Dosimetria e Proteção Radiológica

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Prof. Dr. André L. C. Conceição

Departamento Acadêmico de Física (DAFIS)

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial (CPGEI) Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)

Dosimetria e Proteção

Radiológica

André L. C. Conceição | 06.05.15| Slide 2

Teoria de cavidades

Como medir grandezas dosimétricas?

Para medir a dose de radiação absorvida por um material

exposto à radiação é necessário introduzir no meio um

instrumento que seja sensível à radiação. Esse instrumento

deve fornecer uma leitura correlacionada à dose absorvida

em seu volume.

O volume sensível é, geralmente, denominado “cavidade”.

Teoria de Cavidade de Bragg-Gray

O único método de medida direta da dose absorvida D é através de um calorímetro, em que o aumento da temperatura de uma massa isolada de um meio é medida.

Bragg e Gray relacionaram a dose absorvida num detector inserido num meio com a dose absorvida nesse meio, identificando o detector como uma “cavidade preenchida de gás”, daí o nome de Teoria de Cavidade de Bragg-Gray.

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Cavidade de Bragg-Gray

Pequena cavidade preenchida com gás

Ionizações produzidas na cavidade pelos elétrons, ejetarão outros elétrons de átomos e moléculas do gás resultando em energia absorvida no gás. São coletadas e medidas as cargas liberadas no gás.

A dose absorvida é determinada com base nas medidas de ionizações provocadas pelos elétrons, corrigidas por diversos fatores. Estes fatores são derivados da teoria de cavidade de Bragg-Gray.

Cavidade de Bragg-Gray

Fluência Φ de partículas carregadas atravessando a interface que separa os meios w e g. 𝐷𝑔= Φ 𝑑𝑇 𝜌𝑑𝑥 𝑐,𝑔 𝑇 𝐷𝑤= Φ 𝑑𝑇 𝜌𝑑𝑥 𝑐,𝑤 𝑇

Stopping Power Colisional de massa, que representa o valor esperado da taxa de energia perdida por unidade de comprimento de uma partícula carregada com energia T, num meio com número atômico Z e densidade 𝜌.

Cavidade de Bragg-Gray

Supondo que Φ é contínuo através da interface (ignorando o retro-espalhamento), temos: 𝐷𝑤 𝐷𝑔 = 𝑑𝑇 𝜌𝑑𝑥_{𝑐,𝑤 𝑇} 𝑑𝑇 𝜌𝑑𝑥_{𝑐,𝑔 𝑇}

Bragg e Gray aplicaram esta equação ao problema de relacionar a dose absorvida num detector inserido num meio com a dose absorvida nesse meio, identificando o detector como uma “cavidade preenchida com gás”, por isso o nome de Teoria de Cavidade.

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Teoria de Cavidade

1ª condição de Bragg-Gray: Nesta teoria supõe-se que a cavidade seja

suficientemente pequena em comparação com o alcance dos elétrons que incidem sobre ela, de tal forma que esta não perturba o campo de partículas carregadas  implica que os números atômicos dos dois meios devem ser muito próximos

2ª condição de Bragg-Gray: assume-se que

nenhuma carga seja formada, ou freada, em g, ou seja, toda a energia depositada em g é devida a partículas carregadas que a atravessam

Teoria de Cavidade

Para uma fluência de partículas de diferentes energia cinéticas que atravessam g, temos: 𝐷𝑤 𝐷𝑔 =𝑚𝑆 𝑤 𝑆 𝑔 𝑚 = 𝑆 𝑤 𝑔 𝑚



          Máx T Máx T dT dT dx dT S T cw T w m 0 0 

É o Stopping Power Colisional de massa médio para o meio w.

Exemplo

Se o meio 𝑔 que ocupa a cavidade é um gás no qual a carga 𝑄 (de qualquer sinal) é produzida por algum tipo de radiação, 𝐷𝑔 pode ser expresso em termos daquela

carga como: 𝐷𝑔= 𝑄 𝑚 𝑊 𝑒 _𝑔 Onde 𝑊

𝑒 𝑔 é a energia média gasta por unidade de carga

produzida, e 𝑚 é a massa do gás.

Pela relação de Bragg-Gray temos que a dose no meio pode ser escrita como;

𝐷𝑤= 𝑄 𝑚 𝑊 𝑒 _𝑔. 𝑆 𝑤 𝑔 𝑚

Esta equação permite calcular a dose absorvida no meio que rodeia imediatamente a cavidade B-G (meio w = parede), em função da carga produzida na cavidade de gás.

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Exemplo

Uma cavidade com volume de 1 cm3_{, preenchida com ar nas condições} normais de temperatura e pressão (CNTP), é exposta a um campo de radiação que libera 3,336 x 10-10_{C em um determinado tempo.} Determine a dose absorvida no ar. Dado que 𝜌𝑎𝑟= 1,293 𝑘𝑔 𝑚3 na CNTP. 𝑚𝑔á𝑠= 1 × 10−6𝑚3× 1,293 𝑘𝑔 𝑚3= 1,293 × 10−6 𝑘𝑔 𝐷𝑎𝑟= 3,336 × 10−10_𝐶 1,293 × 10−6_𝑘𝑔× 33,97𝐽 = 8,74 × 10𝐶 −3𝐽𝑘𝑔= 8,74 × 10−3_Gy

Tipos de Dosímetros

Detectores preenchidos com gás

Radiação Ionizante Incidente + + ₊ Ânodo + Fonte de tensão (V) Amperímetro Cátodo - - - - Cavidade preenchida com gás

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Regiões de detecção detectores a gás

Regiões

Região de saturação de íons (Câmara de ionização)

• Quando a tensão é suficiente para que quase todos os íons que se formam sejam coletados;

• A corrente obtida ( 10-12_{A) é amplificada e mantida constante para efeitos de}

medida;

• O aumento de corrente depende da quantidade de radiação; Região proporcional (Detector proporcional)

• A corrente volta a aumentar. Os elétrons acelerados têm energia suficiente para criar novos pares de íons, ocorrendo uma multiplicação, que é proporcional ao número de pares de íons gerados pela radiação primária;

• Cada elétron produzido na ionização original pode gerar 104_{elétrons adicionais;}

Região Geiger Müller (Detector Geiger Müller)

• Aumentando ainda mais a tensão, a multiplicação ocorrida no gás se torna tão intensa que apenas uma partícula ionizante é capaz de produzir uma avalanche ao longo do ânodo, resultando num valor alto de corrente, mesmo que a energia seja baixa; Região de descarga contínua: Para tensões mais elevadas, ocorre a ionização das

moléculas do gás diretamente, produzindo grandes correntes (centelhas), mesmo sem a presença de radiação, de modo que não é possível operá-los nessa região;

Câmara de Ionização

Sua operação está baseada na coleta de todas as cargas criadas diretamente pela radiação ionizante que incide no volume sensível (cavidade de gás) através da aplicação de um campo elétrico.

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Câmara de Ionização

A radiação ao interagir com moléculas do gás provoca a ionização destes, resultando em um íon positivo e um elétron livre, chamado par de íons. Assim, a quantidade de interesse é o número de pares de íons criado ao longo do caminho percorrido pela radiação.

Radiação

No mínimo a radiação deve fornecer uma quantidade de energia igual à energia de ionização da molécula do gás. A energia média para a formação de um par de íons foi definida como 𝑊 .

Câmara de Ionização

A separação e a coleta das cargas deve ser rápida de modo a minimizar estes efeitos. Além do aumento do campo elétrico a fim de suprimir os efeitos de recombinação.

Câmara de Ionização

• Se um campo elétrico é aplicado na cavidade onde estão os pares de íons criados pela radiação ionizante, forças eletrostáticas irão mover estas cargas do ponto de origem para o eletrodo. Para íons, a velocidade de deslocamento é dada por:

𝑣 =𝜇 ∙ 𝐸 𝜌

onde: 𝜇 é a mobilidade do íons, 𝐸 é o campo elétrico aplicado e 𝜌 a pressão do gás.

• Íons apresentam velocidades de deslocamento em torno de 1 m/s, indicando que o íon percorre 1 cm em ≈ 10 ms. Já os elétrons, nas mesmas condições, percorrem o mesmo percurso em torno de alguns µs.

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Câmara de Ionização

Na presença de um campo elétrico, o deslocamento de cargas positivas (íons) e negativas (elétrons) constituem uma corrente elétrica (corrente de ionização). Considerando que todas as cargas são efetivamente coletadas, a medida da corrente de ionização representa uma medida dos pares de íons formados no volume.

Câmara de ionização

Como a magnitude da corrente de ionização é muito baixa para ser medida com um galvanômetro comum, a amplificação desta corrente é necessário. Para isso, é utilizado um eletrômetro, que pode ser entendido como um voltímetro com altíssima impedância.

Eletrômetro

Tipos de Câmara de Ionização

Tomografia Computadorizada Mamografia Fluoroscopia

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Contador Proporcional

• Aumentando ainda mais a tensão, os elétrons livres começam a ter energia suficiente para produzir novas ionizações.

• Os elétrons liberados nestas ionizações secundarias, são também acelerados de modo a produzir mais ionizações.

• Este aumento na ionização é freqüentemente chamado de

amplificação de sinal ou multiplicação. O sinal de saída é maior,

mas ainda proporcional a quantidade inicial de ionização, e por razões óbvias, esta faixa de operação é chamada região proporcional.

Contador Proporcional

Se a resposta de um simples elétron é conhecida, a amplitude dos pulsos produzidos por muitos originais pares de íons pode ser deduzida. Cada avalanche é independente e, a carga total 𝑄 gerada por 𝑛0 pares de íons é:

𝑄 = 𝑛0𝑒𝑀

Onde 𝑀 é o fator de multiplicação e 𝑒 a carga do elétron;

Geiger-Müller

• Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma

região onde produz-se uma avalanche de pares

elétron-íon.

• Neste modo, a energia dos elétrons ionizados primários

aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou

ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres.

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Geiger-Müller

Muitas moléculas do gás ficam no estado excitado através da colisão com elétrons ou íons secundários. No intervalo de tempo de alguns

nanosegundos as moléculas

excitadas retornam ao estado fundamental emitindo fótons, cujo comprimento de onda se encontra na região ultravioleta ou visível. Este fótons pode ser re-absorvidos por efeito fotoelétrico, criando um novo elétron livre, no processo chamado de descarga Geiger.

Este processo resulta em multiplicação da ordem de 106_– 108_.

Geiger-Müller

Como um contador, são necessárias condições específicas de operação na qual cada pulso seja registrado pelo sistema de contagem. Esta condição, na prática, é obtida na região de plateau, onde a fonte de radiação gera eventos a uma taxa constante dentro do tubo.

Dosímetro Cintilador

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Cintilador

Tem a propriedade de emissão de radiação eletromagnética (luminescência), desde luz visível até ultra-violeta, após ter sido exposto ou submetido a estímulos (reações químicas, calor, luz ou radiação ionizante).

Um material cintilador ideal para detecção de radiação deveria apresentar, principalmente, as seguintes características:

Material Cintilador

1.Converter a energia depositada pela radiação incidente em luz com alta eficiência de cintilação.

2.Conversão linear da quantidade de energia depositada pela radiação incidente em luz.

3.Baixo Tempo de decaimento da luminescência para geração rápida de pulsos.

4.Transparente à luz emitida.

5.Espectro de emissão compatível com o de absorção da fotomultiplicadora.

Material Cintilador

Cintiladores Orgânicos: geralmente compostos de

hidrocarbonetos aromáticos com anéis benzênicos. São mais rápidos, porém emitem menos luz. Aplicados em espectroscopia beta e detecção de neutrons. Podem ser: plásticos, cristais e liquidos. Ex: poliviniltolueno e antraceno (C4H10) .

Cintiladores Inorgânicos: principalmente halógenos

alcalinos ativados com “impurezas”. Apresentam melhor emissão de luz e linearidade, mas lentos na resposta. Devido aos alto Z e ρ, aplicados em espectroscopia gama. Podem ser: cristais, gases e vítreos. Ex: NaI(Tl) e Xe.

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Processos de emissão da luz

Fluorescência  emissão imediata da luz. Tempo de emissão 10-9_s.

Fosforescência  estado excitado é um meta-estado, emite maior

comprimento de onda e tempo de emissão é mais lento (10-8_s).

O comprimento de onda emitido durante a luminescência depende da

composição química da substância e do tipo de impureza química

agregada ao material.

A emissão de luz fluorescente é rápida e isotrópica, o que marca a diferença entre os cintiladores orgânicos e os inorgânicos cristalinos. Estes últimos necessitam de uma rede cristalina regular para que o processo da cintilação ocorra.

Mecanismos de cintilação em orgânicos

Mecanismos de cintilação em cristais

inorgânicos ativados

Absorvendo energia, um elétron pode saltar da banda de valência para a de condução e, ao retornar à banda de valência libera energia na forma de fótons

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Dosímetro

Radiação luz Fotocátodo Janela óptica Cintilador Fotomultiplicadora Ânodo Dispositivo de medida  t

e

I



0

.

 kT E

e





1 .

1

0



Espectros emissão/absorção

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

• Num detector cintilador é desejável que os estados excitados decaiam rapidamente para estados fundamentais resultando assim a fluorescência imediata.

• Em outra classe de cristais inorgânicos denominada dosímetro termoluminescente (TLD), o material do cristal e as impurezas são escolhidos de tal modo que os elétrons e as lacunas permaneçam armadilhados nos locais ativadores em temperatura ambiente de sala.

• Colocado num campo de radiação, o cristal TLD serve como um detector integrador passivo, onde o número de elétrons e lacunas armadilhado depende de seu histórico de exposição à radiação.

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Dosimetria Termoluminescente (TLD)

• Podem existir impurezas num cristal, que provocam a distorção na rede cristalina.

• Estas imperfeições podem aumentar a capacidade da amostra de armazenar energia quando este é exposto à radiação ionizante.

• Essa energia armazenada pode ser liberada sob a forma de luz, quando o material for aquecido.

• Quando o processo de fosforescência é acelerado por um aquecimento do cristal, o efeito é denominado

termoluminescência (TL) e os materiais são chamados fósforos termoluminescentes.

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

Os tipos mais comuns de materiais TL são os seguintes:

•Fluoreto de lítio dopado com manganês (LiF:Mn) para dosimetria individual;

•Borato de lítio dopado com manganês (Li2B4O7:Mn) para dosimetria de altas doses;

•Fluoreto de cálcio dopado com disprósio (CaF2:Dy) para monitoração ambiental; e

•Sulfato de cálcio dopado com disprósio (CaSO4:Dy) também para a monitoração ambiental.

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

• A radiação ionizante produz no cristal pares de elétrons-lacunas, que migram através do mesmo até se recombinarem ou serem capturados em armadilhas. • Aquecendo-se o cristal, os elétrons, absorvendo energia

térmica, escapam das armadilhas, indo para a banda de condução.

• Podem, então, movimentar-se livremente no cristal até se recombinarem com uma lacuna aprisionada, eventualmente emitindo luz.

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Dosimetria Termoluminescente (TLD)

• Num cristal inorgânico perfeito os níveis energéticos eletrônicos atômicos externos são ampliados numa série de bandas energéticas contínuas permitidas separadas pelas regiões de energias proibidas.

•A banda preenchida é chamada de banda de valência e é separada por vários elétron volt da banda vazia chamada de banda de condução.

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

O intervalo de energia entre as bandas de valência e condução determina a temperatura necessária para liberar o elétron e produzir a termoluminescência e é característica do material usado.

Geralmente, são produzidos muitos elétrons aprisionados e lacunas. Quando a temperatura do cristal é aumentada,

• a probabilidade de liberar um elétron de sua armadilha é aumentada,

• a quantidade de luz emitida será fraca em baixas temperaturas, passa por um ou dois picos máximos em altas temperaturas e diminui novamente para zero quando os elétrons que se encontravam na armadilha não mais existirem.

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Dosimetria Termoluminescente (TLD)

Após a exposição o material TLD é aquecido.

Quando a temperatura é aumentada, os elétrons e as lacunas armadilhados migram e se combinam, com o acompanhamento da emissão de fótons com energias de poucos eV.

Alguns destes fótons entram num tubo fotomultiplicador e produzem um sinal elétrico.

O material é comumente processado no leitor TLD, que aquece automaticamente o material, mede o rendimento de luz em função da temperatura, e registra a informação na forma de uma curva de aquecimento

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

• A curva de emissão é a melhor característica de um fósforo termoluminescente. • Representa a luz emitida

pelo cristal em função da temperatura ou do tempo de aquecimento e consiste de vários picos. • Cada um deles está

associado a uma determinada armadilha e é caracterizado pela temperatura em que ocorre o máximo de emissão.

CURVA DE EMISSÃO

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

• Uma curva de luminescência típica apresenta um ou mais picos (máximos) quando as armadilhas de vários níveis de energia são esvaziadas. A altura relativa dos picos indica aproximadamente o número de elétrons relativo existente nas várias armadilhas.

• Tanto a quantidade de luz total emitida durante parte ou toda a curva de luminescência como a altura de um ou mais picos podem ser usados como medida da dose absorvida no material TL ou a exposição no ar.

• Se for utilizado uma altura de pico para medida da dose, o ciclo de aquecimento deve ser reprodutível para evitar flutuações na altura de pico.

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Leitura do TLD

– Período de pré-aquecimento • Sem integração da quantidade de

luz para discriminar contra aprisionamentos instáveis de baixa temperatura

– Período de leitura

• Duração da emissão da parte da curva de luminescência a ser lida como medida da dose

– Período de aquecimento • Durante o qual o restante da

energia armazenada é eliminada sem a integração da quantidade de luz

– Período de resfriamento • Após o aquecedor de potência

panorâmica ter sido desligado

Dosimetria Termoluminescente (TLD)

São utilizados vários tipos de materiais DTL.

O sulfato de cálcio ativado com manganês, CaSO4 : Mn, é suficientemente sensível para medir doses da ordem de μGy. Suas armadilhas são relativamente superficiais, portanto, possui a desvantagem da “perda de informação” significativa em 24 h. O CaSO4 : Dy é bem melhor.

Um outro cristal DTL popular é o LiF, que possui defeitos e impurezas inerentes e não necessita a adição de ativadores.

Exibe perda de informação desprezível e a sua composição atômica é muito próxima à do tecido.

Pode ser usado para medir as doses de radiação gama no intervalo de aproximadamente μGy – 10 mGy.