Capítulo 1 Radiação Ionizante

Transcrição

1 Física das Radiações e Dosimetria Capítulo 1 Radiação Ionizante Dra. Luciana Tourinho Campos Programa Nacional de Formação em Radioterapia

2 Introdução Tipos e fontes de radiação ionizante Descrição de campos de radiação ionizante Grandezas Estocásticas Grandezas Determinísticas Fluência Densidade de Fluxo ou Taxa de Fluência Fluência em Energia Taxa de Fluência em Energia

3 Descoberta dos Raios X 1895 O físico alemão Wilhelm Konrad Röentgen descobriu uma nova espécie de radiação produzida pela descarga elétrica ocorrida em uma ampola de vidro contendo gás rarefeito (tubo de Crookes): raios X

4 Descoberta da Radioatividade 1896 Antoine Henri Bechquerel Radioatividade natural Chapas fotográficas previamente colocadas sobre amostras de um sal duplo de fosfato de urânio e potássio.

5 Descoberta da Radioatividade

6 Grandezas e Unidades ICRU (International Commission on Radiological Units and Measurements): Criado em 1925, este órgão propõe grandezas relacionadas aos níveis de radiação estabelecidos e recomendar procedimentos para sua medição International X-Ray and Radium Protection Committee: Criado em 1928, ligado ao International Congress of Radiology Foi criado para estabelecer princípios básicos de proteção à radiação ionizante

7 Descoberta da Radioatividade Grandezas Físicas Grandezas de Proteção Grandezas Operacionais

8 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante

9 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Radiação Ionizante Capacidade de excitar e ionizar átomos Ionização Elétrons são removidos dos orbitais pelas radiações Elétrons livres Íons positivos Radicais livres

10 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Radiação Ionizante Capacidade de excitar e ionizar átomos Excitação atômica ou molecular Luz ou raios X característicos

11 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Radiação Diretamente Ionizante Partículas Carregadas Elétrons Pósitrons Prótons Partículas Radiação Indiretamente Ionizante Partículas sem carga Fótons Nêutrons

12 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Raios Gama Radiação eletromagnética emitida pelo núcleo ou por reações de aniquilação entre matéria e antimatéria E h hc E = energia h = constante =6,62x10-34 Js = frequência = comprimento de onda c = 2,998x10 8 m/s

13 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Raios X Radiação eletromagnética emitida por partículas carregadas. Radiação de frenamento Raios X característicos Energias: kv Baixa Energia kv Radiodagnóstico kv Ortovoltagem 300kV-1MV Acima de 1 MV Raios X intermediários Megavoltagem

14 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Elétrons rápidos Pósitrons Raios Beta (positivos ou negativos) Raios delta Partículas carregadas pesadas Partículas alfa Outras partículas pesadas

15 Tipos e Fontes de Radiação Ionizante Nêutrons Partículas neutras obtidas reações.

16 Descrição de Campos de Radiação Ionizante Considere um ponto P em um campo de radiação ionizante. Quantos raios ou partículas atingem o ponto P por unidade de tempo?

17 Descrição de Campos de Radiação Ionizante Quantos raios ou partículas atingem o ponto P por unidade de tempo? Nenhum. Um ponto não tem área de seção de choque com o qual os raios podem colidir.

18 Descrição de Campos de Radiação Ionizante 1 Passo: Associar um volume a este ponto. Esfera centrada em P. Sphere S Great circle area a or da P Crossing ray volume V or dv mass m or dm

19 Descrição de Campos de Radiação Ionizante Quão grande deve ser esta esfera imaginária? Depende se as grandezas físicas que queremos definir são estocásticas ou não estocásticas.

20 Descrição de Campos de Radiação Ionizante Grandeza Estocástica A interação da radiação é aleatória O comportamento das partículas é indeterminado Probabilidade determinada por uma distribuição Valor varia descontinuamente no espaço e tempo O valor esperado de uma grandeza estocástica é um valor determinístico

21 Descrição de Campos de Radiação Descrição de Campos de Radiação Ionizante Ionizante Grandeza Não-Estocástica Para dadas condições o valor pode ser predito. É definida como uma função pontual para volumes infinitesimais. Função contínua e diferençável no espaço e no tempo.

22 Descrição de Campos de Radiação Ionizante Conexão entre as grandezas A grandeza que é sujeita a flutuações estatísticas é estocástica mas o valor esperado dessa grandeza é determinístico. Exemplos Moeda Decaimento de uma fonte radioativa Deposição de energia em uma material absorvedor

23 Medida da Grandeza Estocástica O número de raios observados em várias medidas seguem uma distribuição de Poisson. Para N grandes (>30) podem ser aproximados a uma distribuição Gaussiana. P( x) 1 exp x 2

24 Medida da Grandeza Estocástica N e é o valor esperado de N. O desvio padrão de uma única medida N relativa a N e é: N e N N N 1 N 2... n N n O desvio padrão em porcentagem: S 100 N e 100 N e 100 N

25 N e Valor Esperado Para n, o valor esperado se aproxima do valor médio. Quão perto o valor médio está do valor esperado? ' n Ne n N n O valor do desvio padrão em porcentagem: S ' 100 ' N e 100 nn e 100 nn 100 N T N T nn É o número total de eventos detectados em todas as medidas.

26 Exemplo Um detector de raios gama com uma eficiência de 100% é posicionado em um campo constante. São realizadas 10 medidas com a duração de 100 s. O número médio de raios detectados é 1,00 x Qual o valor médio da taxa de contagem, incluindo a precisão (desvio padrão)? 5 N 1,00x10 contagens n 10 medidas ' N 5 1,00x n 10 contagens N t 5 2 1,00x10 10 contagens 3 1,00x c / s

27 Exemplo Imagem de fiduciais implantados durante tratamentos de pulmão.

28 Grandezas Não-Estocásticas Fluência Taxa de Fluência Fluência em Energia Taxa de Fluência em Energia

29 Fluência N e é o valor esperado do número de partículas em uma esfera finita em volta de um ponto P durante um intervalo de tempo t 0 a t. dn e da partículas área 2 cm

30 Taxa de Fluência d dt d dt dn da e d é o incremento da fluência durante um tempo infinitesimal dt em um tempo t. partículas tempoxárea 1 2 s cm

31 Taxa de Fluência pode ser definido para todos os valores de t. (t) Expressar a fluência em um ponto P para o intervalo t 0 a t 1, e este pode ser definido por uma integral: ( t0, t1) t t 0 ( t) dt 1 Para o caso do campo de radiação ser independente do tempo, temos: ( t0, t1) ( t)( t0, t1) t

32 Fluência em Energia R é o valor esperado da energia total que atinge o volume em todas as direções, excluída a energia de repouso. dr da Se o feixe monoenergético: R EN e E

33 Taxa de Fluência em Energia pode ser definido para todos os valores de t através do intervalo t=t 0 (=0) a t=t max (= max ) Podemos definir a taxa de fluência em um determinado tempo. d dt d dt dr da ( t0, t1) t t 0 ( t) dt 1 ( t0, t1) ( t)( t1 t0) t

34 Taxa de Fluência em Energia ( t0, t1) t t 0 ( t) dt 1 ( t0, t1) ( t)( t1 t0) t Para feixes monoenergéticos a taxa de fluência em energia pode ser relacionada a taxa de fluxo por: E

35 Distribuições Diferenciais x Energia e Ângulo de Incidência A forma como a radiação interage com o meio depende do tipo da radiação, da energia e do ângulo de incidência. Descrição mais complexa do campo de radiação. ' (,, E)

36 Distribuições Diferenciais x Energia e Ângulo de Incidência O número de partículas por unidade de tempo com energia entre E e E+dE que passam através de um elemento de ângulo de sólido d em ângulos e. ' (,, E) dde ' 2 1 m s

37 Distribuições Diferenciais x Energia e Ângulo de Incidência 2 E max 0 0 E0 ' (,, E) sen d d de 1 m 2 s

38 Espectro em Energia Se a grandeza está em função da energia somente, tal distribuição é chamada de espectro em energia (E). [ ' ( E)] m 2 s 1 kev ' ' ( E) (,, E) sen d d 0 Integrando em todas energias presentes no feixe, temos a fluência em energia. 0 E máx ' ( E) de

39 Espectro em Energia ' ( E) ' E ( E) [ ' ( E)] J m 2 s 1 kev 1

40 Espectro em Energia E máx E máx ' E) de 0 ' ( E ( E) 0 de

41 Distribuições Angulares A completa integração da distribuição diferencial em todas as energias deixa a dependência angular O campo é simétrico em uma direção A dependência no ângulo polar ou azimutal '( ) E max 0 E0 Taxa de fluência total: ' (,, E) sen d de ' (, ) sen d d Campo simétrico no eixo z: (,) é independente de 2sen '(, )

42 Distribuições Angulares Campo de radiação em termos da distribuição por ângulo polar () Campo de radiação isotrópico

43 Fluência Planar Número de partículas cruzando um plano fixo em uma determinada direção por unidade de área em um plano.

44 Fluência Planar Radiação penetrando o detector Mesma fluência, mas fluência omnidirecional maior

45 Fluência Planar Detector esférico: N l espalhada espalhada espalhada l N cos incidindo incidindo cos incidindo Detector Planar: N l espalhada espalhada espalhada N incidindo lincidindo cos cos incidindo

46 Luciana Tourinho Campos Professor Adjunto