Caracterización De Arena Para Su Posible Uso Como Dosímetros De Radiación por EPR

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1 Revista Colombiana de Física, Vol. 42, No. 3 de 21. Caracterización De Arena Para Su Posible Uso Como Dosímetros De Radiación por EPR Characterization of sand for its possible use as an EPR radiation dosimeter E. Carvajal a, O. Almanza * a, R. Cogollo b a Departamento de Física: Grupo de Física Aplicada, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. b Departamento de Física: Grupo de Materiales, Universidad de Córdoba. Recibido 5.3.1; Aceptado ; Publicado en línea Resumen Se caracterizaron por fluorescencia de rayos X, difracción de rayos X, microscopía con luz polarizada y resonancia paramagnética electrónica (EPR), un conjunto de muestras de arena provenientes de las playas de, y Los Córdobas. Los resultados indican que las tres playas son ricas en cuarzo y feldespato. Se observaron señales EPR con un factor g de 2.19 y 2.1 en las muestras de arena natural desmagnetizada, las cuales son atribuidas a centros paramagnéticos del cuarzo presente en el material. Se determinó que para la utilización de las muestras como posible dosímetro se hace necesario un tratamiento térmico previo pues, se facilita la tenencia de un espectro EPR mejor resuelto. La temperatura óptima de tratamiento se determinó en 5 C durante una hora. La respuesta de estos materiales a la dosis suministrada, la estabilidad de la señal de EPR y la reutilización de los materiales fueron evaluados en estas tres muestras. Todas las muestras presentan un incremento de la intensidad EPR con la dosis, pero sólo las muestras provenientes de las playas de mostraron un incremento lineal con la dosis aplicada, en un rango de 8 a 16Gy. La intensidad de la señal EPR con el tiempo, después de irradiadas las muestras, también fue evaluada. Palabras claves: Arena; Dosímetro; EPR. Abstract X-ray diffraction, X-ray fluorescence, polarized light microscopy and electron paramagnetic resonances were used in order to characterize sand come from some Colombian beaches such as, and Los Córdobas. Results show that the three beaches are rich in feldespat and quartz. EPR signals with a g factor of 2.19 and 2.1 were observed and they have been attributed to paramagnetic centers coming from the quartz. Previous thermal treatments, at 5 ºC for one hour in all samples, were necessary in order to eliminate every preceding EPR signal. Signal performance, signal EPR stability and the possibility of reuse were evaluated in theses samples. A linear change in EPR signal intensity versus dosis, range from to 16 Gy, was observed in samples coming from Coveña and Cordobas s beaches. Keywords: Sand; Dosimeter; EPR. PACS: a; v. 21 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados. 1. Introducción La arena es un material natural fácilmente disponible en grandes cantidades. Los constituyentes principales de la arena son el cuarzo y el feldespato, los cuales son bastante conocidos por exhibir termoluminiscencia [1]. El cuarzo (SiO2) ha recibido gran atención en la literatura ya que sus principales defectos paramagnéticos están plenamente * oaalmanzam@unal.edu.co

2 E. Carvajal, O. Almanza, R. Cogollo. Caracterización De Arena Para Su Posible Uso Como Dosímetros De Radiación por EPR. identificados por EPR [1] y algunos investigadores han considerado que la arena puede ser utilizada como dosímetro de radiación termoluminiscente o por EPR [2,3,4]. Las ventajas básicas de utilizar la arena como dosímetro es su bajo costo, fácil manejo y disponibilidad en grandes cantidades. En este trabajo, muestras de arena provenientes de tres playas del departamento de Córdoba y Sucre (, y ) fueron caracterizadas por las técnicas de fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX) y microscopía de luz polarizada, a partir de las cuales se determinó la composición mineral que conforman las muestras y sus concentraciones. Las propiedades dosimétricas de estas muestras (respuesta con la dosis, estabilidad de la señal y reutilización del material), fueron estudiadas por EPR. 2. Aspectos Experimentales Se recolectaron 3 muestras de arena provenientes de las playas de los municipios de, Los Córdobas y, en los departamentos de Córdoba y Sucre. Se tomó aproximadamente 1 Kg de arena de cada playa. Con el objeto de remover las impurezas orgánicas, las muestras de arena fueron lavadas con ácido clorhídrico 1 N. Para ello, por cada 5 g de arena a cada muestra se le agregaron 3 ml de HCl por 45 minutos a temperatura ambiente. La arena era removida cada cinco minutos para que el área superficial de los granos interactuará con el acido. El procedimiento anterior se repitió en tres oportunidades, hasta que se observó que las impurezas orgánicas superficiales desaparecieron en mayor grado. Luego se retiró el ácido por medio de lavados con agua destilada y finalmente las muestras fueron secadas a 75 C durante 1 hora con el objeto de retirarles la humedad. Con el propósito de determinar elementos, compuestos y minerales presentes en las muestras se realizó un análisis químico elemental y un análisis estructural. El análisis químico elemental fue realizado por fluorescencia de rayos X (FRX) en el Laboratorio de Gestión y Tecnología de la empresa Cerro Matoso S.A. usando un equipo Philips FRX 24, a temperatura ambiente; para lo cual se usaron 5 g de muestra y los resultados son el promedio aritmético de varias medidas. El análisis estructural se realizó por medio de difracción de rayos X (DRX). Los espectros se obtuvieron, a temperatura ambiente, en un difractómetro Philips PW 171, usando como radiación incidente la línea Kα 1 del cobre (λ= Ǻ) operando con un voltaje en el tubo de 4 kv y una corriente de 3 ma, variando el ángulo de barrido entre 1 <2θ<7 en pasos de.2 grados/s. Antes del proceso de irradiación, las partículas magnéticas presentes en las muestras, fueron removidas usando imanes apropiados (~ 5 gauss), para minimizar la absorción de señales TL, como fue sugerido por Vaijapurkar y Bhatnagar [4]. Posteriormente se les aplicó un tratamiento térmico de 5ºC durante 1 hora, seguido de una fase de enfriamiento en aire hasta temperatura ambiente. Para llevar a cabo estos tratamientos se empleó un horno Lindberg/Blue UP15. Este tratamiento tiene por objeto reducir la señal natural del material antes de cada irradiación y permitir su reutilización como había sido sugerido por Teixeira, Ferraz y Caldas [1]. Las irradiaciones fueron realizadas en aire a temperatura ambiente (~32 ºC) usando una unidad de 6Co Theratron 78C a una distancia de 8 cm de la fuente, dentro de un campo de radiación de 1 x 1 cm 2 en el plano de irradiación. Las muestras de arena en polvo, con un tamaño de grano aproximado de 1 micras, de 3 mg de masa cada una, fueron colocadas entre dos placas de acrílico de 5 mm de espesor, con el propósito de alcanzar condiciones de equilibrio electrónico. La lectura de las muestras fué realizada por Resonancia Paramagnetica Electronica (EPR) usando un espectrómetro Bruker ESP 3, banda X y onda continua, operando a frecuencia de modulación de 1 khz, frecuencia de microonda de 9.44 GHz y potencia de microondas de.2 mw. 3. Resultados y Analisis 3.1 Análisis Químico Elemental En la tabla 1 se presentan los resultados de composición química de las muestras de arena de las playas seleccionadas. Tabla 1. Composición química (Wt %) de las muestras de Arena. Muestras Ni Fe MgO SiO2 Al2O3 CaO Cr2O3 MnO Co3O4 P2O5 Los Córdobas Se observan altas concentraciones de Dióxido de Silicio (SiO 2 ), y aunque su variación no es muy significativa, son las muestras de Los Córdobas y las que presentan mayor concentración. Tales concentraciones son fundamentales debido a que el SiO 2 es el componente principal del cuarzo y los feldespatos potásicos, minerales de interés para nuestro trabajo. Por otra parte, de la tabla 1 podemos observar la presencia de Ni, Fe, Cr 2 O 3, MnO, Co 3 O 4, P 2 O 5 en bajas concentraciones lo que no representa interés industrial. Sin embargo, para nuestro objetivo la presencia de materiales magnéticos en los granos perjudica las propiedades dosimétricas del material [4]. 359

3 Rev.Col.Fís., Vol. 42, No. 3 de Análisis Mineralógico Los resultados mostraron que las tres playas estan principalmente constituidas por minerales pertenecientes al grupo de la Silice (Cuarzo): ~ 38 %, 5% y ~ 57% y feldespatos potásicos que son de interes para esta investigación como lo indicamos anteriormente. En las muestras también se encontaron granos irreconocibles (hasta un 38 % del total,) opacos de alteración (~ 12 %) y fragmentos de rocas (~ 2 %). 3.3 Análisis Estructural Los patrones de difracción de rayos X obtenidos en las tres muestras bajo estudio mostraron características similares. La figura 1 muestra el patrón de difracción de rayos X para la muestra de arena de la playa de. Se observan picos de difracción correspondientes a varios minerales entre los que se destacan minerales pertenecientes al grupo de la sílice (cuarzo), feldespatos potásicos, como la ortoclasa y feldespatos tipo plagioclasa. Entre los piroxenos (inosilicatos) cabe destacar la presencia de minerales de las series de la enstatita, diópsido y augita. También se encontraron señales, aunque con baja intensidad, de minerales como calcita, horblenda (anfibol), epidota, espinela y moscovita. Los resultados están acordes con los obtenidos por fluorescencia de rayos X. En la figura 2 se observa el espectro EPR de la arena natural desmagnetizada, para muestras de las playas en estudio. Estos espectros presentan señales con un factor g alrededor de 2.19 y 2.1, asociados a centros paramagneticos formados en el cuarzo [3], principales constituyentes de estas muestras tal como se observó en los resultados precedentes. La señal correspondiente a 2.1 podría ser el centro paramagnético E 1 del cuarzo [3]. Se observa que la intensidad de la señal EPR de la arena de es menor que la de las otras dos playas estudiadas, lo que denota una menor concentración de defectos en el cuarzo. Se observó una señal de poco interés para nosotros, con g = 4.35, la que atribuimos a la señal del ión Fe 3+ [5]. intensidad (u.a) Los cordobas 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1, Factor g Fig. 2: Espectros de arenas naturales desmagnetizadas irradiar Respuesta de las muestras tratadas térmicamente Las muestras tratatadas termicamente (sin irradiar) fueron escogidas para el estudio dosimetrico ya que presentaron un espectro mejor resuelto y conveniente que el de la arena natural y con menor presencia de partículas magnéticas (figura 3). El calentamiento escogido fue de 5 C/1h. sin Fig. 1: Difractograma de Rayos X para la Playa de. Q: Denomina al mineral cuarzo. F: Denomina al grupo de los feldespatos. FO: Denomina a la serie de los feldespatos potásicos; FP: Denomina al serie de las Plagioclasas; M: Denomina al grupo de las micas. E: Denomina al grupo de la epidota. C: Denomina al grupo de la calcita. P: Denomina al grupo de los piroxenos. Intensidad (u.a) , 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1, Factor g Fig. 3: Espectros EPR de muestras de la playas tratadas a 5 C/1h sin someterse a irradiación. 3.4 Caracterización por EPR Respuesta natural del material Estudio de las propiedades dosimétricas Respuesta con la dosis. Las muestras de arena de las playas de, Los Córdobas y tratadas térmicamente fueron irradia- 36

4 E. Carvajal, O. Almanza, R. Cogollo. Caracterización De Arena Para Su Posible Uso Como Dosímetros De Radiación por EPR. das a dosis de 1 a 16 Gy. En todas las muestras pudo observarse un aumento de la intensidad EPR con la dosis. Como respuesta dosimétrica se utilizó la amplitud pico a pico de la señal central (con g=2.19) obtenida en EPR [6]. Para las playas de y los Córdobas puede observarse una respuesta aproximadamente lineal con la dosis, en un un rango de dosis de 1 a 16Gy (figura 4). La playa de moñitos no presenta el mismo comportamiento lo que no la haría útil como posible dosímetro de radiaciones. La ligera dispersión de los puntos a baja dosis pueda limitar el uso de estos materiales dentro de este rango. Toyoda y Schwarcz reportaron el comportamiento de la señal EPR en muestras de cuarzo aislado e irradiado y observaron una conducta no lineal y de no incremento en ciertos rangos de dosis, lo cual lo atribuyeron a una disminución en la cantidad de vacancias de oxígeno del material durante el tratamiento térmico [3]. Lectura (%) Tiempo (Días) Figura 5. Decaimiento de la señal en las muestras de, y después de una irradiación de 5 Gy. Altura Pico a Pico (cm) Dosis (Gy) C o v e ñ a s M o ñ ito s Reutilización Despues de la radiación y con el objeto de verificar la posible reutilización del material, se probaron diferentes tiempos de tratamientos térmicos, desde 1 h a 3 h, y a distintas temperaturas (desde 4 C a 8 ºC). En ningún caso pudo eliminarse por completo la señal EPR originada por la radiación ionizante. Lo anterior implica que para las muestras estudiadas en este trabajo no es posible construir dosímetros reutilizables. Fig. 4: Comportamiento de la amplitud de la señal EPR en función de la dosis de radiación en las muestras de arena de, y Decaimiento de la Señal La estabilidad de la señal EPR en las tres muestras de arena, correspondientes a las tres playas en estudio, fue estudiada. Para ello se les suministró una dosis de 5 Gy a las muestras después de que fueran sometidas al proceso de calentamiento de 5 ºC durante una hora. Los espectros de EPR de cada muestra fue medido durante los 21 días posteriores a la irradiación. Se tuvo especial cuidado en la reproducibilidad de las condiciones experimentales, como ubicación de la muestra dentro de la cavidad e iguales parámetros de medición. Para las muestras de y los Córdobas (Figura 5), se observó un decaimento en la intensidad de la señal de aproximadamente 38 % y 35 % respectivamente hasta el día 16 de medición. La señal más estable fue la de la muestra, pero ya hemos dicho que su respuesta a la dosis no es lineal. 4. Conclusiones Las muestras analizadas presentan altas concentraciones de SiO 2, componente principal del cuarzo y feldespatos potásicos. Las muestras presentaron señales EPR con un factor g de 2.19 y 2.1, atribuidas a los centros paramagnéticos presentes en los granos de cuarzo, principales constituyentes de estas muestras. Las muestras de arena provenientes de y Los Córdobas presentan una respuesta lineal de la concentración de defectos con la dosis suministrada. Esto les dá una alta importancia en su posible uso como dosimétros. Una desventaja que presentan estos materiales es la disminución en la intensidad de la señal hasta el dia 16 de su medición. Un mayor estudio sobre este particular se hace necesario con el fin de determinar si es un comportamiento sistemático. Los materiales no serían reutilizables. Referencias [1] Teixeira, M.I., Ferraz, G.M., Caldas, L. V.E., 25. Sand for high-dose dosimetry using the EPR technique.appl.radiat.inst. 62,

5 Rev.Col.Fís., Vol. 42, No. 3 de 21. [2] Sem, M., Preparation techniques of special glasses. Institute of Optics and Fine Mechanics, Shanghai. [3] Toyoda, S., Schwarcz, H.P., Counterfeit E 1 signal in quartz. Radiat. Measur. 27 (1), [4] Vaijapurkar S.G., Bhatnagar, P.K., Low cost thermoluminescence (TL) gamma dosimeter for radiotherapy. Nucl. Tracks Radiat. Measur. 21 (2), [5] Garcia Rubio I., 24. Aplicaciones Biológicas de la EPR, Cuarta Escuela de Resonancia Paramagnética Electrónica, Universidad de Alicante, p , Alicante. [6] Caputi y Niebieskikwiat, (1996). Utilizacion de L- alanina Como Dosimetro de Radiacion Mediante EPR, Comision Nacional de Energia atomica, Centro Atomico de Baricloche e instituto balseiro.84-sc. De Bariloche- Rionegro, Argentina 362