O que é atenuação de raios gama – Definição

Atenuação de raios gama

Veja também: Atenuação de raios-X

A seção transversal total da interação de raios gama com um átomo é igual à soma das três seções parciais mencionadas: σ = σ _f + σ _C + σ _p 

• σ _f – Efeito fotoelétrico

• σ _C – espalhamento de Compton

• σ _p – Produção em pares

Dependendo da energia dos raios gama e do material absorvedor, uma das três seções parciais pode se tornar muito maior que as outras duas. Em pequenos valores de energia de raios gama, o efeito fotoelétrico domina. A dispersão de Compton domina em energias intermediárias. A dispersão de comptons também aumenta com a diminuição do número atômico de matéria; portanto, o intervalo de dominação é maior para os núcleos leves. Finalmente, a produção de pares elétron-pósitron domina a altas energias. Com base na definição da seção transversal da interação, pode-se derivar a dependência da intensidade dos raios gama na espessura do material absorvente. Se raios gama monoenergéticos são colimados em um feixe estreitoe se o detector atrás do material detectar apenas os raios gama que passaram por ele sem nenhum tipo de interação com esse material, a dependência deve ser uma atenuação exponencial simples dos raios gama . Cada uma dessas interações remove o fóton do feixe por absorção ou dispersão na direção do detector. Portanto, as interações podem ser caracterizadas por uma probabilidade fixa de ocorrência por unidade de comprimento do caminho no absorvedor. A soma dessas probabilidades é chamada de coeficiente de atenuação linear :

μ = τ _{(fotoelétrico)} + σ _(Compton) + κ _(par)

Coeficiente de atenuação linear

A atenuação da radiação gama pode ser descrita pela seguinte equação.

I = I ₀ .e ^-μx

, onde I é a intensidade após a atenuação, I _o é a intensidade do incidente, μ é o coeficiente de atenuação linear (cm ^-1 ) e a espessura física do absorvedor (cm).

Os materiais listados na tabela ao lado são ar, água e elementos diferentes do carbono ( Z = 6) ao chumbo ( Z = 82) e seus coeficientes de atenuação linear são dados para três energias de raios gama. Existem duas características principais do coeficiente de atenuação linear:

• O coeficiente de atenuação linear aumenta à medida que o número atômico do absorvedor aumenta.
• O coeficiente de atenuação linear para todos os materiais diminui com a energia dos raios gama.

Camada de metade do valor

A camada de meio valor expressa a espessura do material absorvente necessário para reduzir a intensidade da radiação incidente por um fator de dois . Existem duas características principais da camada de meio valor:

• A camada de metade do valor diminui à medida que o número atômico do absorvedor aumenta. Por exemplo, são necessários 35 m de ar para reduzir a intensidade de um feixe de raios gama de 100 keV por um fator de dois, enquanto apenas 0,12 mm de chumbo podem fazer a mesma coisa.
• A camada de metade do valor para todos os materiais aumenta com a energia dos raios gama. Por exemplo, de 0,26 cm para ferro a 100 keV a cerca de 1,06 cm a 500 keV.

Coeficiente de atenuação de massa

Ao caracterizar um material absorvente, às vezes podemos usar o coeficiente de atenuação da massa.  O coeficiente de atenuação da massa é definido como a razão entre o coeficiente de atenuação linear e a densidade do absorvedor (μ / ρ) . A atenuação da radiação gama pode ser descrita pela seguinte equação:

I = I ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

, onde ρ é a densidade do material, (μ / ρ) é o coeficiente de atenuação da massa e ρ.l é a espessura da massa. A unidade de medida usada para o coeficiente de atenuação de massa cm ² g ^-1 .Para energias intermediárias, a dispersão de Compton domina e diferentes absorvedores têm coeficientes de atenuação de massa aproximadamente iguais. Isso se deve ao fato de que a seção transversal da dispersão de Compton é proporcional ao Z (número atômico) e, portanto, o coeficiente é proporcional à densidade do material ρ. Em valores pequenos de energia de raios gama ou em valores altos de energia de raios gama, em que o coeficiente é proporcional a potências mais altas do número atômico Z (para efeito fotoelétrico σ _f ~ Z ⁵ ; para produção de pares σ _p ~ Z² ), o coeficiente de atenuação μ não é constante.

Exemplo:

De quanto água você precisa, se você deseja reduzir a intensidade de um feixe de raios gama monoenergético de 500 keV ( feixe estreito ) para 1% de sua intensidade incidente? A camada de meio valor para raios gama de 500 keV na água é de 7,15 cm e o coeficiente de atenuação linear para raios gama de 500 keV na água é de 0,097 cm ^-1 . A questão é bastante simples e pode ser descrita pela seguinte equação:Se a camada de meio valor para a água for 7,15 cm, o coeficiente de atenuação linear é:Agora podemos usar a equação de atenuação exponencial:PortantoPortanto, a espessura necessária da água é de cerca de 47,5 cm . Essa espessura é relativamente grande e é causada por um pequeno número atômico de hidrogênio e oxigênio. Se calcularmos o mesmo problema para o chumbo (Pb) , obteremos a espessura x = 2,8 cm .

Coeficientes de atenuação linear

Tabela de coeficientes de atenuação linear (em cm-1) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

Camadas de metade do valor

Tabela de camadas de meio valor (em cm) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

Validade da lei exponencial

A lei exponencial sempre descreverá a atenuação da radiação primária pela matéria. Se partículas secundárias forem produzidas ou se a radiação primária mudar sua energia ou direção, a atenuação efetiva será muito menor. A radiação penetrará mais profundamente na matéria do que a prevista pela lei exponencial. O processo deve ser levado em consideração ao avaliar o efeito da proteção contra radiação.

Fatores de acúmulo para blindagem de raios gama

O fator de acumulação é um fator de correção que considera a influência da radiação dispersa mais quaisquer partículas secundárias no meio durante os cálculos de blindagem. Se queremos dar conta do acúmulo de radiação secundária, precisamos incluir o fator de acúmulo . O fator de acumulação é então um fator multiplicativo que responde pela resposta aos fótons não colididos, de modo a incluir a contribuição dos fótons dispersos. Assim, o fator de acumulação pode ser obtido como uma razão entre a dose total e a resposta para a dose não coletada.

Veja também: Proteção de raios gama

A fórmula estendida para o cálculo da taxa de dose é:

O padrão ANSI / ANS-6.4.3-1991 de coeficientes de atenuação de raios gama e fatores de acúmulo para materiais de engenharia contém coeficientes de atenuação de raios gama derivados e fatores de acúmulo para materiais e elementos de engenharia selecionados para uso em cálculos de blindagem (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).