DETECTORES DE RADIAÇÃO

DETECTORES DE RADIAÇÃO Prof. André L. C. Conceição DAFIS Grandezas Dosimétricas Quantidades que descrevem a interação da radiação com a matéria em termos da valor esperado em um ponto de interesse. Kerma (K) Dose (D) Exposição (X) Medindo a Radiação Ionizante A transferência de energia de um feixe de fótons para um meio, compreende dois estágios: 1. Interação de um fóton com um átomo causando movimento de elétron(s) 2. Transferência de energia de um elétron com alta energia para o meio através de excitação e ionização 1

Kerma vs Dose KERMA A energia transferida para um elétron dε tr em um volume V de unidade de massa dm. K = dε tr dm Mas nem toda energia permanece no volume V, um parte dela pode ser perdida como radiação de frenagem, por exemplo. DOSE ABSORVIDA A energia que realmente permanece no volume V e será liberada na forma de excitação e ionização ao longo do caminho percorrida pelo elétron. D = dε ab dm Exemplo Considere um feixe de fótons com energia de 10 MeV que interage com um alvo contendo átomos de carbono. Qual a energia transferida, absorvida e liberada como raios X de frenagem? Sabendo que a energia necessária para produção de um par de íons no carbono é 33,85 ev, quantos átomos serão ionizados no caminho do elétron? http://www.nist.gov/ Exemplo Pela tabela, temos: ε tr = 7,30 MeV ε ab = 7,06 MeV hν (raios X de frenagem) = 7,30 MeV 7,06 MeV= 0,24 MeV nº de átomos ionizados= 2 33,85 ev 105 átomos ε tr 2

Dosimetria A dosimetria das radiações ionizantes relaciona-se com a medição da dose absorvida ou qualquer outra quantidade dosimétrica (K, X, etc), resultante da interação da radiação com um determinado meio Dosímetro É um instrumento capaz de fornecer L D uma leitura L, correlacionada à dose L absorvida D em seu volume sensível. Idealmente, L é proporcional a D, mas na prática, muitos dosímetros exibem algum grau de não-linearidade entre L e D, em alguma região de seu intervalo de D dose. A interpretação da leitura de um dosímetro, em termos da quantidade desejada (D, K, X, etc) é o problema central da dosimetria Características Gerais de um Dosímetro Caráter Absoluto Exatidão na medida Repetibilidade de medidas Reprodutibilidade das medidas Intervalo de dose Sensibilidade (S) Limite inferior de detecção e radiação de fundo Limite superior do intervalo Estabilidade Dependência Energética 3

Características Gerais de um Dosímetro Carater absoluto: É aquele dosímetro com o qual se obtém diretamente o valor da dose no seu próprio volume sensível sem a necessidade de se recorrer a uma calibração num feixe de radiação conhecido. O calorímetro é considerado um dosímetro absoluto: Q = m c t Características Gerais de um Dosímetro Exatidão na medida: A exatidão nas medidas de um dosímetro expressa a proximidade de seu valor esperado em relação ao valor verdadeiro da quantidade que está sendo medida Características Gerais de um Dosímetro Repetibilidade de medidas: Expressa a aproximação do resultado de sucessivas medidas de uma mesma grandeza mantendo-se as mesmas condições experimentais. 4

Características Gerais de um Dosímetro Reprodutibilidade das medidas: Expressa a aproximação entre os resultado de sucessivas medidas de uma mesma grandeza, quando se altera uma ou mais condições experimentais. Características Gerais de um Dosímetro Intervalo de Dose: 1. Sensibilidade (S): a variação na leitura, L, de um dosímetro com respeito à dose recebida, D, conhece-se como sua sensibilidade e expressa-se como: S = dl dd L tan θ = S D Características Gerais de um Dosímetro Intervalo de Dose: 2. Limite inferior de detecção e radiação de fundo (L 0 + L rad ):é dado pela leitura do dosímetro (L 0 ) quando D=0. Este limite é imposto pelo instrumento, já que não é causado pela radiação L L 0 D A leitura da radiação de fundo, L rad, é devida à radiação de fundo ambiental (raios cósmicos, fontes de radiação natural ou artificial) A leitura de fundo obtida num dosímetro é L 0 + L rad. O limite prático em um dosímetro é usualmente estimado como sendo a dose necessária para dobrar a leitura de fundo. 5

Características Gerais de um Dosímetro Intervalo de Dose: 3. Limite Superior do Intervalo: este limite é imposto pelas limitações do instrumento ou limitações do próprio dosímetro (dano físico) que levam a um decréscimo inaceitável na sensibilidade. L D Características Gerais de um Dosímetro Estabilidade: Um dosímetro é estável quando fatores tais como: temperatura, umidade, luz, entre outros, não desvanecem a leitura (informação) antes (préirradiação) e após (pós-irradiação) a irradiação. Dosímetros fotográficos, químicos e de estado sólido são mais sensíveis a influência destes fatores. Características Gerais de um Dosímetro Dependência Energética: A dependência com a energia de um dosímetro é a dependência de sua leitura, por unidade da quantidade que supostamente vai medir (K, D, X) com a energia da radiação L D Energia 6

DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE As aplicações da radiação ionizante quase sempre requerem o uso de um detector de radiação: um equipamento que tenha sensibilidade para detectar a presença da radiação ou para quantificá-la. Esses instrumentos também são importantes na proteção radiológica, uma vez que não há sensores de radiação ionizante no nosso organismo. A região do detector na qual a ocorrência de uma interação produz um sinal é chamada de volume sensível do detector. O sinal produzido pode relacionar-se com a radiação de diversas formas: DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE O sinal traz informações da presença da radiação no local. Nesse caso, o detector é chamado de contador, pois ele simplesmente conta o número de interações produzidas pela radiação em seu volume sensível. O sinal representa a energia depositada pela radiação no volume sensível, ou seja, o sinal produzido representa a dose absorvida pelo material do detector, o qual é chamado de dosímetro. O sinal tem informação sobre a presença e a energia da radiação que incidiu no detector, o qual é chamado de espectrômetro, pois com ele se mede o espectro de energias da radiação. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE Podemos classificar os detectores quanto à possibilidade de fornecerem a resposta instantaneamente, durante a irradiação (contador Geiger-Müller), ou a posteriori, por necessitarem de um processamento depois de irradiados (filme radiográfico ou dosímetros termoluminescentes). Principais tipos de detectores: Detectores a Gás Câmaras de Ionização Detectores Proporcionais Contador Geiger-Müller Detectores Termoluminescentes 7

Detectores preenchidos com gás Radiação Ionizante Incidente + + + Fonte de tensão (V) - - - Ânodo + Amperímetro Cavidade preenchida com gás Cátodo - Regiões de detecção detectores a gás Regiões Região de saturação de íons (Câmara de ionização) Quando a tensão é suficiente para que quase todos os íons que se formam sejam coletados; A corrente obtida ( 10-12 A) é amplificada e mantida constante para efeitos de medida; O aumento de corrente depende da quantidade de radiação; Região proporcional (Detector proporcional) A corrente volta a aumentar. Os elétrons acelerados têm energia suficiente para criar novos pares de íons, ocorrendo uma multiplicação, que é proporcional ao número de pares de íons gerados pela radiação primária; Cada elétron produzido na ionização original pode gerar 10 4 elétrons adicionais; Região Geiger Müller (Detector Geiger Müller) Aumentando ainda mais a tensão, a multiplicação ocorrida no gás se torna tão intensa que apenas uma partícula ionizante é capaz de produzir uma avalanche ao longo do ânodo, resultando num valor alto de corrente, mesmo que a energia seja baixa; Região de descarga contínua: Para tensões mais elevadas, ocorre a ionização das moléculas do gás diretamente, produzindo grandes correntes (centelhas), mesmo sem a presença de radiação, de modo que não é possível operá-los nessa região; 8

Câmara de Ionização Sua operação está baseada na coleta de todas as cargas criadas diretamente pela radiação ionizante que incide no volume sensível (cavidade de gás) através da aplicação de um campo elétrico. Câmara de Ionização Radiaçã o A radiação ao interagir com moléculas do gás provoca a ionização destes, resultando em um íon positivo e um elétron livre, chamado par de íons. Assim, a quantidade de interesse é o número de pares de íons criado ao longo do caminho percorrido pela radiação. No mínimo a radiação deve fornecer uma quantidade de energia igual à energia de ionização da molécula do gás. A energia média para a formação de um par de íons foi definida como W. Câmara de Ionização Na presença de um campo elétrico, o deslocamento de cargas positivas (íons) e negativas (elétrons) constituem uma corrente elétrica (corrente de ionização). Considerando que todas as cargas são efetivamente coletadas, a medida da corrente de ionização representa uma medida dos pares de íons formados no volume. 9

Câmara de ionização Como a magnitude da corrente de ionização é muito baixa para ser medida com um galvanômetro comum, a amplificação desta corrente é necessário. Para isso, é utilizado um eletrômetro, que pode ser entendido como um voltímetro com altíssima impedância. Eletrômetro Câmara de Ionização A separação e a coleta das cargas deve ser rápida de modo a minimizar estes efeitos. Além do aumento do campo elétrico a fim de suprimir os efeitos de recombinação. Tipos de Câmara de Ionização Tomografia Computadorizada Mamografia Fluoroscopia Radioproteção Radioterapia 10

Contador Proporcional Aumentando ainda mais a tensão, os elétrons livres começam a ter energia suficiente para produzir novas ionizações. Os elétrons liberados nestas ionizações secundarias, são também acelerados de modo a produzir mais ionizações. Este aumento na ionização é freqüentemente chamado de amplificação de sinal ou multiplicação. O sinal de saída é maior, mas ainda proporcional a quantidade inicial de ionização, e por razões óbvias, esta faixa de operação é chamada região proporcional. Contador Proporcional O fator pelo qual o efeito da ionização aumenta é chamado de fator amplificador do gás (um gás nobre). Esse fator depende, principalmente, da tensão aplicada e é maior que 1.000.000. Assim, a ionização causada por um evento da radiação incidente é multiplicada (amplificada) pelo fator amplificador do gás. A quantidade de carga produzida é igual ao número de ionizações causadas pela radiação incidente multiplicada pelo fator amplificador. Logo, a carga total produzida é proporcional à quantidade de energia depositada no detector. Geiger-Müller Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma região onde produz-se uma avalanche de pares elétron-íon. Neste modo, a energia dos elétrons ionizados primários aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres. 11

Geiger-Müller Muitas moléculas do gás ficam no estado excitado através da colisão com elétrons ou íons secundários. No intervalo de tempo de alguns nanosegundos as moléculas excitadas retornam ao estado fundamental emitindo fótons, cujo comprimento de onda se encontra na região ultravioleta ou visível. Este fótons pode ser re-absorvidos por efeito fotoelétrico, criando um novo elétron livre, no processo chamado de descarga Geiger. Este processo resulta em multiplicação da ordem de 10 6 10 8. Geiger-Müller Como um contador, são necessárias condições específicas de operação na qual cada pulso seja registrado pelo sistema de contagem. Esta condição, na prática, é obtida na região de plateau, onde a fonte de radiação gera eventos a uma taxa constante dentro do tubo. Calibradores de Dose (Curiômetro ou Ativímetro): Detector de poço. Usados para se verificar a atividade de seringas, frascos ou algum recipiente que contenha o material radioativo a ser administrado no paciente. Câmara selada (temperatura e pressão não influenciam nas leituras). Medidas da atividade, em Ci ou Bq, a partir da seleção (no display do equipamento) do radionuclídeo usado. O mais recomendado é que se utilize um detector na forma de poço, pois ele é capaz de detectar a radiação vinda de todos os lados da fonte. Como normalmente se utiliza uma seringa para a administração do radiofármaco, a geometria do poço se adequa à geometria da seringa. 12

DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES A termoluminescência é uma propriedade que alguns materiais têm de emitir luz visível quando são aquecidos, caso tenham sido irradiados. A quantidade dessa luz é proporcional à dose absorvida pelo material termoluminescente, o que torna possível o seu uso como dosímetro. A termoluminescência é um processo composto por dois estágios. No primeiro estágio, o material é exposto a uma fonte externa de energia (radiação ionizante), passando de um estado de equilíbrio termodinâmico para um estado metaestável (armazenamento da energia). No segundo estágio, o material é aquecido e sofre uma relaxação termoestimulada (retorna ao equilíbrio, liberando energia >> luz visível). DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES A termoluminescência é, portanto, um fenômeno luminescente. Na luminescência, quando se fornece energia a um material, uma parte desta pode ser absorvida ou reemitida em forma de luminescência. Esta energia emitida em forma de luz é a luminescência. Dependendo do tempo entre a excitação e a emissão de luz, o fenômeno é classificado como fluorescência ou fosforescência. Quando a emissão é quase simultânea com a excitação, a luminescência é denominada fluorescência. A luminescência é denominada fosforescência quando é necessária a passagem por um estado de energia intermediária (estado metaestável) e depende da temperatura. DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES 13

DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES Nos cristais luminescentes, há a banda de valência, repleta de elétrons, e a de condução, vazia (onde há as impurezas, formando armadilhas de elétrons). Entre elas, há uma faixa constituída de estados energéticos não permitidos a elétrons, denominada banda proibida. A radiação ionizante faz com que os elétrons da banda de valência passem para a banda de condução, onde estão livres para se movimentar e acabar caindo em uma das armadilhas. Quando o material é posteriormente aquecido, os elétrons que estão nas armadilhas adquirem energia térmica suficiente para escapar e retornar à banda de valência. Como resultado desse rearranjo, há emissão de luz. DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES Curva de Emissão Termoluminescente A principal característica identificadora de um material termoluminescente é a sua curva de emissão. A curva característica da emissão termoluminescente representa a intensidade da luz emitida pelo material durante o aquecimento do mesmo e, portanto, é uma curva em função da temperatura. A figura mostra a curva característica do LiF:Mg,Ti (Fluoreto de Lítio dopado dom Magnésio e Titânio principal dosímetro termoluminescente empregado) irradiado à temperatura ambiente e seu comportamento durante o procedimento de leitura. Esta curva apresenta vários picos de emissão, cada qual associado a uma determinada armadilha presente no material. Ou seja, cada pico desta curva corresponde à desexcitação de um estado excitado no material termoluminescente. 14

DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES A área sob a curva de emissão correspondente aos picos 4 e 5, é a considerada, normalmente, como a resposta do dosímetro. A área sob a curva de emissão ou a altura de um dos picos da curva pode ser relacionada diretamente com a dose absorvida. APLICAÇÃO PRÁTICA DOS DETECTORES UTILIZAÇÃO DA CÂMARA DE IONIZAÇÃO: MEDIDA DA CSR (CAMADA SEMIRREDUTORA) CSR (HVL) é o valor da espessura de um material capaz de atenuar, pela metade, fótons de RX ou gama, provenientes de uma determinada fonte. O valor dessa espessura é dada por: CSR = 0,693 / µ Por exemplo: para um feixe de raios X com energia de 60 kev, é preciso uma espessura de 2,5 mm de Al para que metade dos fótons sejam atenuados. µ represente o coeficiente de atenuação linear; o percentual de fótons que serão atenuados por uma determinada espessura de material. O valor de µ é tabelado e depende do material e da energia da radiação. APLICAÇÃO PRÁTICA DOS DETECTORES Entretanto, nem sempre é fácil conhecer a energia da radiação que se está trabalhando. Para isso, emprega-se a câmara de ionização e a equação: X = X 0 e μx Onde: Xo = exposição inicial X = exposição após a colocação de algum material atenuador. μ = coeficiente de atenuação linear do material atenuador. Unidade de µ = cm -1. x = espessura desse material. 15

APLICAÇÃO PRÁTICA DOS DETECTORES UTILIZAÇÃO DOS DOSÍMETROS TERMOLUMINESCENTES: DOSIMETRIA Como mencionado, as TLDs podem ser usados para se determinar a dose recebida pelo dosímetro. Entretanto, a leitura fornecida por este detector é dada na forma de um gráfico que fornece a intensidade da luz emitida pelo TLD. Como saber a dose a partir da luz? Primeiramente, o dosímetro passa por um processo de calibração: ele é exposto a uma radiação que fornecerá, ao TLD, uma dose conhecida. Em seguida, é feita a leitura do dosímetro e verificada a área do gráfico (intensidade da luz). Por fim, faz-se a relação: Dose conhecida Leitura do dosímetro Exercício 1) Um dosímetro termoluminescente, antes de ser usado para dosimetria, foi calibrado. O mesmo foi exposto a uma fonte de radiação que estava entregando uma dose de 100 mgy. Ao se realizar a leitura deste dosímetro, o valor identificado foi de 23000 contagens. Em seguida, o TLD foi posicionado sobre a pele de um paciente que se submeteu a uma radiografia de tórax. Calcule: a) A dose no ar, na superfície da pele do paciente, sabendo que a leitura verificada do dosímetro foi de 5000 contagens. b) A dose na pele do paciente, sabendo que a pele é similar à água e que os fótons de RX possuíam uma energia média de 50 kev. Exercício 2) Um dosímetro termoluminescente, antes de ser usado para dosimetria, foi calibrado. O mesmo foi exposto a uma fonte de radiação que estava entregando uma dose de 50 mgy. Ao se realizar a leitura deste dosímetro, o valor identificado foi de 24500 contagens. Em seguida, o TLD foi posicionado sobre a pele de um profissional, que foi monitorado durante um mês com este dosímetro. Calcule a dose no ar, na superfície da pele do paciente, sabendo que a leitura verificada do dosímetro foi de 7800 contagens. 16