Apresentação do PowerPoint

Dosimetria e Proteção
Radiológica
Prof. Dr. André L. C. Conceição
Departamento Acadêmico de Física (DAFIS)
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial (CPGEI)
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
Teoria de cavidades
Como medir grandezas dosimétricas?
Para medir a dose de radiação absorvida por um material
exposto à radiação é necessário introduzir no meio um
instrumento que seja sensível à radiação. Esse instrumento
deve fornecer uma leitura correlacionada à dose absorvida
em seu volume.
O volume sensível é, geralmente, denominado “cavidade”.
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Teoria de Cavidade de Bragg-Gray
O único método de medida direta da
dose absorvida D é através de um
calorímetro, em que o aumento da
temperatura de uma massa isolada de
um meio é medida.
Bragg e Gray relacionaram a dose absorvida num detector
inserido num meio com a dose absorvida nesse meio,
identificando o detector como uma “cavidade preenchida de
gás”, daí o nome de Teoria de Cavidade de Bragg-Gray.
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Cavidade de Bragg-Gray
A
dose
absorvida
é
determinada com base nas
medidas
de
ionizações
provocadas pelos elétrons,
corrigidas
por diversos
fatores. Estes fatores são
derivados da teoria de
cavidade de Bragg-Gray.
Pequena cavidade preenchida com gás
Ionizações produzidas na cavidade pelos elétrons, ejetarão outros
elétrons de átomos e moléculas do gás resultando em energia
absorvida no gás. São coletadas e medidas as cargas liberadas no gás.
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Cavidade de Bragg-Gray
𝐷𝑤 = Φ
𝑑𝑇
𝜌𝑑𝑥
𝐷𝑔 = Φ
𝑐,𝑤 𝑇
𝑑𝑇
𝜌𝑑𝑥
𝑐,𝑔 𝑇
Fluência Φ de partículas carregadas
atravessando a interface que
separa os meios w e g.
Stopping Power Colisional de massa, que representa o valor esperado
da taxa de energia perdida por unidade de comprimento de uma
partícula carregada com energia T, num meio com número atômico Z
e densidade 𝜌.
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Cavidade de Bragg-Gray
Supondo que Φ é contínuo através da interface (ignorando o retroespalhamento), temos:
𝐷𝑤
=
𝐷𝑔
𝑑𝑇
𝜌𝑑𝑥
𝑑𝑇
𝜌𝑑𝑥
𝑐,𝑤 𝑇
𝑐,𝑔 𝑇
Bragg e Gray aplicaram esta equação ao problema de relacionar a
dose absorvida num detector inserido num meio com a dose
absorvida nesse meio, identificando o detector como uma “cavidade
preenchida com gás”, por isso o nome de Teoria de Cavidade.
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Teoria de Cavidade
1ª condição de Bragg-Gray: Nesta teoria supõe-se que a cavidade seja
suficientemente pequena em comparação com o alcance dos elétrons que
incidem sobre ela, de tal forma que esta não perturba o campo de partículas
carregadas  implica que os números atômicos dos dois meios devem ser
muito próximos
2ª condição de Bragg-Gray: assume-se que
nenhuma carga seja formada, ou freada, em g, ou
seja, toda a energia depositada em g é devida a
partículas carregadas que a atravessam
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Teoria de Cavidade
Para uma fluência de partículas de diferentes energia cinéticas que
atravessam g, temos:
𝐷𝑤 𝑚𝑆𝑤
=
=
𝐷𝑔
𝑚𝑆𝑔
TMáx
m
Sw 

0
𝑆𝑤𝑔
𝑚
 dT 
 T 
 dT
 dx  cw
TMáx

T
 dT
0
É o Stopping Power Colisional de massa médio para o meio w.
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Exemplo
Se o meio 𝑔 que ocupa a cavidade é um gás no qual a carga 𝑄 (de qualquer sinal) é
produzida por algum tipo de radiação, 𝐷𝑔 pode ser expresso em termos daquela
carga como:
𝐷𝑔 =
𝑄 𝑊
𝑚 𝑒
Onde
𝑔
𝑊
𝑒 𝑔
é a energia média gasta por unidade de carga
produzida, e 𝑚 é a massa do gás.
Pela relação de Bragg-Gray temos que a dose no meio pode ser escrita como;
𝐷𝑤 =
𝑄 𝑊
𝑚 𝑒
.
𝑔
𝑚
𝑆
𝑤
𝑔
Esta equação permite calcular a dose absorvida no meio que rodeia imediatamente
a cavidade B-G (meio w = parede), em função da carga produzida na cavidade de
gás.
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Exemplo
Uma cavidade com volume de 1 cm3, preenchida com ar nas condições
normais de temperatura e pressão (CNTP), é exposta a um campo de
radiação que libera 3,336 x 10-10 C em um determinado tempo.
Determine a dose absorvida no ar. Dado que 𝜌𝑎𝑟 = 1,293 𝑘𝑔 𝑚3 na
CNTP.
𝑚𝑔á𝑠 = 1 × 10−6 𝑚3 × 1,293 𝑘𝑔 𝑚3 = 1,293 × 10−6 𝑘𝑔
𝐷𝑎𝑟 =
3,336 × 10−10 𝐶
𝐽
𝐽
× 33,97 𝐶 = 8,74 × 10−3 𝑘𝑔 =
1,293 × 10−6 𝑘𝑔
−3
8,74 × 10 Gy
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Tipos de Dosímetros
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Detectores preenchidos com gás
Fonte de tensão (V)
Radiação
Ionizante
Incidente
+
-
+
-
+
Ânodo +
Cavidade
preenchida
com gás
Amperímetro
Cátodo André L. C. Conceição | 06.05.15| Slide 12
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Regiões de detecção detectores a gás
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Regiões
Região de saturação de íons (Câmara de ionização)
• Quando a tensão é suficiente para que quase todos os íons que se formam sejam
coletados;
• A corrente obtida ( 10-12 A) é amplificada e mantida constante para efeitos de
medida;
• O aumento de corrente depende da quantidade de radiação;
Região proporcional (Detector proporcional)
•
•
A corrente volta a aumentar. Os elétrons acelerados têm energia suficiente para criar
novos pares de íons, ocorrendo uma multiplicação, que é proporcional ao número de
pares de íons gerados pela radiação primária;
Cada elétron produzido na ionização original pode gerar 104 elétrons adicionais;
Região Geiger Müller (Detector Geiger Müller)
• Aumentando ainda mais a tensão, a multiplicação ocorrida no gás se torna tão intensa
que apenas uma partícula ionizante é capaz de produzir uma avalanche ao longo do
ânodo, resultando num valor alto de corrente, mesmo que a energia seja baixa;
Região de descarga contínua: Para tensões mais elevadas, ocorre a ionização das
moléculas do gás diretamente, produzindo grandes correntes (centelhas), mesmo sem a
presença de radiação, de modo que não é possível operá-los nessa região;
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Câmara de Ionização
Sua operação está baseada na coleta de todas as cargas criadas
diretamente pela radiação ionizante que incide no volume sensível
(cavidade de gás) através da aplicação de um campo elétrico.
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Câmara de Ionização
Radiação
A radiação ao interagir com moléculas do gás provoca a
ionização destes, resultando em um íon positivo e um elétron
livre, chamado par de íons. Assim, a quantidade de interesse é
o número de pares de íons criado ao longo do caminho
percorrido pela radiação.
No mínimo a radiação deve
fornecer uma quantidade de
energia igual à energia de
ionização da molécula do gás. A
energia média para a formação
de um par de íons foi definida
como 𝑊 .
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Câmara de Ionização
A separação e a coleta das
cargas deve ser rápida de
modo a minimizar estes
efeitos. Além do aumento do
campo elétrico a fim de
suprimir os efeitos de
recombinação.
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Câmara de Ionização
• Se um campo elétrico é aplicado na cavidade onde estão os pares
de íons criados pela radiação ionizante, forças eletrostáticas irão
mover estas cargas do ponto de origem para o eletrodo. Para íons, a
velocidade de deslocamento é dada por:
𝜇∙𝐸
𝑣=
𝜌
onde: 𝜇 é a mobilidade do íons, 𝐸 é o campo elétrico aplicado e 𝜌 a
pressão do gás.
• Íons apresentam velocidades de deslocamento em torno de 1 m/s,
indicando que o íon percorre 1 cm em ≈ 10 ms. Já os elétrons, nas
mesmas condições, percorrem o mesmo percurso em torno de
alguns µs.
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Câmara de Ionização
Na presença de um campo elétrico, o deslocamento de cargas
positivas (íons) e negativas (elétrons) constituem uma corrente
elétrica (corrente de ionização). Considerando que todas as cargas são
efetivamente coletadas, a medida da corrente de ionização representa
uma medida dos pares de íons formados no volume.
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Câmara de ionização
Como a magnitude da corrente de ionização é muito baixa para ser
medida com um galvanômetro comum, a amplificação desta corrente
é necessário. Para isso, é utilizado um eletrômetro, que pode ser
entendido como um voltímetro com altíssima impedância.
Eletrômetro
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Tipos de Câmara de Ionização
Tomografia Computadorizada
Radioproteção
Fluoroscopia
Mamografia
Radioterapia
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Contador Proporcional
• Aumentando ainda mais a tensão, os elétrons livres começam a ter
energia suficiente para produzir novas ionizações.
• Os elétrons liberados nestas ionizações secundarias, são também
acelerados de modo a produzir mais ionizações.
• Este aumento na ionização é freqüentemente chamado de
amplificação de sinal ou multiplicação. O sinal de saída é maior,
mas ainda proporcional a quantidade inicial de ionização, e por
razões óbvias, esta faixa de operação é chamada região
proporcional.
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Contador Proporcional
Se a resposta de um simples elétron é
conhecida, a amplitude dos pulsos
produzidos por muitos originais pares de íons
pode ser deduzida. Cada avalanche é
independente e, a carga total 𝑄 gerada por
𝑛0 pares de íons é:
𝑄 = 𝑛0 𝑒𝑀
Onde 𝑀 é o fator de multiplicação e 𝑒 a carga
do elétron;
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Geiger-Müller
• Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma
região onde produz-se uma avalanche de pares elétroníon.
• Neste modo, a energia dos elétrons ionizados primários
aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou
ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres.
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Geiger-Müller
Muitas moléculas do gás ficam no
estado excitado através da colisão
com elétrons ou íons secundários.
No intervalo de tempo de alguns
nanosegundos
as
moléculas
excitadas retornam ao estado
fundamental emitindo fótons, cujo
comprimento de onda se encontra
na região ultravioleta ou visível.
Este fótons pode ser re-absorvidos
por efeito fotoelétrico, criando um
novo elétron livre, no processo
chamado de descarga Geiger.
Este
processo
resulta
em
multiplicação da ordem de 106 –
108.
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Geiger-Müller
Como um contador, são necessárias condições específicas de operação na
qual cada pulso seja registrado pelo sistema de contagem. Esta condição, na
prática, é obtida na região de plateau, onde a fonte de radiação gera eventos
a uma taxa constante dentro do tubo.
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Dosímetro Cintilador
Esquema de um dosimetro cintilador acoplado à uma fotomultiplicadora.
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Cintilador
Tem a propriedade de emissão de radiação eletromagnética
(luminescência), desde luz visível até ultra-violeta, após ter
sido exposto ou submetido a estímulos (reações químicas,
calor, luz ou radiação ionizante).
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Material Cintilador
Um material cintilador ideal para detecção de radiação deveria apresentar,
principalmente, as seguintes características:
1. Converter a energia depositada pela radiação incidente em luz com
alta eficiência de cintilação.
2. Conversão linear da quantidade de energia depositada pela
radiação incidente em luz.
3. Baixo Tempo de decaimento da luminescência para geração rápida
de pulsos.
4. Transparente à luz emitida.
5. Espectro de emissão compatível com o de absorção da
fotomultiplicadora.
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Material Cintilador
Cintiladores Orgânicos: geralmente compostos de
hidrocarbonetos aromáticos com anéis benzênicos. São mais
rápidos, porém emitem menos luz. Aplicados em
espectroscopia beta e detecção de neutrons. Podem ser:
plásticos, cristais e liquidos. Ex: poliviniltolueno e antraceno
(C4H10) .
Cintiladores
Inorgânicos:
principalmente
halógenos
alcalinos ativados com “impurezas”. Apresentam melhor
emissão de luz e linearidade, mas lentos na resposta. Devido
aos alto Z e ρ, aplicados em espectroscopia gama. Podem
ser: cristais, gases e vítreos. Ex: NaI(Tl) e Xe.
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Processos de emissão da luz
Fluorescência  emissão imediata da luz. Tempo de emissão 10-9 s.
Fosforescência  estado excitado é um meta-estado, emite maior
comprimento de onda e tempo de emissão é mais lento (10-8 s).
O comprimento de onda emitido durante a luminescência depende da
composição química da substância e do tipo de impureza química
agregada ao material.
A emissão de luz fluorescente é rápida e isotrópica, o que marca a
diferença entre os cintiladores orgânicos e os inorgânicos cristalinos.
Estes últimos necessitam de uma rede cristalina regular para que o
processo da cintilação ocorra.
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Mecanismos de cintilação em orgânicos
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Mecanismos de cintilação em cristais
inorgânicos ativados
Absorvendo energia, um elétron pode saltar da banda de
valência para a de condução e, ao retornar à banda de
valência libera energia na forma de fótons
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Dosímetro
Radiação
luz
Fotomultiplicadora
Dispositivo
de
medida
Cintilador
Ânodo
Fotocátodo
Janela óptica
I  I 0 .e
t

1


1
0
.e
E
kT
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Espectros emissão/absorção
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
• Num detector cintilador é desejável que os estados excitados
decaiam rapidamente para estados fundamentais resultando assim
a fluorescência imediata.
• Em outra classe de cristais inorgânicos denominada dosímetro
termoluminescente (TLD), o material do cristal e as impurezas são
escolhidos de tal modo que os elétrons e as lacunas permaneçam
armadilhados nos locais ativadores em temperatura ambiente de
sala.
• Colocado num campo de radiação, o cristal TLD serve como um
detector integrador passivo, onde o número de elétrons e lacunas
armadilhado depende de seu histórico de exposição à radiação.
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
• Podem existir impurezas num cristal, que provocam a
distorção na rede cristalina.
• Estas imperfeições podem aumentar a capacidade da
amostra de armazenar energia quando este é exposto à
radiação ionizante.
• Essa energia armazenada pode ser liberada sob a forma
de luz, quando o material for aquecido.
• Quando o processo de fosforescência é acelerado por um
aquecimento do cristal, o efeito é denominado
termoluminescência (TL) e os materiais são chamados
fósforos termoluminescentes.
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
Os tipos mais comuns de materiais TL são os seguintes:
•Fluoreto de lítio dopado com manganês (LiF:Mn) para
dosimetria individual;
•Borato de lítio dopado com manganês (Li2B4O7:Mn) para
dosimetria de altas doses;
•Fluoreto de cálcio dopado com disprósio (CaF2:Dy) para
monitoração ambiental; e
•Sulfato de cálcio dopado com disprósio (CaSO4:Dy) também
para a monitoração ambiental.
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
• A radiação ionizante produz no cristal pares de elétronslacunas, que migram através do mesmo até se
recombinarem ou serem capturados em armadilhas.
• Aquecendo-se o cristal, os elétrons, absorvendo energia
térmica, escapam das armadilhas, indo para a banda de
condução.
• Podem, então, movimentar-se livremente no cristal até se
recombinarem
com
uma
lacuna
aprisionada,
eventualmente emitindo luz.
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
• Num cristal inorgânico perfeito os níveis energéticos eletrônicos atômicos externos
são ampliados numa série de bandas energéticas contínuas permitidas separadas
pelas regiões de energias proibidas.
•A banda preenchida é chamada de banda de valência e é separada por vários
elétron volt da banda vazia chamada de banda de condução.
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
O intervalo de energia entre as bandas de valência e condução
determina a temperatura necessária para liberar o elétron e produzir a
termoluminescência e é característica do material usado.
Geralmente, são produzidos muitos elétrons aprisionados e lacunas.
Quando a temperatura do cristal é aumentada,
• a probabilidade de liberar um elétron de sua armadilha é
aumentada,
• a quantidade de luz emitida será fraca em baixas temperaturas,
passa por um ou dois picos máximos em altas temperaturas e
diminui novamente para zero quando os elétrons que se
encontravam na armadilha não mais existirem.
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Dosimetria Termoluminescente (TLD)
Após a exposição o material TLD é aquecido.
Quando a temperatura é aumentada, os elétrons e as lacunas
armadilhados migram e se combinam, com o acompanhamento da
emissão de fótons com energias de poucos eV.
Alguns destes fótons entram num tubo fotomultiplicador e produzem
um sinal elétrico.
O material é comumente processado no leitor TLD, que aquece
automaticamente o material, mede o rendimento de luz em função da
temperatura, e registra a informação na forma de uma curva de
aquecimento
André L. C. Conceição | 06.05.15| Slide 46
Dosimetria Termoluminescente (TLD)
• A curva de emissão é a
melhor característica de um
fósforo termoluminescente.
CURVA DE EMISSÃO
• Representa a luz emitida
pelo cristal em função da
temperatura ou do tempo
de aquecimento e consiste
de vários picos.
• Cada um deles está
associado
a
uma
determinada armadilha e é
caracterizado
pela
temperatura em que ocorre
o máximo de emissão.
André L. C. Conceição | 06.05.15| Slide 47
Dosimetria Termoluminescente (TLD)
• Uma curva de luminescência típica apresenta um ou mais
picos (máximos) quando as armadilhas de vários níveis de
energia são esvaziadas. A altura relativa dos picos indica
aproximadamente o número de elétrons relativo existente
nas várias armadilhas.
• Tanto a quantidade de luz total emitida durante parte ou toda
a curva de luminescência como a altura de um ou mais picos
podem ser usados como medida da dose absorvida no
material TL ou a exposição no ar.
• Se for utilizado uma altura de pico para medida da dose, o
ciclo de aquecimento deve ser reprodutível para evitar
flutuações na altura de pico.
André L. C. Conceição | 06.05.15| Slide 48
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Leitura do TLD
– Período de pré-aquecimento
• Sem integração da quantidade de
luz
para
discriminar
contra
aprisionamentos instáveis de baixa
temperatura
– Período de leitura
• Duração da emissão da parte da
curva de luminescência a ser lida
como medida da dose
– Período de aquecimento
• Durante o qual o restante da
energia armazenada é eliminada
sem a integração da quantidade de
luz
– Período de resfriamento
• Após o aquecedor de potência
panorâmica ter sido desligado
André L. C. Conceição | 06.05.15| Slide 49
Dosimetria Termoluminescente (TLD)
São utilizados vários tipos de materiais DTL.
O sulfato de cálcio ativado com manganês, CaSO4 : Mn, é
suficientemente sensível para medir doses da ordem de μGy.
Suas armadilhas são relativamente superficiais, portanto, possui a
desvantagem da “perda de informação” significativa em 24 h.
O CaSO4 : Dy é bem melhor.
Um outro cristal DTL popular é o LiF, que possui defeitos e impurezas
inerentes e não necessita a adição de ativadores.
Exibe perda de informação desprezível e a sua composição atômica é
muito próxima à do tecido.
Pode ser usado para medir as doses de radiação gama no intervalo de
aproximadamente μGy – 10 mGy.
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