O que é Dosimetria de Nêutrons – Dosímetro de Nêutrons – Definição

A dosimetria de nêutrons é muito específica, uma vez que os nêutrons são partículas eletricamente neutras;  portanto, 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.).

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.

Detecção de nêutrons térmicos

Nêutrons térmicos são nêutrons em equilíbrio térmico com um meio ambiente de temperatura 290K (17 ° C ou 62 ° F). A energia mais provável a 17 ° C (62 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de 0,025 eV (~ 2 km / s). Essa parte do espectro de energia dos nêutrons constitui a parte mais importante do espectro em reatores térmicos .

Os nêutrons térmicos têm uma seção transversal de absorção de nêutrons eficaz diferente e geralmente muito maior ( fissão ou captura radiativa ) para um determinado nuclídeo do que os nêutrons rápidos.

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Nos reatores nucleares, os detectores de ionização gasosa são os mais comuns, pois são muito eficientes, confiáveis ​​e cobrem uma ampla gama de fluxos de nêutrons. Vários tipos de detectores de ionização gasosa constituem o chamado  sistema de instrumentação nuclear excore (NIS) . O sistema de instrumentação nuclear excore monitora o nível de potência do reator,  detectando vazamentos de nêutrons  do núcleo do reator.

Detecção de nêutrons usando câmara de ionização

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações  10B (n, alfa) 7Li  acompanhadas por 0,48 MeV 

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo  o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso   (BF ₃ ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os  contadores BF ₃ geralmente são operados na região proporcional.

Detecção de nêutrons rápidos

Nêutrons rápidos são nêutrons de energia cinética maiores que 1 MeV (~ 15.000 km / s). Nos reatores nucleares, esses nêutrons são geralmente chamados de nêutrons de fissão. Os nêutrons de fissão têm uma distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann com uma energia média (para fissão de 235U ) 2 MeV. Dentro de um reator nuclear, os nêutrons rápidos são reduzidos às energias térmicas através de um processo chamado moderação de nêutrons . Esses nêutrons também são produzidos por processos nucleares, como fissão nuclear ou reações (ɑ, n).

Em geral, existem muitos princípios de detecção e muitos tipos de detectores. Mas é preciso acrescentar que a detecção de nêutrons rápidos é uma disciplina muito sofisticada, pois a seção transversal dos nêutrons rápidos é muito menor do que na faixa de energia dos nêutrons lentos. Os nêutrons rápidos são frequentemente detectados pela moderação (desaceleração) das energias térmicas. No entanto, durante esse processo, as informações sobre a energia original do nêutron, sua direção de viagem e o tempo de emissão são perdidas.

Recoil de prótons – detectores de recuo

O tipo mais importante de detectores para nêutrons rápidos são aqueles que detectam diretamente partículas de recolhimento , em particular prótons de recolhimento resultantes da dispersão elástica (n, p). De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. Neste último caso, as partículas de recuo são detectadas em um detector. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos, permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador . Este método permite que a energia do nêutron seja medida juntamente com a fluência do nêutron, ou seja, o detector pode ser usado como um espectrômetro. Os detectores rápidos de nêutrons típicos são cintiladores líquidos, detectores de gás nobre à base de hélio-4 e detectores de plástico (cintiladores). Por exemplo, o plástico tem um alto teor de hidrogênio, portanto, é útil para detectores rápidos de nêutrons , quando usado como cintilador.

Espectrômetro de esferas Bonner

Existem vários métodos para detectar nêutrons lentos e poucos métodos para detectar nêutrons rápidos. Portanto, uma técnica para medir nêutrons rápidos é convertê-los em
nêutrons lentos e depois medir os nêutrons lentos. Um dos métodos possíveis é baseado nas esferas de Bonner . O método foi descrito pela primeira vez em 1960 por Ewing e Tom W. Bonner e emprega detectores térmicos de nêutrons (geralmente cintiladores inorgânicos como o ⁶ LiI) embutidos em esferas moderadoras de tamanhos diferentes.  As esferas de Bonner têm sido amplamente utilizadas para a medição de espectros de nêutrons com energias de nêutrons variando de térmicas a pelo menos 20 MeV. Um espectrômetro de nêutrons de esfera Bonner (BSS) consiste em um detector de nêutrons térmicos, um conjunto de invólucros esféricos de polietilenoe duas cascas de chumbo opcionais de vários tamanhos. Para detectar nêutrons térmicos, um detector de ³ He ou cintiladores inorgânicos como ⁶ LiI podem ser usados. Os cintiladores LiGlass são muito populares na detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Detecção de nêutrons usando o 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.

• 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 de serem 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.).  Os nêutrons rápidos  (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo,  cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos  dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos. A vantagem dos cintiladores 6LiGlass é a estabilidade e a grande variedade de tamanhos.

Dosímetro Termoluminescente de Nêutrons – TLD de Nêutrons

A  dosimetria de nêutrons de pessoal  continua sendo um dos problemas no campo da proteção contra radiação, pois nenhum método isolado fornece a combinação de resposta de energia, sensibilidade, características de dependência de orientação e precisão necessárias para atender às necessidades de um dosímetro de pessoal.

Os dosímetros pessoais de nêutrons mais utilizados para fins de proteção contra radiação são os  dosímetros termoluminescentes  e os  albedo . Ambos são baseados neste fenômeno –  termoluminescência . Para esse fim, o fluoreto de lítio ( LiF ) como material sensível (chip) é amplamente utilizado. TLD de fluoreto de lítio é usado para exposição a gama e nêutrons (indiretamente, usando a reação nuclear Li-6 (n, alfa)). Pequenos cristais de LiF (fluoreto de lítio) são os dosímetros de DPN mais comuns, pois possuem as mesmas propriedades de absorção dos tecidos moles. O lítio possui dois isótopos estáveis, lítio-6 (7,4%) e lítio-7 (92,6%). Li-6 é o isótopo sensível aos nêutrons. Para registrar nêutrons, os dosímetros de cristal LiF podem ser enriquecidos em lítio-6 para melhorar a reação nuclear de lítio-6 (n, alfa). A eficiência do detector depende da  energia dos nêutrons. Como a interação dos nêutrons com qualquer elemento é altamente dependente da energia, é muito difícil tornar um dosímetro independente da energia dos nêutrons. Para separar nêutrons térmicos e fótons, os dosímetros de LiF são mais utilizados, contendo diferentes porcentagens de lítio-6. Chip LiF enriquecido em lítio-6, que é muito sensível aos nêutrons térmicos e chip LiF contendo muito pouco de lítio-6, que tem uma resposta desprezível a nêutrons.

O princípio dos TLDs de nêutrons é então semelhante ao dos TLDs de radiação gama. No chip LiF, existem impurezas (por exemplo, manganês ou magnésio), que produzem estados de armadilha para elétrons energéticos. A impureza causa armadilhas na rede cristalina onde, após a irradiação (à radiação alfa), os elétrons são mantidos. Quando o cristal é aquecido, os elétrons presos são liberados e a luz é emitida. A quantidade de luz está relacionada à dose de radiação recebida pelo cristal.

Dosímetro termoluminescente de nêutrons de Albedo

A dosimetria de nêutrons de Albedo  baseia-se no efeito da moderação e retroespalhamento dos nêutrons pelo corpo humano. Albedo, a palavra latina para “brancura”, foi definida por Lambert como a fração da luz incidente refletida difusamente por uma superfície. A moderação e a retroespalhamento de nêutrons pelo corpo humano cria um fluxo de nêutrons na superfície do corpo na faixa de energia térmica e intermediária. Esses nêutrons retroespalhados, chamados nêutrons  albedo , podem ser detectados por um dosímetro (geralmente um  chip LiF TLD ), colocado no corpo, projetado para  detectar nêutrons térmicos . Dosímetros de Albedo Verificou-se que são os únicos dosímetros que podem medir doses devido a nêutrons em toda a gama de energias. Normalmente, dois tipos de fluoreto de lítio são usados ​​para separar doses contribuídas por raios gama e nêutrons. Chip LiF enriquecido em lítio-6, que é muito sensível a nêutrons térmicos e chip LiF contendo muito pouco de lítio-6, que tem uma resposta desprezível a nêutrons.