Radiación ionizante

Acercándonos al LHC

La radiación en las áreas bajo tierra y en el túnel del LHC es producida por la interacción de los protones con el gas residual (beam gas interactions) o con núcleos de los átomos de cualquiera de los materiales que rodean a los haces, tales como los colimadores, cables, criostatos, etc. Cuando los protones circulan, hay una pequeña pero continua pérdida de protones a lo largo de anillo. Esos protones perdidos interactúan con lo que esté cerca de la trayectoria de los haces, produciéndose una serie de partículas secundarias como neutrones, piones, kaones y otros protones. Algunas de esas partículas secundarias tienen suficiente energía para interaccionar con más materia y producir partículas de tercera generación, y así sucesivamente. Eslo que se llama cascada hadrónica. 
Los fragmentos nucleares resultados de la cascada hadrónica son radioactivos y decaen en una escala de tiempo que va de unos segundos a varios días. Es decir,
 el acelerador continua generando radiactividad aunque no estén circulando partículas por él.

Por tanto, todos los materiales (plásticos, aceites, cemento, aluminio, acero, hierro, cobre, etc) cerca de los tubo por donde circulan los protones son radiactivos una vez que el LHC entró en funcionamiento.

Los equipamientos electrónicos en el túnel del acelerador y en las cavernas de los experimentos también resultan activados. El nivel de esta activación radiactiva depende de varios factoresde la cantidad de radiación recibida, la composición exacta del material, la posición en la máquina y el tiempo pasado desde la irradiación.
Por tanto, no es fácil predecir en cada uno de los lugares con exactitude los niveles de radiación remanente mientras el acelerador está parado.

 

 

Unidades Radiológicas.

El Gray [Gy]: Expresa la energía depositada por la radiación por kg de materia irradiada: 1 Gray = 1 Joule/kg.
Esta es la unidad utilizada para expresar la cantidad de radiación recibida por el material en el túnel durante la operación del LHC. La tolerancia del material del equipamiento a la radiación puede ser expresada en términos da cantidad de Grays que el material puede recibir sin entrar en fallo. Este límite se conoce como Dosis de Ionización Total (TID-Total Ionising Dose) del material del equipamiento.
En algunos casos, la vieja unidad radiológica -rad- es aún utilizada; 100 rad = 1 Gy.

Como ya se ha indicado, se producen unas veinte interacciones en cada cruce de paquetes dando lugar a multiplicidades de aproximadamente 3000 partículas cada 25 ns. Por tanto, será muy alto el nivel de radiación al que estarán sometidos los detectores.

Tomemos como ejemplo el Central Barrel de 2000 toneladas del detector CMSCada segundo 600 millones de colisiones de 14 TeV ocurren en el centro de ese enorme cilindro, y vamo a considerar que la maior parte de la energía de esas colisiones se deposita en esa parte del detector. Entonces, la energía total depositada por año (~300 días y 10 h por día) es:

(600·106 colisiones/seg)x(14·1012 eV x 1,6·10-19 J/eV)x(300 días x 10 horas/día x 3600 seg/hora) ≈ 1,5 ·1010 J

Por tanto, la absorción de radiación por kilogramo de material en el Central Barrel del CMS es en promedio:

Dosis de Radiación Absorbida ≈ (1,5 ·1010 J) / (2000·10kg) ≈ 7500 Gray/año

En realidad, el valor superará los 10 kGy/año en las zonas más expuestas.

O Sievert [Sv]: Expresa la dosis recibida por un ser humanoLa dosis en Sieverts es igual a la dosis absorbida en Grays multiplicada por un factor de calidad llamado Q. Este factor -Q-depende del tipo de radiación y de la energia de la partícula para tener en cuenta los efectos biológicos. Los valores de Q varían entre 1 y 20 y han sido determinados por la International Commission for Radio Protection (ICRP).

Cuando no hai haces presentes en el LHC, hay solo radiación remanente causada por fotones (R-X y gamma) y electrones (rayos β de baja intensidad). En este caso es correcto tomar Q = 1, así que 1 Sv = 1 Gy.  
En algunos casos, la vieja unidad radiológica -rem- es aún utilizada; 100 rem = 1 Sv.
 
El Becquerelio [Bq]:Unidad utilizada para definir la actividad de una fuente radioactiva. 1 Bq corresponde a 1 desintegración por segundo. Material con actividad menor que 2 Bq/gramo es clasificado como no radiactivo.

En algunos casos, aún se sigue usando el Curie: 1 Curie = 3·107 Bq.
Usualmente, la actividad en las zonas controladas del CERN se expresan en términos da velocidad de dosis remanente en μSv/hr a 10 cm de distancia del objeto.

 


Dosis Límite.
EI ICRP recomienda una dosis límite de 20 mSv/ano para trabajadores en instalaciones nucleares.
El CERN tiene establecido una dosis límite de 15 mSv/ano para personal específico, 6 mSv/ano para otros miembros del staff y 1 mSv/ano para el resto de personas.

 

Es interesante comparar la dosis adicional recibida por el personal del CERN debido a su trabajo, con la dosis recibida por cualquiera persona que viva en el Pays de Gex (onde la mayor parte del LHC está ubicado):

 


 

Dosis Rate Límites.

 

Las áreas controladas en el CERN están clasificadas de acuerdo con su dosis rate remanente. En la práctica será difícil obtener autorización para realizar trabajos en las áreas con una dose rate por encima de 2 mSv/hr, mientras que en zonas con menos de 1 mSv/h es habitualmente admitido.

La dose rate remanente en el Pays de Gex es aproximadamente de 0.1 μSv/hora o 100 nano Sieverts/hora.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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NOTA IMPORTANTE

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© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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