O que é blindagem de radiação gama – Definição

Princípios básicos de proteção contra radiação

Na proteção contra radiação, existem três maneiras de proteger as pessoas das fontes de radiação identificadas:

• Limitando o tempo. A quantidade de exposição à radiação depende diretamente (linearmente) do tempo que as pessoas passam perto da fonte de radiação. A dose pode ser reduzida limitando o tempo de exposição .
• Distância. A quantidade de exposição à radiação depende da distância da fonte de radiação. Da mesma forma que o calor do fogo, se você estiver muito próximo, a intensidade da radiação térmica é alta e você pode se queimar. Se você estiver na distância certa, você pode suportar sem problemas e, além disso, é confortável. Se você estiver muito longe da fonte de calor, a insuficiência de calor também poderá prejudicá-lo. Essa analogia, em certo sentido, pode ser aplicada à radiação também de fontes de radiação.
• Blindagem. Finalmente, se a fonte for muito intensa e o tempo ou a distância não fornecerem proteção suficiente contra radiação, a blindagem deve ser usada. A proteção contra radiação geralmente consiste em barreiras de chumbo, concreto ou água. Existem muitos materiais que podem ser usados ​​para proteção contra radiação, mas existem muitas situações na proteção contra radiação. Depende muito do tipo de radiação a ser protegida, de sua energia e de muitos outros parâmetros. Por exemplo, até o urânio empobrecido pode ser usado como uma boa proteção contra a radiação gama, mas, por outro lado, o urânio é uma blindagem absolutamente inadequada da radiação de nêutrons .

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 .

Blindagem de radiação gama

Em resumo, a blindagem eficaz da radiação gama baseia-se na maioria dos casos no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

• alta densidade de material.
• alto número atômico de material (materiais com alto Z)

No entanto, materiais de baixa densidade e materiais de baixo Z podem ser compensados ​​com espessura aumentada, o que é tão significativo quanto a densidade e o número atômico em aplicações de blindagem.

Um chumbo é amplamente utilizado como um escudo gama. A principal vantagem da blindagem de chumbo está na sua compacidade devido à sua maior densidade. Por outro lado, o  urânio empobrecido é muito mais eficaz devido ao seu maior Z. O urânio empobrecido é usado para blindagem em fontes portáteis de raios gama.

Em usinas nucleares, a  blindagem de um núcleo de reator pode ser fornecida por materiais do vaso de pressão do reator, internos do reator ( refletor de nêutrons ). Também o concreto pesado é geralmente usado para proteger os nêutrons e a radiação gama.

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 .

Em geral, a proteção contra radiação gama é mais complexa e difícil do que a proteção contra radiação alfa ou beta . Para entender de maneira abrangente como um raio gama perde sua energia inicial, como pode ser atenuado e como pode ser protegido, precisamos ter um conhecimento detalhado dos mecanismos de interação.

Veja também mais teoria: Interação da radiação gama com a matéria

Veja também calculadora: Atividade gama para taxa de dose (com / sem proteção)

Consulte também XCOM – seção transversal do fóton DB: XCOM: banco de dados de seções transversais do fóton

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 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.

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

A camada de meio 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.

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.

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).