RAIOS GAMA – PRINCÍPIOS FÍSICOS E INSTRUMENTOS

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RAIOS GAMA – PRINCÍPIOS FÍSICOS E 
INSTRUMENTOSINSTRUMENTOS
Prof. Emery Lins
Curso Eng. Biomédica
Geração de Raios GamaGeração de Raios Gama
Geração de Raios-x
Geração de Raios gama
• Raios-γ são 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• 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)
Bremsstrahlung
Diâmetro do átomo ≈ 10-10 m
Diâmetro do núcleo ≈ 10-14 m
Razão volumétrica ≈ 1:1012
Raio gama característico
Efeito Comptom
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear 
• É o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e 
formam um outro núcleo de maior número atômico. 
• A fusão nuclear requer alta energia para acontecer, e 
geralmente libera ainda mais energia que consome.
• Fusões de elementos mais leves que o ferro e o níquel (que são 
os núcleos mais estáveis) liberam energia; com elementos mais 
pesados há consumo. 
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 o hidrogênio, 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 um próton e um nêutron chamado 
de deutério (²H). 
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 um pósitron também precisa estar na 
equação, de forma que:
• Este seria o processo esperado para a criação de nêutrons a partir de 
prótons
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
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio)
• O resultado final da reação é:
Geração de Raios gama
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).
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo
• 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações por segundo (dps).
• 1 dps = 1Bequerel (Bq)• 1 dps = 1Bequerel (Bq)
• Em medicina nuclear a ordem de grandeza praticada é o 
mCi.
• 1 mCi = 37 MBq.
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.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
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo constante
• O sinal negativo revela que a taxa diminui ao longo do tempo.
• Como resultado temos:• Como resultado temos:
N = N0 e
-λt
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/(T1/2) = 0.693/(T1/2) 
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo α
• Decaimento espontâneo onde há emissão de um núcleo de 
Hélio (2 prótons + 2 nêutrons). 
• AZX = 
(A-4)
(Z-2)Y + 
4
2He
+2 + energia
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.nêutros muito maior que o de prótons.
• Há emissão de antineutrinos, partículas subatômicas , com 
carga elétrica neutra e massa infinitesimal.
• AZX = 
A
(Z+1)Y + β
- + ν’ + energia
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 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.
• AZX = 
A
(Z-1)Y + β
+ + ν + energia
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.próton em um nêutron e emitindo um neutrino.
• AZX + e
- = A(Z-1)Y + ν + energia
Geração de Raios gama
Transação isomérica
• Decaimento espontâneo sem emissão de radiação α ou β, só 
gama.
• Um átomo é convertido em um átomo-filho, em um estado 
excitado. A emissão de radiação gama estabiliza o átomo.
• AmZX = 
A
ZX + energia
Geração de Raios gama
Esquemas de Decaimento radioativo
A X (alta energia)AZX (alta energia)
Captura de 
Elétron estado excitado
A
(Z-1)Y* 
A
(Z-1)Y 
β+ A(Z-1)Y
Isomérica
Geração de Raios gama
Geração de Raios gama
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
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 partículasaceleração de partículas
• Só podem ser obtidos artificialmente ou na natureza em 
campos magnéticos estelares
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 núcleomagnéticos para estabilizar o núcleo
Geração de Raios gama
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 
núcleonúcleo
• A energia do fóton deve ser maior que a energia de 
repouso do elétron (E = mc2 = 1,022 MeV)
• A energia do fóton excedente à massa de repouso é 
convertida em energia cinética daspartículas devido à 
conservação da energia e do momento
Geração de Raios gama
Aniquilação de pares
• Se a energia cinética das partículas 
é ~ nula, elas são denominadas 
partículas em repousopartículas em repouso
• Então aumenta a probabilidade do 
par de partículas se aniquilarem.
• As duas partículas são convertidas 
em dois fótons gêmeos e anti-
paralelos (conservação angular)
Geração de Raios gama
Aniquilação de pares
• A energia desses dois fótons 
criados é obrigatoriamente igual 
entre eles no valor de 511 KeV, entre eles no valor de 511 KeV, 
ainda raios-γ
• Esse efeito é o princípio 
fundamental da técnica PET 
(Pósitron Emitted Tomography)
Geração de Raios gama
Emissão do Urânio
Tipos de detectores
• Detectores preenchidos com gás: consiste de um 
volume de gás entre dois eletrodos
• Nos Detectores cintilográficos, a interação da • 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
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 – 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
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.
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.
Dead time
• O Dead time de um sistema de detcção é 
determinado pelos dead time dos 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.
Paralizável e não-paralizável
• Em um sistema paralizável, uma interação que 
ocor re durante o dead time extende 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.
Operação em modo corrente
• No modo corrente, toda informação sobre interações 
individuais é perdida.
• Se o conjunto de cargas elétricas coletada de cada • 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
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 depositada no detector pela interação causada pelo 
pulso.
• A energia depositada por uma interação não é 
sempre a energia total da radiação incidente
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.
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
detector reachingNumber 
 Efficiency
emittedNumber 
detectedNumber 
 Efficiency
×=
=
efficiency Intrinsic efficiency Geometric Efficiency
detector reachingNumber 
detectedNumber 
 
emittedNumber 
detector reachingNumber 
 Efficiency
×=
×=
Eficiência intrínseca
• Frequentemente chamada de eficiência quântica de 
detecção (quantum detection efficiency ou QDE)
• É determinada pela energia da radiação e pelo • 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
xe µ−= - 1 efficiency Intrinsic
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 • 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)
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.
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)– Contadores Geiger-Mueller (GM)
• O tipo determina principalmente a tensão aplicada 
entre os dois eletrodos
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 anodoter um fio fino como anodo
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
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
Contadores proporcionais
• A maioria contém um gás com propriedades 
específicas
• São usados em laboratórios de padronização e • São usados em laboratórios de padronização e 
na pesquisa
• Raramente usado nos centros médicos
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 amplificaçãomas o sensor só requer uma baixa amplificação
• Frequentemente usado em detectores mais baratos
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 a qual é parcialmente corrigida ao colocar uma 
camada fina de um material com alto número 
atômico na frentedo detector
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
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
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– Emite cores altamente detectáveis pelo sensor
– Para detecção de raios gama e raios x, o µ deve ser largo 
para uma detecção eficiente
Cintiladores
• A luz emitida pelo cintilador depende da 
energia depositada no equipamento
• Pode ser operado no modo pulsado• Pode ser operado no modo pulsado
• Alta resolução devido à alta eficiência de 
detecção
Material
• Iodeto de Sódio ativado com Tálio [NaI(Tl)], 
acoplado a uma fotomutiplicadora operando 
no modo pulsado, é usado na maioria das 
aplicações médicas.aplicações médicas.
• Germanato de Bismuto (BGO) é acoplado às 
fotomultiplicadoras no modo pulsado para 
aplicações de PET
Fotomultiplicadoras
• Possuem duas funções:
– Conversão de luz ultravioleta e visível em sinal 
elétrico
– Amplificação de sinal na ordem de bilhoes de – 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
Fotomultiplicadoras
Fotomultiplicadoras
Cintilografia