PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. BLOQUE 1. PROCEDIMIENTOS DE

PROTECCIÓN RADIOLÓGICA

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PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. BLOQUE 1. PROCEDIMIENTOS DE DETECCIÓN

DE LA RADIACIÓN

Física de las radiaciones

EL ÁTOMO ¿Qué es un átomo? Cantidad más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas. Dividido en: · Núcleo. Con nucleones: Protones (carga = 1,6 · 10-19 C) y Neutrones (carga = 0 C) · Corteza. Con electrones (carga = - 1,6 · 10-19 C) ¿Qué es una molécula? 2 o más átomos enlazados.

¿Cómo saber el número de cada una de sus partículas? · Número de protones = Z · Número de neutrones = A - Z · Número de electrones = Z - e- IMPORTANTE: - El nº de protones de un mismo elemento no varía de un átomo a otro.

- El nº de neutrones y el de electrones sí puede variar.

(Para el uso de estas fórmulas consultar el apartado “ejercicios” de este bloque)


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Variaciones de número de partículas · Nucleido → Cualquier combinación existente de A y Z → 126 I · Iones → Átomos de un mismo elemento con distinto e- → 126 I vs 126 I -1 · Isótopos → Átomos con igual Z pero distinto A → 126 I vs 131 I · Isóbaros → Átomos con igual A pero distinto Z → 126 I vs 126 Te · Isótonos → Átomos con igual número de neutrones, pero distinto A y Z→ 126 I vs 124 Sb Como Z es siempre igual para átomos de un mismo elemento:

Dos iones son siempre de un mismo elemento. Dos isótopos son siempre de un mismo elemento. Dos isóbaros son siempre de elementos diferentes. Dos isótonos son siempre de elementos diferentes.

- La corteza Los electrones solo circulan por superficies a distancias del núcleo determinadas (orbitales). Son estados de energía en los cuales el electrón está en equilibrio. Como el electrón oscila y sufre fenómenos cuánticos, se dice que son niveles de probabilidad en los que es más probable encontrar al electrón. Existen 7 niveles: K (nivel 1); L (nivel 2); M (nivel 3); N (nivel 4); O (nivel 5); P (nivel 6); Q (nivel 7)

Configuración electrónica: Representación gráfica o textual de la distribución de los electrones en la corteza de un átomo dado. Hay una serie de restricciones a la hora de colocar los electrones en orbitales. 1) Los electrones se colocan desde el núcleo hacia fuera. 2) Hasta que no se llena un orbital, no se colocan electrones en el siguiente. 3) Hay cuatro tipos de orbitales ( s p d f ) 4) Cada nivel tiene tantos orbitales como su número (el nivel 1 tiene 1 orbital, el nivel 2 tiene 2 orbitales, etc) 5) En cada orbital solo cabe un número de electrones específico (siempre 4 más que el orbital anterior) (en los s caben 2, en los p caben 6, en los d caben 10, en los f caben 14) El esquema gráfico sería semejante al siguiente (los colores se corresponden con el tipo de orbital):


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(NOTA: este curso nunca realizaremos configuraciones electrónicas más allá del nivel 3 ni del orbital 3p)

Algunos ejemplos de configuración electrónica, tanto textual como gráfica:

Energía de enlace → Energía mínima para desplazar al electrón. La energía de enlace es mayor cuanto más cerca del núcleo esté el electrón (el núcleo lo tiene “más agarrado”). Por tanto, es mayor en K y menor en Q. Los átomos pueden perder o ganar electrones, de manera que pasan a ser iones. Cada elemento solo puede ganar o perder un número determinado de electrones. Son sus números de oxidación, también llamados comúnmente estados de valencia. Cuando dos o más iones pueden unirse y sus números de oxidación suman cero, pueden formar una molécula. Así pues, para formar una molécula los átomos han de estar en estado de valencia. Para medir la masa de un átomo o una molécula utilizamos el u.m.a. (unidad de masa atómica) 1 u.m.a = 1/12 de la masa del 12C (el carbono más abundante). 1 u.m.a. = 1,66 · 10-27 kg


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- Partículas

Dualidad Onda-Corpúsculo (Dualidad onda-partícula): El modelo estándar puso de manifiesto que la masa puede transformarse en energía, y viceversa. Podemos expresar la masa con unidades de energía empleando la ecuación de Einstein: E = m · c2 c (velocidad de la luz en el vacío) = 3 x 108 m/s Además, las partículas fundamentales poseen dualidad onda-corpúsculo: Se comportan, en ocasiones como onda (energía), en ocasiones como partícula (masa).

El electrón-voltio y el fotón

1 eV = energía cinética que adquiere un electrón cuando se le aplica 1 Voltio. Por ejemplo: aplicando 100 V conseguimos que su energía cinética sea 100 eV aplicando 1000 V (103 V = 1 kV) conseguimos que su energía cinética sea 1 keV aplicando 1000000 V (106 V = 1 MV) conseguimos que su energía cinética sea 1 MeV aplicando 1000000000 V (109 V = 1 GV) conseguimos que su energía cinética sea 1 GeV Si lo pasamos a Julios → 1 eV = 1,6 · 10-19 Julios

(Exactamente el mismo valor numérico que la carga de protón o electrón)

Una carga en reposo (por ejemplo, un electrón) genera un campo eléctrico; una carga en movimiento genera un campo magnético (por ejemplo, un electrón viajando por un cable); la combinación de campos eléctrico y magnético, en fase y perpendiculares es una onda electromagnética. La partícula que provoca esta onda es el fotón. Como cada fotón lleva asociada una onda electromagnética, dicha onda (y por tanto, el fotón) posee una única energía determinada (un fotón de 140 keV solo puede tener 140 keV). Así pues, cada fotón intercambia (cede o capta) solo una cantidad fija de energía, llamado cuanto. Esta cantidad de energía de cada fotón puede obtenerse con la siguiente ecuación:

Energía del fotón = constante de Planck · frecuencia de la onda que lleva asociada el fotón

E = h · f Así pues → Un fotón con una frecuencia determinada solo puede intercambiar esa cantidad determinada de energía. De la ecuación anterior se deduce: Menor longitud de onda → Mayor frecuencia → Mayor Energía El conjunto de todas las ondas electromagnéticas ordenado por orden de frecuencia se denomina espectro electromagnético. De mayor a menor energía, serían:

1. Rayos gamma 2. Rayos X 3. Ultravioleta 4. Luz visible


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5. Infrarrojos 6. Microondas 7. Ondas de radio

Alteraciones del átomo Un fotón puede interaccionar con otras partículas, cediendo o captando energía. Cuando un fotón transmite su energía a un electrón, éste salta a un nivel energético superior (otro orbital) → Excitación.

Un electrón en estado excitado puede volver a su orbital original, menos energético, devolviendo la energía que le sobra en forma de fotón → Desexcitación.

Si la energía transmitida es demasiada, el electrón sale despedido fuera del átomo → Ionización


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Desexcitación y radiación Al volver el electrón a su orbital original y liberar ese exceso de energía, emite un fotón. Por lo que hemos dicho, ese fotón solo tiene una posible cantidad de energía (cuanto), que proviene del salto del nivel de energía inicial (E1) al nivel de energía final (E2). Así que la energía del fotón será exactamente la diferencia de energía entre los dos niveles, variando la ecuación anterior:

E2 - E1 = h · f Así pues, si quiero un fotón de una frecuencia f determinada, puedo conseguirla con un salto de energía determinado. Cuanto mayor sea Z en un átomo → mayor número de electrones → más niveles de energía → más saltos posibles. Algunos ejemplos del uso de esta fórmula son los siguientes [los números son arbitrarios, no corresponden a orbitales reales]: Ejemplo 1. Un electrón salta de un orbital cuya energía es 100 eV a otro cuya energía es 300 eV. Como ha ganado energía, esto solo es posible si ha absorbido un fotón. ¿De qué energía es dicho fotón? E1 = 100 eV E2 = 300 eV

300 eV - 100 eV = 200 eV Ejemplo 2. Un electrón salta de un orbital cuya energía es 400 eV a otro cuya energía es 250 eV. Como ha perdido energía, esto solo es posible si ha emitido un fotón. ¿De qué energía es dicho fotón? E1 = 400 eV E2 = 250 eV

250 eV - 400 eV = 150 eV (lo ponemos en positivo, ya que el signo solo indica si gana o pierde energía) ¿Cuál sería la frecuencia de la onda de este fotón emitido? (Constante de Planck = 4,14 · 10-15)

E = h · f → 150 eV = 4,14 · 10-15 · f → f = 150 / 4,14 · 10-15 = 3,62 · 1016 Hz


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INTERACCIONES

- Colisiones Partícula-Materia: En este tipo de colisiones, la partícula que colisiona contra el átomo tiene masa (por ejemplo, un electrón). El efecto depende de:

· Tipo de partícula · Energía de la partícula · Medio con el que interacciona

· Colisión elástica:

El átomo desvía la trayectoria de la partícula La partícula cede energía cinética No hay alteraciones en el átomo

· Colisión inelástica:

La partícula transfiere energía suficiente para alterar al átomo Produce excitación o ionización

· Colisión radiativa:

La partícula se frena o desvía por influencia del núcleo La energía que pierde se emite como fotón (radiación de frenado o Bremsstrahlung)

Normalmente, un electrón interacciona con varios átomos del medio hasta frenar. Puede chocar con un electrón de esos átomos, liberando ese hueco, que es rápidamente ocupado por electrones de capa superior → ( E2 - E1 = radiación ). Según la capa de la que haya saltado, produce una radiación característica ( k, l, m, n… ). Si frena en una sola colisión → Radiación máxima.

Atenuación

Disminución del número de fotones o electrones del haz. · Por transferir su energía a un electrón, y éste ionizar el medio. · Por desvíos ----> Dispersión Depende de la energía de la partícula (no es lo mismo atenuar luz visible que rayos X). La fórmula que define esta atenuación es la siguiente:

N = N0 · e-μ·x N → Fotones salientes; N0 → Fotones incidentes; e → número “e” (es una constante) µ → Coeficiente de atenuación lineal del medio; x → Espesor del medio

No son necesarios cálculos con esta fórmula.


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· Espesor semirreductor (d1/2) → El necesario para atenuar el haz a la mitad de intensidad.

· Espesor decimorreductor (d1/10) → El necesario para atenuar el haz a un décimo (1/10) de intensidad.

Para el uso de estas dos fórmulas consultar el apartado “ejercicios” de este bloque.

Transmisión: Número de partículas que superan la barrera. Las partículas que no son atenuadas por el material, son transmitidas. Atenuación y transmisión son propiedades del material que atraviesan los fotones, no son

propiedades de los fotones.

- Interacciones Fotón-Materia: · Efecto fotoeléctrico El fotón dona toda su energía a un electrón, al que arranca de su capa (normalmente cerca del núcleo). La energía del fotón al colisionar ha de ser:

h · f = Eligadura del electrón + Ecinética del electrón La probabilidad de que se produzca: · Disminuye al aumentar la energía de los fotones · Aumenta al aumentar el número atómico · Aumenta al aumentar la densidad del medio

· Efecto Compton Semejante al efecto fotoeléctrico, pero en electrones de capas externas, con menor energía de ligadura. Al chocar, el fotón dona parte de su energía al electrón. → El electrón se libera, y se produce un fotón dispersado, de menos energía que el incidente. La probabilidad de que se produzca:


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· Disminuye al aumentar la energía del fotón · Aumenta al aumentar la densidad del medio

· Producción de pares A energías iguales o superiores a 1,022 MeV, el fotón se convierte en electrón y positrón. El electrón queda libre, pero el positrón interacciona con un electrón del medio y se aniquilan, produciendo 2 fotones de 511 keV. La energía se conserva, ya que:

511 keV + 511 keV = 1022 keV = 1,022 MeV

RADIACIÓN

- Tipos de radiación: · Partículas/Radiación alfa (α):

En nucleidos de A > 100 Un partícula alfa es un núcleo de He

(helio): 2 protones y 2 neutrones. Carga positiva Muy ionizante, poco penetrante.

· Partículas/Radiación beta (β): · β- (negatrón):

Un neutrón se transforma en protón, electrón y antineutrino

Ese electrón es la β-


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· β+ (positrón):

Un protón se transforma en neutrón, positrón y neutrino Ese positrón es la β+

Más penetrante que α, pero poco ionizante. · Partículas/Radiación gamma (γ):

Fotones La más penetrante. MÁS PELIGROSA. Bastante ionizantes.

Los átomos radiactivos son átomos inestables, que no están en equilibrio de masa, carga, o algún otro factor. Para alcanzar ese equilibrio (ser estables) emiten radiación de uno de los tipos especificados anteriormente (alfa, beta o gamma). Este fenómeno se conoce como decaimiento (puede figurar como decay, del inglés). De este modo, un átomo radiactivo, cuando emite radiación, decae en otro átomo, que puede ser o no radiactivo. Este proceso es probabilístico: sabemos el ritmo al que decae una masa de átomos radiactivos, con lo cual podemos saber cuándo quedarán, por ejemplo, la mitad de los átomos radiactivos que había al principio (o, dicho de otra manera, cuando habrán decaído la mitad de los átomos). Sin embargo, no podemos saber qué átomo es el que decaerá de todos los que tenemos. El número de desintegraciones por segundo de una determinada masa de átomos radiactivos (del mismo isótopo) es la actividad. El decaimiento y la actividad pueden calcularse siguiendo estas fórmulas:


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Para el uso de estas fórmulas consultar el apartado “ejercicios” de este bloque.

Unidades

Ci (Curio/Curie) = 3,7 · 1010 desintegraciones por segundo

Bq (Becquerelio/Becquerel) = 1 desintegración por segundo

1 Ci = 37 GBq

Para definir el ritmo al que se desintegra una masa de átomos radiactivos hay que valerse de las siguientes magnitudes (muy importante no confundir una con la otra): Periodo de semidesintegración → Tiempo para que una masa de radioisótopo se desintegre hasta la mitad.

Para el uso de esta fórmula consultar el apartado “ejercicios” de este bloque

Vida media → Valor medio de la vida de un átomo radiactivo.

No son necesarios cálculos con esta fórmula.


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MAGNITUDES

Definiciones

· Radiometría → Mide un campo de radiación (solo partículas).

· Coeficiente de interacción → Mide interacción con materia (atenuación, transmisión…).

· Dosimetría → Mide energía absorbida (efectos sobre el material).

· Radiactividad → Estudia partículas radiactivas y su campo.

· Radioprotección → Mide el efecto biológico.

· Exposición (X):

(carga / masa ) Carga producida por ionización provocada por radiación ionizante en una masa de aire. Unidad → C/Kg (Culombios por kilogramo) → R (Roentgen) [1 C/Kg = 3,879 · 103 R]

Tasa de exposición : Cambio en la exposición en un intervalo de tiempo.

ΔX = variación de exposición (X en el momento final – X en el momento inicial) t = tiempo transcurrido


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· Kerma (K) (Kinetic Energy Released per unit MAss):

( Energía cinética / masa ) Energía cinética sumada de todas las partículas ionizantes liberadas en una masa de cualquier material. Unidad → J/Kg (Julios por kilogramo) = Gy (Gray) → [rad = Gy/100] [rad es unidad en desuso] Tasa de Kerma : Cambio en el Kerma en un intervalo de tiempo.

ΔK = variación de Kerma (K en el momento final – K en el momento inicial) t = tiempo transcurrido

· Dosis absorbida (D):

( Energía cedida / masa ) Energía cedida por la radiación a una masa de un material. Es la magnitud dosimétrica de mayor interés. Unidad → Gy Tasa de dosis absorbida : Cambio en la dosis absorbida en un intervalo de tiempo.

ΔD = variación de dosis absorbida (D en el momento final – D en el momento inicial) t = tiempo transcurrido

· Transferencia lineal de Energía (L∆):

( Energía disipada / longitud ) Energía disipada (perdida) de una partícula al atravesar una longitud de un material. Unidad → J/m (Julios por metro) o eV/m (electrón-voltio por metro).

· Equivalente de dosis en un punto (H):


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H = Q · D ( factor de calidad · dosis absorbida ) El factor de calidad es un valor constante para valores de L∆ determinados (depende del tipo de radiación):

Unidad → Sv (Sievert) → rem (1 Sv = 100 rem) [rem es unidad en desuso] Tasa de equivalente de dosis : Cambio en H en un intervalo de tiempo.

ΔH = variación de equivalente de dosis en un punto

(H en el momento final – H en el momento inicial) t = tiempo transcurrido

Magnitudes limitadoras: Se utilizan para establecer límites máximos para radioprotección. Son Ht y E.

· Dosis equivalente en un órgano (HT): HT = WR · DT

Factor ponderante (del tipo y energía de radiación) · Dosis absorbida media(del tipo de tejido)

Unidad → Sv (Sievert) → rem (1 Sv = 100 rem)

· Dosis efectiva (E): E = ΣWT · HT

Suma de los factores ponderantes de los tejidos afectados · Dosis equivalente en un órgano Similar a HT pero respecto al órgano, no al tipo de radiación Unidad → Sv (Sievert) → rem (1 Sv = 100 rem)


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Magnitudes operacionales: Como las limitadoras se miden en tejidos u órganos y no pueden realizarse en el trabajo, se introducen magnitudes operacionales para relacionarlos. Son H* y Hp

· Equivalente de dosis ambiental (H*(d)): Equivalente de dosis a una profundidad “d” en un material de referencia. Por ejemplo: H*(10) → A 10 mm de profundidad.

Unidad → Sv

· Equivalente de dosis personal (Hp(d)): Equivalente de dosis a una profundidad “d” en tejido blando. Por ejemplo: Hp(10) → A 10 mm de profundidad.

Unidad → Sv

DETECTORES

Detectores de ionización gaseosa Para lecturas inmediatas. Formados por una cámara con un volumen de aire u otro gas, y dos electrodos. El gas es aislante eléctrico, por lo cual, si no hay ionización, no hay corriente entre electrodos → no hay señal en el detector. Funcionamiento:

1. Llega radiación. 2. Partículas del gas que contiene la cámara se ionizan. 3. Partículas cargadas resultantes van al electrodo de signo contrario. 4. Se provoca una corriente eléctrica, que es medida.

A ⇧ radiación → ⇧ ionización → ⇧ partículas cargadas → ⇧ corriente → ⇧ medida


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Esquema de detector de ionización gaseosa.

1) Cámara de ionización: Calibrados con baja tensión (diferencia de potencial; voltaje) entre electrodos, que hace posible que se colecte toda la carga generada por la radiación. Nos informa del tipo de radiación incidente (nos dice si es alfa, beta o gamma). Necesita cantidades más altas de radiación para poder detectarlas.

2) Contador proporcional Calibrados a mayor tensión, se produce multiplicación de carga: Los electrones producidos en la ionización del gas del interior de la cámara se aceleran mucho y chocan e ionizan moléculas del gas que no habían sido ionizadas por la radiación. Al suceder esto, una partícula incidente produce mayor señal que en el caso de las cámaras de ionización. Gracias al fenómeno de multiplicación de carga, puede medir actividades muy bajas.


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3) Contador Geiger (Geiger-Müller) Detectan presencia de partículas, pues la tensión es tan alta que todos los impulsos eléctricos son iguales, aunque la radiación sea distinta. Detectan actividades muy muy bajas, pero no dan información sobre tipo o energía de la radiación. Tiempo muerto largo (es el tiempo entre una detección y que el equipo pueda detectar la siguiente).

Monitores (para detección ambiental):


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Detectores de centelleo

Funcionamiento: 1) Algunas sustancias, al sufrir excitación, muestran luminiscencia (el átomo recibe radiación, los electrones cambian de nivel, y, al volver al original, emiten luz visible). 2) Esa luz es captada por un fotocátodo. 3) El fotocátodo transforma en señal eléctrica y la multiplica (tubo fotomultiplicador, TFM), aumentando su eficiencia.

Ventana: Rango de energías que generan respuesta. Cuenta: Número de impulsos. Fotopico: Energía de la partícula radiactiva.

Esquema de detector de centelleo.

Sólidos [Cristales de NaI(Tl) o cristales de ZnS(Ag)] o líquidos. Ventajas: · Velocidad de respuesta alta · Respuesta lineal a niveles de energía · Sensible a radiación γ

Monitores (para detección de contaminación ambiental):


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Detectores de semiconducción

Utilizan cristales semiconductores (material aislante a la corriente eléctrica, que, al ionizarse por la radiación, se vuelve conductor). Habitualmente placas de silicio.

A ⇧ radiación → ⇧ ionización → ⇧ conducción

DOSIMETRÍA

· Dosimetría ambiental → H*(10) en zonas accesibles al público · Dosimetría de área → H*(10) en zonas de trabajo (trabajadores y pacientes) · Dosimetría personal → Dosimetría Personal Externa (irradiación por fuentes externas)

Dosimetría personal interna (ingestión, inhalación… de fuente de radiación)

Dosímetros personales


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Activos → Necesitan fuente de alimentación. Lectura inmediata. Alarmas. Pasivos → No necesitan fuente de alimentación. Se realiza un proceso posterior para lectura de dosis.

· Termoluminiscentes: Cristal que, tras haber sido expuesto a radiación ionizante, emiten luz al ser calentados. Sustancias dopantes crean “niveles trampa” para electrones, cuyo número es proporcional a la dosis absorbida. Estos “niveles trampa” atrapan a los electrones liberados en la excitación por radiación ionizante. Al aplicar calor, los electrones vuelven al nivel original, emitiendo luz. Muy adecuados para dosimetría en extremidades.

Ventajas: · Reutilizables. · Equivalente a tejido. Fácil manejo. Barato. · Bajo peso y tamaño reducido: óptimos para dosimetría de extremidades · No necesitan baterías · Proceso de lectura fácil de informatizar Desventajas: · La información almacenada se destruye en el proceso de lectura, aunque la curva del análisis puede conservarse de forma permanente. · Errores en la lectura por estimulación óptica o térmica (luz o calor).


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· De película: Con una película fotográfica (sales de plata (AgBr)) en su interior. La carcasa contiene filtros según la radiación a detectar. Tras su uso:

1. Se revela la película. 2. Se mide el grado de ennegrecimiento (densidad óptica) con un densitómetro. 3. Se calcula la dosis absorbida.

Actualmente en desuso, su manejo es complicado y delicado.

Ventajas: · Permiten una evaluación selectiva (evaluar un tipo de partículas u otro). · La película revelada aporta información sobre el tipo y energía de la radiación y constituye un registro permanente. · Bajo peso, no necesitan baterías. Desventajas: · No son reutilizables. · El proceso de revelado y la evaluación de dosis son complejos y difíciles de automatizar. · El límite inferior de detección es demasiado elevado, y presentan saturación a dosis altas. · El material fotográfico es inestable frente numerosos factores ambientales: luz, calor, humedad, etc.

· Electrónicos / De lectura directa / Activos: Lectura en tiempo real, para Protección Radiológica Operacional. Necesitan alimentación eléctrica. Necesitan poco tamaño y peso, por lo que hasta los chips y circuitos en miniatura no fueron posibles. Esto posibilita:

Alarmas de niveles de registro. Registros acumulables.


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Comunicación con bases de datos.

Ventajas: · Estimación de dosis y tasa de dosis en tiempo real · Emisión y programación de alarmas sonoras y acústicas · Fácil conexión a medios informáticos Desventajas: · Necesidad de baterías · Precio elevado · Necesidad de calibración individual

· Dosímetros de neutrones (de área): Más complicada, pues los neutrones no ionizan materia ni son desviados por campos eléctricos. Se detectan neutrones térmicos (> 0,5 eV), con medio rodeado de unos 10 cm de materiales hidrogenados. Son muy voluminosos, salvo dosímetros pasivos.

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