Resumen de Adecuación y desarrollo de métodos de análisis de datos obtenidos mediante espectrometría gamma para la medida de la radiactividad ambiental en tiempo real
La Red de Vigilancia Radiológica Ambiental de la Generalitat de Catalunya está constituida por varios tipos de detectores para la medida automática en continuo y en tiempo real de la radiación ambiental. Dicha Red está formada por varias subredes según los tipos de monitores de radiación: La Red de Vigilancia General, la Red de Vigilancia alrededor de las centrales nucleares, la Red de Espectrometría y la Red de equivalente de dosis ambiental H*(10). Desde 2006, la Unitat de Física Mèdica de la Universitat Rovira i Virgili (URV) se encarga de la evaluación del significado radiológico de los datos adquiridos y de tareas de investigación dentro del proyecto de la Red de Vigilancia Radiológica Ambiental de la Generalitat de Catalunya.
La Red de Espectrometría, situada en distintos puntos de Catalunya y dentro del recinto de las centrales nucleares, consta de veintiséis equipos: monitores de medida de radiación gamma sobre filtro de papel con detectores de NaI(Tl) y LaBr3(Ce), monitores de medida directa de radiación con detectores de NaI(Tl) y LaBr3(Ce), monitores de medida directa sin apantallamiento de NaI(Tl) y LaBr3(Ce) y dos monitores de agua de río con detector de NaI(Tl). Dada la condición experimental de la Red, para poder llevar a cabo estudios de investigación, las medidas de los dos tipos de detectores de centelleo utilizados son diferentes en algunos monitores. Así, la Red dispone de equipos con detectores de NaI(Tl) de 2”×2” y 3”×3” y detectores de LaBr3(Ce) de 1”×1” y 2”×2”.
Objetivos El objetivo principal perseguido en esta tesis es el desarrollo y la realización de distintas tareas de I+D para mejorar los procesos de análisis de datos que realiza la Unitat de Física Mèdica en el marco del proyecto de la Red de Espectrometría de Catalunya. En particular, los objetivos específicos son:
1. Adecuar los espectros obtenidos por un monitor de agua de río de espectrometría gamma en tiempo real con detector de LaBr3(Ce) para el análisis espectrométrico: estabilizar espectros, calibrar el equipo en energía, resolución y eficiencia y sustraer el fondo intrínseco.
2. Analizar los datos obtenidos por el monitor de agua de río con un detector de LaBr3(Ce) durante un incremento natural y compararlos con los del monitor de agua de río con un detector de NaI(Tl) para evaluar la elección más adecuada del equipamiento en distintas situaciones.
3. Desarrollar e implementar una metodología para el cálculo del equivalente de dosis ambiental H*(10) a partir de los datos obtenidos con los monitores de la Red de Espectrometría.
4. Comparar los valores obtenidos de H*(10) a partir de datos espectrométricos con los proporcionados por la Red de equivalente de dosis ambiental H*(10), formada por contadores GM.
5. Desarrollar un método de análisis de espectros gamma mediante regiones espectrales útil para solventar el solapamiento de picos y eliminar la contribución adicional aportada por la presencia de isótopos naturales en medidas ambientales en tiempo real.
6. Aplicar el método de análisis por regiones espectrales a medidas de laboratorio para cuantificar la concentración de actividad de isótopos de interés, tanto naturales (Bi-214 y Pb-214) como artificiales (I-131 y Cs-137).
7. Comprobar que el método es adecuado para el establecimiento de alarmas automáticas asociadas a incrementos de concentración de actividad de isótopos artificiales.
Material y métodos y Resultados: Esta tesis está formada por tres artículos científicos, uno de ellos publicado y otros dos en proceso de revisión en revistas indexadas.
En la primera publicación, se caracteriza un monitor de agua de espectrometría gamma de centelleo con un detector de 2”×2” de LaBr3(Ce) que registra espectros gamma de agua del río Ebro. Los espectros registrados carecen de significado radiológico si no se aplican métodos para la estabilización de espectros y para la calibración del monitor. Así, se realiza una calibración completa del equipo: la calibración en energía y en resolución se ha llevado a cabo experimentalmente, mientras que la eficiencia se ha determinado mediante simulaciones de Montecarlo con el código EGS5. También se proporcionan valores de la concentración de actividad mínima detectable para los isótopos I-131 y Cs-137 en distintos tiempos de integración. Finalmente, para comprobar el funcionamiento del monitor calibrado, se estudia un incremento radiológico registrado durante un episodio de lluvia y se comparan los resultados con los obtenidos por otro monitor de agua con detector de NaI(Tl).
En el segundo artículo, se describe la metodología del cálculo del equivalente de dosis ambiental H*(10) a partir de simulaciones de Montecarlo y su aplicación a medidas reales de espectrometría gamma tomadas con detectores de centelleo con cristales de LaBr3(Ce). La medida del equivalente de dosis ambiental H*(10) con monitores automáticos de espectrometría gamma en tiempo real aporta información valiosa en tiempos de integración cortos y se presenta como una alternativa al análisis convencional por ajuste de Gaussianas. La metodología presentada comprende el cálculo de los factores de conversión de fluencia a H*(10) y un método para obtener la fluencia a partir de espectros gamma. Los resultados obtenidos en este estudio se comparan con los de un detector Geiger-Muller (GM) calibrado en H*(10). Finalmente, se calcula la concentración de actividad necesaria para producir cierto aumento de H*(10) para distintos isótopos. De este modo se pueden comparar las capacidades de detección de los detectores de espectrometría frente a los detectores GM.
El último artículo propone una metodología de análisis basada en la técnica de las regiones espectrales dirigida a espectros gamma ambientales tomados en tiempo real por detectores de centelleo. El método permite la monitorización de concentraciones de actividad de isótopos naturales y artificiales, como el Cs-137 y I-131, ya que elimina la dispersión Compton (y otras contribuciones) y solventa el solapamiento de picos dentro de las regiones espectrales. Se presentan concentraciones de actividad de Cs-137, I-131, Bi-214 y Pb-214 obtenidas aplicando el método particularizado para un monitor de medida directa con detector de LaBr3(Ce).
Conclusiones Los estudios presentados en el cuerpo central de esta tesis hacen referencia a distintas aportaciones que la Unitat de Física Mèdica de la URV ha realizado para la evaluación del significado radiológico de los datos adquiridos y en tareas de investigación en el marco del proyecto de la Red de Vigilancia Radiológica Ambiental de la Generalitat de Catalunya.
Las principales conclusiones alcanzadas en la realización de los diferentes estudios que ha abordado este trabajo son: - Se han adecuado los espectros registrados por un monitor de agua de río con detector de LaBr3(Ce) para el análisis espectrométrico, aplicando metodologías para la estabilización de espectros y la calibración del equipo en energía, resolución y eficiencia.
- Se ha comparado su funcionamiento con otro monitor de agua de río con detector de NaI(Tl) durante un episodio de lluvia. La concentración de actividad calculada para el Bi-214 ha dado un resultado equiparable con ambos monitores.
- Debido a la gran dispersión de las medidas de fondo, aportada por el valor elevado del fondo intrínseco, el monitor de agua de río con detector de LaBr3(Ce) requiere un incremento de cps mucho mayor que el monitor de NaI(Tl) para superar el criterio de discriminación de análisis de espectros establecido en la Red.
- Se ha desarrollado una metodología para el cálculo del equivalente de dosis ambiental H*(10) en monitores de espectrometría gamma en tiempo real con detectores de centelleo que puede ser aplicada a todos los tipos de detectores de espectrometría, a distintas geometrías, materiales y rango de energías gamma.
- Se ha aplicado la metodología a un monitor con detector de LaBr3(Ce) y se han comparado los valores obtenidos de H*(10) con los proporcionados por un contador GM calibrado. Además, se han calculado las concentraciones de actividad necesarias para producir cierto incremento del equivalente de dosis ambiental H*(10).
- Se ha desarrollado un método de análisis por regiones espectrales para la monitorización de la concentración de actividad de isótopos artificiales en medidas ambientales de espectrometría gamma en tiempo real tomadas con detectores de centelleo.
- En cada región espectral, el método sustrae las contribuciones externas que sobreestiman la concentración de actividad de un cierto isótopo, como la dispersión Compton de la radiación natural o las cuentas provenientes de otras emisiones gamma cercanas.
- Se ha ajustado el método a un monitor de medida directa con detector de LaBr3(Ce), para evitar los falsos positivos de Cs-137 y I-131 en espectros de fondo y espectros con una notable presencia de descendientes del Rn-222. En espectros registrados con fuentes de Cs-137 y I-131, la metodología obtiene un valor de concentración de actividad equiparable con el obtenido por un programa comercial de ajuste de Gaussianas.
