Radiaciones no Ionizantes (página 2)

En el rango 1 a 10 GHz se permite en una antena conseguir la mejor relación señal/ruido, para un nivel de señal dado. A frecuencias de microondas se pueden construir antenas muy directivas ( directividad = capacidad de la antena para concentrar la potencia emitida/recibida en una dirección) con un tamaño razonable ( reflectores parabólicos para recepción de señales de televisión vía satélite ). Las emisiones de radiación más estables que se conocen cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro inferior se producen a frecuencias de microondas ( niveles de energía hiperfinos ). Esto ocurre en particular para los átomos de hidrógeno, rubidio, cesio y talio, y se utiliza para construir relojes atómicos y para establecer el patrón del segundo ( la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de Cs se puede medir con diez cifras significativas ).

Generadores de microondas. El uso de osciladores de estado sólido en las microondas se viene utilizando desde hace años. Las potencias que se alcanzan con transistores de silicio están en el orden de los 100W a 950MHz y de 15W a 2.45GHz. Estos niveles de potencia se vienen aumentando con el paso del tiempo, y su uso se ha extendido a campos como la medicina o como ya se ha indicado al uso doméstico. Hoy en día, la producción de altos niveles de energía requiere el uso de tubos de vacío. Existen dos tipos de tubos: los de tipo O y los de tipo M, en los cuales el electrón sigue una trayectoria lineal o circular bajo los efectos de los campos eléctrico y magnético. El llamado klystron pertenece al primer tipo, y el magnetrón al segundo. Los tubos klystron pueden manejar potencias de pico de 30 MW en la banda S (rendimiento moderado entre 35-45%). El magnetrón puede manejar potencias de varios KW y tener un rendimiento superior al 80% (ruidoso). El primero se utiliza con frecuencia en aplicaciones de tipo médico, mientras que el magnetrón se utiliza en aplicaciones de radar o en calentamiento por microondas (…hay quien afirma que el “magnetrón” fue la válvula que ganó la segunda guerra mundial…)

El magnetrón: El principio básico del funcionamiento de estos generadores es la modulación de velocidad de un haz de electrones que al atravesar una cavidad resonante, provoca en ella por excitación ondas electromagnéticas de frecuencia dentro del rango de las microondas.El magnetrón es un tubo de sección circular que contiene un ánodo cilíndrico y un cátodo de tungsteno a lo largo del eje. La separación entre el ánodo y el cátodo define la llamada región de interacción, donde existen numerosas cavidades resonantes. Se aplica una diferencia de potencial constante entre el ánodo y el cátodo. Se consiguen varios kilovoltios por cada pocos milímetros. De este modo se genera un campo magnético que será paralelo al eje del tubo (en la zona que se indica en la figura con una H, la dirección no se especifica en la figura). Los electrones emitidos por el cátodo son acelerados por la acción del campo eléctrico y siguiendo trayectorias radiales (en ausencia de cualquier otro campo) en su camino hacia el ánodo. El campo magnético consigue que estas trayectorias se hagan curvas (toman una forma helicoidal).

Se define entonces un valor crítico de la inducción magnética Bc , que se corresponde con un determinado valor del potencial. Para valores de la inducción magnética por encima de Bc los electrones no podrán alcanzar el ánodo y formarán una nube de carga en la región de interacción. Conforme B incrementa su valor la nube de carga estará mas próxima al cátodo. El ánodo y las cavidades constituyen una estructura periódica de interacción con esta nube Los electrones quedarán agrupados en las cavidades, calentarán el cátodo y contribuirán así a una emisión de electrones secundarios por parte de éste. Ahora los electrones podrán alcanzar el ánodo después de un movimiento giratorio, encontrado así una salida (S).

Transmisión de microondas:

Las ondas electromagnéticas llevan asociada una densidad de potencia (vector de Poynting) que se propaga en el espacio libre a la velocidad de la luz. A grandes distancias es muy pequeña, así que la transmisión de potencia desde una FUENTE a un RECEPTOR por el espacio libre es muy ineficiente. Un sistema en el que se utilicen microondas constará generalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga. En caso contrario tendremos necesidad de tener un sistema emisor y otro receptor, estando el emisor formado por los elementos anteriormente citados, donde la carga será una antena emisora, siendo el receptor otra antena. Para minimizar la pérdida de potencia se utilizan sistemas guiados de ondas electromagnéticas. Además de estos elementos pueden existir otros componentes como atenuadores, desfasadores, frecuencímetros, medidores…, siendo en muchos casos la guía de onda el elemento fundamental de transmisión a estas frecuencias. Se puede considerar la guía de onda como una tubería metálica a través de la cual se propaga la onda electromagnética sin prácticamente atenuación, dependiendo del material del que esté fabricada. Así a una frecuencia determinada y para una geometría concreta la atenuación será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material.

Algunas Guías de ondas y Líneas de transmisión

Calentamiento mediante microondas.

En 1945 un fabricante de magnetrones para radar descubrió que las microondas podían servir para calentar comida y otros materiales dentro de hornos. Al principio estos hornos sólo fueron utilizados en cafeterías y restaurantes, pero a principios de los 70, empezaron a invadir los hogares de muchas familias de todo el mundo. Los hornos de microondas se emplean hoy en día para calentar comida y también para secar madera, plástico, ropa, materiales de construcción, etc..

Contienen un magnetrón que trabaja usualmente en la banda de 2.45 GHz y que está conectado por medio de una guía de ondas a una cavidad resonante. Una pala distribuidora de modos se encarga de distribuir la energía de microondas entre los distintos modos de la cavidad; se consigue una distribución espacial de los campos lo más homogénea posible.

Hornos de microondas El mecanismo consta de un magnetrón operando generalmente en una banda en torno a 2,45GHz (I.S.M. Industrial, Scientific and Medical band). Este magnetrón genera microondas, y estará conectado mediante una guía de onda a una cavidad resonante, la cual contiene el material a calentar. Por supuesto este material puede ser comida, pero también podrá tratarse de papel, plástico, productos químicos, textiles, materiales de construcción etc. Un distribuidor, generalmente con forma similar a la de un ventilador se encarga de repartirla energía en forma de microondas por toda la cavidad, con el fin de conseguir un calentamiento homogéneo.

Comparación y ventajas: Cuando como en algunos horno se utiliza aire caliente (vapor, etc.) para calentar algún producto, las caras de éste son las que primero se calientan, calentándose el resto a través de éstas únicamente por conducción de calor, requiriendo se así un gradiente de temperatura desde la superficie de la cara hasta el interior del producto, de manera que el interior siempre se encontrará a una temperatura menor que la superficie. Además el calentamiento será bastante lento. Estos hechos hacen que el uso de las microondas se extienda hoy en día de la forma en que lo ha hecho. Otra alternativa podría ser el calentamiento por infrarrojos. El calentamiento por infrarrojos únicamente produce calor en la superficie, generado por radiación electromagnética dentro del rango correspondiente. De manera que al calentarse únicamente la superficie estamos básicamente en la situación anterior, con la diferencia de que ahora el aire caliente no invade toda la cavidad en la que tenemos el producto, sino que la superficie del material se calienta directamente. El calentamiento por microondas penetra de un modo mucho mas profundo en el material a calentar. La energía electromagnética es transformada en calor mediante un proceso complejo en el cual los dipolos moleculares rotan durante la aplicación generándose así calor en el interior del material, y distribuyéndose de un modo uniforme. La superficie que estará en contacto con el medio que la rodea terminará a una temperatura mucho menor que en los procesos anteriores, lo cual es importante a la hora de cocinar algunos productos como vegetales, cuyas proteínas pueden perderse con mayor facilidad. Además con la utilización de microondas no se pierde calor, o al menos muy poco en comparación con las técnicas en las que todo el entorno debe ser calentado.

Vulcanización La vulcanización es un proceso químico, favorecido por la temperatura, que se produce en el caucho crudo al añadirle ciertos aditivos y a través del cual se produce una transformación en su estructura molecular que mejora las propiedades térmicas del caucho. Este proceso se realiza tradicionalmente calentando directamente el caucho sobre unas planchas. El uso de las microondas facilita considerablemente esta tarea, lo que contribuye de modo importante a la producción de materiales elásticos, así como al reciclaje de los mismos. El grado de vulcanización será función de la temperatura alcanzada así como del tiempo en que ésta sea mantenida. Las microondas causan un incremento rápido de la temperatura en muy pocos segundos. Una vez alcanzada esta temperatura deseada, ésta debe ser mantenida el tiempo que sea necesario para los procesos de vulcanización utilizando técnicas como puede ser la aplicación de aire caliente

Por otro lado cabe destacar que los materiales tratados con estas técnicas de vulcanización no sufren alteración en sus formas aún siendo éstas complicadas durante los procesos realizados. Por lo que la estabilidad de la forma de un material está garantizada durante la vulcanización, lo que supone una gran precisión en el proceso. En el caso de materiales porosos, la porosidad obtenida es uniforme, y los materiales no necesitan tratamiento previo ni posterior para garantizar la calidad, aunque en ocasiones las superficies se vuelven pegajosas debido a la oxidación después del tratamiento con microondas.

Las tecnologías basadas en la radiación de microondas son más caras, porque se utiliza energía eléctrica. Sin embargo, tiene una considerable serie de ventajas: una mayor calidad de los productos, que repercute en la competitividad de la empresa; una mayor rapidez en el procedimiento y hornos más reducidos, que influye en la dimensión de las instalaciones; una mayor eficiencia energética; un entorno de trabajo frío, por lo que no hay que refrigerarlo, y un menor riesgo medioambiental, porque no hay posibilidad de fugas. En definitiva, el calentamiento por microondas, aunque más caro, permitirá reducir los costes de producción.

Calentamiento mediante microondas. En definitiva: Frente a otros métodos de calentamiento (por aire caliente, por infrarrojos) en los que primero se calienta la superficie del objeto y después ese calor es transmitido al interior del objeto por conducción, en los hornos de microondas la energía electromagnética se transforma en calor en todo el volumen del objeto (debido a las fricciones de los dipolos moleculares en su movimiento de alta frecuencia cuando están sometidos a los campos de microondas), lo cual asegura que el calor se distribuya muy homogéneamente dentro del material. La eficiencia de los hornos de microondas está en torno al 45%, pero es superior a las de los hornos convencionales.

En los apuntes(disponoibles si algún alumno los quiere) se relacionan otras aplicaciones : Industrias textiles y del cuero, farmacéuticas, tabacaleras, construcción y cerámica, papel e imprentas, gomas y plásticos, fundiciones, etc. Polimerización, triturado, fusión de materiales, etc.

Sistemas de comunicación Sin duda, se puede decir que el campo más valioso de aplicación de las microondas es el de las comunicaciones, desde las privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, hasta llegar a las comunicaciones extraterrestres. Los sistemas de microondas son usados en enlaces de televisión, en multienlaces telefónicos y en general en redes con alta capacidad de canales de información; son usadas también en comunicaciones por satélites gracias a que las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera; y como las longitudes de onda correspondientes son pequeñas permiten antenas de alta ganancias. En el terreno de las comunicaciones las microondas actúan generalmente como portadoras de información, mediante una modulación o codificación apropiada. Servicios de comunicaciones móviles: Los más extendidos son la telefonía móvil terrestre, la comunicación móvil por satélite, las redes móviles privadas, la radiomensajería, la radiolocalización GPS, las comunicaciones inalámbricas y el acceso a Internet móvil…

Radar.

La mayoría de los sistemas de radar ("radio detection and ranging") monoestáticos funcionan básicamente emitiendo mediante una antena una señal de microondas pulsada y detectando mediante la misma antena el eco producido por uno de los pulsos en un objeto distante. A partir del tiempo transcurrido entre la emisión del pulso y su detección después de ser reflejado (tiempo que debe ser inferior al período del tren de pulsos), se puede determinar la distancia al objeto. Asimismo, a partir de la relación entre la potencia recibida y la potencia emitida, se puede obtener información sobre la sección radar del objeto (área efectiva que presenta el objeto a la onda incidente), y por tanto, del tamaño del objeto. Los llamados "aviones invisibles" utilizan superficies absorbentes y contornos con aristas para minimizar la reflexión de las ondas en su superficie y reducir de este modo su sección radar. En otras ocasiones, los aviones de guerra utilizan contra medidas para confundir a los radares ("jamming"), tales como arrojar tiras metálicas de papel de aluminio en los alrededores del avión (lo que se conoce como "paja"), o bien, emitir hacia la antena del radar una señal continua de microondas de alta intensidad de la misma frecuencia que la utilizada por el radar para confundirlo.

Los radares también tienen aplicaciones civiles tales como altimetría en los aviones, medida de la posición de la tierra respecto a otros planetas (se han detectado ecos de radar procedentes de Ganímedes, la mayor de las lunas de Júpiter), seguimiento de los aviones en los aeropuertos, etc. . Existen radares de efecto Doppler capaces de determinar la velocidad con la que se acerca o aleja un objeto de la antena a partir del desplazamiento en frecuencia del eco (± 2v f / c, donde v es la velocidad del objeto, f es la frecuencia del radar y c es la velocidad de la luz). Estos radares son utilizados hoy en día por la policía para medir la velocidad de los coches y también en alarmas para ladrones. Dado que la razón "potencia recibida/potencia emitida" en un radar es inversa mente proporcional a la cuarta potencia de la distancia al objeto, los radares son en la mayoría de los casos sistemas de microondas de alta potencia.

Radiometría A veces las antenas de microondas se utilizan para medir la potencia de ruido emitida directamente por un objeto y la reflejada por los objetos que le rodean. Esta potencia de ruido tiene que ver con la radiación de cuerpo negro emitida por el objeto por tener una temperatura no nula. A los receptores de microondas destinados a medir la potencia de ruido emitida por los objetos se les conoce como radiómetros. Los radiómetros se utilizan en meteorología para medir el perfil de humedad y temperatura de la atmósfera, el grado de humedad del suelo, la polución atmosférica, o para hacer estimaciones del grosor de la nieve (o del nivel de agua en una inundación) sobre una gran superficie. Los radiómetros se utilizan en medicina para medir el perfil de temperatura en el interior del cuerpo humano de una manera no invasiva con vistas a detectar inflamaciones o predecir el efecto de los fármacos sobre el organismo.

Los radiómetros también se utilizan en radioastronomía, lo cual ha permitido detectar tanto la radiación de fondo del universo (que se supone debida a la temperatura residual del universo después de la Gran Explosión) como la radiación de cuerpos celestes que son fuertes emisores de microondas, tales como los "quasares" y los "pulsares" (si bien el origen de la radiación de microondas no procede en este caso de la radiación de cuerpo negro).

Aceleradores de partículas De la misma manera que en los tubos de microondas hay una transferencia de la energía cinética de un haz de partículas cargadas (electrones) a la energía del campo electromagnético se puede invertir el proceso y utilizar la energía de un campo de microondas para transferir energía cinética a un haz de partículas cargadas y acelerarlas. Esta situación se presenta en algunos aceleradores de partículas, que son equipos de medida donde se comunica una alta energía (del orden de GeV) a un haz de partículas cargadas con vistas al estudio experimental de la física de partículas elementales. Existen aceleradores lineales y circulares. En los aceleradores lineales el haz de partículas se mueve a lo largo del eje de una estructura de onda lenta, que normalmente consiste en una línea de transmisión cargada periódicamente con cavidades resonantes.

Cuando la velocidad de la onda lenta y del haz de partículas son aproximadamente iguales, se produce una máxima transferencia de energía del campo de microondas al haz de partículas. Como la velocidad de las partículas va aumentando a lo largo del acelerador, las dimensiones de la estructura de onda lenta tienen que ir cambiando para poder adaptarse a los cambios de velocidad de las partículas. En los aceleradores circulares las partículas se mueven sometidas a un campo magnético perpendicular a su trayectoria. Al ser la trayectoria circular, los aceleradores circulares tienen un tamaño más reducido que los lineales para un nivel de energía dado. En los aceleradores circulares se aplican señales de microondas a la frecuencia de ciclotrón de las partículas en el acelerador. No obstante, esta frecuencia de las señales de microondas tiene que ir cambiando debido a que cuando la velocidad de las partículas se acerca a la de la luz, se produce un aumento de su masa relativista y una disminución de la frecuencia de ciclotrón (efecto de sincrotrón).

Aplicaciones en Medicina La aplicación de calor es un procedimiento terapéutico utilizado usualmente en medicina. Un aumento local de la temperatura de un tejido produce una dilatación de los vasos sanguíneos alrededor del tejido y un aumento del riego sanguíneo, con lo cual el tejido recibe más nutrientes y anticuerpos, el proceso de curación se acelera, y además, el dolor se reduce. Mientras que los métodos clásicos de aplicación de calor en medicina (baños calientes, baños de parafina e infrarrojo) sólo actúan en superficie, para tratamientos térmicos en profundidad se aplican microondas a frecuencias de 2.45 GHz (hipertermia). Los aplicadores (antenas) se colocan a varios centímetros de la superficie corporal durante un tiempo entre 15 y 30 minutos, y se manejan niveles de radiación entre 100 mW /cm2 y varios W /cm2. La aplicación de microondas se utiliza en el tratamiento de enfermedades relacionadas con problemas de las articulaciones (artrosis, artritis, reuma), en medicina interna (bronquitis, asma, infartos), en dermatología, en otorrinolaringología, en oftalmología y mas recientemente, en tratamientos para tratar tumores cancerígenos.

Diatermia

Se conoce por diatermia al método fisioterapéutico de producción de calor en los tejidos por la resistencia que éstos ofrecen al paso de una corriente eléctrica de alta frecuencia. La diatermia, aplicada mediante cualquiera de las técnicas existentes, permite inducir calor a los tejidos biológicos mediante la penetración de diversas formas de energía, entre las cuales podemos citar la energía aportada por ondas electromagnéticas. Con la diatermia, y en concreto con la diatermia electromagnética, se consigue un calentamiento en profundidad mediante oscilaciones de alta frecuencia que, en la zona de aplicación, se transforman en energía calorífica sin provocar estímulos eléctricos en los nervios o en los músculos.

Con un tratamiento diatérmico no es necesario poner al paciente en contacto con los electrodos de un dispositivo, sino tan sólo colocarlo de forma que sobre él incidan las ondas emitidas por los electrodos y que se originan por el mismo. De esta manera, las ondas electromagnéticas penetran en el cuerpo del paciente generando calor. Determinando de forma precisa la frecuencia de trabajo se puede llegar a modelar la profundidad de penetración de la radiación electromagnética y actuar sobre diferentes elementos constitutivos de los tejidos biológicos humanos. En cualquier caso, se trata de radiaciones no ionizantes que no producen cambios en la estructura molecular de las sustancias, siendo su contenido en agua el responsable de la transformación en calor de la energía de alta frecuencia aplicada.

Hipertermia Electromagnética Los tejidos cancerosos, excepto en su estado necrótico, tienen un alto contenido de agua. Lo que da lugar a un incremento de la permitividad de los tumores. Elevación de Temperatura : Disminuir el volumen tumoral y reducir la dosis de narcóticos utilizados en la fase paliativa del cáncer. ( Temperaturas del orden de 43 a 45º ) Se utiliza como un agente sensibilizador de las radiaciones ionizantes o quimioterapia. La clave de este proceso está en calentar, medir la temperatura y controlar el sistema…El tiempo de calentamiento debe ser entre 15 y 30 minutos. Esto ha conducido a establecer exposiciones recomendadas o estándar.

SAR ( TAE ) : Potencia que es absorbida sobre una unidad de masa de tejido… No se puede medir en el interior…necesidad de evaluar los riesgos a los que está expuesto el tejido.

SAR = s ¦E ¦2 / ? ( W/Kg ) (? la densidad másica del tejido, s conductividad y E el campo eléctrico en el interior… control interno de los campos ?) ? Experimentación (Fantomas, animales : ratas, conejos, etc…riesgos extrapolación…) y simulación numérica…

Aplicadores : Aperturas radiantes …guias de ondas abiertas ? alta permitividad, circula el aire y enfria la piel. Controladores de fase por ordenador ?proporcionan gran calor en puntos precisos y profundos…

3.- Dipolos y ranuras ? tratamiento “in situ”. Puede estar implantado para sesiones periódicas… Inconvenientes de los aplicadores con sensores de temperatura metálicos, termistores, termopares, y otros sensores convencionales : Calentamiento del sensor por corrientes inducidas Perturbación del campo electromagnético Interferencia electromagnética Hoy día se están investigando sensores de temperatura basados en fibra óptica que se recubre de un material (aceites ..? ) cuyo índice de refracción varíe con la temperatura. Las pruebas se están realizando en sustitutos de tejidos (fantomas…).

Resonancia MagnéticaEs una técnica espectroscópica que proporciona información estructural y estereoquímica en un tiempo reducido. No es una técnica destructiva y encuentra aplicaciones en casi todas las áreas de la química y en algunas de la biología. MRI ( imagen por resonancia magnética ) : Exploración radiológica que nace a principios de los 80 que permite obtener imágenes del organismo de forma incruenta ( no invasiva) sin emitir radiación ionizante y en cualquier plano del espacio ( el estadounidense Lauterbur y el británico Mansfield, premio nobel de medicina 2003, introdujeron innovaciones al descubrimiento de Bloch y Mills Purcell, premio nobel de física 1952…). Combinación de la informática y el tratamiento avanzado de imágenes en medicina. Anualmente se realizan más de 80 millones de diagnósticos y hay más de 50.000 cámaras de MRI.

Un campo magnético de 1.5 Tesla alinea los átomos de hidrógeno de los tejidos corporales…cuando se interrumpe el pulso magnético vuelven a su posición inicial de relajación emitiendo señales de radio captadas por receptores (antenas) y analizadas por un ordenador ( procesado digital de la información )…obteniendo, en poco tiempo, una imagen tridimensional (“rebanadas” en tres planos – axial,coronal y sagital – sin que el paciente cambie de posición…). Cada tejido produce una señal diferente. ( la exploración dura 20 – 45 minutos y el paciente debe estar completamente quieto…). Es muy segura ( radiación no ionizante ), sin embargo, puede producir claustrofobia ( tubo cerrado…ruido de los pulsos magnéticos..) y es relativamente cara respecto a otras técnicas de radiodiagnóstico. Investigación en técnicas de reconstrucción con menos datos?menos tiempo de los pacientes…

Consideraciones Generales Como consecuencia de la absorción de energía se produce una atenuación de la onda a medida que avanza por el medio material. Se denomina profundidad de penetración ( d ) a la distancia en que las amplitudes de los campos se reducen un 36 % ( la densidad de potencia un 13,5% ) respecto a los valores superficiales. La absorción de la energía electromagnética por los tejidos produce un incremento de temperatura. El hombre y los animales son sensibles a los efectos térmicos ( los ojos ? bajo riego sanguíneo ? inhibición de mitosis y diferenciación celular ? cataratas; daño en las células germinales ? testículos que están a 4º por debajo de la temperatura corporal; quemaduras internas ? necrosis; hipertermia maligna, etc. ). Son necesarios límites de exposición… ( ver tablas adjuntas ).