ipen ESTABELECIMENTO DE CAMPOS PADRÕES DE RAIOS-X DE ENERGIA BAIXAS, NÍVEL RADIOPROTEÇÃO, PARA CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS ELIANE CARMO OLIVEIRA

DE SAO fWULO

ESTABELECIMENTO DE CAMPOS PADRÕES DE RAIOS-X

DE ENERGIA BAIXAS, NÍVEL RADIOPROTEÇÃO, PARA

CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS

ELIANE CARMO OLIVEIRA

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 p a r t e dos r e q u i s i t o s p a r a o b t e n ç ã o d o Grau de M e s t r e em Ciências na Á r e a de T e c n o l o g i a Nuclear. O r i e n t a d o r : Or. L i n d a V. E. Caldas

Sâo Paulo

1995

ESTABELECIMENTO DE CAMPOS PADRÕES DE

RAIOS-X DE ENERGIAS BAIXAS, NÍVEL

RADIOPROTEÇÃO, PARA CALIBRAÇÃO DE

INSTRUMENTOS

ELIANE C A R M O OLIVEIRA

Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear.

Orientadora: Dra. Linda V . E. Caldas

SÃO PAULO

1995

A g r a d e ç o

À Dra. Linda V. E. Caldas pela orientação e oportunidade de desenvolver este trabalho;

I A o Sr. M a r c o s Xavier, do Serviço de Calibração e Dosimetría, pelas

s u g e s t õ e s e c o m p a n h e r i s m o durante o d e s e n v o l v i m e n t o deste trabalho;

A o Sr. J o s é Carlos Sabino, d a Oficina M e c â n i c a do IPEN, pela confecção : dos filtros a d i c i o n a i s , conjunto de colimadores e respectivo suporte do sistema de calibração de raios-X;

A o Srs. ClaUdinei T. Cescon e Víctor Vivólo, da Divisão de Eletrônica do IPEN, pelo auxílio na solução dos problemas apresentados pelos equipamentos; \

; A o s Srs. Paulo E, de O. Lainetti e José A n t o n i o B. de Souza, do D e p a r t a m e n t o dé T e c n o l o g i a do C o m b u s t í v e l , pelo f o r n e c i m e n t o de material para a c o n f e c ç ã o d o s filtros adicionais das q u a l i d a d e s de c a m p o s nivel Radioproteção;

A o s p e s q u i s a d o r e s M a n o e l R a m o s e Margareth Araújo, do Instituto de R a d i o p r o t e ç ã o e Dosimetría, pela calibração do sistema de medida utilizado na i implantação das qualidades de c a m p o s nível Radioproteção;

À Prof. D r a . Marília T. Cruz, do Instituto de Física d a Universidade de São Paulo, pelo e m p r é s t i m o d a câmara de ionização utilizada na determinação das taxas de e x p o s i ç ã o das qualidades de c a m p o s nível Radioproteção implantadas;

A o C N P q pelo auxílio financeiro;

A o s m e u s irmãos e sobrinha, pelo carinho;

CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS

Eliane Carmo Oliveira

RESUMO

F o r a m estabelecidas sete q u a l i d a d e s de c a m p o s p a d r õ e s de raios-X de energias baixas, nível R a d i o p r o t e ç ã o , no Laboratório d e C a l i b r a ç ã o d o IPEN. Estes c a m p o s de radiação r e p r o d u z e m cinco das q u a l i d a d e s i m p l a n t a d a s no National Physical Laboratory, Inglaterra, c o m energias entre 16 e 3 8 keV, e duas q u a l i d a d e s r e c o m e n d a d a s pela International S t a n d a r d O r g a n i z a t i o n , c o m energias d e 33 e 4 8 keV. A s c o n d i ç õ e s d e c a l i b r a ç ã o d e i n s t r u m e n t o s , nível R a d i o t e r a p i a , entre 14 e 21 keV, t a m b é m f o r a m t e s t a d a s . Foi e s t u d a d a a d e p e n d ê n c i a energética de tipos diferentes d e m o n i t o r e s d e r a d i a ç ã o portáteis, c o m o c â m a r a s de ionização e detectores Geiger-I\yiüller.

INSTRUMENTS

Eliane Carmo Oliveira

ABSTRACT

Seven s t a n d a r d l o w e n e r g y X-rays fields w e r e e s t a b l i s h e d , R a d i o p r o t e c t i o n level, at the Calibration Laboratory of IPEN. Five of t h e standard calibration qualities used at t h e National Physical Laboratory, E n g l a n d , with e n e r g i e s b e t w e e n 16 a n d 38 keV, a n d two r e c o m m e n d e d by t h e International S t a n d a r d O r g a n i z a t i o n , with energies of 33 a n d 4 8 keV, w e r e r e p r o d u c e d . T h e calibration conditions, R a d i o t h e r a p y level, f r o m 14 to 21 keV, w e r e also verified. Different portable radiation monitors a s ionization c h a m b e r s a n d Geiger-Müller d e t e c t o r s w e r e studied in relation to their e n e r g y d e p e n d e n c e .

SUMARIO

1 INTRODUÇÃO 1

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Sistema de Raios-X de Energias Baixas (60 kV) 2 6

3.2 Sistemas d e M e d i d a 2 8 3.3 Instrumentos Auxiliares 2 9

4 TESTES PRELIMINARES

4.2 Teste de Repetibilidade da C â m a r a M o n i t o r a 35 4.3 V a r i a ç ã o d a Resposta d a C â m a r a M o n i t o r a c o m a Corrente

A p l i c a d a ao T u b o de Raios-X 35 4.4 U n i f o r m i d a d e dos C a m p o s de R a d i a ç ã o P r o d u z i d o s 37

4.5 C o n s t r i b u i ç ã o da R a d i a ç ã o E s p a l h a d a às M e d i d a s Obtidas 45

QUALIDADES DE CAMPOS NÍVEL RADIOTERAPIA

5.1 R e p r o d u ç ã o d a s Qualidades de C a m p o s Nível R a d i o t e r a p i a 48 5.2 D e t e r m i n a ç ã o dos Fatores de Calibração p a r a o Sistema de

M e d i d a A, para as Qualidades de C a m p o s Nível

R a d i o t e r a p i a 53 5.3 Calibração d o s Sistemas de M e d i d a C e D nos C a m p o s

de Raios-X de Energias Baixas Nível R a d i o t e r a p i a 55

QUALIDADES DE CAMPOS NÍVEL RADIOPROTEÇÃO

6.1 Escolha das Q u a l i d a d e s de C a m p o s a s e r e m I m p l a n t a d a s 57 6.2 A l t e r a ç õ e s N e c e s s á r i a s no Sistema de Calibração 59 6.2.1 C o n f e c ç ã o do Suporte e R e s p e c t i v o s C o l i m a d o r e s 60 6.2.2 C o n f e c ç ã o dos Filtros A d i c i o n a i s R e f e r e n t e s às Q u a l i d a d e s de C a m p o s Nível R a d i o p r o t e ç ã o 62 6.3 D e t e r m i n a ç ã o das C S R s das Q u a l i d a d e s d e C a m p o s NPL Implantadas 66 6.4 Q u a l i d a d e s de C a m p o s ISO de Energias Baixas Nível

R a d i o p r o t e ç ã o 69 6.5 D e t e r m i n a ç ã o das Taxas de E x p o s i ç ã o e d o s Fatores

de C a l i b r a ç ã o para o Sistema de m e d i d a E, p a r a as

7.1 C a l i b r a ç ã o e T e s t e s de C â m a r a s d e Ionização 78 7.2 C a l i b r a ç ã o e T e s t e s de Detectores Geiger-Müller 86 7.3 T e s t e s realizados c o m C a n e t a s Dosimétricas 92

8 CONCLUSÕES 97

C o m o crescente a u m e n t o da aplicação da radiação ionizante na Indústria, Medicina e A g r i c u l t u r a , sob a f o r m a de irradiadores, e q u i p a m e n t o s de raios-X e fontes n ã o - s e l a d a s , 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

instrumentos q u e p e r m i t e m medir os efeitos diretos e indiretos p r o v o c a d o s pela radiação, c o m o objetivo de controlá-los. Entre esses instrumentos estão os c h a m a d o s "monitores de radiação", utilizados e m R a d i o p r o t e ç ã o , e os. "dosímetros clínicos", utilizados e m Radioterapia. A utilização e os propósitos para os quais se a p l i c a m e s s e s instrumentos e x i g e m q u e suas r e s p o s t a s estejam dentro 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 e s p e c í f i c a s ^ d e f o r m a a garantir a confiabilidade nos resultados das m e d i d a s o b t i d a s .

Essa confiabilidade p o d e ser a s s e g u r a d a através da c a l i b r a ç ã o dos instrumentos, de onde se o b t é m o fator de calibração, q u e é u m fator multiplicativo q u e converte o valor indicado nos instrumentos p a r a o que se c h a m a de "valor real" da g r a n d e z a m e d i d a .

Os p r o c e d i m e n t o s utilizados para a calibração v a r i a m de a c o r d o c o m o tipo de instrumento a ser calibrado, c o m o tipo de radiação (alfa, beta, g a m a o u X) e a energia da radiação que este instrumento irá detectar e, a i n d a , c o m o propósito para o qual o instrumento s e r á utilizado (monitoração pessoal o u de área, por exemplo).

1. Calibração de d o s í m e t r o s clínicos, nivel R a d i o t e r a p i a , c o m radiação g a m a de Co e Cs;

2. Calibração de d o s í m e t r o s clínicos, nivel R a d i o t e r a p i a , c o m raios-X (60 kV); 3. Calibração de monitores portáteis, nível R a d i o p r o t e ç ã o , c o m radiação g a m a de

' ° C o e ^^'Cs;

4. Calibração de instrumentos, níveis Radioterapia e R a d i o p r o t e ç ã o , c o m radiação beta de ' ' ' P m , ' ° ' T I e '°Sr + '°Y; e

5. Calibração de instrumentos, nível R a d i o p r o t e ç ã o , c o m radiação alfa de ^''^Am, ^^^Pu, ^^'Pu, '^^Cm e ^^^U.

No c a s o da utilização de sistemas de raios-X para calibração de instrumentos, o m e s m o sistema pode ser usado e m p r o c e d i m e n t o s de calibração níveis Radioterapia e Radioproteção. Neste caso, d e v e m ser c o n s i d e r a d o s j

alguns f a t o s , tais como^^: ¡

i

1. E n q u a n t o q u e e m p r o c e d i m e n t o s de Radioterapia são utilizadas altas taxas de | exposição, e m R a d i o p r o t e ç ã o tais taxas são b e m m e n o r e s . S e n d o a s s i m , para j se obter taxas m e n o r e s torna-se necessário aplicar correntes m e n o r e s ao t u b o de raios-X, utilizar filtraçao adicional mais e s p e s s a e distâncias de calibração mais longas;

2. Os instrumentos utilizados e m R a d i o p r o t e ç ã o t ê m v o l u m e s m a i o r e s que aqueles utilizados e m Radioterapia, e, portanto, o c a m p o de radiação produzido deve ter diâmetro maior, q u e é obtido por meio de c o l i m a d o r e s maiores;

3. Devido à n e c e s s i d a d e de se calibrar os instrumentos a distâncias maiores para produzir taxas de exposição menores, a sala de calibração d e v e possuir d i m e n s õ e s maiores c o m o f o r m a de reduzir a radiação e s p a l h a d a p r o d u z i d a nas p a r e d e s e no teto.

mais confiáveis no seu c a m p o de trabalho, c o n h e c e n d o - s e a d e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a d o s instrumentos e m q u e s t ã o . A l g u n s instrumentos p o d e m apresentar v a r i a ç õ e s de r e s p o s t a de 50 % ou mais, d e p e n d e n d o da faixa de energia dos c a m p o s de radiação que irão detectar.

A l é m disso, a n e c e s s i d a d e de se c o n h e c e r o c o m p o r t a m e n t o dos instrumentos p a r a c a m p o s de energias baixas p o d e ser explicada q u a n d o se c o n s i d e r a a p r o d u ç ã o de radiação e s p a l h a d a e m paredes, teto e chão, n o s ' próprios locais de o p e r a ç ã o o n d e está situado o e q u i p a m e n t o ou a fonte r e s p o n s á v e l pela radiação. Normalmente, o espectro d a radiação espalhada | p r o d u z i d o a p r e s e n t a uma faixa mais larga de energia, que pode variar de poucos keV até a e n e r g i a máxima a p r e s e n t a d a pelo feixe primário produzido. Outro fato importante a ser c o n s i d e r a d o é a p r e s e n ç a de radiação de f u g a , que pode ser c o n s t a t a d a ao se realizar u m a monitoração de área para verificar as condições de r a d i o p r o t e ç ã o no local de trabalho. Neste caso, o feixe primário produzido, ao atravessar u m a parede, é a t e n u a d o e, d e p e n d e n d o de sua energia, t a m b é m pode produzir u m c a m p o de radiação c o m espectro mais largo de e n e r g i a nas salas vizinhas à q u e l a onde está localizado u m d o s tipos de equipamentos m e n c i o n a d o s .

O e s t u d o d a d e p e n d ê n c i a energética de u m instrumento t a m b é m pode se tornar interessante após u m serviço de m a n u t e n ç ã o . C o n h e c e n d o sua d e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a , p o d e - s e constatar se o c o r r e u a troca de um tubo G e i g e r - M ü l l e r por u m outro t u b o c o m características muito diferentes daquelas a p r e s e n t a d a s pelo tubo original, o que p o d e alterar o c o m p o r t a m e n t o de tal instrumento, n o r m a l m e n t e apresentado e m manual.

O objetivo deste projeto é estabelecer os c a m p o s padrões de raios-X de e n e r g i a s baixas, nível Radioproteção, calibrar, testar e estudar a d e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a de instrumentos (monitores portáteis).

Neste capítulo serão apresentados alguns a s p e c t o s teóricos e experimentais básicos sobre a utilização de sistemas de raios-X para a calibração de instrumentos, a l é m de definições d e alguns termos, a p r e s e n t a ç ã o de sistemas de m e d i d a utilizados na implantação de c a m p o s de raios-X, procedimentos de calibração e tipos de detectores a gás q u e se pretende calibrar.

2.1 Produção de Raios-X e Qualidades dos Campos

Produzidos

Os ralos-X sâo produzidos por transições eletrônicas internas, onde o excesso de e n e r g i a é eliminado na f o r m a de radiação e l e t r o m a g n é t i c a m o n o e n e r g é t i c a (raios-X característicos), o u sempre q u e u m material for b o m b a r d e a d o por um feixe de elétrons c o m alta v e l o c i d a d e .

T o d o tubo de raios-X é constituído por urn c á t o d o e u m a n o d o , c o m o mostra a Figura 2 . 1 , localizados n u m a a m p o l a de vidro na qual se produz v á c u o . O cátodo consiste de um filamento constituído de material de alto n ú m e r o atômico, geralmente t u n g s t ê n i o . Q u a n d o este filamento é a q u e c i d o , os elétrons são liberados de sua superfície e são acelerados pela diferença de potencial entre o cátodo e o a n o d o , t a m b é m c h a m a d o de alvo do t u b o .

pelo a n o d o , p r o d u z e m raios-X, q u e são d e n o m i n a d o s radiação de f r e n a m e n t o oul "Bremsstrahiung", e m todas as direções. Pelo menos metade d e s s e s elétrons! são a b s o r v i d o s no próprio alvo; o restante constitui o q u e se c h a m a d e "feixe primário". A maior parte da energia d o s elétrons é c o n v e r t i d a e m calor q u e deve ser r e m o v i d o do a n o d o por um sistema de refrigeração a óleo ou a á g u a .

óleo

TTT

'/7777>r.

Conector

Anodo

Filamento Janela Feixe de do Raios-X Tubo

Figura 2.1 - E s q u e m a básico de u m tubo d e raios-X

Para e n t e n d e r a o p e r a ç ã o do circuito d e u m tubo d e raios-X é necessário saber q u e a corrente do tubo d e p e n d e d a t e n s ã o aplicada, para u m a d e t e r m i n a d a excitação d o filamento. Q u a n d o se aplica u m a tensão baixa ao t u b o , a corrente p r o d u z i d a é p e q u e n a devido a o s efeitos d a carga espacial. A o redor d o filamento é f o r m a d a u m a n u v e m de elétrons q u e t e n d e a repelir o s elétrons liberados d e volta ao f i l a m e n t o , a menos q u e se aplique u m a tensão suficiente entre o cátodo e o a n o d o para expulsar os elétrons e e m p u r r á - l o s e m direção a o a n o d o assim q u e eles são produzidos. A o aumentar a tensão, os efeitos d a c a r g a espacial d i m i n u e m f a z e n d o c o m que o fluxo d e elétrons liberados d o f i l a m e n t o a u m e n t e e

e m que todos os elétrons liberados são atraídos para o a n o d o . Para alcançar a estabilidade n a o p e r a ç ã o d e u m t u b o de raios-X, a c o r r e n t e utilizada p a r a excitar

os elétrons d e v e ser m a n t i d a constante. 1

1

i

i

p r o d u z e m feixes de raios-X f l u o r e s c e n t e s ou c a r a c t e r í s t i c o s e a q u e l e s q u e i p r o d u z e m os feixes de raios-X f o r t e m e n t e filtrados. No caso de feixes de raios-X f l u o r e s c e n t e s utiliza-se u m material p a r a o alvo (folha fina) p a r a a p r o d u ç ã o de , f l u o r e s c e n c i a , o qual é p o s i c i o n a d o a 45° do feixe principal; o feixe de raios-X ' f l u o r e s c e n t e resultante é d e t e c t a d o a 45° da f o l h a , t o t a l i z a n d o u m â n g u l o de 90°

entre o feixe principal e o p r o d u z i d o . , Para o s e g u n d o tipo de t u b o , q u e n o r m a l m e n t e o p e r a c o m potencial

constante, o espectro t e ó r i c o resultante mostra u m a v a r i a ç ã o linear c o m a : e n e r g i a , cujo valor máximo no espectro c o r r e s p o n d e á situação e m q u e a energia cinética a d q u i r i d a pelo elétron a c e l e r a d o é toda utilizada p a r a p r o d u z i r o f ó t o n . P o r é m , na prática, a filtração inerente, c o m p o s t a pelo alvo, pela j a n e l a do tubo e pelo sistema de refrigeração, absorve a parte d o s f ó t o n s de raios-X de menor energia do espectro. Neste trabalho foi utilizado o s e g u n d o tipo de t u b o de raios-X a p r e s e n t a d o (potencial c o n s t a n t e ) .

O espectro de raios-X varia de m á q u i n a para m á q u i n a , o u seja, m e s m o c o m tubos de características iguais, e c o m raios-X p r o d u z i d o s pela m e s m a t e n s ã o a p l i c a d a , alguns efeitos p o d e m provocar g r a n d e s d i f e r e n ç a s entre os espectros p r o d u z i d o s . Isto ocorre de f o r m a mais p r o n u n c i a d a c o m feixes de f ó t o n s de

3 9

energias baixas, devido a diferenças do efeito de a t e n u a ç ã o no ar .

Logo, conclui-se q u e é necessário determinar as características de c a d a sistema, já que o tipo de espectro resultante d a filtração inerente t e m p o u c a validade prática devido à distribuição d a energia d o s f ó t o n s . P a r a se obter u m espectro de maior utilidade sâo a d i c i o n a d o s filtros ao feixe d e raios-X, para modificar o espectro final c o m o , por exemplo, os feixes d e raios-X utilizados e m

energia. Estes filtros d e v e m ser c o n f e c c i o n a d o s c o m material de alta pureza (99,99%), e n o r m a l m e n t e são de aluminio (para tubos d e raios-X abaixo de 100 kV) ou cobre (para tubos acima de 100 k V ou e m conjunto c o m os filtros de aluminio para tubos abaixo de 50 kV)^"^. C o m a adição d e s s e s filtros, o espectro resultante, mais estreito, fornece taxas de e x p o s i ç ã o m e n o r e s e, portanto, mais úteis para a calibração de instrumentos utilizados e m R a d i o t e r a p i a e Radioproteção, por exemplo.

Portanto, no caso dos feixes d e raios-X f o r t e m e n t e filtrados, as filtrações inerente e adicional constituem o q u e se d e n o m i n a de filtração total do feixe. T o d a s estas filtrações c o n s t i t u e m parâmetros importantes na e s p e c i f i c a ç ã o de um feixe e d e v e m ser levados e m c o n s i d e r a ç ã o durante a r e p r o d u ç ã o do m e s m o . A Figura 2.2 mostra o espectro c o n t i n u o modificado pelo a c r é s c i m o das filtrações inerente e total.

sem Filtração

com Filtração Inerente

cora Filtração Total

Energia

C o n c l u i - s e q u e o c o n h e c i m e n t o c o m p l e t o de um feixe d e raios-X n u m pontoj de interesse d e v e incluir não só a g r a n d e z a m e d i d a , m a s t a m b é m informações sobre a q u a l i d a d e da radiação, q u e diz respeito á d i s t r i b u i ç ã o e s p e c t r a l da e n e r g i a do feixe p r o d u z i d o , o u seja, ao poder de p e n e t r a ç ã o d e s t e feixe. A q u a l i d a d e de u m feixe de raios-X de e n e r g i a s baixas o u m é d i a s , utilizados e m propósitos de R a d i o t e r a p i a , é n o r m a l m e n t e e x p r e s s a e m t e r m o s d a c a m a d a s e m i -redutora, e p a r a feixes de raios-X utilizados e m p r o p ó s i t o s de R a d i o p r o t e ç ã o pode ser d a d a e m termos de sua e n e r g i a equivalente^^. A q u a l i d a d e de u m feixe de raios-X é n e c e s s á r i a , por exemplo, p a r a o cálculo d a d o s e a b s o r v i d a , para a c o n v e r s ã o de u m a g r a n d e z a dosimetrica e m outra, p a r a a c a l i b r a ç ã o de instrumentos e para os projetos de e q u i p a m e n t o s r a d i o l ó g i c o s .

A C a m a d a S e m i - R e d u t o r a (CSR) "é a e s p e s s u r a de material a b s o r v e d o r que a t e n u a o feixe de radiação de f o r m a q u e sua intensidade seja r e d u z i d a à metade

2 6

de seu valor inicial" . Nesta definição a contribuição d a r a d i a ç ã o e s p a l h a d a não deve ser considerada^"*'^^.

A d e t e r m i n a ç ã o da C S R de u m feixe de raios-X é f e i t a através da c o n s t r u ç ã o d a c u r v a de a t e n u a ç ã o In(ld) = f(d), o n d e U é a intensidade transmitida através de u m filtro o u a b s o r v e d o r de e s p e s s u r a d^^. Da curva de a t e n u a ç ã o d e t e r m i n a - s e , diretamente, a primeira e a s e g u n d a C S R s . A s e g u n d a C S R é a q u e l a q u e atenua o feixe de radiação de tal f o r m a q u e s u a intensidade seja r e d u z i d a a 2 5 % de s e u valor inicial. O q u o c i e n t e entre a primeira e a s e g u n d a C S R s é d e n o m i n a d o "Coeficiente de H o m o g e n e i d a d e ' , h. Na d e t e r m i n a ç ã o d a CSR, o valor e n c o n t r a d o d e v e estar entre, no m á x i m o , ±2 % (nível Radioterapia) e ±5 % (nível R a d i o p r o t e ç ã o ) , p a r a q u e os c a m p o s de raios-X p r o d u z i d o s sejam c o n s i d e r a d o s de m e s m a e n e r g i a efetiva, s e g u n d o as r e c o m e n d a ç õ e s internacionais e s p e c í f i c a s ' P o r é m , p a r a q u a l i d a d e s de c a m p o s p r o d u z i d a s c o m t u b o s o p e r a n d o abaixo de 50 k\/, as d i f e r e n ç a s

3 9

e n c o n t r a d a s entre valores de C S R r e p r o d u z i d o s p o d e m ser a i n d a maiores .

O s materiais utilizados c o m o filtros adicionais e c o m o a b s o r v e d o r e s , p a r a a d e t e r m i n a ç ã o d a s C S R s , s e g u n d o as r e c o m e n d a ç õ e s i n t e r n a c i o n a i s , d e v e m

I

erros significativos na d e t e r m i n a ç ã o d a taxa d e exposição". A Figura 2.3 mostra um exemplo d e c u r v a de atenuação.

100 r

1 2 3 4 5 6 Espessura de Absorvedor (mm)

A « 1 4 , 1 5

Figura 2.3 - M é t o d o de determinação da C S R por interpolação

A Energia Equivalente, t a m b é m c o n h e c i d a c o m o Energia Efetiva, é definida c o m o a energia d e u m feixe de raios-X m o n o e n e r g é t i c o q u e possui a m e s m a C S R

1 4 15 2 3 3 9

do feixe de raios-X e m questão ' ' ' .

Existem a i n d a dois outros fatores importantes q u e d e v e m ser c o n s i d e r a d o s , mas q u e não f a z e m parte d a determinação d a q u a l i d a d e do c a m p o d e radiação. Estes fatores p o d e m influenciar o valor d a C S R obtido. S ã o eles: a uniformidade do c a m p o e a radiação e s p a l h a d a .

A uniformidade d e v e ser verificada e m t o d a a extensão do c a m p o de radiação no plano normal ao feixe de raios-X para a s s e g u r a r q u e n ã o o c o r r a m variações significantes durante a irradiação d o s instrumentos q u e serão calibrados^'^. Os limites máximos permissíveis de v a r i a ç ã o na u n i f o r m i d a d e de campos de raios-X utilizados na calibração de instrumentos estão entre ±1 %

(nível Radioterapia) e ± 5 % (nível R a d i o p r o t e ç ã o ) , s e g u n d o r e c o m e n d a ç õ e s internacionais^"*'^^.

Q u a n t o à radiação e s p a l h a d a , q u e p o d e ser p r o d u z i d a p e l o s próprios c o m p o n e n t e s d o sistema de c a l i b r a ç ã o , s u a c o n t r i b u i ç ã o às m e d i d a s realizadas d e v e o b e d e c e r aos m e s m o s limites impostos à u n i f o r m i d a d e d o c a m p o de radiação, p a r a c a d a propósito ( R a d i o t e r a p i a e R a d i o p r o t e ç ã o , r e s p e c t i v a m e n t e ) , já q u e s u a c o n t r i b u i ç ã o p o d e a u m e n t a r o valor d a C S R d e t e r m i n a d o e, p o r c o n s e g u i n t e , a e n e r g i a do c a m p o de radiação. Existem v á r i o s m é t o d o s p a r a se verificar a p r e s e n ç a d a radiação e s p a l h a d a . N e s t e t r a b a l h o , os m é t o d o s

utilizados s â o a q u e l e s r e c o m e n d a d o s p e l a ISO^^'^^. E s s e s m é t o d o s serão descritos d u r a n t e a a p r e s e n t a ç ã o d o s resultados o b t i d o s n e s s a v e r i f i c a ç ã o .

C o m r e l a ç ã o à interação c o m a matéria, os raios-X sâo c l a s s i f i c a d o s c o m o radiação e l e t r o m a g n é t i c a , a s s i m c o m o os raios g a m a , por n ã o p o s s u í r e m c a r g a e m a s s a e m r e p o u s o . Os m e c a n i s m o s de interação d a r a d i a ç ã o e l e t r o m a g n é t i c a d e p e n d e m d e s u a e n e r g i a . N e s s e s m e c a n i s m o s , os f ó t o n s s ã o a b s o r v i d o s o u d e s v i a d o s d e s u a trajetória original através d e u m a ú n i c a interação, d e n o m i n a d a "ionização primária", através d a q u a l u m elétron é a r r a n c a d o d e u m á t o m o por diferentes p r o c e s s o s . Esse elétron liberado, c h a m a d o de "elétron secundário", pode possuir q u a s e tanta energia q u a n t o o f ó t o n inicial e, p o r s u a vez, p r o d u z i r á n o v a s i o n i z a ç õ e s até consumir t o d a a s u a e n e r g i a . E m outras p a l a v r a s , p o d e - s e dizer q u e a ionização d a matéria, q u a n d o a t r a v e s s a d a por f ó t o n s , é c o n s e q u ê n c i a d o s elétrons s e c u n d á r i o s , já q u e c a d a f ó t o n e m p r i n c í p i o p r o d u z muito p o u c a s ionizações, o u às v e z e s só u m a ionização.

Os p r o c e s s o s pelos quais os f ó t o n s interagem c o m a m a t é r i a sâo: efeito fotoelétrico, efeito C o m p t o n e p r o d u ç ã o d e pares. Para a f a i x a d e e n e r g i a e s t u d a d a , os p r o c e s s o s de interação p r e d o m i n a n t e s são o efeito fotoelétrico e o efeito C o m p t o n ; portanto, s o m e n t e estes p r o c e s s o s serão a p r e s e n t a d o s a q u i , de f o r m a s u c i n t a .

2.1.1 E f e i t o F o t o e l é t r i c o

Neste p r o c e s s o de interação, u m f ó t o n de e n e r g i a h v interage c o m u m á t o m o d e f o r m a q u e u m elétron seja removido. Este e l é t r o n irá adquirir u m a e n e r g i a cinética igual a (hv - E^), o n d e E^ é a e n e r g i a d e ligação referente à

c a m a d a eletrônica d a qual o elétron foi removido. O f ó t o n d e s a p a r e c e e e m s e u lugar s u r g e u m "fotoelétron" e u m á t o m o excitado, q u e v o l t a r á a s e u estado f u n d a m e n t a l q u a n d o u m outro elétron o c u p a r a "lacuna" g e r a d a pela ejeção do elétron que a o c u p a v a . Neste instante, ocorre a p r o d u ç ã o de raio-X característico, q u e s e r á emitido do material a b s o r v e d o r c o m o radiação f l u o r e s c e n t e o u c o m o r a d i a ç ã o característica e s p a l h a d a . A p r o b a b i l i d a d e d a a b s o r ç ã o fotoelétrica d e p e n d e d a e n e r g i a do f ó t o n incidente e d o n ú m e r o atômico (Z) do materíal absorvedor^^.

2.1.2 E f e i t o C o m p t o n

Este p r o c e s s o d e interação ocorre entre o f ó t o n d a radiação e l e t r o m a g n é t i c a incidente e u m elétron do material a b s o r v e d o r . N e s t e p r o c e s s o , o f ó t o n incidente é defletido de u m â n g u l o 9, e m relação à d i r e ç ã o inicial. O f ó t o n transfere parte de s u a e n e r g i a ao elétron (inicialmente e m r e p o u s o ) , q u e é, então, c h a m a d o de elétron d e r e c u o . O â n g u l o de e s p a l h a m e n t o v a r i a c o m a e n e r g i a do f ó t o n incidente. A p r o b a b i l i d a d e de o c o r r ê n c i a do efeito C o m p t o n por á t o m o do a b s o r v e d o r d e p e n d e do n ú m e r o de elétrons d i s p o n í v e i s c o m o a l v o s , o u seja, d e p e n d e do n ú m e r o a t ô m i c o (Z) deste a b s o r v e d o r , e, p o r t a n t o , a u m e n t a

2 6

2.2 Medida da Radiação

Existem d i v e r s o s tipos de detectores utilizados nas m e d i d a s d a radiação, q u e p o d e m ser c a r a c t e r i z a d o s pela n a t u r e z a d a interação d a r a d i a ç ã o c o m o mesmo. A e s c o l h a d o detector varia de a c o r d o c o m os p r o p ó s i t o s p a r a os quais se p r e t e n d e utilizá-lo. Entre os diversos tipos t ê m - s e o s detectores a gás, os detectores à cintilação, os detectores de n e u t r o n s e os detectores s e m i c o n d u t o r e s . N e s t e trabalho, serão e s t u d a d o s s o m e n t e os d e t e c t o r e s a gás e dentre eles, s o m e n t e as câmaras de ionização e os detectores Geiger-Müller, q u e são os tipos de instrumentos mais utilizados e m p r o c e d i m e n t o s de R a d i o t e r a p i a e de R a d i o p r o t e ç ã o , respectivamente.

O princípio d e f u n c i o n a m e n t o de u m detector a gás baseia-se n a ionização p r o d u z i d a e m s e u v o l u m e s e n s í v e l q u a n d o d a p a s s a g e m d e u m a partícula, c a r r e g a d a ou n ã o . Essa ionização p o d e ser p r o d u z i d a diretamente, no caso de partículas c a r r e g a d a s , o u indiretamente, no caso de partículas não c a r r e g a d a s . Neste trabalho, o s p r o c e s s o s de d e t e c ç ã o o c o r r e m através d a i o n i z a ç ã o indireta, já q u e serão utilizados feixes de raios-X. Esta ionização indireta c o r r e s p o n d e à ionização o r i g i n a d a pelos íons p r o d u z i d o s q u a n d o d a p a s s a g e m de u m a partícula não c a r r e g a d a n a matéria.

Os d e t e c t o r e s p o d e m ser classificados q u a n t o a o s e u r e g i m e d e o p e r a ç ã o , que p o d e ser d o tipo pulso, no caso e m que se t e m u m sinal individual p r o d u z i d o para c a d a p a r t í c u l a incidente, ou do tipo nível médio, o n d e o q u e se m e d e é um sinal q u e r e p r e s e n t a u m efeito médio de muitas interações o c o r r i d a s no v o l u m e s e n s í v e l do detector.

U m d e t e c t o r a gás é constituído, b a s i c a m e n t e , de u m cilindro c o n d u t o r revestido de material condutor, que f u n c i o n a c o m o c á t o d o . O f i l a m e n t o central representa o a n o d o . O v o l u m e do detector é p r e e n c h i d o por g á s o u por u m a mistura de g a s e s , a u m a pressão relativamente baixa. Entre o c á t o d o e o a n o d o é aplicada u m a d i f e r e n ç a de potencial. Q u a n d o u m a p a r t í c u l a , c a r r e g a d a o u não, a t r a v e s s a o g á s no interior do cilindro, o c o r r e a i o n i z a ç ã o e os p a r e s de íons

f o r m a d o s s â o coletados n o s dois eletrodos. A este detector t a m b é m é a c o p l a d o u m amplificador d e sinal. A Figura 2.4 mostra o e s q u e m a básico d e u m detector a g á s . Detector Fonte de Tensão Resistor

Figura 2.4 - E s q u e m a básico d e u m detector a g á s

2.2.1 C â m a r a s d e I o n i z a ç ã o

A s c â m a r a s d e ionização t ê m o princípio de f u n c i o n a m e n t o mais simples de t o d o s os tipos d e detectores a g á s , cuja o p e r a ç ã o n o r m a l é b a s e a d a n a coleta de todas as cargas p r o d u z i d a s por ionização direta. A q u a n t i d a d e d e pares d e íons p r o d u z i d o s d e p e n d e d a e n e r g i a d a radiação ser maior o u m e n o r , o u mais o u m e n o s ionizante; desta f o r m a , a c â m a r a discrimina a e n e r g i a d a radiação e distingue os diferentes tipos d e partículas através d a altura d o sinal produzido. A s c â m a r a s d e ionização t a m b é m p r o d u z e m pulsos d e s a í d a muito p e q u e n o s (porque a p e n a s a c a r g a p r o d u z i d a é coletada) e, deste m o d o , p o d e r ã o ser c o n f u n d i d o s c o m o ruído eletrônico. Sendo assim, t o r n a - s e n e c e s s á r i o acoplar ás c â m a r a s m ó d u l o s d e amplificação d e pulsos.

p _ ( 2 7 3 . 1 5 + t ) x P (2.1) ( 2 7 3 , 1 5 + T ) x p

o n d e FT,P é o fator d e correção de t e m p e r a t u r a e p r e s s ã o , t e p são a t e m p e r a t u r a e p r e s s ã o 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 p a d r õ e s .

N o r m a l m e n t e , o s valores d e T e P são t o m a d o s c o m o referências e iguais a 2 0 °C e 101,3 kPa, respectivamente. O valor d e referência d a u m i d a d e relativa

2 8

normalmente é 50 %. Porém, s e g u n d o L o e v i n g e r & C h a p p e l l , "como a d e p e n d ê n c i a d a 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 Por a p r e s e n t a r e m m e d i d a s mais precisas, as c â m a r a s d e ionização s ã o usadas c o m o instrumentos padrões primários e s e c u n d á r i o s , e s â o a m p l a m e n t e utilizadas n a dosimetria d e raios-X, particularmente n a m e d i d a d e e x p o s i ç ã o e na

d e t e r m i n a ç ã o indireta d e d o s e a b s o r v i d a . |

A e s c o l h a dos materiais, das d i m e n s õ e s e d a s f o r m a s d e u m a c â m a r a de ionização d e p e n d e d a f i n a l i d a d e p a r a a qual a m e s m a será utilizada (para medir exposição o u dose a b s o r v i d a , por exemplo), b e m c o m o do tipo d e r a d i a ç ã o a ser d e t e c t a d a e d e s u a e n e r g i a ; logo, c o n c l u i - s e q u e e x i s t e m v á r i o s tipos d e c â m a r a s de ionização. A l é m d i s s o , as c â m a r a s n o r m a l m e n t e n ã o s ã o s e l a d a s , o u seja, o ar e m seu interior é o m e s m o d o ambiente. Por isso é n e c e s s á r i o q u e se f a ç a a correção d e suas leituras para a d e n s i d a d e d o ar, o u seja, p a r a a t e m p e r a t u r a e a pressão ambientais, através de f a t o r e s multiplicativos. A u m i d a d e t a m b é m p o d e afetar as leituras o b t i d a s c o m esses i n s t r u m e n t o s , p r o d u z i n d o u m a corrente d e n o m i n a d a "corrente d e fuga", o q u e t o r n a n e c e s s á r i o o c o n t r o l e d a u m i d a d e no ambiente do laboratório através d e a p a r e l h o s d e a r - c o n d i c i o n a d o e desumidificadores. A l é m disso, c o s t u m a - s e manter as c â m a r a s , q u a n d o n ã o estão s e n d o utilizadas, e m d e s u m i d i f i c a d o r e s c o n t e n d o sílica. A c o r r e ç ã o d a leitura de u m a c â m a r a d e ionização para as v a r i a ç õ e s d e t e m p e r a t u r a e p r e s s ã o deve ser feita u t i l i z a n d o - s e o fator d e c o r r e ç ã o d e t e r m i n a d o p e l a seguinte expressão^'*:

n o r m a l i z a ç ã o é n e c e s s á r i a se a u m i d a d e relativa estiver entre 10 e 7 0 % durante o p r o c e d i m e n t o de calibração".

C o m o Já foi visto anteriormente, existem vários tipos de c â m a r a s de ionização. Dentre eles tem-se dois tipos de câmaras q u e são c o n s i d e r a d a s do tipo p a d r ã o primário, ou seja, d e t e r m i n a m a e x p o s i ç ã o de f o r m a a b s o l u t a , não n e c e s s i t a n d o de calibração, e o b e d e c e m a p r i n c í p i o s b á s i c o s d a T e o r i a de D o s i m e t r i a d a R a d i a ç ã o . São elas as C â m a r a s de A r Livre, cuja utilização está restrita a e n e r g i a s m e n o r e s q u e 300 keV, e as C â m a r a s de Ionização do T i p o Cavitário, q u e são utilizadas n a d e t e r m i n a ç ã o d a e x p o s i ç ã o n o ar, e m feixes de f ó t o n s de e n e r g i a s altas.

T e m - s e , a i n d a , a C â m a r a de Ionização T i p o Dedal, q u e u n e os p r i n c í p i o s de f u n c i o n a m e n t o das câmaras de ar livre e cavitária, o q u e permite a d e t e r m i n a ç ã o d a e x p o s i ç ã o no intervalo de 4 0 k e V a 3 MeV, utilizando a p e n a s u m instrumento de m e d i d a . Essa c â m a r a não é u m p a d r ã o primário, p o r q u e n ã o m e d e a e x p o s i ç ã o s e g u n d o s u a definição f í s i c a . Logo, ela é muito utilizada c o m o p a d r ã o s e c u n d á r i o , pois p o d e ser p a d r o n i z a d a e m intervalos de e n e r g i a e m relação ás c â m a r a s primárias, o u p o d e ser utilizada t a m b é m e m m e d i d a s rotineiras.

U m a c â m a r a utilizada n a d e t e r m i n a ç ã o d a dose a b s o r v i d a superficial de um material s o b irradiação é a C â m a r a de Extrapolação. E s s a c â m a r a permite medir a d o s e a b s o r v i d a e m f u n ç ã o d a e s p e s s u r a d a c a m a d a d e ar e m s e u interior v a r l a n d o - s e a distância entre s e u s eletrodos. A t r a v é s d a m e d i d a d a ionização p r o d u z i d a por u n i d a d e de v o l u m e de ar, e m f u n ç ã o d a d i s t â n c i a entre os eletrodos, o b t é m - s e u m a m e d i d a p r e c i s a d a d o s e a b s o r v i d a s o b d e t e r m i n a d a e s p e s s u r a de material d e s u a j a n e l a . Essa c â m a r a é e s p e c i a l m e n t e r e c o m e n d a d a p a r a a d e t e c ç ã o de r a d i a ç õ e s p o u c o p e n e t r a n t e s c o m o a radiação beta.

A maioria das c â m a r a s de ionização a p r e s e n t a m alta d e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a p a r a raios-X de e n e r g i a s baixas d e v i d o á a t e n u a ç ã o d o f e i x e e m s u a s próprias p a r e d e s . Portanto, p a r a estas e n e r g i a s , o ideal é utilizar-se c â m a r a s de ionização cujas p a r e d e s sejam f i n a s o suficiente p a r a evitar e s t a atenuação^^, ou

q u e estas c â m a r a s sejam feitas de material q u e t e n h a p r o p r i e d a d e s equivalentes ao ar. N o r m a l m e n t e , esta e q u i v a l ê n c i a é e n c o n t r a d a p a r a materiais de baixo número atômico (tais c o m o a l u m í n i o o u plástico). A s c â m a r a s e s p e c i a l m e n t e projetadas para detectar radiações de energias b a i x a s sâo as c h a m a d a s C â m a r a s de Ionização de Placas Paralelas o u Superficiais. Neste tipo de c â m a r a , os eletrodos sâo d i s t a n c i a d o s entre si de a p r o x i m a d a m e n t e 5 m m , o q u e garante que t o d o s os í o n s p r o d u z i d o s dentro de s e u v o l u m e s e n s í v e l sejam coletados'*. Estas c â m a r a s s ã o utilizadas tanto c o m o p a d r õ e s s e c u n d á r i o s c o m o para m e d i d a s rotineiras d a e x p o s i ç ã o p r o d u z i d a por c a m p o s d e raios-X de e n e r g i a s baixas. Portanto, neste trabalho, n a i m p l a n t a ç ã o das q u a l i d a d e s dos c a m p o s p a d r õ e s foi utilizado somente este tipo d e c â m a r a s , c o m v o l u m e s diferentes.

T o d a s as c â m a r a s de ionização a p r e s e n 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, utilizado n a m e d i d a das correntes p r o d u z i d a s nas c â m a r a s de ionização. U m m e s m o eletrômetro p o d e ser a c o p l a d o a várias c â m a r a s de ionização, d e p e n d e n d o d a o r d e m de g r a n d e z a d a corrente p r o d u z i d a n a c â m a r a e d a e s c a l a do eletrômetro. Desta f o r m a , um m e s m o eletrômetro p o d e f o r m a r vários sistemas de m e d i d a q u a n d o a s s o c i a d o a câmaras de ionização diferentes, tanto quanto ao tipo ( c â m a r a s d e d a l e de placas paralelas, por exemplo) c o m o q u a n t o ao v o l u m e ( c â m a r a s de placas paralelas de v o l u m e s diferentes, utilizadas para diferentes p r o p ó s i t o s - R a d i o t e r a p i a ou

R a d i o p r o t e ç ã o , por e x e m p l o ) .

N o r m a l m e n t e , as c â m a r a s de ionização a c o p l a d a s aos e l e t r ô m e t r o s são d e n o m i n a d o s D o s í m e t r o s ' * ^ Q u a n d o esses d o s í m e t r o s são utilizados p a r a propósitos de R a d i o t e r a p i a , são d e n o m i n a d o s de D o s í m e t r o s C l í n i c o s .

Existem a i n d a as c â m a r a s de ionização portáteis, utilizadas para a monitoração de área. Estas c â m a r a s p o s s u e m várias f o r m a s e t a m a n h o s , e não n e c e s s i t a m ser a c o p l a d a s a eletrômetros externos. A l é m d i s s o , p o s s u e m escalas para m e d i d a s de e x p o s i ç ã o o u d o s e o u , a i n d a , p a r a m e d i d a d e taxas d e s s a s

g r a n d e z a s . P o d e m apresentar, a i n d a , c a p a s de equilíbrio eletrônico, que são ajustadas d e p e n d e n d o da f a i x a de e n e r g i a na qual estão s e n d o utilizadas.

A c o n d i ç ã o de equilíbrio eletrônico está diretamente ligada à definição da g r a n d e z a Exposição. De a c o r d o c o m esta definição, os elétrons p r o d u z i d o s p o r fótons d e v e m perder toda sua e n e r g i a por meio de i o n i z a ç õ e s n u m volume específico de ar, e a carga total de m e s m o sinal d e v e ser s o m a d a . Entretanto, a l g u n s elétrons produzidos neste v o l u m e e s p e c í f i c o d e p o s i t a m s u a e n e r g i a f o r a deste m e s m o v o l u m e , p r o d u z i n d o c a r g a s q u e não serão c o n s i d e r a d a s na s o m a total. Por outro lado, os elétrons p r o d u z i d o s f o r a do v o l u m e e s p e c í f i c o p o d e m entrar neste v o l u m e e ser c o n s i d e r a d o s n a s o m a total das c a r g a s p r o d u z i d a s . Se as c a r g a s p e r d i d a s f o r e m c o m p e n s a d a s pelas cargas a mais c o n s i d e r a d a s , existe a c o n d i ç ã o de equilíbrio eletrônico, n e c e s s á r i a p a r a a d e f i n i ç ã o de Exposição, cuja u n i d a d e de medida atual, que faz parte do Sistema Internacional, é C/kg. P o r é m , a u n i d a d e antiga de m e d i d a , o R o e n t g e n , ainda é muito utilizada, e não faz parte do Sistema Internacional.

Portanto, p o d e - s e concluir que as capas de equilíbrio eletrônico são utilizadas s o m e n t e para c a m p o s de radiação de altas energias; p a r a atenuar os fótons e p r o p o r c i o n a r a c o n d i ç ã o de equilíbrio eletrônico d e s e j a d a . Neste trabalho, p o r é m , não será necessário utilizar tais c a p a s , j á q u e o e s t u d o foi realizado c o m energias baixas.

Um outro tipo de câmara de ionização é a c a n e t a d o s i m e t r i c a , utilizada q u a n d o se deseja medir a exposição ou a dose durante u m curto p e r í o d o de t e m p o o u n o s c a s o s em q u e se deseja manter u m a o b s e r v a ç ã o c o n t í n u a nas situações e m que há variações nas m e d i d a s obtidas. A v a n t a g e m deste instrumento é que ele fornece a m e d i d a d a exposição ou d o s e , de f o r m a direta e rápida. Estes instrumentos sâo n o r m a l m e n t e utilizados p a r a a m o n i t o r a ç ã o individual, e neste caso, d e v e - s e c o n s i d e r a r o r e t r o e s p a l h a m e n t o p r o v o c a d o pelo próprio usuário, já que ele é p o s i c i o n a d o à frente e e n c o s t a d o e m s e u corpo, à altura do tórax. A principal d e s v a n t a g e m das canetas d o s i m é t r i c a s está no fato de q u e a l g u n s fatores (como temperaturas altas ou e x c e s s o de u m i d a d e ) p o d e m provocar v a r i a ç õ e s nas medidas obtidas.

2.2.2 D e t e c t o r e s G e i g e r - M ü l l e r

O s detectores G e i g e r - M ü l l e r são os detectores mais utilizados e m m o n i t o r a ç õ e s de á r e a devido a seu baixo custo, b o a s e n s i b i l i d a d e , d i m e n s õ e s e circuitos simples (necessitam de p e q u e n o s amplificadores de sinal, por exemplo).

N e s s e tipo de instrumento o sinal obtido i n d e p e n d e do tipo de partícula incidente e da e n e r g i a da m e s m a , devido à f a i x a de t e n s ã o a p l i c a d a entre os eletrodos e m q u e e s s e tipo de detector o p e r a . A f a i x a de t e n s ã o aplicada possibilita que seja g e r a d o u m c a m p o elétrico entre os e l e t r o d o s c a p a z de f o r n e c e r e n e r g i a suficiente p a r a os pares de íons p r o d u z i d o s de f o r m a q u e , ao se

dirigirem p a r a os respectivos eletrodos, esses pares de íons p r o d u z a m mais ionizações, e a s s i m por diante. Este processo é c o n h e c i d o c o m o "multiplicação de cargas", f e n ô m e n o que, c o m o já foi dito, i n d e p e n d e tanto do t i p o de partícula c o m o de s u a energia.

Existem t u b o s Geiger-Müller de vários t a m a n h o s e f o r m a s , c o n s t i t u í d o s de diversos materiais (tanto o c o r p o c o m o a j a n e l a do t u b o ) , c o m p e n s a d o s o u não. Os t u b o s c o m p e n s a d o s n ã o s ã o os mais a d e q u a d o s p a r a 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 que 50 kV®. I n d e p e n d e n t e m e n t e d e s s e fato, geralmente, t o d o s os tipos d e t u b o s Geiger-Müller a p r e s e n t a m alta d e p e n d ê n c i a e n e r g é t i c a , p r i n c i p a l m e n t e p a r a energias baixas (abaixo d e 0,1 M e V ) e intermediárias (entre 0,1 e 1,0 MeV)^.

I

2.3 Calibração de Instrumentos

"Calibrar u m Instrumento" significa d e t e r m i n a r s u a r e s p o s t a a u m a e x p o s i ç ã o o u taxa de exposição c o n h e c i d a (ou a u m a d o s e o u taxa d e d o s e absorvida), e n v o l v e n d o o uso de pelo m e n o s u m instrumento d e referência o u padrão^"*.

O t e r m o "calibração" t a m b é m é definido c o m o u m a d e t e r m i n a ç ã o quantitativa, sob u m conjunto c o n t r o l a d o de c o n d i ç õ e s p a d r õ e s , de u m a indicação d a d a por u m instrumento e m f u n ç ã o de u m valor de u m a g r a n d e z a q u e este i n s t r u m e n t o d e v e acusar^®.

A t r a v é s d a calibração obtém-se u m fator multiplicativo, q u e c o n v e r t e o valor indicado (corrigido para as c o n d i ç õ e s de referência) p a r a o q u e se c h a m a de "valor real" d a g r a n d e z a medida, d e n o m i n a d o "fator de calibração". Para c a d a escala de u m instrumento de m e d i d a p o d e - s e obter u m f a t o r de calibração diferente.

A c a l i b r a ç ã o de um instrumento p o d e ser feita p e r i o d i c a m e n t e , após conserto do instrumento, antes de expirar o p e r í o d o d e v a l i d a d e d a calibração periódica, o u a p e d i d o do usuário. A n t e s d a calibração d o instrumento ser realizada, d e v e - s e verificar se o instrumento n ã o está c o n t a m i n a d o c o m material radioativo e se ele a p r e s e n t a boas c o n d i ç õ e s d e f u n c i o n a m e n t o , as quais d e v e m estar de a c o r d o c o m o seu m a n u a l .

Os objetivos principais de u m sistema de c a l i b r a ç ã o são^^:

1. Garantir q u e u m instrumento esteja f u n c i o n a n d o d e v i d a m e n t e ;

2. No c a s o d e u m instrumento s e m ajuste d e calibração, garantir q u e sejam r e v e l a d o s os erros nas suas m e d i d a s . Q u a n d o o i n s t r u m e n t o apresentar a p o s s i b i l i d a d e de ajuste, e s s e fato p o d e levar a u m a p e r f e i ç o a m e n t o na p r e c i s ã o do m e s m o ;

3. S u b m e t e r o instrumento a testes, c o m o r e s p o s t a e m f u n ç ã o d a energia e direção da radiação, efeitos ambientais, etc;

4. F o r n e c e r informações aos u s u á r i o s q u a n t o às características mais importantes dos instrumentos;

5. F o r n e c e r c a m p o s padrões de radiação p a r a testes de n o v o s instrumentos (testes de d e s e m p e n i i o ) .

T o d a s as calibrações realizadas internacionalmente são referenciadas a p a d r õ e s de m e d i d a absoluta. Por isso e devido ao a u m e n t o das solicitações de c a l i b r a ç ã o de instrumentos utilizados, criou-se u m a rede de laboratórios padrões, classificados c o m o primários, s e c u n d á r i o s e regionais, s o b o a p o i o d a Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA) e da Organização Mundial de Saúde (WHO). C o m o e x e m p l o de laboratórios padrões primários t e m o s o Physil<alisch-T e c h n i s c h e Bundesanstalt ( P Physil<alisch-T B ) , d a A l e m a n h a , e o National Physical Laboratory (NPL), d a Inglaterra.

O Brasil possui um Laboratório Padrão S e c u n d á r i o ( S S D L ) , localizado no Instituto de Radioproteção e Dosimetria (IRD), no Rio de Janeiro, e um Laboratório Regional no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), e m São Paulo. A m b o s p o s s u e m sistemas de referência de m e s m o nível (secundário).

Os instrumentos de m e d i d a , utilizados c o m o p a d r õ e s (instrumentos de d e s e m p e n h o e estabilidade altos, usados a p e n a s p a r a a calibração de outros instrumentos), t a m b é m são classificados, s e g u n d o o laboratório e m que f o r a m calibrados. Desta f o r m a , existem os instrumentos padrões primários, secundários e terciários. Existe t a m b é m o Instrumento c o n h e c i d o c o m o "padrão nacional", q u e é aquele r e c o n h e c i d o por u m a decisão nacional oficial p a r a representar o valor, n u m p a í s , de todos o s outros padrões de u m a certa g r a n d e z a . Finalmente, t e m - s e o "instrumento de campo", que é aquele q u e possui d e s e m p e n h o e estabilidade apropriados p a r a uso e m medidas de rotina no "campo".

2.4 Procedimentos de Calibração

Os p r o c e d i m e n t o s d e calibração v a r i a m de a c o r d o c o m a a p l i c a ç ã o dos instrumentos. N o c a s o d a calibração de i n s t r u m e n t o s utilizados e m p r o p ó s i t o s de R a d i o p r o t e ç ã o , existem b a s i c a m e n t e d u a s técnicas a saber:

1. Uso de c a m p o s de radiação c o m p r o p r i e d a d e s b e m c o n h e c i d a s ;

2. Uso de c a m p o s de radiação c o m p r o p r i e d a d e s m e n o s b e m c o n h e c i d a s . N e s s e caso, a c a l i b r a ç ã o é feita p e l a técnica d a substituição.

No primeiro caso, o c a m p o de radiação p o d e ser d e f i n i d o a partir do c o n h e c i m e n t o de certos parâmetros de u m a f o n t e d e radiação p a d r ã o s e c u n d á r i o , o u seja, d e t e r m i n a m - s e o s valores d a g r a n d e z a a ser m e d i d a n o i n s t r u m e n t o a ser calibrado q u e c o r r e s p o n d a m a leituras entre 2 0 e 8 0 % de s u a escala^*^. A l g u n s f a t o r e s , c o m o a p r e s e n ç a de g r a n d e q u a n t i d a d e de r a d i a ç ã o e s p a l h a d a , p o d e m t o r n a r difícil a especificação do c a m p o . N e s t e c a s o , a c a l i b r a ç ã o d e v e ser feita pela s e g u n d a t é c n i c a , o n d e o instrumento a ser c a l i b r a d o é c o l o c a d o no c a m p o de r a d i a ç ã o e suas leituras registradas. E m s e g u i d a , o instrumento de referência substitui o primeiro e as leituras o b t i d a s s ã o c o m p a r a d a s entre si. Normalmente, o instrumento de referência é c o l o c a d o no c a m p o d u a s v e z e s , u m a antes e u m a d e p o i s de se tomar as leituras do instrumento a ser c a l i b r a d o . Este p r o c e d i m e n t o é d e n o m i n a d o "Calibração pela T é c n i c a d a Substituição", e d e v e ser u s a d a p a r a a c a l i b r a ç ã o de instrumentos c o m raios-X. Esta é u m a t é c n i c a c o m u m p a r a a c a l i b r a ç ã o d e instrumentos c o m raios-X, tanto e m R a d i o p r o t e ç ã o quanto e m R a d i o t e r a p i a

Existem, a i n d a , outros p r o c e d i m e n t o s d e c a l i b r a ç ã o d e instrumentos utilizados e m R a d i o t e r a p i a , que v a r i a m de a c o r d o c o m as instalações e disposições d o s laboratórios de calibração, e c o m os tipos d e instrumentos a serem c a l i b r a d o s . S ã o eles: C a l i b r a ç ã o "Tip to Tip", C a l i b r a ç ã o no A r o u n u m Simulador, C a l i b r a ç ã o Indireta o u Direta, e C a l i b r a ç ã o n u m S S D L o u n u m Hospital*^. C a d a m é t o d o possui v a n t a g e n s e d e s v a n t a g e n s , e o laboratório de calibração p o d e escolher u m d o s m é t o d o s e m a l g u m a s o c a s i õ e s e outros métodos e m outras o c a s i õ e s .

A s g r a n d e z a s físicas mais utilizadas na dosimetría d o s c a m p o s de radiação, e m R a d i o t e r a p i a são: e x p o s i ç ã o , k e r m a e d o s e absorvida. J á e m Radioproteção, as g r a n d e z a s utilizadas são k e r m a e exposição, p o r é m , a p ó s a inclusão de quatro n o v a s g r a n d e z a s pela International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU), b a s e a d a s n a definição de Dose Equivalente, H (Dose Equivalente A m b i e n t e e D o s e Equivalente Direcional, para m o n i t o r a ç ã o de área, e D o s e Equivalente Individual, Penetrante e Superficial, p a r a monitoração pessoal), os p r o c e d i m e n t o s de calibração sofreram a l g u m a s alterações. Tais p r o c e d i m e n t o s p a s s a r a m a ser diferenciados para os instrumentos utilizados na m o n i t o r a ç ã o individual e p a r a a q u e l e s utilizados n a monitoração de área.

S e g u n d o a publicação I C R U 43^®, os instrumentos utilizados na m o n i t o r a ç ã o individual d e v e m ser calibrados utilizando-se u m simulador, que n a d a mais é q u e u m sólido de material equivalente ao t e c i d o h u m a n o , de c o m p o s i ç ã o e d e n s i d a d e similares, c o m o objetivo de c o n s i d e r a r a contribuição do r e t r o e s p a l h a m e n t o na leitura obtida pelo instrumento. Entretanto, para simplificar os p r o c e d i m e n t o s de calibração, tais instrumentos p o d e m ser c a l i b r a d o s no ar, d e s d e que sejam aplicados fatores de c o r r e ç ã o q u e c o n s i d e r e m a c o n t r i b u i ç ã o do r e t r o e s p a l h a m e n t o no corpo do usuário nas medidas obtidas . J á a q u e l e s utilizados para a monitoração de á r e a d e v e m ser calibrados no ar.

P o r é m , a c o n c l u s ã o a q u e se c h e g o u é que há a n e c e s s i d a d e de se estabelecer a p a d r o n i z a ç ã o d o s p r o c e d i m e n t o s de calibração internacionalmente, para a s s e g u r a r interpretações idênticas das medidas obtidas^.

A p e s a r d a inclusão das novas g r a n d e z a s , as g r a n d e z a s normalmente utilizadas e m p r o c e d i m e n t o s de calibração de instrumentos utilizados e m propósitos de R a d i o p r o t e ç ã o (exposição o u k e r m a , p a r a f ó t o n s ) , c o n t i n u a m sendo utilizadas nos laboratórios nacionais, pois ainda não existem padrões primários q u e permitam definir as n o v a s g r a n d e z a s de f o r m a a b s o l u t a . Neste caso, a t r a n s f o r m a ç ã o p a r a as novas g r a n d e z a s p o d e ser feita

aplicando-18

2.5 Determinação do Fator de Calibração

o Fator de Calibração, Fe, é definido c o m o o valor v e r d a d e i r o de u m a g r a n d e z a , V, dividido pela leitura, L, (corrigida, se n e c e s s á r i o ) , o b t i d a pelo instrumento a ser calibrado^^'^^, ou Fc = V x L'\

A l g u n s laboratórios, ao invés de f o r n e c e r e m fatores de calibração, f o r n e c e m fatores de c o r r e ç ã o . A diferença é q u e o fator de c o r r e ç ã o é u m n ú m e r o a d i m e n s i o n a l d a d o para u m instrumento cuja e s c a l a é m a r c a d a e m unidades físicas de g r a n d e z a s utilizadas nos p r o c e d i m e n t o s de calibração (exposição,

kerma ou d o s e a b s o r v i d a ) , e o fator de calibração é u m n ú m e r o c o m d i m e n s õ e s

físicas, d a d o pelo quociente da g r a n d e z a f í s i c a pelo sinal do instrumento, q u e pode ser d a d o e m carga o u e m unidades d e e s c a l a (ue) d o instrumento. E n q u a n t o o fator de correção é dado e m p o r c e n t a g e m da u n i d a d e , o fator de

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calibração é d a d o e m u n i d a d e s tais c o m o R/C o u R/ue .

O fator de calibração deve s e m p r e ser a p r e s e n t a d o j u n t o c o m s u a incerteza a s s o c i a d a . A precisão de u m a medida obtida c o m u m instrumento d e p e n d e de alguns f a t o r e s , c o m o o n ú m e r o de leituras realizadas, a incerteza a s s o c i a d a às leituras durante a determinação da c a m a d a s e m i - r e d u t o r a de u m a qualidade de campo, e não só dos parâmetros inerentes à imprecisão do próprio instrumento. A l é m d i s s o , outras g r a n d e z a s t a m b é m influenciam as respostas o b t i d a s , c o m o , por exemplo, a t e m p e r a t u r a e a p r e s s ã o ambiente, m e n c i o n a d a s anteriormente. A l g u m a s g r a n d e z a s , p o r é m , p o d e m influenciar a p e n a s a l g u n s t i p o s específicos de instrumentos, tais c o m o a luz, q u e pode sensibilizar filmes u s a d o s c o m o dosímetros, m a s dificilmente irá prejudicar u m instrumento q u e p o s s u i u m t u b o Geiger-Müller c o m o detector^^.

H á muitas ocasiões e m q u e u m a menor precisão é suficiente. Isto só d e p e n d e da situação a ser analisada. Por exemplo, no c a s o de á r e a s nas quais se s a b e que os limites de dose a t r a b a l h a d o r e s n u n c a são u l t r a p a s s a d o s , n ã o há n e c e s s i d a d e d e q u e a precisão na d e t e r m i n a ç ã o das d o s e s seja tão alta. C a s o

contrário, t o d a s as d o s e s d e v e m ser d e t e r m i n a d a s c o m a maior precisão p o s s í v e l * ^ .

T a m b é m d e v e - s e ter e m mente q u e todos os i n s t r u m e n t o s p a d r õ e s e de referência d e v e m a p r e s e n t a r fatores de calibração d e t e r m i n a d o s c o m a maior precisão p o s s í v e l , j á que é a partir d e s s e s instrumentos q u e se d e t e r m i n a m os fatores de calibração d a q u e l e s instrumentos utilizados e m o p e r a ç õ e s de rotina, s e g u i n d o a c a d e i a m e t r o l ó g i c a .

C o m relação à determinação d o s fatores de c a l i b r a ç ã o p r o p r i a m e n t e ditos, d e v e - s e dizer que, e m muitos casos, estes fatores são o b t i d o s a t r a v é s de Curvas

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de C a l i b r a ç ã o , por interpolação . Isso significa q u e muitos i n s t r u m e n t o s p o d e m ser utilizados e m diferentes faixas d e energia, p o r é m , não h á n e c e s s i d a d e que u m laboratório de calibração t e n h a definida e x a t a m e n t e t o d a a f a i x a d e energia n a qual este instrumento p o d e ser utilizado. Se este laboratório p o s s u i f a t o r e s de calibração definidos para a l g u m a s energias d e s s a f a i x a , por m e i o d a c o n f e c ç ã o das c u r v a s de calibração, q u e n a d a mais são q u e o s gráficos d o s fatores de c a l i b r a ç ã o e m f u n ç ã o d a energia d a radiação, c o n s e g u e - s e d e t e r m i n a r o fator de calibração p a r a u m a certa e n e r g i a , interpolando-se o p o n t o referente a esta e n e r g i a n a c u r v a e v e r i f i c a n d o - s e o fator de calibração c o r r e s p o n d e n t e . U m e x e m p l o de u m a C u r v a de Calibração é m o s t r a d a n a F i g u r a 2.5.

P a r a u m instrumento portátil, p o d e - s e dizer q u e a o b t e n ç ã o d e s e u fator de c a l i b r a ç ã o d á - s e de f o r m a direta, c u seja, a partir d a p r ó p r i a d e f i n i ç ã o de fator de calibração. Entretanto, para a d e t e r m i n a ç ã o do f a t o r d e c a l i b r a ç ã o de u m d o s í m e t r o clínico para u m a certa e n e r g i a , d e v e - s e considerar, t a m b é m , o fator de calibração do eletrômetro, caso a c â m a r a e o e l e t r ô m e t r o t e n h a m sido c a l i b r a d o s separadamente^'^V A d e t e r m i n a ç ã o do fator de c a l i b r a ç ã o , n e s s e c a s o , é feita, portanto, utilizando-se a expressão:

Fc = F i p X F ' ^ x F ' (2.2)

o n d e Fc é o fator d e calibração d o d o s í m e t r o , Fj.p é o f a t o r d e c o r r e ç ã o d e t e m p e r a t u r a e pressão, F " é o f a t o r de calibração d a c â m a r a d e ionização e F^ é o fator d e calibração d o eletrômetro.

E m b o r a os efeitos inerentes à conexão d e u m a c â m a r a d e ionização a u m eletrômetro (cargas geradas p o r torção no c a b o e c o r r e n t e d e f u g a ) sejam s o l u c i o n a d o s c o m a calibração d o dosímetro, n a c a l i b r a ç ã o individual d e seus constituintes este efeito t o r n a - s e crítico, já q u e os f a t o r e s d e calibração dos m e s m o s só t ê m sentido se a influência d e tal efeito f o r d e s p r e z í v e l , q u a l q u e r q u e seja e s t a conexão. Isto significa q u e a e q u a ç ã o 2.2 d e v e ser a n a l i s a d a p a r a cada tipo d e d o s í m e t r o 4 1 O 1'20 f-«nJ o> •H H (d

o

u

I

3 MATERIAIS E METODOS

Neste c a p í t u l o serão a p r e s e n t a d o s os c o m p o n e n t e s do sistema de calibração de raios-X de e n e r g i a s baixas do Laboratório de Calibração do IPEN, os sistemas de m e d i d a utilizados nos testes e a implantação das qualidades de c a m p o s p a d r õ e s .

3.1 Sistema de Raios-X de Energias Baixas (60 kV)

A Figura 3.1 a p r e s e n t a o e s q u e m a do sistema de calibração de raios-X de energias baixas (60 kV) do Laboratório de Calibração do I P E N . Este sistema é constituído por:

1. G e r a d o r Rigaku Denkt Co. Ltd., tipo Geigerflex (potencial constante), acoplado a u m t u b o Philips, m o d e l o PW2184/00, c o m j a n e l a de 1 m m de Berilio e alvo de T u n g s t ê n i o . A c o r r e n t e e a t e n s ã o variam entre 2 e 80 m A e entre 20 e 6 0 kV, r e s p e c t i v a m e n t e . S u a p o t ê n c i a máxima de o p e r a ç ã o é de 2,5 k W ;

2. O b t u r a d o r de f e i x e de radiação ("sliutter"), marca Physikalisch-Technische Werkstätten (PTW), m o d e l o 68Q1 (série n° 2 7 3 6 ) , c o m t r a n s m i s s ã o menor que 0,1 %. Este "shutter" p o s s u i u m cronômetro que controla o intervalo de tempo d u r a n t e o qual o m e s m o se m a n t é m aberto;

3. C â m a r a m o n i t o r a , PTW, m o d e l o Tch 7786/k, tipo 24390 (série n° 2882), c o m janela de grafite. Esta c â m a r a está a c o p l a d a ao eletrômetro PTW, modelo DUO/4 (série n° 2 1 1 4 2 - 3 0 1 0 8 6 ) , que possui c o n t a d o r e s analógico e digital para a d e t e r m i n a ç ã o da m e d i d a obtida;