CALIBRACIÓN DE DETECTORES PORTÁTILES DE RADIACIÓN IONIZANTE

CALIBRACIÓN DE DETECTORES PORTÁTILES DE RADIACIÓN IONIZANTE C. Leal, L. Carrizales Silva, D. Guacarán, A. Moreno, J. A. Durán 1 Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, Unidad de Tecnología Nuclear, Laboratorio Secundario de Calibración Dosimétrica. Carretera Panamericana Km 11, Altos de Pipe, AP 20632. CP Caracas 1204, República Bolivariana de Venezuela. cleal@ivic.gob.ve Introducción El Laboratorio Secundario de Calibración Dosimétrica, ha iniciado un proceso de acreditación ante la autoridad nacional venezolana Servicio Autónomo Nacional de Normalización, Calidad, Metrología y Reglamentos Técnicos (SENCAMER), el cual exige modificar los protocolos de calibración existentes, sugeridos por la International Atomic Energy Agency (IAEA) (TECHNICAL REPORTS SERIES Nº 133), para ser ajustados según las normas internacionales ISO 17025, EA-4/02 y la norma mexicana NOM-021-NUCL-2002, adaptando el procedimiento de calibración de detectores portátiles de radiación a dichas normas. El procedimiento utilizado en el LSCD, realiza una comparación entre las medidas entre el patrón de referencia y el instrumento a calibrar, para verificar el correcto funcionamiento de los equipos realizando el ajuste pertinente y su utilidad para la vigilancia radiológica individual o ambiental, para no rebasar los límites primarios de dosis para el público y Personal Ocupacionalmente Expuesto (POE), proponiéndose una manera estandarizada para realizar el procedimiento de calibración y cumplir con las normas internacionales y nacionales, garantizar el correcto funcionamiento de los instrumentos calibrados. La estimación de las incertidumbres típicas asociadas depende del tipo de detector, generalmente se encuentran entre el 5% a 20%, tanto en la incertidumbre como en la linealidad, siendo estos los parámetros que se establecen para considerar un instrumento en buenas o malas condiciones de operación. Abstract Secondary Laboratory of Dosimeter Calibration, has initiated an accreditation process before the Venezuelan national authority National Independent Service of Normalization, Quality, Metrology and technical manuals (SENCAMER), which requires modify the existing protocols of calibration, suggested by International Atomic Energy Agency (IAEA) (TECHNICAL REPORTS SERIES Nº 133), to be fit according to international standards ISO 17025, EA-4/02 and Mexican standards NOM-021- NUCL-2002, adapting to the procedures of calibration of portable detectors of radiation to these norms. The procedure used in the LSCD, makes a comparison between the measures of reference pattern and the instrument which will be calibrated,, to verify the correct operation of the equipment,making pertinent adjustment and its utility for the individual or environmental radiological monitoring, not to exceed the primary limits of dose for the public and personel occupational exposed (POE), proposing a standardized way to realise the calibration procedure and to fulfill the international and national norms, to guarantee the correct operation of the calibrated instruments. The estimation of the typical uncertainties associated depends on the type of detector and generally are between 5% to 20%, as much in the uncertainty as in the linearity, being these the parameters that are set to consider a good or bad instrument operating conditions Palabras claves: Laboratorio Secundario de Calibración, Incertidumbre, Calibración, Detectores de Radiación, Protección Radiológica. El Laboratorio Secundario de Calibración Dosimétrica (LSCD), adscrito a la Unidad de Tecnología Nuclear del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas inició un proceso de acreditación ante el Servicio Autónomo Nacional de Normalización, Calidad, Metrología y Reglamentos Técnicos (SENCAMER) autoridad competente de Venezuela en la materia, el mismo exige modificar los protocolos de calibración de detectores portátiles de radiación

sugeridos por la Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA) en el documento TECHNICAL REPORTS SERIES Nº 133 [7], a fin de estandarizarlos según las normas internacionales ISO 17025 [3], EA-4/02 [2] y la norma mexicana NOM-021-NUCL-2002 [4], realizar los ajustes pertinentes y verificar el correcto funcionamiento de los detectores portátiles, para tener la confianza en las mediciones realizadas con los detectores de vigilancia radiológica individual o ambiental. Uno de los cálculos que ha demostrado ser una herramienta de utilidad en la verificación de las condiciones operativas de los equipos es la determinación de la incertidumbre, este procedimiento permite caracterizar la respuesta individual de cada detector, dependiendo de las limitaciones especificadas por el fabricante, para optimizar la calibración es necesario considerar los múltiples factores que pueden afectar la medida y evaluar la respuesta del mismo, por lo que es de vital importancia la estimación de la incertidumbre típica asociada a la técnica de calibración empleada. Este cálculo no es trivial, depende del tipo de detector generalmente se encuentran entre el 5% a 20%, tanto en la incertidumbre como en la linealidad, siendo estos los parámetros que se establecen para considerar un instrumento en buenas o malas condiciones de operación. Los detectores típicos calibrados en Venezuela son: Monitores de Aérea, Geiger-Muller, Cámaras de Ionización, Detectores de Neutrones, Contadores Proporcionales, Dosímetros Personales y Centelleo Solido entre otros. Material y método El LSCD cuenta con una variedad de fuentes de referencia y estándares secundarios para KERMA en aire con los que se calibran las fuentes de referencia. Los campos de radiación estándares son comparados con los medidos con el detector a calibrar para determinar su factor de calibración para cada una de sus escalas. Se diseñaron hojas de cálculo donde se registran y determinan las condiciones iníciales y ambientales y se calculan las incertidumbres respectivas. Al momento de recibir el detector éste es sometido a una inspección física y eléctrica, y durante la calibración se determina su tiempo de respuesta y se grafica la linealidad del detector. 1 Metodología Montaje Se emplea el método número 4 de calibración, Determinación del Factor y la respuesta en un campo de radiación conocido [2]. Para un campo de prueba de radiación, en el cual se sea conocida la Dosis Equivalente Ambiental o la exposición, el factor de calibración se obtiene mediante la siguiente expresión: H N I = M I (1) Donde N I es el factor de calibración para un instrumento en calibración bajo condiciones de referencia, M I es el valor medido por el instrumento en calibración, y H el valor verdadero o esperado de la dosis equivalente ambiental. Cabe destacar que en el país todavía es empleada la exposición X para la vigilancia ambiental, ya que muchas compañías cuentan con detectores portátiles en términos de esta magnitud, en dicho caso simplemente se sustituye en la ecuación 1 H por X. Figura 1: Método de Calibración a partir de un campo conocido de radiación. La posición de referencia del detector es perpendicular al haz de radiación, considerándose un error estimado del 30%, ya que para los detectores este factor no es un crítico al momento de la calibración. Las condiciones ambientales (humedad, temperatura y presión), del Bunker de calibración se verifican para comprobar que están dentro de los rangos de funcionamiento del equipo, esta información es suministrada por el fabricante. Previamente, se debe

realizar un cálculo de la tasa de dosis equivalente ambiental o exposición, a partir del KERMA aire de la fuente calibrada con el estándar, para las diferentes fuentes que dispone el LSCD y determinar los campos de radiación. Inspección Física y Eléctrica del Instrumento. Es de vital importancia realizar una inspección física del equipo para determinar si es apto para la calibración, ya que estos aspectos pueden ser causantes de errores sistemáticos o aleatorios en el funcionamiento del detector, para ello se debe verificar su respuesta con una fuente de prueba, basándonos en la recomendaciones de la norma NOM-021- NUCL-2002 [4]. Se verifica en la inspección física: a) Golpes aparentes en el detector, b) Rotura de la ventana, c) Golpes en el cuerpo del instrumento, d) Caratula dañada, e) Cable defectuoso del detector, f) Batería con fuga de electrolito, g) Oxido en los bornes de contacto de las baterías, h) Interruptores de encendido y de selección de escala en mal estado, j) Perillas faltantes. Se verifica en la inspección eléctrica: a) Batería agotada, b) Falsos contactos en los controles del instrumento, c) Aguja de la carátula oscilando, obstruida o doblada, d) Respuesta intermitente del instrumento, e) Posicionado del cero. A fin de garantizar que el funcionamiento del detector cumpla con las especificaciones del fabricante es necesario que se suministre el manual de operación y su curva de respuesta en función de la energía, ya que nuestras fuentes son de 137 Cs, con una energía de 62 MeV, 60 Co 1,17 MeV y 1,33 MeV, además el instrumento debe estar libre de contaminación radiactiva. Las fuentes son calibradas con el estándar secundario por lo menos cada 2 años con una incertidumbre menor al 5%. Los parámetros eléctricos del instrumento, tales como el alto voltaje, tiempo de muestreo en instrumentos digitales, tiempo de estabilización térmica, entre otros, deben establecerse previamente de acuerdo a las especificaciones del fabricante. Ajuste y calibración de la linealidad y de las escalas. Se realizan ajustes por cada escala de uso de acuerdo con las especificaciones del fabricante, los puntos de interés en la escala se toman según el siguiente criterio: a) Punto especificado por el fabricante, b) Punto medio de la escala, donde normalmente se realiza el ajuste del potenciómetro del instrumento c) Después del ajuste se verifica la calibración cerca de los extremos de la escala aproximadamente al 25% y 75%. Finalizado los ajustes, los valores de las tolerancias aceptadas son suministrados por el fabricante, normalmente si el instrumento tiene la posibilidad de ajuste del potenciómetro la respuesta final en la escala del detector debe estar en un 10%. Para instrumentos con escalas logarítmicas, con una sola escala en varias décadas con dos o más, el instrumento debe ser ajustado en cada escala de acuerdo con las especificaciones del fabricante o alternativamente, para un punto de particular que sea de importancia para el usuario del equipo, luego en un punto medio de cada década, igual que en el caso anterior los restricciones en el error máximo, esta dado por el fabricante. Para instrumentos con lecturas digitales, nos basamos en los criterios expuestos anteriormente. Para lograr la reproducibilidad en las lecturas obtenidas con diferentes arreglos relativos fuente-detector, se debe contar con instrumentos calibrados para medir distancia lineal es dentro de 5,0% de exactitud, la dimensión máxima de la fuente de calibración y del detector debe ser menor al 20% de la distancia entre ellos tal como con los que cuenta el LSCD. Estimación de la Incertidumbre La condiciones que deben tenerse en cuenta al momento de realizar la calibración son: Condiciones ambientales, KERMA aire de las fuentes, selección de los campos de radiación a medir, posicionado del detector, desviación estándar en las mediciones. En el montaje se puede observar en la figura 2, donde se puede apreciar las variables a considerar: Figura 2: Montaje del detector a calibrar

Condiciones ambientales Para el momento de la calibración hay que considerar que las condiciones de temperatura, humedad y presión se encuentran dentro del rango de operaciones de instrumento, por lo general está entre 50-75% la humedad relativa, 18-22 C la temperatura y 86-106 kpa de presión, por último el tiempo de estabilización del instrumento debe ser mayor o igual a 15 min [1]. 4.2 Cálculo de los Campos de radiación El cálculo de los distintos campos de radiación para cada escala a la fecha de la calibración, representa una fuente de error que puede minimizarse utilizando para el cálculo d decaimiento de las fuentes de referencia el Día Juliano que permite calcular con exactitud el número exacto de días transcurridos desde el momento de calibración de la fuente de referencia hasta el día de la calibración del instrumento [5], que es frecuentemente utilizado en astronomía para indicar un estándar de medición de las posiciones de los cuerpos celestes. Para fines de la estimación de la incertidumbre en el posicionado del detector, en la mesa óptica, consideramos la incertidumbre estimada en el ángulo de la radiación incidente, en un 5% [1], siempre y cuando se tome que la intensidad de la radiación no varía con el ángulo. Otros factores que influyen a la hora de estimar la incertidumbre debido al posicionado del detector, como lo son la incertidumbre en la medición de la distancia, este es el error de la regla empleada en la medición, esta es ±1 cm, para nuestro caso se tiene medidas que máximo pueden estar en el orden de 670 cm, en el montaje se tienen un máximo de 6 reglas de precisión de un metro cada una, por lo que la incertidumbre expandida para este caso se considera del orden de ± 6 cm. El posicionamiento del Laser, se estima del orden de ±5 cm. Figura 3: Ajuste del Láser Donde la distancia D= 5 mm, L=3,9 m, y D2=2,8 m. Podemos calcular cual es la posición real del detector, realizando el siguiente análisis: X es la distancia entre la proyección del laser y la posición real a la cual está ubicado el detector, esta distancia se puede calcular encontrando el ángulo α, este está dado por: (2)

Donde podemos concluir, para que la incertidumbre típica aportada por la proyección del laser este del orden de 5 mm, la distancia D, debe ser menor o igual a 2 mm. Para la toma de mediciones se realizan 11 medidas, donde el factor más importante es la desviación estándar en la medición, ya que los otros factores son relativamente pequeños. Finalmente se realiza para cada factor de calibración el cálculo de incertidumbre típica combinada mediante una hoja de Excel cumpliéndose con la norma EA-4/02 [2]. Resultado y Discusión En la auditoria de calidad de haces de 137 Cs para Protección Radiológica realizada por IAEA/WHO en 2008, se obtuvo una incertidumbre de 1,5% en la estimación del KERMA en aire con una tolerancia de ±7%, garantizando la exactitud, reproducibilidad y trazabilidad de las calibraciones. En el procedimiento estandarizado de calibración se obtuvieron incertidumbres en la determinación del factor de calibración, para un rango comprendido entre 0,1 a 1000 mr/h menor al 10%, resultados ajustados a los criterios de aceptación recomendados por la norma ANSI N13.30-1996 [6], mediciones cercanas al límite inferior de comprobación, para veracidad -25% a + 50% y Precisión <40%, para los diversos modelos de equipos que son calibrados en el LSCD. De esta manera se obtuvo para los tipos más comunes de detectores los GM un análisis de las variaciones del factor de calibración para distintos rangos o escalas de medición. Para un rango de mediciones de 0-100R/h y de 0-20 Sv/h, para una gran variedad de marcas de equipos obtuvimos los detectores que pueden ser ajustados los potenciómetros, el factor de calibración es preciso y exacto (figura 4 A y B), cumpliendo con los requerimientos de la norma ANSI N13.30-1996 [6] (figura 4 C y D), siendo esta una manera de evaluar las distintas casas fabricantes de los equipos. En el país existe la tendencia a utilizar los detectores G-M principalmente, a pesar de que estos deberían medir dosis equivalente ambiental, aproximadamente el 70% de los detectores calibrados por el LSCD se expresan en términos de tasa de exposición, lo que nos obliga a realizar la comparación en término de la tasa de exposición en mr/h. Otros detectores portátiles más utilizados después del G-M, son las cámaras de ionización, debido que es poco frecuente el uso de detectores proporcionales en la vigilancia ambiental en el país realizaremos las comparaciones entre G-M y cámaras de ionización. Figura 4. Factor de Calibración Para Detectores G-M. A) Factor para detectores que miden tasa de dosis equivalente ambiental. B) Factor para detectores que miden exposición. C) Variación del factor de calibración tolerancia de acuerdo con la norma ANSI N13.30-1996 para tasa de dosis equivalente ambiental. D) Variación del factor de calibración con tolerancia de acuerdo con la norma ANSI N13.30-1996 para tasa de exposición. Factor de Calibracio 3,0 2,5 1,5 0,5-0,5 Variacion del Factor de Calibracion en dististos rangos de escalas para detectores G-M Factor de Calibracion 1,6 1,4 0,8 0,4 0,2 Variacion del Factor de Calibracion en dististos rangos de escalas para detectores G-M - 100 1000 10000 Escala (µsv/h) A 1000 10000 100000 Escala (mr/h) B

Factor de Calibración por escala Factor de Calibración por escala Factor de Calibración 1,6 1,4 0,8 0,4 0,2 Valor esperado Tolerancia permitida Factor de Calibración 1,5 0,9 0,3 Valor esperado Tolerancia permitida 0 200 400 600 800 1000 Dosis equivalente Ambiental (µsv/h) C 0 20 40 60 80 100 Exposición (mr/h) D Figura 5. Factor de Calibración. A) Factor para Cámaras de Ionización. B) Factor para detectores proporcionales. Factor de Calibración por escala Camaras de Ionizacion Factor de Calibración por escala para detectores proporcionales 3,0 2,2 Factor de calibracion 2,5 1,5 0,5 Modo Tasa Modo Integracion 0 5000 10000 15000 20000 10000 100000 1000000 Exposicion (mr/h) Dosis Equivalente Ambiental (µsv/h) A Como se puede observar los valores obtenidos en la figura 4C y 4D para la tasa de dosis equivalente ambiental y exposición en promedio para todos los rango de escalas se encuentra alrededor del 10%, demostrándose la efectividad del procedimiento de calibración, siempre que puedan ser ajustados los potenciómetros ya que se puede evaluar su precisión y ajustar la exactitud del ensayo de calibración, siempre y cuando se puedan ajustar los potenciómetros hasta obtener factores de calibración cercanos a 1, aunque no siempre éste es el caso. Factor de Calibracion 1,6 1,4 0,8 0,4 0,2 B Para las cámaras de ionización y los detectores proporcionales, no es posible ajustar los potenciómetros, por lo que los factores se encuentran muy alejados de valor esperado, por los diferentes modelos mantienes esta tendencia, esto se debe a que la electrónica asociada a estos tipos de detectores es más complicada y delicada que la de los G-M. Para las cámaras de ionización se observa que no poseen el mismo comportamiento que los G-M, estos equipos son por lo general en escalas auto rango y son escalas que abarcan una gran gama de medias, por lo general de mr a R. Para este caso se encuentra que las cámaras de ionización, que se utilizan con regularidad en el país, subestiman la medición, observándose que el factor de calibración son por lo general mayores que 1, estando del orden de 1,5-2,8 Figura 5A. Conclusiones El procedimiento estandarizado de calibración adoptado por el LSCD garantiza la disminución de los errores sistemáticos en las mediciones de los detectores portátiles así como la comparación y la confiabilidad de los resultados.

Los resultados muestran que a pesar de las limitaciones descritas por los distintos fabricantes, se puede tener una incertidumbre promedio del orden del 10%, demostrado que el procedimiento utilizado es una herramienta de utilidad en la verificación de las condiciones operativas de los equipos caracterizar la respuesta individual de cada detector garantizando de esta manera la trazabilidad metrológica en el país. Agradecimientos A la empresa MEDITRON por valiosa ayuda para poder asistir a este evento, a la Shell Venezuela SA por el apoyo financiero otorgado a la Unidad de Tecnología Nuclear a través de la Ley Orgánica de Ciencia y Tecnología. Finalmente a todo el personal del Laboratorio Secundario de Calibración Dosimétrica, a todos muchas gracias. Referencias 1. International Atomic Energy, Calibration of Radiation Protection Monitoring Instruments, Satafe Series No. 16, IAEA, Viena 2000. 2. European Co-Operation For Accreditation, Manual Ea-4/02, Expression Of The Uncertainty Of Measurement In Calibration 1999. 3. International Organization For Standardization, International Electrotechnical Commission, Iso/Iec 17025:2005, Requisitos Generales Para La Competencia De Los Laboratorios De Ensayo Y De Calibración. Suiza 2005. 4. Secretaria De Energia (Sener) Nom-021-Nucl-2002, Requerimientos Y Calibración De Monitores De Radiación Ionizante. México 2002. 5. Calculo del Día Juliano, http://www.astrogea.org/foed/efemerides/dia_julia.htm. 6. ANSI N13.30, Performance Criteria for Radiobioassay 1996. 7. International Atomic Energy, Handbook on Calibration of Radiation Protection Monitoring Instruments. Technical Reports Series Nº 133, IAEA, Viena 1971.