Optimización de una Instalación para el Análisis por Activación Neurotrónica. <Resumen> <Introducción y motivación> - 1.1. Aplicaciones del Flúor - 1.2 Determinación de Flúor - 1.3. Método de activación neutrónica <Materiales y métodos> <Discusión> Autores Ricardo Franklin Mergarerejo* Luis Felipe Desdín** Daniel López Aldama*** Lázaro García Parra**** Resumen. Se presenta un método de detección del Flúor por medio del análisis por activación neutrónica. Este método supone una exactitud en la determinación de cualquier elemento muy alta (del orden de ppm); pero teniendo la particularidad de que con Oxígeno y Flúor después de ciertas reacciones nucleares se obtienen el mismo producto de reacción (hijo). Esto implica serios inconvenientes ya que se produce una interferencia entre la activación del Oxígeno y del Flúor falseando la lectura. Para salvar este inconveniente y aprovechar las bondades de este método se conoce que el Oxígeno se activa para neutrones con energías superiores a los 10.5 MeV, mientras que el Flúor para energías de los neutrones incidentes superior a los 1.5 MeV. Nos planteamos como hipótesis que es posible reducir la interferencia del Oxígeno utilizando un moderador a fin de afectar la estadística del conteo lo menos posible. El objetivo del presente trabajo es diseñar y optimizar una instalación para medir concentraciones de Flúor en presencia de Oxígeno utilizando neutrones de 14 MeV proveniente de un generador de neutrones del tipo NG-12-1. Para cumplir con nuestro objetivo partiendo de la hipótesis se implementó una simulación experimental utilizando métodos matemáticos de probada eficiencia en el transporte de neutrones como el método de Monte Carlo (específicamente el código MCNP-4C). Los resultados de nuestras simulaciones apuntan a la validez de nuestra hipótesis. 1. Introducción y motivación. 1.1. Aplicaciones del Flúor. El Flúor es un elemento muy importante para el organismo humano, considerado indispensable por su efecto en el esmalte dental, confiriéndole una máxima resistencia frente a las caries. Debido a la fluoración del agua potable, el uso de pastas dentales con fluoruro y a un mayor uso de este elemento en la cadena alimentaria, la prevalencia de caries ha disminuido. En nuestro país, gracias al auspicio de la OMS, se lleva a cabo un estudio sobre los niveles de concentración de este elemento en fuentes de abastos de agua potable a poblaciones de más de 1000 habitantes 2. Por otra parte, en la etapa de desarrollo y crecimiento, este nutriente junto al calcio y otros minerales, contribuyen a formar y estabilizar la estructura sólida de los huesos. El Flúor que no es depositado en los tejidos duros, es eliminado por el riñón a través de la orina después que ha pasado por el organismo. Cabe resaltar que el Flúor ingerido normalmente debe sobrepasar los niveles de absorción ósea, por lo que si no existe una ingesta suficiente, éste se moviliza ocasionando una desmineralización de estas estructuras. Esta es la razón por la que el adulto también necesita una ingesta mínima diaria de dicho elemento. Hoy en día con el desarrollo de agentes anti-absorbentes como los tratamientos con vitaminas D y hormonas o los biofosfanatos ofrecen una nueva panorámica para el desarrollo de la terapia con sales de Flúor para combatir la osteoporosis. El Flúor ha atraído la atención como agente terapéutico para la osteoporosis debido a su efectividad en la estimulación de Osteoblastos 1. Sin embargo el Flúor solamente parece ser útil en la etapa inicial de la enfermedad, sobre todo si el tejido óseo trabecular permanece 2 intacto. Los mayores beneficios de esta terapia es la efectividad a bajas dosis de este elemento en combinación con Calcio y vitamina D1. En el proceso de obtención del aluminio éste se produce por medio de electrólisis de Alúmina disuelta en Criolita a una temperatura de 960 oC; sólo que esta Criolita es obtenida por medio de la neutralización del Ácido Fluorhídrico (HF) 3. Otras aplicaciones del Flúor podemos observarlas en la producción de Uranio (específicamente el Hexafluoruro de Uranio), en más de 100 productos químicos que utilizan este elemento como son los bien conocidos plásticos resistentes a altas temperaturas (Teflón); en los sistemas de refrigeración como el Clorofluorocarbono. En lo referente a la toxicidad de este elemento, se han conducido estudios que sugieren que la inhalación de óxidos de flúor a un nivel superior de 0.5 ppm pueden provocar en humanos edemas crónicos pulmonares 4. Vale decir que se han establecido límites para la exposición permisible en la industria a este elemento, los cuales no deben exceder de 0.05 ppm ó 0.1 mg/m3 en el aire durante un tiempo de 8 horas. En el caso de trabajadores de minería el límite anterior no debe excederse durante todo el tiempo de trabajo 5. 1.2. Determinación de Flúor. Existen distintos métodos para la determinación del Flúor como, por ejemplo, el método calorimétrico, que consiste en la reacción del Flúor presente en la muestra, previamente acidificada con Nitrato de Torio, para formar un complejo que se colorea con el indicador rojo de Alizarina; luego, la determinación se realiza por comparación del color obtenido en la muestra frente a un estándar de Flúor de concentración conocida. Esta técnica semicuantitativa requiere que la cantidad adicionada de Nitrato de Torio sea exactamente la misma tanto en la muestra como en el estándar y que la comparación del color se realice en el punto final de la reacción. Cuando se aplica este método en alimentos, estos deben ser llevados previamente a cenizas con alguna sal fundente, tratadas con Ácido Perclórico y posteriormente destiladas 6. Otras formas para determinar Flúor son: el método por cromatografía liquida de alto rendimiento (HPLC) con detección ultravioleta, el método indirecto por espectrometría de emisión de plasma con espectrometría de masas (ICP-MS) y el método por ión selectivo. Los ia dos primeros, determinan el flúor como anión, es decir fluoruro, a nivel de trazas y en simultáneo con otros aniones o cationes. En tanto, el método por ión selectivo, se basa en la medida del potencial de una solución que contiene iones fluoruro, cuando se sumerge dentro de ella un electrodo especifico para fluoruro y uno de referencia, creándose una corriente eléctrica entre la muestra y la solución interna del electrodo de ión selectivo, cuyo potencial será la medida de la concentración de fluoruro 6. Para el estudio que se lleva a cabo en nuestro país utilizó el método potenciométrico con electrodo selectivo de fluoruro, utilizando un equipo portátil Orión Modelo 290A. La incertidumbre de las mediciones a una concentración de 1 mg/L es 0,1 mg/L, lo cual representa el 10% de la concentración medida 3. 1.3. Método de activación neutrónica. Nos proponemos en este trabajo llamar la atención sobre el análisis por activación neutrónica. Este supone una exactitud en la determinación de cualquier elemento muy alta. Cabe mencionar que otra ventaja de este método es que además se pueden estudiar las concentraciones de este elemento en matrices que no solo son líquidas como en la mayoría de los otros métodos, sino que pueden ser sólidas o gaseosas. Es importante mencionar que las existen tres reacciones posibles del Flúor con los neutrones rápidos que podrán ser 19F(n, a) 16N; 19F(n, 2n) 18F y 19F(n, p) 19O. Por mucho la reacción (n, a) es la más sensible; teniendo la particularidad de que con el Oxígeno mediante la reacción (n, p) se obtiene el mismo producto de reacción7. Esto implica serios inconvenientes pues se produce una interferencia entre la activación del Oxígeno y del Flúor falseando la lectura. Para salvar este inconveniente y aprovechar las bondades de este método se conoce que el Oxígeno se activa con neutrones de energías superiores a los 10.5 MeV, mientras que el Flúor para energías de los neutrones incidentes superior a los 1.5 MeV. Como hipótesis nos planteamos que es posible reducir la interferencia del Oxígeno utilizando un moderador que optimice el error producido por la estadística del conteo y el error producto de la interferencia. El objetivo del presente articulo es diseñar y optimizar una instalación para medir concentraciones de Flúor en presencia de Oxígeno utilizando neutrones de 14 MeV. Para cumplir con nuestro objetivo se realizó la simulación experimental utilizando métodos matemáticos de probada eficiencia en el transporte de neutrones como el método de Monte Carlo (específicamente el código MCNP-4C). Materiales y métodos. En el caso de la disolución estudiada que fue Hexafluorosilicato de Amonio representa el 18.5% de masa de la muestra, por lo que habrá mayor cantidad de núcleos de Oxígeno que de Flúor. Se estudiaron como moderadores el Agua ligera (H2O), el Carbono (C) y el Plomo (Pb), los cuales tienen diferentes propiedades ante los neutrones. Véase la tabla 1 a fin de ilustrar estas propiedades. Sustancia Densidad   1 - µ H2O (Ref8) 1.0 0.9480 0.676 C 3.51 0.1580 0.944 Pb 11.34 0.0095 0.997            Cuadro 1. Propiedades de las sustancias moderadoras Se estudió el flujo de neutrones en el moderador con el fin de obtener el espectro de este en diferentes zonas. La geometría (ver figura 1) que se tomó se presenta a continuación: Figura 1. Geometría de irradiación. Esta geometría se dividió por celdas de espesor ß, el cual era variable ia para buscar una distancia óptima entre la fuente y la muestra para cada una de las sustancias moderadoras. 2.1. Agua ligera. Para la simulación se tomó la geometría presentada en la Figura 1 y se modificó la distancia ß ya que el agua es gran absorbente de neutrones; además, de que un neutrón puede perder cerca del 94.8% de su energía en una colisión elástica. Nótese como es la variación del flujo en la muestra como se muestra en la Figura 2: Figura 2. Espectro en la muestra. Véase en la figura 2 como hay un flujo muy grande de neutrones de 14 MeV (por encima de cualquier energía), lo que representa una fuente de errores considerable producto de la interferencia entre la activación de Oxígeno y la del Flúor, que como se conoce la velocidad de reacción es y esta velocidad depende de tres factores (sección de activación, cantidad de núcleos por cm3 y flujo de neutrones). En la gráfica 3 se presenta el flujo promedio (representado por S ) de neutrones con energías inferiores a los 10.5 MeV y el flujo promedio de neutrones con energías superiores a los 10.5 MeV están muy cercanos uno del otro por lo que la interferencia será muy alta. Figura 3. Flujo promedio en la muestra. A continuación se muestra en la Tabla 2 los valores de los flujos promedios de la Figura 3. Se definió la magnitud índice espectral (d) como: Esta magnitud es una medida de la “calidad” del flujo de neutrones. Distancia 10 6.26156 · 10-4 8.74611 · 10-4 1.500767 · 10-3 0,41722 15 3,51998 · 10-4 3,58756 · 10-4 7.01754 ·10-4 0,49525 25 1.466096 · 10-4 1.11049 · 10-4 2.576586 · 10-4 0,5690 30 9.47649 · 10-5 6.52543 · 10-5 1.600192 · 10-4 0,59221 Cuadro 2. Resultados del Agua ligera. Nótese que el flujo de neutrones de energías comprendidas en el intervalo deseado oscila entre el 41.72% para 10 cm de moderador y 59.22% para 30 cm; esto supone una fuente de errores por interferencia del Oxígeno muy alta. 2.2. Grafito. El grafito es un moderador que puede considerarse como ligero a mediano; por lo que sus propiedades nucleares son diferentes al agua ligera como se muestra en la tabla 1. Por eso el comportamiento de los neutrones a su paso va a diferir considerablemente del moderador anterior, ya que en una colisión elástica solo perderá el 15.8% de la energía incidente. Véase en la Figura 4 el espectro de neutrones en la muestra. Figura 4. Espectro en la muestra. Figura 5. Flujo promedio en la muestra. Para interpretar mejor los resultados de la gráfica anterior nótese en la Figura 5 los valores promediados del flujo de neutrones en donde se ve, que a partir de 45 cm se logra un campo de neutrones con energía entre 1.5 MeV y 10.5 MeV con mejor calidad que el logrado en el agua ligera. En la Tabla 3 mostramos los valores numéricos de la del flujo pro- medio para neutrones con energías comprendidas entre 1.5 MeV-10.5 MeV, 10.5 MeV-14 MeV, 1.5 MeV-14 MeV y su índice espectral. Distancia 22.50 8.63059·10-6 3.83219·10-6 1.3053·10-5 0.6612 33.75 5.80544·10-6 1.59927·10-6 7.40471·10-6 0.7840 45.00 3.145782·10-6 6.83583·10-7 3.829365·10-6 0.8215 56.25 1.536033·10-6 2.01151·10-7 1.737184·10-6 0.8842 Cuadro 3. Resultados del Grafito. En este material la calidad del flujo es mucho mejor; porque para 45 cm y 56.25 cm de distancia entre la fuente y la muestra el flujo de neutrones con energías comprendidas en el intervalo deseado será de 82.15% y 88.42% respectivamente. Para la distancia de 45 cm el flujo será aproximadamente el doble del flujo que hay para 56.25 cm por lo que nos inclinamos en este material a quedarnos con esta distancia. 2.3. Plomo. El Plomo es un moderador pesado en el cual el neutrón pierde como promedio en una colisión elástica el 0.95% de su energía inicial; si se dependiera de esto se necesitaría una cantidad de moderador inmensa. Afortunadamente, las dispersiones inelásticas son tan probables como la elástica para estas energías con materiales pesados y la perdida de energía es mayor, por lo que en pocas colisiones logramos que el neutrón llegue a la energía deseada y las distancias no sean grandes. Para el estudio del Plomo en su estado natural se tomó la composición isotópica siguiente: Isótopo % 206 24.80 207 22.80 208 52.40 Cuadro 4.Composición isotópica del Plomo. En la muestra se estudio el flujo en función de la energía (Figura 6). Figura 6. Flujo en función de la energía Y para mejor comprensión del espectro se determinaron los valores promedios del flujo para los intervalos de 1.5-10.5 MeV, 10.5-14 MeV y 1.5-14 MeV (ver Figura 7) Figura 7. Flujo en función de la distancia Ilustraremos estos resultados en la Tabla 5 para mostrar sus valores exactos. Distancia 30 1.73023 ·10-4 1.07253 ·10-5 1.85013 ·10-4 0.93519 35 9.97750 ·10-5 5.14571 ·10-6 1.05558 ·10-4 0.94521 40 5.72295 ·10-5 2.51136 ·10-6 6.00637 ·10-5 0.95281 45 3.25252 ·10-5 1.26226 ·10-6 3.39502 ·10-5 0.95803 50 1.82446 ·10-5 6.46277 ·10-7 1.89768 ·10-5 0.96141 Cuadro 5. Resultados del Plomo Es evidente que respecto a la calidad del flujo el Plomo es el mejor de todos los elementos estudiados, por lo que proponemos que la distancia sea de 40 cm ya que el campo de neutrones con energías comprendidas en el intervalo deseado será del 95.28% y además se tienen los mejores valores de flujo total. 3. Discusión. De las distintas sustancias moderadoras; donde, como se ve la más adecuada para nuestro propósito será el Plomo por su alto índice espectral (cercano a la unidad), mientras que la menos idónea es el agua. Debemos señalar, además, que el agua por su característica de moderador “ligero” “termaliza” los neutrones en pocas interacciones sacándolos del intervalo de energía estudiado. Eso se debe a que como los neutrones pierden mucha energía en pocas colisiones estos caen en el intervalo de energía donde están en equilibrio térmico con el medio. Por su parte el Plomo como es un moderador pesado, la moderación va a ocurrir fundamentalmente por medio de dispersiones inelásticas ya que para rebajar la energía al intervalo estudiado por medio de las dispersiones elásticas se necesitan muchas más colisiones que en el agua. En este trabajo hemos mostrado cuan útil puede resultar un estudio de simulación, sobre todo cuando se conocen con exactitud las leyes físicas que rigen los procesos que se analizan. La realización de los experimentos aquí simulados hubiera sido extremadamente costosa, mientras que la simulación por computadora es practicable en una computadora personal estándar. Referencias [1] Schulz W. Fluoride treatment of osteoporosis. Wien Med Wochenschr, 150:42– 52, 2000. [2] Dr. Luis Rodríguez DrC. Maricel García Melián, Dra. Maritza Sosa; Lic. Lilliam Cuéllar y Téc. Ricardo Cangas Rancano. Sistema de vigilancia de fluoruro en aguas de consumo en cuba. Revista Cubana Higiene Epidemiología, 40:136–142, 2002. [3] www.altech.pechiney.com/ Gardanne/ WebGardanne.nsf/ vwUrl/ MondeAlu- mine Utilisations Aluminium Aluminium production VI. [4] American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH). The Th- reshold Limit Values (TLVs) and Biological Exposure Indices (BEIs). 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