DOSIMETRIA: TERMOLUMINESCENTE E OPTICAMENTE ESTIMULADA. Francielle Sezotzki, Natacha Enoki Maurício Lagatta, Renan Cordeiro

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1 DOSIMETRIA: TERMOLUMINESCENTE E OPTICAMENTE ESTIMULADA Francielle Sezotzki, Natacha Enoki Maurício Lagatta, Renan Cordeiro

2 Agenda 1. Dosimetria Termoluminescente 2. Dosimetria Opticamente Estimulada 3. Referências Bibliográficas

3 Dosimetria Termoluminescente

4 Termoluminescência Tipo de fosforescência com tempo de vida muito longo à temperatura ambiente Emissão de luz devido à estimulação térmica de um material que foi previamente irradiado Requer temperaturas baixas (50 a 475 C) Fenômeno explicado através do modelo de bandas para os níveis de energia dos elétrons nos sólidos Materiais termoluminescentes são, geralmente, cristais iônicos nos quais a banda de valência se encontra repleta de elétrons e a banda de condução vazia

5 TL e o modelo de bandas Ionização por radiação e armadilhamento de e - e buracos: Com energia suficiente, um e - da banda de valência é elevado para a de condução e migra para uma armadilha. O buraco criado também migra para uma armadilha.

6 TL e o modelo de bandas Liberação dos elétrons após aquecimento e emissão de luz: Recebendo energia suficiente, o elétron entra na banda de condução e migra para a armadilha de buraco, voltando a banda de valência. Essa desexcitação resulta em emissão de luz.

7 TL e o modelo de bandas Material exposto à radiação ionizante Produção de pares de elétrons e buracos Recombinação em estados na banda proibida armadilhamento Aquecimento Elétrons e buracos, conforme a armadilha, absorvem energia térmica Elétrons migram para a banda de condução e buracos para a de valência Elétrons e buracos se movimentam livremente pelo cristal Recombinação Emissão de luz

8 Termoluminescência na dosimetria Material com alta concentração de armadilhas (materiais com impureza) a fim de capturar quantidade significativa de elétrons e buracos A quantidade de pares elétron-buraco capturados é proporcional a luz emitida A quantidade de luz é proporcional à dose absorvida pelo material DOSÍMETRO

9 Dosímetro Termoluminescente Resposta linear para um amplo intervalo de doses Resposta preferencialmente pouco dependente da energia dos fótons Sensibilidade mesmo para doses muito pequenas Resposta estável, mesmo sob condições climáticas desfavoráveis Boa reprodutibilidade, mesmo para pequenas doses Curva de emissão TL simples Naturalmente, nenhum material reúne todas as características necessárias combinações e dopagem

10 Escolha do material TL A escolha depende do tipo de radiação que se quer medir Materiais mais utilizados em dosimetria: CaF 2, LiF, CaSO 4, Mg 2 SiO 4, BeO, Li 2 B 4 O 7 Com exceção do LiF que já apresenta impurezas e defeitos intrínsecos, vários desses materiais são dopados para que sejam criados níveis de impureza adequados CaSO 4 :Dy CaSO 4 :Mn

11 Escolha do material TL Quando se deseja maior sensibilidade as impurezas deverão ser rasas (CaSO 4, por exemplo, com sensibilidade a partir de 0,2 mgy) Desvantagem: instabilidade dos elétrons, que escapam em grande número mesmo em temperatura ambiente Para medição por períodos mais prolongados o material deve ter níveis de impureza mais profundos (LiF, por exemplo, com sensibilidade a partir de 100 mgy) Desvantagem: perda de sensibilidade

12 Fluoreto de Lítio - LiF Sólido cristalino iônico Íons positivos e negativos estão alternadamente dispostos em uma rede cúbica de face centrada.

13 Fluoreto de Lítio - LiF Mais difundido para fins de dosimetria TL Mais comumente usado em radioterapia + Pouca dependência com o tipo de radiação + Grau de desvanecimento desprezível à temperatura ambiente + Número atômico efetivo muito próximo do tecido vivo permite que o valor da dose absorvida nesse material seja muito próximo do valor estimado para tecido vivo. + Falta de sensibilidade à luz + Resistência química e mecânica

14 Fluoreto de Lítio - LiF + Produzido em diferentes versões e formatos (pastilhas, pós) + Alta sensibilidade num amplo intervalo de dose + Relativamente baratos ± Presença de diversos picos de intensidade luminosa, mas o pico dosimétrico aparece à 200 C - Leituras não são imediatas - Sensibilidade à umidade

15 Sulfeto de Cálcio CaSO 4 Elevada dependência com o tipo de radiação Baixo desvanecimento da dose Número atômico efetivo bem diferente do corpo humano Alta sensibilidade à luz Baixo custo Alta sensibilidade à fótons e nêutrons Forte dependência energética para fótons de baixa energia

16 Leitura de Dosímetros TL Para realizar à leitura do dosímetro, o sistema esquematizado ao lado deve permanecer isolado de luz. O dosímetro é então aquecido gradualmente e, à medida que a temperatura aumenta, elétrons capturados são re-excitados, emitindo luz.

17 Leitura de Dosímetros TL Estabelece-se uma curva da intensidade da termoluminescência com a temperatura. A área sob a curva é diretamente proporcional ao número de fótons emitidos, ou seja, a dose absorvida no dosímetro. Ao se atingir a temperatura máxima para o material, todos os elétrons armadilhados já retornaram a banda de valência e o material está pronto para ser utilizado novamente.

18 Curva de emissão do LiF Curva de emissão do LiF obtida 7 dias após irradiação com raio X para 20, 6 e 4 mas. A leitura foi feita com aquecimento de 5 C/S até 300 C.

19 Vantagens e Limitações de Dosímetros TL

20 Agenda 1. Dosimetria Termoluminescente 2. Dosimetria Opticamente Estimulada 3. Referências Bibliográficas

21 Dosimetria Opticamente Estimulada

22 Introdução A propriedade dosimétrica dos materiais é atribuída às imperfeições presentes nas amostras, isto é, aos defeitos gerados na rede cristalina por impurezas (átomos diferentes aos da rede cristalina) ou por átomos em posições diferentes daquelas que normalmente ocupam A radiação ionizante produz uma perturbação na distribuição de cargas do material, por isto acredita-se que ela interaja com defeitos que dependem de cargas Em uma rede cristalina podem ocorrer vários tipos de imperfeições Defeitos Intrínsecos envolvem apenas as espécies químicas constituintes do material Defeitos Extrínsecos envolvem espécies químicas diferentes dos constituintes do material (impurezas)

23 Defeitos Exemplos de imperfeições simples são os defeitos Schottky e os defeitos Frenkel. Schottky Frenkel Schottky - Ausência de um átomo ou íon na rede Frenkel - Átomo ou íon que se transfere de um sítio da rede para uma posição intersticial.

24 Bandas de Energia em Cristais a) Elétron Livre b) Oscilador Harmônico Simples c) Poço Potencial d) Série de Poços Potenciais. Semelhante aos níveis de energia de um cristal: Bandas de energia separadas por lacunas ou bandas proibidas

25 Técnica OSL Processo físico semelhante à TL Estímulo utilizado para liberar os elétrons armadilhados é a radiação luminosa O comprimento de onda da luz emitida é geralmente menor que daquele utilizado para o estímulo Energia do fóton emitido corresponde à recombinação elétron-lacuna, e resulta de energia armazenada anteriormente pela interação com a radiação

26 Instrumentação

27 Formas de estimulação luminosa OSL por onda contínua OSL por modulação linear OSL pulsada

28 Estágios OSL a)a) Excitação do detector OSL por radiação ionizante na criação de elétrons livres; b)b) Período de Latência concentração metaestável de elétrons e buracos capturados nos defeitos cristalinos; c)c) Estímulo do detector com Luz e recombinação dos pares elétron-buraco com emissão de luz (OSL).

29 Materiais OSL Al 2 O 3 :C + Utilizado para dosimetria de raios-x, gama e beta + Alta sensibilidade à radiação 40 a 60 vezes a do LiF + Boa linearidade para amplo intervalo de doses (0.1 mgy 10 Gy) + Sinal de fundo extremamente baixo durante a estimulação óptica + Elevada seção de choque de fotoionização das armadilhas

30 Materiais OSL + Desvanecimento do sinal menor de 5% ao ano + Podem ser reavaliados inúmeras vezes + Material reutilizável - Alta sensibilidade à luz - Elevado número atômico efetivo (~11,28)

31 Materiais OSL BeO + Alta sensibilidade à radiação + Boa linearidade em cerca de seis ordens de grandeza (5 mgy 5 Gy) + Baixo número atômico efetivo (~7,2) + Baixo custo

32 Vantagens e Limitações OSL + Procedimento totalmente óptico e não destrutível realizado à temperatura ambiente + Evita o problema do declínio da eficiência no sinal luminescente com o aumento da temperatura (conhecido com thermal quenching) + Sinal referente ao estímulo inicial é muito elevado: evita-se a degradação da amostra e o tempo de medida pode ser menor + A informação contida no dosímetro irradiado permanece durante um longo período de tempo

33 Vantagens e Limitações OSL + Leitura da dose pode ser realizada várias vezes, já que não é necessário o total esvaziamento das armadilhas para sua realização. + Além disso, pode-se empregar tanto em monitoração individual como ambiental. - Sensibilidade à luz - Material patenteado

34 Agenda 1. Dosimetria Termoluminescente 2. Dosimetria Opticamente Estimulada 3. Referências Bibliográficas

35 Referências Bibliográficas Dosimetria Termoluminescente VIEGAS, Claudio Castelo Branco. Dosimetria in vivo com uso de detectores semicondutores e termoluminescentes aplicada ao tratamento de câncer de cabeça e pescoço. Rio de Janeiro, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Nuclear) Programa de Pós-Graduação de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, BARSANELLI, Cristiane. Metodologia de calibração de dosímetros termoluminescentes. Campinas, p. Instrumentação para o ensino Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin. Campinas, BATISTA, Bernardo José Braga. Avaliação de dosímetros termoluminescentes para uso em radioterapia com fótons de alta energia. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado em Ciências) Instituto de Física da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2011.

36 Referências Bibliográficas Dosimetria Opticamente Estimulada Yukihara, Eduardo G. Optically Stimulated Luminescence: fundamentals and applications. United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd, McKeever, Stephen W.S. Optically Stimulated Luminescence Dosimetry. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 2003.

37 OBRIGADO! Seminário apresentado em 27/11/2012 Física das Radiações II ( )