Nick Connor

A dosimetria gama  é a medição, cálculo e avaliação das doses absorvidas e a atribuição dessas doses aos indivíduos. É a ciência e a prática que tentam relacionar quantitativamente medidas específicas feitas em um campo de radiação com mudanças químicas e / ou biológicas que a radiação produziria em um alvo.

Como existem dois tipos de exposição à radiação, exposição externa e interna, a dosimetria também pode ser categorizada como:

• Dosimetria externa . A exposição externa é a radiação que vem de fora do nosso corpo e interage conosco. Nesse caso, analisamos predominantemente a exposição  a raios gama  e  partículas beta , já que as  partículas alfa , em geral, não representam risco de exposição externa, porque as partículas geralmente não passam pela pele. Como os fótons e beta interagem através de forças eletromagnéticas e nêutrons interagem através de forças nucleares, seus métodos de detecção e dosimetria são substancialmente diferentes. A fonte de radiação pode ser, por exemplo, um equipamento que produz a radiação como um recipiente com materiais radioativos ou como uma máquina de raio-x. A dosimetria externa é baseada em medições com um  dosímetro, ou inferido a partir de medições feitas por outros instrumentos de proteção radiológica.
• Dosimetria interna . Se a fonte de radiação está  dentro do nosso corpo , dizemos, é  a exposição interna . A ingestão de material radioativo pode ocorrer por várias vias, como a ingestão de contaminação radioativa em alimentos ou líquidos. A proteção contra a exposição interna é mais complicada. A maioria dos radionuclídeos fornecerá muito mais doses de radiação se, de alguma forma, puderem entrar em seu corpo, do que se ficassem fora. A avaliação da dosimetria interna depende de uma variedade de técnicas de monitoramento, bioensaio ou geração de imagens de radiação.

Estudos demonstraram que a radiação alfa e nêutron causa maior dano biológico para uma dada deposição de energia por kg de tecido do que a radiação gama. Foi descoberto que os efeitos biológicos de qualquer radiação  aumentam  com a  transferência linear de energia  (LET). Em suma, o dano biológico da radiação de  alta LET  ( partículas alfa ,  prótons  ou  nêutrons ) é muito maior do que o da radiação de  baixa LET  ( raios gama) Isso ocorre porque o tecido vivo pode reparar mais facilmente os danos causados ​​pela radiação que se espalha por uma área grande do que aquela que está concentrada em uma área pequena. Como mais danos biológicos são causados ​​pela mesma dose física (ou seja, a mesma energia depositada por unidade de massa de tecido), um cinza da radiação alfa ou nêutron é mais prejudicial do que um cinza da radiação gama. Este fato de que radiações de diferentes tipos (e energias) produzem efeitos biológicos diferentes para a mesma dose absorvida é descrito em termos de fatores conhecidos como  efetividade biológica relativa  (RBE) e  fator de ponderação de radiação  (w _R ).

Fatores de ponderação por radiação – ICRP

Para radiação de fóton e elétron, o  fator de ponderação de radiação tem o valor 1 independentemente da energia da radiação e para a radiação alfa o valor 20. Para a radiação de nêutrons, o valor depende da energia e atinge de 5 a 20.

Em 2007, o ICRP publicou um  novo conjunto de fatores de ponderação de radiação (ICRP Publ. 103: As Recomendações de 2007 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica). Esses fatores são apresentados abaixo.

Como mostrado na tabela, aw _R  de 1 é para todas as radiações de baixa LET, ou seja, raios X e raios gama de todas as energias, bem como elétrons e múons. Uma curva suave, considerada uma aproximação, foi ajustada aos w _R valores como uma função da energia incidente de neutrões. Observe que E _n  é a energia de nêutrons em MeV.

Assim, por exemplo, uma dose absorvida de 1 Gy por partículas alfa levará a uma dose equivalente a 20 Sv, e estima-se que uma dose equivalente de radiação tenha o mesmo efeito biológico que uma quantidade igual de dose absorvida de raios gama, que é dado um fator de ponderação de 1.

Detectores de radiação gama

Os detectores também podem ser classificados de acordo com materiais e métodos sensíveis que podem ser utilizados para fazer uma medição:

• Detectores de ionização gasosa
• Detectores de cintilação
• Detectores de semicondutores

Detecção de radiação gama usando câmara de ionização

Os raios gama  têm muito pouco problema em penetrar nas paredes metálicas da câmara. Portanto, câmaras de ionização podem ser usadas para detectar radiação gama e raios-X conhecidos coletivamente como fótons, e para isso o tubo sem janelas é usado. As câmaras de ionização têm uma boa resposta uniforme à radiação em uma ampla gama de energias e são os meios preferidos para medir altos níveis de radiação gama. Alguns problemas são causados ​​pelo fato de que as partículas alfa são mais ionizantes que as partículas beta e os raios gama; portanto, mais corrente é produzida na região da câmara de ionização por alfa do que beta e gama. Os raios gama depositam uma quantidade significativamente menor de energia no detector do que outras partículas.

A eficiência da câmara pode ser aumentada ainda mais pelo uso de um gás de alta pressão. Tipicamente, uma pressão de 8 a 10 atmosferas pode ser usada e vários gases nobres são empregados. Por exemplo, as  câmaras de ionização de xenônio de alta pressão (HPXe)  são ideais para uso em ambientes não controlados, pois a resposta de um detector demonstrou ser uniforme em grandes faixas de temperatura (20–170 ° C). A pressão mais alta resulta em uma maior densidade de gás e, portanto, em uma maior chance de colisão com o gás de preenchimento e a criação de pares de íons por radiação gama incidente. Devido ao aumento da espessura da parede necessária para suportar essa alta pressão, apenas a radiação gama pode ser detectada. Esses detectores são usados ​​em  medidores de medição  e para monitoramento ambiental.

Detecção de radiação gama usando o contador Geiger

O contador Geiger  pode detectar radiação ionizante, como  partículas alfa  e  beta ,  nêutrons e  raios gama,  usando o efeito de ionização produzido em um tubo Geiger-Müller, que dá nome ao instrumento. A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de  Geiger-Mueller .

O  alto fator de amplificação  do contador Geiger é a principal vantagem sobre a câmara de ionização. O contador Geiger é, portanto, um dispositivo muito mais sensível do que outras câmaras. É frequentemente usado na detecção de raios gama de baixo nível e partículas beta por esse motivo.

Detecção de radiação gama usando contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles podem ser usados ​​também para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

• Raios gama . Os materiais com alto teor de Z  são mais adequados como cintiladores para a detecção de raios gama. O material de cintilação mais utilizado é o  NaI (Tl)  (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada no iodeto de sódio (uma vez que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 ^-6 sec). A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons.

Detecção de radiação gama usando semicondutores – HPGe Detectors

Detectores de germânio de alta pureza  ( detectores HPGe ) são a melhor solução para espectroscopia precisa de  raios gama e raios-x .

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância,  cintiladores inorgânicos como NaI (Tl)  e  detectores de semicondutores . Se uma  resolução de energia perfeita  for necessária, precisamos usar  um detector à base de germânio , como o  detector HPGe. Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa, especialmente para  espectroscopia gama , bem como  espectroscopia de raios-x . Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total até a metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.

Um  dosímetro pessoal eletrônico  é um dosímetro moderno, que pode fornecer uma leitura contínua da  dose cumulativa  e da  taxa de dose atual e pode avisar a pessoa que o usa quando uma  taxa de dose especificada  ou uma  dose cumulativa  é excedida. Os EPDs são especialmente úteis em áreas de altas doses, onde o tempo de permanência do usuário é limitado devido a restrições de dose.

Características dos EPDs

O  dosímetro pessoal eletrônico, EPD,  é capaz de exibir uma  leitura direta  da dose ou taxa de dose detectada em tempo real. Dosímetros eletrônicos podem ser usados ​​como um dosímetro suplementar e também como um dosímetro primário. Os dosímetros passivos e os pessoais eletrônicos são frequentemente usados ​​juntos para se complementarem. Para estimar doses efetivas, os dosímetros devem ser usados ​​em uma posição do corpo representativa de sua exposição, geralmente entre a cintura e o pescoço, na frente do tronco, de frente para a fonte radioativa. Os dosímetros geralmente são usados ​​na parte externa da roupa, ao redor do tórax ou do tronco para representar a dose para o “corpo inteiro”. Dosímetros também podem ser usados ​​nas extremidades ou perto do olho para medir a dose equivalente a esses tecidos.

O dosímetro pode ser redefinido, geralmente após uma leitura para fins de registro e, assim, reutilizado várias vezes. Os EPDs possuem uma tela montada na parte superior para facilitar a leitura quando eles estão presos no bolso do peito. O visor digital fornece informações sobre  dose  e  taxa de dose geralmente em mSv e mSv / h. O EPD possui um  alarme de taxa de dose e um  alarme de dose . Esses alarmes são programáveis. Diferentes alarmes podem ser definidos para diferentes atividades.

Por exemplo:

• alarme de taxa de dose a 100 μSv / h,
• alarme de dose: 100 μSv.

Se um ponto de ajuste de alarme for alcançado, o display relevante piscará junto com uma luz vermelha e será gerado um ruído agudo. Você pode apagar o alarme da taxa de dose recuando para um campo de radiação mais baixo, mas não pode apagar o alarme de dose até chegar a um leitor de EPD. Os EPDs também podem emitir um sinal sonoro por cada 1 ou 10 μSv que registram. Isso fornece uma indicação audível dos campos de radiação. Alguns EPDs possuem recursos de comunicação sem fio. Os EPDs são capazes de medir uma ampla faixa de doses de radiação, desde níveis de rotina (μSv) até níveis de emergência (centenas de mSv ou unidades de Sieverts) com alta precisão, e podem exibir a taxa de exposição e os valores acumulados de exposição. Das tecnologias dos dosímetros, os dosímetros eletrônicos pessoais são geralmente os mais caros, os maiores em tamanho e os mais versáteis.

A dosimetria beta  é muito específica, porque as partículas beta são mais penetrantes que as partículas alfa. Por outro lado, uma fina placa de alumínio pode detê-los.

As partículas alfa e beta, em geral, não representam risco de exposição externa, porque as partículas geralmente não passam pela pele. Por outro lado, as radiações alfa e beta são muito prejudiciais quando seus radionuclídeos são ingeridos ou inalados. A exposição interna  é mais perigosa do que a exposição externa, pois estamos carregando a fonte de radiação dentro de nossos corpos e não podemos usar nenhum dos  princípios de proteção contra radiação  (tempo, distância, blindagem).

Estudos demonstraram que a radiação alfa e nêutron causa maior dano biológico para uma dada deposição de energia por kg de tecido do que a radiação gama. Foi descoberto que os efeitos biológicos de qualquer radiação  aumentam  com a  transferência linear de energia  (LET). Em suma, o dano biológico da radiação de  alta LET  ( partículas alfa ,  prótons  ou  nêutrons ) é muito maior do que o da radiação de  baixa LET  ( raios gama) Isso ocorre porque o tecido vivo pode reparar mais facilmente os danos causados ​​pela radiação que se espalha por uma área grande do que aquela que está concentrada em uma área pequena. Como mais danos biológicos são causados ​​pela mesma dose física (ou seja, a mesma energia depositada por unidade de massa de tecido), um cinza da radiação alfa ou nêutron é mais prejudicial do que um cinza da radiação gama. Este fato de que radiações de diferentes tipos (e energias) produzem efeitos biológicos diferentes para a mesma dose absorvida é descrito em termos de fatores conhecidos como  efetividade biológica relativa  (RBE) e  fator de ponderação de radiação  (w _R ).

Fatores de ponderação por radiação – ICRP

Para radiação de fóton e elétron, o fator de ponderação  da  radiação tem o valor 1 independentemente da energia da radiação e para a radiação alfa o valor 20. Para a radiação de nêutrons, o valor depende da energia e atinge de 5 a 20.

Em 2007, o ICRP publicou um  novo conjunto de fatores de ponderação de radiação (ICRP Publ. 103: As Recomendações de 2007 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica). Esses fatores são apresentados abaixo.

Como mostrado na tabela, aw _R  de 1 é para todas as radiações de baixa LET, ou seja, raios X e raios gama de todas as energias, bem como elétrons e múons. Uma curva suave, considerada uma aproximação, foi ajustada aos w _R valores como uma função da energia incidente de neutrões. Observe que E _n  é a energia de nêutrons em MeV.

Assim, por exemplo, uma dose absorvida de 1 Gy por partículas alfa levará a uma dose equivalente a 20 Sv, e estima-se que uma dose equivalente de radiação tenha o mesmo efeito biológico que uma quantidade igual de dose absorvida de raios gama, que é dado um fator de ponderação de 1.

Detectores de radiação beta

Os detectores também podem ser classificados de acordo com materiais e métodos sensíveis que podem ser utilizados para fazer uma medição:

• Detectores de ionização gasosa
• Detectores de cintilação
• Detectores de semicondutores

Detecção de radiação beta usando câmara de ionização

Para que as  partículas alfa  e  beta  sejam detectadas pelas câmaras de ionização, elas devem ter uma janela fina. Essa “janela final” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ² .

A câmara de ionização pode ser, por exemplo, usada para a medição de trítio no ar. Esses dispositivos são conhecidos como monitores de trítio no ar. O trítio  é um isótopo radioativo, mas emite uma forma muito fraca de radiação, uma partícula beta de baixa energia   que é semelhante a um elétron. É um emissor beta puro (ou seja, emissor beta sem uma radiação gama que o acompanha  ). A energia cinética do elétron varia, com uma média de 5,7 keV, enquanto a energia restante é transportada pelo antineutrino quase indetectável do elétron . Uma energia tão baixa de elétrons causa que o elétron não pode penetrar na pele ou nem mesmo viaja muito longe no ar. As partículas beta do trítio podem penetrar apenas cerca de 6,0 mm de ar. É praticamente impossível projetar um detector cujas paredes essas partículas beta possam penetrar. Em vez disso, o monitor de trítio no ar bombeia o ar contaminado com trítio diretamente através de uma câmara de ionização, para que toda a energia das partículas beta possa ser utilmente convertida na produção de pares de íons no interior da câmara.

Detecção de radiação beta usando contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles podem ser usados ​​também para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

• Partículas beta . Para a detecção de partículas beta, cintiladores orgânicos podem ser usados. Cristais orgânicos puros incluem cristais de antraceno, estilbeno e naftaleno. O tempo de decaimento desse tipo de fósforo é de aproximadamente 10 nanossegundos. Este tipo de cristal é freqüentemente usado na detecção de partículas beta. Os cintiladores orgânicos , com um  Z menor  que os cristais inorgânicos, são mais adequados para a detecção de partículas beta de baixa energia (<10 MeV).

Detecção de radiação beta usando semicondutores – Detectores de tira de silicone

Os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas. Um detector de tira de silício é um arranjo de implantes em forma de tira que atuam como eletrodos coletores de carga.

Detectores de fita de silicone 5 x 5 cm ²na área são bastante comuns e são usadas em série (assim como os planos de MWPCs) para determinar as trajetórias de partículas carregadas com precisão de posição da ordem de vários μm na direção transversal. Colocados em uma bolacha de silício com baixa dopagem e totalmente empobrecida, esses implantes formam uma matriz unidimensional de diodos. Ao conectar cada uma das tiras metalizadas a um amplificador sensível à carga, é construído um detector sensível à posição. É possível obter medições de posição bidimensional aplicando uma faixa adicional, como doping na parte traseira da bolacha, usando uma tecnologia de dupla face. Esses dispositivos podem ser usados ​​para medir pequenos parâmetros de impacto e, assim, determinar se alguma partícula carregada se originou de uma colisão primária ou foi o produto de decomposição de uma partícula primária que percorreu uma pequena distância da interação original e depois se deteriorou.

Medidores portáteis de pesquisa

Os medidores portáteis de pesquisa  são  detectores de radiação  usados ​​por técnicos em radiologia para medir  a taxa de dose ambiente . Esses instrumentos portáteis geralmente possuem medidores de taxa. Em instalações nucleares, esses  medidores portáteis de inspeção  são normalmente usados ​​por técnicos de proteção contra radiação, responsáveis ​​por seguir as operações em campo para ajudar a garantir que as políticas de proteção contra radiação sejam executadas e que os trabalhos sejam implementados de acordo com o  princípio ALARA . Suas responsabilidades incluem:

• Prestar assistência e aconselhamento aos trabalhadores para motivá-los a adotar um comportamento ALARA.
• Trabalhos a seguir para garantir o respeito aos procedimentos de segurança e proteção contra radiação.
• Em algumas plantas, interromper o trabalho em caso de desvio grave dos objetivos dosimétricos ou quando houver um risco radiológico significativamente crescente para os trabalhadores.

O medidor típico de pesquisa de radiação é, por exemplo, o  RDS-31 , que é um medidor de pesquisa de radiação multiuso que utiliza um  detector GM . Possui sondas externas alfa, beta e gama opcionais. Ele mede 3,9 x 2,6 x 1,3 polegadas e pode ser portátil ou usado pelo bolso, clipe para cinto ou bolsa. Possui um display LCD de cinco dígitos com luz de fundo. Os contadores Geiger operam em uma tensão tão alta que o tamanho do pulso de saída é sempre o mesmo, independentemente de quantos pares de íons foram criados no detector. Os contadores Geiger são usados ​​principalmente para  instrumentação portátil  devido à sua sensibilidade, circuito de contagem simples e capacidade de detectar radiação de baixo nível.

Dosímetro de distintivo de filme

Os dosímetros de distintivo de filme são apenas para uso único, não podem ser reutilizados. Um dosímetro de crachá de filme é um dosímetro usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida. O emblema do filme é usado para medir e registrar a exposição à radiação devido a  raios gama ,  raios X  e  partículas beta . O crachá incorpora uma  série de filtros (chumbo, estanho, cádmio e plástico) para determinar a qualidade da radiação. Para monitorar a emissão de partículas beta, os filtros usam várias densidades de plástico ou mesmo material de etiqueta. É típico que um único crachá contenha uma série de filtros de diferentes espessuras e materiais diferentes; a escolha precisa pode ser determinada pelo ambiente a ser monitorado.

Exemplos de filtros:

• Há uma  janela aberta  que possibilita que radiações mais fracas cheguem ao filme.
• Um  filtro plástico fino  que atenua a radiação beta, mas passa todas as outras radiações
• Um  filtro plástico grosso  que passa quase a radiação fotônica de menor energia e absorve quase a radiação beta mais alta.
• Um  filtro dural  que absorve progressivamente a radiação de fótons em energias abaixo de 65 keV, bem como a radiação beta.
• Um  filtro  de estanho / chumbo com uma espessura que permite uma resposta à dose independente de energia do filme na faixa de energia de fótons de 75 keV a 2 MeV.
• Um  filtro de chumbo de cádmio  pode ser usado para  a detecção de nêutrons térmicos . A captura de reações de nêutrons ((n, gama)) pelo  cádmio produz raios gama que escurecem o filme, permitindo a avaliação da exposição aos nêutrons.

Descrição da radiação gama

Os raios gama , também conhecidos como radiação gama , referem-se à radiação eletromagnética (sem massa em repouso, sem carga) de energias muito altas. Os raios gama são fótons de alta energiacom comprimentos de onda muito curtos e, portanto, frequência muito alta. Como os raios gama são em substância apenas fótons de alta energia, eles são matéria muito penetrante e, portanto, biologicamente perigosos. Os raios gama podem viajar milhares de pés no ar e podem facilmente passar pelo corpo humano. Os raios gama são emitidos por núcleos instáveis em sua transição de um estado de alta energia para um estado mais baixo conhecido como decaimento gama. Na maioria das fontes práticas de laboratório, os estados nucleares excitados são criados no decaimento de um radionuclídeo pai, portanto, um decaimento gama normalmenteacompanha outras formas de decaimento , como o decaimento alfa ou beta. A radiação e também os raios gama estão à nossa volta. Dentro, ao redor e acima do mundo em que vivemos. É uma parte do nosso mundo natural que está aqui desde o nascimento do nosso planeta. As fontes naturais de raios gama na Terra são, entre outros, raios gama de radionuclídeos que ocorrem naturalmente, particularmente o potássio-40. O potássio-40 é um isótopo radioativo de potássio que tem uma meia-vida muito longa de 1.251 × 10 ⁹ anos (comparável à idade da Terra). Este isótopo pode ser encontrado no solo, água também na carne e banana. Este não é o único exemplo de fonte natural de raios gama.

Veja também: Descoberta de raios gama

Características dos Raios Gama / Radiação

Os principais recursos dos raios gama estão resumidos nos seguintes pontos:

• Os raios gama são fótons de alta energia (cerca de 10.000 vezes mais energia que os fótons visíveis), os mesmos fótons que os fótons que formam a faixa visível do espectro eletromagnético – a luz.
• Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.
• Os raios gama ionizam a matéria principalmente via ionização indireta .
• Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.
  • Efeito fotoelétrico
  • Efeito Compton
  • Produção de pares
• Os raios gama viajam na velocidade da luz e podem viajar milhares de metros no ar antes de gastar sua energia.
• Como a radiação gama é uma matéria muito penetrante, ela deve ser protegida por materiais muito densos, como chumbo ou urânio.
• A distinção entre raios X e raios gama não é tão simples e mudou nas últimas décadas. De acordo com a definição atualmente válida, os raios X são emitidos por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo .
• Os raios gama frequentemente acompanham a emissão de radiação alfa e beta .

Efeito fotoelétrico

• O efeito fotoelétrico domina com baixas energias dos raios gama .
• O efeito fotoelétrico leva à emissão de fotoelétrons da matéria quando a luz ( fótons ) brilha sobre eles.
• A energia máxima que um elétron pode receber em qualquer interação é hν .
• Os elétrons são emitidos apenas pelo efeito fotoelétrico se o fóton atingir ou exceder um limiar de energia .
• Um elétron livre (por exemplo, da nuvem atômica) não pode absorver toda a energia do fóton incidente. Isso é resultado da necessidade de economizar impulso e energia.
• A seção transversal para a emissão de n = 1 fotoelétrons (casca K) é maior que a dos n = 2 fotoelétrons (casca L). Isso é resultado da necessidade de economizar impulso e energia.

Veja também: Albert Einstein e o efeito fotoelétrico

Definição de efeito fotoelétrico

No efeito fotoelétrico, um fóton sofre uma interação com um elétron que está ligado em um átomo. Nesta interação, o fóton incidente desaparece completamente e um fotoelétron energético é ejetado pelo átomo de uma de suas conchas ligadas . A energia cinética do fotoelétron ejetado (E _e ) é igual à energia incidente do fóton (hν) menos a energia de ligação do fotoelétron em seu invólucro original (E _b ).

E _e = hν-E _b

Portanto, os fotoelétrons são emitidos apenas pelo efeito fotoelétrico se o fóton atingir ou exceder um limiar de energia – a energia de ligação do elétron – a função de trabalho do material. Para raios gama com energias superiores a centenas de keV, o fotoelétron retira a maior parte da energia incidente do fóton – hν.

Após uma interação fotoelétrica, um átomo absorvedor ionizado é criado com uma vaga em uma de suas conchas ligadas . Essa vaga será rapidamente preenchida por um elétron de uma concha com uma energia de ligação mais baixa (outras conchas) ou pela captura de um elétron livre do material. O rearranjo de elétrons de outras camadas cria outra vaga que, por sua vez, é preenchida por um elétron de uma camada de energia de ligação ainda mais baixa. Portanto, uma cascata de raios-X mais característicos também pode ser gerada. A probabilidade de emissão característica de raios-X diminui à medida que o número atômico do absorvedor diminui. Às vezes, a emissão de um elétron Auger ocorre.

Seções Cruzadas de Efeito Fotoelétrico

Em pequenos valores de energia de raios gama, o efeito fotoelétrico domina . O mecanismo também é aprimorado para materiais de alto número atômico Z. Não é simples derivar expressão analítica para a probabilidade de absorção fotoelétrica de raios gama por átomo em todas as faixas de energias de raios gama. A probabilidade de absorção fotoelétrica por unidade de massa é aproximadamente proporcional a:

τ _{(fotoelétrico)} = constante x Z ^N / E ^3.5

onde Z é o número atômico, o expoente n varia entre 4 e 5. E é a energia do fóton incidente. A proporcionalidade para potências mais altas do número atômico Z é a principal razão para o uso de materiais com alto teor de Z, como chumbo ou urânio empobrecido em escudos de raios gama.

Embora a probabilidade de absorção fotoelétrica do fóton gama diminua, em geral, com o aumento da energia do fóton, existem acentuadas descontinuidades na curva de seção transversal. Estes são chamados de “bordas de absoption”e eles correspondem às energias de ligação dos elétrons das conchas atadas dos átomos. Para fótons com a energia logo acima da borda, a energia do fóton é apenas suficiente para sofrer a interação fotoelétrica com o elétron da casca ligada, digamos K-shell. A probabilidade de tal interação está logo acima dessa borda muito maior do que a de fótons de energia ligeiramente abaixo dessa borda. Para os fótons gama abaixo dessa borda, a interação com o elétron da casca K é energeticamente impossível e, portanto, a probabilidade cai abruptamente. Essas arestas ocorrem também em energias de ligação de elétrons de outras camadas (L, M, N … ..).

Efeito Compton

Principais características do Compton Scattering

• A dispersão de Compton domina em energias intermediárias.
• É a dispersão de fótons por elétrons atômicos  
• Os fótons passam por um deslocamento de comprimento de onda chamado deslocamento de Compton.
• A energia transferida para o elétron de recuo pode variar de zero a uma grande fração da energia incidente de raios gama

Definição de dispersão de Compton

A dispersão de Compton é a dispersão inelástica ou não clássica de um fóton (que pode ser um fóton de raios X ou gama ) por uma partícula carregada, geralmente um elétron. Na dispersão de Compton, o fóton de raios gama incidente é desviado através de um ângulo Θ em relação à sua direção original. Essa deflexão resulta em uma diminuição na energia (diminuição na frequência do fóton) do fóton e é chamado de efeito Compton . O fóton transfere uma parte de sua energia para o elétron de recuo . A energia transferida para o elétron de recuo pode variar de zero a uma grande fração da energia incidente de raios gama, porque todos os ângulos de dispersão são possíveis. A dispersão de Compton foi observada por AHCompton em 1923na Universidade de Washington em St. Louis. Compton ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1927 por esse novo entendimento sobre a natureza das partículas dos fótons.

Fórmula de dispersão de Compton

A fórmula de Compton foi publicada em 1923 na Physical Review. Compton explicou que o deslocamento dos raios X é causado pelo momento de partículas dos fótons. A fórmula de dispersão de Compton é a relação matemática entre a mudança no comprimento de onda e o ângulo de dispersão dos raios-X. No caso de espalhamento de Compton, o fóton de frequência f colide com um elétron em repouso. Após a colisão, o fóton ricocheteia o elétron, liberando parte de sua energia inicial (dada pela fórmula E = hf de Planck). Enquanto o elétron ganha impulso (massa x velocidade), o fóton não pode diminuir sua velocidade . Como resultado da lei de conservação do momento, o fóton deve diminuir seu momento dado por:

Portanto, a diminuição do momento do fóton deve ser traduzida em diminuição da frequência (aumento no comprimento de onda Δ λ = λ ‘- λ ). A mudança do comprimento de onda aumentou com o ângulo de dispersão de acordo com a fórmula de Compton :

Onde

λ é o comprimento de onda inicial do fóton

λ ‘ é o comprimento de onda após a dispersão,

h é a constante de Planck = 6,626 x 10 ^-34 Js

m _e é a massa de repouso do elétron (0,511 MeV)

c é a velocidade da luz

Θ é o ângulo de dispersão.

A mudança mínima no comprimento de onda ( λ ′ – λ ) para o fóton ocorre quando Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) e é pelo menos zero. A variação máxima no comprimento de onda ( λ ′ – λ ) para o fóton ocorre quando Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). Neste caso, o fóton transfere para o elétron o máximo de momento possível. A variação máxima no comprimento de onda pode ser derivada da fórmula de Compton:

A quantidade h / m _e c é conhecida como comprimento de onda do elétron de Compton e é igual a 2,43 × 10 ⁻¹² m .

Dispersão de Compton – seções transversais

A probabilidade de espalhamento de Compton por interação com um átomo aumenta linearmente com o número atômico Z, porque depende do número de elétrons disponíveis para espalhamento no átomo alvo. A distribuição angular de fótons dispersos a partir de um único elétron livre é descrita pela fórmula de Klein-Nishina :

onde ε = E ₀ / m _e c ² e r ₀ é o “raio clássico do elétron” igual a cerca de 2,8 x 10 ^-13 cm. A fórmula fornece a probabilidade de espalhar um fóton no elemento de ângulo sólido dΩ = 2π sin Θ dΘ quando a energia incidente é E ₀ .

 

Compton Edge

Na espectrofotometria, a borda de Compton é uma característica do espectrógrafo que resulta da dispersão de Compton no cintilador ou detector. Esse recurso é devido aos fótons que sofrem dispersão de Compton com um ângulo de dispersão de 180 ° e escapam do detector. Quando um raio gama se espalha pelo detector e escapa, apenas uma fração de sua energia inicial pode ser depositada na camada sensível do detector. Depende do ângulo de dispersão do fóton, quanta energia será depositada no detector. Isso leva a um espectro de energias. A energia da borda de Compton corresponde ao fóton retroespalhado total .

Dispersão inversa de Compton

A dispersão inversa de Compton é a dispersão de fótons de baixa energia para altas energias por elétrons relativísticos. Os elétrons relativísticos podem aumentar a energia dos fótons de baixa energia em uma quantidade potencialmente enorme (até raios gama podem ser produzidos). Este fenômeno é muito importante na astrofísica.

Produção de Par Positron-Elétron

Em geral, a produção de pares é um fenômeno da natureza em que a energia é diretamente convertida em matéria . O fenômeno da produção de pares pode ser visto de duas maneiras diferentes. Uma maneira é como uma partícula e antipartícula e a outra é como uma partícula e um buraco . A primeira maneira pode ser representada pela formação de elétrons e pósitrons , a partir de um pacote de energia eletromagnética ( fóton de alta energia – raios gama ) viajando através da matéria. É uma das maneiras possíveis pelas quais os raios gama interagem com a matéria. Em altas energias, essa interação domina .

Para que ocorra a produção de pares elétron-pósitron, a energia eletromagnética do fóton deve estar acima de um limiar de energia , equivalente à massa restante de dois elétrons. A energia limiar (a massa total de repouso das partículas produzidas) para a produção de pares elétron-pósitron é igual a 1,02MeV (2 x 0,511MeV) porque a massa restante de um único elétron é equivalente a 0,511MeV de energia.

Se a energia do fóton original for maior que 1,02MeV, qualquer energia acima de 1,02MeV estará de acordo com a lei de conservação dividida entre a energia cinética de movimento das duas partículas.

A presença de um campo elétrico de um átomo pesado , como chumbo ou urânio, é essencial para satisfazer a conservação do momento e da energia . A fim de satisfazer a conservação do momento e da energia, o núcleo atômico deve receber algum momento. Portanto, uma produção de par de fótons no espaço livre não pode ocorrer .

Além disso, o pósitron é a antipartícula do elétron; portanto, quando um pósitron pára, ele interage com outro elétron, resultando na aniquilação de ambas as partículas e na conversão completa de sua massa de repouso em energia pura (de acordo com o E = mc ² fórmula) na forma de dois sentidos opostos 0,511 MeV raios gama (fotões). O fenômeno da produção de pares está, portanto, conectado à criação e destruição da matéria em uma única reação.

Produção de Par Positron-Elétron – Seção Transversal

A probabilidade de produção de pares, caracterizada pela seção transversal, é uma função muito complicada baseada na mecânica quântica . Em geral, a seção transversal aumenta aproximadamente com o quadrado do número atômico (σ _p ~ Z ² ) e aumenta com a energia do fóton, mas essa dependência é muito mais complexa.

Seção transversal da produção de pares no campo nuclear e no campo de elétrons.

Atenuação de raios gama

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 com altas energias.

Com base na definição de seção transversal de interação, pode-se derivar a dependência da intensidade dos raios gama na espessura do material absorvente. Se os raios gama monoenergéticos forem colimados em um feixe estreito e se o detector atrás do material detectar apenas os raios gama que passaram por esse material sem nenhum tipo de interação com esse material, a dependência deverá 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 decoeficiente de atenuação linear :

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

Coeficiente de atenuação linear

A atenuação da radiação gama pode ser então 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 da massa cm ² g ^-1 .

Para energias intermediárias, o espalhamento 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 pequenos valores de energia de raios gama ou em altos valores 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 ~ Z ² ), o o coeficiente de atenuação μ não é uma 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:

Portanto

Portanto, 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.

Absorvedor	100 keV	200 keV	500 keV
Ar	0.000195 / cm	0.000159 / cm	0.000112 / cm
Água	0,167 / cm	0,136 / cm	0,097 / cm
Carbono	0,335 / cm	0,274 / cm	0.196 / cm
Alumínio	0.435 / cm	0,324 / cm	0,227 / cm
Ferro	2,72 / cm	1.09 / cm	0.655 / cm
Cobre	3.8 / cm	1,309 / cm	0,73 / cm
Conduzir	59,7 / cm	10,15 / cm	1,64 / cm

Camadas de metade do valor

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. Com meia camada de valor, é fácil realizar cálculos simples.
Fonte: www.nde-ed.org

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

Absorvedor	100 keV	200 keV	500 keV
Ar	3555 cm	4359 cm	6189 cm
Água	4,15 cm	5.1 cm	7.15 cm
Carbono	2,07 cm	2,53 cm	3.54 cm
Alumínio	1,59 cm	2,14 cm	3.05 cm
Ferro	0,26 cm	0,64 cm	1.06 cm
Cobre	0,18 cm	0,53 cm	0,95 cm
Conduzir	0.012 cm	0.068 cm	0,42 cm

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.

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).

Um nêutron é uma das partículas subatômicas que compõem a matéria. No universo, os nêutrons são abundantes, constituindo mais da metade de toda a matéria visível. Não possui carga elétrica e uma massa de repouso igual a 1,67493 × 10-27 kg – marginalmente maior que a do próton, mas quase 1839 vezes maior que a do elétron. O nêutron tem um raio quadrado médio de cerca de 0,8 × 10-15 m, ou 0,8 fm, e é um férmion de spin-½.

Os nêutrons existem nos núcleos dos átomos típicos, juntamente com seus equivalentes carregados positivamente, os prótons. Nêutrons e prótons, comumente chamados de núcleons , estão ligados no núcleo atômico, onde são responsáveis ​​por 99,9% da massa do átomo. Pesquisas em física de partículas de alta energia no século 20 revelaram que nem o nêutron nem o próton não são o menor bloco de construção da matéria. Prótons e nêutrons também têm sua estrutura. Dentro dos prótons e nêutrons, encontramos verdadeiras partículas elementares chamadas quarks . Dentro do núcleo, prótons e nêutrons são ligados através da força forte, uma interação fundamental que governa o comportamento dos quarks que compõem os prótons e nêutrons individuais.

Uma estabilidade nuclear é determinada pela competição entre duas interações fundamentais. Prótons e nêutrons são atraídos um ao outro por força forte. Por outro lado, os prótons se repelem através da força elétrica devido à sua carga positiva. Portanto, os nêutrons no núcleo agem de maneira semelhante à cola nuclear, os nêutrons se atraem e os prótons, o que ajuda a compensar a repulsão elétrica entre os prótons. Existem apenas certas combinações de nêutrons e prótons, que formam núcleos estáveis. Por exemplo, o nuclídeo mais comum do elemento químico comum (Pb) possui 82 prótons e 126 nêutrons.

Devido à força da força nuclear a curtas distâncias , a energia de ligação nuclear (a energia necessária para desmontar um núcleo de um átomo em suas partes componentes) dos nucleons é mais de sete ordens de grandeza maior que os elétrons de ligação da energia eletromagnética nos átomos . As reações nucleares (como a fissão nuclear ou a fusão nuclear ) têm, portanto, uma densidade de energia superior a 10 000 000x a das reações químicas.
O conhecimento do comportamento e das propriedades dos nêutrons é essencial para a produção de energia nuclear . Logo após a descoberta do nêutron em 1932, percebeu-se rapidamente que os nêutrons poderiam agir para formar uma reação em cadeia nuclear . Quando a fissão nuclear foi descoberta em 1938, ficou claro que, se uma reação de fissão produzisse nêutrons livres , cada um desses nêutrons poderia causar uma reação de fissão adicional em uma cascata conhecida como reação em cadeia . O conhecimento das seções transversais (o parâmetro principal que representa a probabilidade de interação entre um nêutron e um núcleo) tornou-se crucial para o design de núcleos de reatores e a primeira arma nuclear (Trinity, 1945).

Estrutura do nêutron

Nêutrons e prótons são classificados como hádrons , partículas subatômicas sujeitas à força forte e como bárions, pois são compostos por três quarks . O nêutron é uma partícula composta feita de dois quarks descendentes com carga −e e um quark up com carga + ⅔ e. Como o nêutron não possui carga elétrica líquida , ele não é afetado pelas forças elétricas, mas o nêutron possui uma pequena distribuição de carga elétrica dentro dele. Isso resulta em um momento magnético diferente de zero (momento dipolar) do nêutron. Portanto, o nêutron interage também via interação eletromagnética, mas muito mais fraco que o próton.

A massa do nêutron é 939.565 MeV / c ² , enquanto a massa dos três quarks é de apenas 12 MeV / c ² (apenas cerca de 1% da energia de massa do nêutron). Como o próton, a maior parte da massa (energia) do nêutron está na forma da energia da força nuclear forte (glúons). Os quarks do nêutron são mantidos juntos por glúons, as partículas de troca pela forte força nuclear. Os glúons carregam a carga colorida da força nuclear forte.

Veja também: Estrutura do nêutron

Propriedades do nêutron

As principais propriedades dos nêutrons estão resumidas abaixo:

• Raio médio quadrático de um neutrão é ~ 0,8 x 10 ^-15 M (0,8 Fermi)
• A massa do nêutron é 939.565 MeV / c ²
• Nêutrons são ½ partículas de spin – estatísticas fermiônicas
• Nêutrons são partículas neutras – sem carga elétrica líquida.
• Nêutrons têm momento magnético diferente de zero .
• Os nêutrons livres (fora de um núcleo) são instáveis ​​e decaem por decaimento beta. O decaimento do nêutron envolve a interação fraca e está associado a uma transformação de quarks (um quark down é convertido em um quark up).
• A vida útil média de um nêutron livre é de 882 segundos (isto é, a meia-vida é de 611 segundos).
• Um fundo natural de nêutrons de nêutrons livres existe em toda parte da Terra e é causado por múons produzidos na atmosfera, onde raios cósmicos de alta energia colidem com partículas da atmosfera da Terra.
• Nêutrons não podem causar ionização diretamente . Os nêutrons ionizam a matéria apenas indiretamente.
• Os nêutrons podem viajar centenas de pés no ar sem nenhuma interação. A radiação de nêutrons é altamente penetrante .
• Nêutrons desencadeiam a fissão nuclear .
• O processo de fissão produz nêutrons livres (2 ou 3).
• Nêutrons térmicos ou frios têm comprimentos de onda semelhantes aos espaçamentos atômicos. Eles podem ser usados ​​em experimentos de difração de nêutrons para determinar a estrutura atômica e / ou magnética de um material.

Veja também: Propriedades do nêutron

Detecção de nêutrons

Como os nêutrons são partículas eletricamente neutras,  elas estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Conversores de nêutrons

Dois tipos básicos de interações de nêutrons com a matéria estão disponíveis para esse fim:

• Espalhamento elástico . O nêutron livre pode ser espalhado por um núcleo, transferindo parte de sua energia cinética para o núcleo. Se o nêutron tiver energia suficiente para dispersar os núcleos, o núcleo de recuo ioniza o material ao redor do conversor. De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. A carga produzida dessa maneira pode ser coletada pelo detector convencional para produzir um sinal detectado. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos (os nêutrons rápidos não possuem alta seção transversal para absorção), permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador .
• Absorção de nêutrons . Este é um método comum que permite a detecção de nêutrons de todo o espectro de energia . Este método baseia-se em várias reações de absorção ( captura radiativa , fissão nuclear , reações de rearranjo, etc.). O nêutron é aqui absorvido pelo material alvo (conversor) que emite partículas secundárias , como prótons, partículas alfa , partículas beta , fótons (raios gama) ou fragmentos de fissão . Algumas reações são reações limiares (exigindo uma energia mínima de nêutrons), mas a maioria das reações ocorre nas energias epitérmica e térmica. Isso significa que a moderação dos nêutrons rápidos é necessária, levando a informações de energia insuficiente dos nêutrons. Os núcleos mais comuns para o material conversor de nêutrons são:
  • ¹⁰ B (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 3820 celeiros e o boro naturalpossui abundância de ¹⁰ B 19,8%.
  • ³ Ele (n, p). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 5350 celeiros e o hélio natural possui abundância de ³ He 0,014%.
  • ⁶ Li (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 925 celeiros e o lítio natural tem abundância de ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 20820 celeiros e o cádmio naturaltem abundância de ¹¹³ Cd 12,2%.
  • ²³⁵ U (n, fissão). Onde a seção de fissão para nêutrons térmicos é σ = 585 celeiros e o urânio naturaltem abundância de ²³⁵ U 0,711%. O urânio como conversor produz fragmentos de fissão que são partículas carregadas pesadas. Isso tem uma vantagem significativa. As partículas carregadas pesadas (fragmentos de fissão) criam um sinal de saída alto, porque os fragmentos depositam uma grande quantidade de energia em um volume sensível ao detector. Isso permite uma discriminação fácil da radiação de fundo (radiação ei gama). Essa característica importante pode ser usada, por exemplo, namedição de potência deum reator nuclear , em que o campo de nêutrons é acompanhado por um fundo gama significativo.

Veja também: Detecção de nêutrons

Fontes de nêutrons

Uma fonte de nêutrons é qualquer dispositivo que emita nêutrons . As fontes de nêutrons têm muitas aplicações, elas podem ser usadas em pesquisa, engenharia, medicina, exploração de petróleo, biologia, química e energia nuclear . Uma fonte de nêutrons é caracterizada por vários fatores:

• Significado da fonte
• Intensidade. A taxa de nêutrons emitida pela fonte.
• Distribuição de energia de nêutrons emitidos.
• Distribuição angular de nêutrons emitidos.
• Modo de emissão. Operação contínua ou pulsada.

Classificação por significância da fonte

• Fontes de nêutrons grandes (significativas)
  • Reatores nucleares . Existem núcleos que podem sofrer fissão por conta própria espontaneamente, mas apenas certos núcleos, como o urânio 235, o urânio 233 e o plutônio 239, podem sustentar uma reação em cadeia da fissão. Isso ocorre porque esses núcleos liberam nêutrons quando se separam e podem induzir a fissão de outros núcleos. Urânio-235, que existe como 0,7% do urânio natural, sofre fissão nuclearcom nêutrons térmicos com produção média de 2,4 nêutrons rápidos e liberação de ~ 180 MeV de energia por fissão. Os nêutrons livres liberados por cada fissão desempenham um papel muito importante como desencadeador da reação, mas também podem ser usados ​​para outro propósito. Por exemplo: Um nêutron é necessário para desencadear uma fissão adicional. Parte dos nêutrons livres (digamos 0,5 nêutrons / fissão) é absorvida em outro material, mas um excesso de nêutrons (0,9 nêutrons / fissão) é capaz de deixar a superfície do núcleo do reator e pode ser usado como fonte de nêutrons.

• • Sistemas de fusão. A fusão nuclear  é uma reação nuclear na qual dois ou mais núcleos atômicos (por exemplo, D + T) colidem com uma energia muito alta e se fundem. Seu subproduto da fusão DT é um nêutron livre (veja a figura); portanto, também a reação de fusão nuclear tem o potencial de produzir grandes quantidades de nêutrons.
  • Fontes de Spallation. Uma fonte de fragmentação é uma fonte de nêutrons de alto fluxo, na qual prótons que foram acelerados para altas energias atingem um material alvo pesado, causando a emissão de nêutrons. A reação ocorre acima de um certo limiar de energia para a partícula incidente, que normalmente é de 5 a 15 MeV.

• Fontes médias de nêutrons
  • Bremssstrahlung de Electron Accelerators / Photofission. Os elétrons energéticos, quando desacelerados rapidamente em um alvo pesado, emitem intensa radiação gama durante o processo de desaceleração. Isso é conhecido como Bremsstrahlung ou radiação de frenagem. A interação da radiação gama com o alvo produz nêutrons via reação (γ, n) ou reação (γ, fissão) quando um alvo físsil é usado. e- → Pb → γ → Pb → (γ, n) e (γ, fissão). A energia Bremsstrahlung γ excede a energia de ligação do “último” nêutron no alvo. Uma força da fonte de 10 ¹³ nêutrons / segundo produzida em pulsos curtos (isto é, <5 μs) pode ser facilmente realizada.
  • Foco de plasme denso. O foco denso no plasma (DPF) é um dispositivo conhecido como fonte eficiente de nêutrons a partir de reações de fusão . O mecanismo do foco denso no plasma (DPF) baseia-se na fusão nuclear de plasma de curta duração de deutério e / ou trítio. Este dispositivo produz um plasma de vida curta por compressão eletromagnética e aceleração que é chamada de pitada . Este plasma é quente e denso durante a pitada o suficiente para causar a fusão nuclear e a emissão de nêutrons.
  • Aceleradores de íons de luz. Os nêutrons também podem ser produzidos por aceleradores de partículas usando alvos de deutério, trítio, lítio, berílio e outros materiais com baixo teor de Z. Nesse caso, o alvo deve ser bombardeado com núcleos acelerados de hidrogênio (H), deutério (D) ou trítio (T).

• Pequenas fontes de nêutrons
  • Geradores de nêutrons. Nêutrons são produzidos na fusão de deutério e trítio na seguinte reação exotérmica. ² D + ³ T → ⁴ He + n + 17,6 MeV . O nêutron é produzido com uma energia cinética de 14,1 MeV. Isso pode ser alcançado em pequena escala no laboratório com um modesto acelerador de 100 kV para átomos de deutério bombardeando um alvo de trítio. Fontes contínuas de nêutrons de ~ 10 ¹¹ nêutrons / segundo podem ser alcançadas de maneira relativamente simples.
  • Fonte de radioisótopos – reações (α, n). Em certos isótopos de luz, o ‘último’ nêutron no núcleo é fracamente ligado e é liberado quando o núcleo composto é formado após o decaimento do bombardeio de partículas α. O bombardeio de berílio por partículas α leva à produção de nêutrons pela seguinte reação exotérmica:  ⁴ He + ⁹ Be → ¹² C + n + 5,7 MeV. Essa reação produz uma fonte fraca de nêutrons com um espectro de energia semelhante ao de uma fonte de fissão e é usada atualmente em fontes portáteis de nêutrons.  O rádio, o plutônio ou o amerício podem ser usados ​​como um emissor α.
  • Fonte de radioisótopos – reações (γ, n). As reações (γ, n) também podem ser usadas para a mesma finalidade. Nesse tipo de fonte, devido ao maior alcance do raio γ, os dois componentes físicos da fonte podem ser separados, possibilitando ‘desligar’ a reação, se necessário, removendo a fonte radioativa do berílio. As fontes (γ, n) produzem nêutrons monoenergéticos, ao contrário das fontes (α, n). A fonte (γ, n) utiliza o antimônio-124 como emissor gama na seguinte reação endotérmica.

¹²⁴ Sb → ¹²⁴ Te + β− + γ

γ + ⁹ Be → ⁸ Be + n – 1,66 MeV

Fonte de radioisótopos – fissão espontânea . Certos isótopos sofrem fissão espontânea com emissão de nêutrons. A fonte de fissão espontânea mais comumente usada é o isótopo radioativo californium-252 . Cf-252 e todas as outras fontes de nêutrons de fissão espontânea são produzidas por irradiação de urânio ou outro elemento transurânico em um reator nuclear, onde os nêutrons são absorvidos no material de partida e em seus produtos de reação subsequentes, transmutando o material de partida no isótopo SF.

A dosimetria alfa  é muito específica, porque as partículas alfa viajam apenas alguns centímetros no ar, mas depositam todas as suas energias ao longo de seus caminhos curtos, portanto, a quantidade de energia transferida é muito alta. As partículas alfa e beta, em geral, não representam risco de exposição externa, porque as partículas geralmente não passam pela pele. Por outro lado, a radiação alfa é muito prejudicial quando os radionuclídeos alfa são ingeridos ou inalados. A exposição interna  é mais perigosa do que a exposição externa, pois estamos carregando a fonte de radiação dentro de nossos corpos e não podemos usar nenhum dos  princípios de proteção contra radiação  (tempo, distância, blindagem).

Estudos demonstraram que a radiação alfa e nêutron causa maior dano biológico para uma dada deposição de energia por kg de tecido do que a radiação gama. Foi descoberto que os efeitos biológicos de qualquer radiação  aumentam  com a  transferência linear de energia  (LET). Em suma, o dano biológico da radiação de  alta LET  ( partículas alfa ,  prótons  ou  nêutrons ) é muito maior do que o da radiação de  baixa LET  ( raios gama) Isso ocorre porque o tecido vivo pode reparar mais facilmente os danos causados ​​pela radiação que se espalha por uma área grande do que aquela que está concentrada em uma área pequena. Como mais danos biológicos são causados ​​pela mesma dose física (ou seja, a mesma energia depositada por unidade de massa de tecido), um cinza da radiação alfa ou nêutron é mais prejudicial do que um cinza da radiação gama. Este fato de que radiações de diferentes tipos (e energias) produzem efeitos biológicos diferentes para a mesma dose absorvida é descrito em termos de fatores conhecidos como  efetividade biológica relativa  (RBE) e  fator de ponderação de radiação  (w _R ).

Fatores de ponderação por radiação – ICRP

Para radiação de fóton e elétron, o  fator de ponderação de radiação tem o valor 1 independentemente da energia da radiação e para a radiação alfa o valor 20. Para a radiação de nêutrons, o valor depende da energia e atinge de 5 a 20.

Em 2007, o ICRP publicou um  novo conjunto de fatores de ponderação de radiação (ICRP Publ. 103: As Recomendações de 2007 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica). Esses fatores são apresentados abaixo.

Como mostrado na tabela, aw _R  de 1 é para todas as radiações de baixa LET, ou seja, raios X e raios gama de todas as energias, bem como elétrons e múons. Uma curva suave, considerada uma aproximação, foi ajustada aos w _R valores como uma função da energia incidente de neutrões. Observe que E _n  é a energia de nêutrons em MeV.

Assim, por exemplo, uma dose absorvida de 1 Gy por partículas alfa levará a uma dose equivalente a 20 Sv, e estima-se que uma dose equivalente de radiação tenha o mesmo efeito biológico que uma quantidade igual de dose absorvida de raios gama, que é dado um fator de ponderação de 1.

Detectores de radiação alfa

Os detectores também podem ser classificados de acordo com materiais e métodos sensíveis que podem ser utilizados para fazer uma medição:

• Detectores de ionização gasosa
• Detectores de cintilação
• Detectores de semicondutores

Detecção de radiação alfa usando câmara de ionização

Para que as partículas alfa e beta sejam detectadas pelas câmaras de ionização , elas devem ter uma janela fina . Essa “janela final” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ² . Mas isso não significa que a radiação alfa não possa ser detectada por uma câmara de ionização.

Por exemplo, em alguns tipos de detectores de fumaça, você pode encontrar radionuclídeos artificiais, como o americium-241, que é uma fonte de partículas alfa. O detector de fumaça possui duas câmaras de ionização, uma aberta ao ar e uma câmara de referência que não permite a entrada de partículas. A fonte radioativa emite partículas alfa em ambas as câmaras, que ionizam algumas moléculas de ar. A câmara de ar livre permite a entrada de partículas de fumaça no volume sensível e altera a atenuação das partículas alfa. Se alguma partícula de fumaça entrar na câmara de ar livre, alguns dos íons se fixarão nas partículas e não estarão disponíveis para transportar a corrente nessa câmara. Um circuito eletrônico detecta que uma diferença de corrente se desenvolveu entre as câmaras abertas e seladas e soa o alarme.

Detecção de radiação alfa usando o contador Geiger-Mueller

Os contadores Geiger são usados ​​principalmente para instrumentação portátil devido à sua sensibilidade, circuito de contagem simples e capacidade de detectar radiação de baixo nível. Embora o uso principal dos contadores Geiger seja provavelmente na detecção individual de partículas, eles também são encontrados em medidores gama. Eles são capazes de detectar quase todos os tipos de radiação, mas há pequenas diferenças no tubo Geiger-Mueller. No entanto, o tubo Geiger-Müller produz uma saída de pulso que é da mesma magnitude para toda a radiação detectada; portanto, um contador Geiger com um tubo na janela final não consegue distinguir entre partículas alfa e beta.

Tipo de janela final

Para que partículas alfa e beta sejam detectadas pelos contadores Geiger , elas devem ser fornecidas com uma janela fina. Essa “janela final” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ² para permitir que partículas beta de baixa energia (por exemplo, do carbono 14) entrem no detector. A redução de eficiência para alfa é devida ao efeito de atenuação da janela final, embora a distância da superfície verificada também tenha um efeito significativo, e idealmente uma fonte de radiação alfa deve estar a menos de 10 mm do detector devido à atenuação no ar.

Detecção de Alfa usando Contador de Cintilação

Os contadores de cintilação são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar radiação alfa, beta e gama. Eles podem ser usados ​​também para a detecção de nêutrons. Para esses fins, diferentes cintiladores são usados:

Partículas Alfa e Íons Pesados . Devido ao alto poder ionizante dos íons pesados, os contadores de cintilação geralmente não são ideais para a detecção de íons pesados. Para energias iguais, um próton produzirá de 1/4 a 1/2 da luz de um elétron, enquanto as partículas alfa produzirão apenas cerca de 1/10 da luz. Onde necessário, cristais inorgânicos, por exemplo, CsI ​​(Tl) , ZnS (Ag) (normalmente usados ​​em chapas finas como monitores de partículas α), devem ser preferidos aos materiais orgânicos. O CsI puro é um material cintilante rápido e denso com rendimento de luz relativamente baixo que aumenta significativamente com o resfriamento. As desvantagens de CsI são um gradiente de alta temperatura e uma ligeira higroscopicidade.

Detecção de Alpha usando Semicondutores – Detectores de Tira de Silicone

Os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas. Um detector de tira de silício é um arranjo de implantes em forma de tira que atuam como eletrodos coletores de carga.

Detectores de fita de silicone 5 x 5 cm ²na área são bastante comuns e são usadas em série (assim como os planos de MWPCs) para determinar as trajetórias de partículas carregadas com precisão de posição da ordem de vários μm na direção transversal. Colocados em uma bolacha de silício com baixa dopagem e totalmente empobrecida, esses implantes formam uma matriz unidimensional de diodos. Ao conectar cada uma das tiras metalizadas a um amplificador sensível à carga, é construído um detector sensível à posição. É possível obter medições de posição bidimensional aplicando uma faixa adicional, como doping na parte traseira da bolacha, usando uma tecnologia de dupla face. Esses dispositivos podem ser usados ​​para medir pequenos parâmetros de impacto e, assim, determinar se alguma partícula carregada se originou de uma colisão primária ou foi o produto de decomposição de uma partícula primária que percorreu uma pequena distância da interação original e depois se deteriorou.

Portable Survey Meter

Os medidores portáteis de pesquisa  são  detectores de radiação  usados ​​por técnicos em radiologia para medir  a taxa de dose ambiente . Esses instrumentos portáteis geralmente possuem medidores de taxa. Em instalações nucleares, esses  medidores portáteis de inspeção  são normalmente usados ​​por técnicos de proteção contra radiação, responsáveis ​​por seguir as operações em campo para ajudar a garantir que as políticas de proteção contra radiação sejam executadas e que os trabalhos sejam implementados de acordo com o  princípio ALARA . Suas responsabilidades incluem:

• Prestar assistência e aconselhamento aos trabalhadores para motivá-los a adotar um comportamento ALARA.
• Trabalhos a seguir para garantir o respeito aos procedimentos de segurança e proteção contra radiação.
• Em algumas plantas, interromper o trabalho em caso de desvio grave dos objetivos dosimétricos ou quando houver um risco radiológico significativamente crescente para os trabalhadores.

O medidor típico de pesquisa de radiação é, por exemplo, o  RDS-31 , que é um medidor de pesquisa de radiação multiuso que utiliza um  detector GM . Possui sondas externas alfa, beta e gama opcionais. Ele mede 3,9 x 2,6 x 1,3 polegadas e pode ser portátil ou usado pelo bolso, clipe para cinto ou bolsa. Possui um display LCD de cinco dígitos com luz de fundo. Os contadores Geiger operam em uma tensão tão alta que o tamanho do pulso de saída é sempre o mesmo, independentemente de quantos pares de íons foram criados no detector. Os contadores Geiger são usados ​​principalmente para  instrumentação portátil  devido à sua sensibilidade, circuito de contagem simples e capacidade de detectar radiação de baixo nível.

Descrição Beta Particles

As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos fragmentos de fissão ou por certos núcleos radioativos primordiais, como o potássio-40. As partículas beta são uma forma de radiação ionizante também conhecida como raios beta. A produção de partículas beta é denominada decaimento beta . Existem duas formas de decaimento beta, o decaimento de elétrons (decaimento β) e o decaimento de pósitrons (β + decaimento) . Em um reator nuclear, ocorre especialmente o decaimento β, porque a característica comum dos produtos de fissão é um excesso de nêutrons ( consulte Estabilidade nuclear).) Um fragmento de fissão instável com excesso de nêutrons sofre β-decaimento, onde o nêutron é convertido em próton, elétron e antineutrino .

Descrição Beta Particles

As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos fragmentos de fissão ou por certos núcleos radioativos primordiais, como o potássio-40. As partículas beta são uma forma de radiação ionizante também conhecida como raios beta. A produção de partículas beta é denominada decaimento beta . Existem duas formas de decaimento beta, o decaimento de elétrons (decaimento β) e o decaimento de pósitrons (β + decaimento) . Em um reator nuclear, ocorre especialmente o decaimento β, porque a característica comum dos produtos de fissão é um excesso de nêutrons ( consulte Estabilidade nuclear).) Um fragmento de fissão instável com excesso de nêutrons sofre β-decaimento, onde o nêutron é convertido em próton, elétron e antineutrino .