Embora a água não seja de alta densidade nem de alto material Z, ela é comumente usada como escudos gama. Suas desvantagens são compensadas com o aumento da espessura. Dosimetria de Radiação
Água como proteção contra radiação gama
Em resumo, a blindagem eficaz da radiação gama é, na maioria dos casos, baseada no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:
alta densidade de material.
alto número atômico de material (materiais com alto Z)
Embora a água não seja de alta densidade nem de material com alto teor de Z , é comumente usada como escudos gama. A água fornece uma proteção contra radiação dos conjuntos de combustível em um pool de combustível irradiado durante o armazenamento ou durante o transporte de e para o núcleo do reator . Embora a água seja um material de baixa densidade e baixo Z, é comumente usada em usinas nucleares, porque essas desvantagens podem ser compensadas com o aumento da espessura.
Camada de metade do valor da água
A camada de metade do valor expressa a espessura do material absorvente necessário para reduzir a intensidade da radiação incidente por um fator de dois .
Tabela de camadas de meio valor (em cm) para materiais diferentes com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.
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Água como Blindagem de Nêutrons. A água devido ao alto teor de hidrogênio e à disponibilidade é uma proteção efetiva e comum aos nêutrons. Dosimetria de Radiação
Água como blindagem de nêutrons
A água devido ao alto teor de hidrogênio e à disponibilidade é uma proteção efetiva e comum aos nêutrons . No entanto, devido ao baixo número atômico de hidrogênio e oxigênio, a água não é um escudo aceitável contra os raios gama. Por outro lado, em alguns casos, essa desvantagem (baixa densidade) pode ser compensada pela alta espessura da proteção da água. No caso de nêutrons, a água modera perfeitamente os nêutrons, mas com a absorção de nêutrons pelos raios gama secundários do núcleo de hidrogênio com alta energia são produzidos. Esses raios gama penetram muito na matéria e, portanto, podem aumentar os requisitos de espessura da proteção da água. Adicionando um ácido bórico pode ajudar com esse problema (absorção de nêutrons nos núcleos de boro sem forte emissão gama), mas resulta em outros problemas com a corrosão dos materiais de construção.
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Os raios gama foram descobertos logo após a descoberta dos raios X. Em 1896, o cientista francês Henri Becquerel descobriu que os minerais de urânio poderiam expor uma placa fotográfica através de outro material. Dosimetria de Radiação
Descoberta de raios gama
Os raios gama foram descobertos logo após a descoberta dos raios X. Em 1896, o cientista francês Henri Becquerel descobriu que os minerais de urânio poderiam expor uma placa fotográfica através de outro material. Becquerel presumiu que o urânio emitisse alguma luz invisível semelhante aos raios-X, que foram recentemente descobertos pela WCRoentgen . Ele chamou de ” fosforescência metálica “. Na verdade, Henri Becquerel tinha encontrado radiação gama a ser emitida pelo radioisótopo 226 Ra (rádio), que faz parte da série de urânio de decaimento urânio raios chain.Gamma foram primeiro pensados para ser partículas com massa, por exemplo, extremamente enérgico partículas beta. Essa opinião falhou, porque essa radiação não pode ser desviada por um campo magnético, o que indicava que eles não tinham carga. Em 1914, observou-se que os raios gama refletiam-se nas superfícies de cristal, provando que deviam ser radiação eletromagnética , mas com maior energia (maior frequência e comprimentos de onda mais curtos).
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A aniquilação elétron-pósitron ocorre quando um elétron carregado negativamente e um pósitron carregado positivamente colidem. Quando um elétron de baixa energia aniquila um pósitron de baixa energia. Dosimetria de Radiação
Aniquilação de Positrons
A aniquilação elétron-pósitron ocorre quando um elétron carregado negativamente e um positrão carregado positivamente colidem. Quando um elétron de baixa energia aniquila um pósitron de baixa energia (antipartícula de elétron), ele pode produzir apenas dois ou mais fótons (raios gama). É proibida a produção de apenas um fóton por causa da conservação do momento linear e da energia total. A produção de outra partícula também é proibida porque ambas as partículas (elétron-pósitron) juntas não carregam energia de massa suficiente para produzir partículas mais pesadas. Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se aniquilam, resultando na conversão completa de sua massa em repouso em energia pura (de acordo com a fórmula E = mc 2 ) na forma de dois raios gama de 0,511 MeV gama dirigidos de maneira oposta (fótons).
e – + e + → γ + γ (2x 0,511 MeV)
Esse processo deve atender a várias leis de conservação, incluindo:
Conservação de carga elétrica. A carga líquida antes e depois é zero.
Conservação do momento linear e energia total. T
Conservação do momento angular.
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Os pósitrons interagem de maneira semelhante com a matéria quando são energéticos. No final de seu caminho, os pósitrons diferem significativamente dos elétrons. Dosimetria de Radiação
Interações pósitrons
As forças de coulombe que constituem o principal mecanismo de perda de energia para os elétrons estão presentes para cargas positivas ou negativas na partícula e constituem o principal mecanismo de perda de energia também para os positrons. Qualquer que seja a interação, envolva uma força repulsiva ou atraente entre a partícula incidente e o elétron orbital (ou núcleo atômico), o impulso e a transferência de energia para partículas de igual massa são praticamente os mesmos . Portanto, os pósitrons interagem de maneira semelhante com a matéria quando são energéticos . A trilha de pósitrons no material é semelhante à trilha de elétrons. Até a perda de energia e o alcance específicos são os mesmos para as energias iniciais iguais.
No final de seu caminho , os pósitrons diferem significativamente dos elétrons. Quando um pósitron (partícula de antimatéria) pára, ele interage com um elétron (partícula de matéria), resultando na aniquilação de ambas as partículas e na conversão completa de sua massa de repouso em energia pura (de acordo com a fórmula E = mc 2 ) na forma de dois raios gama de 0,511 MeV direcionados de maneira oposta ( fótons ).
Aniquilação de Positrons
A aniquilação elétron-pósitron ocorre quando um elétron carregado negativamente e um positrão carregado positivamente colidem. Quando um elétron de baixa energia aniquila um pósitron de baixa energia (antipartícula de elétron), ele pode produzir apenas dois ou mais fótons (raios gama). É proibida a produção de apenas um fóton por causa da conservação do momento linear e da energia total. A produção de outra partícula também é proibida porque ambas as partículas (elétron-pósitron) juntas não carregam energia de massa suficiente para produzir partículas mais pesadas. Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se aniquilam, resultando na conversão completa de sua massa em repouso em energia pura (de acordo com a fórmula E = mc 2 ) na forma de dois raios gama de 0,511 MeV gama dirigidos de maneira oposta (fótons).
e – + e + → γ + γ (2x 0,511 MeV)
Esse processo deve atender a várias leis de conservação, incluindo:
Conservação de carga elétrica. A carga líquida antes e depois é zero.
Conservação do momento linear e energia total. T
Conservação do momento angular.
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A radiação cherenkov é uma radiação eletromagnética emitida quando uma partícula carregada atravessa um meio dielétrico mais rápido que a velocidade da fase da luz. Dosimetria de Radiação
Radiação Cherenkov
A radiação cherenkov é radiação eletromagnética emitida quando uma partícula carregada (como um elétron) se move através de um meio dielétrico mais rápido que a velocidade da fase da luz nesse meio . É semelhante à onda de proa produzida por um barco que viaja mais rápido que a velocidade das ondas de água. A radiação Cherenkov ocorre apenas se a velocidade da partícula for superior à velocidade da fase da luz no material. Mesmo em altas energias, a energia perdida pela radiação Cherenkov é muito menor que a dos outros mecanismos (colisões, bremsstrahlung). É nomeado após o físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov , que dividiu o Prêmio Nobel de física em 1958 comIlya Frank e Igor Tamm pela descoberta da radiação Cherenkov, realizada em 1934.
A radiação Cherenkov pode ser usada para detectar partículas carregadas de alta energia (especialmente partículas beta). Nos reatores nucleares ou em um reservatório de combustível nuclear usado, partículas beta (elétrons de alta energia) são liberadas à medida que os fragmentos de fissão decaem. O brilho é visível também após a reação em cadeia parar (no reator). A radiação cherenkov pode caracterizar a radioatividade remanescente do combustível nuclear usado, portanto, pode ser usada para medir a queima de combustível.
Radiação Cherenkov – Youtube
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O bremsstrahlung é a radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de uma partícula carregada quando desviada por campos magnéticos ou outra partícula carregada. Dosimetria de Radiação
Bremsstrahlung
O bremsstrahlung é a radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de uma partícula carregada quando desviada por campos magnéticos (um elétron pelo campo magnético do acelerador de partículas) ou outra partícula carregada (um elétron por um núcleo atômico). O nome bremsstrahlung vem do alemão. A tradução literal é ‘radiação de frenagem’ . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia.
O bremsstrahlung é uma das possíveis interações de partículas carregadas de luz com a matéria (especialmente com altos números atômicos ).
As duas ocorrências mais comuns de bremsstrahlung são:
Desaceleração da partícula carregada. Quando partículas carregadas entram em um material, elas são desaceleradas pelo campo elétrico dos núcleos atômicos e elétrons atômicos.
Aceleração de partículas carregadas. Quando partículas carregadas ultra-relativísticas se movem através de campos magnéticos, elas são forçadas a se mover ao longo de um caminho curvo. Como a direção do movimento está mudando continuamente, eles também estão acelerando e emitindo bremsstrahlung; nesse caso, é chamada de radiação síncrotron .
Como o bremsstrahlung é muito mais forte para partículas mais leves, esse efeito é muito mais importante para partículas beta do que para prótons, partículas alfa e núcleos carregados pesados ( fragmentos de fissão ). Este efeito pode ser desprezado em energias de partículas abaixo de 1 MeV , porque a perda de energia devido à bremsstrahlung é muito pequena. A perda de radiação começa a se tornar importante apenas em energias de partículas bem acima da energia mínima de ionização. Nas energias relativísticas, a razão entre a taxa de perda por bremsstrahlung e a taxa de perda por ionização é aproximadamente proporcional ao produto da energia cinética da partícula e ao número atômico do absorvedor.
A seção transversal de bremsstrahlung depende principalmente destes termos:
Portanto, a razão entre os poderes de parada de bremsstrahlung e as perdas de ionização é:
, onde E é a energia cinética da partícula (elétron), Z é o número atômico médio do material e E ‘é uma constante de proporcionalidade; É 800 MeV . A energia cinética na qual a perda de energia por bremsstrahlung é igual à perda de energia por ionização e excitação (perdas colisionais) é chamada de energia crítica . Outro parâmetro é o comprimento da radiação , definido como a distância pela qual a energia elétrica do incidente é reduzida em um fator 1 / e (0,37) devido apenas às perdas de radiação. A tabela a seguir fornece alguns valores típicos:
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Esse espectro característico é causado pelo fato de que um neutrino ou um antineutrino é emitido com a emissão de partículas beta. Dosimetria de Radiação
Espectro de partículas beta
No processo de decaimento beta, um elétron ou um pósitron é emitido. Essa emissão é acompanhada pela emissão de antineutrino (β-decaimento) ou neutrino (β + decaimento), que compartilha energia e momento do decaimento. A emissão beta tem um espectro característico. Esse espectro característico é causado pelo fato de que um neutrino ou um antineutrino é emitido com a emissão de partículas beta. O formato dessa curva de energia depende de qual fração da energia da reação ( valor Q – a quantidade de energia liberada pela reação) é transportada pela partícula maciça. Partículas beta, portanto, pode ser emitida com qualquer energia cinética que varia de 0 a Q . Em 1934, Enrico Fermi havia desenvolvido uma teoria Fermi de decaimento beta, que previu o formato dessa curva de energia.
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A natureza de uma interação de uma radiação beta com a matéria é diferente da radiação alfa, apesar do fato de que as partículas beta também são partículas carregadas. Dosimetria de Radiação
Natureza da interação da radiação beta com a matéria
Resumo dos tipos de interações:
Colisões inelásticas com elétrons atômicos (excitação e ionização)
Espalhamento elástico dos núcleos
Bremsstrahlung.
Radiação Cherenkov.
Aniquilação (apenas pósitrons)
A natureza de uma interação de uma radiação beta com a matéria é diferente da radiação alfa , apesar do fato de que as partículas beta também são partículas carregadas. Em comparação com partículas alfa, as partículas beta têm massa muito mais baixa e atingem principalmente energias relativísticas . Sua massa é igual à massa dos elétrons orbitais com os quais eles estão interagindo e, diferentemente da partícula alfa, uma fração muito maior de sua energia cinética pode ser perdida em uma única interação. Como as partículas beta atingem principalmente as energias relativísticas, a fórmula não- relativística de Bethe não pode ser usada. Para elétrons de alta energia, uma expressão semelhante também foi derivada por Bethedescrever a perda de energia específica devido à excitação e ionização (as “perdas colisionais”).
Além disso, as partículas beta podem interagir via interação elétron-nuclear (dispersão elástica dos núcleos), o que pode alterar significativamente a direção da partícula beta . Portanto, o caminho deles não é tão direto. As partículas beta seguem um caminho muito em zigue-zague através do material absorvente; esse caminho resultante da partícula é maior que a penetração linear (faixa) no material.
As partículas beta também diferem de outras partículas carregadas pesadas na fração de energia perdida pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .
Existe outro mecanismo pelo qual as partículas beta perdem energia através da produção de radiação eletromagnética. Quando a partícula beta se move mais rápido que a velocidade da luz (velocidade de fase) no material, gera uma onda de choque de radiação eletromagnética conhecida como radiação de Cherenkov .
Os pósitrons interagem de maneira semelhante com a matéria quando são energéticos . Mas quando o pósitron vem para descansar , ele interage com um elétron de carga negativa, resultando na aniquilação do par elétron-pósitron.
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A curva de Bragg é típica para partículas carregadas pesadas e descreve a perda de energia da radiação ionizante durante a viagem pela matéria. Dosimetria de Radiação
A curva de Bragg é típica para partículas carregadas pesadas e descreve a perda de energia da radiação ionizante durante a viagem pela matéria. Para essa curva, é típico o pico de Bragg , que é o resultado da dependência de 1 / v 2 da potência de parada . Esse pico ocorre porque a seção transversal da interação aumenta imediatamente antes de a partícula parar. Na maior parte da pista, a carga permanece inalterada e a perda de energia específica aumenta de acordo com o 1 / v 2 . Perto do final da pista, a carga pode ser reduzida através da coleta de elétrons e a curva pode cair.
A curva de Bragg também difere um pouco devido ao efeito de dispersão . Para um determinado material, a faixa será quase a mesma para todas as partículas do mesmo tipo com a mesma energia inicial. Como os detalhes das interações microscópicas sofridas por qualquer partícula específica variam aleatoriamente, uma pequena variação no intervalo pode ser observada. Essa variação é chamada de dispersão e é causada pela natureza estatística do processo de perda de energia, que consiste em um grande número de colisões individuais.
Esse fenômeno, descrito pela curva de Bragg, é explorado na terapia de partículas do câncer, pois permite concentrar a energia de parada no tumor, minimizando o efeito no tecido saudável circundante.
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