Introdução às interações de partículas carregadas Parte 1. FÍSICA DAS RADIAÇÕES I Paulo R. Costa

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1 Introdução às interações de partículas carregadas Parte 1 FÍSICA DAS RADIAÇÕES I Paulo R. Costa

2 Sumário Introdução Radiação diretamente ionizante Partículas carregadas rápidas pesadas Partículas carregadas rápidas leves Radiação indiretamente ionizante Fótons Nêutrons Deposição de energia em um meio Dose Absorvida

3 Introdução

4 Introdução DIRETAMENTE IONIZANTE (COM CARGA) RI INDIRETAMENTE IONIZANTE (SEM CARGA) PARTÍCULAS RÁPIDAS PESADAS PARTÍCULAS RÁPIDAS LEVES FÓTONS NEUTRONS AÇÃO COULOMBIANA ENTRE A CARGA DA RADIAÇÃO E AS CARGAS DO MEIO AÇÃO DE CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS SOBRE AS PARTÍCULAS CARREGADAS DO MEIO AÇÃO DA FORÇA NUCLEAR FORTE SOBRE PRÓTONS E NEUTRONS DOS NÚCLEOS ATÔMICOS

5 Introdução INTERAÇÕES DE PARTÍCULAS COM A MATÉRIA COM CARGA (ELÉTRONS, PRÓTONS, a, ETC.) SEM CARGA (FÓTONS E NEUTRONS)

6 Radiação diretamente ionizante Partículas carregadas rápidas pesadas

7 Radiação diretamente ionizante PARTÍCULAS CARREGADAS RÁPIDAS PESADAS QUEM SÃO? EXEMPLOS MECANISMOS DE INTERAÇÃO

8 Exemplo 6.1 Calcule o número médio de pares de íons produzidos no ar por uma partícula alfa que tem, inicialmente, 5,49 MeV de energia cinética ( 222 Ra). Energia média para formar um par de íons no ar por uma partícula alfa: W = 34,50 ev N ions = K W = 5, ev 34,50 ev = 1, pares de ions Distância percorrira 4 cm Distância média entre cada par produzido 4cm 1, ,25μm 5 Densidade linear de ionizações: 1, mm ionizações/ mm Não é constante em toda a trajetório: aumenta com a perda de energia da partícula

9 Pares de ions/mm Excitação, ionização e perda radiativa Ionização específica Número de pares de ions primários ou secundários produzidos por unidade de comprimento (PI/mm) Aumenta com a carga da partícula Diminui com a velocidade de incidência x Pico de ionização de Bragg Distância do final do alcance no ar

10 Radiação diretamente ionizante Partículas carregadas rápidas leves

11 Radiação diretamente ionizante PARTÍCULAS CARREGADAS RÁPIDAS LEVES QUEM SÃO? EXEMPLOS MECANISMOS DE INTERAÇÃO

12

13 Excitação, ionização e perda radiativa e a Caminho > alcance Caminho = alcance

14 Alcance de elétrons e prótons Fonte: Okuno;Yoshimura Física das radiações. 2010

15 Exemplo 6.2 Para um elétron e um próton, ambos com 2 MeV de energia cinética, interagindo com a água, calcule e compare as energias médias perdidas por unidade de trajetória Elétron: E = ev cm = 200 ev l 1,0 μm = 0,200 kev/μm Próton: E = ev μm = 26,472 ev l 75,55 μm = 26,5 kev/μm Perda linear MÉDIA de energia dos prótons 100X maior que dos elétrons As densidades lineares de perda de energia aumentam com a diminuição das energias cinéticas das partículas.

16 Radiação indiretamente ionizante: Fótons

17 Radiação indiretamente ionizante: fótons absorção espalhamento transmissão Deposição de energa

18 Radiação indiretamente ionizante: fótons absorção espalhamento transmissão Deposição de energa

19 Interação de fótons com a matéria Efeito Fotoelétrico fóton elétron Radiação característica Toda a energia incidente é transferida Ionização do átomo Vacância de um elétron da camada interna Ocorre uma cascata de elétrons para preencher a vacância e retornar ao equilíbrio Emissão de raios X característicos

20 Interação de fótons com a matéria Efeito Compton fóton Fóton espalhado Ionização do átomo e divisão da energia do fóton incidente Elétron ejetado Fóton espalhado Há transferência de energia para o elétron elétron

21 Interação de fótons com a matéria (só para E > 1,22 MeV) pósitron fóton elétron

22 Coeficientes de interação fotoelétrico compton compton pares

23 Radiação indiretamente ionizante: Nêutrons

24 Radiação indiretamente ionizante: nêutrons NEUTRONS 1. ESPALHAMENTO PELO POTENCIAL NUCLEAR ENERGIA DO NÊUTRON PROPRIEDADES NUCLEARES DO MEIO 2. FORMAÇÃO DE UM NÚCLEO COMPOSTO 3. QUEBRA DO NÚCLEO Meios ricos em H massas do p e do n muito próximas perda média de ½ da energia do neutrons em cada colisão

25 Radiação indiretamente ionizante: nêutrons ENERGIA DOS NÊUTRONS LENTOS 0 0,005 ev TÉRMICOS 0,005 0,5 ev EPITÉRMICOS 0, ev INTERMERIÁRIOS kev RÁPIDOS 0,1 10 MeV NÚCLEOSALVO LEVES A < 25 MÉDIOS 25 < A < 80 PESADOS A > 80 Fonte: Smith, F.A. A Primer in Applied Radiation Physics

26 Exemplo 6.3 Uma energia típica de nêutrons formados por fissão é de 1 MeV. Calcule quantas colisões elásticas com núcleaos de hidrogênio são necessárias para que a energia cinética do neutron seja reduzida a 1 kev, 1 ev e 0,025 ev Energia cinética do neutros dividida entre ele e um próton em repouso K 1 = K 0 2 Para a nésima colisão: K n = K 0 2 n Para uma energia cinética final K f após n f interações K f = K 0 2 n f 2n f = K 0 n K f log2 = log K 0 n f K f = 1 f log2 log K 0 K f K f = 1keV n f = 10 colisões Assim K f = 1 ev n f = 20 colisões K f = 0,025 ev n f = 25 colisões

27 Deposição de energia em um meio: Dose absorvida

28 Natureza estocástica da radiação Feixe de radiação P 1? 10? 10 10? 0? UM PONTO NÃO TEM SECÇÃO TRANSVERSAL dv QUE TAMANHO DEVE TER dv?

29 Natureza estocástica da radiação Feixe de radiação P dv Pequeno, mas finito Massa dm Secção transversal da

30 Dose Absorvida Energia radiante que entra: Energias cinéticas das partículas carregadas e de nêutrons e das energias dos fótons que entram no volume Energia radiante que sai D = de abs dm = (E rad) entra (E rad ) sai E m E E E m dm Energia radiante criada no volume por transformações de massa em energia (ex. 1,022MeV por aniquilação de um pósitron) UNIDADE NO SI GRAY [Gy] = 1J/kg Energia radiante convertida em massa de repouso no volume (ex. perda de 1,022MeV para a Criação de um par e /e de um fóton)

31 Sumário Radiação diretamente ionizante Partículas carregadas rápidas pesadas Partículas carregadas rápidas leves Radiação indiretamente ionizante Fótons Nêutrons Deposição de energia em um meio Dose Absorvida