´ ´ PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU FACULTAD DE CIENCIA E INGENIER´IA

Estudio de la contaminaci´ on ambiental debido a elementos radiactivos naturales

T´esis para optar el T´ıtulo de Licenciado en F´ısica, que presenta el Bachiller:

Bertin Andr´ es P´ erez Ancaya

ASESOR: Dra. Mar´ıa Elena L´ opez Herrera

Lima, agosto de 2015

Res´ umen La presencia de materiales radiactivos en la corteza terrestre y en consecuencia en la superficie, origina la contaminaci´on radiactiva natural en los diferentes materiales s´olidos, l´ıquidos, gaseosos; particularmente en el aire que se respira. Entre estos materiales radiactivos contribuyen a la contaminaci´on ambiental el uranio, el radio, el torio y sus respectivas cadenas de desintegraci´on, entre las cuales se encuentra el gas rad´on (222 Rn) que se difunde en el aire; cuya presencia aumenta en zonas donde la actividad s´ısmica es notoria o debido a otros eventos naturales, caso de la ciudad de Lima-Per´ u. En este trabajo se muestran las mediciones realizadas durante dos a˜ nos consecutivos en la azotea del edificio de F´ısica (edificio de tres pisos) en la ciudad de Lima, con la finalidad de establecer las fluctuaciones de este contaminante gaseoso en el aire circundante. Las mediciones se hicieron usando detectores de nitrocelulosa (LR-115 tipo 2) y aplicando la t´ecnica de huellas nucleares. Los resultados obtenidos nos permiten tener un indicador de la presencia de rad´on en el aire durante diferentes estaciones del a˜ no y tambi´en de la presencia de otros posibles contaminantes radiactivos. El uso de esta t´ecnica permite obtener y estudiar las huellas que generan las part´ıculas α que son emitidas durante la desintegraci´on del rad´on o por sus descendientes o antecesores; y nos permite discriminar entre las trazas de corto alcance o huellas de tipo lineal y otras huellas muy distintas obtenidas durante las mediciones. En este trabajo se muestran los resultados de las mediciones que son analizados de acuerdo a modelos propuestos.

Abstract The presence of radioactive materials in the earth’s crust, i.e. on the earth’s surface, causes a natural radioactive contamination in different solids, liquids and gaseous materials, particularly in the air we breathe. Some radioactive materials that contribute to environmental pollution are: uranium, radium, thorium and their decay chains, including radon (Rn222, gas). The latter diffuses into the air and its presence increases in areas with high seismic activity, as it is the case in the city of Lima, Peru. This paper presents measurements taken during two consecutive years on the roof of a three-story building in the city of Lima. The data served to establish the fluctuations of this pollutant gas in the surrounding air. The measurements were made with nitrocellulose detectors (LR-115 type 2), by applying the nuclear track detector technique. Our results provided us with an indicator of the presence of Rn222 in the air during different seasons and of other possible radioactive contaminants as well. The use of this technique allows us to obtain and study the tracks generated by alpha particles that are emitted during the decay of Rn222 and their daughters or parents. We can discriminate between short-range tracks, linear tracks and other very different tracks that are obtained from measurements. We have analyzed our measurement results according to some proposed models.

A DIOS. A mis amados padres, Alberto y Lina. A mi hermanita Gaby. A mi abuela Mar´ıa. A mi amor Alexandra.

´Indice general Res´ umen

II

Abstract

III

Introducci´ on

1

1. Fundamentaci´ on te´ orica 1.1. ¿Qu´e es la radiactividad? . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Radiactividad natural . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Radiactividad artificial . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Radiaci´on ionizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Part´ıculas alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Decaimiento alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Rad´on 222 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Riesgos por la presencia de rad´on . . . . . . . . 1.3.2. Detecci´on de rad´on y aplicaciones . . . . . . . . 1.4. Interacci´on entre part´ıculas α con la materia . . . . . . 1.4.1. Ionizaci´on espec´ıfica . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Poder de frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Rango/Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4. Pol´ımeros usados como detectores de huellas y generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. T´ ecnicas de detecci´ on de part´ıculas α 2.1. T´ecnica de trazas o huellas nucleares . . . 2.1.1. Principios b´asicos de la t´ecnica . . 2.1.2. Proceso de grabado . . . . . . . . . 2.1.3. Formaci´on de las huellas nucleares . 2.2. Formas de las huellas de las part´ıculas α .

v

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14 14 14 15 15 16

on de part´ıculas en ambientes exteriores 33 3. Detecci´ 3.1. Materiales y metodolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4. Discusi´ on de resultados

52

5. Conclusiones

54

Bibliograf´ıa

56

vi

´Indice de figuras 1.1. Desintegraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2. Bragg curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3. Par´ametros de a en funci´on de Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

Huella Latente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Huella de part´ıculas α formadas con incidencia normal y oblicua.(1) . Huellas de part´ıculas α formadas con una incidencia normal.(1) . . . Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia normal y oblicua.(2) Huella de part´ıculas α formada con incidencia normal y alta intensidad.(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Huella de part´ıculas α formada con incidencia normal y alta intensidad.(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia normal y alta intensidad.(3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia normal y alta intensidad.(4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia normal y alta intensidad.(5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia normal y alta intensidad.(6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia normal y alta intensidad.(7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(1) . . . . 2.13. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(2) . . . . 2.14. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(3) . . . . 2.15. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(4) . . . . 2.16. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(5) . . . . 2.17. Huella de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(6) . . . . . 2.18. Huellas de part´ıculas α formadas con incidencia tangencial.(7) . . . . 2.19. Geometr´ıa de la formaci´on de una huella . . . . . . . . . . . . . . . . vii

16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 22 23 23 24 24 25

2.20. Evoluci´on del grabado con incidencia normal . . . . . . . 2.21. Evoluci´on del grabado con incidencia oblicua . . . . . . . 2.22. Vt variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23. Coordenas de los puntos para la huella grabada, seg´ un el Froom et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.24. Modelo de Fews and Henshaw . . . . . . . . . . . . . . . 2.25. Modelo de Nikezic and Yu . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.26. Modelo de Nikezic and Yu con incidencia normal . . . . . 2.27. Modelo de Nikezic and Yu con incidencia oblicua . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . modelo de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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28 29 29 30 31

3.1. EdificioF . . . . . . . 3.2. Detectores . . . . . . 3.3. Croquis . . . . . . . 3.4. Secado de detectores 3.5. Primer m´etodo . . . 3.6. Segundo m´etodo . . 3.7. Poder de Frenado . . 3.8. Contaminaci´on Sur . 3.9. Contaminaci´on Oeste 3.10. Contaminaci´on Norte 3.11. Contaminaci´on Este 3.12. Contaminaci´on Zenit 3.13. Concentraci´on Sur . 3.14. Concentraci´on Oeste 3.15. Concentraci´on Norte 3.16. Concentraci´on Este . 3.17. Concentraci´on Zenit

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33 34 34 35 35 36 37 42 43 43 44 44 49 49 50 50 51

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. 26 . 27 . 28

´Indice de tablas 3.1. C´alculo del ´area de visi´on . . . . . . . . . . . . . 3.2. Resultados de contaminaci´on desde el 01-06-2011 3.3. Resultados de contaminaci´on desde el 14-07-2011 3.4. Resultados de contaminaci´on desde el 19-09-2012 3.5. Resultados de contaminaci´on desde el 19-12-2012 3.6. Per´ıodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Resultados de concentraci´on desde el 01-06-2011 3.8. Resultados de concentraci´on desde el 14-07-2011 . 3.9. Resultados de concentraci´on desde el 19-09-2012 . 3.10. Resultados de concentraci´on desde el 19-12-2012 .

ix

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36 38 39 40 41 42 45 46 47 48

Introducci´ on El fen´omeno de la radiactividad es responsable de la presencia de elementos contaminantes en la naturaleza, debido a la emis´ıon espont´anea de part´ıculas y relaciones de los elementos radiactivos que en general poseen un n´ umero muy elevado de protones y neutrones. La radiactividad de acuerdo a su origen puede ser natural o artificial; principalmente nos enfocaremos en el tipo de radiaci´on natural; ya que, es debido a las radiaciones terrestres externas e internas donde se producen los porcentajes mayores de contaminantes ambientales. Como radiaci´on externa se considera a la radiaci´on de origen c´osmico e interna a la emitida por la corteza terrestre principalmente en forma de gas; se tiene conocimiento que la mayor concentraci´on de gas radiactivo existente se debe al gas rad´on, el cual contribuye con las tres cuartas partes de la dosis efectiva anual recibida por el hombre. El gas rad´on entra al ambiente desde el subsuelo proveniente de minas de fosfato y de uranio, de minerales de radio, torio y otros; contaminantes que se adhieren al polvo y a otras part´ıculas en el aire e igualmente puede desplazarse a trav´es de aguas subterr´aneas. Debido a que la concentraci´on de gas rad´on puede ser elevada y este gas est´a siempre presente en el aire que respiramos, se procede a realizar estudios para determinar su concetraci´on en diferentes recintos para luego dar medidas correctivas y as´ı disminuir sus efectos en la salud de la persona. As´ı mismo los estudios del gas rad´on se pueden enfocar en posibles pron´osticos de terremotos, en el estudio de transporte atmosf´erico, en la exploraci´on de petr´oleo y de uranio, y en otras aplicaciones. En la detecci´on del gas rad´on se usan distintas t´ecnicas; para este trabajo en particular se usa la t´ecnica de huellas nucleares usando pol´ımeros. Por lo com´ un se usan pol´ımeros de alto peso molecular para el registro de part´ıculas altamente energ´eticas, estos detectores permiten observar las trazas o huellas que dejan a su paso las part´ıculas de origen radiactivo. En la desintegraci´on del gas rad´on se emiten part´ıculas α. Se determinar´a y se observar´a que tipo de huellas nucleares se han obtenido en los lugares previamente determinados y direccionados al igual que medidas de contaminaci´on.

1

Cap´ıtulo 1 Fundamentaci´ on te´ orica 1.1. 1.1.1.

¿Qu´ e es la radiactividad? Radiactividad natural

La radiactividad proviene de la naturaleza sin intervenci´on humana. Su descubridor fue Henri Becquerel1 , en 1896. Los radion´ uclidos o emisores de radiactividad se encuentran naturalmente en el aire, agua y suelo. Incluso se encuentran en nosotros, como parte de nuestra naturaleza e interacci´on con nuestro entorno. Diariamente ingerimos y respiramos radion´ uclidos del aire, agua y alimentos. La radiactividad natural es frecuente en las rocas, en el suelo, en el agua y los oc´eanos, en los materiales de construcci´on y viviendas. En nuestro universo existen m´as de 60 radion´ uclidos, las cuales se clasifican en dos categor´ıas, primordiales y cosmog´enicos [2]. Los radion´ uclidos primordiales son restos de cuando se cre´o el universo y dentro de nuestro planeta. Por lo general son longevos, con vidas medias a menudo del orden de cientos de millones de a˜ nos. A continuaci´on se muestran algunos radion´ uclidos: 1. Uranio 235 (235 U ), con 7,04 × 108 a˜ nos de vida media. 2. Uranio 238 (238 U ), con 4,47 × 109 a˜ nos de vida media, 0.5 a 4.7 ppm de uranio total en los tiposd e rocas comunes. 3. Torio 232 (232 T h), con 1,41 × 101 0 a˜ nos de vida media, 1.6 a 20 ppm en los tipos de rocas comunes con una media de la corteza de 10.7 ppm. 4. Radio 226 (226 Ra), con 1,60 × 103 a˜ nos de vida media, en piedras caliza y en rocas ´ıgneas. 1

F´ısico franc´es descubridor de la radiactividad con el Premio Nobel de F´ısica del a˜ no 1903 [1]

2

5. Rad´on 222 (222 Rn), con 3,82 d´ıas de vida media, gas noble en concentraciones en el aire. 6. Potasio 40 (40 K), con 1,28 × 109 a˜ nos de vida media. Todos ellos poseen varios miembros en sus cadenas de desintegraci´on. Por otro lado, la radiaci´on c´osmica impregna todo el espacio, su fuente principal est´a fuera de nuestro sistema solar. En este tipo de radiaci´on se pueden encontrar part´ıculas pesadas de alta velocidad, fotones y muones de alta energ´ıa. La atm´osfera superior terrestre interact´ ua con la radiaci´on c´osmica y produce n´ ucleos radiactivos. Estos pueden tener una vida media larga, pero la mayor´ıa tienen vidas medias m´as cortas que las primordiales. A continuaci´on se muestran algunos radion´ uclidos cosmog´enicos comunes: 1. Carbono 14 (14 C), con 5730 a˜ nos de vida media, debido a la interacci´on de 14 rayos c´osmicos con N, N (n, p) →14 C. 2. Hidrogeno 3 (tritio) (3 H), con 12,3 a˜ nos de vida media, debido a la interacci´on de rayos c´osmicos con N y O, espalaci´on de rayos c´osmicos, 6 Li(n, alf a) →3 H. 3. Berilio 7 (7 Sea), con 53,28 d´ıas de vida media, debido a la interacci´on de rayos c´osmicos con N y O.

1.1.2.

Radiactividad artificial

Esta proviene de fuentes creadas por el hombre, generadas por bombardeos de ´atomos estables con part´ıculas que poseen una gran velocidad; como part´ıculas α, protones, deuterones y neutrones de baja energ´ıa. Tambi´en se generan radiois´otopos u ´tiles formados por bombardeo con neutrones en un reactor nuclear (flujo del orden de 1012 neutrones/cm2 seg). Como ejemplo resaltante tenemos al uranio2 , el cual cuando se bombardea con neutrones y produce elementos radiactivos; los neutrones hacen que se genere una fisi´on3 y durante esta fisi´on se emiten varios neutrones los cuales se pueden usar para romper otros ´atomos de uranio; aparte del escape de neutrones una consecuencia es el escape de rayos γ desde el n´ ucleo del reactor. Sin embargo, la probabilidad disminuye cuando se habla de emisi´on o escape de un prot´on o en el peor de los casos una part´ıcula α; para aprovechar de manera eficiente la emisi´on de la part´ıcula menos probable se usa la siguiente reacci´on: 2

El uranio es un metal muy pesado fue descubierto en 1789 por Martin Klaproth y es usado por su abundante capacidad de concentrar energ´ıa. [3] 3 Cuando un ´atomo pesado (Uranio, Plutonio) se divide o rompe en dos ´atomos m´as ligeros [4]

3

6 3 Li

+10 n →31 H +42 He

Esta reacci´on es utilizada para la producci´on de tritio (is´otopo del hidrogeno de masa 3). Otra reacci´on (n, α) es: 10 5 Li

+10 n →73 Li +42 He

Estas dos reacci´ones son muy u ´tiles para la detecci´on de neutrones lentos. Dado que la radiaci´on de estos trae consecuencias en los seres vivos, como protecci´on se usa una construcci´on que bordea al n´ ucleo hecho de hormig´on de cerca de 2 m de espesor [5].

1.2.

Radiaci´ on ionizante

La radiaci´on es un proceso de propagaci´on de energ´ıa en forma de ondas electromagn´eticas o part´ıculas subat´omicas a trav´es del vac´ıo o de un medio material. Un tipo de radiaci´on que permite la propagaci´on de part´ıculas subat´omicas es la radiaci´on ionizante, aquella que es producida por ´atomos inestables que tienen un exceso de energ´ıa o masa o ambas. Los ´atomos inestables son radiactivos, estos al interaccionar con la materia la ionizan, extrayendo los electrones de sus estados ligados al ´atomo [6]. En este trabajo estudiaremos ´atomos radiactivos que emiten part´ıculas α.

1.2.1.

Part´ıculas alfa

Las part´ıculas alfa como tipo de radiaci´on ionizante se generan de la emisi´on de algunos ´atomos naturales inestables. Esta part´ıcula fue descubierta por Ernest Rutherford, un cient´ıfico Ingl´es, en 1899 mientras trabajaba con el uranio. Esta part´ıcula es id´entica a un n´ ucleo de helio que tiene dos protones y dos neutrones. Es relativamente pesada y posee alta energ´ıa, con una carga positiva de 2 de sus dos protones. Su velocidad en el aire es de aproximadamente una vig´esima parte de la velocidad de la luz en el vac´ıo4 .

1.2.2.

Decaimiento alfa

La radiaci´on alfa se puede obtener en diferentes cadenas de ´atomos radiactivos naturales, como es el caso de las cadenas de desintegraci´on del uranio (238 U ), (235 U ) 4

299 792 458 m/s [7]

4

un is´otopos del gas o del Torio (232 T h). Se puede encontrar que presentan en com´ rad´on (emisor de part´ıculas α) que se encuentra en gran cantidad en nuestro suelo y por lo tanto en el medio ambiente. A continuaci´on se muestran sus cadenas de desintegraci´on y se observa que hay varios elementos de las cadenas que emiten part´ıculas α, adem´as del rad´on.

Figura 1.1: Cadenas de desintegraci´on del a)

1.3.

238 U ,

b)

235 U ,

c)

232 T h

[8].

Rad´ on 222

El rad´on 222 es un gas noble que posee una extremada movilidad y gran solubilidad en agua, es incoloro, inodoro e ins´ıpido. Posee un per´ıodo de vida media o tiempo necesario para que la mitad de los ´atomos del rad´on desaparezcan de una muestra, de 3,8 d´ıas. Este proviene de la desintegraci´on del radio 226, que a su vez se origina de la desintegraci´on primaria del uranio 238, elemento que forma parte de diferentes tipos de suelos y rocas. El rad´on sufre un decaimiento radiactivo y cuando decae se divide en dos partes: una parte se llama radiaci´on α y la otra se llama progenie. La progenie, al igual que el rad´on, es inestable, y tambi´en se divide en radiaci´on y en otra progenie. Esta divisi´on contin´ ua hasta que se forme una progenie estable, no radiactiva. Durante ese proceso se liberan part´ıculas α, las cuales son detectables mediante t´ecnicas de estado s´olido.

1.3.1.

Riesgos por la presencia de rad´ on

Debido al car´acter gaseoso del rad´on, porosidad y la permeabilidad de ciertos tipos de suelo y a la diferencia de presi´on entre el interior del suelo y el aire exterior, 5

´este puede escapar hacia la superficie y diluirse f´acilmente en la atm´osfera. Debido a esto es recomendable evaluar posibles riesgos derivados de la inhalaci´on del gas rad´on y de sus descendientes. Los efectos de este gas pueden ser som´aticos inmediatos, los cuales son deterministas (no estoc´asticos); mientras que los som´aticos tard´ıos suelen ser probabil´ısticos (estoc´asticos). Los primeros se producen por irradiaciones intensas recibidas durante un tiempo breve, generalmente inferior a una hora, apareciendo los s´ıntomas despu´es de haber transcurrido un tiempo de unas horas o semanas. Con dosis altas puede presentarse los siguiente: alopecia, n´auseas, v´omitos y en casos extremos fallecimientos. En el segundo caso, se puede producir la inducci´on a largo plazo de diversos tipos de c´ancer. Recordemos que el c´ancer consiste b´asicamente en la divisi´on incontrolada de c´elulas de un tejido u ´organo del cuerpo. Este efecto puede ser heredado y provocar finalmente la aparici´on de un tumor en el tejido u ´organo afectado. Otro efecto muy importante es la liberaci´on de las part´ıculas α, las cuales al ser inhaladas pueden alcanzar con facilidad las c´elulas de los epitelios y causar en ellas un deterioro importante. Dado esto, la concentraci´on de rad´on en interiores debe ser controlada y se debe especificar la cantidad m´axima de radiaci´on permisible para los seres vivos.

1.3.2.

Detecci´ on de rad´ on y aplicaciones

En el estudio del rad´on podemos considerar aplicaciones tecnol´ogicas, desarrolladas o en v´ıas de desarrollo. Se muestran algunas de las aplicaciones m´as com´ unes relacionadas con las mediciones de rad´on [9–17]: 1. Mediciones de Rad´on en agua de ca˜ no, agua natural y subsuelo. Este tipo de medidas son u ´tiles para la prospecci´on de uranio y torio [18, 19]. 2. Emanaci´on de rad´on y exhalaci´on de los materiales del suelo y construcci´on. En las diferentes ´areas de la construcci´on es importante estudiar e identificar los niveles de rad´on que provienen del suelo y de los materiales [20, 21].Con estas medidas se puede caracterizar a los materiales de construcci´on y suelos con relaci´on al rad´on [22]. 3. Monitoreo de rad´on en minas u otros lugares subterr´aneos. Cuando se habla de protecci´on radiol´ogica de los mineros, est´as medidas son muy importantes, as´ı tambi´en como en estudios epidemiol´ogicos [23, 24]. 4. Separaci´on de tor´on proveniente del rad´on. Esta separaci´on puede ser realizada; ya que, el tor´on no puede difundirse muy lejos del lugar de origen y posee un tiempo de vida media muy corto [25, 26]. 6

5. Aplicaci´on en ciencias de la tierra y las mediciones de rad´on en las cuevas [27, 28]. 6. Posible pron´ostico de terremotos. Se ha observado que las concentraciones de rad´on en el agua subterr´anea y en los pozos profundos aumentan significativamente antes de la posibilidad de un evento s´ısmico [29, 30]. 7. Estudios volc´anicos. El flujo de rad´on aumenta antes de la erupci´on volc´anica [31].

1.4.

Interacci´ on entre part´ıculas α con la materia

Esencialmente la radiaci´on corpuscular y la electromagn´etica proveniente de los n´ ucleos, como es el caso de las part´ıculas α , interact´ uan con la materia transmitiendo energ´ıa a los ´atomos y elevando los electrones a un nivel de energ´ıa mayor (excitaci´on) o eliminando la totalidad de electrones (ionizaci´on). Eventualmente toda la energ´ıa dada en eventos de ionizaci´on se disipa en la excitaci´on at´omica o molecular. La interacci´on de part´ıculas α puede ser mejor estudiada en gases, mientras que los m´etodos de estudio de interacciones de la radiaci´on electromagn´etica depender´a de la energ´ıa del fot´on. Cuando los gases son ionizados, una corriente el´ectrica puede crear un flujo a trav´es del gas. A su vez, la corriente el´ectrica puede, bajo condiciones apropiadas, servir como una medida de la intensidad de la radici´on. Las part´ıculas α tienen energ´ıa homog´enea en rangos discretos e ionizan al gas como se ejemplifica en las curvas de Bragg.

Figura 1.2: Ionizaci´on espec´ıfica (Sec. 1.4.1) en funci´on de la distancia que viaja una part´ıcula cargada [32].

7

La part´ıcula alfa remueve un electr´on de los ´atomos sin sufrir ninguna desviaci´on de su movimiento rectil´ıneo siempre y cuando se aproxime al n´ ucleo del ´atomo. Por otra parte, las part´ıculas α dan la suficiente energ´ıa para estos electrones que a su vez pueden ionizar el gas. Ocasionalmente las part´ıculas α penetran cerca del campo del n´ ucleo y luego se dispersan. La ionizaci´on causada por una part´ıcula α en “air at NTP” 5 es relativamente intensa, con 5,5M eV la part´ıcula α pierde toda su energ´ıa aproximadamente en 4cm de su trayectoria. Considerando la relaci´on de la velocidad de una part´ıcula α con su alcance residual, se tiene la ley emp´ırica de Geiger, V 3 = a(R − x)

(1.1)

Donde vemos que 2 1 M V 2 ∝ (R − x) 3 (1.2) 2 La energ´ıa cin´etica de las part´ıculas α, denominada Tα , decrece con la distancia x de acuerdo a la relaci´on.

dTα 1 ∝ − (R − x)− ; dx 3

(1.3)

o, usando la ecuaci´on 1.1 dTα 1 ∝ (1.4) dx V As´ı como V decrece, la p´erdida de la energ´ıa cin´etica por unidad de longitud de su camino debido a la ionizaci´on del aire o de otro gas aumenta. Experimentalmente para la f´ormula de Geiger los rangos que se mantienen aproximadamente en el “air at NTP”son de 3cm y 7cm. Otro factor importante en la interacci´on de part´ıculas α con la materia son que estas no poseen doble ionizaci´on primaria. As´ı, cuando las part´ıculas α se transmiten a trav´es de una fina capa de un material homog´eneo,´estas reducen su energ´ıa en forma definida que se muestra en el material como un camino generado por las part´ıculas [34]. English(aire a temperatura y presi´on normal): 20◦ C(293,15K, 68◦ F ) (101,325kN/m2 , 101,325kP a, 14,7psia, 0psig, 30inHg, 760torr) [33]. 5

8

y

1

atm

1.4.1.

Ionizaci´ on espec´ıfica

Uno de los m´as importantes efectos observados en un medio absorbente penetrado por una part´ıcula cargada el´ectricamente con energ´ıas de alrededor de M eV es la ionizaci´on. Este t´ermino designa a la vez un proceso y resultados. El proceso consiste en la colisi´on de una part´ıcula de alta energ´ıa en el que los electrones del medio absorbente se retroalimentan con las energ´ıas que les permiten moverse libremente en el medio. En medios gaseosos, aparecen los electrones e iones libres. La ionizaci´on espec´ıfica de una part´ıcula es el n´ umero de pares de ion-electr´on por 2 g/cm o por cm de penetraci´on al material, medido a lo largo de la huella o traza de la part´ıcula. Esta es una cantidad que se puede determinar f´acilmente y con precisi´on con los m´etodos de gran sensibilidad. Esto es cierto para medios gaseosos, en cuyo caso los m´etodos el´ectricos directos producen resultados valiosos. Como comparaci´on, se muestra en la bibliograf´ıa otros m´etodos que determinan la p´erdida de energ´ıa total de part´ıculas, que son, ya sea directo (m´etodo calorim´etrico) o indirecto (determinaci´on de alcance) [35].

1.4.2.

Poder de frenado

El estudio del poder de frenado de las part´ıculas α estan determinados por una combinaci´on de ajustes te´oricos y experimentales. Recientemente, datos experimentales precisos y te´oricos, condujeron a una precisi´on de alrededor del 1 % (para E > 4M eV ), comparadas con una precisi´on de alrededor de 10 % conforme a teor´ıas m´as antiguas [36]. Consideremos la p´erdida de energ´ıa de part´ıculas α con energ´ıas < 10M eV . 1. La p´erdida de energ´ıa en efecto bremmsstrahlung 6 es despreciable, debido a que la part´ıcula α posee una gran masa. 2. La p´erdida de energ´ıa en colisiones con n´ ucleos tambi´en es despreciable. Dado que si E < 0,5M eV 1. Tambi´en se tiene como par´ametro al ´angulo δ del cono que se forma luego del grabado. Se 25

obtiene la siguiente relaci´on entre estos dos par´ametros [60]: 1 (2.1) V Con la definici´on de estos par´ametros se puede distinguir en la formaci´on de las huellas de las part´ıculas α, entre aquellas formadas con velocidad Vt constante e incidencia normal u oblicua, de las formadas con velocidad Vt variable e incidencia normal u oblicua. Geometr´ıa de la huella para Vt constante: sin δ =

Vt constante e incidencia normal Seg´ un la Fig. (2.19) se puede establecer la siguiente relaci´on: L = (Vt − Vb ) t,

(2.2)

Tambi´en se puede relacionar mediante semejanza de tri´angulos:

tan δ =

D 2

h =√ ′2 L L − h2

(2.3)

Combinamos la Ec. (2.2) y Ec. (2.3), se puede encontrar el di´ametro de la abertura de la huella: √ D = 2h

Vt − Vb Vt + Vb

(2.4)

Como se ve, el di´ametro depende del tiempo como se muestra en la Fig. (2.20).

Figura 2.20: Evoluci´on del grabado de una huella formada por una part´ıcula con incidencia normal y Vt [57].

26

Se observa que las distintas fases evolucionan con la velocidad Vb , la primera fase tiene una forma c´onica regular y mientras llegamos a un sobregrabado se puede llegar a una forma semi-esf´erica como se muestra en la fase 4 de la Fig. (2.20). Vt constante e incidencia oblicua Este problema fue desarrollado por Somogyi y Szalay [61]. La abertura de la huella luego del grabado es de forma el´ıptica. Esta elipse est´a caracterizada por dos par´ametros importantes, el eje mayor D y el eje menor d. Igualmente que la incidencia anterior, luego de un sobregrabado, la forma de la huella se puede convertir en semi-esf´erica. En la Fig. (2.21) se puede observar tres fases en el proceso de grabado.

Figura 2.21: Evoluci´on del grabado de una huella formada por una part´ıcula con incidencia oblicua y Vt [57].

Mediante relaciones sencillas se pueden obtener los ejes en cada fase como se muestran en el trabajo de Somogyi y Szalay [61].

Geometr´ıa de la huella para Vt variable. Para casos m´as realistas no se puede considerar la velocidad Vt constante, por lo que el valor de esta velocidad se considerar´a variable. Muchos autores han desarrollado modelos y m´etodos que permiten describir la formaci´on de la huella en estos casos. Una diferencia entre las formadas con Vt variable, es que las huellas no tiene una forma c´onica regular, ahora es una forma semi-c´onica con una abertura muy diferente a una elipse (egg curve).

27

Figura 2.22: Formas de la huella: 1 para Vt constante, 2 para Vt variable con un valor m´aximo en la parte final del camino de la part´ıcula, 3 para Vt variable con un valor m´aximo antes de la parte final del camino de la part´ıcula [57].

Esta diferencia mostrada en la Fig. (2.22), donde 1 muestra una huella con Vt constante, 2 y 3 son distintos modelos para una Vt variable. Para este par´ametro Vt variable se puede considerar algunos modelos referidos en la literatura correspondiente: Modelo de Somogyi Szalay [61], en este modelo las ecuaciones que gobiernan la transici´on de fase son las ecuaciones del Vt constante modificadas, esta soluci´on requiere el m´etodo de iteraci´on. Modelo de Fromm et al. [62], este modelo ya fue presentado en publicaciones anteriores [63]. Este modelo tambi´en es en 2 dimensiones y bi-param´etrica, el esquema o diagrama del modelo se presenta en la Fig. (2.23).

Figura 2.23: Coordenadas de los puntos que constituyen las paredes de la huella grabada en secci´on planar [57].

De la figura anterior se puede encontrar cada punto y describir las paredes de la huella grabada mediante relaciones geom´etricas. 28

Modelo de Fews and Henshaw [64], en este modelo se hicieron hincapi´e en que una huella puede ser analizado por cinco par´ametros, la profundidad del camino Z, el eje mayor D, el eje menor d, longitud total de la huella X, di´ametro de la parte final de la huella grabada m. Las caracter´ısticas de la huella de las part´ıculas α y los par´ametros utilizados se muestran en la Fig. (2.24).

Figura 2.24: Parte de la secci´on vertical de la huella de la part´ıcula α sobregrabada [64]. R es el final de la trayectoria, se estima que la part´ıcula tiene un alcance residual P R = r en el punto P .

Modelo de Nikezic and Yu l [65], este modelo se bas´o en el supuesto de las ecuaciones conocidas para la pared de las huellas para el caso de dos dimensiones, como se aprecia en la Fig. (2.25).

Figura 2.25: Geometr´ıa de la pared de la huella en dos dimensiones [65]. El camino de la part´ıcula a lo largo del eje x.

En este caso se puede obtener mediante relaciones geom´etricas, la ecuaci´on bidimensional del contorno de la abertura de la huella y de la pared de esta Ec. (2.5). √ x2 + y 2 = F (z, L) 29

(2.5)

Donde la funci´on F esta expresada para 3 dimensiones. Si nos referimos a esta funci´on en 2 dimensiones y usando la Fig. (2.25) se puede obtener que: ∫

L

y= x

√

dx V 2 (x) − 1

≈ F (x, L)

(2.6)

Y se pueden distinguir dos casos de este modelo (Nikezic and Yu): Incidencia normal: El modelo esquem´atico para este caso se muestra en la Fig. (2.26).

Figura 2.26: Una huella grabada donde O y E son la entrada y parte final del camino de la par´ıcula, R = OE es el rango de las part´ıcula [65].

Para encontrar el di´ametro del contorno y la ecuaci´on de la pared de la huella, se usa la Fig. (2.25) mediante relaciones apropiadas se obtiene la ecuaci´on del contorno de la abertura de la huella como se muestra en la Ec. (2.7). √ x2 + y 2 = F (z − d sin δ, R) + d cos δ

(2.7)

Donde F es la funci´on explicada anteriormente (Ec. (2.6)), se observa tambi´en la ecuaci´on del di´ametro en la parte izquierda de la Ec. (2.7). Incidencia oblicua: Esta situaci´on es m´as complicada que la anterior. Sin embargo, si se aplican dos transformaciones del sistema de coordenadas, el problema se puede simplificar de manera significativa. En este caso se forma una abertura semi-el´ıptica, la nomenclatura es similar a las anteriores figuras pero en este caso hay un nuevo par´ametro, θ, que es el ´angulo de incidencia. Esta geometr´ıa se presenta en la Fig. (2.27). 30

Figura 2.27: Abertura de la huella en la fase semi-el´ıptica [65].

En esta figura se observa que el plano π1 representa la superficie despu´es del grabado y h es el grosor removido por el grabado. Similarmente, mediante relaciones geom´etricas se puede obtener la ecuaci´on de la pared de la huella grabada para tres dimensiones en incidencia oblicua, se obtiene la siguiente ecuaci´on: √ x′′2 + y ′′2 sin2 θ = F (y ′′ cos θ + zo − d sin δ, R) + d cos δ

(2.8)

Donde F es la funci´on anterior (Ec. (2.6)) pero para tres dimensiones. Para calcular los ejes se usan las siguientes condiciones, para obtener el eje mayor hacemos x′′ = 0 en la Ec. (2.8); para el eje menor, sustituimos el valor m´aximo de y para encontrar el xmax y reemplazarlo en d = 2xmax .

Discusi´ on sobre la velocidad Vb (bulk etch rate) Este es uno de los dos par´ametros importantes introducidos por Fleischer et al. [9]. Se ha establecido que este par´ametro se incrementa con la temperatura del grabado [9], como se muestra en la Ec. (2.9). −εo

V = Vo exp kT ,

(2.9)

Donde T es la temperatura en Kelvin, εo es la activaci´on de la energ´ıa en eV , k es la constante de Boltzmann y Vo es la constante proporcional. Dado esto, se considera a esta velocidad como constante por lo que se puede calcular de manera directa o indirecta, como se muestran en algunos trabajos [66–68]. 31

Por otro lado, una de las funciones conocidas para los par´ametro Vt y Vb es la formulada por Durrani-Green [10], quien resume todos los modelos anteriores y el cual muestra una expresion de V : ( )( ) ′ ′ ′ V = 1 + 100 exp−0,446R +5 exp−0,107R 1 − exp−R ,

(2.10)

Donde V = Vt /Vb y R′ es el rango residual (R’= rango de la part´ıcula antes del grabado - Vt t )

32

Cap´ıtulo 3 Detecci´ on de part´ıculas en ambientes exteriores 3.1.

Materiales y metodolog´ıa

Para este trabajo se seleccion´o el ´area ubicada en la azotea del edificio de F´ısica de la Pontificia Universidad Cat´olica del Per´ u1 .

Figura 3.1: Edificio de F´ısica de la PUCP

Se utilizaron 30 detectores, los que fueron expuestos en una cantidad constante de aire; para lo cual se us´o 30 vasos descartables de polietileno transparentes de 7oz., se cortaron rendijas lineales laterales para poder colocar leng¨ uetas de cart´on o de 1

Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima 32, Per´ u

33

ueta se coloc´o un detector de trazas PVC, cada una de 3cm × 9cm. Sobre cada leng¨ nucleares (LR-115, tipoII de la Kodak-Pathe), de dimensiones 2,5cm × 2,5cm.

Figura 3.2: Montaje de detectores LR-115 tipoII

Los detectores as´ı preparados se colocaron en la azotea del edificio elegido, como se muestra en la Fig. (3.3) y se expusieron durante 20 d´ıas en promedio.

Figura 3.3: Ubicaci´on de los detectores en la azotea del edificio de F´ısica de la PUCP.

Pasado el tiempo de exposici´on los detectores fueron retirados y sometidos al tratamiento qu´ımico (proceso de grabado o etching) explicado en la Sec.2.1.2. Este proceso se llev´o a cabo siguiendo las instrucciones del proveedor y de acuerdo a las condiciones determinadas en un trabajo de investigaci´on anterior de la PUCP [54]. Los detectores fueron sometidos a un ba˜ no de una soluci´on de hidr´oxido de sodio ◦ (NaOH) a 2.5 N (100g/L) a 60 C durante 30 minutos. Al realizar el revelado de manera adecuada, el aspecto y caracter´ısticas de los detectores no var´ıan, a excepci´on de algunas zonas en las cuales la nitro celulosa es removida durante el ba˜ no. Para poder realizar una buena lectura, se enjuagan con agua destilada para as´ı remover totalmente la soluci´on qu´ımica, despu´es se dejan reposar y secar durante aproximadamente 24 horas como se muetra en la Fig. (3.4). 34

Figura 3.4: Secado de los detectores durante 24 horas para su posterior lectura

Para la lectura o conteo se utiliz´o un microscopio ´optico (marca Leica DM LM) de alcances 5x, 10x, 20x. La lectura ´optica permite realizar conteos por ´areas estandarizadas en el detector (densidad de huellas). Las ´areas fueron determinadas siguiendo dos procedimiento: El primero, se us´o un micr´ometro digital y una rejilla como se muestra en la Fig. (3.5), donde la diagonal de cada cuadrado de la cuadr´ıcula coincide con el di´ametro del ´area de vis´on.

Figura 3.5: Micr´ometro digital y rejilla

En el segundo, se us´o un micr´ometro simple incluido en el microscopio ´optico, como se indica en la Fig. (3.6), donde se pudo medir el di´ametro del ´area de visi´on.

35

Figura 3.6: Micr´ometro del microscopio ´optico Leica DM LM

A continuaci´on se muesta los resultados de los procedimientos en la Tabla (3.1): Primer procedimiento Segundo procedimiento (mm) (mm) 2.19 ± 0.01 2.20 ± 0.05 2.24 ± 0.01 2.20 ± 0.05 Valores del di´ametro de visi´on 2.26 ± 0.01 2.30 ± 0.05 2.22 ± 0.01 2.20 ± 0.05 2.23 ± 0.01 2.20 ± 0.05 Promedio 2.23 ± 0.01 2.20 ± 0.05 D.S. 0.03 0.04 2 ´ Area de visi´on 3.89 mm Tabla 3.1: C´alculo del ´area de visi´on

Finalmente, la ecuaci´on que permite relacionar la densidad de huellas con la concentrac´ıon en kBq/m3 es: CRn =

ρ KRn · T

(3.1)

Donde, CRn es la concentraci´on de rad´on en el ambiente estudiado; ρ es el n´ umero de huellas por unidad de ´area (densidad de huellas); KRn es el factor de calibraci´on 20,41Bq/m3 que corresponde a 1huella/mm2 , el cual se obtuvo experimentalmente [54]. Con la finalidad de hacer un seguimiento de la fluctuaci´on del rad´on en el ambiente exterior estudiado, se realiz´o 4 mediciones distintas en diferentes ´epocas de los u ´ltimos 3 a˜ nos pasados. La primera se realiz´o desde el 01-06-2011 al 21-06-2011; la segunda, desde el 14-07-2011 al 03-08-2011; la tercera, desde el 19-09-2012 al 09-10-2012; la cuarta, desde el 19-12-2012 al 08-01-2013. 36

3.2.

Resultados

Al realizar la lectura usando el microscopio ´optico en los diferentes detectores, se encuentra que se puede diferenciar claramente dos tipos de huellas que para este an´alisis se denominan huellas peque˜ nas (P) como se muestra en la Fig. (2.3) y huellas grandes (G) como se muestra en la Fig. (2.7). Se pueden encontrar diferencias en las huellas que est´an determinadas por la intensidad energ´etica del haz de part´ıculas. Usando la f´ormula de Bethe, se puede encontrar par´ametros como el rango de incidencia y poder de frenado. Para este c´alculo se hace la simulaci´on en el programa SRIM [69]. Tomando el ejemplo de part´ıculas α provenientes del rad´on, las cuales poseen 5.590 MeV se puede obtener el rango que incide en el material que esta entre 32.31µm - 36.87µm. Tambien se pueden diferenciar los di´ametros dependiendo de la energ´ıa incidente. En la Fig. (3.7) se observa la variaci´on de frenado respecto a diferentes energ´ıas incidentes de las part´ıculas α (1 − 5M eV ).

Figura 3.7: Poder de frenado usando la f´ormula de Bethe para energ´ıas de 2 al 7,5M eV . Obtenido del programa SRIM [69].

Para determinar la concentraci´on total de la contaminaci´on producida por el 37

umero total de huellas rad´on 222, sus antecesores y descendientes, se considera el n´ que incluyen a ambos tipos P y G. Los resultados de las mediciones se presentan en las siguientes tablas.

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas/mm2 79 ± 03 88 ± 09 82 ± 05 1 ± 01 1 ± 00 32 ± 05 1 ± 00 1 ± 00 1 ± 00 19 ± 01 1 ± 00 19 ± 01 19 ± 04 6 ± 04 0 1 ± 00 1 ± 01 0 1 ± 01 1 ± 00 1 ± 00 4 ± 01 7 ± 03 14 ± 04 9 ± 02 11 ± 04 0 29 ± 03 28 ± 04 0

Contaminaci´on de elementos (Bq/m3 ) 1610.76 ± 81.53 1794.40 ± 90.80 1683.17 ± 85.19 23.09 ± 1.37 12.59 ± 0.84 663.19 ± 33.69 17.84 ± 1.10 14.69 ± 0.95 19.94 ± 1.21 380.92 ± 19.44 10.49 ± 0.73 386.16 ± 19.70 392.46 ± 20.02 131.17 ± 6.83 0 18.89 ± 1.16 26.23 ± 1.53 0 14.69 ± 0.95 14.69 ± 0.95 15.74 ± 1.00 91.29 ± 4.81 134.32 ± 6.99 292.77 ± 14.99 180.49 ± 9.32 225.61 ± 11.60 0 600.23 ± 30.51 564.55 ± 28.71 0

Tabla 3.2: Resultados obtenidos desde el 01-06-2011 al 21-06-2011. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

38

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas/mm2 49 ± 13 47 ± 07 18 ± 07 4 ± 02 53 ± 09 8 ± 03 5 ± 01 12 ± 05 4 ± 01 10 ± 03 9 ± 04 12 ± 02 8 ± 04 7 ± 07 19 ± 10 76 ± 18 46 ± 22 5 ± 01 100 ± 15 10 ± 09 22 ± 08 9 ± 05 27 ± 07 3 ± 03 24 ± 06 32 ± 10 22 ± 05 8 ± 03 11 ± 01 4 ± 02

Contaminaci´on de elementos (Bq/m3 ) 997.94 ± 50.59 950.72 ± 48.21 359.93 ± 18.38 73.46 ± 3.91 1076.64 ± 54.56 156.35 ± 8.09 92.34 ± 4.87 253.94 ± 13.03 77.65 ± 4.12 195.18 ± 10.06 190.98 ± 9.85 243.45 ± 12.50 171.05 ± 8.84 141.66 ± 7.36 379.87 ± 19.38 1550.95 ± 78.51 939.17 ± 47.62 96.54 ± 5.08 2049.39 ± 103.68 194.13 ± 10.01 444.93 ± 22.67 183.64 ± 9.48 542.52 ± 27.60 71.36 ± 3.81 492.15 ± 25.05 662.14 ± 33.64 457.52 ± 23.30 162.65 ± 8.42 229.81 ± 11.81 85.00 ± 4.50

Tabla 3.3: Resultados obtenidos desde el 14-07-2011 al 03-08-2011. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

39

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas/mm2 10 ± 01 2 ± 01 3 ± 01 9 ± 01 16 ± 04 27 ± 20 9 ± 02 9 ± 04 33 ± 05 4 ± 01 4 ± 01 18 ± 07 3 ± 01 4 ± 01 4 ± 01 58 ± 06 54 ± 03 0 63 ± 06 11 ± 02 14 ± 05 15 ± 06 23 ± 09 33 ± 03 6 ± 02 5 ± 01 22 ± 02 7 ± 02 12 ± 05 8 ± 04

Contaminaci´on de elementos (Bq/m3 ) 210.92 ± 10.85 50.37 ± 2.75 64.01 ± 3.44 176.29 ± 9.11 320.05 ± 16.36 547.76 ± 27.86 182.59 ± 9.42 193.08 ± 9.95 665.29 ± 33.79 82.90 ± 4.39 89.20 ± 4.71 374.62 ± 19.12 60.86 ± 3.28 85.00 ± 4.50 80.80 ± 4.28 1187.87 ± 60.18 1104.97 ± 55.99 0 1285.46 ± 65.11 217.22 ± 11.17 280.18 ± 14.35 296.97 ± 15.20 469.06 ± 23.89 664.24 ± 33.74 128.02 ± 6.67 103.89 ± 5.45 453.32 ± 23.09 137.47 ± 7.14 252.90 ± 12.97 155.30 ± 8.05

Tabla 3.4: Resultados obtenidos desde el 19-09-2012 al 09-10-2012. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

40

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas/mm2 7 ± 04 0 0 74 ± 06 12 ± 06 8 ± 04 15 ± 07 6 ± 05 0 5 ± 02 4 ± 01 3 ± 02 1 ± 00 2 ± 01 0 14 ± 07 24 ± 20 29 ± 14 4 ± 01 18 ± 03 1 ± 01 8 ± 06 0 2 ± 02 6 ± 05 2 ± 02 7 ± 04 10 ± 09 1 ± 01 1 ± 00

Contaminaci´on de elementos (Bq/m3 ) 143.76 ± 7.46 0 0 1514.22 ± 76.66 250.80 ± 12.87 168.95 ± 8.73 311.66 ± 15.94 115.43 ± 6.03 0 104.94 ± 5.50 73.46 ± 3.91 66.11 ± 3.54 26.23 ± 1.53 44.07 ± 2.43 0 285.43 ± 14.62 490.05 ± 24.95 584.49 ± 29.72 74.50 ± 3.97 360.98 ± 18.43 24.14 ± 1.42 161.60 ± 8.36 0 34.63 ± 1.95 114.38 ± 5.98 34.63 ± 1.95 135.37 ± 7.04 201.48 ± 10.38 11.54 ± 0.79 12.59 ± 0.84

Tabla 3.5: Resultados obtenidos desde el 19-12-2012 al 08-01-2013. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

41

En forma gr´afica se presentan los resultados de las tablas para establecer los cambios de la contaminaci´on ambiental por elementos radiactivos naturales en funci´on del tiempo. Teniendo en cuenta los per´ıodos en los que se hicieron las detecciones 2 :

Per´ıodos 1 2 3 4

Fecha Del Del Del Del

01-06-2011 14-07-2011 19-09-2012 19-12-2012

al al al al

21-06-2011 03-08-2011 09-10-2012 08-01-2013

N◦ N◦ d´ıas Temperatura de de promedio d´ıas lluvia ( C◦ ) 20 2 19.8 20 11 17.3 20 3 17.4 20 1 21.8

UV 5.8 5.7 7.7 7.9

Tabla 3.6: Per´ıodos y caracter´ısticas de estos.

Figura 3.8: Contaminaci´on SUR para los cuatro per´ıodos se˜ nalados anteriormente. 2

Datos meteorol´ogicos tomados de la data hist´orica de la Estaci´on Meteorol´ogica “Hip´olito Unanue” en la PUCP [70]

42

Figura 3.9: Contaminaci´on OESTE para los cuatro per´ıodos se˜ nalados anteriormente.

nalados anteriormente. Figura 3.10: Contaminaci´on NORTE para los cuatro per´ıodos se˜

43

Figura 3.11: Contaminaci´on ESTE para los cuatro per´ıodos se˜ nalados anteriormente.

nalados anteriormente. Figura 3.12: Contaminaci´on ZENIT para los cuatro per´ıodos se˜

44

Para diferenciar la concentraci´on de la contaminaci´on producida por el rad´on 222 de la contaminaci´on producida posiblemente por sus antecesores y descendientes, se considera por separado el n´ umero de huellas peque˜ nas P y el n´ umero de huellas grandes G. Los resultados de las mediciones se presentan en las siguientes tablas.

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas (P)/mm2 79 ± 02 87 ± 08 82 ± 05 1 ± 00 0 32 ± 05 1 ± 00 0 ± 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ± 01 0 0 0 0 4 ± 01 6 ± 03 14 ± 04 1 ± 00 1 ± 01 0 29 ± 03 27 ± 04 0

N◦ de huellas (G)/mm2 0 1 ± 01 0 0 0 0 0 0 1 ± 00 18 ± 01 0 19 ± 01 19 ± 04 6 ± 04 0 1 ± 00 1 ± 00 0 1 ± 00 1 ± 00 0 1 ± 00 1 ± 00 0 8 ± 02 10 ± 04 0 0 1 ± 00 0

Concentraci´on de rad´on (Bq/m3 ) 1602.37 ± 81.11 1780.76 ± 90.11 1673.72 ± 84.71 19.94 ± 1.21 6.30 ± 0.52 659.00 ± 33.48 11.54 ± 0.79 7.35 ± 0.57 9.44 ± 0.68 6.30 ± 0.52 1.05 ± 0.26 1.05 ± 0.26 3.15 ± 0.36 5.25 ± 0.47 0 1.05 ± 0.26 9.44 ± 0.68 0 4.20 ± 0.42 4.20 ± 0.42 7.35 ± 0.57 78.70 ± 4.18 123.82 ± 6.46 289.62 ± 14.83 16.79 ± 1.05 17.84 ± 1.10 0 597.08 ± 30.35 553.01 ± 28.13 0

Tabla 3.7: Resultados obtenidos desde el 01-06-2011 al 21-06-2011. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

45

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas (P)/mm2 48 ± 12 46 ± 07 17 ± 07 2 ± 02 51 ± 09 7 ± 03 4 ± 01 12 ± 05 3 ± 01 9 ± 03 9 ± 04 12 ± 02 8 ± 04 7 ± 07 18 ± 10 75 ± 18 46 ± 22 4 ± 01 100 ± 15 9 ± 09 21 ± 08 9 ± 04 26 ± 07 3 ± 03 24 ± 05 32 ± 10 22 ± 06 8 ± 03 11 ± 01 4 ± 02

N◦ de huellas (G)/mm2 1 ± 00 1 ± 01 1 ± 00 2 ± 01 1 ± 00 1 ± 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ± 00 0 0 0 1 ± 01 1 ± 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Concentraci´on de rad´on (Bq/m3 ) 982.20 ± 49.80 933.93 ± 47.36 337.89 ± 17.26 32.53 ± 1.85 1050.41 ± 53.24 133.27 ± 6.93 88.15 ± 4.65 247.65 ± 12.71 70.31 ± 3.75 188.88 ± 9.74 185.74 ± 9.58 239.25 ± 12.28 165.80 ± 8.58 136.42 ± 7.09 372.52 ± 19.01 1536.26 ± 77.77 933.93 ± 47.36 90.24 ± 4.76 2041.00 ± 103.25 179.44 ± 9.26 423.94 ± 21.61 179.44 ± 9.26 534.12 ± 27.17 66.11 ± 3.54 484.80 ± 24.68 654.80 ± 33.26 448.08 ± 22.83 158.45 ± 8.20 226.66 ± 11.65 80.80 ± 4.28

Tabla 3.8: Resultados obtenidos desde el 14-07-2011 al 03-08-2011. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

46

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas (P)/mm2 10 ± 01 2 ± 01 3 ± 01 8 ± 01 15 ± 03 27 ± 20 9 ± 02 9 ± 04 32 ± 05 3 ± 01 4 ± 01 18 ± 07 3 ± 01 4 ± 01 4 ± 01 57 ± 06 53 ± 03 0 63 ± 06 10 ± 02 13 ± 05 14 ± 06 23 ± 09 33 ± 03 6 ± 02 5 ± 01 21 ± 02 6 ± 01 12 ± 05 7 ± 04

N◦ de huellas (G)/mm2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ± 00 1 ± 00 0 0 0 0 0 1 ± 00 1 ± 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ± 00 0 0 0

Concentraci´on de rad´on (Bq/m3 ) 210.92 ± 10.85 50.37 ± 2.75 64.01 ± 3.44 170.00 ± 8.79 315.86 ± 16.15 547.76 ± 27.86 182.59 ± 9.42 193.08 ± 9.95 645.35 ± 32.79 70.31 ± 3.75 89.20 ± 4.71 374.62 ± 19.12 60.86 ± 3.28 85.00 ± 4.50 80.80 ± 4.28 1165.84 ± 59.07 1175.59 ± 54.51 0 1285.46 ± 65.11 209.87 ± 10.80 270.73 ± 13.87 293.82 ± 15.04 469.06 ± 23.89 664.24 ± 33.74 128.02 ± 6.67 103.89 ± 5.45 429.19 ± 21.87 131.17 ± 6.83 248.70 ± 12.76 152.16 ± 7.89

Tabla 3.9: Resultados obtenidos desde el 19-09-2012 al 09-10-2012. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

47

Detectores

Grupo 1 SUR Grupo 2 OESTE Grupo 3 ZENIT Grupo 4 ZENIT Grupo 5 ZENIT Grupo 6 ZENIT Grupo 7 ZENIT Grupo 8 NORTE Grupo 9 ZENIT Grupo 10 ESTE

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

N◦ de huellas (P)/mm2 7 ± 04 0 0 72 ± 07 3 ± 04 8 ± 04 0 5 ± 05 0 5 ± 02 4 ± 01 1 ± 01 1 ± 00 2 ± 01 0 14 ± 07 24 ± 20 23 ± 17 4 ± 01 18 ± 03 1 ± 01 7 ± 06 0 1 ± 01 4 ± 05 1 ± 01 6 ± 04 10 ± 09 1 ± 01 1 ± 00

N◦ de huellas (G)/mm2 0 0 0 2 ± 01 9 ± 08 0 15 ± 07 0 0 0 0 2 ± 01 0 0 0 0 0 6 ± 04 0 0 0 1 ± 01 0 1 ± 00 2 ± 02 0 0 0 0 0

Concentraci´on de rad´on (Bq/m3 ) 143.76 ± 7.46 0 0 1471.20 ± 74.48 58.76 ± 3.17 168.95 ± 8.73 1.05 ± 0.26 111.23 ± 5.82 0 104.94 ± 5.50 73.46 ± 3.91 23.09 ± 1.37 26.23 ± 1.53 39.88 ± 2.22 0 285.43 ± 14.62 490.05 ± 24.95 463.82 ± 23.62 73.46 ± 3.91 360.98 ± 18.43 15.74 ± 1.00 143.76 ± 7.46 0 24.14 ± 1.42 80.80 ± 4.28 26.23 ± 1.53 128.02 ± 6.67 201.48 ± 10.38 11.54 ± 0.79 12.59 ± 0.84

Tabla 3.10: Resultados obtenidos desde el 19-12-2012 al 08-01-2013. La direcci´on de cada grupo de detectores est´a indicada en la Fig. (3.3).

48

Figura 3.13: Concentraci´on SUR para los cuatro per´ıodos se˜ nalados anteriormente.

nalados anteriormente. Figura 3.14: Concentraci´on OESTE para los cuatro per´ıodos se˜

49

Figura 3.15: Concentraci´on NORTE para los cuatro per´ıodos se˜ nalados anteriormente.

nalados anteriormente. Figura 3.16: Concentraci´on ESTE para los cuatro per´ıodos se˜

50

Figura 3.17: Concentraci´on ZENIT para los cuatro per´ıodos se˜ nalados anteriormente.

51

Cap´ıtulo 4 Discusi´ on de resultados De acuerdo a los resultados presentados en las diferentes tablas, las mediciones permitieron evidenciar la presencia significativa de rad´on 222 y otros posibles contaminantes de origen radiactivo durante los cuatro per´ıodos, sobre todo el primer per´ıodo posee mayor porcentaje de contaminantes en promedio respecto de los dem´as en la ciudad de Lima, como dato relevante esta medici´on fue realizada tres meses despu´es del desastre de Fukushima. Sin embargo, la contaminaci´on total y/o la concentraci´on de este gas disminuyen durante el per´ıodo de verano (per´ıodo 4), como se aprecia en los resultados. En estas u ´ltimas mediciones, tambi´en influy´o la alta radiaci´on UV ambiental que se registr´o en esa ´epoca y que en algunos casos caus´o el deterioro de algunos detectores impidiendo sus lecturas. Este ser´a un factor a tomar en cuenta para futuras mediciones. En las Graf. (3.12) y Graf. (3.17) se aprecian barras de error mayores a las dem´as gr´aficas o en este caso direcciones. La causa de esto fue el factor de radiaci´on UV ya que son los m´as expuestos al sol directamente y que por lo tanto parte del detector se degrade y que la proporci´on de huellas por unidad de ´area sea muy dispareja en diferentes secciones del detector. En los gr´aficos de contaminaci´on en donde se tomaron en cuenta todas las huellas en conjunto (P y G) se observa que en las posiciones SUR (Graf. (3.8)), ESTE (Graf. (3.11)) y ZENIT (Graf. (3.12)) hay un decremento respecto de los per´ıodos; sin embargo, en las posiciones OESTE (Graf. (3.9)) y NORTE (Graf. (3.10)), no se cumple lo anterior sino que el u ´nico per´ıodo que muestra un valor mayor respecto a los dem´as per´ıodos es el 3 y adem´as la “contaminaci´on” es menor respecto a las direcciones anteriores. Por lo que se podr´ıa suponer que en esa direcci´on (Oeste y Norte) el viento no influy´o en el posible desplazamiento del gas radiactivo. En los gr´aficos de concentraci´on de rad´on en donde solo se tomaron en cuenta las huellas tipo P (m´etodo que se usa formalmente para obtener concentraci´on de 52

rad´on). El decremento se mantiene en las posiciones anteriores, solo que en el gr´afico de la posici´on Zenit se ve influenciado por el factor de degradaci´on y la p´erdida parcial de datos en el pol´ımero, tomando en cuenta que en la Graf. (3.12) comparada con Graf. (3.12) en el per´ıodo 1 la concentraci´on de huellas G es mucho mayor que en los dem´as per´ıodos en esta posici´on. Igualmente el valor mayor respecto a los dem´as periodos es el 3. Comparando los per´ıodos 1 y 2 (debido a la aproximaci´on de UV), podemos observar que la cantidad de d´ıas de lluvia se vio influenciada en la direcci´on que apuntaba el detector; ya que en algunos aumenta la concentraci´on y en otros disminuye. La presencia de las huellas grandes G se encontr´o en todos los pol´ımeros colocados durante los cuatro periodos. En los detectores orientados hacia el Zenit se observa que hay un cambio significativo entre la contaminaci´on total y la concentraci´on de rad´on (sobre todo en el per´ıodo 1); ya que, la presencia de huellas G es notoria respecto a las dem´as direcciones. Y el mayor porcentaje de estas se encuentra en el primer per´ıodo sobre todo en los detectores que apuntan hacia el Zenit, este tipo de huellas se discute que puede deberse a la influencia de la radiaci´on ambiental producida por el desastre de Fukushima. Tambi´en, se observa un cambio significativo de huellas G en la direcci´on Oeste del per´ıodo 4. Pr´oximamente se realizar´a trabajos complementarios para determinar si estas son las causas y/o puede deberse a la presencia de otros contaminantes radiactivos ambientales relacionados con las cadenas de desintegraci´on del U, Th, Ra y otros.

53

Cap´ıtulo 5 Conclusiones Usando la t´ecnica de huellas nucleares en detectores de LR-115 se ha podido determinar la presencia de contaminantes radiactivos ambientales. La implementaci´on de esta t´ecnica en el laboratorio de F´ısica Experimental se realiz´o con ´exito debido a los datos obtenidos; sin embargo, la precisi´on de los datos se pudo mejorar, realizando o planteando mejores m´etodos de conteo y grabado. Es posible perfeccionar la precisi´on de los datos, grabando de tal manera que cada detector sufra las mismas condiciones y no permanezcan en contacto una con la otra o simplemente disminuir el tiempo de detecci´on. En el conteo seleccionar una mayor cantidad de secciones para realizar una mejor estad´ıstica o implementar un m´etodo que permita contar en totalidad al dectector y no por secciones. A pesar de algunas imprecisiones este trabajo ha permitido determinar la concentraci´on fluctuante del rad´on 222 en el ambiente y otros contaminantes posibles. Se le llam´o hipot´eticamente otros contaminates; ya que, se encontr´o una geometr´ıa nueva y disitinta de huellas que normalmente se generan en la interacci´on con este pol´ımero. Algunos detalles resaltantes pero no catrastr´oficos son la presencia alta de radiaci´on UV en la ciudad de Lima que evidencia en los detectores un da˜ no superficial, tomando en cuenta la Tabla. (3.6) se observ´o en el periodo 4 una medida alta de UV donde los Gr´af. (3.12) y G´raf. (3.17) en direcci´on ZENIT se observa una baja de concentraci´on de huellas respecto de los dem´as per´ıodos y direcciones, debido a este fen´omeno de radiaci´on UV. Por lo tanto, en lo sucesivo se tendr´a en cuenta este factor que resulta determinante al usar este tipo de detectores. Las diferentes formas, tama˜ nos de las huellas encontradas durante estas mediciones ser´an analizadas posteriormente en otro trabajo para el cual se est´an recopilando m´as datos, a fin de poder determinar cual es la relaci´on que existe en la formaci´on de estas nuevas huellas con sus energ´ıas 54

asociadas, fuente de emisi´on y/o dem´as caracter´ısticas. Pero como informaci´on adicional sobre estas huellas tipo G, si regresamos a la parte de discusi´on de resultados y nos enfocamos en el per´ıodo 1 en direcci´on Zenit, podemos observar un salto notorio de huellas tipo G; ya que si tomamos en cuenta la degradaci´on por UV, se pudo observar que parte de la data de huellas G se perdi´o como se observa en el per´ıodo 1 de la direcci´on Zenit. Debido a esto y observando que la presencia de UV degrada la superficie y la pierde parcialmente incluyendo el ba˜ no qu´ımico, podemos asumir de que estas huellas G solo se forman en la superficie de nuestro detector (nitrocelulosa de 12µm), pero tomando en cuenta que a´ un las huellas G en su centro possen una huella tipo P que traspasa esta superficie y llega al poliester de 100µm. Finalmente, en los pr´oximos trabajos se mejorar´a el m´etodo en general para el procedimiento de lectura de detectores y dem´as factores. Pero a pesar de aspectos que podr´ıan deducir que los datos son incorrectos, estos datos obtenidos son correctos y muestra el ´exito en la t´ecnica y la ampliaci´on del estudio de las nuevas huellas obtenidas.

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