Medidores de radiação

Question 1

Detetores de radiação:

Answer 1

• Entre esses processos os mais utilizados são os que envolvem a geração de cargas elétricas, a geração de luz, a sensibilização de películas fotográficas, a criação de traços (buracos) no material, a geração de calor e alterações da dinâmica de certos processos químicos. Normalmente um detector de radiação é constituído de um elemento ou material sensível à radiação e um sistema que transforma esses efeitos em um valor relacionado a uma grandeza de medição dessa radiação.

Question 2

Propriedades de um detetor:

Answer 2

• Repetitividade, definida pelo grau de concordância dos resultados obtidos sob as mesmas condições de medição;
• Reprodutibilidade, grau de concordância dos resultados obtidos em diferentes condições de medição;
• Estabilidade, aptidão do instrumento conservar constantes suas características de medição ao longo do tempo;
• Exatidão, grau de concordância dos resultados com o “valor verdadeiro” ou valor de referência a ser determinado;
• Precisão, grau de concordância dos resultados entre si, normalmente expresso pelo desvio padrão em relação à média;
• Sensibilidade, razão entre a variação da resposta de um instrumento e a correspondente variação do estímulo; e
• Eficiência, capacidade de converter em sinais de medição os estímulos recebidos

Question 3

Eficiência intrinseca:

Answer 3

Question 4

Eficiência absoluta:

Answer 4

Question 5

Detetores ativos:

Answer 5

• medição instantânea da radiação
• Detectores à gás para medição da taxa de dose, os cintilômetros, os detectores a semicondutor

Question 6

Detetores passivos:

Answer 6

• registram os eventos e podem ser processados posteriormente, como as emulsões fotográficas, os detectores de traço, os dosímetros termoluminescentes, lioluminescentes e citogenéticos.

Question 7

Emulsões fotográficas:

Answer 7

• são normalmente constituídas de cristais (grãos) de haletos de prata (normalmente brometo) dispersos em uma matriz de gelatina.
• A avaliação da dose utilizando dosímetros fotográficos é feita comparando-se a densidade ótica do filme após a revelação com a densidade ótica de outros filmes que foram irradiados com doses conhecidas com feixes padronizados.
• O equipamento utilizado é um densitômetro ótico, e consiste basicamente na medida da opacidade ótica do filme à transmissão da luz. A densidade ótica é uma medida da atenuação da luz transmitida pelo filme em relação à intensidade da luz incidente. Normalmente o monitor é substituído a cada mês. O filme substituído é então processado e a dose acumulada no período é avaliada.

Question 8

Aplicações de emulsões fotográficas:

Answer 8

• Uso em raio x diagnóstico: As emulsões fotográficas são utilizadas também para a obtenção de radiografias utilizadas em diagnósticos médicos.
• Gamagrafia: feixes de raios γ são usados para avaliação de estruturas na construção civil, na siderurgia e metalurgia. A radiação é mais absorvida na matéria mais densa e com mais alto Z e permite verificar a existência de bolhas e falhas no interior de grandes estruturas metálicas e de concreto, sem a necessidade de destruí-las. Normalmente são utilizadas fontes de Co-60, de Cs-137 e de Ir-192. Podem ser utilizados também aparelhos de raios X de alta energia (acima de 400 keV)

Question 9

Detetores termoluminscentes:

Answer 9

• O volume sensível de um material termoluminescente consiste de uma massa pequena (aproximadamente 1 a 100 mg) de um material cristalino dielétrico contendo ativadores convenientes.
• A radiação ionizante, ao interagir com os elétrons do material, cede energia aos mesmos pela ionização, que são aprisionados pelas armadilhas. Se o material é submetido a um aquecimento programado os elétrons aprisionados nas armadilhas são liberados, fazendo com que percam a energia nos centros de luminescência
• A diferença de energia entre esses dois níveis é emitida através de um fóton na faixa da luz visível, da ordem de alguns eV
• esses materiais são bastante convenientes para serem utilizados como dosímetros, principalmente pela sua característica de reutilização antes de apresentarem fadiga expressiva.
• As principais substâncias utilizadas como materiais termoluminescentes para dosimetria são o CaSO4:Dy (sulfato de cálcio dopado com disprósio), o CaSO4:Mn (dopado com manganês); o LiF (fluoreto de lítio) e a CaF2 (fluorita). No Brasil, o CaSO4:Dy (produzido no IPEN/CNEN-SP) e o LiF, são os mais utilizados.

Question 10

Detetores a gás:

Answer 10

• A probabilidade de interação da radiação com o gás, resultando na formação de pares de íons, varia com o campo elétrico aplicado (ou diferença de potencial aplicada) ao gás dentro do volume sensível.

Question 11

Região não-proporcional:

Answer 11

• Nessa região, os pares de íons são formados, mas como o campo elétrico é muito fraco, ocorre um processo de recombinação dos íons e somente parte das cargas geradas é coletada. À medida que a diferença de potencial cresce, os íons são atraídos para os polos elétricos e não têm condições de se recombinar. Nessa região é gerada uma carga, mas a amplitude do pulso pode variar sem proporcionalidade com a quantidade ou a energia da radiação incidente. Essa região não é conveniente para a operação de detectores.

Question 12

Região de saturação de íons:

Answer 12

• Após um determinado valor do campo elétrico todos os íons formados são coletados, e o sinal é então proporcional à energia da radiação incidente. O valor do sinal permanece o mesmo para um intervalo de variação do campo elétrico, em que a coleta das cargas não traz nenhum processo adicional. Nessa região de campo elétrico é que operam os detectores tipo câmara de ionização.

Question 13

Região proporcional:

Answer 13

• Com o aumento do campo elétrico, os elétrons acelerados têm energia suficiente para arrancar elétrons de outros átomos e, dessa forma, criar novos pares de íons. Ocorre então uma multiplicação, que é linearmente proporcional ao número de pares de íons gerados pela radiação primária.
• Essa região é também chamada de região de proporcionalidade verdadeira, onde operam os detectores proporcionais. O sinal inicial é multiplicado por um fator de 10² a 10⁴ vezes, dependendo do gás e da tensão aplicada.
• O sinal coletado na maioria das vezes precisa ser pouco amplificado, o que facilita seu processamento.

Question 14

Região de proporcionalidade limitada:

Answer 14

• Continuando a aumentar o campo elétrico, a multiplicação do gás passa a sofrer efeitos não-lineares, não guardando mais a relação de proporcionalidade com o número de pares de íons gerados inicialmente.
• Nessa região os detectores não operam.

Question 15

Região do Geiger-Muller:

Answer 15

• Se a voltagem aplicada for suficientemente alta, a carga espacial criada pelos íons positivos passa a ser tão grande que a perturbação que cria no campo elétrico interrompe o processo de multiplicação. Nesse caso o número de pares de íons criados passará a ser sempre da mesma ordem, independentemente do número de pares criados originalmente e, portanto o sinal será independente da energia da radiação.
• Esta região é utilizada para operar os detectores do tipo Geiger-Müller

Question 16

Região de descarga contínua:

Answer 16

• Um aumento ainda maior no valor do campo elétrico irá ocasionar o surgimento de centelhas, não havendo mais relação com o número de íons formados. Nessa região não operam os detectores e, se operados nessa região, podem ser danificados.

Question 17

Câmara de ionização:

Answer 17

• As câmaras de ionização trabalham normalmente no modo corrente e se convenientemente construídas, utilizando o ar como elemento gasoso, são capazes de medir diretamente a grandeza exposição.
• Em função de sua grande estabilidade ao longo do tempo (da ordem de 0,1 % de variação ao longo de muitos anos), as câmaras de ionização são muito utilizadas também como instrumentos de referência para calibração, pois eliminam a necessidade de recalibrações frequentes

Question 18

Tipos de câmaras de ionização:

Answer 18

• Câmara de ionização de ar livre (free air chambre): Consiste de uma estrutura convenientemente montada e aberta de forma que a interação com radiação é medida diretamente no ar, ou seja, o volume sensível do detector é menor que o do recipiente em que está contido. A camada de ar entre o volume sensível e as paredes da câmara faz com que o volume sensível não sofra influência da interação da radiação com as paredes.
• Caneta dosimétrica: Muito utilizada em monitoração pessoal, consiste em uma câmara de ionização onde um fio de quartzo serve como cursor para indicar a exposição (ou dose) acumulada.
• Câmara de ionização portátil: É uma câmara de ionização a ar ou gás sob pressão, destinada a medições de taxas de exposição, taxa de dose e dose acumulada, para radiações X e gama e, às vezes, beta. É construída de material de baixo Z ou tecido-equivalente. É um equipamento destinado à medida da exposição ou taxa de exposição, bem como dose absorvida no ar. Com o uso de uma capa de material tecido-equivalente adicional de build up, esta câmara permite determinar a dose absorvida no tecido ou mesmo a dose efetiva, dependendo da escal
• Câmara de ionização tipo poço: A câmara de ionização é montada de forma que a fonte radioativa a ser medida possa ser introduzida no poço criando uma condição de eficiência de praticamente 100 %. É muito utilizada na medição de atividade de fontes radioativas, na guarda dos fatores de calibração num laboratório nacional de calibração de radionuclídeos e na determinação da atividade de radiofármacos em clínicas de medicina nuclear.
• Câmara de extrapolação: Câmara de ionização equipada com um micrômetro que permite variar a distância entre os eletrodos, que é denominada de profundidade da câmara, utilizada principalmente pelos laboratórios de calibração para calibrar fontes emissoras de radiação beta, utilizando a técnica de extrapolação
• Câmara tipo dedal: É uma câmara cilíndrica muito utilizada em radioterapia para medições de dose absorvida a ser aplicada em pacientes, sendo constituída de um pequeno volume de ar ou gás, encerrado num cilindro de paredes finas e ponta arredondada, feito de material tecido equivalente, e com um eletrodo central

Question 19

Detetores proporcionais:

Answer 19

• Operam quase sempre no modo pulso e se baseiam no fenômeno de multiplicação de íons no gás para amplificar o número de íons originais criados pela radiação incidente
• uma das aplicações importantes de detectores proporcionais, é a detecção e espectroscopia de raios X, elétrons de baixa energia e radiação alfa. Contadores proporcionais são também largamente aplicados na detecção de nêutrons, utilizando reações nucleares tipo (n,p), (n,α). O material que reage com os nêutrons é colocado dentro do proporcional, podendo ser o próprio gás de preenchimento.

Question 21

Detetores Geiger-Muller:

Answer 21

• em função de sua simplicidade, baixo custo, facilidade de operação e manutenção, são utilizados até hoje. Como apresenta o pulso de saída de igual amplitude, independentemente do número de íons iniciais, o detector G-M funciona como um contador, não sendo capaz de discriminar energias.
• Assim, a amplitude do pulso de saída formado no detector é da ordem de volt, o que permite simplificar a construção do detector, eliminando a necessidade de um pré-amplificador
• podem ser utilizados para estimar grandezas como dose e exposição, ou suas taxas, utilizando artifícios de instrumentação e metrologia. Nesse caso, são normalmente calibrados para uma energia determinada (por exemplo, a do 60Co) e os valores dessas grandezas são calculados através da fluência.
• Detector Geiger, tipo pancake, para medição de contaminação superficial com janela de mylar aluminizado, para radiação alfa, beta e gama.

Question 22

Detetores a cintilação:

Answer 22

• Algumas das características ideais de um bom material cintilador são que:
  
  • transforme toda energia cinética da radiação incidente ou dos produtos da interação em luz detectável;
  • a luz produzida seja proporcional à energia depositada;
  • seja transparente ao comprimento de onda da luz visível que produz;
  • tenha boa qualidade ótica, com índice de refração próximo ao do vidro (aprox. 1,5);
  • seja disponível em peças suficientemente grandes para servir para construção de detectores; e
  • seja facilmente moldável e/ou usinável para construir geometrias adequadas de detectores.
• Embora seja difícil encontrar um material que reúna todas essas condições ideais, alguns materiais apresentam boas características para sua utilização.

Question 23

Válvula fotomultiplicadora:

Answer 23

• transforma os sinais luminosos produzidos pela radiação, usualmente muito fracos, em sinais elétricos com intensidade conveniente para serem processados em um sistema de contagem ou de espectroscopia

Question 24

Materiais cintiladores:

Answer 24

• Iodeto de sódio: O iodeto de sódio ativado com o tálio - NaI(Tl) - é um dos materiais mais utilizados, pelas suas características de resposta à radiação, pela facilidade de obtenção do cristal em peças grandes e de se obter o cristal dopado com tálio
• Iodeto de césio: O iodeto de césio ativado com tálio ou com sódio [CsI(Tl) e CsI(Na)] é outro material bastante utilizado como detector de cintilação. Sua principal qualidade em relação ao iodeto de sódio é seu maior coeficiente de absorção em relação à radiação gama, permitindo a construção de detectores mais compactos. Além disso, tem grande resistência a choques e a vibrações, em função de ser pouco quebradiço.
• Germanato de bismuto: O detector de germanato de bismuto ou BGO – Bi4Ge3O12. A principal vantagem do BGO é sua alta densidade (7,3 g/cm3 ) e o elevado número atômico do bismuto, o que faz dele o detector com maior probabilidade de interação por volume entre os mais comumente utilizados. Outra característica do BGO é ser um cintilador inorgânico puro, isto é, não necessita de um ativador para promover o processo de cintilação. boas propriedades mecânicas e de resistência à umidade. As principais desvantagens do cristal de BGO são: sua baixa produção de luz, aproximadamente 10 a 20% daquela produzida em iguais condições pelo iodeto de sódio e seu custo, que é duas a três vezes o deste último
• Sulfeto de Zinco ativado: O sulfeto de zinco ativado - ZnS(Ag) - é um dos cintiladores inorgânicos mais antigos. Tem alta eficiência de cintilação, comparável à do NaI(Tl), mas só é disponível como pó policristalino, sendo seu uso limitado a telas finas, por ser opaco à luz, utilizadas principalmente para partículas α e íons pesados

Question 25

Materiais cintiladores orgânicos:

Answer 25

• Somente dois materiais alcançaram grande popularidade como cintiladores cristalinos orgânicos: o antraceno e o estilbeno. O antraceno é um dos materiais orgânicos mais antigos utilizados para cintilação e tem a característica de ter a maior eficiência de cintilação entre os materiais orgânicos

Question 26

Detetores semicondutores:

Answer 26

• Detetores de diodo de silício: Os detectores de diodo de silício constituem o principal tipo utilizado para partículas carregadas pesadas, como prótons, alfas e fragmentos de fissão. As principais vantagens dos detectores de diodo de silício são a resolução excepcional, a boa estabilidade, o excelente tempo de coleta de carga, a possibilidade de janelas extremamente finas e a simplicidade de operação
• Detetores de Germano: Os detectores de germânio dopado com lítio - Ge(Li) - foram largamente utilizados, por sua resolução na espectroscopia gama, mas têm sido rapidamente substituídos, principalmente por causa das dificuldades operacionais, exigindo que sejam mantidos em refrigeração à temperatura do nitrogênio líquido (770 K), mesmo quando não estão em funcionamento, para evitar danos em sua estrutura com a migração do lítio no material. Vem sendo substituídos pelos HPGe (Germânio hiper puro), por não necessitar de refrigeração quando não estão em uso.
• Detetor de barreira de superfície: Uma das utilizações do silício é na construção dos detectores de barreira de superfície que são caracterizados pela camada morta muito fina e são utilizados principalmente para a detecção de partículas α e β
• Detetores de silício-lítio: convenientes para a espectrometria de raios X de baixa energia e para detecção e espectrometria de elétrons.
• Telureto de Cádmio: O telureto de cádmio (CdTe) combina pesos atômicos relativamente altos (48 e 52) com uma banda de energia suficientemente grande para permitir operar à temperatura ambiente. Para energias típicas de raios γ, a probabilidade de absorção fotoelétrica por unidade de caminho percorrido é da ordem de 4 a 5 vezes maior que no germânio e 100 vezes maior que no silício. Normalmente este detector tem grande utilidade para situações em que se deseja grande eficiência de detecção para raios γ por unidade de volume.
• Detetor de Telureto de Zinco e Cádmio: capaz de medir a dose absorvida, identificar o radionuclídeo emissor gama e determinar a direção de incidência da radiação.