Instrumentação para a Física da Radiação I.F.R. - Dosimetria

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1 Dosimetria Trabalho apresentado pelo aluno Rui R B Mendes, no âmbito da disciplina de Instrumentação para a Física da Radiação (Docente: Prof. Rui Marques) Índice I. A importância da dosimetria I IV. Grandezas dosimétricas e Unidades de radiação. LET Linear Energy Transfer (de/dx). Efeitos biológicos das radiações V. Dosímetros VI. Legislação 2 1

2 I. A Importância da Dosimetria O objectivo principal da dosimetria das radiações é a determinação da taxa de exposição e taxa de dose da radiação num ponto específico de um meio, seja ele vivo ou não. Ao longo dos tempos, através da realização de inúmeras experiências, algumas com efeitos indesejáveis, os investigadores foram adquirindo conhecimentos capazes de garantir que a radiação ionizante fosse usada pelos seus benefícios. For that Healthy Glow, Drink Radiation! 3 I. A Importância da Dosimetria A acção das radiações é cada vez mais motivo de estudo devido aos seus efeitos em seres vivos. As interacções físicas dos diversos tipos de radiação ionizante desencadeiam fenómenos químicos e biológicos que podem ocorrer até muito tempo após a irradiação com consequências extremas Radiobiologia. A Dosimetria teve maior desenvolvimento na última década e meia muito devido ao aumento do tratamento por radioterapia. Médicos nucleares e físicos médicos são responsáveis por pacientes que incorporam material radioactivo, pela dosagem da radiação bem como pela radioprotecção de funcionários e público. Comissões de Ética Profissional e Serviços de Protecção Radiológica avaliam o cumprimento de regras de segurança sendo responsáveis pelos cálculos dosimétricos que estimam a dose em trabalhadores, população e meio ambiente. 4 2

3 Grandezas Dosimétricas e Unidades de Radiação O sistemas de unidades radiométricas é baseado nas resoluções da ICRU (International Commission on Radiation Units and Mesurements), fundada em 1925, que usa o S.I. e cuida sobretudo das grandezas básicas e das operacionais. A International Commission on Radiological Protection,, ICRP, fundada em 1928, é responsável pela promoção do desenvolvimento da radioprotecção Actividade Actividade (grandeza radiológica): número de transformações nucleares por unidade de tempo: nº de núcleos radioactivos A= dn dt Unidades SI: [s - 1 ] ou se: Becquerel (Bq) = 1dec/s Note-se: Um decaimento por segundo não significa uma emissão por segundo, em geral são emitidos vários tipos de radiações de energias diferentes é um processo estatístico. Unidade antiga: Curie (Ci) = 3,7 x Bq 6 3

4 2. Fluência Densidade de fluxo: Φ = dn dadt nº de partículas que chegam no tempo dt secção de área dn Fluência Φ = [m da [m - 2 ] 7 3. Exposição Exposição: X Taxa de exposição dq = dm = dx dt valor absoluto de carga de iões de um dado sinal, produzidos no ar por ionização, e libertados numa massa dm SI: [C/kg] ou [R], roentgen [R/s] 4 1 R = 2,58 10 C/Kg 12 =1,61x10 pares de iões / grama de ar a P.T.N. 8 4

5 3. Exposição Exposição: X Taxa de exposição dq = dm = dx dt Fotão sofre efeito Compton transferindo energia a um electrão. O electrão ioniza o meio no seu trajecto até P end gerando 30 pares de iões por kev de energia perdida. [R/s] 9 4. Dose absorvida e KERMA O efeito biológico depende da energia libertada no tecido. Dose absorvida é a grandeza que exprime directamente esta energia localmente absorvida. Dose absorvida: Kerma: (Kinectic Energy Released per unit of MAss) K = de tr dm D = de dm Energia absorvida (local) v D D = t Energia transferida a partículas carregadas Kdo meio v Unidades SI: [Gy/s] K Unidades SI: Gray, [Gy] 1J/Kg = t Taxa de Dose absorvida Unidade antiga: rad = 100 erg/g 1 Gy = 100 rad 10 5

6 4. Dose absorvida Radiação recebida pelo homem Fonte Radiação cósmica Corpo humano A maior parte da radiação é proveniente do 226 Ra (ossos) e 40 K (glândulas sexuais). Isótopos radioactivos situados no solo, nas rochas, nos materiais de construção e na atmosfera Testes nucleares (estimativa do total acumulado de radiação) Dose média 0,02 a 0,04 rad /ano 0,06 rad /ano 0,03 a 0,30 rad /ano 0,25 rad/ano Fonte: Valadares, Dose Equivalente Dose Equivalente Quantifica os danos biológicos resultantes da deposição da radiação ionizante nos tecidos. dose absorvida H = D Q factor de qualidade radiação Q X, γ,, e - 1 SI: [Sv] (Sievert) Protões 10 antiga: rem neutrões, 1 Sv = α 100 rem 20 CNEN NE-3.01 Efeito biol. da rad. considerada Q = (a D constante) Efeito biol. da rad. padrão raios-x (200keV) 12 6

7 5. Dose Equivalente Dose equivalente recebida por ano através de fontes naturais e fontes artificiais. Fonte msv/ano Exposição natural Exposição artificial Terra 0,45 Raios cósmicos 0,30 Seres vivos 0,25 28% Radão e produtos de desintegração 1,0 28% Medicina 1,5 42% Ensaios nucleares 0,02 Investigação < 0,02 Instalações nucleares < 0,01 Indústria < 0,01 TOTAL 3,56 100% Fonte: Exposição Radioactividade, Museu da Ciência Universidade de Lisboa, % Dose Equivalente Dose equivalente num tecido T H = W D T R T, R T Dose equivalente efectiva E = T W H Soma dos equivalentes de dose resultantes de irradiação interna e externa ponderadas para todos os tecidos e órgãos. T T factor de ponderação da radiação R dose devida à radiação R recebida no órgão T factor de ponderação para tecidos Tabelas Unidades SI: [Sv] 14 7

8 5. Equivalentes de Dose Factores de ponderação: Tipos de radiação Todos os fotões, electrões e muões Neutrões W R (dependendo da energia) Protões 5 Partículas alfa 20 Apontamentos da disciplina de Dosimetria de Radiação e Radioprotecção prof. Dra Filomena Botelho Tecido/órgão W T Pulmão 0,12 Cólon 0,12 Estômago 0,12 Mama 0,05 Fígado 0,05 Pele 0,01 Superfícies osso 0, Relação entre Exposição e Dose absorvida Dose absorvida no ar: D = ( w / e) X = 0,876X air air energia média gasta na formação de um par de iões no ar por carga de electrão e Relação com Dose absorvida num material: D m = D air ( µ / ρ ) ( µ / ρ ) en m m en air air exposição µ en é o coeficiente de absorção mássica ρ m e ρ air são as densidades do tecido e do ar respect/. 16 8

9 7. Relação entre Exposição e Actividade Podemos relacionar Exposição e Actividade se: fonte pontual (suficientemente pequena). atenuação no percurso até ao ponto da medição desprezável. ausência de espalhamento (só se mede radiação proveniente da fonte). Fonte Γ X = ΓA / d Constante de taxa de exposição de uma fonte pontual 2 [R/hora] d é a distância da fonte ao detector (R.m 2 /hci) 137Cs 0,33 192Ir 0,5 226R a 0,825 60Co 1,32 24Na 1,84 17 Fonte: I LET Linear Energy Transfer LET, (de/dx), energia transferida por unidade de comprimento de percurso, expressa em [kev/µm]. Indica a forma de deposição da energia no meio é uma medida dos danos causados pela radiação que a transporta. 18 9

10 I LET Linear Energy Transfer Valores de LET para diferentes tipos de radiação: Tipo de radiação LET (kev/µm) Electrões (1MeV) 0,25 Raios-X (diagnósticos) 3 Fotões (10 MeV) 4 Neutrões (2,5 MeV) 20 Partículas alfa (5 MeV) 100 Núcleos pesados 1000 Apontamentos da disciplina de Dosimetria de Radiação e Radioprotecção Dra Filomena Botelho 19 I 1. RBE A RBE (Relative Biological Effectiveness) relação da dose de radiação em estudo com uma dose de raios-x de 250 kev que produz o mesmo efeito biológico. RBE depende de: tipo de tecido taxa de dose tipo de radiação LET D RBE = D ref test dose de raios-x dose da radiação que produz mesmo efeito 20 10

11 I 1. RBE Valores aproximados do RBE para diferentes radiações: efeito biológico crescente Tipo de radiação RBE Fotões > 4 MeV 0,7 Fotões < 4 MeV 1 Partículas β > 30 kev 1 Partículas β < 30 kev 1,7 Neutrões lentos 4-5 Neutrões rápidos 10 Protões 10 Partículas α 10 Iões pesados 20 Fonte: Maciel, I 1. RBE vs LET São maiores os danos biológicos causados por radiações com elevado LET, como é expresso pela RBE. Acima dos 100 kev a RBE cai overkill : elevados LET causam danos, a nível celular, irreversíveis, não permitindo que a regeneração celular. a energia não é toda depositada no meio, há perda de energia, a dose é gasta. Radiation Dosimetry: Instrumentation and Methods Shani, Gad CRC Press LLC 22 11

12 I 2. OER OER (Oxygen Enhancement Ratio) relação de enriquecimento em oxigénio. dose sob condições anóxicas Danox OER = D dose sob condições aeróbias aerób Descreve numericamente o efeito do oxigénio A resposta dos tecidos à radiação é maior quando são irradiados em situação aeróbia (na presença de oxigénio) efeito oxigénio. 23 I 2. OER vs LET & Dose OER é menos eficaz para radiação com elevados LET. Na quase ausência de O 2 (Hypoxic) as células sobrevivem a doses mais elevadas de radiação

13 V. Efeitos biológicos da radiação Algumas das consequências biológicas da irradiação em seres vivos. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments WR Leo [Fig. 3.2] 25 V. Efeitos biológicos da radiação 26 13

14 V. Efeitos biológicos da radiação Quem está mais exposto: Mineiros de minas de urânio Trabalhadores dos estaleiros e reactores nucleares Aviadores civis e astronautas (~2 µsv/h) Investigadores científicos Pessoal médico que trabalha com radiação Doentes sujeitos a radioterapia Exposição ocupacional 27 ( Φ 2 ) 1 r V. Efeitos biológicos da radiação Protecção 1. Distância à fonte: 2. Blindagem: Φ 1 r 2 Raios gama ex:. Pb (Z elevado) Electrões ex:. Al (Z baixo) Radiação α e protões qualquer material (ex:. papel) Neutrões material variado (Z baixo) Locais extensos Fontes pequenas Betão/Ferro 28 14

15 IV. Dosímetros Dosímetro termoluminescente (TLD) A radiação que chega ao detector tira os electrões da banda de valência mas não têm energia suficiente e estes ficam retidos, não atingindo a banda de condução. São libertados se forem aquecidos, e com eles fotões termoluminescentes. Os TLD: LiF:Mg Podem medir exposições entre 10^-5 e 10^6 R. Sensíveis a radiação α, β, γ, raios-x, UV e a alguns neutrões. Rápida leitura de dose e baixo custo. 29 IV. Dosímetros Câmaras de ionização Os pares de iões produzidos no interior da câmara são colectados, e a quantidade de iões produzida depende da energia e do poder de ionização da radiação. Utilizadas para detecção de radiação α, β e fotões. Muito utilizadas em radioprotecção principalmente para detecção de radiação secundária

16 VI. Legislação Legislação nacional e algumas directivas comunitárias no âmbito da protecção contra radiações ionizantes relativos à área de radioterapia e de segurança, higiene e saúde no trabalho: fqb_agentesfisicos&lang= Limites para o radão em países europeus: Legislação sobre segurança nuclear e resíduos radioactivos: 31 V ANEXO Excerto duma apresentação preparada para divulgação junto de alunos de escolas secundárias 32 16

17 EFEITOS BIOLÓGICOS DA RADIAÇÃO Os efeitos biológicos da radiação dependem de: - dose de radiação absorvida - tipo de radiação absorvida (factor de qualidade-q) - tempo de exposição à radiação - parte do corpo que recebe a radiação Ex.: Alfa e beta são mais perigosas quando ingeridas! EFEITOS BIOLÓGICOS DA RADIAÇÃO Exemplos de doses Exame de medicina nuclear (cintigrama) 0,1 msv Uma radiografia (tórax) 1 msv Radiação de fundo natural 2,8 msv / ano Limite máximo para trabalhadores em ambientes radioactivos Uma dose de: no corpo todo, num período curto (horas) é letal em 50% dos casos Doses de: usadas em partes restritas do corpo para fins terapêuticos (RADIOTERAPIA) 50 msv / ano 5 S v 50 Sv 17

18 EFEITOS BIOLÓGICOS DA RADIAÇÃO Efeitos prontos /precoces Curto-prazo (horas, dias, meses) Gama sub-clínica (ausência de efeitos abaixo deste limiar Efeitos retardados limiar) 1 Sv Limiar Efeitos agravados com o aumento da dose 10 Sv Longos períodos de latência (anos) Não há evidência de efeitos sobre a saúde humana msv Limiar Probabilidade de ocorrência de efeitos aumenta com a dose Referências Radiation Detection and Mesurement Knoll Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments WR Leo Biofísica Médica J.J. Pedroso Lima Almedina Radiation Dosimetry, Instrumentation and Methods Gad Shani Apontamentos da disciplina de Dosimetria de Radiação e Radioprotecção prof. Dra Filomena Botelho Introduction-to- Ionizing...255B.../let_and_rbe.doc NOÇÕES SOBRE DOSIMETRIA DAS RADIAÇÕES IONIZANTES Alwin Elbern, Ph.D