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APLICAÇÃO DE METODOLOGIA DE TESTES DE DESEMPENHO PARA MONITORES PORTÁTEIS DE RADIAÇÃO VÍTOR VÍVOLO

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A P L I C A Ç Ã O DE M E T O D O L O G I A DE T E S T E S D E

D E S E M P E N H O PARA MONITORES PORTÁTEIS D E

R A D I A Ç Ã O

VÍTOR VÍVOLO

Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear- Aplicações

Orientadora:

Dra. Linda V.E. Caldas

São Paulo

2000

39

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APLICAÇÃO DE METODOLOGIA DE TESTES DE

DESEMPENHO PARA MONITORES PORTÁTEIS DE

RADIAÇÃO

VÍTOR VIVÓLO

D i s s e r t a ç ã o a p r e s e n t a d a c o m o

parte d o s r e q u i s i t o s para obtenção d o G r a u d e M e s t r e e m Ciências n a Área d e T e c n o l o g i a Nuclear -A p l i c a ç õ e s O r i e n t a d o r a : Dra. Linda V . E . C a l d a s

São Paulo

2000

íüjMissAu mciomi CE ¿ N E R G I A N U C L E A R / S P IFtS UIMISSAO UM

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Gostaria de expressar os m e u s s i n c e r o s a g r a d e c i m e n t o s a m i n h a orientadora, Dr^ Linda V . E. Caldas, q u e partilhou s e u e s c a s s o t e m p o disponível, entre suas o c u p a ç õ e s acadêmicas e profissionais, c o o r d e n a n d o , sugerindo, c o m e n t a n d o e a n a l i s a n d o os diversos aspectos d o d e s e n v o l v i m e n t o d e s t e trabalho.

M e u s sinceros a g r a d e c i m e n t o s :

À Dr^ Maria da Penha A . P o t i e n s , pelos comentários e s u g e s t õ e s , apoio na análise d e certificados de calibração e f o r n e c i m e n t o d e d o c u m e n t a ç ã o e formulários utilizados nas medidas realizadas n e s t e t r a b a l h o .

À S r a . Ana Maria S. Silva e S r t a . T e r e z a d e M. S. V a s c o n c e l o s , pelo f o r n e c i m e n t o de documentação, certificados e liberação de e q u i p a m e n t o s para realização d o s ensaios.

A o Sr. Valdir de S. Carvalho e S r . Eliomar J . G . de Cerqueira, pelo auxílio nos e n s a i o s realizados nas instalações d o B u n k e r e calibração d o s e q u i p a m e n t o s utilizados nos testes.

A o Sr. Marcos Xavier, pelo auxílio n o s e n s a i o s realizados no laboratório de calibração c o m radiação beta e e m p r é s t i m o d e e q u i p a m e n t o s para realização de e n s a i o s .

A o Sr. Claudinei T. C e s c o n e a o S r . G e l s o n P. d o s Santos, pelo fornecimento de d a d o s para elaboração de inventário d e e q u i p a m e n t o s e pelo e m p r é s t i m o de e q u i p a m e n t o s e instalações de laboratório p a r a realização de testes.

A o M . Sc. Alessandro M. d a C o s t a e a S r a . A d r i a n a C. de A. L i m a , pelo apoio e solução d e problemas na área d e i n f o r m á t i c a .

À Dr^ Letícia L. C. R o d r i g u e s , pela p e r m i s s ã o d e utilização dos laboratórios do D e p a r t a m e n t o de Metrologia das R a d i a ç õ e s d o I P E N , para a realização d o s e n s a i o s .

A o I P E N , Instituto de P e s q u i s a s E n e r g é t i c a s e Nucleares, pela infra-estrutura oferecida para realização deste t r a b a l h o .

À Fundação de A m p a r o à P e s q u i s a d o Estado de São Paulo ( F A P E S P ) , pelo apoio financeiro parcial.

A t o d o s aqueles q u e d e u m m o d o o u de outro colaboraram c o m este t r a b a l h o .

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A P L I C A Ç Ã O D E M E T O D O L O G I A D E T E S T E S D E D E S E M P E N H O P A R A M O N I T O R E S P O R T Á T E I S D E R A D I A Ç Ã O

Vítor Vivólo

RESUMO

U m a série d e testes de d e s e m p e n h o f o r a m aplicados a i n s t r u m e n t o s monitores portáteis d e radiação do tipo G e i g e r - M ü l l e r , câmara de ionização e cintilador, c o m u m e n t e utilizados no Brasil. Foi estabelecida uma metodologia d e testes para s e r e m a p l i c a d o s aos e q u i p a m e n t o s m o n i t o r e s portáteis de radiação n o v o s e aos q u e j á f o r a m reparados ( m a n u t e n ç ã o corretiva). Os testes incluem a verificação d a s d e p e n d ê n c i a s energética e a n g u l a r , e n s a i o de saturação, r e s p o s t a a outras radiações i o n i z a n t e s , além de ensaios d a s características não radiológicas c o m o v a r i a ç ã o d a r e s p o s t a c o m a t e n s ã o d a s baterias (por se t r a t a r e m d e e q u i p a m e n t o s portáteis), ensaio de o r i e n t a ç ã o d o instrumento (efeito d e g e o t r o p i s m o ) , deriva d e zero elétrico e d e t e r m i n a ç ã o dos erros intrínsecos d o s mostradores d o s e q u i p a m e n t o s .

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A P P L I C A T I O N O F A T Y P E T E S T M E T H O D O L O G Y F O R R A D I A T I O N S U R V E Y M E T E R S

Vítor Vívelo

ABSTRACT

A series of t y p e tests r e c o m m e n d e d by international s t a n d a r d s w a s applied to g a m m a radiation monitoring survey meters ( G e i g e r - M i j l l e r t y p e , ionization c h a m b e r s a n d a scintillator) c o m m o n l y used in Brazil. T h e o b j e c t i v e w a s to establish a routine test methodology to be applied to new a n d to repaired instruments. T h e tests included the verification o f energy a n d angular d e p e n d e n c e s , o v e r l o a d characteristics tests, response to o t h e r ionizing radiations, a n d o f n o n radiological characteristics a s variation of r e s p o n s e with t h e battery voltage, orientation of a s s e m b l y , zero drift a n d intrinsic errors in e x p o s u r e rate indication.

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Página

1 I N T R O D U Ç Ã O 1

2 F U N D A M E N T O S T E Ó R I C O S 5

2.1 Interação d a r a d i a ç ã o c o m a matéria 5

2.1.1 R a d i a ç ã o i o n i z a n t e 5

2.1.2 Interação d e

fotons

c o m a matéria 5

2.2 Detectores d e r a d i a ç ã o 7 2.2.1 Detector tipo Geiger-IMüller 7

2.2.2 Detector d e cintilação 12 2.2.3 Detector tipo c â m a r a d e ionização 17

2.3 Calibração d e i n s t r u m e n t o s 24 2.4 Testes de d e s e m p e n h o 27 2.4.1 T e s t e s d e p r é - u s o 27 2.4.2 T e s t e s p a r a v e r i f i c a ç ã o d a s condições o p e r a c i o n a i s 28 3 M A T E R I A I S E M É T O D O S 32 3.1 Equipamentos t e s t a d o s 32 3.2 Sistemas e f o n t e s d e r a d i a ç ã o 33 3.3 Sistemas auxiliares 35

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4 R E S U L T A D O S 37

4.1 Estudo das características radiológicas 37 4.1.1 Dependência e n e r g é t i c a d e monitores portáteis 37

4 . 1 . 2 Dependência a n g u l a r d e monitores portáteis 40 4 . 1 . 3 Ensaio d e estouro d e e s c a l a C S a t u r a ç ã o " ) 4 5

4.1.4 Erro intrínseco d o s instrumentos 4 7 4 . 1 . 5 Resposta a o u t r a s radiações ionizantes 4 9

4.1.5.1 R e s p o s t a à radiação beta 49 4.1.5.2 R e s p o s t a à r a d i a ç ã o X 53 4 . 2 Estudo das características n ã o radiológicas 56

4.2.1 Efeito d e g e o t r o p i s m o 56 4 . 2 . 2 Variação da leitura c o m a t e n s ã o d a bateria 60

4 . 2 . 3 Deriva d e zero elétrico 6 4

5 C O N C L U S Õ E S 66

R E F E R Ê N C I A S B I B L I O G R Á F I C A S 6 9

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C o m o crescente aumento d a a p l i c a ç ã o d a r a d i a ç ã o ionizante na I n d ú s t r i a , Medicina e Agricultura, sob a forma p r i n c i p a l m e n t e d e irradiadores, e q u i p a m e n t o s de raios X e fontes não seladas, v e m a u m e n t a n d o , c o n s e q u e n t e m e n t e , a utilização de i n s t r u m e n t o s que permitem medir o s efeitos diretos e indiretos p r o v o c a d o s pela radiação, c o m o objetivo de controlá-los.

A eletrônica é uma ferramenta i m p o r t a n t e n a metrologia d a radiação nuclear ( u m a d a s primeiras áreas o n d e os d i s p o s i t i v o s eletrônicos foram utilizados c o m s u c e s s o , além das áreas de c o m u n i c a ç õ e s e t e l e c o m u n i c a ç õ e s ) . S e m o s instrumentos eletrônicos a maioria d o s p r o b l e m a s relativos às medidas d e c a m p o s de radiação para fins de pesquisa, controle d e e m i s s ã o d e material radioativo no meio a m b i e n t e (processos industriais q u e utilizam material radioativo), a s s i m c o m o e m proteção radiológica, p e r m a n e c e r i a m s e m solução^^^

Entre esses instrumentos eletrônicos e s t ã o os c h a m a d o s " m o n i t o r e s d e radiação", utilizados e m Radioproteção. A utilização e os propósitos para os quais se a p l i c a m esses instrumentos e x i g e m q u e s u a s r e s p o s t a s estejam d e n t r o d e limites aceitáveis de exatidão, de a c o r d o c o m r e c o m e n d a ç õ e s internacionais específicas^^"'^ de forma a garantir a c o n f i a b i l i d a d e n o s resultados das m e d i d a s obtidas.

Essa confiabilidade pode ser a s s e g u r a d a por meio da calibração d o s monitores portáteis de radiação (em c a m p o s p a d r õ e s d e radiação X , g a m a , e t c ) , de o n d e se o b t é m o fator de calibração^^\

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utilizados para a c a l i b r a ç ã o v a r i a m d e acordo c o m o tipo d e equipamento a ser calibrado, c o m o tipo d e r a d i a ç ã o (alfa, beta, g a m a , o u X ) e a energia da radiação que este e q u i p a m e n t o irá d e t e c t a r e, a i n d a , c o m o propósito para o qual o e q u i p a m e n t o s e r á utilizado ( m o n i t o r a ç ã o pessoal o u d e á r e a , p o r exemplo).

A t u a l m e n t e o L a b o r a t ó r i o d e Calibração d e I n s t r u m e n t o s do IPEN dispõe de fontes e m i s s o r a s d e r a d i a ç ã o g a m a de ^ C o e ^^^Cs, c o m diversas atividades, fontes e m i s s o r a s d e r a d i a ç ã o b e t a d e ^ S r + ^^'hn e ^'^^Pm, um sistema d e

raios X (60 k V ) , p a r a c a l i b r a ç ã o d e dosímetros c l í n i c o s (radiação X e gama) e d e monitores portáteis ( r a d i a ç ã o g a m a e beta) utilizados s e g u n d o normas e recomendações internacionais^^^^^

S ã o o f e r e c i d o s s e r v i ç o s d e calibração d e i n s t r u m e n t o s tanto para o IPEN c o m o para instituições e x t e r n a s . C o m o c o n t r o l e d e q u a l i d a d e dos serviços prestados, d e s d e 1 9 8 0 o Laboratório v e m p a r t i c i p a n d o d a s intercomparações anuais p r o m o v i d a s pelo Laboratório Nacional d e Metrologia das Radiações Ionizantes, Instituto d e R a d i o p r o t e ç ã o e D o s i m e t r i a / C N E N , Rio d e Janeiro.

A i n t e r c o m p a r a ç ã o é u m d o s melhores p r o c e d i m e n t o s para o programa d a garantia d a q u a l i d a d e e m d e t e r m i n a d a área d e atuação^^^\ particularmente na Medicina Nuclear e e m L a b o r a t ó r i o s d e Calibração d e Instrumentos, porque n ã o somente a c a l i b r a ç ã o d o i n s t r u m e n t o é verificada m a s t a m b é m toda a série d e medidas, incluindo o d e s e m p e n h o d o pessoal q u e o p e r a o s instrumentos.

O n ú m e r o d e e q u i p a m e n t o s calibrados pelo Laboratório de Calibração d o IPEN v e m a u m e n t a n d o a o l o n g o d o s últimos a n o s ; e m 1999 foram cerca de 1650 monitores portáteis e e m 2 0 0 0 d e v e r á ser atingida a cifra d e aproximadamente 1800. Destes, muitos j á s o f r e r a m alterações c o n s i d e r á v e i s , c o m o a troca d o próprio tubo G e i g e r - M ü l l e r , n e m s e m p r e substituído p o r o u t r o d o mesmo modelo.

(10)

Os monitores portáteis d e radiação p o r s e r e m constituídos d e c o m p o n e n t e s e circuitos eletrônicos muito sensíveis ( c a p a c i d a d e d e medir sinais elétricos muito p e q u e n o s , por e x e m p l o : 10'^^ A ) e d e p r e c i s ã o ( c o m p o n e n t e s selecionados c o m p e q u e n o d e s v i o no seu valor n o m i n a l , o u d e s v i o s m e n o r e s d e 1 % ) , necessitam d e c o n d i ç õ e s elétricas e ambientais f a v o r á v e i s p a r a o s e u b o m funcionamento.

Dentre elas p o d e - s e citar: temperatura a m b i e n t e c o n s t a n t e ; baixa u m i d a d e relativa d o a r ; i m u n i d a d e a ruídos (locais c o m baixas interferências d e c a m p o s elétricos e / o u m a g n é t i c o s ) , etc.

Variações nas c o n d i ç õ e s ambientais ( t e m p e r a t u r a , u m i d a d e relativa d o ar, etc.) ou condições elétricas (tensão de alimentação, etc.) n o s m o n i t o r e s portáteis d e radiação podem a f e t a r o s circuitos eletrônicos d o s m e s m o s , a l t e r a n d o o p o n t o d e operação^^"*^ dos circuitos implementados c o m s e m i c o n d u t o r e s (transistores, circuitos integrados, e t c ) . Para aplicações específicas, m o n i t o r e s d e radiação c o m características especiais d e v e m ser utilizados.

Na manutenção corretiva d e monitores portáteis d e r a d i a ç ã o d e v e m ser utilizados c o m p o n e n t e s eletro-eletrônicos c o m características no mínimo equivalentes àquelas e s p e c i f i c a d a s pelo fabricante^^^\

Periodicamente, d u r a n t e a vida útil do i n s t r u m e n t o , d e v e r ã o ser realizados testes, para verificar se o s m e s m o s preservam s u a s características o p e r a c i o n a i s , originais de fábrica, u m a v e z q u e p o d e m ser a f e t a d o s pelo e n v e l h e c i m e n t o d e s e u s componentes ( p e ç a s ) , o u a p ó s sofrerem reparos o u m a n u t e n ç ã o corretiva, c o m substituição de p e ç a s e componentes^^^^

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leituras realizadas pelo i n s t r u m e n t o n a s c o n d i ç õ e s reais de operação^^^\

Os testes podem incluir a d e t e r m i n a ç ã o d e algumas o u d e todas as características denominadas r a d i o l ó g i c a s o u n ã o radiológicas^^^^ q u e p o d e m afetar a precisão das medidas e m c o n d i ç õ e s o p e r a c i o n a i s c o m o : variação d a resposta c o m a energia da radiação, d i r e ç ã o d o feixe d e radiação, além d e t e m p e r a t u r a , u m i d a d e , tempo de estabilização d o i n s t r u m e n t o , etc^^'''^^\ Os critérios e os m é t o d o s para a realização d o s e n s a i o s e testes d e d e s e m p e n h o d o s monitores portáteis de radiação s e g u e m n o r m a s e r e c o m e n d a ç õ e s americanas^^'^''^^^ e internacionais^^^

O s testes de d e s e m p e n h o {Type Tests) deveriam ser a p l i c a d o s aos e q u i p a m e n t o s novos, antes d o s e u u s o ; s ã o os testes de pré-uso. No e n t a n t o , a legislação atualmente e m v i g o r no País n ã o exige este p r o c e d i m e n t o das e m p r e s a s fabricantes dos e q u i p a m e n t o s d e m e d i d a d e radiação.

Os procedimentos d e c a l i b r a ç ã o e o s testes de d e s e m p e n h o periódicos d e v e m ser realizados anualmente^^^\ ou a o m e n o s a cada 14 meses^^^'^^\ ou após o e q u i p a m e n t o ter recebido m a n u t e n ç ã o corretiva, segundo r e c o m e n d a ç õ e s internacionais^^^'^^^. Desse m o d o , o e s t a b e l e c i m e n t o de uma rotina d e testes de d e s e m p e n h o dos instrumentos q u e s o f r e r a m m a n u t e n ç ã o corretiva a o longo do t e m p o (cerca de 2 0 % dos e q u i p a m e n t o s calibrados no Laboratório d e Calibração d o I P E N - L C I ) permitirá o l e v a n t a m e n t o d a s alterações nas características originais d o s m e s m o s , com relação à r a d i a ç ã o , à s características elétricas, a m b i e n t a i s e construtivas, e às especificações t é c n i c a s e x p r e s s a s nos manuais d e o p e r a ç ã o .

O objetivo deste trabalho é o e s t a b e l e c i m e n t o de uma m e t o d o l o g i a de testes de desempenho para ser a p l i c a d a a o s monitores portáteis d e radiação g a m a q u e são muito utilizados n o s s e r v i ç o s e nas rotinas o p e r a c i o n a i s de R a d i o p r o t e ç ã o .

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2.1 Interação da radiação com a matéria

2.1.1 Radiação ionizante

Q u a l q u e r f o r m a d e radiação q u e t e n h a e n e r g i a suficiente para c a u s a r a liberação d e u m o u mais elétrons d e u m á t o m o é d e n o m i n a d a radiação ionizante. A s f o r m a s c o m u n s d e uso na medicina s ã o os raios X , g a m a e os elétrons, q u e t a m b é m são utilizados na área industrial ( g a m a g r a f i a , etc) e nos laboratórios d e calibração d e e q u i p a m e n t o s monitores d e r a d i a ç ã o .

T o d a s a s radiações p o s s u e m e n e r g i a , c o m o no caso das partículas e m m o v i m e n t o , o u por s u a própria n a t u r e z a , c o m o é o caso das r a d i a ç õ e s e l e t r o m a g n é t i c a s . A o atravessar u m melo ( i n t e r a g i n d o c o m a matéria), a r a d i a ç ã o transfere sua e n e r g i a (total ou parcialmente) p a r a o s átomos e moléculas d e s t e m e i o . A transferência d a energia d e u m a partícula o u d e u m fóton para o s á t o m o s d o material a b s o r v e n t e (meio) ocorre p o r m e c a n i s m o s d e ionização e e x c i t a ç ã o .

U m p r o c e s s o d e interação no q u a l resulte a remoção de u m e l é t r o n , d e u m á t o m o o u m o l é c u l a , deixando-o c o m u m a carga resultante positiva é d e n o m i n a d o ionização. No entanto, a a d i ç ã o d e energia a um sistema a t ô m i c o o u m o l e c u l a r irá e l e v á - l o d o estado normal d e e n e r g i a a o estado de excitação.

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energia é a i n t e r a ç ã o delas c o m os elétrons d o m e i o (material). No caso d a s partículas c a r r e g a d a s , isto é facilmente e v i d e n c i a d o a partir d a dispersão que elas apresentam a o interagir c o m a matéria: no c a s o d a s partículas p e s a d a s (protons, partículas a l f a , etc.) são pouco desviadas d e s u a d i r e ç ã o original q u a n d o interagem, p e r d e n d o e n e r g i a . Os elétrons, p o r s u a v e z , s ã o d e s v i a d o s e m ângulos muito maiores. Estas perdas d e energia resultantes d e c o l i s õ e s c o m n ú d e o s s ã o várias ordens d e g r a n d e z a menores q u e a q u e l a q u e o c o r r e n a interação c o m o s elétrons. Isto n ã o ocorre c o m os neutrons, pois e l e s interagem q u a s e q u e exclusivamente c o m o s núcleos dos á t o m o s .

2.1.2 Interação de fotons com a matéría

Entre o s m e c a n i s m o s principais de i n t e r a ç ã o d e f o t o n s (raios g a m a o u X ) c o m a matéria p o d e - s e citar três: o efeito f o t o e l é t r i c o , o efeito C o m p t o n e a produção d e p a r e s . A probabilidade de o c o r r ê n c i a d e u m desses processos é determinada pela energia d o fóton incidente e p e l o n ú m e r o atômico do melo (material). Na interação entre u m fóton e a m a t é r i a s ã o emitidos o u criados elétrons o u pósitrons q u e Ionizam os á t o m o s d o m e i o .

O efeito fotoelétrico é u m a interação e n t r e u m f ó t o n e u m elétron orbital das c a m a d a s mais internas d o átomo. O f ó t o n é a b s o r v i d o pelo á t o m o e u m elétron é e j e t a d o . A energia cinética d o elétron e j e t a d o é igual à energia do fóton menos a e n e r g i a d e ligação d o elétron. A e n e r g i a d e ligação d e u m elétron é a energia q u e d e v e ser fornecida a ele para r e m o v ê - l o d o á t o m o .

O efeito C o m p t o n consiste na colisão e n t r e u m f ó t o n e u m elétron (que pode ser c o n s i d e r a d o livre) d a s camadas mais e x t e r n a s d o á t o m o .

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cinética d o elétron e s p a l h a d o d e p e n d e d o â n g u l o d e e s p a l h a m e n t o . Nesse processo o fóton n ã o é a b s o r v i d o e , p o r t a n t o , continua interagindo c o m os outros elétrons.

O processo d e p r o d u ç ã o d e pares elétron-pósitron ocorre q u a n d o a energia d o fóton incidente é m a i o r q u e pelo menos d u a s vezes a massa de repouso d o elétron, isto é , 1,022 M e V . Neste p r o c e s s o , u m f ó t o n perde toda a sua energia e m uma colisão c o m o n ú c l e o , criando u m par e l é t r o n - p ó s i t r o n , c o m uma certa energia cinética.

2.2 Detectores de radiação

U m detector de radiação consiste d e um dispositivo q u e , q u a n d o colocado e m um meio o n d e exista u m c a m p o de radiação, seja c a p a z de indicar a sua presença. A interação d o meio d e t e c t o r c o m a radiação p o d e ocorrer por diversos processos pelos quais as r a d i a ç õ e s diferentes p o d e m interagir c o m o material utilizado para se medir o u se indicar as características dessas radiações. Normalmente u m d e t e c t o r d e r a d i a ç ã o é constituído de u m e l e m e n t o ou material sensível à radiação e de u m s i s t e m a q u e transforma e s s e s efeitos e m u m valor relacionado a uma g r a n d e z a d e m e d i ç ã o d e s s a radiação^^'*^

2.2.1 Detectores tipo Geiger-Müller

Estes detectores a g á s c o n s t i t u e m o s tipos de detectores mais utilizados, sendo empregados d e s d e a s e x p e r i ê n c i a s iniciais c o m feixes d e radiação.

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e m seu interior, q u e tem c o m o f u n ç ã o ser o elemento detector da radiação.

Basicamente, u m detector a gás é constituído d e u m cilindro condutor revestido d e material condutor, q u e funciona c o m o c á t o d o , e u m filamento central d e n o m i n a d o â n o d o . O volume d o detector (cilindro) é preenchido por gás o u u m a mistura de gases, a u m a pressão relativamente baixa (menor q u e a pressão atmosférica).

Entre o cátodo e o â n o d o é aplicada u m a diferença de potencial, geralmente da o r d e m de centenas d e Volts (um c a m p o elétrico é gerado). O processo d e detecção da radiação t e m início q u a n d o u m a partícula, carregada o u não, atravessa o gás no interior d o cilindro, ocorrendo u m a ionização e os pares de íons formados são coletados pelos eletrodos (ânodo e c á t o d o ) , produzindo a corrente d e ionização.

A Figura 2.1 mostra o e s q u e m a básico de u m detector a g á s .

Janela

Detector

+ Ânodo

Cátodo

Fonte de Tensão

Resistor

II

(16)

s i m p l e s ) , b o a sensibilidade, c u s t o baixo e facilidade d e m a n u t e n ç ã o , s e n d o e m p r e g a d o s largamente nas m o n i t o r a ç õ e s d e á r e a .

Neste t i p o de e q u i p a m e n t o , o sinal obtido i n d e p e n d e d o tipo d e partícula incidente e d a energia d a m e s m a , d e v i d o à faixa d e t e n s ã o a p l i c a d a e n t r e o s eletrodos para o p e r a ç ã o d o d e t e c t o r .

A faixa d e tensão a p l i c a d a possibilita o surgimento d e u m c a m p o elétrico e n t r e os eletrodos (ânodo e c á t o d o ) d o e l e m e n t o detector (cilindro o n d e e s t á contido o g á s ) capaz d e f o r n e c e r e n e r g i a suficiente para o s p a r e s d e íons

p r o d u z i d o s , d e forma q u e , a o se d e s l o c a r e m para os respectivos e l e t r o d o s , e s s e s pares d e íons produzam mais i o n i z a ç ã o . Este processo é c o n h e c i d o c o m o " m u l t i p l i c a ç ã o d e cargas", f e n ô m e n o q u e independe d o tipo d e partícula e d a s u a e n e r g i a .

Para c a d a partícula q u e interage c o m o v o l u m e sensível d o d e t e c t o r , é criado u m n ú m e r o da o r d e m d e 10^ a 10^° pares de íons (o d e t e c t o r o p e r a pelo princípio de efeito avalanche^^^^). D e v i d o a o efeito d e multiplicação d e c a r g a s , a a m p l i t u d e d o pulso de saída f o r m a d o no detector é d e cerca d e a l g u n s volts (são pulsos d e m e s m a amplitude, o u s e j a , este detector não é c a p a z d e identificar a e n e r g i a d a radiação q u e g e r o u e s t e pulso d e saída), de m o d o q u e n ã o existe a n e c e s s i d a d e d o uso d e circuitos pré-amplificadores nos monitores portáteis d e radiação q u e utilizam este e l e m e n t o detector.

A resposta d o detector tipo Geiger-Müller para radiação g a m a o c o r r e d e f o r m a indireta (interação d a r a d i a ç ã o incidente c o m as paredes d o d e t e c t o r ) , p o r meio d e radiação secundária (elétrons g e r a d o s nas paredes d o d e t e c t o r ) q u e atinge o v o l u m e sensível d o detector.

(17)

E x i s t e m t u b o s Geiger-Müller d e v á r i a s f o r m a s e t a m a n h o s , e l a b o r a d o s c o m d i v e r s o s materiais (tanto a j a n e l a d o t u b o c o m o o s e u corpo), p o d e n d o a i n d a s e r e m c o m p e n s a d o s o u não.

O s t u b o s d e n o m i n a d o s c o m p e n s a d o s n ã o s ã o a d e q u a d o s para a d e t e c ç ã o de raios X g e r a d o s a potenciais m e n o r e s q u e 5 0

ke\A^^^

O s tubos G e i g e r - M ü l l e r , de u m m o d o g e r a l , apresentam alta d e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a , principalmente p a r a energias baixas (abaixo d e 0,1 M e V ) e p a r a e n e r g i a s intermediárias (de 0,1 a

1,0 M e V ) ( 2 ^ .

U m a limitação deste tipo d e d e t e c t o r é o s e u " t e m p o m o r t o " , q u e c o r r e s p o n d e a o período d e t e m p o m í n i m o e n t r e d u a s interações para q u e o sistema d e m e d i d a (tubo e circuitos e l e t r ô n i c o s ) s e j a c a p a z d e distingui-las e p r o c e s s á - l a s .

A s c o n d i ç õ e s de saturação d e u m m o n i t o r d e radiação d e v e m ser s e m p r e levadas e m consideração. Muitas v e z e s u m i n s t r u m e n t o passa r e p e n t i n a m e n t e a a p r e s e n t a r u m a indicação de leitura n u l a o u nriuito menor q u e o valor a n t e r i o r m e n t e lido (esperado); isto p o d e f r e q ü e n t e m e n t e ser u m a indicação q u e e q u i p a m e n t o saturou e não u m a i n d i c a ç ã o d e q u e o m e s m o se e n c o n t r a danificado (ou defeituoso).

U m m o d o de se verificar e s t a o c o r r ê n c i a é voltar à condição d e m e d i d a inicial e o b s e r v a r novamente o c o m p o r t a m e n t o d a indicação d a leitura d o e q u i p a m e n t o . S e ela aumentar atingindo o f u n d o d e escala (final d a e s c a l a ) , o u estiver p r ó x i m o dele, e passar para u m v a l o r m e n o r (diminuição d o valor d a

leitura, e n q u a n t o o esperado é q u e ela a u m e n t e ) , p r o v a v e l m e n t e ultrapassou-se a faixa d e m e d i d a (ou de operação) d o i n s t r u m e n t o e e l e entrou e m saturação^^®\

A l g u n s equipamentos utilizam d o i s t u b o s Geiger-Müller, um para o p e r a r e m t a x a s d e exposição baixas e o u t r o c o m v o l u m e b e m menor q u e o primeiro tubo para o p e r a r e m taxas d e e x p o s i ç ã o a l t a s .

(18)

Neste tipo d e detector, a conversão d a taxa d e interações para urna indicação d e leitura é feita por meio d a c o n t a g e m d o número d e pulsos q u e o c o r r e m e m u m determinado intervalo d e t e m p o . Quanto maior este inten/alo d e t e m p o , maior será o número d e interações q u e serão consideradas para a medição e, co n s eq ue nt em en te , m e n o r a flutuação estatística q u e a medição irá apresentar^^^^

Devido a s u a alta eficiência na detecção d e partículas, o s detectores d o tipo Geiger-Müller, além d e serem utilizados na monitoração d e á r e a , s ã o t a m b é m muito utilizados c o m o detectores d e c o n t a m i n a ç ã o d e superficie.

A Figura 2.2 mostra u m diagrama e m blocos simplificado d e u m monitor portátil d e radiação c o m elemento detector d o tipo Geiger-Müller.

Tubo Geiger-Muller Processador de sinais

1 ^

Processador de sinais Saída de dados

N X

Analógica

Bateria

0087880

C/(kg.h)

Digital

Figura 2.2: Diagrama e m blocos d e u m monitor d e radiação do tipo

Geiger-Müller.

(19)

O s monitores portáteis d e radiação d o t i p o G e i g e r - M ü l l e r são encontrados comercialmente e m d i f e r e n t e s configurações; d e n t r e e l a s p o d e - s e citar: monitores com s o n d a d e t e c t o r a e x t e r n a (tubo Geiger-Müller inserido na sonda), monitores c o m t u b o interno (tubo inserido na caixa d o e q u i p a m e n t o ) , etc. A s s o n d a s externas p o d e m a i n d a c o n t e r t a m p a s removíveis o u c a p a s deslizantes (móveis).

Desse m o d o p o d e - s e medir c a m p o s d e radiação g a m a na presença d e radiação b e t a . O m o n i t o r d e radiação p o d e r á m e d i r c a m p o s de radiação b e t a quando o o b t u r a d o r d e s u a s o n d a estiver a b e r t a .

No e n t a n t o , d e v e - s e s e m p r e verificar n o m a n u a l d e operação d o equipamento q u e d e v e s e r fornecido pelo f a b r i c a n t e , se o equipamento é a d e q u a d o para a s m e d i d a s q u e se deseja realizar, inclusive verificando quais s ã o as faixas d e o p e r a ç ã o d o m o n i t o r d e radiação e s u a s limitações.

2.2.2 Detectores de cintilação

U m d o s m é t o d o s d e d e t e c ç ã o nuclear mais a n t i g o s faz uso de cintilação. Existem relatos d e q u e R u t h e r f o r d e seus c o l a b o r a d o r e s utilizaram esta técnica e m seus e x p e r i m e n t o s d e e s t u d o d e espaliiamento d e c a m p o s d e radiação.

O d e s e n v o l v i m e n t o d o s detectores d e cintilação mais modernos teve início em 1947 por meio d o s e x p e r i m e n t o s realizados c o m sucesso por Coltman e Marshall, utilizando u m a v á l v u l a fotomultiplicadora p a r a a contagem da cintilação de luz d e um cristal q u a n d o s u b m e t i d o à radiação a l f a , b e t a e g a m a . Os monitores de radiação d o tipo cintilador s ã o utilizados l a r g a m e n t e c o m o detectores d e partículas nucleares. I s t o s e d e v e particularmente a o fato de que o meio d e detecção e m u m cintilador é u m meio mais d e n s o (cristal), provocando u m a b o a eficiência d e d e t e c ç ã o .

(20)

Os cristais c o m p r o p r i e d a d e s cintiladoras s ã o c o n f e c c i o n a d o s e m diversos t a m a n h o s (áreas g r a n d e s para detecção d a r a d i a ç ã o , e s p e s s u r a s diferentes) e geometrias a d e q u a d a s , q u e t o r n a m este tipo d e d e t e c t o r u m d o s melhores detectores para medida d e c a m p o s d e radiação g a m a ^ ^ ^ \

O s detectores d e cintilação são e l e m e n t o s d e t e c t o r e s d e radiação desenvolvidos c o m b a s e n a s propriedades q u e a l g u m a s s u b s t â n c i a s p o s s u e m de a b s o r v e r a energia c e d i d a pelas radiações ionizantes e c o n v e r t ê - l a s e m luz. Por e s s e princípio tais materiais s ã o d e n o m i n a d o s cintiladores. A p r o d u ç ã o d e

fotons

d e v i d o à radiação incidente nos materiais cintiladores é p r o p o r c i o n a l à energia da radiação, e a eficiência d e d e t e c ç ã o irá variar c o m o t i p o d e r a d i a ç ã o e c o m o material utilizado c o m o cintilador.

Os materiais cintiladores p o d e m ser c l a s s i f i c a d o s c o m o : cristais de materiais orgânicos; i n o r g â n i c o s ; materiais o r g â n i c o s d i s s o l v i d o s e m sólidos ou líquidos orgânicos; s u b s t â n c i a s g a s o s a s ; plásticos c o m p r o p r i e d a d e s d e cintilação, etc. Neste trabalho foi e s t u d a d o u m monitor d e r a d i a ç ã o c o m u m cristal cintilador inorgânico de iodeto d e s ó d i o d o p a d o c o m tálio.

É import:ante frisar q u e as características d o s materiais e m p r e g a d o s para c o n f e c ç ã o de cintiladores n ã o são equivalentes a o t e c i d o h u m a n o o u a o ar, principalmente no c a s o d o s detectores inorgânicos. Estes n ã o s ã o , c o m u m e n t e , e m p r e g a d o s e m monitores d e taxas d e exposição o u d e d o s e , pois s u a s aplicações são e m geral na e s p e c t r o m e t r i a .

A rede cristalina d e u m material inorgânico d e f i n e os e s t a d o s d e energia d o material, inclusive influenciando nos m e c a n i s m o s d e cintilação d o material. Os elétrons dentro de materiais semicondutores ou isolantes t ê m d i s p o n í v e i s somente a l g u m a s bandas discretas d e e n e r g i a que p o d e m o c u p a r .

Desse m o d o e x i s t e m três bandas de e n e r g i a d e n o m i n a d a s b a n d a de v a l ê n c i a , banda d e c o n d u ç ã o e b a n d a proibida (intermediária).

(21)

A banda d e c o n d u ç ã o r e p r e s e n t a a q u e l e s elétrons q u e p o s s u e m energia suficiente que os permite m i g r a r l i v r e m e n t e pela estrutura cristalina. Por conseguinte, na banda d e n o m i n a d a b a n d a d e valência estão os e l é t r o n s ligados à rede cristalina (como se e s t i v e s s e m armadilhados e m e s p a ç o s o u trincheiras/lacunas da rede cristalina), p o r o u t r o lado na b a n d a proibida os elétrons nunca são e n c o n t r a d o s .

Determinadas s u b s t â n c i a s ( c o n v e n i e n t e s o u a d e q u a d a s ) p o d e m ser introduzidas na rede cristalina d o material ( m e s m o e m p e q u e n a s q u a n t i d a d e s ) ; d e s s e modo são criados e s p a ç o s , c h a m a d o s a r m a d i l h a s , dentro d a d e n o m i n a d a b a n d a proibida. Q u a n d o tais s u b s t â n c i a s s ã o introduzidas nos materiais utilizados c o m o material cintilador d i z - s e q u e o material cintilador foi ativado ( d o p a d o ) por tais substâncias.

Se os elétrons d a b a n d a d e v a l ê n c i a receberem energia suficiente d a radiação incidente no cristal cintilador, o c u p a r ã o os níveis d e e n e r g i a c r i a d o s pela presença da substância a t i v a d o r a . N o p r o c e s s o d e desexcitação d e s t e s elétrons, eles retornarão aos níveis d e e n e r g i a q u e o c u p a v a m na banda d e v a l ê n c i a (níveis de energia menores), e m i t i n d o r a d i a ç ã o c o m energia c o r r e s p o n d e n t e à diferença d e energia q u e o c u p a v a m na b a n d a d e v a l ê n c i a e o nível de energia q u e o elétron o c u p o u no estado (posições o u l a c u n a s ) c r i a d o pelo material ativador.

Desse modo, esta e n e r g i a r e s u l t a n t e será emitida na f o r m a d e

fotons,

q u e serão propagados pela e s t r u t u r a c r i s t a l i n a .

A

quantidade de

fotons

produzidos será proporcional à energia d a r a d i a ç ã o incidente no cristal cintilador e a eficiência de detecção variará c o m e s t a m e s m a r a d i a ç ã o e t a m b é m c o m o material e m p r e g a d o c o m o cintilador. U m s i s t e m a d e detecção d o tipo cintilador é constituído basicamente d o s s e g u i n t e s c o m p o n e n t e s : cristal c o m p r o p r i e d a d e s d e cintilação; válvula fotomultiplicadora e circuitos eletrônicos para o p r o c e s s a m e n t o a d e q u a d o d o s sinais. A F i g u r a 2.3 m o s t r a u m d i a g r a m a de blocos d e u m sistema d e medida d a radiação c o m u m d e t e c t o r d o tipo cintilador.

(22)

Radiação incidente

Dinodos

Elétrons/

Refletor de luz

Cristal cintilador

Ânodo

Cintilação

4 Guia de luz

<-Fotocatodo

Divisor de tensão Alta tensão Pré-amplificador Processador de sinais

Indicador de leitura

(analógico ou digital)

00835

CPM

Figura 2.3: Diagrama d e blocos d e u m sistema detector d o tipo

cintilador.

Os monitores portáteis d e radiação q u e utilizam elementos detectores d o tipo cintilador s ã o c o m p o s t o s basicamente por duas partes principais q u e s ã o : u m a s o n d a cintiladora (cristal, fotomultiplicadora e divisor d e tensão) e u m módulo eletrônico d e p r o c e s s a m e n t o d o s sinais (pré-amplificador, formador d e pulso e discriminador, contadores d e pulsos e indicador d e leitura).

(23)

A F i g u r a 2.3 mostra q u e o p r o c e s s o d e m e d i d a da radiação t e m início q u a n d o u m a partícula nuclear o u c a m p o d e radiação incide no material d e t e c t o r (cristal cintilador) na qual c o m o c o n s e q ü ê n c i a s ã o produzidos fachos {flash) d e luz, e m s e u interior.

O s f o t o n s são enviados a o f o t o c a t o d o (material q u e libera o s e l é t r o n s ; u m c a m p o elétrico forte é formado entre â n o d o e c á t o d o , devido à alta t e n s ã o aplicada) o n d e a r r a n c a m elétrons d o m e s m o . O s fotons produzidos no cristal pela interação d a radiação incidente no cristal s ã o d a o r d e m d e a l g u m a s c e n t e n a s ; d e s s e m o d o o n ú m e r o d e elétrons g e r a d o s no fotocatodo é muito p e q u e n o . P o r isso o sinal d e saída é muito p e q u e n o para ser p r o c e s s a d o a d e q u a d a m e n t e .

Para q u e os elétrons p o s s a m f o r m a r sinais a d e q u a d o s para s e r e m p r o c e s s a d o s , eles são multiplicados várias v e z e s por meio de u m sistema interno d a válvula fotomultiplicadora d e n o m i n a d o d e d i n o d o s . São placas polarizadas c o m diferença d e potencial alta (geralmente d e d e z e n a s ou centenas d e volts), p r o p o r c i o n a n d o a multiplicação d o s e l é t r o n s .

O s elétrons, a p ó s terem sido multiplicados, são conduzidos a o â n o d o (eletrodo d e potencial oposto ao c á t o d o ) d a válvula fotomultiplicadora. O â n o d o a d e q u a d a m e n t e polarizado (por meio d e resistores e capacitores) produzirá u m sinal o u p u l s o d e corrente proporcional a energia d a radiação incidente q u e será e n v i a d o a e n t r a d a d o sistema pré-amplificador. Neste pré-amplificador, o sinal p r o v e n i e n t e d a fotomultiplicadora g a n h a mais amplitude, o q u e permite a d i f e r e n c i a ç ã o e m relação ao ruído eletrônico d o sistema e de outros ruídos interferentes indesejáveis.

O sinal então é enviado a o m ó d u l o processador de sinal, o n d e ele é d e v i d a m e n t e f o r m a d o (o formato d o sinal é modificado para ser lido pelos circuitos eletrônicos analógicos e / o u c o n t a d o r e s digitais), depois é e n v i a d o a o s circuitos d e leitura d e saída (analógica o u digital).

(24)

A Figura 2.4 mostra u m monitor d e radiação utilizando uma s o n d a cintiladora c o m o elemento detector d e radiação.

Módulo eletrônico

Sonda cintiladora

I—I

Figura 2.4: Monitor portátil d e radiação utilizando s o n d a cintiladora

2.2.3 Detectores tipo câmara de ionização

Durante muitos a n o s , a dosimetria d a s radiações esteve diretamente relacionada c o m a prática d a radiologia. C o m o objetivo d e se controlar a q u a n t i d a d e d e radiação, liberada pelas máquinas de raios X então existentes, foram desenvolvidos diversos tipos d e sistemas detectores.

E m meados d o s anos 3 0 , devido à alta sensibilidade, à boa estabilidade e à b o a reprodutibilidade, q u e f a z e m parte de suas características operacionais, a c â m a r a de ionização tornou-se o instrumento principal para a detecção d e radiação X^^^^

Atualmente, apesar d o surgimento de outros sistemas d e m e d i d a , a c â m a r a d e ionização ainda é considerada o instrumento mais prático e preciso para medidas d e taxas de exposição e de d o s e absorvida.

(25)

No Brasil, nos últimos a n o s , diversas câmaras d e ionização foram projetadas e construídas para diferentes aplicações, apresentando bons resultados^^°"^^^ A s c â m a r a s d e ionização possuem basicamente u m eletrodo coletor central e u m a parede d e material apropriado q u e delimita u m a cavidade preenchida por u m g á s .

A Figura 2.5 mostra o diagrama d e blocos d e um sistema monitor d e radiação utilizando u m a c â m a r a d e ionização c o m o elemento detector.

Câmara de ionização

1

Eletrômetro Polarização Bateria Processador de sinais Indicador de leitura (analógico ou digital)

088833

C/(k2.h)

Figura 2.5: Diagrama d e monitor d e radiação c o m c â m a r a d e ionização.

Q u a n d o convenientemente construídas, utilizando o ar c o m o elemento detector g a s o s o , as c â m a r a s d e ionização s ã o c a p a z e s de medir diretamente a grandeza exposição. Para c a d a par d e íon g e r a d o pela partícula incidente no interior do volume sensível d o detector gasoso, u m sinal elétrico é coletado.

(26)

A c a r g a coletada (sinal elétrico) é m u i t o b a i x a , n o r m a l m e n t e d a o r d e m de pico-amperes (10'^^ A ) , e precisam ser utilizados amplificadores para o sinal poder ser c o n v e n i e n t e m e n t e processado. E m f u n ç ã o d e s u a g r a n d e estabilidade a o longo do t e m p o (da o r d e m de 0,1 % de variação a o l o n g o d e muitos a n o s ) , as c â m a r a s de ionização s ã o muito utilizadas t a m b é m c o m o instrumentos de referência para calibração d e e q u i p a m e n t o s .

A q u a n t i d a d e de pares de íons p r o d u z i d o s d e p e n d e da energia d a radiação ser maior o u menor, ou mais ou m e n o s i o n i z a n t e ; d e s t a f o r m a , a c â m a r a pode discriminar a energia da radiação e distinguir os diferentes tipos de partículas por meio da altura d o sinal produzido. D e s s e m o d o , é necessário acoplar às c â m a r a s módulos d e amplificação de pulsos. Estes circuitos d e v e m conter filtros para eliminar os ruídos indesejáveis.

Por apresentarem medidas mais p r e c i s a s , as c â m a r a s de ionização são usadas c o m o instrumentos padrões primários e s e c u n d á r i o s , e s ã o a m p l a m e n t e utilizadas na dosimetria de raios X , p a r t i c u l a r m e n t e na medida de e x p o s i ç ã o e na d e t e r m i n a ç ã o indireta da dose a b s o r v i d a .

N o r m a l m e n t e as câmaras d e ionização n ã o são seladas, ou seja, o ar e m seu interior é o mesmo do a m b i e n t e . E n t r e t a n t o , existem ainda as c â m a r a s de ionização s e l a d a s , que contêm um gás (sob alta pressão) e m seu interior. No c a s o das c â m a r a s não seladas é necessário q u e se f a ç a c o r r e ç ã o de suas leituras para a d e n s i d a d e d o ar, ou seja, para a t e m p e r a t u r a e a p r e s s ã o ambientais, por meio de fatores multiplicativos.

A correção da leitura de u m a c â m a r a d e ionização para variações de temperatura e pressão deve ser feita u t i l i z a n d o - s e :

(27)

onde fT,p é o fator d e c o r r e ç ã o d e t e m p e r a t u r a e p r e s s ã o , t e p são a temperatura e pressão a m b i e n t e s , e T e P são a t e m p e r a t u r a e p r e s s ã o d e referência de 20 °C e 101,3 k P a , r e s p e c t i v a m e n t e .

O v a l o r d e referência d a u m i d a d e relativa d o a r é normalmente d e 50 % . Porém, s e g u n d o L o e v i n g e r & Chappell^^^\ " c o m o a d e p e n d ê n c i a da corrente d e ionização d a u m i d a d e é p e q u e n a , n e n h u m a normalização é necessária se a umidade relativa d o a r a m b i e n t e estiver entre 10 e 70 % durante o procedimento de calibração".

As c â m a r a s d e ionização mais c o n h e c i d a s s ã o : c â m a r a de ar livre, q u e s ã o consideradas d o tipo p a d r ã o primário, o u seja, d e t e r m i n a m a exposição de forma absoluta; c â m a r a s cavitárias, utilizadas na d e t e r m i n a ç ã o d a exposição no ar, e m feixes de f o t o n s d e e n e r g i a s altas; c â m a r a s d e d a i s , m u i t o utilizadas c o m o padrões secundários e e m m e d i d a s rotineiras; e as c â m a r a s de extrapolação, r e c o m e n d a d a s p a r a a d e t e c ç ã o d e radiação b e t a .

A maioria d a s c â m a r a s d e ionização a p r e s e n t a m dependência energética alta para raios X d e e n e r g i a s baixas devido à a t e n u a ç ã o d o feixe e m suas próprias paredes. P o r t a n t o , para estas energias, o ideal é utilizar-se câmaras de ionização cujas paredes s e j a m suficientemente finas para evitar esta a t e n u a ç ã o ^ ^ ^ ou q u e estas c â m a r a s s e j a m feitas d e material q u e t e n h a propriedades equivalentes a o ar. N o r m a l m e n t e materiais d e baixo n ú m e r o a t ô m i c o , têm propriedades d e equivalência a o ar, tais c o m o alumínio o u plástico.

A s c â m a r a s a d e q u a d a s para detectar radiações de energias baixas são as chamadas c â m a r a s d e ionização de placas paralelas, ou ainda denominadas superílciais. N e s t e tipo d e c â m a r a , os eletrodos s ã o distanciados entre si d e a p r o x i m a d a m e n t e 5 m m , o q u e garante q u e t o d o s o s íons produzidos dentro d e seu v o l u m e sensível s e j a m coletados. S ã o utilizadas c o m o padrões secundários e ainda para m e d i d a s rotineiras d a exposição p r o d u z i d a por campos de raios X d e energias baixas^^^^.

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No presente t r a b a l h o f o r a m utilizados c a m p o s d e radiação X d e energias baixas e c a m p o s d e r a d i a ç ã o g a m a d e energias b a i x a s , m é d i a s e altas, a l é m d e c a m p o s d e radiação beta d e energia alta.

As c â m a r a s c i t a d a s até o m o m e n t o p r e c i s a m ser a c o p l a d a s a u m instrumento d e n o m i n a d o eletrômetro, e m p r e g a d o n a m e d i d a d a s correntes produzidas nas c â m a r a s d e ionização. Os c o n j u n t o s d e c â m a r a s d e ionização acopladas aos eletrômetros s ã o d e n o m i n a d o s dosímetros^^^\ S e n d o e m p r e g a d o s e m Radioterapia, são d e n o m i n a d o s dosímetros c l í n i c o s . S e g u n d o r e c o m e n d a ç õ e s internacionais^^\ nos c a s o s e m q u e o e l e t r ô m e t r o fizer parte d o sistema dosimétrico, este d e v e s e r calibrado c o n j u n t a m e n t e c o m a c â m a r a d e ionização, o u seja, a c â m a r a d e v e e s t a r a c o p l a d a ao e l e t r ô m e t r o . E x c e t u a n d o - s e estes casos, o eletrômetro e a c â m a r a d e ionização p o d e m ser c a l i b r a d o s s e p a r a d a m e n t e ^ ^ ' ^ ' ' \

A s calibrações feitas c o m c â m a r a s d e i o n i z a ç ã o o c o r r e m e m u m a geometria fixa d e r e f e r ê n c i a , o n d e parte d o c a b o d e c o n e x ã o é exposto à radiação. Entretanto, q u a n d o u m a geometria d i f e r e n t e é necessária nas várias situações q u e o c o r r e m p o r e x e m p l o na dosimetria c l í n i c a , t a m a n h o s diferentes de c a b o p o d e m ser irradiados. Desse m o d o , pode o c o r r e r u m a alteração significativa d a s medidas realizadas c o m o sistema (câmara d e ionização + eletrômetro), fornecendo resultados incorretos. Avaliações d e s t e tipo já f o r a m feitas por C a m p o s e Caldas^^'-^^ e m c â m a r a s cilíndricas.

Para fins d e m o n i t o r a ç ã o de área, são e m p r e g a d a s c â m a r a s d e ionização portáteis. Estas c â m a r a s p o s s u e m vários t a m a n h o s e f o r m a t o s diferentes, e não necessitam ser a c o p l a d a s a eletrômetros e x t e r n o s ( p o s s u e m eletrômetro internamente). A s c â m a r a s d e ionização p o d e m a i n d a possuir c a p a s d e equilíbrio eletrônico, q u e são a j u s t a d a s d e p e n d e n d o d a faixa d e energia e m q u e os e q u i p a m e n t o s estão s e n d o utilizados.

A condição d e equilíbrio eletrônico está d i r e t a m e n t e ligada à definição d a g r a n d e z a e x p o s i ç ã o .

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De acordo c o m a d e f i n i ç ã o , o s elétrons produzidos pela interação da radiação c o m a matéria (fotons) d e v e m p e r d e r toda a sua energia p o r meio d e interações n u m volume específico d e a r , e a s c a r g a s d e m e s m o sinal d e v e m ser s o m a d a s .

Entretanto, alguns elétrons p r o d u z i d o s neste v o l u m e específico d e p o s i t a m sua energia fora deste m e s m o v o l u m e , p r o d u z i n d o cargas q u e n ã o serão consideradas na soma total. Por o u t r o l a d o , o s elétrons produzidos fora d o volume específico (volume sensível d o e l e m e n t o d e t e c t o r ) p o d e m entrar neste v o l u m e e ser considerados na s o m a total d a s c a r g a s produzidas^'^^

Se as cargas p r o d u z i d a s ( d e s c o n t a d a s as cargas perdidas) forem c o m p e n s a d a s pelas cargas a m a i s c o n s i d e r a d a s , existe a condição d e equilíbrio eletrônico, necessária para a d e f i n i ç ã o d e exposição^''^^

Desse modo, " a s c a p a s d e equilíbrio e l e t r ô n i c o " das c â m a r a s d e ionização são utilizadas somente para c a m p o s d e r a d i a ç ã o d e energias altas, d e forma a a t e n u a r os fotons e proporcionar a c o n d i ç ã o d e equilíbrio eletrônico d e s e j a d a . As c a p a s de equilíbrio eletrônico n ã o s ã o utilizadas q u a n d o os instrumentos m e d e m feixes de radiação de energias b a i x a s .

A Figura 2.6 apresenta dois tipos d e monitores portáteis d e radiação c o m elemento detector d o tipo c â m a r a d e ionização c o m s o n d a externa o u detector interno.

(30)

Mostrador

Monitor portátil com detector interno

Chave l i g a / d e s l i ^

^-^JX

Detector

n

(

Chave liga/desliga

Chave de zera

a leitura

Monitor portátil com detector externo

Vista superior

Detector

Indicador de

leitura —

Câmara de ionização, vista lateral

Chave de

escalas "

I J

Compartimento das baterías

Figura 2.6: Monitores portáteis d e radiação c o m detector d o tipo c â m a r a de ionização (interno o u externo).

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2.3 Calibração de instrumentos

" C a l i b r a r u m e q u i p a m e n t o monitor d e r a d i a ç ã o " significa d e t e r m i n a r s u a resposta a u m a e x p o s i ç ã o o u taxa d e e x p o s i ç ã o conhecida (ou a u m a t a x a d e d o s e a b s o r v i d a ) , e n v o l v e n d o o uso d e pelo m e n o s u m instrumento d e referência o u instrumento padrão^^'^\

O t e r m o " c a l i b r a ç ã o " pode t a m b é m ser definido c o m o u m a d e t e r m i n a ç ã o q u a n t i t a t i v a , s o b u m conjunto controlado d e c o n d i ç õ e s padrões, de u m a i n d i c a ç ã o d a d a por u m instrumento e m f u n ç ã o d e u m valor d e u m a grandeza q u e e s t e instrumento d e v e acusar^'*^^

Por meio d a calibração o b t é m - s e u m fator multiplicativo, q u e c o n v e r t e u m valor indicado (corrigido p a r a as c o n d i ç õ e s d e n o m i n a d a s de referência) p a r a o q u e se d e n o m i n a d e " v a l o r r e a l " de u m a g r a n d e z a m e d i d a , sendo c h a m a d o " f a t o r d e c a l i b r a ç ã o " . Para c a d a escala de u m monitor d e radiação pode-se obter u m fator d e calibração diferente.

O s monitores portáteis d e radiação d e v e m ser calibrados p e r i o d i c a m e n t e , a p ó s r e c e b e r e m m a n u t e n ç ã o corretiva, a n t e s m e s m o de expirar o período d e validade d a calibração periódica, o u a p e d i d o d o usuário. Antes d a calibração d o i n s t r u m e n t o ser realizada, d e v e - s e verificar se ele não está c o n t a m i n a d o c o m material radioativo e se a p r e s e n t a b o a s condições operacionais, o u d e f u n c i o n a m e n t o , as quais d e v e m estar d e a c o r d o c o m as características q u e c o n s t a m no s e u manual d e o p e r a ç ã o fornecido pelo fabricante do e q u i p a m e n t o .

O s principais objetivos d e u m sistema d e calibração são^^^:

> Garantir q u e o e q u i p a m e n t o funcione a d e q u a d a m e n t e ;

> N o c a s o de e q u i p a m e n t o s q u e não possuem ajuste d o p o n t o d e calibração, garantir q u e sejam revelados os erros nas s u a s medidas. Q u a n d o o e q u i p a m e n t o apresentar a possibilidade

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d e ajuste, o p r o c e d i m e n t o d e c a l i b r a ç ã o p o d e levar a u m a verificação na precisão d a s leituras p o r ele realizadas;

> Fornecer informações a o s u s u á r i o s d o s e q u i p a m e n t o s q u a n t o as suas características mais i m p o r t a n t e s ;

> Permitir o estabelecimento d e c a m p o s padrões de radiação para realização d e testes d e d e s e m p e n h o c o m o s monitores portáteis d e radiação (novos o u e m u s o ) .

A s calibrações realizadas i n t e r n a c i o n a l m e n t e s ã o referenciadas a padrões d e medida a b s o l u t a . Por esse fato e a i n d a d e v i d o a o g r a n d e número d e solicitações d e calibração d e monitores portáteis d e r a d i a ç ã o , criou-se u m a rede d e laboratórios padrões, classificados c o m o p r i m á r i o s , secundários e regionais, sob o apoio e supervisão d a Agência Internacional de Energia Atômica (lAEA) e d a

Organização Mundial de Saúde (WHO). No Brasil o Laboratório Padrão Secundário

(SSDL) e s t á localizado no Instituto d e R a d i o p r o t e ç ã o e Dosimetria (IRD), no Rio de Janeiro e é o Laboratório Nacional d e Metrologia d a s R a d i a ç õ e s Ionizantes.

O s instrumentos d e medida d e c a m p o s d e radiação, utilizados c o m o padrões (instrumentos q u e p o s s u e m d e s e m p e n h o e estabilidade altos, utilizados apenas p a r a a calibração d e outros i n s t r u m e n t o s ) , t a m b é m são classificados, d e acordo c o m o laboratório e m que f o r a m c a l i b r a d o s . D e s s e m o d o , existem os instrumentos d e n o m i n a d o s padrões primários, s e c u n d á r i o s o u terciários. Existem ainda os instrumentos d e n o m i n a d o s " p a d r õ e s n a c i o n a i s " , q u e são aqueles reconhecidos por u m a decisão nacional oficial p a r a representar os valores, n u m país, de t o d o s o s outros padrões d e u m a certa g r a n d e z a .

O " i n s t r u m e n t o d e c a m p o " é a q u e l e q u e possui estabilidade e d e s e m p e n h o apropriados para ser utilizado e m m e d i d a s d e rotina no " c a m p o " (nos laboratórios d e medida de c a m p o s d e radiação, i n d ú s t r i a , e t c ) .

Os procedimentos d e calibração v a r i a m d e a c o r d o c o m a aplicação d o s instrumentos.

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No caso d a c a l i b r a ç ã o d e instrumentos utilizados e m propósitos de Radioproteção, e x i s t e m b a s i c a m e n t e duas técnicas^'*''*^^ a s a b e r :

>Uso d e c a m p o s d e radiação c o m propriedades b e m conhecidas;

> U s o d e c a m p o s d e radiação c o m propriedades m e n o s b e m conhecidas; neste c a s o , a c a l i b r a ç ã o é feita pela técnica d a substituição.

No primeiro c a s o , o c a m p o de radiação p o d e ser definido a partir do conhecimento d e certos p a r â m e t r o s (atividade, g e o m e t r i a , e n e r g i a , etc.) de uma fonte de radiação p a d r ã o s e c u n d á r i o , d e t e r m i n a n d o - s e a seguir os valores da grandeza a ser medida n o instrumento a ser calibrado, q u e correspondam a leituras entre 20 e 80 % d e s u a escala^^\ A l g u n s f a t o r e s , c o m o a presença de grande quantidade de r a d i a ç ã o e s p a l h a d a , p o d e m tornar difícil a especificação do campo de radiação. Neste c a s o , a calibração d e v e ser feita pela segunda técnica, onde o instrumento de r e f e r ê n c i a é colocado no c a m p o d e radiação e suas leituras são registradas. E m s e g u i d a , o instrumento a ser c a l i b r a d o substitui o primeiro e as leituras obtidas são c o m p a r a d a s entre si.

N o r m a l m e n t e , o i n s t r u m e n t o de referência é c o l o c a d o no c a m p o duas vezes, uma antes e o u t r a d e p o i s d e se tomar as leituras d o instrumento sob calibração. Este p r o c e d i m e n t o é o da técnica da substituição, e deve ser seguido para a calibração de i n s t r u m e n t o s c o m raios X , s e n d o u m a técnica c o m u m tanto em nível Radioproteção q u a n t o e m nível Radioterapia^^''^''*^^

Existem, a i n d a , o u t r o s procedimentos de calibração de instrumentos c o m o : calibração tip-to-tip, calibração no ar o u n u m simulador; calibração direta ou indireta, etc. Para este t r a b a l h o e m p r e g o u - s e a técnica d e c a m p o s de radiação bem conhecidos para a c a l i b r a ç ã o dos monitores portáteis de radiação g a m a utilizados nos testes r e a l i z a d o s .

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2.4 Testes de desempenho

O s monitores portáteis d e radiação são l a r g a m e n t e utilizados na monitoração de áreas c o n t r o l a d a s e supervisionadas, s e n d o s e u e m p r e g o d e g r a n d e valia para a s tarefas e rotinas realizadas nestas á r e a s . A confiabilidade d a s

m e d i d a s realizadas pelos e q u i p a m e n t o s é essencial para a s e g u r a n ç a física d o s usuários d o s instrumentos e d o patrimônio, a s s i m c o m o para o meio a m b i e n t e . Desse m o d o , o estabelecimento d e u m procedimento rotineiro d e verificação d a s c o n d i ç õ e s operacionais d o s instrumentos é n e c e s s á r i o , d e m o d o a garantir a q u a l i d a d e d a s medidas realizadas pelo e q u i p a m e n t o .

A verificação d a s características operacionais d o s monitores portáteis d e radiação é realizada por meio d e testes d e d e s e m p e n h o . Eles p o d e m ser e n t e n d i d o s c o m o u m c o n j u n t o d e p r o c e d i m e n t o s (ensaios e testes) q u e p e r m i t e m avaliar a t u a l m e n t e as c o n d i ç õ e s operacionais d o s e q u i p a m e n t o s .

2.4.1 Testes de pré-uso

O s fabricantes d e monitores portáteis d e radiação d e v e m f o r n e c e r d a d o s o u informações sobre o d e s e m p e n h o eletro-eletrônico, estrutura m e c â n i c a , e t c . d e s t e s instrumentos.

Q u a n d o os ensaios s ã o realizados antes d o primeiro uso d o e q u i p a m e n t o o u m e s m o antes d e sua c o m e r c i a l i z a ç ã o , são d e n o m i n a d o s testes d e p r é - u s o . Este tipo de teste é u m a f o r m a d e verificação d o d e s e m p e n h o d o e q u i p a m e n t o , o u melhor, d a s características operacionais de s e u projeto. Estes e n s a i o s p o d e m fornecer indícios se o e q u i p a m e n t o apresenta falhas potenciais (tendência d e a p r e s e n t a r defeitos e m u m curto e s p a ç o de t e m p o ) .

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Os testes de pré-uso p e r m i t e m a a v a l i a ç ã o d e algumas características operacionais d o s monitores portáteis d e r a d i a ç ã o c o m o : linearidade d a r e s p o s t a ; variação d a resposta d o e q u i p a m e n t o c o m a e n e r g i a d a radiação m e d i d a ; resposta para taxas d e exposição altas, etc.

2.4.2 Testes para verificação das condições operacionais

A s condições operacionais n e c e s s á r i a s a o s equipamentos (monitores portáteis de radiação) utilizados c o m o i n s t r u m e n t a ç ã o e m serviços e procedimentos rotineiros d e radioproteção s ã o descritas e m diversas publicações internacionais (normas, c o m i t ê s , relatórios, e t c ) . D e s s e m o d o d e v e - s e utilizar a publicação mais adequada a o e n s a i o q u e s e necessita realizar e m termos de verificação d o d e s e m p e n h o d o s monitores portáteis d e radiação.

O usuário de u m monitor portátil d e r a d i a ç ã o poderá estabelecer u m a aplicação mais específica para o seu e q u i p a m e n t o . Para uma utilização mais específica de um monitor portátil d e r a d i a ç ã o suas características operacionais d e v e m ser muito bem conhecidas ( c o m o t i p o d e radiação q u e está apto a medir, faixa d e operação, e limitações e / o u restrições d e u s o , etc.)

Para garantir q u e u m monitor portátil d e radiação t e n h a u m b o m d e s e m p e n h o elétrico, mecânico e o p e r a c i o n a l , a l é m d o conhecimento d e suas características operacionais e d e suas limitações e / o u restrições d e u s o , são necessárias verificações periódicas (inclusive a p ó s m a n u t e n ç õ e s corretivas, etc.) de suas condições operacionais por meio d e testes d e d e s e m p e n h o .

A l é m d o s testes d e d e s e m p e n h o , as recalibrações e a m a n u t e n ç ã o corretiva a d e q u a d a podem garantir o p l e n o f u n c i o n a m e n t o do e q u i p a m e n t o , a u m e n t a n d o a sua vida útil (período d e t e m p o e m q u e o equipamento realiza medidas c o m alto grau de confiabilidade, d e n t r o d e suas características

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Operacionais

d e t e r m i n a d a s no projeto inicial d o fabricante).

P a r a a realização dos testes de verificação das condições operacionais d o s monitores portáteis d e radiação o u os d e n o m i n a d o s testes de d e s e m p e n h o , u m a consideração d e v e ser feita aos e q u i p a m e n t o s novos o u que ainda não f o r a m utilizados: s e r ã o c o n s i d e r a d o s testados e a p r o v a d o s e m ensaios realizados pelos fabricantes q u e d e v e m garantir q u e eles f o r a m a p r o v a d o s , ou seja, o fabricante deve certificar q u e o instrumento está o p e r a n d o corretamente ou dentro de suas características o p e r a c i o n a i s de projeto.

Esta avaliação q u e deveria ser realizada pelo fabricante é descrita por Zuerner e Kathren^'^^\ Eles relataram o c o m p o r t a m e n t o ou a alteração d a s características o p e r a c i o n a i s dos e q u i p a m e n t o s d e acordo c o m a sua configuração (desenho, tipo d e estrutura m e c â n i c a , d i m e n s ã o d a s partes componentes, e t c ) .

U m teste d e d e s e m p e n h o pode incluir a avaliação de algumas ou d e todas as características d o s monitores portáteis d e radiação. As características operacionais s ã o divididas e m características radiológicas e não radiológicas^^^^

As características não radiológicas e m geral testadas são:

> Efeito de g e o t r o p i s m o ; > Deriva de zero elétrico;

> Variação da leitura d o e q u i p a m e n t o com a tensão d a s baterias;

> V a r i a ç ã o da leitura d o a p a r e l h o c o m as condições ambientais (temperatura, pressão, u m i d a d e relativa do ar);

> v a r i a ç ã o da leitura d o e q u i p a m e n t o na presença de c a m p o s eletromagnéticos, rádio-frequência, s o m e vibração, efeitos d e i m p a c t o s , e t c ;

> Construção mecânica d o e q u i p a m e n t o (caixa, s o n d a , e t c ) , c o n d i ç õ e s d e segurança (isolação elétrica, cabos, c h a v e s .

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etc.), peso (não e x c e s s i v o ) , facilidade d e utilização e superfície c o m facilidade d e d e s c o n t a m i n a ç ã o .

Os três primeiros testes f o r a m realizados n e s t e t r a b a l h o .

Características radiológicas f r e q u e n t e m e n t e t e s t a d a s :

> D e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a ; > D e p e n d ê n c i a angular;

> R e s p o s t a a outras radiações i o n i z a n t e s ; > Erro intrínseco d a leitura d o e q u i p a m e n t o ;

> Estouro de escala ou s a t u r a ç ã o ( t a m b é m d e n o m i n a d o ensaio d e s e g u r a n ç a ) .

T o d o s os ensaios mencionados para características radiológicas foram realizados neste trabalho.

É conveniente o b s e r v a r q u e alguns d o s e n s a i o s relativos a o s testes d e d e s e m p e n h o de monitores portáteis d e radiação d e v e m ser realizados periodicamente, principalmente devido a o e n v e l h e c i m e n t o d a s partes e c o m p o n e n t e s (eletro-eletrônicos) d o s e q u i p a m e n t o s ; a substituição de peças (após u m a m a n u t e n ç ã o corretiva) pode afetar o u alterar a calibração d o e q u i p a m e n t o .

Deve-se frisar q u e u m conjunto de testes d e d e s e m p e n h o difere de u m a recalibração periódica ( n o r m a l m e n t e realizada a n u a l m e n t e ) o u de u m a simples verificação d e f u n c i o n a m e n t o d o e q u i p a m e n t o c o m u m a f o n t e radioativa de teste de operação {check source).

O s testes d e d e s e m p e n h o p o d e m ser realizados p e l o próprio usuário, por u m laboratório i n d e p e n d e n t e , e t c , desde q u e s e j a m realizados por u m corpo técnico d e v i d a m e n t e c a p a c i t a d o e habilitado.

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Podem ser criados outros e n s a i o s além d o s anteriormente mencionados, de acordo c o m as n e c e s s i d a d e s d e utilização o u usos específicos d o s monitores portáteis de radiação. Para e s s e s c a s o s especiais u m a nova calibração ou recalibração do e q u i p a m e n t o d e v e ser realizada p r e v e n d o a nova situação.

Para garantir a confiabilidade d a s leituras realizadas c o m os monitores d e radiação, torna-se necessário o e s t a b e l e c i m e n t o d e u m a sistemática de testes de d e s e m p e n h o de instrumentos m e d i d o r e s d e radiação. Este procedimento permite obter um m a p e a m e n t o d a situação atual d a s características eletro-mecânicas d o s mesmos, de modo a se corrigir o u p r o p o r a solução das deficiências apresentadas.

É importante frisar q u e os monitores portáteis de radiação são compostos por dispositivos detectores d e radiação a s s i m c o m o por circuitos eletrônicos muito sensíveis, q u e , além d e t e r e m s e u d e s e m p e n h o afetado pelas grandezas ensaiadas nos testes d e s t e t r a b a l h o , p o d e m t a m b é m tê-lo afetado pelo acúmulo de umidade^'*-^^ sujeira e v a p o r e s indesejáveis.

Os equipamentos q u e utilizam c â m a r a s d e ionização (não seladas) c o m o elementos detectores de radiação e m p r e g a m e m seus circuitos anéis de guarda^*^^ para minimizar os efeitos c a u s a d o s pela u m i d a d e , c o m o por e x e m p l o fugas de corrente^^^'

Os ensaios a s e r e m realizados neste trabalho consistem na verificação das características físicas, elétricas e m e c â n i c a s d o s instrumentos de medida de radiação, que por meio d a s respostas a n g u l a r e s , de energia e outras grandezas relevantes, assegurarão a c a p a c i d a d e d e transferência da calibração^'^^

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3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Equipamentos testados

Para identificação d o s e q u i p a m e n t o s d u r a n t e os testes, eles r e c e b e r a m u m c ó d i g o , levando-se e m c o n t a o tipo e m o d e l o d o elemento detector, c o n f o r m e descrito na T a b e l a 3.1.

T a b e l a 3.1: Relação d o s Monitores Portáteis d e Radiação T e s t a d o s .

Marca Modelo T i p o Quantidade C ó d i g o

L u d i u m 3 Geiger-Müller 7 A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 , A S e A 9 Nortron NDG 1000 A Geiger-Müller 1 A 6 I P E N PI 7 6 0 Geiger-Müller 1 A7 V i c t o r e e n 450 P C â m a r a de Ionização 7 C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , C 7 , C 8 e C 9 N a r d e a u x Babyline 81 C â m a r a d e Ionização 2 C 5 , C 6 V i c t o r e e n T b y a c III Cintilador 1 T I

As c â m a r a s de ionização d a marca Victoreen utilizadas nos testes s ã o d o tipo selado (não necessitam de c o r r e ç õ e s para temperatura e p r e s s ã o , d e v i d o à d e n s i d a d e d o ar p e r m a n e c e r c o n s t a n t e no interior d o elemento detector^'*''^) e n q u a n t o a s d a marca Nardeaux s ã o d o tipo não selado.

Referências

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