RAIOS GAMA – PRINCÍPIOS FÍSICOS E
INSTRUMENTOS
Prof. Emery Lins
Curso Eng. Biomédica
Geração de Raios Gama
Geração de Raios-x
Geração de Raios gama
• Raios-γ são as radiações eletromagnéticas de mais alta energia
(acima de 120 KeV) originadas de transições eletrônicas e
efeitos relativísticos de partículas altamente energéticas.
• Devido à sua característica, os raios gama-γ tem um alto poder
de penetração nos tecidos biomédicos.
• São aplicados em tratamentos de tumores e sistemas de
imagens médicas (PET)
• Os raios-γ podem ser produzidos de formas semelhantes aos
raios-x (Bremsstrahlung, radiação característica e efeito
compton)
Bremsstrahlung
Diâmetro do átomo ≈ 10
-10
m
-14
m
Diâmetro do núcleo ≈ 10
Razão volumétrica ≈ 1:10
12
Raio gama característico
Efeito Comptom
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear
• É o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e
formam um outro núcleo de maior número atômico.
• A fusão nuclear requer alta energia para acontecer, e
geralmente libera ainda mais energia que consome.
• Fusões de elementos mais leves que o ferro e o níquel (que são
os núcleos mais estáveis) liberam energia; com elementos mais
pesados há consumo.
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio)
• Devido às altas temperaturas dentro de uma estrela, tanto o hidrogênio,
quanto o Hélio existem em uma forma totalmente ionizada, isto é sem, os
seus elétrons orbitantes.
• Como o combustível principal de uma estrela é o hidrogênio, deve existir um
processo anterior de produção de Nêutrons.
• A criação de nêutrons ocorre inicialmente pela colisão entre dois prótons. O
resultado é um novo núcleo formado por um próton e um nêutron chamado
de deutério (²H).
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio)
• Pela conservação das cargas uma partícula com a carga positiva faltante
deve ter sido criada.
• Pela conservação das massas há uma diferença de massas entre os dois
lados da equação. A conclusão é que um pósitron também precisa estar na
equação, de forma que:
•
Este seria o processo esperado para a criação de nêutrons a partir de
prótons
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio)
• Pela conservação de energias e do momento do sistema, uma nova
partícula, sem massa, mas com energia e momento, deve ser adicionada.
Essa partícula é nominada neutrino:
• Nesta reação os neutrinos podem carregar energias de até 0.42 MeV (raios
gama)
• Outro processo importante é a aniquilação do pósitron seguido da emissão
de raios gama
Geração de Raios gama
Fusão Nuclear - Interação próton-próton (Hidrogênio - Hélio)
• O resultado final da reação é:
Geração de Raios gama
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo
• É a desintegração de um núcleo através da emissão de
energia em forma de radiação.
• A radiação pode se propagar por meio de partículas
(radiação corpuscular) ou por meio de ondas (radiação
eletromagnética).
• A quantidade de material radioativo, expressa em número
de átomos radioativos decaindo por segundo é chamada
Atividade (A) e a unidade é o Curie (Ci).
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo
• 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações por segundo (dps).
• 1 dps = 1Bequerel (Bq)
• Em medicina nuclear a ordem de grandeza praticada é o
mCi.
• 1 mCi = 37 MBq.
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo constante
• O decaimento é um processo aleatório. É impossível
determinar quais átomos de uma molécula estaram sofrendo o
decaimento radioativo em um instante de tempo t.
• Porém, a observação científica revela que a taxa de átomos
decaindo (A) é proporcional ao número de átomos instáveis. A
proporcionalidade é substituida pela igualdade considerando
uma constante λ (constante de decaimento)
- dN/dt = Nλ
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo constante
• O sinal negativo revela que a taxa diminui ao longo do tempo.
• Como resultado temos:
N = N0 e-λt
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo constante
• O tempo de meia-vida é o tempo para a concentração de
partículas instáveis reduzir à metade
• Como resultado temos:
λ = ln2/(T1/2) = 0.693/(T1/2)
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo α
• Decaimento espontâneo onde há emissão de um núcleo de
Hélio (2 prótons + 2 nêutrons).
•
A X
Z
= (A-4)(Z-2)Y + 42He+2 + energia
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo β- (negatron)
• Decaimento espontâneo onde há emissão de um partícula
similar ao elétron. Ocorre quando o núcleo possui o número de
nêutros muito maior que o de prótons.
• Há emissão de antineutrinos, partículas subatômicas , com
carga elétrica neutra e massa infinitesimal.
•
A X
Z
= A(Z+1)Y + β- + ν’ + energia
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo β+ (positron)
• Decaimento espontâneo onde há emissão de um partícula
oposta ao elétron (elétron com carga positiva). Ocorre quando
o núcleo possui o número de nêutros muito menor que o de
prótons.
• Há emissão de neutrinos, partículas subatômicas , com carga
elétrica neutra e massa infinitesimal.
•
A X
Z
= A(Z-1)Y + β+ + ν + energia
Geração de Raios gama
Decaimento radioativo por captura de elétron
• Decaimento não-espontâneo onde o núcleo captura um
elétron da camada mais próximo (K ou L), convertendo um
próton em um nêutron e emitindo um neutrino.
•
A X
Z
+ e- = A(Z-1)Y + ν + energia
Geração de Raios gama
Transação isomérica
• Decaimento espontâneo sem emissão de radiação α ou β, só
gama.
• Um átomo é convertido em um átomo-filho, em um estado
excitado. A emissão de radiação gama estabiliza o átomo.
•
Am X
Z
= AZX + energia
Geração de Raios gama
Esquemas de Decaimento radioativo
A X
Z
(alta energia)
Captura de
Elétron
estado excitado
A
(Z-1)Y*
A
(Z-1)Y
β+
A
(Z-1)Y
Isomérica
Geração de Raios gama
Geração de Raios gama
Geração de Raios gama
Raio-γ Ciclotron e Síncrotron
• Partículas carregadas são freadas (aceleradas) a passar por
um campo magnético intenso
• A partícula descreve trajetória em aspiral e emite radiação
continuamente
Geração de Raios gama
Raio-γ Ciclotron e Sincontron
• Partículas são aceleradas artificialmente por campos
magnéticos de alta intensidade dentro de um sistema de
aceleração de partículas
• Só podem ser obtidos artificialmente ou na natureza em
campos magnéticos estelares
Geração de Raios gama
Raio-γ Sincontron
• A emissão de radiação gama ocorre quando as partículas
carregadas e aceleradas são desaceleradas pelos campos
magnéticos para estabilizar o núcleo
Geração de Raios gama
Geração de Raios gama
Geração e aniquilação de pares
• A geração de pares (1 elétron e 1 pósitron) ocorre quando
um fóton altamente energético atinge a vizinhança do
núcleo
• A energia do fóton deve ser maior que a energia de
repouso do elétron (E = mc2 = 1,022 MeV)
• A energia do fóton excedente à massa de repouso é
convertida em energia cinética das partículas devido à
conservação da energia e do momento
Geração de Raios gama
Aniquilação de pares
• Se a energia cinética das partículas
é ~ nula, elas são denominadas
partículas em repouso
• Então aumenta a probabilidade do
par de partículas se aniquilarem.
• As duas partículas são convertidas
em dois fótons gêmeos e antiparalelos (conservação angular)
Geração de Raios gama
Aniquilação de pares
• A energia desses dois fótons
criados é obrigatoriamente igual
entre eles no valor de 511 KeV,
ainda raios-γ
• Esse efeito é o princípio
fundamental da técnica PET
(Pósitron Emitted Tomography)
Geração de Raios gama
Emissão do Urânio
Tipos de detectores
• Detectores preenchidos com gás: consiste de um
volume de gás entre dois eletrodos
• Nos Detectores cintilográficos, a interação da
radiação ionizante produz UV e/ou luz visível
• Detectors semicondutores são compostos por cristais
puros de silício, germanium ou outro material que
em função da presença de impuridades atue como
um diodo
Tipos de detectores
• Detectores também podem ser classificados pelo
tipo de informação produzida:
– Detectores Geiger-Mueller (GM), indicam o número de
interações ocorrendo que estão ocorrendo no detector
– Detectores que fornecem informação sobre a distribuição
de energia da radiação incidente, como os detectores
cintilográficos de NaI, são chamados espectrômetros
– Detectores que mostram um conjunto de energias
depositados no aparelho por multiplas interações são
chamados dosímetros
Modos de operação
• No modo pulsado, o sinal de cada interação é
processado individualmente.
• No modo corrente, o sinal elátrico individual
das individual das interações são consideradas
ao mesmo tempo e a média do sinal é
considerado como o sinal da rede.
Taxa de Interações
• O principal problema dos detectores que operam no
modo pulsado é que duas interações precisam estar
separadas por um tempo finito para produzir sinais
distintos.
• Este intervalo é chamado por dead time do sistema
• Se uma segunda interação ocorre neste intervalo,
este sinal estará perdido; se ocorre perto o suficiente
da primeira interação, ele pode distorcer o sinal da
primeira interação.
Dead time
• O Dead time de um sistema de detcção é
determinado pelos dead time dos componentes do
sistema
– Em um detector o contador GM tem longos dead time
– Em um analizador multicanal o conversor analógico-digital
tem o mais longo dead time
• Contadores GM tem dead time variando entre
dezenas e centenas de microssegundos, enquanto os
outros sitemas respondem um unidades de
microssegundos.
Paralizável e não-paralizável
• Em um sistema paralizável, uma interação que
ocor re durante o dead time extende o dead
time.
• Em um sistema não-paralizável isso não ocorre
• A altas taxas de interação, um sistema
paralizável está apto a detectar qualquer
interação depois da primeira, levando o
detector a mostrar a contagem nula.
Operação em modo corrente
• No modo corrente, toda informação sobre interações
individuais é perdida.
• Se o conjunto de cargas elétricas coletada de cada
interação é proporcional à energia depositada pela
interação, então a corrente da rede é proporcional à
dose sobre o material do detector
• Esse tipo de operação é usado em detectores
submetidos a altas taxas de interação
Espectroscopia
• A maioria dos espectrômetros operam no modo
pulsado
• A amplitude de cada pulso é proporcional à energia
depositada no detector pela interação causada pelo
pulso.
• A energia depositada por uma interação não é
sempre a energia total da radiação incidente
Espectroscopia
• Um espectro pulsado é normalmente descrito como
um gráfico do número de interações que entrega um
conjunto de energias particulares ao espectrômetros
em função da energia.
Eficiência da detecção
• A eficiência (sensibilidade) de um detector é a
medida da habilidade de detectar radiações
• A eficiência de um sistema de detecção
operando em modo pulsado é definido como
a probabilidade da radiação emitida por uma
fonte ser detectada
Number detected
Efficiency =
Number emitted
Number reaching detector
Efficiency =
×
Number emitted
Number detected
Number reaching detector
Efficiency = Geometric efficiency × Intrinsic efficiency
Eficiência intrínseca
• Frequentemente chamada de eficiência quântica de
detecção (quantum detection efficiency ou QDE)
• É determinada pela energia da radiação e pelo
número atômico, densidade e espessura do detector
• Para um feixe paralelo de radiações monoenergéticas
incidente sobre um detector de espessura uniforme
Intrinsic efficiency = 1 - e
− µx
Detectores
preenchidos com gás
• Um detector preenchido com gás consiste de um
volume de gás entre dois eletrodos, com uma tensão
aplicada entre os eletrodos
• A radiação ionizante produz íons positivos ou
negativos e elétrons no gás
• Íons positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo
negativo (catodo); elétrons ou ânions são atraídos
para o eletrodo positivo (anodo)
Detectores
preenchidos com gás
• Geralmente o catodo é a própria parede do
recipiente que envolve o gás e o anodo é um fio
dentro do recipiente.
Tipos de detectores
preenchidos com gás
• Há três tipos mais comuns de detectores
preenchidos com gás:
– Câmaras de ionização
– Contadores proporcionais
– Contadores Geiger-Mueller (GM)
• O tipo determina principalmente a tensão aplicada
entre os dois eletrodos
Tipos de detectores
preenchidos com gás
• Camaras de ionização tem uma vasta opção de
formas (placas paralelas, cilindros concêntricos, etc.)
• Contadores proporcionais e contadores GM precisam
ter um fio fino como anodo
Câmaras de ionização
• Se o gas for o ar e as paredes da câmara são de um
material em que o número atômico efetivo é similar
ao ar, então a corrente produzida é proporcional à
taxa de exposição
• Íons de câmaras preenchidas com ar são usados em
medidores portáteis para realizar testes de qualidade
de diagnóstico e terapêutica em equipamentos de
raios-x
Câmaras de ionização
• As eficiências intrísecas das câmaras são baixas por
causa da baixa densidade dos gases e baixo número
atômico das moléculas da maioria dos gases
Contadores proporcionais
• A maioria contém um gás com propriedades
específicas
• São usados em laboratórios de padronização e
na pesquisa
• Raramente usado nos centros médicos
Contador GM
• Contadores GM também contém gases com
propriedades específicas
• O gás produz bilhões de íons após uma interação,
mas o sensor só requer uma baixa amplificação
• Frequentemente usado em detectores mais baratos
Contador GM
• Em geral são pouco eficientes na detecção de raios
gama ou raios x
• Sobre-medida quando a radiação é de baixa energia,
a qual é parcialmente corrigida ao colocar uma
camada fina de um material com alto número
atômico na frente do detector
Contadores GM
• Contadores GM sofrem com longos tempos de dead
times – por isso são raramente usados em medidas
de precisão onde a taxa de contagem é maior que
dezenas de milissegundos
• Contadores GM portáteis podem se tornar
medidores paralizáveis em um campo de radiação
muito alto – neste caso as câmaras de ionização
devem ser usadas
Detectores cintilográficos
• São usados em radiografia convencional (baseada em
filmes), na maioria dos detectores radiográficos
digitais, fluoroscópios, câmaras de cintilografia,
scaners de CT e scaners de PET
• Detectores cintilográficos são compostos por um
detector cintilográfico seguido de uma
fotomultiplicadora, que converte a luz em sinal
elétrico
Cintiladores
• Propriedades Desirable properties:
–
–
–
–
–
Alta eficiência de conversão
Curtos tempos de caimento do estado excitado
Material transparente à sua própria emissão
Emite cores altamente detectáveis pelo sensor
Para detecção de raios gama e raios x, o µ deve ser largo
para uma detecção eficiente
Cintiladores
• A luz emitida pelo cintilador depende da
energia depositada no equipamento
• Pode ser operado no modo pulsado
• Alta resolução devido à alta eficiência de
detecção
Material
• Iodeto de Sódio ativado com Tálio [NaI(Tl)],
acoplado a uma fotomutiplicadora operando
no modo pulsado, é usado na maioria das
aplicações médicas.
• Germanato de Bismuto (BGO) é acoplado às
fotomultiplicadoras no modo pulsado para
aplicações de PET
Fotomultiplicadoras
• Possuem duas funções:
– Conversão de luz ultravioleta e visível em sinal
elétrico
– Amplificação de sinal na ordem de bilhoes de
eventos
• Consiste de um tubo de vidro em vácuo,
contendo um fotocatodo (com cerca de 10 a
12 eletrodos chamados dynodes) e um anôdo
Fotomultiplicadoras
Fotomultiplicadoras
Cintilografia