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DISCIPLINA: PROTEÇÃO RADIOLÓGICA AULA 7 – DETECÇÃO DA RADIAÇÃO IONIZANTE Profa. Danielle Filipov 2013 AULA PASSADA Grandeza Equação Meio Tipo de Radiação Unidade SI Unidade Original Conversão Exposição X = dQ / dm ar X e gama C/kg R 1R = 2,58 x 10-4 C/kg Dose Absorvida D = dE / dm qualquer qualquer Gy (J/kg) rad 1 Gy = 100 rad Kerma K = dEtr / dm qualquer X, gama e nêutrons Gy (J/kg) rad 1 Gy = 100 rad Dose Equivalente Ht = wr . D órgão ou tecido qualquer Sv rem 1 Sv = 100 rem Dose Efetiva E = Σ wt . Ht corpo todo qualquer Sv rem 1 Sv = 100 rem Equivalente de Dose Pessoal H = Q . D corpo todo qualquer Sv rem 1 Sv = 100 rem ORGANIZAÇÃO DA AULA • DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE: – COLETORES DE CARGAS: CÂMARAS DE IONIZAÇÃO E CONTADOR GEIGER-MÜLLER – CINTILADORES – TERMOLUMINESCENTES 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: – 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). • Tipos de detectores: – Detectores a Gás • Câmaras de Ionização • Contador Geiger-Müller – Detectores Cintiladores – Detectores Termoluminescentes DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • DETECTORES A GÁS • São basicamente constituídos de um capacitor preenchido com um gás isolante elétrico (ou uma mistura de gases). • O capacitor é constituído de dois eletrodos separados, entre os quais é aplicada uma diferença de potencial (tensão) pra fazer com que os pares elétron-íon, produzidos no gás pela passagem da radiação ionizante, sejam acelerados e coletados pelos eletrodos. • As paredes externas desses detectores podem ser seletivas para algum tipo de radiação. • Por exemplo: para detectar partículas alfa, é preciso que haja uma janela muito fina no detector, que permita a passagem dessa partícula. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • A escolha da tensão, aplicada entre os eletrodos, é muito importante: deve ser suficiente para coletar todas as cargas produzidas antes de haver recombinação, mas não tão alta a ponto de rompera rigidez dielétrica do gás (tornando-o condutor). • Na figura, a região I é a região que representa a aplicação de uma baixa tensão (ocorrendo recombinação) e a V mostra uma região onde há o rompimento da barreira dielétrica. • As regiões II, III e IV definem as regiões trabalhadas na Física Médica. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE I II III IV V – CÂMARA DE IONIZAÇÃO: – Tipo de detector que funciona na faixa II, conhecida como região de ionização. – Nessa região, a tensão aplicada faz com que os eletrodos coletem todas as cargas produzidas. – A resposta depende do tipo de radiação: fótons são indiretamente ionizantes e partículas carregadas são diretamente ionizantes >> diferença na densidade de ionização. – Em radioterapia: volume sensível pequeno (0,6 cm3), com parede de baixo Z e preenchida com ar. – No radiodiagnóstico: volume sensível maior (alguns cm3). – Diferença no volume sensível: diferença na energia da radiação: radioterapia >> energia maior >> mais ionizações >> menor o volume sensível. – Que tipo de grandeza é dada como resposta? – Exposição DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • CONTADOR GEIGER-MULLER • Opera na região IV do gráfico. • Há um filamento central (anodo), mantido a uma alta tensão positiva, em relação ao cátodo. • Selado com um gás específico no interior (argônio). • Quando a radiação incide nesse gás, por efeito fotoelétrico, ocorrem ionizações nos átomos do gás. • Pares elétron-íon são formados, e os elétrons (atraídos eletricamente pelo anodo) são acelerados em direção ao centro. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Dado que os elétrons possuem uma massa muito inferior a dos íons, a velocidade que podem atingir ao serem acelerados pelo campo elétrico é também maior, atingindo rapidamente o ânodo. • Neste processo, os elétrons podem ganhar energia cinética suficiente para provocarem ionizações secundárias durante o seu trajeto até ao ânodo, e mais pares elétron-íon serão formados. • Será iniciada uma avalanche eletrônica em direção ao anodo. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • No entanto existe uma certa probabilidade dos íons positivos ganharem energia cinética suficiente para ionizar outros átomos deste gás. • Assim, elétrons podem ser ejetados e ocorre um outro processo de avalanche. • Para evitar que isto aconteça, ao gás é adicionado uma pequena quantidade de um segundo gás, chamado "gás de quenching“ (vapores orgânicos pesados ou gases halogênios). • A missão do "gás de quenching" é a de neutralizar os íons do gás primário no seu trajeto para o cátodo. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • DETECTORES CINTILADORES DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Em “A”, no cristal cintilador, ocorre a conversão da radiação em Luz, pelo efeito fotoelétrico. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE Luz visível • No radiodiagnóstico, várias técnicas empregam cristais cintiladores para a formação de imagem: Medicina Nuclear, Tomografia Computadorizada e Fluoroscopia. • Na Medicina Nuclear, o cristal cintilador empregado é o iodeto de sódio com tálio (NaI:Tl), pois: – Possui boa eficiência na conversão da radiação incidente em luz; – Possui grande densidade (3,7 g/cm3), o que garante que ocorra mais interações por cm de cristal; – Os números atômicos dos átomos que compõem o cristal são elevados, o que aumenta a probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Em “D”, a luz visível é transformada em sinal elétrico, pelo fotocátodo, também pelo efeito Fotoelétrico. • Em seguida, o sinal elétrico, entra em “C”: Tubo fotomultiplicador. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Dentro dos tubos fotomultiplicadores, estão materiais metálicos chamados de dinodos (em torno de 10 no tubo fotomultiplicador). • Os dinodos são eletrodos com tensão positiva atraindo os fotoelétrons emitidos pelo fotocátodo. • Os elétrons, com alta velocidade (devido à tensão aplicada entre o fotocátodo e o dinodo), provenientes do fotocátodo, atingem o 1º dinodo e ejetam de 2 a 3 elétrons. • Em seguida, esses elétrons são atraídos pela tensãoaplicada entre o 1º e o 2º dinodo. • Ao chegar no 2º dinodo, ocorre a ejeção de mais elétrons secundários que são atraídos pelo 3º dinodo e o processo se repete. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • O sinal elétrico, em cada dinodo, amplia-se em torno de 6x. • Ao final do tubo (como há, em torno, de 10 dinodos) há um aumento de 610 no sinal. • Coletor geralmente chamado de anodo (último eletrodo com o maior potencial para que todo o sinal elétrico seja coletado e a corrente elétrica formada). • Sinal elétrico >> Proporcional à intensidade da luz >> Proporcional à radiação detectada DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Os pulsos de saída do tubo fotomultiplicador têm uma distribuição que pode ser analisada de maneira a produzir um histograma. • O pico mostrado em “A” corresponde a situações em que os fótons depositaram toda sua energia no cristal, que resultaram em elétrons ejetados com energias cinéticas correspondentes, ocasionando um sinal de grande amplitude. • A região em “B” corresponde a situações em que somente parte da energia do fóton ficou no detector, resultado de um efeito Compton. • A identificação da energia de radiação que incide no detector é feita utilizando a região central do pico “A”. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • 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. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • 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). DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • A termoluminescência é 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. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Há vários materiais empregados como dosímetros termoluminescentes: fluoreto de lítio, com várias impurezas (LiF:Mg,Ti ; LiF:Mg,Cu,P), o fluoreto de cálcio e o sulfato de cálcio com impureza de disprósio. • Essas impurezas estão relacionadas aos níveis de energia que correspondem aos estados excitados de longa meia-vida. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • 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 e por isso 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 dessa “arrumação”, há emissão de luz. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • 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, portanto é uma curva em função da temperatura. • A figura mostra a curva característica do LiF:Mg,Ti 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. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • 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. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Como a curva de emissão é formada? • O dosímetro é colocado em um sistema que será aquecido. • Desse aquecimento, os fótons de luz serão emitidos pelo dosímetro. • Esses fótons serão coletados por um tubo fotomultiplicador (mesmo processo do detector cintilador). DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • APLICAÇÃO DOS DETECTORES NA PRÁTICA – UTILIZAÇÃO DA CÂMARA DE IONIZAÇÃO: DOSIMETRIA ATRAVÉS DA DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO DE UM APARELHO DE RAIOS X – O que é o rendimento de um aparelho de raios X? – É a dose (em Gy), a 100 cm do foco do tubo de raios X, dividida pelo mAs: Gy/mAs. – Como calcular o rendimento? – Primeiro passo: Coletar os valores de dose (com uma câmara de ionização posicionada a 100 cm do foco) para as seguintes tensões: 50 kV, 60 kV, 70 kV, 80 kV e 90 kV, com 10 mAs. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE – Segundo passo: dividir a dose obtida pelo mAs aplicado >> Rendimento. – Terceiro passo: plotar um gráfico do Rendimento (no Y) em função da Tensão (no X). – Quarto passo: gerar uma função matemática, em forma de potência, deste gráfico. A letra “X” da função será referente à tensão; a letra “Y” da função será referente ao Rendimento. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Exemplo: • Primeiro Passo: coleta de dose com a câmara de ionização a 1m do foco. Aplicação de 5 mAs em todas as tensões. Tensão (kV) Leitura 1 (mGy) Leitura 2 (mGy) Leitura 3 (mGy) Média das Leituras (mGy) 50 0,103 0,104 0,104 0,104 60 0,163 0,163 0,163 0,163 70 0,228 0,228 0,228 0,228 80 0,301 0,300 0,301 0,300 90 0,379 0,379 0,379 0,379 DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Segundo Passo: Dividir a dose obtida pelo mAs utilizado (no caso, foi emprego 5 mAs em todas as tensões). Tensão (kV) Leitura Média (mGy) Rendimento (mGy/mAs) Rendimento (micro-Gy/mAs) 50 0,104 0,0208 20,8 60 0,163 0,0326 32,6 70 0,228 0,0456 45,6 80 0,300 0,0600 60 90 0,379 0,0758 75,8 DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Terceiro e Quarto Passos: Plotar um gráfico. Tensão no X e rendimento no Y. Gerar uma função matemática em forma de potência. Tensão (kV) Rendimento (micro- Gy/mAs) 50 20,8 60 32,6 70 45,6 80 60 90 75,8 y = 0,0039 x 2,1982 R² = 0,9978 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 40 50 60 70 80 90 100 R e n d im e n to ( m ic ro -G y /m A s ) Tensão (kV) DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • A partir desta equação, e da técnica usada em cadaexame (kV, mAs e Distância foco-paciente), neste aparelho, pode-se saber qual a dose que está chegando na pele do paciente. • Exemplo: pra um exame foi usada uma técnica de 65 kV e 2 mAs. A pele do paciente estava a 100 cm do foco. y = 0,0039 x 2,1982 y = 0,0039 (65) 2,1982 y = 37,7 micro-Gy/mAs • Em seguida, multiplico o valor acima pelo mAs aplicado no exame: 37,7 x 2 = 75,4 micro-Gy. • Portanto, a dose que está chegando na pele do paciente é de 75,4 micro-Gy. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Exemplo 1: Quis-se determinar o rendimento de um aparelho de raios X. Para isso, foram feitas 3 exposições para 4 valores de tensão diferentes. O detector estava a 1 m do foco e foi aplicado, para todas as exposições, um valor de 2 mAs. Os resultados forneceram as informações abaixo. • Determine a curva de rendimento deste tubo. Se um paciente fez um exame, onde foi usado 100 kV e 20 mAs, com o paciente a 100 cm do foco, qual a dose na superfície do paciente? Tensão (kV) Leitura 1 (mGy) Leitura 2 (mGy) Leitura 3 (mGy) Média das Leituras (mGy) 60 0,184 0,182 0,184 0,183 70 0,209 0,209 0,210 0,209 80 0,257 0,256 0,258 0,257 90 0,301 0,300 0,302 0,301 DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE y = 0,0005x1,2463 R² = 0,9856 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0 20 40 60 80 100 R (mGy/mAs) R (mGy/mAs) Potência (R (mGy/mAs)) Se um paciente fez um exame, onde foi usado 100 kV e 20 mAs, com o paciente a 100 cm do foco, qual a dose na superfície do paciente? 𝑦 = 0,0005 𝑥1,2463 𝑦 = 0,0005 (100)1,2463= 0,0005 . 310,9 = 0,155 𝑚𝐺𝑦/𝑚𝐴𝑠 Para saber a dose, basta multiplicas o mAs aplicado no exame (20) pelo rendimento calculado (0,155 mGy/mAs) Dose = mAs x Rendimento Dose = 20 x 0,155 = 3,1 mGy – UTILIZAÇÃO DE CÂMARAS DE IONIZAÇÃO PARA A MEDIDA DA CSR (CAMADA SEMIRREDUTORA) – CSR é o valor da espessura de um material capaz de atenuar, pela metade, fótons de RX ou gama, provenientes de uma determinada fonte. – 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. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE – Forma de se obter o valor de CSR: através de uma câmara de ionização e da equação: 𝐼 = 𝐼0𝑒 −μ𝑥 – Onde: – Io = intensidade do feixe ou exposição inicial. – I = intensidade do feixe ou 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. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Entretanto, para o cálculo da CSR, devemos achar a espessura do material atenuador (x) que atenue metade da intensidade inicial (Io). • Ou seja, I = Io / 2. • Desse modo: 𝐼 = 𝐼0 𝑒 −μ𝑥 𝐼0 2 = 𝐼0 𝑒 −μ𝑥 1 2 = 𝑒−μ𝑥 ln 1 2 = ln 𝑒−μ𝑥 - 0,693 = - μ x 𝟎, 𝟔𝟗𝟑 𝝁 = 𝒙 DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Ou seja, a espessura para que um determinado material atenue metade de um feixe de fótons é igual a: X ½ = 0,693 / μ • Como saber o valor de μ? É um valor tabelado pra cada material e para cada energia: Energia do Fóton μá𝒈𝒖𝒂 (cm-1) μ𝒂𝒓 (cm-1) μ𝒄𝒐𝒏𝒄𝒓𝒆𝒕𝒐 (cm-1) μ𝒂𝒍𝒖𝒎í𝒏𝒊𝒐 (cm-1) μ𝒄𝒉𝒖𝒎𝒃𝒐 (cm-1) 100 keV 0,170 0,00019 0,412 0,459 62,98 500 keV 0,097 0,00011 0,211 0,228 1,83 1000 keV 0,071 0,000077 0,154 0,166 0,81 Radionuclídeo Energia do Fóton Material µ (cm-1) Co-60 1,25 MeV Pb Al 0,66 0,15 Cs-137 0,66 MeV Pb Al 1,23 0,20 DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Exemplo 2: Colocou-se uma placa de chumbo de 2 mm de espessura à frente de um tubo de raios X que opera, geralmente, com fótons de energia de 100 keV. Essa espessura corresponde à camada semirredutora do Pb para RX com 100 keV? • Exemplo 3: Quis-se determinar a camada semirredutora de um material usado pra fótons de 100 keV de energia. Para isso, usou- se uma placa de 3 mm de espessura e o valor da exposição foi de 60 mR. Depois, usou-se outra placa com 5 mm de espessura e a exposição foi de 54,7 mR. Responda: • A) Qual foi o material empregado? • B) Estime o valor da CSR para esse caso. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE • Exemplo 4: Foi feito um teste para se verificar a camada semirredutora de um material usado em uma fonte de Co-60 (que emite fótons gama com energia de 1,25 MeV). Foram usadas 2 placas desse material. A primeira com 0,3 cm de espessura e a segunda com 0,8 cm de espessura. Com a primeira placa, foi verificada um exposição de 800 mR na câmara de ionização. Com a segunda placa, a exposição foi de 574 mR. Responda: • A) Qual foi o material empregado? • B) Faça uma estimativa da camada semirredutora. DETECTORES DA RADIAÇÃO IONIZANTE
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