RAIOS GAMA PRINCÍPIOS FÍSICOS E. Prof. Emery Lins Curso Eng. Biomédica

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1 RAIOS GAMA PRINCÍPIOS FÍSICOS E INSTRUMENTOS Prof. Emery Lins Curso Eng. Biomédica

2 Geração de Raios Gama

3 Geração de Raios-x

4 Geração de Raios gama Raios-γsão as radiações eletromagnéticas de mais alta energia (acima de 120 KeV) originadas de transições eletrônicas e efeitos relativísticos de partículas altamente energéticas. Devido à sua característica, os raios gama-γ tem um alto poder de penetração nos tecidos biomédicos. São aplicados em tratamentos de tumores e sistemas de imagens médicas(pet) Os raios-γ podem ser produzidos de formas semelhantes aos raios-x (Bremsstrahlung, radiação característica e efeito compton)

5 Bremsstrahlung Diâmetro do átomo m Diâmetro do núcleo m Razão volumétrica 1:10 12

6 Raio gama característico

7 Efeito Comptom

8 Geração de Raios gama Fusão Nuclear É o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleode maiornúmero atômico. A fusão nuclear requer altaenergiapara acontecer, e geralmente libera ainda mais energia que consome. Fusões deelementosmais leves que oferroe oníquel (que são os núcleos mais estáveis) liberam energia; com elementos mais pesados há consumo.

9 Geração de Raios gama Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio) Devido às altas temperaturas dentro de uma estrela, tanto o hidrogênio, quanto o Hélio existem em uma forma totalmente ionizada, isto é sem, os seus elétrons orbitantes. Como o combustível principal de uma estrela é ohidrogênio, deve existir um processo anterior de produção de Nêutrons. A criação de nêutrons ocorre inicialmente pela colisão entre dois prótons. O resultado é um novo núcleo formado por umprótone umnêutronchamado dedeutério(²h).

10 Geração de Raios gama Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio) Pela conservação das cargas uma partícula com a carga positiva faltante deve ter sido criada. Pela conservação das massas há uma diferença de massas entre os dois lados da equação. A conclusão é que umpósitron também precisa estar na equação, de forma que: Este seria o processo esperado para a criação de nêutrons a partir de prótons

11 Geração de Raios gama Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio) Pela conservação de energias e do momento do sistema, uma nova partícula, sem massa, mas com energia e momento, deve ser adicionada. Essa partícula é nominada neutrino: Nesta reação os neutrinos podem carregar energias de até 0.42 MeV (raios gama) Outro processo importante é a aniquilação do pósitron seguido da emissão de raios gama

12 Geração de Raios gama Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio) O resultado final da reação é:

13 Geração de Raios gama

14 Geração de Raios gama Decaimento radioativo É a desintegração de um núcleo através da emissão de energia em forma de radiação. A radiação pode se propagar por meio de partículas (radiação corpuscular) ou por meio de ondas (radiação eletromagnética). A quantidade de material radioativo, expressa em número de átomos radioativos decaindo por segundo é chamada Atividade (A) e a unidade é o Curie (Ci).

15 Geração de Raios gama Decaimento radioativo 1 Ci = 3,7 x desintegrações por segundo (dps). 1 dps = 1Bequerel (Bq) Em medicina nuclear a ordem de grandeza praticada é o mci. 1 mci = 37 MBq.

16 Geração de Raios gama Decaimento radioativo constante O decaimento é um processo aleatório. É impossível determinar quais átomos de uma molécula estaram sofrendo o decaimento radioativo em um instante de tempo t. Porém, a observação científica revela que a taxa de átomos decaindo (A) é proporcional ao número de átomos instáveis. A proporcionalidade é substituida pela igualdade considerando uma constante λ(constante de decaimento) -dn/dt = Nλ

17 Geração de Raios gama Decaimento radioativo constante O sinal negativo revela que a taxa diminui ao longo do tempo. Como resultado temos: N = N 0 e -λt

18 Geração de Raios gama Decaimento radioativo constante O tempo de meia-vida é o tempo para a concentração de partículas instáveis reduzir à metade Como resultado temos: λ = ln2/(t 1/2 ) = 0.693/(T 1/2 )

19 Geração de Raios gama Decaimento radioativo α Decaimento espontâneo onde há emissão de um núcleo de Hélio (2 prótons + 2 nêutrons). A ZX = (A-4) (Z-2)Y + 4 2He +2 + energia

20 Geração de Raios gama Decaimento radioativo β - (negatron) Decaimento espontâneo onde há emissão de um partícula similar ao elétron. Ocorre quando o núcleo possui o número de nêutros muito maior que o de prótons. Há emissão de antineutrinos, partículas subatômicas, com carga elétrica neutra e massa infinitesimal. A ZX = A (Z+1)Y + β - + ν + energia

21 Geração de Raios gama Decaimento radioativo β + (positron) Decaimento espontâneo onde há emissão de um partícula oposta ao elétron (elétron com carga positiva). Ocorre quando o núcleo possui o número de nêutros muito menor que o de prótons. Há emissão de neutrinos, partículas subatômicas, com carga elétrica neutra e massa infinitesimal. A ZX = A (Z-1)Y + β + + ν+ energia

22 Geração de Raios gama Decaimento radioativo por captura de elétron Decaimento não-espontâneo onde o núcleo captura um elétron da camada mais próximo (K ou L), convertendo um próton em um nêutron e emitindo um neutrino. A ZX + e - = A (Z-1)Y + ν+ energia

23 Geração de Raios gama Transação isomérica Decaimento espontâneo sem emissão de radiação αou β, só gama. Um átomo é convertido em um átomo-filho, em um estado excitado. A emissão de radiação gama estabiliza o átomo. Am ZX = A ZX + energia

24 Geração de Raios gama Esquemas de Decaimento radioativo Captura de A Z X (alta energia) Elétron estado excitado A (Z-1) Y A (Z-1) Y* β + A (Z-1) Y Isomérica

25 Geração de Raios gama

26 Geração de Raios gama

27 Geração de Raios gama Raio-γ Ciclotron e Síncrotron Partículas carregadas são freadas (aceleradas) a passar por um campo magnético intenso A partícula descreve trajetória em aspiral e emite radiação continuamente

28 Geração de Raios gama Raio-γ Ciclotron e Sincontron Partículas são aceleradas artificialmente por campos magnéticos de alta intensidade dentro de um sistema de aceleração de partículas Só podem ser obtidos artificialmente ou na natureza em campos magnéticos estelares

29 Geração de Raios gama Raio-γ Sincontron A emissão de radiação gama ocorre quando as partículas carregadas e aceleradas são desaceleradas pelos campos magnéticos para estabilizar o núcleo

30 Geração de Raios gama

31 Geração de Raios gama Geração e aniquilação de pares A geração de pares (1 elétron e 1 pósitron) ocorre quando um fóton altamente energético atinge a vizinhança do núcleo A energia do fóton deve ser maior que a energia de repouso do elétron (E = mc 2 = 1,022 MeV) A energia do fóton excedente à massa de repouso é convertida em energia cinética das partículas devido à conservação da energia e do momento

32 Geração de Raios gama Aniquilação de pares Se a energia cinética das partículas é ~ nula, elas são denominadas partículas em repouso Então aumenta a probabilidade do par de partículas se aniquilarem. As duas partículas são convertidas em dois fótons gêmeos e antiparalelos (conservação angular)

33 Geração de Raios gama Aniquilação de pares A energia desses dois fótons criados é obrigatoriamente igual entre eles no valor de 511 KeV, ainda raios-γ Esse efeito é o princípio fundamental da técnica PET (Pósitron Emitted Tomography)

34 Emissão do Urânio Geração de Raios gama

35 Tipos de detectores Detectores preenchidos com gás: consiste de um volume de gás entre dois eletrodos Nos Detectores cintilográficos, a interação da radiação ionizante produz UV e/ou luz visível Detectors semicondutores são compostos por cristais puros de silício, germanium ou outro material que em função da presença de impuridades atue como um diodo

36 Tipos de detectores Detectores também podem ser classificados pelo tipo de informação produzida: Detectores Geiger-Mueller (GM), indicam o número de interações ocorrendo que estão ocorrendo no detector Detectores que fornecem informação sobre a distribuição de energia da radiação incidente, como os detectores cintilográficos de NaI, são chamados espectrômetros Detectores que mostram um conjunto de energias depositados no aparelho por multiplas interações são chamados dosímetros

37 Modos de operação No modo pulsado, o sinal de cada interação é processado individualmente. No modo corrente, o sinal elátrico individual No modo corrente, o sinal elátrico individual das individual das interações são consideradas ao mesmo tempo e a média do sinal é considerado como o sinal da rede.

38 Taxa de Interações O principal problema dos detectores que operam no modo pulsado é que duas interações precisam estar separadas por um tempo finito para produzir sinais distintos. Este intervalo é chamado por dead time do sistema Se uma segunda interação ocorre neste intervalo, este sinal estará perdido; se ocorre perto o suficiente da primeira interação, ele pode distorcer o sinal da primeira interação.

39 Dead time O Dead timede um sistema de detcção é determinado pelos dead timedos componentes do sistema Em um detector o contador GM tem longos dead time Em um analizador multicanal o conversor analógico-digital tem o mais longo dead time Contadores GM tem dead time variando entre dezenas e centenas de microssegundos, enquanto os outros sitemas respondem um unidades de microssegundos.

40 Paralizável e não-paralizável Em um sistema paralizável,uma interação que ocor re durante o dead timeextende o dead time. Em um sistema não-paralizável isso não ocorre A altas taxas de interação, um sistema paralizável está apto a detectar qualquer interação depois da primeira, levando o detector a mostrar a contagem nula.

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42 Operação em modo corrente No modo corrente, toda informação sobre interações individuais é perdida. Se o conjunto de cargas elétricas coletada de cada interação é proporcional à energia depositada pela interação, então a corrente da rede é proporcional à dose sobre o material do detector Esse tipo de operação é usado em detectores submetidos a altas taxas de interação

43 Espectroscopia A maioria dos espectrômetros operam no modo pulsado A amplitude de cada pulso é proporcional à energia depositada no detector pela interação causada pelo pulso. A energia depositada por uma interação não é sempre a energia total da radiação incidente

44 Espectroscopia Um espectro pulsado é normalmente descrito como um gráfico do número de interações que entrega um conjunto de energias particulares ao espectrômetros em função da energia.

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46 Eficiência da detecção A eficiência (sensibilidade) de um detector é a medida da habilidade de detectar radiações A eficiência de um sistema de detecção A eficiência de um sistema de detecção operando em modo pulsado é definido como a probabilidade da radiação emitida por uma fonte ser detectada

47 Efficiency = Efficiency = Efficiency = Number detected Number emitted Number reaching detector Number emitted Number detected Number reaching detector Geometric efficiency Intrinsic efficiency

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49 Eficiência intrínseca Frequentemente chamada de eficiência quântica de detecção (quantum detection efficiency ou QDE) É determinada pela energia da radiação e pelo número atômico, densidade e espessura do detector Para um feixe paralelo de radiações monoenergéticas incidente sobre um detector de espessura uniforme Intrinsic efficiency = 1- e µx

50 Detectores preenchidos com gás Um detector preenchido com gás consiste de um volume de gás entre dois eletrodos, com uma tensão aplicada entre os eletrodos A radiação ionizante produz íons positivos ou negativos e elétrons no gás Íons positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo negativo (catodo); elétrons ou ânions são atraídos para o eletrodo positivo (anodo)

51 Detectores preenchidos com gás Geralmente o catodo é a própria parede do recipiente que envolve o gás e o anodo é um fio dentro do recipiente.

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53 Tipos de detectores preenchidos com gás Há três tipos mais comuns de detectores preenchidos com gás: Câmaras de ionização Contadores proporcionais Contadores Geiger-Mueller (GM) O tipo determina principalmente a tensão aplicada entre os dois eletrodos

54 Tipos de detectores preenchidos com gás Camaras de ionização tem uma vasta opção de formas (placas paralelas, cilindros concêntricos, etc.) Contadores proporcionais e contadores GM precisam ter um fio fino como anodo

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56 Câmaras de ionização Se o gas for o ar e as paredes da câmara são de um material em que o número atômico efetivo é similar ao ar, então a corrente produzida é proporcional à taxa de exposição Íons de câmaras preenchidas com ar são usados em medidores portáteis para realizar testes de qualidade de diagnóstico e terapêutica em equipamentos de raios-x

57 Câmaras de ionização As eficiências intrísecas das câmaras são baixas por causa da baixa densidade dos gases e baixo número atômico das moléculas da maioria dos gases

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59 Contadores proporcionais A maioria contém um gás com propriedades específicas São usados em laboratórios de padronização e na pesquisa Raramente usado nos centros médicos

60 Contador GM Contadores GM também contém gases com propriedades específicas O gás produz bilhões de íons após uma interação, mas o sensor só requer uma baixa amplificação Frequentemente usado em detectores mais baratos

61 Contador GM Em geral são pouco eficientes na detecção de raios gama ou raios x Sobre-medida quando a radiação é de baixa energia, a qual é parcialmente corrigida ao colocar uma camada fina de um material com alto número atômico na frente do detector

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64 Contadores GM Contadores GM sofrem com longos tempos de dead times por isso são raramente usados em medidas de precisão onde a taxa de contagem é maior que dezenas de milissegundos Contadores GM portáteis podem se tornar medidores paralizáveis em um campo de radiação muito alto neste caso as câmaras de ionização devem ser usadas

65 Detectores cintilográficos São usados em radiografia convencional (baseada em filmes), na maioria dos detectores radiográficos digitais, fluoroscópios, câmaras de cintilografia, scaners de CT e scaners de PET Detectores cintilográficos são compostos por um detector cintilográfico seguido de uma fotomultiplicadora, que converte a luz em sinal elétrico

66 Cintiladores Propriedades Desirable properties: Alta eficiência de conversão Curtos tempos de caimento do estado excitado Material transparente à sua própria emissão Emite cores altamente detectáveis pelo sensor Para detecção de raios gama e raios x, o µdeve ser largo para uma detecção eficiente

67 Cintiladores A luz emitida pelo cintilador depende da energia depositada no equipamento Pode ser operado no modo pulsado Alta resolução devido à alta eficiência de detecção

68 Material Iodeto de Sódio ativado com Tálio [NaI(Tl)], acoplado a uma fotomutiplicadora operando no modo pulsado, é usado na maioria das aplicações médicas. Germanato de Bismuto (BGO) é acoplado às fotomultiplicadoras no modo pulsado para aplicações de PET

69 Fotomultiplicadoras Possuem duas funções: Conversão de luz ultravioleta e visível em sinal elétrico Amplificação de sinal na ordem de bilhoes de eventos Consiste de um tubo de vidro em vácuo, contendo um fotocatodo (com cerca de 10 a 12 eletrodos chamados dynodes) e um anôdo

70 Fotomultiplicadoras

71 Fotomultiplicadoras

72 Cintilografia

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