque lleno de agua o de un maniquí de cera y parafina o de algún otro

material cuyo número atómico efectivo se asemeje al tejido humano.

Dosimetría de fantoma

Las mediciones en fantoma, se efectúan como simulación del tratamiento para diversos

individuos, colocando los dosímetros a diferentes profundidades, determinadas por los

puntos de interés en el paciente. Este método se utiliza para determinar porcentajes de

dosis a profundidad, para lo cual es preciso generar las correspondientes curvas de

isodosis en el interior de un fantoma. Con el propósito de obtener la distribución de dosis

adecuada en el paciente, se requiere un gran número de cálculos y expresiones

analíticas, por lo que resulta conveniente el uso de métodos automatizados para el

procesamiento de los datos obtenidos de las mediciones.

Dosimetría en pacientes

La dosimetría “in vivo” se hace colocando los dosímetros en puntos sobre el paciente, ya

sea para medir dosis de entrada, dosis de salida, efectividad de protecciones o dosis a

zonas distantes del campo de radiación, como puede ser el caso de las gónadas en

pacientes jóvenes afectadas de cáncer de mama. Esta información es valiosa porque se

puede utilizar para modificar el plan de tratamiento o como un control de la calidad del

mismo.

Las radiaciones ionizantes de mayor uso para el diagnóstico y la radioterapia, son los

rayos X, los rayos gamma y las partículas beta; sin embargo, en los grandes centros


71


médicos, se emplean también haces de electrones de alta energía, partículas pesadas y

neutrones.

La dosimetría en las aplicaciones médicas de las radiaciones difiere de la dosimetría del

personal ocupacionalmente expuesto o de la dosimetría ambiental, en que las

exposiciones son deliberadas y con el propósito de obtener un beneficio directo a la salud

del paciente, y por consiguiente:

1. El campo de radiación está bien definido

2. El objetivo de la dosimetría es valorar el riesgo o la efectividad de la exposición y no

verificar el cumplimiento de límites establecidos.

Este objetivo requiere conocer las dosis recibidas por órganos radiosensibles o por

tumores dentro del paciente.

La dosis a un órgano o tumor generalmente no se puede medir en forma directa debido a

las dificultades obvias de introducir dosímetros en las partes apropiadas del paciente.

Estas dosis pueden calcularse considerando modelos apropiados de la anatomía del

paciente y del campo de radiación a partir de mediciones sobre la piel, donde se pueden

efectuar éstas con relativa facilidad.

Este tipo de mediciones directas son efectuadas de manera más conveniente usando

dosímetros termoluminiscentes (TL).


72


Los dosímetros TL presentan ciertas características que los hacen apropiados para

dosimetría de pacientes, siendo una de las más importantes su tamaño pequeño, ya que

pueden ser adheridos a éste sin ocasionarle molestias ni interferir con su movimiento.

Además, en radiodiagnóstico es poco probable que los dosímetros termoluminiscentes

produzcan una imagen sobre la película radiográfica tal que interfiera con alguna

información diagnóstica útil.

Estas ventajas contrastan con el uso de cámaras de ionización las cuales generalmente

son de mayor tamaño y además requieren alguna conexión permanente con algún equipo

electrónico y por lo tanto son difíciles de adherir a los pacientes, restringiendo su

movimiento en forma severa y ocasionando una gran interferencia en las radiografías.

Otras características de los dosímetros termoluminiscentes que los hacen apropiados

para su uso en las aplicaciones médicas son:

a) Buena equivalencia con el tejido.

b) Bajo desvanecimiento.

c) Sensibilidad alta.

d) Buena precisión y exactitud.

e) Inalterables por las condiciones ambientales (temperatura, humedad).


73


En virtud de que el radiodiagnóstico y radioterapia se manejan diversos tipos de radiación

y varios niveles de dosis se requieren diferentes características en los dosímetros TL que

se han de usar en una y otra aplicación:

Otro tipo de las aplicaciones “in vivo” lo representan las mediciones intracavitarias, como

en el caso de la dosimetría en el recto en implantes intrauterinos, ya que si éste se hace

en forma incorrecta, la dosis al recto puede elevarse a niveles tales que produzcan

rectitis.

Radiodiagnóstico

Las dosis a los pacientes de radiodiagnóstico y deben ser tan controladas como en

radioterapia ya que el resultado de un examen radiológico no depende tanto de la dosis

como una exposición con fines terapéuticos.

En radiología la pertinencia de una exposición está determinada por la calidad de la

imagen y raramente se requiere un estricto control de la exposición ya que en exámenes

justificados pesa más el beneficio de mejorar el diagnóstico que los riesgos de la

radiación.

Sin embargo, existe evidencia clara de que las dosis absorbidas por pacientes sometidos

al mismo tipo de examen radiológico varían mucho en la práctica, de un paciente a otro.

Además de que, la radiología médica contribuye en gran medida a la dosis colectiva de la

población.


74


La optimización de los procedimientos de radiodiagnóstico requiere por lo tanto la

valorización de eficacia del diagnóstico así como la medición de las dosis a los pacientes.

Por lo tanto, se necesitan criterios para establecer la calidad necesaria de la imagen para

asegurar el diagnóstico y determinar la dosis requerida por el receptor de la imagen y por

consiguiente la dosis al paciente.

La dosimetría deberá estar dirigida hacia:

a) Establecer que las dosis recibidas por el paciente están acordes con el funcionamiento

óptimo del equipo (parte del programa de aseguramiento de calidad).

b) Comparar la dosis entre diferentes equipos y técnicas para optimizar el diseño y el

funcionamiento de equipo nuevo.

c) Estimar el riesgo de los pacientes.

El dosímetro TL más apropiado para radiodiagnóstico debe tener las siguientes

características:

1) Accesible en la forma física apropiada

2) Equivalencia con el tejido

3) Bajo desvanecimiento

4) Exactitud ( 10% de 100 Gy a 1 Gy)


75


Radioterapia

La aplicación, con éxito, de las radiaciones ionizantes con propósitos terapéuticos

requiere de dosis elevadas en un volumen definido pata matar todas las células malignas

causando el menor daño posible a los tejidos sanos que las rodean.

Es esencial que la dosis aplicada sea muy exacta, ya que se han observado regresiones

inadecuadas de tumores cuando la dosis aplicada está por debajo de 5% de la dosis

especificada para el tumor considerado; mientras que, si éstas sobrepasan ligeramente la

dosis especificada puede ocurrir un daño inaceptable en los tejidos sanos.

Los modernos métodos de tratamiento en radioterapia son computarizados. Así, los datos

de dosis a profundidad para diferentes geometrías del campo y para la máquina en

particular que se esté usando se almacenan en la memoria de la computadora junto con

los datos anatómicos de cada paciente. Sin embargo, aún con planes de tratamiento tan

sofisticados no se excluye la posibilidad de error por lo que es importante la verificación

de estos planes de tratamiento teóricos mediante mediciones directas de dosis. Por

fortuna, la naturaleza fraccionada de la mayoría de las exposiciones en radioterapia en

que las dosis se administran a intervalos diarios durante muchas semanas permite la

verificación “in vivo” de la dosis durante el curso del tratamiento y la consecuente

corrección si ésta fuera necesaria.

El tamaño de los dosímetros TL es una ventaja todavía mayor en radioterapia que en

radiodiagnóstico, ya que en la primera existen posibilidades de colocar el dosímetro

dentro del paciente ya sea en forma intracavitaria o en implantes.


76


El dosímetro TL más apropiado para radioterapia debe tener las siguientes

características:

a) Accesible en forma física apropiada

b) Equivalencia con el tejido.

c) Bajo desvanecimiento.

d) Exactitud ( 3% de 10 mGy a 10 Gy)

La necesidad de buena equivalencia con el tejido para energías abajo de 100 keV es

relevante solo para terapia superficial donde se usan rayos-X de 10-50 keV, aunque se

pueden usar también electrones de alta energía.

Por lo general, se requiere un nivel de exactitud mayor en radioterapia que en

radiodiagnóstico pero a niveles de dosis mucho más altos por lo que no se requiere una

gran sensibilidad.

El fluoruro de litio, debido a sus características dosimétricas y a su equivalencia con el

tejido y con el aire, resulta ser uno de los materiales TL más apropiados para la

dosimetría en las aplicaciones médicas de la radiación.


77


Dosimetría de área

Un aspecto significativo del monitoreo de área en las instalaciones hospitalarias, es la

limitación de la exposición tanto del personal médico, personal de apoyo (enfermeras,

técnicos radiólogos) como del público en general.

La dosimetría termoluminiscente se emplea mucho en los programas de monitoreo de

área en instalaciones médicas, debido su alta reproducibilidad en el intervalo de dosis del

orden de micrograys (Gy) ya que se requiere medir dosis del orden de 10 Gy.h-1.

Para la aplicación de la dosimetría termoluminiscente (DTL) en monitoreo de área, se han

desarrollado criterios de funcionamiento y técnicas especiales con el propósito de

seleccionar, probar, calibrar y usar los sistemas de DTL que hayan sido establecidos,

estos criterios son los mismos que se utilizan en monitoreo ambiental, debido al orden de

intervalo de dosis que se requiere para medir; los criterios se encuentran en la norma NSI-

N545-1975. Esta norma, especifica los requisitos mínimos aceptables de funcionamiento

de un sistema DTL para monitoreo ambiental y proporciona los métodos para llevarlos a

cabo. Para cumplir con estos requisitos cada laboratorio debe llevar a cabo pruebas para

determinar sus propios límites de error.

Especificaciones de funcionamiento.

Los sistemas DTL para monitoreo ambiental deben cumplir requisitos muy rigurosos, tales

como:

1) Buena precisión y reproducibilidad en el intervalo de 10-1 a 1 mSv.


78


2) Bajo desvanecimiento para períodos de exposición en el campo de 3 a 12 meses.

3) Insensibilidad a condiciones ambientales de temperatura, humedad e iluminación.

4) Equivalencia con el tejido

5) Bajo nivel de autoirradiación debido a radionúclidos incluidos en el material TL o en el portadosímetro.

6) Encapsulamiento en portadosímetros de plástico, para conseguir condiciones de equilibrio electrónico, blindaje contra las partículas beta y la luz y protección contra la humedad.

7) Técnicas de calibración específicas para cada ciclo de campo de tal manera que garantice la más alta precisión al convertir a dosis y corregir por desvanecimiento, exposición durante el tránsito y lectura de dosis de cero.

La norma ANSI-N545 establece los procedimientos de prueba específicos para:

uniformidad del lote, reproducibilidad, dependencia de la interpretación de la exposición

durante el período del ciclo de campo, dependencia de la energía, dependencia de la

orientación del dosímetro, influencia de la luz y la humedad y autoirradiación. La tabla 5

muestra los requisitos mínimos establecidos por la norma ANSI-N545 para sistemas TLD

en monitoreo ambiental. Los resultados de estas pruebas deben quedar dentro de los

límites dados por los errores al 95% de nivel de confianza.


79


TABLA 5. Criterios de prueba para la aplicación de DTL en monitoreo ambiental (ANSI-N545)

Materiales y sistemas TL

La tabla 6 presenta los materiales TL más usados para monitoreo ambiental. Todos estos

materiales han sido probados con anterioridad se han empleado con éxito en diferentes

programas de monitoreo ambiental. Muchos de estos materiales, tales como CaSO4 y

CaF2, han sido seleccionados por su alta sensibilidad, la que permite períodos de

exposición desde una semana hasta tres meses. Debido a su dependencia de la energía,

estos materiales deben ser usados en portadosímetros que compensen esta dependencia


80


de la energía. En virtud de su sensibilidad a la luz y su alto desvanecimiento, alguno de

los materiales de la tabla 12 habrán de rechazarse para períodos largos de monitoreo.

Las propiedades dosimétricas de los sistemas DTL para monitoreo ambiental pueden

diferir significativamente debido a las propiedades individuales del lector, del material TL y

de la técnica de evaluación usada en el laboratorio.

TABLA 6. Características de los materiales TL apropiados para monitoreo ambiental

Las diferencias en las propiedades dosimétricas de los sistemas DTL se deben principalmente a:

(a) El tipo de lector y las propiedades individuales del tubo fotomultiplicador de éste. (b) El material TL, la forma, espesor y montaje del dosímetro; así como la historia del lote de

dosímetros. (c) El procedimiento de lectura, en particular el ciclo calentamiento y la temperatura máxima

de lectura. (d) El tratamiento térmico del dosímetro ya sea previo a la lectura o de borrado. (e) La historia del dosímetro, tanto térmica como de radiación (número y tipo de tratamientos

térmicos; número y nivel de exposiciones a la radiación). (g) Técnicas de calibración específicas para cada ciclo de campo de tal manera que se

garantice la más alta precisión al convertir a dosis y corregir por desvanecimiento, exposición durante el tránsito y lectura de dosis cero. Estas pruebas están descritas en la sección 4.3 de la norma ANSI-N545.En seguida se describen los procedimientos usados para llevar a cabo estas pruebas:


81


Uniformidad.

Para determinar la dispersión en la sensibilidad individual de un grupo de dosímetros,

estos se someten a una exposición de 25.8 C.kg-1 (100 mR) de radiación gamma,

determinándose la desviación de la respuesta de cada dosímetro con respecto al

promedio.

Reproducibilidad.

Para esta prueba se usan 15 dosímetros, cinco para control y el resto como dosímetros

de prueba. Los dosímetros de prueba se irradian a 25.8 C.kg-1 con una fuente calibrada

de radiación gamma, se leen y posteriormente se borran térmicamente a 300ºC durante

30 min, repitiendo esta secuencia hasta en 10 ocasiones.

Dependencia de la interpretación de la exposición sobre la duración del ciclo de campo.

Para esta prueba se forman cuatro grupos de 10 dosímetros cada uno, denominándolos

grupo 1, 2, 3 y 4 respectivamente.

Los grupos 1 y 2 se exponen durante 3 y 6 meses respectivamente en un sitio donde se

conozca el valor de la radiación ambiental.

Los grupos 3 y 4 se exponen a la misma radiación de fondo en condiciones de alta

temperatura (37ºC) durante 3 y 6 meses respectivamente y se calcula la razón


82


I t

I t

( )

( )22

Dependencia de la energía.

La dependencia de la energía se prueba irradiando los dosímetros con radiación gamma

de 137Cs y de 60Co y con rayos-X de 30, 55, 70 y 100 keV de energía efectiva y se forman

dos grupos de dosímetros. Los dosímetros del primer grupo se exponen sin ninguna

cubierta y los del segundo cubiertos con una laminilla de cobre de 1 mm de espesor,

todos a una misma dosis. De sus repuestas, se calcula la desviación en la respuesta para

energías mayores de 80 keV y para energías menores de 80 keV.

Efecto de la luz.

Para probar este efecto, se forman cuatro grupos de 5 dosímetros cada uno, Los grupos 1

y 2 irradian a 25.8 C.kg-1 y los grupos 3 y 4 se dejan sin irradiar. Después se exponen 60

Wcm-2 de luz fluorescente los grupos 1 y 2 envueltos en papel aluminio y los grupos 3 y 4

sin protegerlos de la luz y se determina el efecto de la luz sobre la dosis cero y sobre la

respuesta.

Dependencia de la orientación del dosímetro.


83


Para probar la dependencia direccional los dosímetros se exponen a 25.8 C.kg-1 de

radiación gamma colocándolos a 30º, 60º y 90º sobre el eje horizontal obteniéndose la

desviación con respecto a 0º.

Efecto de la humedad.

Para efectuar esta prueba, se forman dos grupos de dosímetros uno se expone a 25.8

C.kg-1 y el otro se deja sin irradiar. Ambos grupos se guardan en una cámara climática

con 60% de humedad relativa durante 6 meses y se determina el efecto de la humedad

tanto sobre dosis cero como sobre la respuesta.


84


Conclusiones

Los dosímetros TL desarrollados en México, han sido utilizados en dosimetría ambiental y

personal. Considerando que la dosimetría TL es un método secundario para medir los

niveles de radiación, se deben irradiar primero diferentes grupos de estos dosímetros a

diferentes dosis, comúnmente de radiación gamma o beta, de fuentes perfectamente

calibradas. Con las lecturas obtenidas de los dosímetros irradiados, se elabora la curva de

calibración correspondiente, en la que se grafica dosis en función de la intensidad TL;

mediante un ajuste por regresión lineal, se puede interpolar la intensidad TL mostrada por

los dosímetros que han sido expuestos a algún tipo de radiación ya sea natural o artificial,

con lo cual es posible estimar la dosis recibida por estos.

De la misma forma, cuando no se conoce la razón de dosis de alguna fuente en particular,

se puede estimar esta con el uso de dosímetros termoluminiscentes tomándose en

consideración el arreglo geométrico usando en las irradiaciones, para la reproductibilidad

de los resultados en irradiaciones posteriores.

Considerando el alto costo que tiene una fuente calibrada de radiación gamma o beta, los

diferentes centros de investigación o universidades del país han realizado convenios de

colaboración que permitan en algunos casos el préstamo de algunas de estas fuentes. Sin


85


embargo, en muchos de los casos, se trata de fuentes cuya actividad de interés para la

que fue comprada, ha decaído considerablemente por lo que pudo haber estado

almacenada por mucho tiempo, ignorándose su actividad actual y por lo tanto su razón de

dosis.

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