Aplicações de Semicondutores em Medicina

Transcrição

1 Aplicações de Semicondutores em Medicina Conceitos da Instrumentação Nuclear Luiz Antonio Pereira dos Santos CNEN-CRCN PRÓ-ENGENHARIAS UFS-IPEN-CRCN Aracaju Março

2 Aplicações da instrumentação Tomografia computadorizada Radioterapia Medicina Nuclear

3 Como medir a dose em radiocirurgia?

4 Instrumentação (IEEE)

5 Instrumentação: por dentro da caixa Transdutor Amplificador Digitalizador Processador Programa de computador Comunicação Mostrador ou Tela gráfica

6 Transdutores Converte a grandeza física em sinal de tensão ou corrente elétrica Fototransistor Termistor Cristal piezoelétrico Strain gage Capacitor higroscópico

7 Transdutores de radiação ionizante: câmara de ionização a ar-livre

8 Simulador de Detector de Radiações ionizantes

9 A radiação nos materiais cristais semicondutores

10 Materiais utilizados como detectores de radiações ionizantes Silício => geração de pares eletrons lacunas Germânio => geração de pares eletrons lacunas Telureto de Cádmio (CdTe) e CdZnTe (CZT) Cristais cintiladores => geração de centros luminescentes na banda proibida Polímeros => produção de troca de cargas entre os anéis aromáticos, por exemplo. Óxido de metal tem característica semicondutora, ex.: óxido de zinco, óxido de cobre, óxido de alumínio, etc.

11 Como é a estrutura de alguns tipos de materiais cristais semicondutores? Figura extraída da revista Ciência Hoje.

12 Teoria da mecânica quântica Equação: Solução: 2 2 ℏ i ℏ = V 2 t 2m x E n= me ε0 h n = 13,6 ev 2 n Formulada para o átomo de Hidrogênio: as energias são quantizadas... Estendida com aproximações para átomos de muitos elétrons...

13 Estados energéticos do elétron Na primeira camada o elétron está preso ao núcleo por uma energia de 13,6 ev. Energia de ligação: EL=-13,6 ev

14 A quantização da energia de alguns átomos A quantização para um conjunto de átomos resulta em mais níveis de energia do que para um átomo sozinho. Acima tem-se um exemplo para apenas 12 átomos agregados e uma aproximação para os estados atômicos 1s e 2s. Na distância de equilíbrio entre os átomos ligados o nível de energia está desmembrada em vários níveis de energia.

15 A quantização da energia de vários átomos Níveis permitidos de energia para muitos átomos: Bandas de valência e condução com separação.

16 Propriedades dos materiais do ponto de vista das bandas de energia a) Metais; b) Metais com bandas superpostas; c) Isolantes; d) Materiais Semicondutores.

17 Bandas de energia num metal O nível de Fermi Ef num metal separa os estados preenchidos dos estados vazios a zero Kelvin. Uma mínima energia é suficiente para promover elétrons para um estado energético mais alto e alterar a condutividade.

18 Bandas de energia num semicondutor Num semicondutor os estados eletrônicos preenchidos estão separados por uma diferença energética mais elevada do que nos metais. Assim, para fazer com que um material semicondutor conduza mais é preciso, teoricamente, fornecer certa energia aos elétrons para promovê-los a um estado que proporcione um aumento na condutividade do material.

19 Efeitos das impurezas no material puro Tem níveis de energia eletrônica bem definida dentro da banda originalmente proibida: impureza doadora. A condutividade pode aumentar consideravelmente.

20 Processos de geração de pares elétrons-lacunas num semicondutor

21 Semicondutores de silício tipo N: dopado com impureza pentavalente, ex.: Arsênio tipo P: dopado com impureza trivalente, ex.: Boro

22 Funcionamento do diodo: junção PN Dois materiais semicondutores tipo N e P são juntos e uma difusão de elétrons e lacunas ocorre. Após um certo tempo um equilíbrio é atingido e uma região de cargas fixas surge no diodo.

23 Diodo PIN reversamente polarizado Aumento substancial da região de carga espacial => aumento do volume sensível do fotodiodo. Existem duas correntes: a de elétrons e a de lacunas

24 Detector de Germânio Hiper Puro HP-Ge

25 Dispositivos eletrônicos como detector Fotodiodo Fototransistor MOSFET

26 Fototransistor Transparente Opaco filtra a luz ambiente

27 Detector de modo ativo tempo real VD VB VR A bateria gera um campo elétrico no sensor, quando ocorre interações a condutividade do material aumenta e a corrente elétrica também: o sinal no osciloscópio mostra a variação da corrente no resistor o qual está em série com o detector.

28 Calculando o sinal produzido: VB = VD + VR I = VB / (RD + R) VR = R I = R VB / (RD + R) VR / VB = R / (RD + R) = ƒ ƒ = 1 / (1 + RD/R) VR = ƒ VB

29 Detector no modo passivo ou indireto Primeiro mede-se a condutividade do material Depois irradia o material Finalmente mede-se novamente a condutividade

30 Efeitos da radiação no material Interação (colisão): fótons elétrons Processos de ionização e de excitação A probabilidade de interação é proporcional a Z A probabilidade de interação varia com E-1

31 Efeitos da radiação na matéria Interação (colisão): elétron elétron Processos de ionização e excitação A probabilidade pode ser muito maior do que a interação fóton-elétron

32 Efeito da radiação num semicondutor Aumento da população de elétrons mais energéticos faz com que a condução elétrica do material aumente significativamente. Os elétrons promovidos aos níveis energéticos mais altos podem voltar (decair) para níveis energéticos mais baixos: processo de desexcitação eletrônica. Átomos ionizados sofrem processo de desexcitação: por elétrons de camadas e subcamadas mais altas decaindo e emitindo raios X característicos.

33 Desexcitação eletrônica Quando os elétrons decaem de um nível de energia mais alto para um mais baixo ocorre uma perda de energia sob forma de radiação eletromagnética: os fótons. A energia de um fóton emitido é a diferença de um nível mais alto e outro mais baixo: Ef=E2-E1. Quando os fótons são provenientes de centros luminescentes, se houver uma população significativa de elétrons nesses níveis, então haverá uma quantidade significativa de fótons emitidos com a mesma energia, i.e., mesmo λ e o efeito pode sensibilizar os detectores significativamente.

34 Esquema da cintilação O tempo de resposta para decaimento do elétron dum estado para outro é muito curto (ns).

35 Analisador de espectro das radiações Cada pulso gerado no resistor é medida a altura Cada altura de pulso é registrada numa memória contadora Os valores de cada memória são mostrados na tela