Multi-energy Proton Dose Estimation in PADC from GEANT4 Simulations

In radiation dosimetry, environmental monitoring and particle detection applications poly(allyl diglycol carbonate) (PADC) is used as a type of solid-state nuclear track detector (SSNTD). PADC works by recording the tracks of charged particles, such as protons induced during their passage. Tracks are usually too small to be visible and etching is used to enlarge the latent damage,basically making visible the Bragg curve or energy loss rate. This is usually done by immersing the detector in an etching solution, such as NaOH or KOH. During the etching process, the damaged volumes in PADC are selectively dissolved, creating larger and more visible conical shape tracks. The depth and width of the cone can then be measured under a light transmission microscope to determine the type and energy of the particles that created them. A simulation toolkit widely used reproduce the passage of particles through matter is GEANT4. The code can be used to follow the evolution of latent tracks in PADC by modeling the interactions of charged particles. These results provide details useful in the analysis of nuclear tracks. We take advantage of the stochastic properties provided by GEANT4. With this information we calibrate the detector and validate its performance in a range of radiation environments. For the simulation to be a useful gauge, we correlate experimental etch-length to simulated energy depositions of protons and ions ranging in energy from 1 to 14 MeV. The simulation output is then analyzed to extract information about the size, shape and distribution of the tracks created in the detector by the simulated particles. Overall, the use of GEANT4 simulations in conjunction with PADC can provide a valuable tool for studying the behavior of charged particles in matter and for optimizing the design of radiation detectors, dosimeters and SSNTDs.

Influencia de la masa del proyecil en la emisión de rayos x k

La emisión de rayos X por impacto iónico es un fenómeno que se ha estudiado durante décadas. Aunque existe una gran cantidad de mediciones de secciones eficaces de producción de rayos X en múltiples elementos debidas a distintas partículas incidentes, no se han realizado estudios sobre cómo es que la masa del proyectil influye en la sección eficaz de rayos X. Se presentan las mediciones de las secciones eficaces de producción de rayos X K de algunos metales de transición (Ni, Co y Zn), irradiados con iones de $^{12}$C$^{3+}$ y $^{13}$C$^{3+}$ con energías entre 2 MeV y 4 MeV, producidos en el Laboratorio Nacional de Espectrometría de Masas con Aceleradores, LEMA, del Instituto de Física de la UNAM. Se comparan los resultados con los valores experimentales disponibles en la literatura y con predicciones teóricas del modelo ECPSSR y la aproximación adiabática para estudiar la influencia de la masa del proyectil en la sección eficaz de producción de rayos X.

Formación de patrones en superficies de vidrio sódico-cálcico irradiadas con iones de Si de 1 MeV

Es conocido que la irradiación de superficies con iones energéticos conduce a la formación de patrones -tales como puntos, hoyos u ondulaciones- sobre una amplia variedad de materiales sólidos. El interés de este fenómeno radica en su posible aplicación para la funcionalización de superficies con diversos fines. Actualmente, la mayor parte de la investigación en este campo se ha centrado en la formación de ondas y puntos empleando iones de baja-media energía (0.1–500 keV). En cambio, son pocos los estudios de formación de patrones superficiales utilizando iones con energías de unos cuantos MeV´s. En este trabajo se muestra el estudio de la formación de patrones sobre superficies de vidrio sódico-cálcico que fueron irradiadas con un haz de iones de silicio de 1.0 MeV, bajo un ángulo de incidencia fijo de 70 grados. La caracterización de las superficies irradiadas se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de barrido, de fuerza atómica y espectroscopia de rayos X de energía dispersiva. Se observó que, para dosis iónicas tempranas, se forman patrones superficiales ondulados cuya amplitud crece exponencialmente con la dosis, mientras que la longitud de onda asociada se mantiene constante. Posteriormente, a partir de una dosis crítica, emergen estructuras con formas celulares y la amplitud superficial alcanza un valor estacionario. Estos dos regímenes de crecimiento superficial con la dosis son predichos por los modelos teóricos desarrollados para condiciones de energías iónicas bajas-medias, y se pueden explicar como el resultado de un proceso de difusión térmica más efectos geométricos de sombreado y erosión superficial secundaria. Sin embargo, para la descripción adecuada de los anteriores efectos a energías del orden de MeV´s, en donde el alcance de los iones en el interior del material es mayor, fue necesario proponer un modelo en el cual la erosión secundaria es causada por los iones que atraviesan las crestas de las estructuras generadas en la superficie.

The use of nuclear tracks methodology to verify AFM tips

Atomic force microscopy (AFM) is a well established technique to study materials at nanoscale dimensions. The resolution of this instrument depends strongly on the tip sharpness, which can be damaged by contamination of the AFM tip apex due to wearing and/or breaking. In order to assess new and old tips, scanning electron microscopy (SEM) inspection is often used, which is not very convenient due to the availability and demand of SEM services. In the market there are some expensive devices for verification of the tip geometry, and for the particular case of AFM in the tapping mode, a simple proposal has been published based on fiber-like samples. In this work, we present an AFM tip gauge device based on the use of a pattern of etched tracks on CR-39 material. For the preparation of the device, the requirements are a radioactive alpha particle source, typically Americium-241, and a controlled temperature bath at 60 centigrade degrees of a 6.25 M KOH solution. This work shows another interesting and useful application of nuclear tracks methodology.

Evaluación del porcentaje de dosis en profundidad en el eje central de referencia de un fantoma de agua sometido a rayos Gamma de Cobalto 60 utilizando programación genética

Una variable muy importante para la calibración de los instrumentos utilizados en radioterapia y la planeación de los tratamientos, lo constituye el Porcentaje de Dosis en Profundidad (PDD), en el eje central de referencia de un fantoma de agua. Un fantoma de agua es un dispositivo que nos permite simular el comportamiento del cuerpo humano cuando se encuentra sometido a radiaciones ionizantes. El PDD es la variable que nos permite obtener la dosis absorbida en agua, que es precisamente la variable que el código de práctica 398 de la agencia internacional de energía atómica (IAEA) recomienda para su calibración. El problema de la evaluación de esta variable, es que los laboratorios de metrología de radiaciones ionizantes invierten una gran cantidad de tiempo y recursos en la evaluación de la misma, tiempo que debería invertirse en la calibración de los instrumentos de medición ya que al ser instalaciones de alta especialización, la cantidad de los mismos es muy limitada a nivel internacional. En nuestro país, la única instalación dedicada para este fin es el laboratorio secundario de calibración dosimétrica del instituto nacional de investigaciones nucleares (ININ). Por otro lado, cuando se hace la planeación de las dosis que los pacientes sometidos a radioterapia reciben en el hospital, el PDD también juega un papel muy importante. Por esta razón, es necesario desarrollar nuevas técnicas que nos permitan diseñar experimentos que ahorren el número de eventos físicos que se realicen en el laboratorio y en los centros hospitalarios, y la computación científica es una muy buena opción para llegar a este fin. En este trabajo presentamos la forma de como obtener ecuaciones que nos permitan conocer el PDD en el eje central de referencia de un fantoma de agua sometido a una fuente de rayos Gamma de Cobalto 60, utilizando una herramienta muy poderosa de la inteligencia artificial: la programación genética.

Optimización de irradiación en procesos industriales mediante métodos montecarlo

La irradiación como tratamiento fitosanitario en frutas frescas como mango, papaya, cítricos, uvas y verduras como tomates, cebollas, espárragos, ajo y los pimientos surgió de un extenso trabajo en el que se pudo demostrar la seguridad de los tratamientos de irradiación, logrando hacer avanzar la investigación sobre la tolerancia del producto y aumentando las fuentes de información sobre las dosis efectivas. El uso de aceleradores de electrones de radiofrecuencia de alta intensidad ha logrado que sea factible su uso en una amplia gama de aplicaciones industriales en donde en sectores como el alimentario dan valor agregado. Nuestro objetivo es optimizar los parámetros que rodean el proceso de irradiación como lo es la uniformidad del haz el grosor del producto a irradiar entre otros, donde las limitaciones prácticas puede elevar los costos de operación al limitar los niveles de producción y la solución de estos problemas puede elevar los costos significativamente si no son optimizados de forma controlada. Para esto se usarán simulaciones montecarlo con geometrías realistas de los objetivos a irradiar.

Estudio de la radiación de un dipolo eléctrico dinámico que decae en el tiempo

En este trabajo calculamos el campo eléctrico y magnético de un dipolo eléctrico localizado alrededor de un punto fijo del espacio con un desplazamiento de oscilación d, de cargas oscilantes con frecuencia angular ω, y que decaen en el tiempo. Cuando las cargas “aceleran”, sus campos pueden transportar energía de manera irreversible hasta el infinito; a este proceso se le llama radiación. Aquí, se calcula; para este dipolo que decae, el vector de Poynting S en función del tiempo, el cual representa la dirección de propagación de la radiación electromagnética. Se obtiene el vector intensidad 〈S〉 promediando en el tiempo sobre un ciclo completo y con esto se determina, para este dipolo, la potencia radiada 〈P〉 mediante la integral del vector de intensidad sobre la superficie de una esfera.

Comparación del conteo de pulsos al variar la distancia entre el detector y la fuente, utilizando sistemas de detección Geiger asistido por computadora para enseñanza

Los sentidos de los seres vivos no pueden identificar la existencia de la radiación ionizante, por tal motivo un sistema de detección en tiempo real es imprescindible para la seguridad radiológica. Por lo que el estudio de estos sistemas es tema obligado en cualquier curso de física de radiaciones ionizantes. Dentro de los factores más importantes que se consideran para disminuir la radiación, se encuentra el aumento de la distancia entre la fuente y el material que recibe la radiación. En este trabajo se presenta la evaluación de la detección de los pulsos en algunos sistemas de detección Geiger asistidos por computadora al variar la distancia entre la fuente y el detector. Los resultados muestran que es muy importante en la enseñanza, el conocimiento de las características de la fuente y el detector, así como de la geometría utilizada, factores que pueden pasar desapercibidos para un principiante y que el profesor debe resaltar e incluso contrastar para crear una experiencia significativa en el estudiante

Estudio de eficiencia y resolución temporal intrínseca para plásticos centelladores simulados con Geant4

La resolución temporal (RT) es una de las características más importantes de un detector. En el caso particular de un centellador, la captación de luz también es importante, depende del área sensible del fotosensor (Scorer). Normalmente, el scorer de Tubos Fotomultiplicadores (PMTs) es mayor que el Anotador de Fotomultiplicadores de Silicio (SiPMs). Otras diferencias son el voltaje de operación, su tamaño y costo, en algunos casos el gran tamaño de los PMT puede ser difícil de colocar, si se requiere poco espacio, en cuyo caso es preferible utilizar SiPM. El valor de RT también depende del tamaño y la geometría del centellador, el número de fotosensores y la parte electrónica. En este trabajo se estudia la distribución media del tiempo de llegada (AT) de los fotones ópticos a un Scorer de un SiPM de 6×6 mm2. Definimos la variación de AT como la resolución temporal intrínseca (ITR). En Geant4, simulamos dos geometrías diferentes: cuadrada y hexagonal, para un centellador de plástico BC-404 acoplado a un Scorer. Las fuentes simuladas fueron Sr90, Co60, Cs137, Na22 y μ− de 1 GeV. Se muestra que AT e ITR dependen de la geometría y tamaño del centellador plástico, la ubicación del Anotador, la partícula incidente y su energía. Entonces, el ITR y por lo tanto el TR no es una constante para un detector. Finalmente, mostramos la relación entre AT y la energía depositada por la partícula incidente, las cuales están relacionadas en el experimento con el evento de tiempo de respuesta del detector y la carga depositada por la partícula incidente, respectivamente.

Interpretación de los espectros de absorción de rayos-X por radiación sincrotrón de las especies minerales uraníferas transportadas por el arroyo “El Tigre”, en Peña Blanca, Chihuahua, México

El estado de Chihuahua, México, cuenta con varios yacimientos de uranio, siendo el más importante el depósito de Peña Blanca. Este depósito se encuentra al norte de la capital del estado. El mineral extraído y no procesado se confinó en la sierra en apilamientos rocosos, expuestos a la meteorización. Para caracterizar el arrastre de uranio por agua superficial en forma de partículas o disueltos se realizó un muestreo en el cauce del arroyo El Tigre. Se recolectaron 9 muestras de sedimento en área de influencia de la mina Nopal I, y se separaron en las fracciones arena gruesa, arena fina, limo y limo fino + arcilla. Se determinó la concentración de actividad de los isótopos de la serie del uranio por espectrometría gamma a las diferentes fracciones de cada muestra. Las fracciones limo fino + arcilla y arena fina se analizaron mediante difracción de rayos X (XRD) en las 2 muestras con más actividad, Nopal 1 y Nopal 2. Las fases son cuarzo, calcita, montmorillonita, sanidino, ortoclasa, albita, caolinita y magnetita. De la fracción de arena fina de Nopal 1 se extrajeron con ayuda de fluorescencia de luz ultravioleta partículas de d < 100 m (P1-Bulk), y por SEM-EDS se confirmaron en ellas el uranio y los silicatos. A esta muestra y a la fracción limo fino + arcilla de las muestras Nopal 1 (P1-Clay) y Nopal 2 (P1-Silt) se le realizaron mediciones espectroscopía de estructura fina de la absorción de rayos X (XAFS) en el borde U-L3. El experimento se realizó en la línea de haz I20 del sincrotrón Diamond Light Source en Inglaterra. La región XANES analizada indica la presencia de uranio hexavalente. El ajuste entre las mediciones experimentales (región EXAFS) de las muestras (P1-Clay y P1-Silt) y el modelo teórico indica que el mineral presente es uranofano-alfa. Este resultado concuerda con la geología de la zona.

Evaluación de polonio-210 en peces que habitan la zona costera de Dos Bocas, Tabasco, México

El polonio-210 es un radionucleido perteneciente a la serie natural del uranio-238 y es bioacumulado por una gran diversidad de organismos marinos. Los mecanismos de migración de este radioisótopo del polonio en la cadena trófica, así como su acumulación en diferentes tejidos de peces son uno de los temas de investigación que actualmente son de gran interés para la comunidad científica. En este trabajo se determinan y evalúan los niveles de polonio-210 en diversas especies de peces que habitan una zona costera afectada por una industria NORM. Los métodos incluyen la colecta, identificación y preparación de muestras de diferentes tejidos biológicos y la aplicación de métodos radioquímicos propios de la técnica de espectrometría de partículas alfa. Los resultados obtenidos en tejidos de peces destinados al consume humano varían desde 349 mBq/kg hasta 6413 mBq/kg, con un valor promedio de 1863 mBq/kg y desviación estándar de 1574 mBq/kg. Los niveles de polonio-210 en tejido de peces destinados para el consumo humano son del orden a los encontrados en peces de otras regiones del mundo y no representan un riesgo radiológico para los consumidores del área estudiada.

Thermoluminescent response of Fluoroindate glasses (InF3) doped with Yb3+ and Tm3+ to beta-irradiation

Fluoroindate glasses (InF3) doped with Yb3+ and Tm3+ have been found to be thermoluminescent (TL) materials in investigations to develop new radiation detection materials. The material shows a glow curve between 30 and 390 Celsius, with one glow peak at 100 Celcius. The intensity of the peak has a linear response to the quantity of 90Sr beta-radiation over the 5 Gy to 100 Gy range. The fading of the samples after 24 h is 70% after 20 Gy of irradiation, with a shift of the maximum of the TL response.

Modelación experimental y análisis por radiación sincrotrón del transporte de uranio por medio de aguas superficiales en sedimentos de Peña Blanca-Laguna del Cuervo, Chihuahua

En el estado de Chihuahua, México, se tienen yacimientos de U; el más importante es Peña Blanca. Este fue explorado en los 80’s por la empresa URAMEX. Al cierre de las actividades, el mineral se confinó en pilas rocosas expuestas a la meteorización. El U puede ser transportado a través de los arroyos que desembocan en la Laguna de Cuervo. Se analizaron los sedimentos para identificar el U adsorbido mediante técnicas espectroscópicas de luz sincrotrón (LS), microscópicas y espectrometría alfa de centelleo líquido. Se realizó un experimento de adsorción en columnas, según la secuencia de granulometrías propias del área de estudio (arena fina, limo grueso y lomo fino + arcilla) y colocando un horizonte de minerales de U del área, este por arriba de la arena fina. Las columnas con mineral se alimentaron con agua destilada. Otras columnas sin mineral de U se alimentaron con una solución de nitrato de uranilo. Las columnas se drenaron durante 6 y 12 meses en intervalos crecientes para analizar el agua, y el sedimento obtenido. Los análisis de LS muestran U(VI) en los sedimentos y que las especies minerales presentes son uranofano y nitrato de uranilo.

Radon influence on background radiation in a radiological analysis laboratory by gamma spectrometry

This study presents the influence of radon on gamma spectrometry systems in a radioactive analysis laboratory. The concentration of radon in the laboratory is variable on the day, during working hours, when the laboratory is open, it is relatively low, around 50 Bq/m3, when the staff leaves and the laboratory is closed, the radon accumulates and rises to more than 130 Bq/m3, these values were obtained over a period of several months with an Alphaguard® system. Radon (Rn) descendants are distributed in the laboratory. The laboratory has four gamma spectrometry systems for radiological analysis of environmental samples for environmental surveillance in water, milk, and soil matrices, among others. One of the radionuclides of interest is 226Ra which is also found in the background radiation. When 226Ra measurements are made, which is determined through its descendants in secular equilibrium 214Bi and 214Pb, the background contribution must be subtracted from the photopeak count, but this background is altered by the presence of 222Rn and its offspring in the enclosure. In order to know the contribution of the Rn descendants in the gamma spectrometers, background counts were made during the day and at night, which resulted in the background in the 214Pb and 214Bi photopeaks being higher during the night compared to the day and its contribution is not negligible for the determination of 226Ra. Key words: radon, gamma spectrometry, secular equilibrium.

Study of the total alpha beta radioactivity content in commercial watermarks by liquid scintillation

This study presents the Gross alpha beta radioactivity in bottled water from 19 different commercial brands. In Mexico, the official Mexican standard NOM-127-SSA1-2021 establishes the values of 0.5 and 1.0 Bq/L as limits for total alpha and beta in drinking water. The analysis was carried out with the liquid scintillation method, making a concentration of 10 to obtain a minimum detectable concentration of 0.25 and 0.5 Bq/L respectively. The results obtained indicate that in all cases the bottled waters comply with the applicable regulation, which in turn indicates that the effective annual dose, assuming a daily consumption of two L, would be less than 0.1 mSv, since this limit was calculated based on this premise, indicating that the radiological risk for the consumer is negligible. Keywords: Alpha beta Gross, liquid scintillation, dose equivalent

Assessment of the compliance with the norm NOM-127-SSA1-2021 for gross alpha and beta radioactivity sanitary specifications in water samples by liquid scintillation counting. A. Pozos H.1, E. Gómez-Chayres1, K. Cantú A.1, A. Ángeles C.2

Since last May 2023, came into effect in Mexico the new NOM-127-SSA1-2021, this regulation includes within their scope the maximum permissible limits for water quality for human consumption and use. Among these, radiological parameters are included and, in this aspect, the maximum permissible levels for alpha and beta radioactivity in water were updated from 0.56 Bq/L to 0.50 Bq/L for alpha radiation and from 1.85 Bq/L to 1.00 Bq/L for beta radiation. These changes were made following the World Health Organization’s recommendations in this field (World Health Organization, 2011). In order to evaluate these limits, a Liquid Scintillation Counter (LSC) Hidex 300SL equipped with a guard detector was used and set to analyze, under the ISO 11704:2018 method, water for human consumption and use, groundwater, water from other reservoirs, etc. This method was validated and accredited by the mexican entity of accreditation (entidad mexicana de acreditación, ema) and approved by other government agencies as CONAGUA (Comisión Nacional del Agua) and COFEPRIS (Comisión Federal para la Protección contra Riesgos Sanitarios) for the assessment of this norm. In this study we present the general operating conditions of the LSC equipment and working conditions for the validated method; also a summary of the analyzed samples since 2020 to 2023 (April) and how the decrease on the maximum permissible levels affected the accomplishment of the norm for certain types of samples. This was mainly observed for the gross beta radioactivity measurements where, considering about 400 samples, the 79% of them wouldn’t comply the specification of the norm; whereas for alpha radioactivity this percentage is 12%. In the case of ended products (e.g. commercial beverages) the changes on the limits did not affect the compliance of the norm for these samples. Keywords: liquid scintillation counting, gross alpha and beta radioactivity, water quality. 1. Intertek-Labs ABC Sustainability 2. ININ Mexico

Tablero de Galton y partículas elementales: experimento virtual en salón de clases

El tablero de Galton, un arreglo de puntos según un patrón triangular (ref.1) semejando el triángulo de Pascal, en cada punto donde irían los números "Pascalianos" se tienen obstáculos cilíndricos con diámetro menor al de objetos esféricos que se dejarán avanzar desde la parte alta del arreglo estando éste en posición vertical. Las esferas irán cayendo en casilleros de izquierda a derecha según la probabilidad de ir a la derecha o a la izquierda en cada obstáculo. En un salón de clases se puede simular ese tablero pidiendo al grupo de -digamos- 40 estudiantes que escriban una lista de 20 números de 10 dígitos simulando números de teléfono. Un número típico sería: 4313032262. A continuación se le pide a todo el grupo que haga 4 columnas anotando el número de dígitos pares, el de múltplos de 3, el de múltiplos de 4 y la aparición del número 4 por ejemplo. Con el número anterior se tendría 6, 4, 1, y 1 respectivamente. Se obtendrán números que van del 0 al 9, y se sumarán las cifras de cada uno de los 800 de todo el grupo. El número de veces que aparecerá el 0 será 1, el de 1 será 8, el de 5 unas 198 veces, etc. Eso simulará el número de esferas cayendo en las casillas del tablero de Galton numeradas del 0 al 10 de izquierda a derecha. Algo semejante se puede hacer con los múltiplos de 3, de 4 etc. En este trabajo se discutirán distribuciones con probabilidades distintas de 1/2 en los experimentos con los estudiantes y de paso simulando experimentos en partículas elementales como en la ref 2. Trabajo apoyado parcialmente por CONAHCYT y VIEP BUAP. 1. https://www.youtube.com/watch?v=bzN1dgV-2cE 2. https://es.mathigon.org/step/probability/galton-board (simulador en línea)