Produção e caracterização de dosímetros à base de magnésio

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE DEPARTAMENTO DE FÍSICA NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE DOSÍMETROS À BASE DE MAGNÉSIO. POR LUIZA FREIRE DE SOUZA. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Cidade Universitária “Prof. José Aloísio de Campos” São Cristóvão – SE – Brasil -2012-.

(2) UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE DEPARTAMENTO DE FÍSICA NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA. PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE DOSÍMETROS À BASE DE MAGNÉSIO. LUIZA FREIRE DE SOUZA. Dissertação de Mestrado apresentada ao Núcleo de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal de Sergipe para obtenção do título de Mestre em Física.. ORIENTADORA: Dra. Divanízia do Nascimento Souza. São Cristóvão 2012 1.

(3) Dedico este trabalho com muito amor ao meu avô Talcides (in memoriam) , minha avó Chiquinha (in memoriam), meus pais, Carlos e Lúcia e as minhas irmãs Ju e Marina. 2.

(4) "A vida é para nós o que concebemos dela. Para o rústico cujo campo lhe é tudo, esse. campo é um império. Para o César cujo império lhe ainda é pouco, esse império é um campo. O pobre possui um império; o grande possui um campo. Na verdade, não possuímos mais que as nossas próprias sensações; nelas, pois, que não no que elas veem, temos que fundamentar a realidade da nossa vida" (Fernando Pessoa).. 3.

(5) AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço á Deus, pela força nos momentos de dificuldade e por sempre me iluminar e me guiar nas minhas escolhas. Aos meus pais Carlos e Lúcia, e as minhas irmãs Ju e Marina, por todo amor e pela educação que me proporcionaram, sempre me fazendo acreditar que o conhecimento seria minha maior riqueza e herança, e que só através disso poderia ultrapassar todos os meus limites. Amo vocês. À Dra. Divanízia do Nascimento Souza, pela oportunidade, pelas orientações, pelos conselhos, pela amizade e dedicação. Aos meus queridos avôs, Ortélia, Chiquinha (in memoriam), Talcides (in memoriam) e Augusto (in memoriam), dedico esse trabalho especialmente a vocês. À toda minha família, em especial a minha madrinha Ada, à tia Dezinha e a tio Minando e aos meus primos Lucas, Igor e Felipe. Amo vocês. Ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), em especial a Dra. Linda Caldas, pela colaboração no desenvolvimento deste projeto. Ao meu grande amigo e namorado, Luis, pela paciência, carinho e incentivo durante toda essa caminhada, a cada dia que passa me sinto mais ligada a você. Amo-te. Aos pós-graduandos do IPEN pela ajuda incondicional, paciência e carisma em especial a Patrícia, Daniela, Maíra e Jonas. Aos meus amigos da sala nove em especial Raimundo, Laís, Keiko, Jerre, Thiago e David. Pela ajuda, companheirismo, risadas, críticas e acima de tudo pela amizade e por todos os momentos que vivemos durante esses dois anos que nos tornaram mais próximos, vou sentir muitas saudades de todos. Ás minhas amigas de infância Daniela, Lícia, Mariana e Suellen. Apesar de seguirmos diferentes caminhos estamos muito ligadas. Ao amigo que me auxiliou do Laboratório de Física Médica da UFS, pelo apoio e ajuda na manutenção dos equipamentos, Lucas Parente. À Daiane Feitosa, pela ajuda durante o processo de produção dos materiais. Aos amigos de todas as horas, Ione, Ada, Djína, Marina, Marcela, Dinha e Tay pelos momentos de descontração, amizade e dedicação na solução dos problemas. Á todos do LPCM, que direta ou indiretamente colaboraram de alguma forma e não foram citadas. 4.

(6) RESUMO Com o intuito de se obter dosímetros de estado sólido que apresentem características tais como: alta sensibilidade, facilidade de obtenção e manuseio, praticidade e economicidade foram estudados no presente trabalho fósforos à base do íon magnésio. Os materiais escolhidos para análise foram o MgSO4 (sulfato de magnésio) e o MgB4O7 (tetraborato de magnésio); ambos materiais foram impurificados com os terras raras Dy (disprósio) e Tm (túlio). O interesse na produção desses materiais impurificados foi o de investigar a produção de dosímetros termoluminescente com esses elementos e as características dessa termoluminescência. Os fósforos foram obtidos através de solução ácida. Foi investigada a resposta termoluminescente dos materiais produzidos na forma de pastilhas prensadas. Para o estudo das características termoluminescentes, amostras de sulfatos e tetraboratos foram irradiados com fonte beta (90Sr+90Y). A resposta termoluminescente das pastilhas produzidas à base de MgB4O7 foi investigada de forma mais aprofundada, após exposição a diferentes fontes de radiação, tais como, raios X , 60. Co, e. 137. Cs. Para esse material, as respostas em função da dose de raios X e. 60. Co,a. reprodutibilidade, a homogeneidade, a dose mínima detectável, a dependência energética, a eficiência intrínseca e os parâmetros cinéticos das curvas de emissão através do método de Chen, foram avaliadas. Os resultados obtidos para as amostras de MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm mostram que é possível a utilização de ambos materiais para dosimetria de feixes de radiações ionizantes, tais como feixes de fótons de raios X e radiações gama e beta, devido à facilidade de preparação, por apresentarem sensibilidade termoluminescente adequada e linearidade da resposta TL no intervalo de dose avaliado, entre outras características. Os estudos iniciais com MgSO4:Dy (ou Tm) indicam que esses apresentam potencial para dosimetria e por isso devem ser mais bem avaliados em trabalhos futuros.. 5.

(7) ABSTRACT With the purpose of obtain solid state dosimeters whith characteristics such as high sensitivity, ease obtaining and handling and that are practical and economical were studied in in the present work phosphors based on magnesium ion. The materials chosen for analysis were MgSO4 (magnesium sulphate) and MgB4O7 (magnesium tetraborate), both materials were doped with the rare earths Dy (dysprosium) and Tm (thulium). The interest in the production of these doped materials was to investigate the production of thermoluminescent dosimeters with these elements and study their thermoluminescence characteristics. The phosphors were obtained by acid solution. The thermoluminescence response of materials produced in pellet form were investigated. For the study of thermoluminescent characteristics, sulphate and tetraborate samples were irradiated with a beta source (90Sr+90Y). The thermoluminescence response of the pellets based on MgB4O7 were investigate in more details after exposure to different radiation sources such as X rays , 60Co and 137Cs. For these materials the dose response curves related to X-rays and. 60. Co irradiations, reproducibility, homogeneity, minimum. detectable dose, energy dependence, the intrinsic efficiency and the kinetic parameters for the glow curves, using Chen´s method were evaluated. The results obtained for MgB4O7:Dy and MgB4O7:Tm samples, show that is possible to use both materials to radiation dosimetry of photon beams such as X ray and gamma and beta radiation, due to the facility of the preparation , since they have adequate sensitivity and linearity of TL response over the dose range evaluated, among other characteristic. The initial studies of MgSO4: Dy (or Tm), show that materials have potential to dosimetry and should be better evaluated in future work.. 6.

(8) Sumário 1 Introdução .................................................................................................................... 14 2 Objetivos do trabalho .................................................................................................. 16 2.1 Geral .................................................................................................................. 16 2.2 Específicos ........................................................................................................ 16 3 Estado da arte ........................................................................................................... 17 3.1 Tetraborato de magnésio .................................................................................. 17 3.2 Sulfato de Magnésio .......................................................................................... 18 4 Fundamentos Teóricos ................................................................................................ 20 4.1 Breve histórico da termoluminescência ................................................................ 20 4.2 Dosimetria termoluminescente ............................................................................. 21 4.3 Descrição do fenômeno físico da termoluminescência......................................... 22 4.4 Luminescência nos sólidos. ................................................................................. 24 4.5 Equações e parâmetros para a descrição da termoluminescência ......................... 25 4.5.1 Cinética de primeira e segunda ordem. .......................................................... 28 4.6 Métodos experimentais para determinação de parâmetros cinéticos. ................... 30 4.6.1 Método da forma de pico ............................................................................... 30 4.7 Grandezas dosimétricas ........................................................................................ 33 4.8 Mecanismos de interação da radiação com a matéria ........................................... 34 4.8.2 Interação de fótons com a matéria.................................................................. 35 4.8.3 Interação de partículas carregadas com a matéria .......................................... 36 4.9 Considerações gerais sobre dosímetros TL .......................................................... 37 4.9.1 Requisitos gerais para a escolha de um TLD ................................................. 37 4.9.2 Variação da resposta TL em função da dose .................................................. 38 4.9.3 Sensibilidade .................................................................................................. 38 4.9.4 Limite Inferior de Detecção ........................................................................... 39 4.9.5 Reprodutibilidade e Homogeneidade ............................................................. 39 4.9.6 Resposta energética ....................................................................................... 40 7.

(9) 4.9.7 Eficiência intrínseca dos dosímetros ............................................................. 40 4.9.8 Tratamento térmico ........................................................................................ 41 4.9.9 Armazenamento e manuseio .......................................................................... 42 5. Materiais e Metodologia ............................................................................................. 43 5.1 Produção do MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy. ............................................................ 43 5.1.1 Reação ............................................................................................................ 43 5.1.2 Secagem e Tratamento Térmico ..................................................................... 44 5.1.3 Lavagem do composto ................................................................................... 46 5.1.4 Trituração e Homogeneização ........................................................................ 46 5.1.5 Produção das pastilhas ................................................................................... 47 5.1.6 Sinterização das pastilhas ............................................................................... 48 5.1.7 Tratamento térmico de reutilização ................................................................ 48 5.2 Produção do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm ................................................................. 49 5.2.1 Granulometria e tratamento térmico .............................................................. 50 5.3 Fontes de Radiação ............................................................................................... 51 5.3.1 Irradiadores Gama .......................................................................................... 51 5.3.2 Fonte Beta ...................................................................................................... 53 5.3.3 Raios X ........................................................................................................... 54 5.4- Sistemas para Medição do Sinal TL .................................................................... 56 5.5-Acondicionamento dos detectores ........................................................................ 58 5.6- Incertezas das medidas ........................................................................................ 60 6. Resultados e Discussões ............................................................................................. 61 6.1 – Curvas de Emissão dos Materiais ...................................................................... 61 6.2 – Espectro de emissão TL. .................................................................................... 68 6.3 Dependência energética. ....................................................................................... 70 6.4 - Parâmetros cinéticos das curvas. ........................................................................ 74 6.5-Reprodutibilidade e Homogeneidade. .................................................................. 75 6.6 Eficiência intrínseca dos detectores ...................................................................... 76 6.7 Dose mínima detectável ....................................................................................... 77 7. Conclusões .................................................................................................................. 79 Bibliografia ..................................................................................................................... 81. 8.

(10) LISTA DE TABELAS e da Equação 22 para o caso de cinética Tabela 1- Valores para as constantes de primeira e segunda ordem [28]............................................................................... 32 Tabela 2- Valores para as constantes e da Equação 22 para os casos de cinética de ordem geral [28]. ........................................................................................ 32 Tabela 3 - Marcas e purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação do MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm ..................................................................................... 44 Tabela 4 - Marcas e purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm ......................................................................................... 49 90. 90. Tabela 5- Características das fontes de Sr+ Y ...................................................... 53 Tabela 6- Parâmetros cinéticos das curvas de emissão TL das pastilhas. ............... 74 Tabela 7 - Reprodutibilidade - Média; desvio padrão e CV(%) dos 5 ciclos de irradiação, leitura e tratamento térmico de cada dosímetro de MgB4O7:Dy. ........ 75 Tabela 8- Reprodutibilidade - Média; desvio padrão e CV(%) dos 5 ciclos de irradiação, leitura e tratamento térmico de cada dosímetro de MgB4O7:Tm. ....... 75 Tabela 9- Homogeneidade - Médias e os respectivos desvios padrões e CVH das 5 leituras do lote de 6 detectores TL de MgB4O7:Dy .................................................... 76 Tabela 10 - Homogeneidade - Médias e os respectivos desvios padrões e CVH das 5 leituras do lote de 6 detectores TL de MgB4O7:Tm................................................... 76 Tabela 11- Eficiência intrínseca dos detectores para duas energias diferenciadas 77 Tabela 12- Valores de dose mínima detectável (D0) encontrados para o MgB4O7:Dy. ................................................................................................................... 77 Tabela 13- Valores de dose mínima detectável (D0) encontrados para MgB4O7:Tm. ........................................................................................................................................ 78. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Transições possíveis durante o fenômeno da termoluminescência [25]. 23 Figura 2- (1) Esquema do processo que envolve a fluorescência, em que está representada a absorção e emissão de energia por um elétron (retorno ao estado fundamental). (2) Representa, esquematicamente, a fosforescência, com excitação para o estado e seguido do decaimento até o estado metaestável m, e novamente 9.

(11) excitação e decaimento até o estado fundamental f, com emissão de luz. [Adaptação de Horowitz, [3]]. .......................................................................................................... 25 Figura 3- Representação de um pico de TL isolado com destaque aos parâmetros geométricos, Im, e Tm, que são a intensidade máxima e a temperatura de máximo do pico, respectivamente; T1 e T2 são as temperaturas associadas à curva TL na metade da sua intensidade máxima (Adaptado de McKEEVER [25]). ................... 31 Figura 4- Fator geométrico (µg) em função da ordem cinética(b). A linha sólida representa o valor médio e as linhas pontilhadas são as variações máximas (Adaptado de McKEEVER [28]) ................................................................................ 33 Figura 5- Predominância das interações dos fótons com a matéria em função da energia e do número atômico [30]. .............................................................................. 36 Figura 6- Composto no aquecedor antes da secagem. ............................................... 45 Figura 7- Material após a secagem, ainda úmido. ..................................................... 45 Figura 8- Forno EDG-1800, onde foram feitas todos os tratementos térmicos e sinterizaçãos. ................................................................................................................. 46 Figura 9- Composto pronto para ser triturado e peneirado.................................... 47 Figura 10- Peneiras comerciais utilizadas, com abertura de 75 e 100 µm. ............. 47 Figura 11- Prensa hidráulica utilizada para a produção das pastilhas. .................. 48 Figura 12- Esquema representativo para a produção do MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm ........................................................................................................................................ 49 Figura 13- Representação do processo de formação do MgSO4:Tm e MgSO4:Dy. 51 Figura 14- Irradiador gama STS OB85...................................................................... 52 Figura 15- Fonte 60Co do CTR (IPEN). ..................................................................... 52 Figura 16- Aplicador dermatológico de 90Sr/90Y( UFS) ............................................ 53 Figura 17-Dosímetros posicionados em frente à fonte beta (90Sr/90Y) (IPEN)........ 54 Figura 18- Equipamento de raios X Pantak/Seifert empregado nas irradiações das pastilhas, pertencente ao IPEN. .................................................................................. 55 Figura 19- Embalagem com pastilhas, devidamente posicionada para irradiação no feixe de raios X. ............................................................................................................. 55 Figura 20- Monocromador UNICROM-100 utilizado para a medida do comprimento de onda de emissão do tetraborato, indicado pela flexa logo abaixo da fotomultiplicadora. .................................................................................................. 57 Figura 21 - Sistema TL home-made (UFS/DFI). (a) computador; (b) fotomultiplicadora; (c) gaveta porta amostras; (d) fonte de alta tensão; (e) amplificador. ................................................................................................................. 57 Figura 22- Leitora TL Harshaw, 3500. Localizadas no DFI/ UFS ........................... 58 Figura 23- Suporte com revestimento de placa de PMMA com 3 mm de espessura, utilizado para as pastilhas nas irradiações com feixe gama. .................................... 59 Figura 24- Arranjo utilizado para as irradiações com fonte beta, onde foi retirada a placa de PMMA de 3 mm e adicionada em seu lugar uma camada de papel filme. ........................................................................................................................................ 59 Figura 25- Arranjo experimental devidamente posicionado para a irradiação das pastilhas com feixe de partículas beta. ....................................................................... 59 10.

(12) Figura 26- Suporte de dosímetros revestido de papel alumínio, devidamente posicionada para a irradiação com feixe de raios X. .............................................. 60 Figura 27- Emissão TL típica das pastilhas de MgSO4:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação beta ( 90Sr/90Y). ............................ 62 Figura 28- Emissão TL típica das pastilhas de MgSO4:Tm, sinterizadas a 900°C e expostas à radiação beta de 90Sr/90Y. .......................................................................... 63 Figura 29- (a) Emissão TL típica do MgB4O7:Dy e (b) MgB4O7:Tm, sinterizados a 800°C por 2 horas , irradiados com 90Sr/90Y. ............................................................. 64 Figura 30- Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação gama (60Co). ....................................... 65 Figura 31- Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Tm e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação gama (60Co). ....................................... 65 Figura 32-Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Dy e de MgB4O7:Tm irradiadas com dose absorvida de 1 Gy de radiação gama de 137 Cs. ...................... 66 Figura 33 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 16,2 keV . . 67 Figura 34 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 41 keV . .... 67 Figura 35 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Tm e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 41 keV. ..... 68 Figura 36- Espectro de emissão de pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 10 Gy de radiação beta (90Sr+90Y) ............................................................................................... 69 Figura 37- Espectro de emissão de pastilhas de MgB4O7:Tm expostas a 10 Gy de radiação beta (90Sr+90Y) ............................................................................................... 69 Figura 38 - Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 1 Gy de radiação X (41 keV) e radiação 137 Cs e 60 Co. ........................................................... 71 Figura 39 –Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Tm expostas a 1 Gy de radiação X (41 keV) e radiação 137 Cs e 60 Co. ........................................................... 71 Figura 40- Resposta Energética para o MgB4O7:Dy ................................................ 72 Figura 41- Resposta Energética para o MgB4O7:Tm ............................................... 72 Figura 42- Comparação entre a resposta TL do 1º pico TL (a) e do 2º pico (b) das curvas de emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 1 Gy de radiação X de 16,2 e 41 keV. ........................................................................................................... 73. 11.

(13) LISTA DE ABREVIATURAS M.I.E. TL TLD LiF CaSO4 IPEN MgB4O7 EPR Dy Eu Cu Mn Tm 60 Co Gy ICRP mA mAs mm RX BV BC ICRU SI L.I.D UV GRM. Monitoração Individual Externa Termoluminescência Dosímetro Termoluminescente Fluoreto de Lítio Sulfato de Cálcio Instituto de Pesquisas em Energéticas e Nucleares Tetraborato de magnésio. Electron paramagnetic resonance Disprósio Európio Cobre Manganês Túlio Cobalto Gray International Commission on Radiological Protection Miliamperagem Miliamperagem-segundo Milímetro Raios X Banda de Valência Banda de Condução International Commission on Radiation Units and Measurements Sistema Internacional de Unidades Limite Inferior de Detecção Ultravioleta Gerência de Metrologia das Radiações. 12.

(14) LISTA DE SÍMBOLOS E s(T) k λ Z Ec T R I(t) m n nc N σn σm υc b Q X dQ dm R K D. Energia de Ativação Fator de frequência Constante de Boltzman Comprimento de onda (m); Número atômico Energia cinética Temperatura absoluta Centro de recombinação Intensidade termoluminescente Concentração de vacâncias Concentração de elétrons nas nos centros de captura Concentração de elétrons na BC Concentração total de armadilhas para elétrons Secção de choque de captura eletrônica para elétrons Secção de choque de captura eletrônica para buracos Velocidade térmica dos elétrons na BC Ordem cinética Carga elétrica Exposição Elemento de carga elétrica de um elétron ou pósitron Elemento de massa de um material Roentgen Kerma Dose absorvida Gray. σ. Desvio padrão Incerteza tipo A Incerteza tipo B Incerteza combinada. 13.

(15) 1 Introdução Com o avanço da tecnologia das aplicações das radiações ionizantes em reatores de potência, na radioesterilização, em diagnósticos e tratamentos médicos e em outras áreas que envolvem radiação deve haver também uma constante evolução na radioproteção dos indivíduos que estão ocupacionalmente expostos. Nesses tipos de aplicações pode haver risco de o indivíduo receber quantidade de radiação acima dos limites estabelecidos. Portanto, é de extrema importância que os métodos de detecção de radiação evoluam, aumentando sempre a precisão, exatidão, confiabilidade e praticidade no uso. Todo indivíduo que pratique atividades diárias que envolvam radiação ionizante deve ser monitorado periodicamente em relação às doses de radiação recebidas nessas atividades. Atualmente, a monitoração individual externa (M.I.E.) pode ser feita de diferentes formas, e uma das principais formas de avaliação da dose pode ser feita através do uso de monitores individuais. A monitoração individual pode ser dividida em ativa ou passiva. Na monitoração ativa, o detector fornece a leitura imediata de dose. Na monitoração passiva, a medição da dose é feita em laboratório. No presente trabalho serão estudados dosímetros termoluminescentes, que são materiais que servem para dosimetria passiva. Esses dosímetros têm sido muito utilizados, inclusive na dosimetria de extremidades em procedimentos de rotina em medicina nuclear e radiologia intervencionista [1]. Para que os dosímetros termoluminescentes sejam avaliados é necessário o cumprimento de uma metodologia estabelecida e o uso de sistemas de medição para a avaliação final da dose de radiação recebida pelo trabalhador e, por fim, é necessário que os valores sejam registrados oficialmente. A dosimetria termoluminescente (TL) é um dos métodos mais utilizados e eficientes na avaliação e monitoração de dose de radiação. Esse método se baseia na utilização de um fósforo para a detecção da radiação. São encontrados na literatura diversos tipos de materiais que são utilizados para a dosimetria TL. Os resultados focam principalmente em materiais à base fluoreto de lítio (LiF), devido àsua equivalência ao tecido humano e a baixa dependência da resposta do sinal TL com a energia da radiação 14.

(16) ionizante [2,3,4], sendo esse material muito utilizado em procedimentos dosimétricos de radioterapia e em radiodiagnóstico [5] . Outro material que é bastante explorado e empregado na dosimetria TL é o CaSO4 impurificado e co-impurificado com elementos terras raras, devido a sua alta sensibilidade, estrutura de defeitos relativamente simples e facilidade de preparação [6,7]. Atualmente se continua buscando novos fósforos para uso em dosimetria TL, visando ampliar a quantidade de materiais que possam ser utilizados e para suprir as desvantagens que os materiais mais utilizados possuem, conforme será visto adiante. A. fim. de. estudar. a. viabilidade. de. aplicação. de. outros. fósforos. termoluminescentes, o presente trabalho trouxe a proposta de produzir e avaliar o desempenho materiais termoluminescentes à base de magnésio. Os materiais avaliados foram o tetraborato de magnésio impurificado com disprósio e com túlio (MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm) e o sulfato de magnésio impurificado com disprósio e túlio (MgSO4:Dy e MgSO4:Tm). Embora os materiais propostos neste trabalho já sejam estudados e utilizados, decidiu-se iniciar a pesquisa sobre eles com a finalidade de melhor entender sobre seus métodos de produção e com o intuito de aprimorá-los e de aplicá-los para outras técnicas dosimétricas em trabalhos futuros.. 15.

(17) 2 Objetivos do trabalho 2.1 Geral O objetivo deste trabalho foi produzir cristais de MgSO4 e de MgB4O7 impurificados com os elementos terras raras Dy e Tm. Em paralelo á isso, foi investigada uma metodologia de produção desses materiais termoluminescentes. O segundo objetivo do trabalho foi o de avaliar a resposta termoluminescente desses materiais quando submetidos a uma ampla faixa de dose e de energia de radiação ionizante . 2.2 Específicos • Analisar o método de produção dos materiais; • Avaliar o desempenho dos dois tipos de materiais impurificados com Dy e Tm; • Avaliar as respostas termoluminescentes dos materiais quando irradiados com diferentes energias e fontes de radiações; • Avaliar a curva de calibração dos dosímetros; dose mínima detectável; reprodutibilidade, repetitividade; dependência energética e eficiência intrínseca dos dosímetros; • Analisar os parâmetros cinéticos das curvas.. 16.

(18) 3 Estado da arte 3.1 Tetraborato de magnésio No início dos anos 1980 o tetraborato de magnésio, ativado com disprósio (Dy) ou túlio (Tm), foi proposto como um novo material para a detecção de radiação na forma de dosímetro TL [8]. Em meados daquela década, outro relato da literatura informava que os detectores MgB4O7:Dy possuíam alta sensibilidade à dose de radiação e uma resposta TL independente da energia da radiação, por possuir número atômico efetivo próximo ao do tecido humano [9]. O material foi inicialmente desenvolvido no Instituto de Ciências Nucleares Boris Kidric da Iugoslávia [10], e até 2007 estava sendo utilizado em larga escala na dosimetria pessoal de cerca de 5000 trabalhadores de clínicas, hospitais, indústria e instituições de pesquisas através de um sistema de dosimetria baseado no tetraborato de magnésio [11]. No Brasil, os primeiros estudos sobre o tetraborato de magnésio no Brasil foram realizados no início da década de 1990 no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN/CNEN, São Paulo) [12,13]. Desde então, as características dosimétricas dos materiais baseados em tetraborato de magnésio têm sido melhoradas. O fósforo pode ser utilizado para dosimetria de fótons, radiação beta e de nêutrons [9,14]. Inicialmente o material era impurificado com apenas um elemento terra rara (Dy ou Tm) [15]; porém, estudos sistemáticos apresentam novas rotas para preparação do tetraborato, com a substituição do material com apenas um dopante, como o MgB4O7:Dy ou MgB4O7:Tm, por exemlo, por compostos com dois dopantes (MgB4O7:Dy,Na) [16,14] e com três dopantes (MgB4O7:Dy,Ca,Na) [11]. Esses novos materiais trouxeram benefícios para as características TL do tetraborato, como curvas de emissão TL com um único pico ao invés de curvas com diversos picos. A curva TL do tetraborato de magnésio impurificado com disprósio ou túlio é descrita como uma curva simples, com pico dosimétrico principal em aproximadamente 200°C e outros menos intensos em 250° e 330°C, a sensibilidade relativa pode ser de 7 a 14 vezes maior se 17.

(19) comparada com a do LiF:Mg,Ti (TLD-100) ou Li2B4O7 [12]. Prokic [9,10,11,14] estudou características do MgB4O7 como, por exemplo, curva de emissão TL, dose mínima detectável, reprodutibilidade, decaimento térmico e concluiu que o sucesso do fósforo na monitoração individual se deve ao fato do material ser tecido-equivalente, possuir alta sensibilidade, bom desempenho para dosimetria utilizando raios X, gama, beta e nêutrons. 3.2 Sulfato de Magnésio Os sulfatos são usados na dosimetria há muito tempo, fósforos como, por exemplo, CaSO4:Dy (Tm) possuem sensibilidade muito maior que o TLD-100 [17]. Outro sulfato que tem sido estudado como dosímetro é o MgSO4 [17,18,19]. Os estudos preliminares sobre MgSO4 estão relacionados com a dosimetria através da ressonância paramagnética eletrônica (EPR) [17,20]. Morton e colaboradores propuseram que o sulfato de magnésio poderia ser um excelente candidato para a dosimetria EPR, pois o material era mais sensível que os dosímetros de alanina de mesma massa utilizados para esse tipo de dosimetria [17]. Em vários trabalhos foram investigadas características do sinal TL e os mecanismos envolvidos com a emissão de luz dos seguintes compostos à base de sulfato de magnésio : MgSO4:Dy,Mn,P,Cu; MgSO4:Dy,Mn MgSO4:Mn,P,Cu; MgSO4:Eu,Mn e MgSO4:Eu,P [21,22]. As análises mostram que o processo de emissão TL é complexo e está relacionado tanto com o ânion,. , como Mg2+ e com as dopagens envolvidas.. Além disso, para um melhor entendimento do processo TL é recomendado que a medição da termoluminescência não seja feita apenas em função da temperatura, mas também em função do comprimento de onda [17]. Luo e colaboradores observaram que o fósforo MgSO4:Dy,Mn tem sensibilidade TL comparável com o LiF:Mg,Ti, e no caso do MgSO4:Dy,P essa sensibilidade é ainda maior que a do LiF:Mg,Ti. Outros autores [23] , analisaram as curvas de emissão TL do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm e observaram que para os dois materiais as emissões das amostras irradiadas com. 60. Co com dose de 1 kGy apresentavam diversos picos no. intervalo de temperatura entre 140 e 380oC. Os autores enfatizaram que quando MgSO4:X (X= Dy, Tm ou Eu) é co-impurificado com impurezas, tais como ânions fosfatos ou íons de manganês, há uma mudança significativa na intensidade dos picos.. 18.

(20) Aparentemente, o principal objetivo das pesquisas desenvolvidas sobre a termoluminescência dos materiais à base de MgSO4 foi a elucidação dos processos físicos envolvidos na emissão TL deste material quando impurificado ou não. Para a preparação das amostras de MgSO4 dopadas, na forma de pó, tem sido empregada apenas uma rota: dissolução do MgSO4 em H2SO4, incorporação do dopante e evaporação da solução ácida a 900oC [17,21,24].. 19.

(21) 4 Fundamentos Teóricos. 4.1 Breve histórico da termoluminescência. O fenômeno TL tem sido observado há décadas e é a base de um dos métodos mais importantes da dosimetria. A ideia de utilizar fósforos TL na medida de dose se deu a partir da observação do fenômeno TL em diversos materiais encontrados na natureza. De acordo com McKEEVER e colaboradores, no ano de 1663, o cientista Robert Boyle descreveu que observou uma luz brilhante quando aqueceu um diamante no escuro [25] e Urbach relatou, em 1930, o efeito da luminescência, a curva de emissão TL e os parâmetros cinéticos relacionados às curvas de emissão de muitos materiais halogenetos alcalinos . De acordo do Horowitz [3], mais tarde, em 1945, Randall e Wilkins propuseram um modelo teórico simples para explicar a emissão termoluminescente; tal modelo ainda é usado atualmente na estimativa de parâmetros de captura das cargas envolvidas no processo TL. Outros autores também discutiram os parâmetros cinéticos das curvas de emissão TL, a exemplo de Garlick e Gibson, em 1948, Lushchik em 1955 e posteriormente Halperin e Branner na década de 1960 [3]. Até meados do século XX, o propósito dos materiais termoluminescentes ainda estava sendo investigado e os filmes fotográficos eram os detectores que prevaleciam. Nesse período, houve a necessidade de busca de novos detectores de radiação, pois os filmes dosimétricos já não estavam suprindo as necessidades daquela época. Em 1950, os materiais termoluminescentes começaram a ganhar destaque, como, por exemplo, os materiais à base de LiF, de CaSO4 e de CaF2 [26] . Em 1950, Daniels e colaboradores [27] a partir da utilização do LiF para avaliação dos níveis de radiação após um teste nuclear, propuseram que fósforos termoluminescentes poderiam ser utilizados na detecção da radiação ionizante. Outro fato relevante, e que deve ser mencionado, foi a descrição de um dos primeiros aparatos de medidas e quantificação das curvas termoluminescentes, feitas por Houtermans e colaboradores em 1957 [26].. 20.

(22) Entre os anos 1960 e 1970, uma nova geração de materiais termoluminescentes começou a surgir, como o Al2O3 na forma de Al2O3:Mg,Y e Al2O3:Si,Ti; assim como uma variedade de sistemas de avaliação da luminescência foi lançada no mercado, por exemplo, a dosimetria exoeletrônica e a técnica de luminescência opticamente estimulada, usada naquela época para datação arqueológica, principalmente. 4.2 Dosimetria termoluminescente O fenômeno da luminescência é a emissão de luz quando um material é excitado. A forma de estímulo, excitação, no fenômeno luminescente se dá por diversos meios: na fotoluminescência a excitação é feita através da incidência de fótons; na triboluminescência, por atrito; na quimioluminescência o estímulo se dá através de energia química que provém de reações químicas; na eletroluminescência a energia é transmitida através de um campo elétrico. No caso da termoluminescência (TL) é a emissão de luz quando um material é excitado por energia térmica, ou seja, quando o material é aquecido [25]. Em se tratando de termoluminescência, o fenômeno pode ser explicado em duas etapas: na primeira etapa, o sólido é exposto a um tipo de radiação, ionizante ou não ionizante, a uma temperatura fixa; na segunda etapa, a exposição é interrompida e o material é aquecido. Durante esse aquecimento a amostra emite luz, podendo ser observada uma curva de intensidade luminescente em função da temperatura, que pode exibir vários pontos máximos, sendo chamada curva de emissão termoluminescente, ou simplesmente curva termoluminescente. Como a dosimetria TL é aplicada em diversas áreas, como em dosimetria ambiental, individual, clínica e de altas doses, na hora da escolha de um detector TL deve-se levar em consideração qual a necessidade da aplicação e as limitações do detector em questão. No caso da dosimetria individual o objetivo primordial é manter o indivíduo dentro dos limites de dose pré-estabelecidos, que são baseados nas recomendações regulatórias da International Commission on Radiological Protection (ICRP) [25]. A dosimetria pessoal pode ser subdivida em: dosimetria de extremidades, corpo inteiro e tecido. Assim, o ideal é a utilização de dosímetros TL que sejam tecidoequivalentes. Nos outros casos (dosimetria ambiental e de altas doses), o principal objetivo é a monitoração de áreas, logo não há necessidade de um detector tecido21.

(23) equivalente, o importante é que o material seja sensível e estável; para casos de baixas exposições, como em monitoração ambiental e para o caso de ambientes de monitoração de níveis altos de dose (102 a106 Gy) [26].. 4.3 Descrição do fenômeno físico da termoluminescência Como já foi mencionado anteriormente, a emissão TL se dá quando um material absorve energia e depois emite em forma de luz visível. Para a produção da termoluminescência é necessário que o material seja dielétrico ou semicondutor. A descrição teórica da termoluminescência é feita através do modelo de bandas. Por esse modelo, em um isolante ou semicondutor, a maioria dos elétrons está na banda de valência (BV). O próximo nível que os elétrons podem ocupar é a banda de condução (BC), que é separada da banda de valência (BV) pela banda proibida (BP), conhecida como “gap”. A presença de defeitos ou impurezas pode criar níveis de energia na BP, que são denominados centros de captura (armadilhas), podendo servir como centro de recombinação. A interação da radiação ionizante com o fósforo resulta na transferência de energia suficiente aos elétrons da BV, para promoção deles à BC, deixando lacunas (buracos) na BV. Os elétrons e os buracos estão livres para vagar através de suas respectivas bandas até se recombinarem, ou serem capturados pelas armadilhas [3,28,15]. Quando o cristal é aquecido, é fornecida energia suficiente ao elétron para que possa liberá-lo da armadilha , uma vez livre, o elétron pode vagar novamente pelo cristal até ser recapturado ou recombinar-se com um buraco. Quando o processo de recombinação é acompanhado pela liberação de energia na forma de luz, tem-se a termoluminescência. Quando a profundidade das armadilhas dos elétrons ou dos buracos for pequena, as cargas aprisionadas têm grande probabilidade de escapar em temperatura ambiente, mas se a profundidade for grande, a meia-vida da carga capturada torna-se grande, o que possibilita manter a carga presa por um longo período de tempo. As etapas do processo de emissão TL estão ilustradas na Figura 1: (1) geração de cargas livres; ou seja, formação dos pares elétrons-buracos (transferência dos elétrons de BV para BC); (2) os elétrons migram livremente na banda de condução; (3) os elétrons podem ser aprisionados por armadilhas de elétrons, representados na figura por 22.

(24) E; (4) A carga negativa fica aprisionada até ganhar energia térmica suficiente para escapar das armadilhas; (5). Os elétrons voltam a BC e se recombinam com os buracos, no nível de energia C (centro de recombinação de elétrons). A energia da recombinação é liberada através de fótons com comprimentos de onda visível ou ultravioleta. Processo similar pode acontecer para os buracos, nesse caso os buracos vão vagar pela BV e podem ser aprisionados nas armadilhas de buracos (L) , quando o material recebe energia térmica , os buracos são libertados e retornam para a BV e em seguida se recombinam com os elétrons armadilhados, emitindo um fóton de luz, como descritos nos estágios de (2) a (5) na Figura 1. De fato, durante o aquecimento do material, as cargas podem passar por diferentes processos; podem. sofrer recombinação não radioativa, podem se recombinar nos. centros ou serem recapturados nos defeitos. Em um leitor TL, a luz emitida é monitorada e transformada em corrente elétrica em seguida. Dessa forma, pode ser estabelecida uma relação da intensidade luminosa com a dose de radiação. Essa grandeza é monitorada, em função da temperatura ou do comprimento de onda. No primeiro caso a curva obtida da intensidade TL versus temperatura é denominada curva de emissão TL e, no segundo caso, intensidade TL versus comprimento de onda (λ), é o espectro de emissão TL.. BC. BV Figura 1 - Transições possíveis durante o fenômeno da termoluminescência [25].. A probabilidade, por unidade de tempo, de um elétron escapar dos centros de captura é dada por:. 23.

(25) p(T) =. O termo. (Equação 1). é o fator de frequência ou fator de tentativa de escape e está. relacionado com a frequência vibracional da rede. E é a profundidade dos centros de captura ou energia de ativação, que é a energia necessária para liberar um elétron do centro de captura para a banda de condução. k é a constante de Boltzmann, e vale 1,378. 10. -23. J/K, e T é a temperatura absoluta. Se E>>kT, onde T é a temperatura em que o. material está submetido, esse elétron permanece aprisionado por um longo período de tempo [25,28].. 4.4 Luminescência nos sólidos. O comprimento de onda da luz emitida por um sólido é característico do material e não da radiação incidente. A fluorescência é um fenômeno que não depende da temperatura e é determinada pela probabilidade de transição de um elétron do estado excitado (e) para o estado fundamental (f) (Figura 2). O fenômeno da fluorescência acontece em um intervalo de 10-8 s ou menor que isso. Por outro lado, na fosforescência o tempo de decaimento luminescente depende da temperatura, pois a emissão só acontece quando as cargas ganham energia térmica suficiente para saírem do estado metaestável. Nesse caso, um estado metaestável, representado por (m) na Figura 2, está envolvido no processo atrasando a emissão luminescente, que acontece em um intervalo de tempo maior que. 10-8s. aproximadamente. Na fosforescência, o elétron no estado excitado (e) pode fazer uma transição para o estado (m), que sendo metaestável não permite uma transição imediata dos estados (m) → (f). Dessa maneira a carga não fará a transição entre os estados (f) → (e) a menos que receba energia suficiente [28]. A emissão TL, pode ser considerada um caso da fosforescência, quando observado sob condições de temperatura crescente.. 24.

(26) (1). (2). Figura 2- (1) Esquema do processo que envolve a fluorescência, em que está representada a absorção e emissão de energia por um elétron (retorno ao estado fundamental). (2) Representa, esquematicamente, a fosforescência, com excitação para o estado e seguido do decaimento até o estado metaestável m, e novamente excitação e decaimento até o estado fundamental f, com emissão de luz. [Adaptação de Horowitz, [3]].. 4.5 Equações e parâmetros para a descrição da termoluminescência No presente trabalho os modelos teóricos para a descrição da termoluminescência não serão discutidos em profundidade, já que não é o foco principal dele estudar em profundidade os fenômenos físicos relacionados com curvas termoluminescentes. Nesse tópico será discutido, de forma superficial, o modelo mais simples para o fenômeno físico TL, a partir do que foi apresentado por Horowitz [3] e McKeever [28]. Nesse modelo, quando o material sofre aquecimento a probabilidade de liberação dos elétrons aumenta. Essas cargas vão sofrer recombinação nos centros luminescentes, emitindo quanta de luz. A intensidade luminescente [I(t)], em fótons por segundo, será proporcional à taxa de recombinação de buracos e elétrons. Se m é a concentração de buracos capturados existentes, a intensidade termoluminescente pode ser escrita como:. (Equação 2). 25.

(27) O sinal negativo indica a diminuição de buracos. Definindo n(t), nc(t), m(t) e N como, respectivamente, as concentrações de elétrons nas armadilhas, na banda de condução, concentração de buracos nos centros de recombinação no instante t e concentração total de armadilhas para elétrons. A conservação de cargas no material para esse modelo deve cumprir a seguinte relação: n + nc = m. (Equação 3). Seja (N-n)σnυn a probabilidade de recaptura dos elétrons pelas armadilhas e mσmυc pelo centro de recombinação, com σn e σm sendo as secções de choque de captura eletrônica pela armadilha e pelo centro de recombinação e υc a velocidade térmica dos elétrons na banda de condução, usando as definições anteriores, podem-se formular as equações para a taxa de variação das variáveis n, m e nc. A taxa de variação em n tem a contribuição dos elétrons que são libertados (-np) e dos elétrons que são recapturados [nc( N-n) σnυc ]:. (Equação 4). Em que p, é a probabilidade de escape do elétron da sua armadilha [Equação 1]. A quantidade de lacunas m decresce com passagem dos elétrons da banda de condução para os centros de recombinação. A variação de m é dada por:. (Equação 5). Derivando a Equação 3, de conservação de cargas, obtém-se:. (Equação 6). As equações 4, 5 e 6 compõem o sistema de equações diferenciais para um modelo simples, que envolve dois tipos de níveis que se localizam na banda proibida, uma armadilha de elétrons (n) e um centro de recombinação (m). Essas equações são 26.

(28) solucionadas com condição de ¨quasi-equilibrium¨ (Q.E). A condição afirma que não existe acúmulo de elétrons na BC, pois os elétrons libertados são rapidamente capturados pelos centros de recombinação ou recapturados pelas armadilhas. Dessa forma: (Equação 7). A Equação 6 sob a condição de Q.E equivale a: (Equação 8). A conservação de cargas da Equação 3 pode ser escrita como: (Equação 9) Com a condição de Q.E, a intensidade da termoluminescência (Equação 2) torna-se proporcional à taxa de variação de elétrons nas armadilhas.. (Equação 10). Substituindo essas derivadas pelas expressões dadas nas equações 4 e 5 , obtém-se: (Equação 11). Substituindo a equação anterior para. na Equação 4 , obtém-se:. (Equação 12). Aplicando a aproximação de Q.E para a conservação de carga Equação 10 e definindo que. , tem-se a Equação 13:. (Equação 13). 27.

(29) A Equação 13 representa solução geral para o modelo de um tipo de armadilha e um tipo de centro de recombinação na condição Q.E, essa solução é conhecida também como modelo generalizado.. 4.5.1 Cinética de primeira e segunda ordem. A cinética de primeira ordem descrita por Randall e Wilkins [3] considera que a recaptura de cargas durante o estágio de aquecimento é desprezível. A intensidade I(t) da curva de emissão TL depende da taxa de elétrons liberados das armadilhas e a taxa de recombinação nos centros luminescentes.. (Equação 14). Em que C é uma constante relativa à eficiência luminescente. Para uma taxa de aquecimento linear, tem-se:. Equação 15). Através de operações matemáticas, pode-se obter:. Equação 16). Substituindo a equação acima, na Equação 14, tem-se:. Equação 17). Logo, através da solução da equação 17, obtém-se a concentração de elétrons nas armadilhas na temperatura T: (Equação 18) 28.

(30) Em que n0 é o número de elétrons nas armadilhas no tempo t0. Substituindo Equação 18 na 14, chega-se a expressão descrita por Randall e Wilkins, que determina a intensidade de luz I(T) para a cinética de primeira ordem:. Equação 19).. Na Equação 19 observam-se duas funções exponenciais que determinam a forma da curva de emissão T. Garlick e Gibson [29] apresentaram modificações para o modelo de Randall e Wilkins, utilizando do mesmo modelo que considera uma única armadilha e um centro de recombinação, e definiram outro modelo para cinética de segunda ordem. O modelo de segunda ordem cinética assume que a probabilidade de recaptura é dominante, admite também que as secções de choque de recaptura e de recombinações são iguais (. e que a ocupação das armadilhas está longe de saturação. . Assim, utilizando a conservação de carga na condição de Q.E, a Equação 13 se reduz a: (Equação 20). A intensidade TL, para o aquecimento linear com taxa. , é:. (Equação 21). Esta é a expressão obtida para a cinética de segunda ordem. No modelo de cinética de primeira ordem se destaca o fato que o parâmetro n0 apenas muda a escala de intensidade e não altera a posição ou a forma das curvas de emissão TL. Pode-se verificar na Equação 21que n0 atua apenas como uma constante multiplicativa. A curva de emissão TL para o modelo de segunda ordem se apresenta de maneira mais simétrica que o modelo de primeira ordem. A principal característica para o modelo de segunda ordem é a dependência da posição dos picos em relação à ocupação das armadilhas, através do fator n0/N, o que implica na dependência da posição dos picos com fatores. 29.

(31) que alterem a população inicial das armadilhas, como dose de radiação ou temperatura de pré – aquecimento.. 4.6 Métodos experimentais para determinação de parâmetros cinéticos. Os processos cinéticos e de transições dos portadores de carga são influenciados por parâmetros relacionados à estrutura interna do material. Os parâmetros que mais se destacam são: a energia de ativação (E), o fator pré-exponencial ou fator de frequência (s) e a ordem de cinética (b). A estabilidade do pico de emissão TL está diretamente ligada à energia de ativação. Existem vários métodos de avaliação dos parâmetros cinéticos. No presente trabalho os parâmetros cinéticos das curvas foram avaliados pelo método de forma de pico, também conhecido pelo método de Chen [25,28], que será apresentado a seguir. 4.6.1 Método da forma de pico O método da forma do pico é um dos mais simples de extração de parâmetros, pois utiliza um número reduzido de pontos de um pico de emissão TL. Os pontos utilizados são correspondentes à: temperatura de máxima intensidade ( < superior à. e. >. , em que. é a temperatura inferior à. . Em seguida, utilizam-se as relações:. ),. e. e T2 é temperatura ,. ,. [3,25,28], como pode ser observar na Figura 3.. 30.

(32) Figura 3- Representação de um pico de TL isolado com destaque aos parâmetros geométricos, Im, e Tm, que são a intensidade máxima e a temperatura de máximo do pico, respectivamente; T1 e T2 são as temperaturas associadas à curva TL na metade da sua intensidade máxima (Adaptado de McKEEVER [25]).. A ordem cinética é determinada através do fator geométrico (no qual. é a largura a meia-altura e. ,. onde. diferentes. ,. é a meia-largura a meia-altura do lado direito).. Os picos que obedecem à cinética de primeira ordem são os que possuem os de segunda ordem tem. =. = 0,42 e. = 0,52. Simetrias intermediárias representadas por. (0,42 < µg < 0,52), como esta representado na Figura 4,. foram. encontradas em muitos materiais termoluminescentes e a forma mais simples de representar essa diferença é tomando 1<b<2, onde b é a ordem cinética. Chen [2] mostrou que o valor de. muda gradativamente de 0,42 para 0,52 quando b cresce de 1. para 2. A equação de obtenção da energia de ativação é dada por:. (Equação 22). 31.

(33) A Equação 22 relaciona a profundidade da armadilha (E). Onde. , pode ser. . Para esses três parâmetros os valores. substituído pelos parâmetros. e. são dados na Tabela 1 e 2 . Tabela 1- Valores para as constantes. da Equação 22 para o caso de cinética de. e. primeira e segunda ordem [28].. Primeira ordem. Segunda ordem. 1,51. 0,976. 2,52. 1,81. 1,71. 3,54. 1,58. 0. 1,0. 2,0. 0. 1,0. Tabela 2- Valores para as constantes. e. da Equação 22 para os casos de cinética de. ordem geral [28].. γ 1.51+3(. 1,58+4,2(. 0,976+7.3(. - 0,42). 0. 2,52+10,2(. -0,42). 1,0. -0,42). 32.

(34) Figura 4- Fator geométrico (µg) em função da ordem cinética(b). A linha sólida representa o valor médio e as linhas pontilhadas são as variações máximas (Adaptado de McKEEVER [28]). Após serem encontradas a ordem cinética e a energia de ativação, o fator de frequência pode ser calculado através da equação:. (Equação 23). Onde β, E, k, Tm e T são, respectivamente, taxa de aquecimento, energia de ativação, constante de Boltzmann e temperatura de ocorrência da máxima intensidade do pico TL.. 4.7 Grandezas dosimétricas A ICRU e ICRP (International Commission on Radiological Protection) são os organismos internacionais que foram criados com a responsabilidade de cuidar da definição das grandezas dosimétricas, assim como da relação existente entre essas 33.

(35) grandezas e suas respectivas unidades. A ICRU faz recomendações voltadas para as grandezas limitantes que indicam o risco a saúde humana devido à radiação ionizante, já a ICRP é mais voltada para as grandezas operacionais e básicas, que é o foco do presente trabalho [30]. As três grandezas físicas básicas na proteção radiológica são: fluência (Φ), kerma (k) e a dose absorvida. A mais discutida nesse trabalho é a dose absorvida, que de acordo com Horowitz [3] é definida pelo quociente. por dm, onde. é a energia média depositada pela radiação ionizante em um elemento de volume dV e dm=ρdV, onde dm é definida pela massa da matéria com densidade ρ nesse volume.. (Equação 24). A ICRU adotou para unidade de dose absorvida o gray (Gy). No Sistema Internacional de Unidades, 1 Gy = 1 J/kg.. 4.8 Mecanismos de interação da radiação com a matéria Como o objetivo do trabalho é a análise de materiais termoluminescentes para dosimetria de feixes de raios X, gama e elétrons, será apresentada uma revisão breve sobre as interações das radiações ionizantes com a matéria. Quando a radiação interage com a matéria, ocorre transferência de energia para o núcleo atômico ou para os elétrons. Essa energia pode provocar a excitação dos átomos, ionização ou pode interagir diretamente com o núcleo. Quando a interação acontece com o núcleo do átomo, há possibilidade de haver perda emissão radioativa, através de reações nucleares. Porém, se as interações acontecem com os elétrons, a energia transferida pode provocar dois fenômenos: ionização ou excitação. Na ionização a energia absorvida pelo elétron é suficiente para romper a ligação atômica, provocando a remoção de elétrons do átomo, que passa a ter excesso de cargas positivas. Na excitação o elétron absorve energia do fóton e realiza um salto quântico para um nível superior da órbita do átomo, nesse caso a energia do fóton não promove a remoção do elétron do átomo.. 34.

(36) 4.8.2 Interação de fótons com a matéria Os principais mecanismos de interação da radiação X ou gama com a matéria são através de: espalhamento coerente, efeito fotoelétrico, efeito Compton e produção de pares. Os efeitos Compton, o fotoelétrico e a produção de pares dependem da energia do fóton incidente (. e do número atômico Z do material absorvedor [31].. A Figura 5 mostra a probabilidade de ocorrência desses efeitos em função do número atômico efetivo do absorvedor e da energia dos fótons. Nessa figura, considerando o número atômico efetivo do absorvedor próximo ao do tecido mole, ou seja, Z≈7,6 tem-se que o efeito fotoelétrico predomina para fótons de baixa energia. Quando a energia de ligação do elétron orbital se torna desprezível face à energia do fóton incidente a probabilidade de interação por efeito Compton aumenta. A produção de pares acontece para fótons de energias muito altas. No espalhamento coerente, que não está representado na Figura 5, o fóton incidente não perde energia durante a interação com o átomo. Esse efeito geralmente acontece no caso da interação do fóton de baixa energia com um elétron fortemente ligado [30,31]. Assim, esse tipo de espalhamento consiste basicamente na absorção e reemissão da radiação pelo átomo, em uma direção diferente da de incidência. Os dois tipos de espalhamentos coerentes são: Thomson, quando a interação acontece no núcleo do átomo e o Rayleigh, quando a interação envolve um elétron orbital. Os fótons podem penetrar um material sem interagir com o mesmo, porque o poder de penetrabilidade dos fótons na matéria é muito maior do que o das partículas carregadas, porém a probabilidade de interação depende da energia da radiação eletromagnética [30].. 35.

(37) Figura 5- Predominância das interações dos fótons com a matéria em função da energia e do número atômico [30].. 4.8.3 Interação de partículas carregadas com a matéria As partículas que não são carregadas (nêutrons) podem atravessar a matéria sem interagir ou podem interagir e perder sua energia em uma ou mais colisões; diferentemente do que ocorre com uma partícula carregada, que está envolvida por um campo de força coulombiano e ao atravessar um meio sofre contínuas interações até ser completamente freada. As interações das partículas carregadas com elétrons orbitais resultam em ionização e excitação do átomo; já as interações com núcleo atômico resultam em perda de energia radiativa da partícula ou Bremsstralung. Os tipos de interações vão depender da distância entre a trajetória da partícula e o centro do átomo mais próximo [32]. As colisões entre uma partícula carregada e um elétron orbital ou núcleo atômico podem ser do tipo inelástico ou elástico. As interações inelásticas acontecem quando a trajetória do elétron incidente é aproximadamente igual ao raio atômico e toda energia cinética do elétron incidente é transferida para o elétron orbital. No caso das colisões elásticas, a trajetória da partícula carregada está distante do raio atômico, transferindo parte da energia para o elétron orbital, causando apenas um deslocamento na trajetória da partícula incidente.. 36.

(38) 4.9 Considerações gerais sobre dosímetros TL As principais vantagens na utilização de dosímetros termoluminescentes, de acordo com Horowitz [3], são: 1.. Dosímetros TL são pequenos e podem ser introduzidos em lugares mais inusitados;. 2.. Medem de doses baixas (~10 µGy) a doses altas (~102Gy);. 3.. Alguns dosímetros TL são insensíveis a agentes ambientais;. 4.. Podem ser utilizados em forma de pó e de pastilhas;. 5.. Podem ser utilizados para diversos tipos de radiação, incluindo campos mistos de radiação;. 6.. Podem. ser. reutilizados. muitas. vezes. após. tratamentos. térmicos. estabelecidos; 7.. São ideais para monitoração de extremidades.. Nem todos os fósforos servem para utilização na dosimetria. Os principais fósforos comercialmente utilizados são: LiF; LiB4O7; MgB4O7; BeO (óxido de berílio); CaF2 (fluoreto de cálcio); CaSO4 e Al2O3 (óxido de alumínio) [26]. Para propósitos dosimétricos, os fósforos devem reunir algumas características como: pico dosimétrico em torno de 200°C; alta sensibilidade e estabilidade do pico TL, que deve ser independente da energia de radiação e boa linearidade do sinal TL em uma de dose utilizável na dosimetria [33]. 4.9.1 Requisitos gerais para a escolha de um TLD O desempenho de um dosímetro é avaliado examinando algumas propriedades, tais como curva de emissão TL, variação da resposta TL com a dose, linearidade, dependência energética, reprodutibilidade, estabilidade da informação armazenada, limite inferior de detecção, estabilidade e reprodutibilidade e parâmetros cinéticos das curvas, entre outras características [33]. Algumas dessas propriedades serão destacadas a seguir e serão avaliadas para os materiais estudados.. 37.

(39) 4.9.2 Variação da resposta TL em função da dose A curva de resposta TL versus dose representa a relação entre a intensidade da emissão TL do dosímetro e a dose de radiação absorvida por este. Dependendo do dosímetro TL, para uma extensa faixa de doses, a curva compreende geralmente de uma região linear, uma região supralinear e uma região de saturação. A região linear é a de maior interesse na monitoração pessoal e proteção radiológica porque as medidas são feitas com uma maior precisão, havendo uma relação linear entre a intensidade TL apresentada pelo fósforo e a dose absorvida. Para valores muito elevados de dose absorvida, pode acontecer um fenômeno que dá origem a região de saturação. Esse comportamento pode ser interpretado como uma diminuição do número de armadilhas disponíveis para a captura dos portadores de carga no fósforo. A região de saturação não tem utilidade na dosimetria. A existência de uma região de saturação também pode ser explicada, pelos seguintes motivos [28]: •. Criação de novas armadilhas pela radiação;. •. Possibilidade de portadores de carga se recombinarem com mais de um centro luminescente;. •. Existência de centros de recombinação não radioativos.. 4.9.3 Sensibilidade De acordo com McKeever [25], a sensibilidade TL representa a intensidade da resposta por unidade de dose absorvida. Para determinar a sensibilidade compara-se a reposta TL do material de interesse com a resposta do TLD-100, o que é denominado como sensibilidade relativa, considerando que o TLD-100 tem sensibilidade igual a 1. A sensibilidade relativa é representada pela Equação 25.. (Equação 25). Em que: • S(D) = Sensibilidade relativa; • F(D) material = Sensibilidade do material de interesse; • F(D)TLD-100 = Sensibilidade do TLD100 = 1. 38.