RAIOS GAMA PRINCÍPIOS FÍSICOS E. Prof. Emery Lins Curso Eng. Biomédica

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RAIOS GAMA – PRINCÍPIOS FÍSICOS E

INSTRUMENTOS

Prof. Emery Lins

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Geração de Raios Gama

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Geração de Raios gama

• Raios-γ são as radiações eletromagnéticas de mais alta energia (acima de 120 KeV) originadas de transições eletrônicas e

efeitos relativísticos de partículas altamente energéticas.

• Devido à sua característica, os raios gama-γ tem um alto poder • Devido à sua característica, os raios gama-γ tem um alto poder

de penetração nos tecidos biomédicos.

• São aplicados em tratamentos de tumores e sistemas de imagens médicas (PET)

• Os raios-γ podem ser produzidos de formas semelhantes aos raios-x (Bremsstrahlung, radiação característica e efeito compton)

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Bremsstrahlung

Diâmetro do átomo ≈ 10-10 m

Diâmetro do núcleo ≈ 10-14 m

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Geração de Raios gama

Fusão Nuclear

• É o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico.

• A fusão nuclear requer alta energia para acontecer, e geralmente libera ainda mais energia que consome.

• Fusões de elementos mais leves que o ferro e o níquel (que são os núcleos mais estáveis) liberam energia; com elementos mais pesados há consumo.

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Geração de Raios gama

Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio)

• Devido às altas temperaturas dentro de uma estrela, tanto o hidrogênio, quanto o Hélio existem em uma forma totalmente ionizada, isto é sem, os seus elétrons orbitantes.

• Como o combustível principal de uma estrela é o hidrogênio, deve existir um processo anterior de produção de Nêutrons.

• A criação de nêutrons ocorre inicialmente pela colisão entre dois prótons. O resultado é um novo núcleo formado por um próton e um nêutron chamado de deutério (²H).

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Geração de Raios gama

• Pela conservação das cargas uma partícula com a carga positiva faltante deve ter sido criada.

• Pela conservação das massas há uma diferença de massas entre os dois lados da equação. A conclusão é que um pósitron também precisa estar na equação, de forma que:

• Este seria o processo esperado para a criação de nêutrons a partir de prótons

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Geração de Raios gama

• Pela conservação de energias e do momento do sistema, uma nova

partícula, sem massa, mas com energia e momento, deve ser adicionada. Essa partícula é nominada neutrino:

• Nesta reação os neutrinos podem carregar energias de até 0.42 MeV (raios gama)

• Outro processo importante é a aniquilação do pósitron seguido da emissão de raios gama

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Geração de Raios gama

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo

• É a desintegração de um núcleo através da emissão de energia em forma de radiação.

• A radiação pode se propagar por meio de partículas (radiação corpuscular) ou por meio de ondas (radiação eletromagnética).

• A quantidade de material radioativo, expressa em número de átomos radioativos decaindo por segundo é chamada Atividade (A) e a unidade é o Curie (Ci).

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo

• 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações por segundo (dps). • 1 dps = 1Bequerel (Bq)

• 1 dps = 1Bequerel (Bq)

• Em medicina nuclear a ordem de grandeza praticada é o mCi.

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo constante

• O decaimento é um processo aleatório. É impossível

determinar quais átomos de uma molécula estaram sofrendo o decaimento radioativo em um instante de tempo t.

decaimento radioativo em um instante de tempo t.

• Porém, a observação científica revela que a taxa de átomos decaindo (A) é proporcional ao número de átomos instáveis. A proporcionalidade é substituida pela igualdade considerando uma constante λ (constante de decaimento)

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Geração de Raios gama

• O sinal negativo revela que a taxa diminui ao longo do tempo. • Como resultado temos:

• Como resultado temos: N = N₀ e-λt

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Geração de Raios gama

• O tempo de meia-vida é o tempo para a concentração de partículas instáveis reduzir à metade

• Como resultado temos: λ = ln2/(T_1/2) = 0.693/(T_1/2)

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo α

• Decaimento espontâneo onde há emissão de um núcleo de Hélio (2 prótons + 2 nêutrons).

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo β- _(negatron)

• Decaimento espontâneo onde há emissão de um partícula

similar ao elétron. Ocorre quando o núcleo possui o número de nêutros muito maior que o de prótons.

nêutros muito maior que o de prótons.

• Há emissão de antineutrinos, partículas subatômicas , com carga elétrica neutra e massa infinitesimal.

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo β+ _(positron)

• Decaimento espontâneo onde há emissão de um partícula

oposta ao elétron (elétron com carga positiva). Ocorre quando o núcleo possui o número de nêutros muito menor que o de o núcleo possui o número de nêutros muito menor que o de prótons.

• Há emissão de neutrinos, partículas subatômicas , com carga elétrica neutra e massa infinitesimal.

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Geração de Raios gama

Decaimento radioativo por captura de elétron

• Decaimento não-espontâneo onde o núcleo captura um elétron da camada mais próximo (K ou L), convertendo um próton em um nêutron e emitindo um neutrino.

próton em um nêutron e emitindo um neutrino.

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Geração de Raios gama

Transação isomérica

• Decaimento espontâneo sem emissão de radiação α ou β, só gama.

• Um átomo é convertido em um átomo-filho, em um estado excitado. A emissão de radiação gama estabiliza o átomo.

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Geração de Raios gama

Esquemas de Decaimento radioativo

A _{X (alta energia)} A

ZX (alta energia)

Captura de

Elétron estado excitado

A (Z-1)Y* A (Z-1)Y β+ A (Z-1)Y Isomérica

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Geração de Raios gama

Raio-γ Ciclotron e Síncrotron

• Partículas carregadas são freadas (aceleradas) a passar por um campo magnético intenso

• A partícula descreve trajetória em aspiral e emite radiação continuamente

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Geração de Raios gama

Raio-γ Ciclotron e Sincontron

• Partículas são aceleradas artificialmente por campos

magnéticos de alta intensidade dentro de um sistema de aceleração de partículas

aceleração de partículas

• Só podem ser obtidos artificialmente ou na natureza em campos magnéticos estelares

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Geração de Raios gama

Raio-γ Sincontron

• A emissão de radiação gama ocorre quando as partículas carregadas e aceleradas são desaceleradas pelos campos magnéticos para estabilizar o núcleo

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Geração de Raios gama

Geração e aniquilação de pares

• A geração de pares (1 elétron e 1 pósitron) ocorre quando um fóton altamente energético atinge a vizinhança do

núcleo núcleo

• A energia do fóton deve ser maior que a energia de repouso do elétron (E = mc2 _{= 1,022 MeV)}

• A energia do fóton excedente à massa de repouso é convertida em energia cinética das partículas devido à conservação da energia e do momento

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Geração de Raios gama

Aniquilação de pares

• Se a energia cinética das partículas é ~ nula, elas são denominadas

partículas em repouso partículas em repouso

• Então aumenta a probabilidade do par de partículas se aniquilarem. • As duas partículas são convertidas

em dois fótons gêmeos e anti-paralelos (conservação angular)

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Geração de Raios gama

Aniquilação de pares

• A energia desses dois fótons

criados é obrigatoriamente igual entre eles no valor de 511 KeV, entre eles no valor de 511 KeV, ainda raios-γ

• Esse efeito é o princípio

fundamental da técnica PET (Pósitron Emitted Tomography)

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Geração de Raios gama

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Tipos de detectores

• Detectores preenchidos com gás: consiste de um

volume de gás entre dois eletrodos

• Nos Detectores cintilográficos, a interação da

radiação ionizante produz UV e/ou luz visível

• Detectors semicondutores são compostos por cristais

puros de silício, germanium ou outro material que

em função da presença de impuridades atue como

um diodo

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Tipos de detectores

• Detectores também podem ser classificados pelo

tipo de informação produzida:

– Detectores Geiger-Mueller (GM), indicam o número de interações ocorrendo que estão ocorrendo no detector – Detectores que fornecem informação sobre a distribuição – Detectores que fornecem informação sobre a distribuição

de energia da radiação incidente, como os detectores cintilográficos de NaI, são chamados espectrômetros – Detectores que mostram um conjunto de energias

depositados no aparelho por multiplas interações são chamados dosímetros

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Modos de operação

• No modo pulsado, o sinal de cada interação é

processado individualmente.

• No modo corrente, o sinal elátrico individual

das individual das interações são consideradas

ao mesmo tempo e a média do sinal é

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Taxa de Interações

• O principal problema dos detectores que operam no

modo pulsado é que duas interações precisam estar

separadas por um tempo finito para produzir sinais

distintos.

• Este intervalo é chamado por dead time do sistema

• Se uma segunda interação ocorre neste intervalo,

este sinal estará perdido; se ocorre perto o suficiente

da primeira interação, ele pode distorcer o sinal da

primeira interação.

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Dead time

• O Dead time de um sistema de detcção é

determinado pelos dead time dos componentes do

sistema

– Em um detector o contador GM tem longos dead time

– Em um analizador multicanal o conversor analógico-digital tem o mais longo dead time

• Contadores GM tem dead time variando entre

dezenas e centenas de microssegundos, enquanto os

outros sitemas respondem um unidades de

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Paralizável e não-paralizável

• Em um sistema paralizável, uma interação que

ocor re durante o dead time extende o dead

time.

• Em um sistema não-paralizável isso não ocorre

• A altas taxas de interação, um sistema

paralizável está apto a detectar qualquer

interação depois da primeira, levando o

detector a mostrar a contagem nula.

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Operação em modo corrente

• No modo corrente, toda informação sobre interações

individuais é perdida.

• Se o conjunto de cargas elétricas coletada de cada

interação é proporcional à energia depositada pela

interação, então a corrente da rede é proporcional à

dose sobre o material do detector

• Esse tipo de operação é usado em detectores

submetidos a altas taxas de interação

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Espectroscopia

• A maioria dos espectrômetros operam no modo

pulsado

• A amplitude de cada pulso é proporcional à energia

depositada no detector pela interação causada pelo

pulso.

• A energia depositada por uma interação não é

sempre a energia total da radiação incidente

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Espectroscopia

• Um espectro pulsado é normalmente descrito como

um gráfico do número de interações que entrega um

conjunto de energias particulares ao espectrômetros

em função da energia.

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Eficiência da detecção

• A eficiência (sensibilidade) de um detector é a

medida da habilidade de detectar radiações

• A eficiência de um sistema de detecção

operando em modo pulsado é definido como

a probabilidade da radiação emitida por uma

fonte ser detectada

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detector

reaching

Number

Efficiency

emitted

Number

detected

Number

Efficiency

×

=

efficiency

Intrinsic

efficiency

Geometric

Efficiency

detector

reaching

Number

detected

Number

emitted

Number

detector

reaching

Number

Efficiency

×

=

×

=

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Eficiência intrínseca

• Frequentemente chamada de eficiência quântica de

detecção (quantum detection efficiency ou QDE)

• É determinada pela energia da radiação e pelo

número atômico, densidade e espessura do detector

• Para um feixe paralelo de radiações monoenergéticas

incidente sobre um detector de espessura uniforme

x

e

−µ

=

1 -efficiency

Intrinsic

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Detectores

preenchidos com gás

• Um detector preenchido com gás consiste de um

volume de gás entre dois eletrodos, com uma tensão

aplicada entre os eletrodos

• A radiação ionizante produz íons positivos ou

negativos e elétrons no gás

• Íons positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo

negativo (catodo); elétrons ou ânions são atraídos

para o eletrodo positivo (anodo)

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Detectores

preenchidos com gás

• Geralmente o catodo é a própria parede do

recipiente que envolve o gás e o anodo é um fio

dentro do recipiente.

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Tipos de detectores

preenchidos com gás

• Há três tipos mais comuns de detectores

preenchidos com gás:

– Câmaras de ionização

– Contadores proporcionais

– Contadores Geiger-Mueller (GM) – Contadores Geiger-Mueller (GM)

• O tipo determina principalmente a tensão aplicada

entre os dois eletrodos

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Tipos de detectores

preenchidos com gás

• Camaras de ionização tem uma vasta opção de

formas (placas paralelas, cilindros concêntricos, etc.)

• Contadores proporcionais e contadores GM precisam

ter um fio fino como anodo

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Câmaras de ionização

• Se o gas for o ar e as paredes da câmara são de um

material em que o número atômico efetivo é similar

ao ar, então a corrente produzida é proporcional à

taxa de exposição

• Íons de câmaras preenchidas com ar são usados em

medidores portáteis para realizar testes de qualidade

de diagnóstico e terapêutica em equipamentos de

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Câmaras de ionização

• As eficiências intrísecas das câmaras são baixas por

causa da baixa densidade dos gases e baixo número

atômico das moléculas da maioria dos gases

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Contadores proporcionais

• A maioria contém um gás com propriedades

específicas

• São usados em laboratórios de padronização e

na pesquisa

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Contador GM

• Contadores GM também contém gases com

propriedades específicas

• O gás produz bilhões de íons após uma interação,

mas o sensor só requer uma baixa amplificação

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Contador GM

• Em geral são pouco eficientes na detecção de raios

gama ou raios x

• Sobre-medida quando a radiação é de baixa energia,

a qual é parcialmente corrigida ao colocar uma

camada fina de um material com alto número

atômico na frente do detector

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Contadores GM

• Contadores GM sofrem com longos tempos de dead

times – por isso são raramente usados em medidas

de precisão onde a taxa de contagem é maior que

dezenas de milissegundos

• Contadores GM portáteis podem se tornar

medidores paralizáveis em um campo de radiação

muito alto – neste caso as câmaras de ionização

devem ser usadas

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Detectores cintilográficos

• São usados em radiografia convencional (baseada em

filmes), na maioria dos detectores radiográficos

digitais, fluoroscópios, câmaras de cintilografia,

scaners de CT e scaners de PET

• Detectores cintilográficos são compostos por um

detector cintilográfico seguido de uma

fotomultiplicadora, que converte a luz em sinal

elétrico

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Cintiladores

• Propriedades Desirable properties:

– Alta eficiência de conversão

– Curtos tempos de caimento do estado excitado – Material transparente à sua própria emissão – Emite cores altamente detectáveis pelo sensor – Emite cores altamente detectáveis pelo sensor

– Para detecção de raios gama e raios x, o µ deve ser largo para uma detecção eficiente