DETERMINAÇÃO DE CAMADAS SEMI-REDUTORAS E DECI- REDUTORAS PARA BARITA COMO BLINDAGEM CONTRA RADIAÇÃO X EM PROTEÇÃO RADIOLÓGICA

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1 2013 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2013 Recife, PE, Brazil, November 24-29, 2013 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: DETERMINAÇÃO DE CAMADAS SEMI-REDUTORAS E DECI- REDUTORAS PARA BARITA COMO BLINDAGEM CONTRA RADIAÇÃO X EM PROTEÇÃO RADIOLÓGICA Lopes, G. A. 1, Almeira Jr, A. T. 2, Santos, M. A. P. 3, Araújo, F. G. S. 4, Nogueira, M. S. 5, Aragão Filho, G. L. 1 1 Instituto Federal de Pernambuco (IFPE) Av. Professor Luiz Freire, nº 500 Cidade Universitária Recife, PE Brasil lopesgideon@gmail.com 1 Instituto Federal de Pernambuco (IFPE) Av. Professor Luiz Freire, nº 500 Cidade Universitária Recife, PE Brasil geraldo_lemos10@hotmail.com 2 Fundação Jorge Duprat Figueiredo de Segurança e Medicina do Trabalho (FUNDACENTRO - MG) Rua Guajajaras, nº 40, 13 e 14 andar Bairro Centro Belo Horizonte, MG Brasil airton.almeilda@fundacentro.gov.br 3 Centro Regional de Ciências Nucleares (CRCN - NE) Av. Professor Luiz Freire, nº 200 Cidade Universitária Recife, PE - Brasil masantos@cnen.gov.br 4 Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP /REDEMAT) Rua Diogo de Vasconcelos, n Ouro Preto, MG Brasil fgabrielaraujo@uol.com.br 5 Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear (CDTN/CNEN) Av. Pres. Antônio Carlos, n Campus UFMG Belo Horizonte, MG Brasil mnogue@cdtn.br RESUMO A argamassa baritada vem sendo muito utilizada como material de blindagem de radiações X e gama no Brasil, por apresentar algumas vantagens como o alto índice de eficiência na blindagem de radiação, o fácil manuseio e aplicação, a facilidade de ser encontrada no mercado nacional e o baixo custo. A determinação das camadas semi-redutoras (CSR) e deci-redutoras (CDR) de diferentes tipos de barita torna-se o principal fator para caracterizar a atenuação desses materiais, de modo a assegurar a eficiência e a qualidade dos projetos de blindagem, garantindo a segurança dos trabalhadores ocupacionalmente expostos às radiações e dos indivíduos do público. Dessa forma, placas de diferentes espessuras de argamassa de barita foram confeccionadas para determinação de suas CSR e CDR. As placas foram irradiadas utilizando as qualidades de raios X para proteção radiológica, segundo a Norma ISO Foi utilizado um sistema de espectrometria de CdTe para aquisição dos espectros transmitidos, com a presença de cada placa e suas combinações. As áreas dos espectros obtidas, em função da espessura total das placas utilizadas no arranjo, foram utilizadas para determinação das curvas de atenuação. A partir dessas curvas obtidas neste trabalho, foram determinadas as CSR e CDR. Palavras-chave: radiação X; CSR; CDR; espectrometria CdTe.

2 1. INTRODUÇÃO A Proteção Radiológica é o conjunto de medidas que visa proteger o homem, seus descendentes e o meio ambiente de possíveis efeitos danosos das radiações ionizantes, permitindo, desta forma, as atividades que fazem o uso deste tipo de radiação. Assim, a proteção radiológica na medicina se justifica porque a radiologia é a área da saúde que mais contribui para a exposição do indivíduo à radiação, comparando-se com outras aplicações envolvendo fontes de radiação. Na área médica, essa exposição acontece predominantemente em procedimentos de radiologia intervencionista, em indivíduos submetidos a diagnósticos, rastreamento ou terapia [1]. As recomendações da ICRP servem de base para as normas de proteção radiológica atualmente utilizadas no Brasil [2-5]. Essas recomendações expressam que a estrutura da proteção radiológica é derivada dos princípios aplicáveis em proteção contra as radiações ionizantes, que são a justificação, otimização e limitação de dose. Umas das atividades de proteção radiológica, que corroboram com estes princípios, são a especificação e dimensionamento de materiais que possam ser utilizados como barreiras de proteção, visando minimizar os efeitos das doses de radiações ionizantes em trabalhadores e nos indivíduos do público [6]. Nos últimos anos, tem sido estudado, por diversos pesquisadores, curvas de atenuação das radiações ionizantes de diferentes energias, para chumbo, concreto, ferro, dentre outros materiais utilizados como blindagens de instalações radiativas [7-9]. Contudo, observa-se que a argamassa de barita (agregado composto por cimento, areia, água, sulfato de bário) vem sendo muito utilizada como material de blindagem de radiações X e gama, em virtude de apresentar algumas vantagens, tais como: a alta eficiência na blindagem, aplicação de fácil manuseio, facilidade de ser encontrada no mercado nacional e baixo custo [10]. Porém, na prática, o dimensionamento da argamassa e do concreto de barita, utilizados no revestimento e na construção de paredes, é determinado pelo princípio da equivalência de espessura em relação ao concreto ou chumbo. Isto ocasiona um dimensionamento superestimado, tendo em vista a possibilidade de ocorrer erros bastante significativos, em função da diferença de densidade específica entre o chumbo ou concreto e a barita, além de produzir, muitas vezes, sobrecarga na estrutura da instalação [11-14]. Este fato é decorrente da literatura técnica ainda carece de dados específicos referentes às características de blindagem com argamassa de barita, frente às diversas energias de radiações X, principalmente no tocante à origem de extração da barita, sua composição e mistura (traço) para sua aplicação. Desta forma, o conhecimento das características de atenuação da barita é fundamental, tanto do ponto de vista da radioproteção quanto da viabilização, da elaboração e execução de projetos de blindagem contra as radiações ionizantes nas instalações radiativas.

3 2. MATERIAIS E MÉTODOS O material irradiado foi a argamassa de barita (BaSO 4 ) de coloração creme, oriunda do Estado de São Paulo. Esse material foi inserido em placas de dimensão 9 cm x 6,2 cm com espessuras diferentes, variando aproximadamente entre 3mm e 15mm. As placas foram confeccionadas de acordo com as normas da ABNT. Durante a realização dos experimentos, várias justaposições entre estas placas foram realizadas para formar espessuras mais adequadas ao potencial aplicado, assim como também foram realizadas irradiações sem a presença das placas para determinação da taxa de kerma no ar, definida como a energia cinética gerada pelas ionizações por unidade de massa no ar. Um paquímetro analógico da Mitutoyo foi utilizado para determinar a média de cinco medições da espessura de cada placa confeccionada. As análises químicas da barita creme foram realizadas no Laboratório do Serviço de Tecnologia Mineral (CDTN/CNEN) utilizando o espectrômetro de fluorescência de raios X por energia dispersiva, marca Shimadzu, modelo EDX-720, com tubo de ródio e detector de silício-lítio. A barita estudada possui densidade de 3,6 g/cm³ e sua composição química está descrita na Tabela 1. Tabela 1: Composição química da barita creme Elemento analisado Amostra em % BaSO 4 46,200 SiO 2 34,800 CaO 10,000 Fe 2 O 3 2,600 Al 2 O 3 1,160 P 2 O 5 0,650 K 2 O 0,116 SrO 0,115 Nb 2 O 5 0,026 ZrO 2 0,022 PbO 0,004 Perda ao fogo 4,120 Para as irradiações das placas foi utilizado um equipamento de raios X industrial HF320, marca Pantak, com potenciais aplicados ao tubo de 60, 80 e 120 kv e corrente de 1mA, utilizando as qualidades de feixes de raios X, nível de radioproteção wide, W60, W80 e W150, e narrow, N80 e N120, da norma ISO 4037, implantadas no (CRCN-NE/CNEN), e, ainda, para padronizar a filtragem de fótons no tubo de raios X, utilizou-se filtros de alumínio para filtração adicional, conforme características descritas a seguir na Tabela 2.

4 Tabela 2: Qualidades de feixes de raios-x, nível de radioproteção, implantadas no CRCN-NE/CNEN Qualidades dos feixes de raios X para radioproteção Potencial aplicado ao tubo (kv) Filtração adicional W ,3 mmcu + 3,1 mmal W ,5 mmcu + 3,1 mmal W mmSn + 3,1mmAl N mmCu + 3,1mmAl N ,008 mmcu + 1,002mmSn + 3,1 mmal Para realizar as medidas dos espectros foi utilizado um sistema espectrométrico da Amptek constituído por um detector de CdTe acoplado a um pré-amplificador, modelo XR-100T- CdTe, um amplificador e fonte de alta tensão, modelo PX2T-CdTe e um analisador multicanal (MCA), modelo MCA8000A, operado com 1024 canais. Além disso, foi utilizado um software de aquisição de dados (ADMCA), que gerencia todos os dados registrados em cada canal do analisador multicanal e transforma-os em curvas de distribuição de altura de pulsos. O detector semicondutor de cristal de CdTe foi calibrado com três fontes distintas de radioisótopos, cujos canais foram relacionados às energias, demonstrado na Tabela 3. Tabela 3: Radioisótopos utilizados na calibração Radioisótopo Energia (kev) Canal associado no MCA 59, Am 109 Cd 13, , Ba As medidas dos espectros foram realizadas com o detector posicionado a uma distância de 340 cm do ponto focal, sendo as placas ou conjunto destas posicionadas a 50 cm de distância foco-placa. O posicionamento do detector foi realizado utilizando o arranjo (setup) de calibração com colimador de feixes, e seu alinhamento com o raio central do feixe de radiação foi realizado por meio do uso de lasers convergentes. A Figura 1 mostra como foi realizado o arranjo do experimento no Laboratório de Metrologia no Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste.

5 Figura 1: Arranjo experimental para determinação dos espectros de radiação X Para determinação das camadas semi-redutoras (CSR) e deci-redutoras (CDR) foram obtidos os espectros sem as placas (espectros inicias de cada qualidade de raios-x) e os transmitidos, com a presença de cada placa e suas combinações. As áreas dos espectros obtidas, em função da espessura total das placas, foram utilizadas para determinação das curvas de atenuação. A partir dessas curvas obtidas, foram determinados os valores das CSR e CDR. 3. RESULTADOS As camadas semi-redutoras e deci-redutoras para a barita utilizada foram determinadas para feixes de raios X para fins de radioproteção. As qualidades W60, W80, W150, N80 e N120 são algumas das empregadas pela ISO 4037, e foram utilizadas com o objetivo de conhecer a atenuação dos feixes de raios X para baixa, média e altas energias. Para cada qualidade de raios X utilizada foram obtidos os espectros de transmissão em função da espessura de cada placa ou a combinação delas. A Figura 2 mostra os espectros dos feixes de raios X, para a qualidade W60, quando se aumenta a espessura total utilizada da argamassa de barita.

6 Figura 2: Espectros de raios-x obtidos para a qualidade W60 em relação ao aumento da espessura da argamassa de barita A área sob a curva de cada espectro foi utilizado para determinar as curvas de atenuação dos feixes das qualidades utilizadas. A partir destas curvas de atenuação foi possível determinar a CSR e CDR da argamassa de barita. A Figura 3 mostra, por exemplo, a curva de atenuação obtida para a qualidade W60. Figura 3: Curva de atenuação obtida para a qualidade W60 em função da espessura da argamassa de barita

7 A partir das curvas de atenuação para cada qualidade foram determinadas as CSR e CDR da argamassa de barita utilizada, conforme descrito na Tabela 4. Tabela 4: CSR e CDR da argamassa de barita obtidas nas qualidades da ISO 4037 Qualidade CSR (mm) CDR (mm) W60 1,72 5,72 W80 2,00 6,65 W150 7,15 23,97 N80 2,88 9,59 N120 7,03 23,48 3. CONCLUSÕES Os valores obtidos neste trabalho possibilitarão o emprego e utilização deste minério em estudo no dimensionamento para blindagem para a radiação X com maior precisão e segurança. AGRADECIMENTOS Este trabalho não seria possível sem o suporte financeiro concedido pelo CNPq, que possibilitou a execução deste projeto. Ao Laboratório de Metrologia do Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste.

8 REFERÊNCIAS 1. ALMEIDA JR, A. T. et al., Dose levels in medical staff at hemodynamics services in Minas Gerais State, Brazil preliminary results. Radiation Measurements, v. 43, p (2008). 2. INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROTECTION. Publication 60. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. Annals of the ICRP (1991). 3. BRASIL. MINISTÉRIO DA SAÚDE. Secretaria de Vigilância Sanitária. Diretrizes de proteção radiológica em radiodiagnóstico médico e odontológico. Portaria nº 453 (1998). 4. COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. CNEN-NN-3.01, Diretrizes Básicas de Proteção Radiológica (2005). 5. BRASIL, MINISTÉRIO DO TRABALHO E EMPREGO. Norma Regulamentadora nº 32. Segurança e Saúde no Trabalho em Estabelecimentos de Saúde, Portaria nº 485 (2005). 6. GONDIM, P. C. A. Desenvolvimento de bloco de vedação com barita na composição de partida para blindagem de radiação X. Tese de Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais. Universidade Federal do Rio Grande do Norte (2009). 7. DOUGLAS, J. S. General Solution to the Shielding of Medical X and Ray by the NCRP Report 49 Methods. Health Physics, v. 52, n. 4, p , (1987). 8. JAEGER, R.G.; BLIZARD, E. P.; CHILTON, A. B.; GROTENHUIS, M.; HÖNIG, A.; JAEGER, TH. A.; EISENLOHR, H. H. Engineering Compendium on Radiation Shielding, v. 2, p (1975). 9. NATIONAL COUNCIL ON RADIATION PROTECTION AND MEASUREMENT, Report nº 49: Structural Shielding Design and Evaluation for Medical Use of X-rays of Energies Up to 10 MeV, (1975). 10. SILVEIRA, P. B.; FILHO, J. A. Obtenção das Características Físicas do Sulfato de Bário, na Argamassa de Barita Utilizada na Blindagem das Radiações Externas X e Gama. 3ª Mostra de Pesquisa de Pós-Graduação, UNICAP (2002). 11. ALMEIDA JR, AIRTON T. et al. Physical Characteristics of Barite Plaster Used X-ray Shielding Part One. 11 th International Congress of the International Radiation Protection Association -IRPA, Madrid, Spain (2004). 12. ALMEIDA JR, AIRTON T. et al. Characterization of Barite Plaster Used for X-ray Shielding. International Nuclear Atlantic Conference - INAC, Santos, São Paulo (2005). 13. ALMEIDA JR, AIRTON T. et al., Crystal Glass Used for X-ray and Gamma Radiation Shielding Part Two. International Nuclear Atlantic Conference - INAC, Santos, São Paulo (2007). 14. ALMEIDA JR, AIRTON T. et al., Characterization of Barite and Crystal Glass as Attenuators in X-ray Radiation Shielding. In: 11 th Word Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering. Munich (2009).