2015 aula 06b instrumentacao nuclear medicao

aula

1. Instrumentação para Detecção da Radiação PRINCIPIO E OPERAÇÃO

2. Principio de Medida da Radiação Detector Sinal Físico Químico Biológico Leitor Calibração Avaliação Amplificação

3. Detectores de Radiação A radiação interage com a matéria mediante diversos processos, cujos efeitos finais são (entre outros): • Ionização da matéria com criação de carga, excitação. • Incremento térmico em uma massa conhecida de material ( calorimetría ). • Excitação e desexcitação seguida por emissão de fótons luminosos (cintilação). • Danos nos materiais. Um dispositivo que utiliza qualquer destes efeitos para a medida da radiação é um detector.

4. EFEITO TIPO DE INSTRUMENTO DETECTOR Elétrico 1- Câmara de Ionização 2- Contador Proporcional 3- Contador Geiger 4 – Detector de Estado Sólido 1- Gás 2- Gás 3- Gás 4- Semicondutor Químico 1- Filme 2- Dosímetro Químico 1- Emulsão 2- Sólido ou Líquido Luz 1- Contador Cintilador 2- Contador Cerenkov 1- Cristal ou Líquido 2- Cristal ou Líquido Termoluminescente 1- Dosímetro Termoluminescente ( DTL ) 1- Cristal Calor 1- Calorímetro 1- Sólido ou Líquido

5. A dosimetria atenta para as medidas quantitativas relacionadas com as alterações físicas/químicas/ biológicas que poderiam ser produzidas por uma radiação específica. Dosimetria das Radiações

6. Medida da Exposição - Câmara de Ar Livre Praticável para medir a exposição em energias de radiação entre poucos keV até vários MeV Medida definitiva obtida com um dispositivo de laboratório denominado câmara de ar livre O feixe de radiação X entra através de uma janela e interage com a coluna cilíndrica de ar definida pelo diafragma de entrada Os íons criados num espaço definido são medidos.

7. Câmara de Ionização Ar Livre Placas Paralelas e 4 e 2 Eletrometro Radiação X Diafragma HV Monitor Fios e 1 e 3 Fóton Espalhado

8. Câmara de Ionização Ar Livre

9. EXPOSIÇÃO A exposição é medida diretamente somente pela câmara de ar livre. Normalmente é muito grande já que o volume sensível é definido pelo alcance dos elétrons em movimento: fótons de 3MeV produz elétrons com trajetória de ~1.5 m de comprimento.

10. Medida da Exposição: Câmara Parede de Ar Alternativa prática para câmara de ar livre Funciona como um capacitor Ânodo central, isolado do resto da câmara Produz uma carga inicial Quando exposto a fótons, elétrons 2 os neutraliza carga & baixo potencial entre ânodo e parede Variação na diferença de potencial é proporcional a ionização total e portanto a exposição. Plástico Ânodo Diafragma de Carga

11. Medida da Dose Absorvida Principio de Bragg-Gray relaciona a medida de ionização num gás com a dose absorvida em um meio material. Considera um gás num volume fechado irradiado por fótons: e 1 e 2 Gas parede

12. Bragg-Gray Fótons interagem na cavidade e parede Escolha do material de parede que tenha propriedades de absorção da radiação similar ao tecido (por exemplo, Z) Cavidade muito pequena (não varia com a distribuição angular e velocidade de elétrons 2 os ) Existe equilíbrio eletrônico na cavidade (# e - coletados = # e - produzidos na cavidade) e 1 e 2 Gas parede

13. Teoria de Bragg-Gray Como medir a dose absorvida? medida da ionização uso de fatores de correção cálculo da dose (aproximação) Isto é feito com a TEORIA DA CAVIDADE DE BRAGG-GRAY

14. Teoria da Cavidade - Bragg-Gray • A maior parte das medidas de dose estão baseadas na medida da carga produzida através da ionização de um gás: • W – é a energia média necessária para causar uma ionização no gás. • No ar W = 33,85 eV/par de íon

15. DESCRIÇÃO DE ALGUNS TIPOS DE DETECTORES

16. O equipamento eletrônico foi desenvolvido para detectar a radiação ionizante (tanto particulada como fótons) já que geralmente não podemos sentir a presença da radioatividade. MÉTODOS DE DETECÇÃO DA RADIAÇÃO

17. DETECTORES BASEADOS NA IONIZAÇÃO Os dois tipos de detectores mais comumente utilizados são: os detectores enchidos com gás; e os detectores de condutividade de estado sólido ( semicondutor ) .

18. Detectores a Gás

19. Detectores de Ionização de gases A passagem da radiação ionizante (partículas ou fótons) num gás, produz pares iônicos (separação de partículas em positivas-negativas). As partículas  e  produzem ionização diretamente , ao interagir com os elétrons orbitais retirando-os dos átomos. Os fótons (radiação gama e raios X) produzem ionização indiretamente.

20. Detector a gás = energia média necessária para criar um par de íons no gás é da ordem de 30 eV. Assim, para um fóton de 30 keV, seriam formados da ordem de 1000 pares de íons.

21. Detector a Gás Anodo Cátodo R Operado em dois modos: pulso ou corrente; Diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo define as características de contagem.

22. DETECTORES A GÁS

23. Que passa com a radiação que incide dentro do detector gasoso? Os íons criados pela radiação são acelerados pelo campo elétrico do detector… Íons primários : os íons criados pela radiação incidente Ionizações secundárias : íons criados pelos íons primários. Recombinação : os íons criados se “associam” e se neutralizam.

24. DETECTORES A GÁS Tensão aplicada baixa; Competição entre a coleção das cargas e a recombinação; Aumento da tensão aplicada, aumento da velocidade dos íons, menos tempo disponível para a recombinação. Região I: recombinação

25. DETECTORES A GÁS A recombinação é desprezível; Todas as cargas geradas são coletadas; A carga coletada é proporcional ao número de pares de íons formados; Região II: saturação ou câmara de ionização

26. DETECTORES A GÁS Há uma multiplicação das cargas geradas pela ionização (avalanche de Townsend ); A multiplicação para uma dada tensão é independente da ionização primária, assegurando a proporcionalidade do pulso de saída. Região III : proporcional

27. DETECTORES A GÁS Fenômenos adicionais acontecem e a proporcionalidade desaparece com o aumento da tensão aplicada; Não há contadores que operem nesta região. Região IV : proporcionalidade limitada

28. DETECTORES A GÁS A multiplicação do gás aumenta a carga até um valor limitado pelas características da câmara; A carga coletada é independente da ionização primária. Região V: geiger muller

29. DETECTORES A GÁS Há um aumento muito grande da carga coletada com a tensão aplicada. Esta região deve ser evitada quando da operação normal. Região VI: descarga contínua

30. DETECTORES A GÁS A curva não significa que uma câmara de ionização opere a uma tensão mais baixa do que um detector proporcional e este a uma tensão mais baixa do que um detector geiger muller .

31. Detectores Enchidos com Gás Os detectores enchidos com gás consistem de uma câmara cheia de gás, frequentemente ar, e duas placas polarizadas com tensão denominadas eletrodos . O eletrodo positivo é chamado de ânodo e frequentemente encontra-se posicionado no centro da câmara e está eletricamente isolado da carcaça externa. A carcaça externa da câmara, frequentemente é o eletrodo negativo ou cátodo .

32. Ionização em Gases Circuito Básico para Detectores a Gás Fonte de Tensão Variável Resistor Gás de Contagem na Câmara Eletrodos Coaxiais Isolados

33. DIAGRAMA SIMPLES DE UM DETECTOR ENCHIDO COM GÁS + + + _ + + _ _ _ _ partícula Em termos genéricos, um contador a gás é justamente um volume fechado contendo gás com uma diferença de potencial aplicada entre dois eletrodos.

34. Características dos Detectores a Gás Tipo Partículas Observação Câmara de Ionização g, a, b e nêutron Região II ~100 a 250V A sensibilidade de nêutrons resulta da inclusão de um gás com secção de choque para nêutrons. Câmaras de fissão, compensada e não compensada. Proporcional a, b, nêutron, Raios X, e recuo Região III ~500 a 750V multiplicação interna Janela delgada, nêutrons rápidos, 10 <M<10000, avalancha Geiger Müeller a+b , Raios X +g Região V~1000 a 1500 V Avalanchas múltiplas, 10 4 <M <10 8 Simples, robusto, tempo morto

35. Os diferentes detectores gasosos Câmara de ionização Proporcional Geiger-Müller  se distinguem por sua operação em diferentes regiões de tensão…

36. CÂMARA DE IONIZAÇÃO Opera na região II, onde todos os pares de íons formados são coletados. Ar seco, He, Ar, metano, ... Seladas ou com fluxo de gás (pode receber o material misturado ao gás). Pode operar em modo tipo pulso ou nível médio (corrente).

37. Monitor de Campo – Câmara de Ionização

38. CÂMARA DE IONIZAÇÃO No modo corrente pode integrar dose. No modo pulso (grade de Frisch), o sinal de saída é proporcional à energia depositada pela radiação, então pode discriminar partículas e energias das radiações.

39. DETECTOR PROPORCIONAL Opera na região III . Misturas de argônio-metano, He- isobutano ... Selados ou com fluxo de gás ( material pode ser misturado ao gás ). Permite discriminar tipos de radiação com poder de ionização distintos (beta e alfa, por exemplo).

40. DETECTOR PROPORCIONAL Pulsos maiores que a CI (avalanche de Townsend ), diferencia melhor o ruído, amplificadores com menor ganho. Apresenta dois patamares e duas tensões de operação (menor para alfa e maior para alfa+beta-gama ). Tempo morto pequeno (2ns), permite altas taxas de contagem.

41. Pode discriminar entre radiação a , b , e g Discriminação por altura de pulso : filtra eletronicamente os pulsos de saída abaixo ou acima de uma altura esperada para o tipo de radiação de interesse. Menos sensível que o GM Inclui: Monitores de radiação portátil para radiação neutrônica Monitoramento da contaminação pessoal Detector Proporcional

42. DETECTOR GEIGER-MÜLLER Opera na região IV . Misturas de argônio-metano, Ne-cloro ... Selados ou com fluxo de gás. Não permite discriminar tipos de radiação. Tempo morto grande (100 a 500 m s), influenciado por fatores geométricos e elétricos.

43. Detectores Geiger-Müller… ...ou simplesmente contador Geiger, é indicador da presença de radiação, mas não pode medir sua energia. São os mais usados porque são fáceis de operar , suportam trabalho pesado , são de construção simples e podem ser incorporados a um monitor portátil.

44. DETECTOR GEIGER-MÜLLER Para evitar que os íons positivos, quando cheguem ao catodo, gerem elétrons e se inicie uma nova avalanche, é adicionado outro componente ao gás do tubo (5 a 10%). Esse componente é conhecido como componente de extinção ou “ quenching ”, que pode ser orgânico, como certos tipos de álcool, ou halogênios, como o cloro. Os íons positivos trocam cargas com o componente de extinção, e estes, quando se chocam com o catodo, se dissociam ao invés de arrancarem elétrons. Os componentes de extinção também absorvem parcialmente os fótons gerados pelo efeito fotoelétrico, reduzindo a possibilidade de avalanches secundárias.

45. DETECTOR GEIGER-MÜLLER A curva característica do GM é a de taxa de contagem x tensão. Tensão de partida ( V s ). Tensão de trabalho ( V t ).

46. DETECTOR GEIGER-MÜLLER A inclinação do patamar na ordem de 100V é uma indicação de bom funcionamento do GM. Para GM orgânicos I ~ 3%, para GM halogênios I ~ 10%.

47. GEIGER-MÜLLER DE JANELA LATERAL Os GM de janela lateral geralmente tem formato cilíndrico . A janela, geralmente, é da ordem de 30 mg/cm 2 , metálica. A aplicação primária deste tipo de detector é a medição de radiação gama, mas pode detectar partículas beta > 300 keV.

48. Fábio Suzuki 49 GEIGER-MÜLLER DE JANELA FINA Os GM de janela fina podem ser do tipo pancake ou de janela na ponta. A janela, geralmente, é muito fina, por exemplo, 1,5 - 4 mg/cm 2 de mica, que permite a penetração da radiação alfa e beta. Um detector apresentando janela delgada de 1,5 mg/ cm 2 pode detectar partículas beta > 30 keV, alfa > 2,5 MeV e gama > 5 keV.

49. Geiger-Mueller (GM) Vista da Sonda Fechada Superior : s onda aberta Inferior : s onda fechada

50. Determinação do Nível de Contaminação Monitor de campo G-M com Sonda panqueca

51. Escala de Leitura do Detector GM

52. Inclui: Monitor de área Monitor grande intervalo ( Teletector ) Geiger-Mueller

53. Vantagens Bastante sensível: capaz de detectar campos de radiação de baixa intensidade Eletrônica simples para amplificar o sinal do detector Menos isolamento para diminuir a interferência do “ruído” Desvantagens Não consegue fazer discriminação entre α, β, γ Não discrimina energia O volume completo do gás é ionizado A intensidade do pulso resultante aumenta o tempo morto do detector Uso limitado em campos de radiação extremamente intensos (> 400 mSv /h) Geiger-Mueller

54. Alguns detectores GM detecta somente g Estrutura sólida Alguns detecta a , b, e g radiação a , b : intervalo curto Não pode penetrar a envoltória do detector Janela de Mylar permite a entrada da radiação a e b a e b pode ser detectada separadamente fazendo uso de diferentes tipos e espessuras de janela Deve ser colocada blindagem sobre a janela para detectar a radiação g Bloqueia a passagem da radiação a e b Geiger-Mueller

55. Calibração de um detector É o conjunto de um processo que é realizado sob condições específicas, para estabelecer a relação entre os valores indicados pelo instrumento e os valores conhecidos (convencionalmente verdadeiros) de uma grandeza, normalmente implica no ajuste dos controles internos do instrumento para que produza uma leitura igual ao valor considerado verdadeiro , em todo seu intervalo de medição.

56. Detectores gasosos… Devido a baixa densidade de um gás (comparado com um sólido), os detectores gasosos tem baixa eficiência para detectar raios X ou gama (tipicamente da ordem de 1%) Porém, detectam praticamente todas as partículas alfa ou beta que conseguem transpassar as paredes do recipiente de detecção.

57. Tempo Morto de um detector Os elétrons produzidos na ionização, por ser muito velozes, chegam rapidamente ao ânodo (+), provocando uma queda brusca de sua tensão numa fração de microsegundo . Os íons positivos se movimentam mais lentamente, tardando centenas de microsegundos para chegar ao cátodo para restabelecer as condições iniciais.

58. Tempo de Resolução Tempo morto Tempo necessário para atingir a intensidade de campo elétrico adequada. Tempo de recuperação Intervalo de tempo entre o tempo morto e tempo de recuperação total. Tempo de resolução Soma do tempo morto e tempo de recuperação.

59. Tempo de Resolução Tempo morto, recuperação, resolução

60. Tempo Morto de um detector Durante este tempo, chamado tempo morto do detector , o detector NÃO pode produzir novos pulsos, isto é: Durante o Tempo Morto de um detector NÃO é possível detectar a presença de Radiação. ! !

61. TEMPO MORTO DE UM DETECTOR PRECAUÇÕES! Existe a possibilidade de que chegue uma radiação antes de que o detector se restabeleça da anterior, ou seja dentro do tempo morto, em cujo caso a nova radiação não seja registrada, então a leitura será errônea. Se a rapidez (razão) de contagem é muito alta, por exemplo, se o detector for aproximado demasiadamente da fonte radioativa, existe a possibilidade de que deixe de contar. Isto se deve a que as radiações muito seguidas umas de outras cheguem ao detector antes de que este possa se restabelecer. Se diz então que … … o detector está saturado e marca a máxima leitura possível . Esta é uma condição perigosa porque o detector pode não contar nada de radiação apesar de estar dentro de um campo de radiação muito intenso. ! M UITO OLHO!!

62. PROTEÇÃO RADIOLÓGICA Módulo 1 Conhecimento Básico Programa Específico de Treinamento Proteção Radiológica Matias Puga Sanches [email protected]