Aplicación de la irradiación gamma Por Walter Rangel Urrea, director de Servicios Tecnológicos, ININ En primer término, es conveniente marcar la diferencia entre radiación e irradiación. Sin recurrir a tecnicismos, la radiación puede definirse como una forma de manifestación de la energía que se transmite a través del espacio en forma de partículas u ondas electromagnéticas (como la luz, el calor, las microondas, los rayos X y los rayos gamma). Cuando la radiación tiene la energía suficiente para provocar cambios en los átomos de la materia con que interacciona, se llama radiación ionizante. En particular, la radiación gamma es de naturaleza similar a la luz visible o a las ondas de radio, la única diferencia es que tiene una longitud de onda muy corta y, por tanto, un nivel de energía más alto que la luz. Estas diferencias facilitan la penetración profunda de la radiación gamma dentro de ciertos materiales. Finalmente, la irradiación es el proceso mediante el cual se expone deliberadamente en forma controlada un material a la acción de una fuente de radiación, como pueden ser los rayos gamma o un haz de electrones. La aplicación de la radiación ionizante para desbacterización o esterilización es un método

que cuenta con el respaldo del International Plant Protection Convention (IPPC) y del Codex Alimentarius. Además, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés) ha aprobado la irradiación como una opción para el tratamiento fitosanitario de frutas y hortalizas, y admite que es más eficiente que los otros métodos conocidos. Esta alternativa consiste en la exposición del producto a los rayos gamma (cobalto-60 o cesio137) o a un haz de electrones (producido por aceleradores), bajo condiciones controladas. La exposición total a la que se trata el producto puede ir desde unos cuantos grays hasta 1,000 grays. Este rango, que se considera como de dosis bajas, permite aniquilar o esterilizar insectos y otros organismos, y retarda el proceso de maduración, con lo que se alarga la vida de anaquel del producto. Se estima que hoy en día existen más de 200 irradiadores gamma en operación en 55 países, entre los cuales se incluye México. Sus campos de aplicación son diversos: esterilización de organismos para control de población, como es el caso de la mosca del mediterráneo (moscamed), procesamiento de productos para el consumo humano (frescos y deshidratados), control bacteriológico o eliminación de agentes patógenos, esterilización de productos biomédicos como sangre y tejidos, y los de

Países que poseen irradiadores gamma

Tabla 1: Instalaciones de Irradiación de alimentos en el mundo (Reportados en la base de datos del Joint FAO/IAEA Programme 2007)

cuidado a la salud como: recipientes, jeringas, guantes, ropa de quirófano y equipos diversos. Otro campo es el ordenamiento molecular (cross-linking) de polímeros con el fin de mejorar las características físicas y químicas de productos como el aislamiento de cables eléctricos.

Tipos de irradiadores

γ

Por otra parte, el número de aceleradores (ebeam generators) crece. En el mundo existen aproximadamente 1,200 aceleradores que producen haces de electrones, algunos de los cuales se utilizan para irradiación en aplicaciones como las mencionadas. El uso del haz de electrones como fuente de radiación tiene como ventajas impartir la dosis en

Irradiadores gamma Existen comercialmente diversos tamaños. Los hay desde muy pequeños, para aplicaciones de investigación, hasta aquellos capaces de procesar grandes cantidades de producto. Las diferencias radican en el nivel de actividad de la fuente radiactiva y el método que se utiliza para mover el producto. Los principios de diseño básicos son: maximizar el aprovechamiento de la energía de radiación, proporcionar al producto una dosis relativamente uniforme y lograr una operación segura y sencilla. Estos irradiadores se dividen en autocontenidos y panorámicos. El Organismo Internacional de Energía Atómica los clasifica en función del almacenamiento de la fuente: los primeros como Categoría I (almacenamiento seco) y III (almacenamiento húmedo), y los segundos como Categoría II (almacenamiento seco) y IV (almacenamiento húmedo). Los autocontenidos se destinan a aplicaciones

cuestión de segundos y obtener un ajuste rápido del proceso para diferentes intensidades del haz. Su desventaja mayor comparada a los rayos gamma es su bajo poder de penetración en los materiales Además, la radiación gamma puede procesar productos de geometría no uniforme y de alta densidad. Otra tecnología alternativa son los rayos X de alta energía, ya que hoy se cuenta con aceleradores de electrones de alta potencia y dispositivos de incidencia del haz (blancos de metales pesados) que pueden transformar este haz en rayos X. En la tabla 1 se enumeran las instalaciones de irradiación de alimentos en el mundo por tipo y lugar:

que requieren niveles de radiación bajos y una capacidad de procesamiento pequeña: irradiación de sangre y esterilización de insectos. Los panorámicos se destinan a plantas piloto o de escala comercial y pueden procesar mayor cantidad de producto dependiendo de su diseño. A continuación se describen algunos ejemplos de estos irradiadores. Irradiador gamma con cámara de irradiación La fuente de irradiación está basada en cobalto-60 encapsulado en pequeños cilindros de acero inoxidable, que a su vez se introducen en una vaina o lápiz también de acero inoxidable. En esta forma se asegura una «fuente herméticamente sellada». La radiación (fotones) atraviesa el encapsulado para incidir en el material que se va a irradiar en la cámara, pudiendopenetrar más de 60 cm en productos alimenticios si se irradian por ambos lados.

Tabla 2. Principales ventajas y desventajas de cada sistema de irradiación.

El cobalto-60 emite radiación sin interrupción «no puede apagarse». Para que una persona pueda ingresar a la cámara cuando no se esté irradiando producto, la fuente de cobalto60 se tiene que retirar a su blindaje o descender a una piscina con agua para su almacenamiento. Estos irradiadores por lo general utilizan blindajes de concreto o acero. Cuentan con enclavamientos de seguridad para impedir que el personal pueda ingresar a la cámara cuando la fuente no esté en la posición de almacenamiento. Su operación puede ser por lote o de manera continua. El producto se introduce en contenedores o se deposita alrededor de la fuente. Irradiador gamma en inmersión Este también utiliza una fuente basada en cobalto-60. A diferencia del irradiador con cámara de irradiación blindada, dicha fuente permanece en el fondo de la piscina con agua. El producto a irradiarse se deposita dentro de

contenedores herméticos que se introducen hasta el fondo de esta piscina, junto a la fuente. A nivel del piso de la instalación no se requiere blindaje adicional ni enclavamientos de seguridad para evitar que durante el proceso de irradiación ingresen personas a la cámara, en virtud de que no existe tal. Los contenedores simplemente descienden, el producto se irradia y suben de regreso por medio de un mecanismo elevador. El agua actúa como blindaje y no se vuelve radiactiva.

Planta típica de irradiación gamma

Irradiador de electrones

cercanas a la de la luz. Este torrente se conoce como haz de electrones. Cabe aclarar que por tener masa, los electrones no pueden penetrar profundamente en el material a tratar: alcanzan sólo alrededor de 3.5 cm (7 cm si se irradia por ambos lados). Además, gracias a su carga eléctrica es posible guiarlos mediante campos magnéticos hacia el producto en exposición.

Aceleradores de electrones Representan otra alternativa para obtener radiación ionizante. Su utilización ha estado en constante crecimiento: el público en general los acepta con mayor facilidad debido a que no usan material radiactivo, ofrecen facilidades que permiten adaptarlos a procesos de manufactura para operación en línea y brindan razones altas de dosis por lo que es posible obtener grandes rendimientos. Un acelerador de electrones es un dispositivo capaz de acelerar estas partículas a velocidades

R X

Irradiadores de rayos X Consisten en aceleradores de electrones de alta energía a los cuales se les adiciona un dispositivo para generar rayos X, que son fotones y tienen propiedades similares a los rayos gamma emitidos por el cobalto-60. El haz de electrones se hace incidir en un material de alta densidad como tungsteno (W), acero o tantalio (Ta). Los electrones al desacelerarse (frenarse) repentinamente provocan la emisión de rayos X (fotones). La ventaja sobre el haz de electrones es su mejor penetración: irradiando por ambos lados se logran más de 60 cm. No obstante, se pierde mucha energía durante el proceso de conversión, por lo que al compararlo con otros irradiadores para los mismos volúmenes de producto, resulta tener una fuerte desventaja en costo. En condiciones

En una instalación industrial de este tipo se logra obtener electrones con energías superiores a los 10,000,000 electrón volts (10 MeV). El blindaje que se utiliza por lo general es concreto, acero o plomo. Cuenta con enclavamientos de seguridad que garantizan que nadie pueda entrar a la cámara de irradiación cuando los materiales se están exponiendo. El producto a tratar se hace llegar a la cámara mediante trasportadores de rodillos o bandas. Esencialmente, se destinan para tratar cables (aislamiento), para producir material termoretráctil y para la esterilización de artículos médicos como

óptimas sólo el 7.6% de la energía total del haz de electrones se convierte en una corriente frontal de rayos X en el caso de energías de 5 MeV. Enseguida se presenta un ejemplo. Irradiador de rayos X con cámara de irradiación Se basa en un acelerador de gran energía y de gran potencia. La transportación del producto se realiza en contenedores que se exponen frente a las boquillas de dispersión de rayos X. Cuenta con blindaje y enclavamientos de seguridad similares a los del irradiador gamma con cámara de irradiación y al irradiador de haz de electrones. Una de sus ventajas es la facilidad sobre el control de la radiación, lo

jeringas, ropa de quirófano, accesorios, entre otros. La extracción del haz se puede adaptar para satisfacer diversos requerimientos. Es posible diseñar aceleradores con un área de tratamiento o multiáreas, flexibilidad que permite incrementar la eficiencia en el uso del haz o reducir la energía del electrón para cumplir una especificación especial. Se clasifican en tres categorías en función de la energía del electrón. Baja energía Entre 400 a 700 KeV con corrientes de haz de unos cuantos miliamperios hasta más de 1000 mA y un ancho de barrido desde 0.5 a 1.8 m. Se utiliza para curado de superficies, laminados, recubrimientos y la producción de películas antiestáticas y antiniebla. Media energía Entre 1 a 5 Mev con potencias de haz desde 25 a 300 kW y un ancho de de barrido de 0.5

cual le da una extraordinaria flexibilidad. La distribución de dosis puede ser similar o mejor a la que se obtiene en irradiadores gamma. Un nuevo desarrollo denominado Palletron, resultado de la alianza de un fabricante de irradiadores gamma canadiense y de un fabricante de aceleradores europeo, propone esta alternativa que mejora sustancialmente la relación dosis/penetración. En este caso, se adicionan colimadores entre la fuente de rayos X y el contenedor, con el objeto de adecuar las características y la forma del haz. Por su parte, el sistema de transportación traslada sólo un contenedor a la vez, el cual se hace girar frente a dicho haz. Tanto el haz como dicho giro se realizan conforme a un patrón previamente determinado, lo cual arroja

a 1.8 m. Se usan para ordenamiento molecular, mejoramiento de color de gemas, esterilización de productos médicos y alimentos. Alta energía Entre 5 a 10 MeV con potencias de haz de 25 a 350 kW y un ancho de barrido hasta de 1.8 m. Es aplicable para producto a granel. Se utiliza para ordenamiento molecular de productos con secciones gruesas, esterilización de productos médicos, desinfectación, tratamiento de agua y extensión de vida de anaquel, entre otros. Con respecto a su construcción existen tres tipos: Corriente Directa; en donde se extrae un haz constante, Microondas Pulsadas (linear microwave accelerator); en donde el haz oscila a una baja frecuencia, y el de Onda Pulsada o Continua (single cavity radiofrequency accelerator), en donde los electrones se aceleran con base en la amplitud de dicha onda.

e-

resultados excelentes. La eficiencia en el aprovechamiento de energía se incrementa, se optimiza la distribución de dosis y se minimiza la diferencia entre la dosis máxima y la mínima. Sin embargo, estos beneficios afectan el rendimiento global de la capacidad de procesamiento, en virtud de que el tratamiento se realiza de contenedor en contenedor.

Irradiador de rayos X con cámara de irradiación