Curva de resposta TL em função do kerma no ar

A Figura 40 apresenta uma curva da resposta TL em função do kerma no ar das amostras de quartzo e do TLD-100 para o intervalo de 0,01 a 100 mGy. A faixa de resposta

TL de 0,01 a 1 mGy é explicitada no detalhe dessa mesma figura e mostra que, mesmo para esta faixa de kerma, a resposta TL é linear.

Figura 40: Curva de resposta TL em função do kerma no ar dos dosímetros TLD-100 e das amostras de quartzo irradiadas em fonte de 137Cs.

O limite de detecção foi determinado para as amostras de quartzo e para o conjunto de TLD-100 utilizados neste estudo. Este limite é o menor valor de kerma no ar medido pelo material TL. Como apresentado na seção 2.2.4, este valor é determinado com as leituras de branco do material acrescido de 3 vezes o desvio padrão. Para as amostras de quartzo este valor é 1,63 nC e, para o TLD-100, 0,54 nC. Utilizando a curva de resposta TL em função do kerma no ar, apresentada na Figura 40, os valores de kerma referentes a estas leituras são: 0,009 mGy para o quartzo e 0,028 mGy para o TLD-100. Dos resultados obtidos, pode-se afirmar que as amostras de quartzo permitem medir doses 3 vezes mais baixas que os dosímetros TLD-100.

As curvas obtidas para valores de kerma no ar acima de 100 mGy são apresentadas na Figura 41. Estas medidas foram realizadas para verificar a linearidade da resposta TL das amostras de quartzo de Solonópole para doses acima da faixa estudada anteriormente. A Figura 41 (a) apresenta a curva de resposta como função do kerma no ar do quartzo irradiado

com uma fonte de 137Cs para doses de 60 a 200 mGy. Como citado na seção 3.3.3, para

efetuar as leituras nesta faixa de dose, foi necessário diminuir a tensão aplicada na fotomultiplicadora de 769 para 650 V, visto que as respostas TL das amostras de quartzo eram

sensíveis o suficiente para saturar o tubo fotomultiplicador. Devido à baixa taxa de kerma no

ar da fonte de raios gama de 137Cs (41,4 mGy/h a 1 metro), as irradiações com doses entre 200

e 500 mGy foram realizadas com uma fonte de raios gama de 60Co em um irradiador

Gammacell, cuja taxa de kerma no ar era de 4,8 Gy/h. A Figura 41 (b) apresenta a curva de resposta TL em função do kerma no ar entre 200 e 500 mGy. Nestas figuras é possível observar a linearidade da resposta TL para valores de kerma entre 60 e 500 mGy.

Figura 41: Curva de resposta TL em função do kerma no ar para o quartzo irradiado com uma fonte de 137Cs (a) e 60Co (b). (Tensão aplicada à fotomultiplicadora: 650 V).

A Tabela 10 sumariza os coeficientes angulares (α) e os coeficientes de correlação

linear (R2) das curvas TL apresentadas nas Figura 40 e Figura 41. Nesta tabela é possível

observar os valores de α e R2 para uma curva obtida para valores de kerma no ar entre 0,1 e

20 mGy construída a partir dos dados apresentados na Figura 40.

Tabela 10: Coeficientes angulares e de correlação linear das curvas TL do quartzo e do TLD-100 em função da faixa de kerma no ar e da fonte de irradiação.

Fonte de irradiação Faixa de dose (mGy) Tensão no PMT (V) Quartzo TLD-100 α R2 α R2 137 Cs 0,1 – 20 769 1,57 0,998 0,79 0,997 0,01 – 100 769 1,45 0,994 0,79 0,998 60 – 200 650 0,28 1,000 n.d. n.d. 60 Co 200 – 500 650 0,24 0,990 n.d. n.d. PMT: tubo fotomultiplicador α: coeficiente angular

R2: coeficiente de correlação linear n.d.: não determinado

Os resultados apresentados na Tabela 10 mostram que os coeficientes de correlação linear são superiores a 0,99 para todas as faixas de kerma no ar analisadas. Com isso, pode-se afirmar que as amostras de quartzo sensibilizadas apresentam resposta TL linear para os valores de kerma no ar estudados. Quanto ao TLD-100, os valores encontrados neste estudo

também apresentam R2 superiores a 0,99, de modo que podem ser considerados lineares para

a faixa de 0,1 a 100 mGy. Este resultado está em conformidade com o valor de R2 encontrado

por Freire et al. (2008) para o TLD-100 (R2 = 0,9998), obtido a partir de uma curva de

resposta TL em função do kerma no ar para a faixa de 1 a 100 mGy de raios gama de 137Cs.

Para esta curva, Freire et al. (2008) encontrou 0,99 para o valor do α.

Ao estudar o procedimento de sensibilização do quartzo de Solonópole, Souza (2008) obteve um gráfico de resposta TL em função de doses entre 0,1 e 30 mGy, para as amostras sensibilizadas com o procedimento análogo ao adotado neste trabalho (tratamento térmico a 500 °C e dose de 25 kGy). O coeficiente angular e o de correlação linear destas curvas foram 2,11 e 0,997, respectivamente. A diferença entre o coeficiente angular obtido por Souza (2008) e o encontrado neste estudo para a faixa de dose entre 0,1 e 20 mGy pode estar associada aos procedimentos adotados para a investigação em cada estudo. Por exemplo, antes de construir a curva de resposta TL em função da dose, Souza (2008) adotou como padrão a realização de três tratamentos térmicos a 400 °C por 1 hora após a alta dose utilizada (25 kGy) para sensibilizar as amostras. Por sua vez, as amostras sensibilizadas no presente estudo só foram utilizadas após a realização de 6 tratamentos térmicos que, provavelmente, contribuiu para a menor sensibilidade das amostras deste estudo. Além disso, embora as amostras tenham sido extraídas do mesmo bloco, é importante destacar que há variação de sensibilidade entre as amostras, como observado no estudo da reprodutibilidade.

4.1.4 Dependência energética

O estudo da dependência energética das amostras foi realizado com base na sensibilidade TL das amostras para energias médias variando entre 16 e 1250 keV. Para isso, as amostras de quartzo e os dosímetros TLD-100 foram irradiados com feixes de raios X, de

espectro estreito, e raios gama oriundos de fontes de 137Cs e 60Co. Foram construídas curvas

de resposta TL em função do kerma no ar entre 0,6 e 8 mGy. Estas curvas são apresentadas no Apêndice A. A sensibilidade TL referente a cada energia, representada pelos coeficientes angulares (α) das curvas de resposta TL em função do kerma no ar, são apresentados na

Tabela 11. Estes valores foram normalizados em relação à sensibilidade TL do 60Co. A relação obtida em função da energia do feixe de radiação é apresentada na Figura 42.

Tabela 11: Coeficiente angular (α) e de correlação linear (R2) das respostas TL em função do kerma no ar para as amostras do quartzo e para os dosímetros TLD-100 obtidos para feixes de

diferentes energias. Fonte / qualidade de radiação Energia da radiação (keV) Quartzo TLD-100 α R2 α R2 Raios X (N-20) 16 2,91 0,999 0,88 0,997 Raios X (N-30) 24 5,07 0,997 1,07 0,998 Raios X (N-40) 33 6,21 0,997 1,24 0,999 Raios X (N-60) 48 5,40 0,998 1,01 1,000 Raios X (N-80) 65 3,97 0,997 1,00 1,000 Raios X (N-150) 118 1,90 0,994 0,97 0,999 137 Cs 662 1,60 0,995 0,86 0,999 60 Co 1250 1,49 1,000 0,83 1,000

α: coeficiente angular ou sensibilidade TL R2: coeficiente de correlação linear

A Figura 42 mostra que a resposta TL do quartzo sensibilizado apresenta uma dependência energética superior à do TLD-100. Para energia de 33 keV a dependência

energética é da ordem de 4,17 com relação a resposta do 60Co. Este resultado está em

conformidade com os dados apresentados por Cameron et al. (1968), mostrados na Figura 13 desta dissertação, em que há uma alteração da resposta TL nas energias abaixo de 100 keV

para a sílica (SiO2). Quanto ao TLD-100, a dependência energética é da ordem de 1,49 para a

Figura 42: Dependência energética do quartzo e do TLD-100 relativa à energia do 60Co.

A dependência energética do quartzo para uma energia de 33 keV é 2,8 vezes maior que a dependência energética do TLD-100. Isto acontece porque o número atômico efetivo

( ) do quartzo (11,85) é maior que o do TLD-100 (8,14) (IAEA, 2007; HAN; DEMIR;

SAHIN, 2009). Comparado com os resultados disponíveis na literatura, foi possível comprovar que a dependência energética apresentada pelas amostras de quartzo sensibilizado

é menor que a dependência energética do CaSO4, CaF2 e Al2O3.(CAMERON, 1968)

4.1.5 Dependência angular

O estudo da dependência angular do quartzo e do dosímetro TLD-100 foi realizado alterando o ângulo entre o feixe de radiação incidente e a direção perpendicular à superfície das amostras. Para cada irradiação, foi utilizada uma amostra de quartzo e um TLD-100 e, para cada ângulo, foi realizada 3 irradiações. Os valores médios absolutos e os desvios padrão da resposta TL para cada ângulo estudado são apresentados na Tabela 12.

Tabela 12: Resposta TL média e desvio padrão das amostras de quartzo e dos dosímetros TLD- 100 em função do ângulo entre o feixe de radiação incidente e a direção perpendicular à

superfície das amostras.

Ângulo entre a radiação incidente e a direção normal à

superfície das amostras

Resposta TL (nC) Quartzo TLD-100 -90 ° 2985 169 233 11 -75 ° 3448 168 259 8 -60 ° 3828 60 255 12 -45 ° 4108 242 285 25 -30 ° 4122 158 277 17 -15 ° 4102 101 295 11 0 ° 4138 40 283 12 15 ° 4105 242 284 18 30 ° 4252 145 291 9 45 ° 4138 138 271 7 60 ° 3835 150 280 10 75 ° 3348 191 253 9 90 ° 2708 229 211 13 : resposta TL média em nC.

: desvio padrão da resposta TL média em nC.

O desvio padrão da resposta TL média para cada ângulo variou entre 1 e 9%. Esta variação é observada tanto para as amostras de quartzo quanto para os dosímetros TLD-100. Todavia não há uma relação progressiva entre o aumento na variação do desvio padrão com o aumento do ângulo investigado.

A partir dos valores apresentados na Tabela 12 foi determinada a resposta TL para cada ângulo em função da resposta TL para o ângulo de referência (0°). Este procedimento foi realizado tanto para o quartzo quanto para o TLD-100, conforme apresentado na Figura 43. Nesta figura, observa-se que não há alteração significativa das respostas TL das amostras de quartzo e do TLD-100 para ângulos compreendidos entre -45º e 45º.

Figura 43: Dependência angular do quartzo e do TLD-100 para ângulos entre -90° e 90°.

Na Figura 43, também é possível observar que os valores de resposta TL para ângulos positivos maiores que 60º apresentam dependência angular ligeiramente maior que os respectivos valores para os ângulos negativos. Essa diferença, inferior a 7%, provavelmente se deve à espessura da base utilizada para fixar as amostras, ou seja, a espessura do isopor, que dificultou a identificação do centro geométrico no procedimento de irradiação para os ângulos positivos. Portanto, considerando a resposta TL do quartzo em função da variação angular, constata-se que o mesmo pode ser empregado em aplicações dose-paciente para os ângulos entre -45º e 45° sem a necessidade de se empregar um fator de correção.

Visando sumarizar as propriedades dosimétricas apresentadas pelas amostras de quartzo de Solonópole sensibilizadas e comparar estes dados com os valores do TLD-100, foi construída uma tabela com os dados obtidos no presente trabalho. Desta forma, a Tabela 13 apresenta a reprodutibilidade da resposta TL; a linearidade para uma faixa de kerma no ar de 0,01 a 100 mGy; o limite de detecção; o fading; a dependência energética e a dependência angular das amostras de quartzo de Solonópole sensibilizado e do TLD-100.

Tabela 13: Propriedades dosimétricas das amostras de quartzo de Solonópole sensibilizado e de dosímetros TLD-100.

Propriedade Quartzo de Solonópole

sensibilizado TLD-100

Reprodutibilidade de todas as amostras

utilizadas *

Repetibilidade entre os ciclos de

annealing-irradiação-leitura ND

Fading Não apresenta fading para

o intervalo de 120 dias 5% ao ano

Sensibilidade para um intervalo de 0,01 a 100 mGy utilizando uma

fonte de 137Cs

Linearidade para um intervalo de 0,01 a 100 mGy utilizando uma

fonte de 137Cs

Limite de detecção para o 137Cs

Dependência Energética para uma

energia de

Dependência Angular entre -45º e 45º Não apresenta Não apresenta

* Dado referente ao conjunto de dosímetros TL utilizados no presente estudo. Esse dado foi fornecido pelo Laboratório de Metrologia das Radiações Ionizantes do DEN/UFPE.

ND: não determinado.

De acordo com os dados apresentados pode-se afirmar que as amostras de quartzo de Solonópole sensibilizadas apresentam uma variação na reprodutibilidade da mesma ordem de grandeza que variação na reprodutibilidade medida para o TLD-100. A repetibilidade entre os ciclos assegura a confiabilidade entre as medidas realizadas para o estudo da reprodutibilidade. O fato de não haver fading para as amostras de quartzo para um intervalo de até 120 dias é um resultado satisfatório, pois há materiais TL utilizados na dosimetria,

como a CaF2:Dy, em que o desvanecimento é da ordem de 25% em apenas 4 semanas.

A sensibilidade TL das amostras de quartzo para radiação gama do 137Cs é

aproximadamente 2 vezes maior que a do TLD-100. O R2 é superior a 0,99; logo a resposta

TL em função da dose pode ser considerada linear. No que diz respeito ao limite de detecção, as amostras de quartzo permitem detectar doses 3 vezes mais baixas que os dosímetros TLD-

100. Por outro lado a dependência energética para uma energia de 33 keV é 2,8 vezes maior que a do TLD-100. Quanto à dependência angular, a mesma pode ser desprezada se a irradiação ocorrer para uma faixa de -45° a 45°.

4.2 APLICAÇÃO EM RADIODIAGNÓSTICO

4.2.1 Simulação de aplicação em radiodiagnóstico

Como descrito na seção 3.4.1, inicialmente foram obtidas curvas de resposta TL em função do kerma no ar para feixes de raios X com qualidade conforme o padrão de radiodiagnóstico (RQR). Deste modo, a resposta TL obtida mediante as irradiações das amostras sobre o simulador antropomórfico pôde ser convertida em kerma no ar na superfície de entrada. A Figura 44 apresenta as curvas de resposta TL em função dos valores de kerma no ar para as diferentes qualidades do feixe de raios X. Para todas as situações observa-se que a sensibilidade TL das amostras de quartzo é maior que aquela do TLD-100. Observa-se também que para todos os feixes empregados, a curva de resposta TL do quartzo não passa pela origem. Este resultado pode estar associado a um comportamento supralinear da resposta TL do pico sensibilizado para a região em que os valores de kerma no ar estão entre 0 e 0,05 mGy. Segundo McKeever (1985), em alguns materiais TL a região supralinear pode preceder a região linear. Entretanto, são necessários estudos complementares para esclarecer este comportamento sobretudo por se tratar de valores de kerma no ar relativamente baixos (< 0,05 mGy).

A Tabela 14 apresenta o coeficiente angular (α) e o coeficiente de correlação linear

(R2) das curvas do quartzo e do TLD-100 apresentadas na Figura 44. Nesta tabela pode-se

observar que o coeficiente de correlação linear da curva do quartzo e do TLD-100 são próximos. Também é observado que a sensibilidade TL do quartzo é maior que a do TLD-100 para todas as qualidades de feixe de raios X empregados. Como discutido anteriormente, esta sensibilidade está relacionada com a dependência energética apresentada pelas amostras de quartzo para energias entre 10 e 120 keV. Para esta faixa de energia, a sensibilidade TL das amostras de quartzo é até 5 vezes maior que a do TLD-100.

Figura 44: Curva de resposta TL em função do kerma no ar das amostras de quartzo e do TLD- 100 irradiadas com raios X de qualidades RQR 5 (a), RQR 6 (b), RQR 7 (c) e RQR 8 (d).

Tabela 14: Coeficientes angular (α) e de correlação linear (R2) das curvas de resposta TL em função da dose obtidas com diferentes qualidades de feixe de raios X.

Qualidade do feixe de radiação Quartzo TLD-100 α R2 α R2 RQR 5 5,39 0,997 1,04 1,000 RQR 6 6,14 0,999 1,26 0,999 RQR 7 5,62 0,988 1,05 1,000 RQR 8 5,27 1,000 1,06 1,000

α: coeficiente angular ou sensibilidade TL R2: coeficiente de correlação linear

A Tabela 15 apresenta os valores médios e os desvios padrão de kerma no ar na superfície de entrada determinadas utilizando 3 pares de amostras de quartzo e 3 pares de TLD-100. Estes valores foram determinados a partir das curvas de resposta TL em função de kerma no ar com qualidade de radiodiagnóstico. É importante lembrar que estas amostras

foram irradiadas sobre um simulador antropomórfico de tórax. Os erros entre o valor do kerma no ar determinado com as amostras de quartzo e o valor determinado com os

dosímetros TLD-100 ( ), também são apresentados na Tabela 15. Para determinar esse

erro foi utilizada a seguinte relação:

(25)

Em que, é o valor médio do kerma no ar na superfície de entrada determinado

utilizando o quartzo e o é o valor médio do kerma no ar na superfície de entrada

determinado utilizando o TLD-100. É possível observar que os valores de determinados

com as amostras de quartzo apresentam um erro de até 9 %, sendo portanto comparáveis com os valores determinados com o TLD-100.

Tabela 15: Kerma no ar na superfície de entrada médio determinado para 3 pares de amostras de quartzo e 3 pares de TLD-100 e desvio entre estes valores

Tensão (kV) Corrente  Tempo (mAs) Curva de referência* (mGy) Quartzo TLD-100 60 4 RQR 5 0,12 ± 0,00 0,11 ± 0,01 9 % 70 6 RQR 5 0,24 ± 0,01 0,23 ± 0,02 4 % 85 3 RQR 6 0,15 ± 0,01 0,14 ± 0,00 7 % 90 2,5 RQR 7 0,13 ± 0,00 0,14 ± 0,01 7 % 100 3 RQR 8 0,21 ± 0,01 0,21 ± 0,02 0 % 75 6 RQR 5 0,28 ± 0,02 0,27 ± 0,01 4 % 80 6 RQR 6 0,26 ± 0,01 0,24 ± 0,00 8 %

* Curva de resposta TL em função do kerma no ar utilizada para determinar o valor do kerma no ar na superfície de entrada.

A faixa de doses apresentada nas curvas Figura 44 é considerada restrita para uma aplicação de radiodiagnóstico convencional. Por este motivo, foi obtida uma curva de resposta TL para uma feixe de raios X com qualidade em radiodiagnóstico (RQR 5), para uma faixa mais ampla de kerma no ar. A Figura 45 apresenta uma curva da resposta TL em função do kerma no ar das amostras de quartzo e do TLD-100 para o intervalo de 0,5 a 26 mGy. A partir

desta figura pode-se afirmar que a resposta TL das amostras de quartzo é linear também para esta faixa de kerma no ar.

Figura 45: Curva de resposta TL em função do kerma no ar para um feixe de raios X com qualidade de radiodiagnóstico (RQR 5)

O limite de detecção foi determinado para um feixe de raios X com qualidade de radiodiagnóstico (RQR 5) utilizando a curva de resposta TL em função do kerma no ar apresentada na Figura 45. Para as amostras de quartzo o limite de detecção encontrado foi de 0,20 mGy, e para o TLD-100, 0,14 mGy. Dos resultados obtidos, pode-se afirmar que apesar das amostras de quartzo apresentarem sensibilidade da ordem de 5 vezes maior que o TLD- 100, os dosímetros TLD-100 permitem medir valores de kerma no ar 1,4 vezes mais baixos que as amostras de quartzo. Deve-se ressaltar que isso não acontece para o feixe de raios gama, em que a sensibilidade e o limite de detecção do quartzo são simultaneamente melhores do que aqueles medidos para o TLD-100.

Ao comparar os valores de kerma no ar na superfície de entrada apresentados na Tabela 15 com o limite de detecção citados acima verifica-se que há três condições de irradiação onde os valores de kerma no ar são inferiores aos respectivos limites de detecção do quartzo e do do TLD-100. Assim, para assegurar que os valores do kerma no ar na

superfície de entrada sejam determinados dentro faixa de detecção, é necessário realizar repetidas irradiações, conforme recomendado pela ICRU (2005).

Conforme apresentado no item 2.4.2.2, outro método para determinar o kerma ar na superfície de entrada é o método indireto, que utiliza o rendimento do tubo de raios X. Medidas preliminares foram realizadas. Porém, devido à limitação de tempo requerida para efetuar esse trabalho experimental, não foi possível obter medidas consistentes. Portanto, recomenda-se a realização desta etapa para avançar na caracterização da aplicação do quartzo sensibilidade em radiodiagnóstico.