Radiação / Aplicações

Aula 2 – Aplicações das
Radiações
F 107 – Física para Biologia – 1º Semestre de 2010 – Prof.Dr. Edmilson JT Manganote
Radiografias
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Análise de Materiais
O XPS (X-Rays Photoelectron Spectroscopy - Espectroscopia Fotoelétrica de Raio-X).
Também conhecido como ESCA ( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis Espectroscopia Elétrica para Análise Química). É uma técnica de análise de superfícies
usada para obter informações sobre as superfícies de materiais sólidos, condutores ou
isolantes.
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Um pouco de história...
• 1895 – Os raios X são
descobertos por Wilhelm
Conrad Rontgen
• Nos 15 anos seguintes
muito trabalho foi feito na
sua utilização para o
exame de corpos
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Um pouco de história...
• 1920 – Por volta deste ano se iniciaram os
estudos relativos à aplicação dos raios X
na inspeção de materiais
• Aplicações atuais
– Ensaios não-destrutivos
– Radiologia diagnóstica e terapia
– Pesquisas científicas
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Os radioisótopos
• São isótopos instáveis dos elementos
• Podem ser usados como traçadores na
diagnose ou como fontes de energia na terapia
• Traçadores
– Possuem comportamento químico idêntico ao de
isótopos estáveis do mesmo elemento
– Apresentam emissão espontânea de radiação que
pode ser detectada, indicando assim sua posição e
quantidade
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Os radioisótopos
• Fontes de energia
– Encontram aplicações por serem detectáveis após
absorção ou espalhamento pela matéria, ou por
quebrarem moléculas e ionizarem átomos formando
íons, iniciando assim reações químicas ou biológicas
– São, portanto, utilizados para destruir tecidos,
especialmente os cancerosos, ou para suprimir alguma
função orgânica
• Alguns hospitais no Brasil possuem aceleradores
lineares que produzem elétrons e raios X de até
10 MeV e são usados em terapias, principalmente
de neoplasias
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Raios-x digital por técnica de dupla
energia. Baseia-se na subtração de
duas imagens digitais obtidas com
raios-x de diferentes composições
espectrais, explorando as diferenças
entre os números atômicos dos ossos
e dos tecidos moles. No modo oneshot, a separação das energias é feita
com o uso de filtros; no modo two-shot
são obtidas duas imagens com
kilovoltagens diferentes. A imagem
resultante é a subtração ponderada
das imagens, onde o parâmetro de
ponderação pode ser variado de modo
a
produzir
imagens
em
que
predominam tecidos moles ou ossos.
http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/marco-07-dual-energy.html
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Tubo ou ampola de raios X. Nesta
ampola, utilizada para diagóstico médico,
elétrons produzidos no catodo (1) são
acelerados até o anodo (alvo) (2) por
diferenças de potencial de dezenas de
milhares de volts. Ao atingi-lo são
bruscamente desacelerados, produzindo
os raios X. Um invólucro de vidro (3)
mantém o vácuo no interior da ampola,
evitando descargas elétricas entre o
anodo e o catodo e minimizando o
espalhamento dos elétrons por outras
moléculas na sua trajetória até o anodo.
O rotor (4) gira o anodo-alvo em até
10.000 rotações por minuto para evitar o
superaquecimento.
http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/abril-07-ampola-de-raios-x.html
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Planejamento de radioterapia. Distribuição de dose de radiação superposta a corte
tomográfico da região abdominal de um paciente. Um tratamento radioterápico é planejado
por um físico-médico que utiliza aplicativos computacionais especializados no cálculo da
distribuição da dose de radiação a ser depositada em um paciente. O planejamento é feito a
partir da definição, pelo médico, dos contornos da lesão e de outras estruturas que devem
ser preservadas. No planejamento ao lado foram utilizados dois campos laterais e dois
frontais. No cruzamento dos quatro feixes a dose é máxima.
http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/julho-07-plano-radioterapia.html
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Braquiterapia de alta taxa de dose. Também conhecida como HDR, de high dose rate, é
uma modalidade de radioterapia em que fontes radioativas de alta intensidade são
introduzidas temporariamente em cavidades do paciente. Para evitar a exposição dos
trabalhadores o tratamento pode ser feito com equipamentos robotizados. O
posicionamento dos cateteres e das fontes é verificado através de um sofisticado processo
de controle de qualidade. Após a verificação, o paciente é deixado só na sala e o robô
acionado a distância por um computador, levando as fontes até os locais pré-determinados.
http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/setembro-07-afterloader.html
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Implante permanente de sementes
radioativas. Uma das maneiras de se
combater o câncer de próstata é espalhar
por todo o seu volume pequenas sementes
radioativas. As sementes são cápsulas
cilíndricas de titânio com cerca de 5 mm de
comprimento e 1 mm de diâmetro. Dentro
delas há um substrato (grafite, prata, resina)
sobre a superfície do qual é adsorvido o
radioisótopo, por exemplo o iodo-125. Este
radioisótopo tem uma meia vida de cerca de
60 dias e decai por captura eletrônica, em
que o núcleo "captura" um elétron da
eletrosfera, transformando-se no telúrio-125.
O decaimento é sucedido pela emissão de
raios gama do núcleo residual e de raios x e
elétrons da eletrosfera, que tem que se
reorganizar para adaptar-se ao novo núcleo.
Os elétrons são absorvidos pela cápsula de
titânio, mas os raios x e os raios gama, com
cerca de 30 keV, a atravessam e depositam
sua energia nos tecidos da próstata do
paciente.
http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/maio-08-sementes-prostata.html
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Gerador de Tecnécio. O 99mTc (tecnécio-99
metaestável) é um emissor gama com meia
vida de 6 horas amplamente utilizado em
procedimentos de Medicina Nuclear. É
99Mo
produzido
pelo
decaimento do
(molibdênio-99), que tem uma meia-vida de
66 horas. O gerador de tecnécio consiste em
um recipiente com pequenas esferas de
alumina sobre as quais o 99Mo (molibdênio99), produzido em um reator nuclear, liga-se
firmemente. Quando decai em tecnécio este,
por ser quimicamente diferente, desliga-se da
alumina, e pode ser "lavado" do recipiente por
uma solução salina. A foto ao lado mostra a
coluna de alumina no centro de uma espessa
blindagem para a radiação. Acima, à
esquerda, o local onde é conectado o frasco
da solução salina; à direita, o local onde é
colocado o frasco evacuado que "suga" a
solução, fazendo-a passar pela coluna de
alumina.
http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/imagem/marco-08-gama-camera.html
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Aplicações na Industria
•
Radiografias (Raio X) e
Gamagrafias (γ)
– Ensaios
não-destrutivos
para
detectar
descontinuidades
e
heterogeneidades da matéria
– Na inspeção
radiográfica,
a
radiação penetrante, raio X ou
gama, atravessa o espécime em
ensaio. Uma parte é absorvida pelo
espécime e a restante vai
impressionar um filme fotográfico,
onde se pode visualizar a estrutura
do corpo de prova ou parte dela
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http://www.tecnologiaradiologica.com/materia_riconceito.htm
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Principais fontes radioativas utilizadas:
* Quase sem utilidade no momento, má qualidade da imagem
** Recente na industria, muito boa qualidade da imagem
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Aplicações na Industria
• Medida de espessura ou de níveis de materiais
– Baseia-se no fato de que o material, colocado entre a
fonte de radiação e o detector, absorve ou espalha
radiação. A radiação que atravessa o material e
atinge o detector pode dar informação sobre
espessura e a densidade do material
– Vantagens:
• Não ser necessário o contato mecânico com o material a ser
medido
• A medida pode ser feita continuamente e à longa distância
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Aplicações na Industria
• Medida de vazamentos
– Radioisótopos usados como traçadores
oferecem um método simples, seguro e de
baixo custo para detectar vazamento de
líquidos
– Uma pequena quantidade de material
radioativo é adicionada ao fluxo. Qualquer
vazamento pode ser detectado mesmo que
seja invisível
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Aplicações na Industria
• Pesquisa sobre desgaste de motores
– Materiais radioativos são usados como
traçadores na fabricação de motores. A
análise do óleo lubrificante poderá fornecer
informação sobre o grau de desgaste do
motor
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Aplicações na Industria
• Conservação de alimentos
– Evitar que certas raízes ou tubérculos brotem
durante o armazenamento
– Eliminar insetos dos grãos antes do
armazenamento
– Preservar alimentos, inibindo ou destruindo
bactérias e outros microrganismos
Existem, entretanto, problemas como mudança no sabor, na cor e na
textura, dependendo do alimento.
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Aplicações na Industria
• Esterilização de materiais cirúrgicos
– Método tradicional: aquecimento do
material entre 150ºC e 170ºC
– Radiações suficientemente energéticas
podem destruir as bactérias
– Vantagens:
• Sem aplicação de calor
• Esterilizar materiais já embalados
– Desvantagens:
• Mudança na estrutura de alguns plásticos,
tornando-os quebradiços
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Radiofármacos
Radiofármacos são isótopos de elementos
radioativos utilizados com a finalidade de
diagnóstico, terapia e pesquisa.
Possuem diversas aplicações:
a) Diagnóstico e
acompanhamento terapêutico
no combate ao câncer;
b) Avaliações neurológicas e
cardiológicas;
c) Análise de disfunções
cérebro-vasculares;
d) Estudo do metabolismo
cerebral nas doenças de
Parkinson, Alzheimer e
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Tourettes.
Aplicações na Agricultura
• Benefícios do uso de radioisótopos:
– Criação de novas variedades de plantas, com
características melhoradas
• Aumento das mutações genéticas
– Maior conhecimento do metabolismo vegetal
e animal
• Utilizando radioisótopos como traçadores
– Controle ou eliminação de insetos
• Irradiação de machos até a esterilização
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Outras aplicações
• Análise por ativação com nêutrons
– É uma técnica na qual a amostra é irradiada com
nêutrons, a fim de tornar radioativos seus elementos
constituintes.
– Como cada radioisótopo emite um espectro de
radiação característico, é possível, por esse meio,
identificar e medir os elementos presentes na
amostra
– Vantagens:
• A análise é não destrutiva
• Para alguns elementos consegue-se uma sensibilidade
muito maior que a obtida pela análise química
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Outras aplicações
• Estudo de poluição do ar
– Esta análise vem sendo feita através do método PIXE
(Particle Induced X-ray Emission)
– A amostra de ar coletada é irradiada com prótons ou
alfas
– Estes arrancam os elétrons das camadas mais internas
dos elementos constituintes da amostra. Quando os
elétrons das camadas mais externas passam a ocupar
os lugares vazios deixados pelos elétrons arrancados,
raios X característicos são emitidos com energia
específica para cada elemento, identificando-os.
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Outras aplicações
• Coloração de cristais por radiação
– A radiação provoca danos nos cristais, criando o que
se chama de centros de cor, que podem mudar ou
intensificar a cor dos cristais
– Gemologia – é uma especialidade da geologia que
estuda o caráter físico e químico dos materiais de
valores gemológicos, sejam esses de origem
inorgânica ou origem orgânica e que se prestam a
adorno pessoal ou decoração de ambiente.
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Turmalina
Quartzo
Diamante
Esmeralda Bruta
Marfim
Pérolas
Âmbar
Rubi bruto
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Outras aplicações
• Datação por meio da radiação
– Método do Carbono-14
• Idade de materiais orgânicos de centenas até dezenas de
milhares de anos
• Os organismos vivos absorvem carbono (sendo que para
cada 1012 átomos de 12C existe apenas um átomo de 14C)
direta (ar) ou indiretamente (alimentos)
• Quando morre a quantidade de 12C se mantém constante
enquanto o 14C vai se desintegrando sem ser substituído
• Medindo-se a radioatividade presente no material podemos
inferir a razão 12C para 14C e, consequentemente, inferir sua
idade
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Outras aplicações
• Datação por Termo-luminescência
– Esse método baseia-se no fato de que muitos cristais
podem armazenar energia proveniente da radiação.
Quando o cristal é aquecido esta energia é liberada
na forma de luz.
– Medindo-se a intensidade desta luz, a quantidade de
radiação acumulada pode ser determinada.
– Idade = (Radiação Acumulada)/(Radiação Anual)
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