Universidade Católica Portuguesa
Faculdade de Engenharia
Instalação, teste e caracterização de um sistema de
Dosimetria Termoluminescente
Filipe Azevedo Ribeiro
Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Clínica
Orientadores:
Prof. Nuno Machado
Prof. Nuno Teixeira
Co-Orientadora:
Prof.ª Ana Pascoal
Novembro de 2009
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito de uma parceria entre a FEUCP - Faculdade de
Engenharia da Universidade Católica Portuguesa e a Medicalconsult, S.A., tendo sido
realizado nas instalações da Medicalconsult, S.A.
Fundada em 1998, e tendo hoje a colaboração de mais de uma centena de especialistas, a
Medicalconsult, S.A. presta serviços a profissionais e instituições que carecem de apoio nas
áreas de Protecção Radiológica, Dosimetria, Consultoria e Formação em Tecnologias para a
Saúde. Entre os seus clientes estão instituições e profissionais das áreas da Radiologia
Convencional, da Estomatologia, da Radioterapia, da Medicina Nuclear, e Industrial.
Para além das actividades de prestação de serviços, são também desenvolvidas actividades de
formação e de investigação, em que esta dissertação se enquadrou.
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Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
RESUMO
O trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação de Mestrado enquadrou-se na temática
da dosimetria termoluminescente. O alvo de estudo foi um sistema completo de dosimetria
individual por termoluminescência, inovador porque os dosímetros permitem discriminar a
energia da radiação neles incidente, e pelo método de aquecimento dos mesmos ser por
métodos ópticos.
A fase inicial de calibração dos dosímetros foi antecedida do agrupamento dos mesmos em
categorias metrológicas Numa segunda fase, foi caracterizada a linearidade de resposta dos
dosímetros com a dose recebida. Os resultados confirmaram uma resposta de linearidade dos
dosímetros numa gama de dose desde 0,1 mSv até 5 mSv, com um desvio de 0,44%
relativamente ao valor nominal. O fading (perda de sinal à temperatura ambiente), medido
para ambos os materiais, nas primeiras 24 horas após irradiação, foi 18% para o Li2B4O7:Cu e
6% para o CaSO4:Tm, valores inferiores aos 60% e 5% fornecidos pelo fabricante,
respectivamente. Os valores experimentais obtidos, inferiores aos esperados, para o
Li2B4O7:Cu podem dever-se à leitura dos dosímetros ter sido realizada demasiado tempo após
a irradiação. No longo prazo os materiais Li2B4O7:Cu e CaSO4:Tm estabilizaram a 80% e
95%, respectivamente, face aos 90% e 95% especificados pelo fabricante. No entanto, os
valores previstos pelo fabricante estão dentro das incertezas dos pontos em questão.
O Valor Residual (i.e. sinal lido sem irradiação prévia) foi considerado desprezável, com um
valor médio de (0,002 ± 0,010) mSv e considerado independente do valor de Dose presente
no dosímetro devido à irradiação prévia ao annealing.
Foi também determinada a função que permite determinar a energia média do feixe incidente,
e a função que permite compensar a resposta de um dos elementos em relação à energia da
radiação incidente. Estas funções apresentam dois ramos que surgem devido ao facto de
existir um pico de atenuação da orbital K no coeficiente de atenuação do chumbo. O chumbo
é o material presente num dos filtros dos dosímetros, e responsável por permitir o cálculo de
ambas as funções.
Palavras-Chave: Termoluminescência, Dosimetria Individual, Radiação Ionizante.
5
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
ABSTRACT
The work developed in this dissertation is in the scientific area of the thermoluminescence
dosimetry. The study target was a complete individual thermoluminescence dosimetry
system, innovative because the dosimeters allow for the determination of the energy of the
incident radiation, and because the heating method is optical.
Previously to the initial calibration of the components, the thermoluminescent dosimeters
were gathered in metrological categories. In a second phase, the linearity of the dosimeters
with the dose was characterized The results have confirmed that the dosimeters have a
linearity from a span of 0,1 mSv to 5 mSv, with 0,44 % of error between the obtained and the
nominal value. The fading (loss of signal at ambient temperature), measured for both
materials, within the first 24 hours after irradiation, had a value of 18 % for the Li 2B4O7:Cu
and 6 % for the CaSO4:Tm, values below the 60 % and 5 % predicted by the manufacturer,
respectively. The experimentally obtained values, below the ones expected, for the
Li2B4O7:Cu can be because the reading has taken too long since the Irradiation. In the long
run, both materials have stabilized at 80 % and 95 %, respectively, when compared to the 90
% and 95 %, respectively, that were specified by the manufacturer. However, the values
predicted by the manufacturer are present within the uncertainty of the values.
The Zero Point Dose (read signal without an irradiation) was considered irrelevant, with an
average value of (0,002 ± 0,010) mSv, and considered independent of the dose value on the
dosimeter before the annealing.
The function to determine the average energy of the incident beam was also determined, as
well as the function to compensate the response of one of the elements to the energy of the
incident radiation. Both of these functions have two different parts, justified by the fact that
there is a peak in the attenuation coefficient for Lead (Pb). Lead is the material present in one
of the filters of the dosimeters, and responsible for the calculation of both of these functions.
Keywords: Thermoluminescence, Individual Dosimetry, Ionizing Radiation.
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Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
AGRADECIMENTOS
Gostava de agradecer ao meu orientador, Dr. Nuno Machado, por ter perdido noites e noites
de descanso para poder rever as minhas modificações aos textos, e por ter tido a capacidade
de não desistir de me explicar que “ficava melhor se fizesses assim”. 
Gostava de agradecer à Professora Ana Pascoal, minha eterna protectora e “guia” académica.
Obrigado por me alertar para tudo, desde prazos limite, passando pelo colóquio que vai haver
na FEUCP, até reuniões amigáveis entre colegas de curso e jantares de confraternização. A
dedicação a algo é sem dúvida uma característica que possui. 
Gostava de agradecer ao Professor Nuno Teixeira pelo apoio que me deu ao longo de todo o
projecto. Obrigado por confiar em mim e por me ter dado a fantástica oportunidade de
realizar este projecto.
Um muito obrigado a toda a minha família e amigos que me apoiaram e me compreenderam
ao longo de todo este tempo. Desculpem os (alguns) jantares cancelados e viagens anuladas.
Obrigado a quem continua sempre do meu lado, “na saúde e na doença”… =)
Termino com agradecimentos a todos os que colaboraram directa ou indirectamente para a
realização deste projecto, e que por lapso ou esquecimento não coloquei aqui.
9
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
ÍNDICE
RESUMO ................................................................................................................................. 5
ABSTRACT............................................................................................................................. 7
AGRADECIMENTOS............................................................................................................ 9
LISTA DE TABELAS ......................................................................................................... 15
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... 17
LISTA DE ABREVIATURAS ........................................................................................... 21
1.
ESTADO DA ARTE ..................................................................................................... 23
2.
FUNDAMENTOS DE DOSIMETRIA POR TERMOLUMINESCÊNCIA ............ 27
2.1.
Definição de grandezas dosimétricas operacionais em Protecção Radiológica .................... 27
2.1.1.
Hp(10) e Hp(0,07) ............................................................................................................. 28
2.1.2.
Dosimetria Individual para trabalhadores expostos ......................................................... 29
2.2.
Materiais e Métodos ........................................................................................................... 31
2.2.1.
Física da Termoluminescência .......................................................................................... 31
2.2.2.
Materiais Termoluminescentes ........................................................................................ 33
2.2.3.
Utilização de materiais termoluminescentes .................................................................... 35
2.2.4.
Curva de brilho (Glow curve) ............................................................................................ 37
2.2.5.
Aplicações da Termoluminescência .................................................................................. 38
3.
DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE DOSIMETRIA TERMOLUMINESCENTE ...... 41
3.1.
Irradiador de Dosímetros .................................................................................................... 41
3.2.
Dosímetros Termoluminescentes ........................................................................................ 44
3.2.1.
Constituição ...................................................................................................................... 44
3.2.2.
Grandezas de influência dos dosímetros termoluminescentes ......................................... 46
11
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
3.3.
3.2.2.1.
Dependência com a Energia ............................................................................... 46
3.2.2.2.
Dependência com a dose .................................................................................... 48
3.2.2.3.
Dependência Temporal ........................................................................................ 49
3.2.2.4.
Valor Residual ....................................................................................................... 51
Leitor de Dosímetros ........................................................................................................... 53
3.3.1.
Equipamento..................................................................................................................... 53
3.3.1.1.
3.3.2.
4.
Técnica de leitura .................................................................................................. 54
Parâmetros do Leitor de dosímetros ................................................................................. 57
3.3.2.1.
Verificação do elemento de referência .............................................................. 58
3.3.2.2.
“Valor de Fundo” de leitura de dosímetro .......................................................... 58
3.3.2.3.
Factor de Correcção da Sensibilidade do Leitor .............................................. 58
3.3.2.4.
Verificação por Paridade ...................................................................................... 59
3.3.2.5.
Razão de Sensibilidade dos Cristais .................................................................. 59
CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE DOSIMETRIA .................................................. 61
4.1.
Calibração dos Dosímetros .................................................................................................. 61
4.1.1.
Agrupamento em classes de dosímetros .......................................................................... 61
4.1.2.
Cálculo dos factores de correcção dos dosímetros ........................................................... 62
4.2.
Calibração do Leitor de dosímetros ..................................................................................... 64
4.3.
Calibração do Irradiador de dosímetros .............................................................................. 65
5.
RESULTADOS ............................................................................................................. 67
5.1.
Calibrações .......................................................................................................................... 67
5.1.1.
Calibração dos dosímetros ................................................................................................ 67
5.1.1.1.
Agrupamento por classes .................................................................................... 67
5.1.1.2.
Factores de correcção dos elementos (ECF) dos dosímetros ....................... 68
5.1.2.
Calibração do Leitor de dosímetros .................................................................................. 69
5.1.3.
Calibração do Irradiador de dosímetros ........................................................................... 71
5.2.
Determinação do Fading (Desvanecimento do sinal) ........................................................... 74
5.3.
Medição do Valor Residual .................................................................................................. 79
5.3.1.
5.4.
Análise de resultados ........................................................................................................ 79
Determinação da função de resposta dos dosímetros com a dose de irradiação ................. 82
12
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
5.4.1.
5.5.
Análise de resultados ........................................................................................................ 82
Estudo da Função de determinação da energia média de irradiação ................................... 85
5.5.1.
Procedimento para determinação da função ................................................................... 85
5.5.2.
Análise de Resultados ....................................................................................................... 86
6.
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS DA DISSERTAÇÃO ........................................ 91
7.
CONCLUSÕES .............................................................................................................. 95
7.1.
Trabalho Futuro................................................................................................................... 97
8.
REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 99
9.
ANEXOS ...................................................................................................................... 105
13
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
LISTA DE TABELAS
Tabela 3-1 Cálculos de segurança radiológica do Irradiador PanaRad. [Oper. PanaRad,
2002] ....................................................................................................................................... 42
Tabela 3-2 Caracterização da Taxa de Dose no exterior do Irradiador de Dosímetros.
[Reg. Rad. Eval., 2005] Podem ser observados os níveis de radiação máximos, em
μSv/hr. ..................................................................................................................................... 43
Tabela 5-1 Para cada classe é apresentado o número de dosímetros desejado, e a
reprodutibilidade obtida. ........................................................................................................ 68
Tabela 5-2 Valores médios obtidos antes do ajuste do Leitor. ........................................................ 70
Tabela 5-3 Valores médios obtidos após o ajuste do Leitor. ........................................................... 70
Tabela 5-4 Valores médios obtidos antes do segundo ajuste do Leitor........................................... 71
Tabela 5-5 Valores médios obtidos após o segundo ajuste do Leitor. ............................................. 71
Tabela 5-6 Exemplo de parâmetros disponíveis na interface com o operador. Estes
parâmetros foram os utilizados para efectuar a primeira calibração do Irradiador
de dosímetros. ......................................................................................................................... 72
Tabela 5-7 Valores obtidos para cada calibração efectuada ao Irradiador. Entre cada
duas irradiações foi efectuado um ajuste ao Irradiador através do cálculo da
equação 7. ............................................................................................................................... 72
Tabela 5-8 Valores normalizados obtidos antes (1ª Calibração) e depois (2ª Calibração)
do ajuste efectuado ao Irradiador na segunda fase. .............................................................. 73
Tabela 5-9 Valores Residuais médios medidos após um annealing, em relação ao valor
de dose de radiação presente no dosímetro antes do annealing. O desvio-padrão
para cada valor de dose é obtido a partir do dobro do desvio-padrão das 40
medições efectuadas para o respectivo valor de dose. ........................................................... 79
Tabela 5-10 Representação do erro para cada valor de dose utilizado. ......................................... 83
Tabela 5-11 Correspondência entre as Referências de Irradiação utilizadas e a Energia
média correspondente. ........................................................................................................... 86
Tabela 5-12 Variação dos valores dos elementos do dosímetro, com a energia de
Irradiação. ............................................................................................................................... 87
Tabela 9-1 Resumo dos valores obtidos para medição do fading dos dosímetros,
normalizados para 24 horas. ................................................................................................ 105
15
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
LISTA DE FIGURAS
Figura 2-1 Representação esquemática da estrutura de bandas do cristal
termoluminescente, em que são visíveis a banda de condução e banda de
valência. Adaptado de [Un. Georgia, LDL]. .................................................................................. 32
Figura 2-2 Representação esquemática de uma recombinação electrão (e)-lacuna (h),
com emissão de um fotão. Adaptado de [Un. Georgia, LDL]. ...................................................... 33
Figura 2-3 Esquema do ciclo de leitura de um dosímetro termoluminescente. .................................... 35
Figura 2-4 Ciclo de aquecimento típico de leitura de TLDs, com ilustração da resposta
relativa do material a diferentes temperaturas. [TLD Reader User’s Manual Cap.8] .................. 36
Figura 2-5 Ilustração de dosímetros individuais com suportes/caixas com diferentes
filtros associados. [Panasonic TL Data] ........................................................................................ 37
Figura 2-6 Curva de brilho do TLD100 ilustrando que a intensidade do sinal
termoluminescente obtido é a soma dos sinais obtidos para todas as “armadilhas”
do material, e em que as energias associadas às armadilhas de 1 a 5 são
sucessivamente superiores. [Shani, Radiation Dosimetry, 2001] ................................................. 38
Figura 3-1 Secção de corte lateral da blindagem do Irradiador. [Sikora, D., Schematics,
1998] ............................................................................................................................................ 41
Figura 3-2 Curva de brilho do elemento Li2B4O7:Cu. [Panasonic TL Data] ............................................ 44
Figura 3-3 Curva de brilho do elemento CaSO4:Tm. [Panasonic TL Data]............................................. 45
Figura 3-4 Esquema dos dosímetros termoluminescentes utilizados, e dos seus
constituintes (porta-dosímetro, filtros, elementos e materiais). [Takenaga et al,
New Phosphor Li2B4O7:Cu, 1982].................................................................................................. 45
Figura 3-5 Ilustração da dependência (em resposta termoluminescente) do material
Li2B4O7:Cu em função da energia da radiação absorvida, para irradiação em ar, e
com dispersão em fantoma. [Panasonic TL Data] ........................................................................ 47
Figura 3-6 Dependência da resposta do material CaSO4:Tm com a energia da radiação.
[Panasonic TL Data] ..................................................................................................................... 48
Figura 3-7 Variação da resposta dos materiais constituintes dos dosímetros, com a
dose. O gráfico acima é referente ao elemento LiF, e o abaixo é referente ao CaSO.
[Panasonic TL Data] ..................................................................................................................... 49
Figura 3-8 Efeito do fading no valor obtido pelos elementos Li 2B4O7:Cu e CaSO4:Tm.
[Panasonic TL Data] ..................................................................................................................... 50
Figura 3-9 Variação do valor obtida pelos materiais cristalinos termoluminescentes dos
dosímetros ao longo do tempo. [TLD Reader User’s Manual Cap.3] ........................................... 51
17
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-10 Histograma com valores de dose residual dos elementos Li2B4O7:Cu e
CaSO4:Tm, em frequência, e para uma totalidade de 10 eventos [Panasonic TL
Data]. ........................................................................................................................................... 52
Figura 3-11 Leitor de dosímetros utilizado neste projecto, e os seus constituintes
mecânicos. [Yamamoto et al, Construction TLD Optical] ............................................................. 53
Figura 3-12 Esquema representativo do aquecimento óptico dos elementos.
[Yamamoto et al, Construction TLD Optical] ................................................................................ 55
Figura 3-13 Ciclo de leitura de um dosímetro, constituído pelas fases de préaquecimento, leitura, e annealing. [Yamamoto et al, Construction TLD Optical] ........................ 56
Figura 3-14 Curvas ilustrando a resposta dos dois métodos de contagem, com a dose
detectada. [TLD Reader User’s Manual Cap.2] É observável a linearidade da
resposta do método de contagem por fotões até aproximadamente 11 mSv (1,1
rem) e a linearidade da resposta do método de contagem por frequência a partir
de aproximadamente 10 mSv (1 rem). ......................................................................................... 57
Figura 4-1 Esquema com todas as classes de dosímetros e suas inter-relações. ................................. 62
Figura 5-1 Histograma da distribuição de factores de correcção dos elementos (cristais)
calculados..................................................................................................................................... 69
Figura 5-2 Ilustração do fading (desvanecimento do sinal termoluminescente), para o
material Li2B4O7:Cu. No gráfico acima pode ser visto o fading a longo prazo, e no
gráfico abaixo pode ser visto o fading a curto prazo. Os valores estão
normalizados para o valor de leitura obtido 24 horas após a irradiação. As barras
de incerteza são obtidas pelo dobro do desvio-padrão da medição
correspondente. ........................................................................................................................... 75
Figura 5-3 Ilustração do fading (desvanecimento do sinal termoluminescente), para o
material CaSO4:Tm. No gráfico acima pode ser visto o fading a longo prazo, e no
gráfico abaixo pode ser visto o fading a curto prazo. Os valores estão
normalizados para o valor de leitura obtido 24 horas após a irradiação. As barras
de incerteza são obtidas pelo dobro do desvio-padrão da medição
correspondente. ........................................................................................................................... 76
Figura 5-4 Ilustração do fading para ambos os materiais presentes nos dosímetros. No
gráfico acima pode ser visto o fading a longo prazo, e no gráfico abaixo pode ser
visto o fading a curto prazo. Os valores estão normalizados para o valor de leitura
obtido 24 horas após a irradiação, para cada material. As barras de incerteza são
obtidas pelo dobro do desvio-padrão da medição correspondente. ............................................ 77
Figura 5-5 Histograma do Valor Residual no elemento E2 do dosímetro. Acima pode ser
visto o histograma após o 1º annealing, e no histograma abaixo podem ser
observados os valores após o 2º annealing. ................................................................................ 80
18
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 5-6 Histograma do Valor Residual no elemento E3 do dosímetro. Acima pode ser
visto o histograma após o 1º annealing, e no histograma abaixo podem ser
observados os valores após o 2º annealing. ................................................................................ 81
Figura 5-7 Dependência dos valores de dose de radiação medidos em função dos
valores nominais pretendidos (as barras de incerteza representam o dobro do
desvio-padrão obtido nas medições, para cada valor de dose considerado). .............................. 83
Figura 5-8 Dependência dos valores de dose de radiação obtidos em função dos valores
nominais pretendidos, com intersecção do gráfico definida na origem dos eixos.
As barras de incerteza significam o dobro do Desvio-Padrão para a medição
correspondente. ........................................................................................................................... 84
Figura 5-9 Variação dos valores do elemento E2 com a razão entre os elementos E3 e
E4 (relacionada com a energia de Irradiação) em formato gráfico. Incertezas dos
pontos provêm do dobro do desvio-padrão. ................................................................................ 87
Figura 5-10 Variação dos valores do elemento E2 com a razão entre os elementos E3 e
E4 (relacionada com a energia de Irradiação) em formato gráfico, conjuntamente
com as suas linhas de tendência. As incertezas dos pontos experimentais
representam o dobro do desvio-padrão. ...................................................................................... 88
Figura 5-11 Variação dos valores de Energia (em keV) com a razão entre os elementos
E3 e E4 em formato gráfico, conjuntamente com a linha de tendência. As
incertezas dos pontos provêm do dobro do desvio-padrão do cálculo da razão
E3/E4. ........................................................................................................................................... 89
19
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
20
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
LISTA DE ABREVIATURAS
CaSO
Elemento
D
Dose Absorvida
E
Dose Efectiva
En
Elemento n-ésimo do dosímetro (1º, 2º, 3º ou 4º)
ECF
Element Correction Factor
H
Dose Equivalente
HPA
Health Protection Agency
Hp(d)
Equivalente de dose Individual à profundidade de d milímetros
ICRP
International Comission on Radiological Protection
ICRU
International Comission on Radiological Units and Measurements
ITN
Instituto Tecnológico e Nuclear
LET
Linear Energy Transfer
LiB
Material cristalino Termoluminescente
Q
Factor de Qualidade
TL
Termoluminescente / Termoluminescência
TLD
Thermoluminescence Dosimetry
21
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
22
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
1. ESTADO DA ARTE
A dosimetria individual acontece no seguimento da descoberta da radiação X. Em 1985,
Rontgen observou pela primeira vez os chamados Raios X, cujo nome foi dado devido à sua
natureza desconhecida
[Rontgen, 1985].
Após a descoberta desta radiação, diversas aplicações
começaram a surgir aproveitando a vantagem desta permitir observar o interior do corpo
humano sem que houvesse necessidade de invasão cirúrgica.
O uso crescente desta nova técnica, de imagiologia médica, deu azo a que problemas de saúde
começassem a surgir, tais como problemas de pele e cancro
al, Health Physics, 2008].
[BEIR V, Health Effects, 1990] [Cember, et
Após a detecção destes efeitos surgiu a necessidade de medir e controlar a
radiação.
A medição de doses de radiação, enquadrada numa área designada por dosimetria, começou a
ser implementada com películas fotográficas. Hoje em dia os dosímetros termoluminescentes
e os dosímetros de luminescência óptica são os mais utilizados. Através da utilização destes
dosímetros, os trabalhadores expostos a radiações ionizantes são capazes de monitorizar os
valores de dose equivalente que recebem periodicamente, e de assegurar o cumprimento dos
limites determinados pela ICRU [ICRU, Report 51, 1993].
Desde que os dosímetros termoluminescentes (TLDs) surgiram, as suas aplicações têm vindo
a desenvolver-se e expandir-se. Um dos usos mais comuns é em dosimetria retrospectiva, em
que se pretende determinar a dose de radiação a que determinado local esteve exposto, a partir
da análise de materiais com capacidades termoluminescentes presentes nesse mesmo local, tal
como tijolos ou porcelanas [Reinhard et al, Retrospective Dosimetry, 2002]. A presença de radiação devida
à produção de armas nucleares, acidentes e manuseamento de fontes radioactivas pode hoje
ser determinada até à centésima do Gy, mesmo quando a exposição ocorreu há algumas
centenas de anos atrás. Apesar de existirem outros métodos de determinação de dosimetria
retrospectiva, tal como métodos biológicos, o facto deste último ser menos preciso e
dependente de mudanças que possa ter havido nos materiais devido a desgastes causados por
interferência humana, faz com que os métodos físicos continuem a ser a escolha preferencial.
Outra utilização possível de TLDs é na medição de radiação cósmica. Isto é importante
porque, devido à elevada altitude, a radiação cósmica a que os astronautas estão expostos é
um sério perigo para a sua saúde. A Agência Espacial Europeia tem um projecto em que
vários tipos de experiências são submetidas a radiação cósmica, incluindo uma de medição de
dose total de voo
[Pálfalvi et al, Dose distribution on bio-satellite, 2008].
Para além destas aplicações, os
dosímetros termoluminescentes são também utilizados para controlo dosimétrico de
trabalhadores expostos.
23
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Sendo uma técnica útil e disponível actualmente, existe uma necessidade constante de
evolução e melhoria. O desenvolvimento de novos materiais (cristais termoluminescentes) é
uma das formas de conseguir o melhoramento das propriedades dos materiais, adicionando ou
substituindo dopantes no cristal
[Jung et al, TLD using LiF for photon fields, 2003] ,
ou produzindo novos
materiais [Secu et al, High temperature TL, 2008] [Jiang et al, TL of rare-earth doped Li, 2008]. A análise da curva
de brilho característica do sinal proveniente dos materiais termoluminescentes é outra forma
de desenvolvimento [Piniella et al, Abnormal glow curves, 2002]. Outros grupos de investigação estudam
o efeito da taxa de aquecimento nos resultados
[Pradhan et al, TL glow curve effect of heating rate, 2008] ,
enquanto outros tentam ultrapassar uma das maiores limitações da técnica termoluminescente,
construindo um Leitor compacto e de peça única para uso em situações em que a
portabilidade do sistema é uma vantagem [Apáthy et al, Hungarian Pille TLD system, 2002].
O surgimento da radiação trouxe a necessidade de protecção e controlo. Com estes últimos
surgiu a necessidade de medições. A utilização da técnica de termoluminescência está
espalhada em diversas áreas de estudo, e com precisões de resultados aceitáveis para os
objectivos. A luminescência óptica, uma técnica semelhante, apresenta menos exigências de
aplicação, mas nenhuma das duas consegue obter resultados aceitáveis de dose para todos os
feixes de partículas, nomeadamente as de elevado LET (Transferência de Energia Linear - do
original, Linear Energy Transfer) [Zhou et al, Dosimetry for high let particles in orbit, 2008]. Para ultrapassar
esta limitação, vários tipos de técnicas dosimétricas são hoje utilizadas em conjunto, quando
surge a necessidade de detectar um conjunto de partículas com características diferentes entre
si.
Os objectivos desta dissertação de mestrado tiveram como alvo o desenvolvimento da
aplicação da dosimetria termoluminescente. O projecto teve como objectivos realizar a
calibração e preparação para utilização de um sistema de dosimetria individual inovador num
contexto empresarial. Neste equipamento é, actualmente, já realizado o controlo dosimétrico
de uma elevada percentagem de trabalhadores Portugueses que, no contexto das suas
actividades profissionais são expostos a radiações ionizantes, em sectores tais como médico,
industrial, ou de investigação.
A contínua miniaturização da tecnologia, resultante dos desenvolvimentos tecnológicos em
diversas áreas científicas também abrangeu os dosímetros termoluminescentes individuais,
como os que estiveram em análise neste projecto. A capacidade de corrigir a resposta dos
cristais termoluminescentes devido à presença de quatro elementos cristalinos no dosímetro,
com variadas combinações de filtros, é uma das novidades trazidas por estes dosímetros. Mas
a capacidade de se obter uma noção da energia média do feixe responsável pela dose
equivalente reportada a um utilizador é que torna estes dosímetros tão inovadores.
24
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Num contexto social actual em que as radiações causam elevadas preocupações à maioria dos
cidadãos informados, a vantagem de reduzir as causas ou a fonte de uma dose elevada é uma
mais-valia.
25
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
26
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
2. FUNDAMENTOS DE DOSIMETRIA POR
TERMOLUMINESCÊNCIA
Para compreender as diversas fases envolvidas na aceitação dos equipamentos constituintes
de um laboratório de dosimetria individual, alguns conceitos fundamentais relacionados com
a técnica de dosimetria termoluminescente, necessitam de ser considerados.
No início do capítulo serão definidas as grandezas operacionais com relevância para este
projecto. De seguida será feita uma breve abordagem à aplicação profissional da dosimetria
individual. Nos sub-capítulos seguintes será explicado em que consiste o fenómeno da
termoluminescência,
especificando
o
mecanismo
envolvido,
quais
os
materiais
termoluminescentes utilizáveis, o método de utilização, o resultado obtido com a
termoluminescência,
que
conclusões
daí
resultam,
e
quais
as
aplicações
da
termoluminescência. Será também explicado de que forma a termoluminescência pode ser
utilizada em dosimetria, sendo que nessa fase serão abordados os equipamentos em uso no
laboratório, nomeadamente o irradiador de dosímetros, o Leitor de dosímetros e os dosímetros
termoluminescentes. Para finalizar o capítulo, será descrito o processo de aceitação
relativamente às calibrações dos 3 componentes, e definido o método de descriminação dos
dosímetros em classes.
A notação utilizada nesta dissertação é a definida no Vocabulário Internacional de Metrologia
[VIM, IPQ, 2008].
2.1.
Definição de grandezas dosimétricas operacionais
em Protecção Radiológica
A grandeza Dose Absorvida (D) designa a dose de radiação que foi absorvida por um tecido
ou órgão, e é definida como sendo a energia média absorvida por unidade de massa, tal como
descrito na equação 2-1 seguinte.
(2-1),
A transferência linear de energia (LET – Linear Energy Transfer) para o meio influencia a
dose de radiação absorvida num determinado tecido, e é definida como a perda de energia
média da partícula por unidade de comprimento, no seu trajecto num meio material, devido a
27
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
colisões com o meio1, quando considerada uma “taxa de desaceleração” constante para a
partícula, o que efectivamente constitui uma aproximação considerada.
A grandeza Dose Equivalente (H) considera que nem todas as partículas que incidiram no
tecido são caracterizadas pela mesma LET, pelo que na sua definição, a Dose Absorvida é
ponderada por um factor de qualidade (Q) característico do tipo de radiação considerada,
como indicado na equação 2-2.
(2-2),
O factor de qualidade Q foi definido pelo ICRP (International Comission on Radiological
Protection) para diversos tipos de radiação na publicação 60
[ICRP, Report 60, 1991],
sendo a
publicação 92 a versão mais actualizada que refere este factor de qualidade [ICRP, Report 92, 2003].
2.1.1. Hp(10) e Hp(0,07)
Para que se pudesse definir um limite anual de exposição a radiações, foi primeiro necessário
definir quantidades de uso operacional em protecção radiológica. Uma das possibilidades a
considerar seria a Dose Efectiva (E). A Dose Efectiva resulta da soma dos valores de dose
equivalente (H) de todos os órgãos do corpo humano, ponderada para um factor que traduz a
radiosensibilidade dos respectivos tecidos e órgãos. A dose efectiva visa representar o risco
global para o indivíduo decorrente da exposição à radiação ionizante
[Sutton, et al, Rad. Protection,
2002].
A determinação desta quantidade não é simples nem prática de realizar porque requer a
consideração (e medição) da dose decorrente da exposição causada por fontes externas mas
também internas ao organismo.
Assim, a ICRU (International Comission on Radiation Units) recomenda o uso do
Equivalente de dose, em que apenas as fontes externas são tidas em consideração na
determinação da dose [ICRU, Report 51, 1993].
O Equivalente de Dose Individual Hp(d) é definido como o Equivalente de Dose em tecidos
moles, a uma determinada profundidade d (expressa em milímetros) localizada abaixo de um
ponto específico do corpo. A unidade de Equivalente de Dose é o Sievert (Sv).
As profundidades mais utilizadas são 0,07 mm, 3 mm, e 10 mm. À primeira (0,07 mm)
correspondem medições de dose na superfície da pele e à segunda (3 mm) correspondem
medições de dose no olho, sendo que ambas consideram radiação com baixo poder de
penetração. Para radiação com elevada penetrabilidade é utilizada a profundidade de 10 mm
1 Uma partícula caracterizada por elevado LET (ex. partícula ) deposita uma maior dose absorvida no
meio do que uma partícula com reduzido LET.
28
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
[Sabol, et al, Radiation Protection Dosimetry, 1995].
A notação utilizada na apresentação destas grandezas é
Hp(0,07), Hp(3) e Hp(10), respectivamente para cada uma das situações acima descritas.
2.1.2. Dosimetria Individual para trabalhadores expostos
Uma vez definida a grandeza de medição de dose individual (Equivalente de dose) e o método
de medição (através de dosímetros individuais de tecnologia termoluminescente, por
exemplo) de seguida será definida a aplicação da técnica no dia-a-dia.
De acordo com a actual legislação Portuguesa
[DL 222/2008],
é inicialmente feita a classificação
do trabalhador profissionalmente exposto a radiações como sendo de categoria A ou de
categoria B, sendo que é classificado com categoria A um trabalhador que está susceptível de
receber uma dose igual ou superior a 3/10 do limite médio anual previsto. Os restantes são
classificados como sendo de categoria B.
Após esta classificação é feita a correspondência entre a periodicidade de leitura do dosímetro
em uso e a categoria do trabalhador. Um trabalhador de categoria A utiliza dosímetros de
periodicidade mensal, e um de categoria B utiliza dosímetros de periodicidade trimestral, no
máximo.
Para ambas as categorias de trabalhadores está definido o mesmo limite de dose. Este é de
100 mSv em 5 anos, não podendo ultrapassar 50 mSv em cada ano. Para a pele e para as
extremidades os limites de dose anuais são de 500 mSv, sendo o limite de dose de 150 mSv
para o cristalino2.
A utilização do dosímetro é recomendada ao nível do peito ou do abdómen estando esta
definida no Decreto-Lei nº167, de 2002. No caso de utilização de barreiras de protecção
radiológica (como, por exemplo, um avental de chumbo ou um protector de tiróide), o
dosímetro deve ser utilizado sob o anteparo de protecção. Quando necessária a medição de
dose nas extremidades, o dosímetro de extremidades deve ser utilizado no local onde se prevê
que a dose seja mais elevada, como por exemplo na mão esquerda, na mão direita, no pulso.
Em termos práticos, após o período de monitorização por parte do dosímetro este deve ser
substituído por outro, sendo o dosímetro anterior enviado para leitura. Esta leitura deve estar
concluída no máximo em 10 dias para pessoas profissionalmente expostas de categoria A e
em 20 dias para pessoas profissionalmente expostas de categoria B. À entidade prestadora de
serviços de dosimetria individual compete, por obrigação legal, a comunicação à Direcção
Geral da Saúde Portuguesa, no prazo de 10 dias após a recepção do dosímetro, de valores de
2
Isto ocorre porque os factores de radiosensibilidade do cristalino e dos membros extremos são
inferiores aos da tiróide, pulmões e medula, por exemplo.
29
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
dose efectiva (Hp(10)) detectados que excedam o valor de 2 mSv, (ou o valor de 10 mSv num
órgão), num qualquer período de vigilância contratado.
30
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
2.2.
Materiais e Métodos
Alguns materiais cristalinos emitem luz em quantidade proporcional à dose de radiação que
neles foi previamente incidente, quando estes são aquecidos. A emissão de luz devido ao
aquecimento é denominada termoluminescência. A medição dessa luz emitida permite a
determinação da dose de radiação que foi recebida. A esta técnica é chamada Dosimetria por
TermoLuminescência ou Termoluminescente (TLD). A dosimetria termoluminescente é uma
técnica passiva, na medida em que a dose de radiação é acumulada na estrutura cristalina dos
materiais, apenas se manifestando quando o material é estimulado termicamente.
2.2.1. Física da Termoluminescência
Os cintiladores utilizados para detecção de radiação têm como objectivo emitir luz de uma
forma espontânea quando expostos a radiação ionizante. Os fotões de cintilação são emitidos
quando se dá uma recombinação electrão-lacuna, e os defeitos ou as impurezas presentes no
cintilador são propositadamente removidos da estrutura cristalina para maximizar este efeito.
Para o correcto funcionamento dos dosímetros termoluminescentes, a criação de pares
electrão-lacuna apenas se deve dar num momento definido e escolhido pelo operador, e não
de forma espontânea, como sucede nos cintiladores [Knoll, Rad. Detection & Measurement, 2000].
O fenómeno da termoluminescência explica-se com base na teoria de bandas dos materiais de
estado sólido. Isto é, o modelo de estrutura da banda de valência e da banda de condução nos
materiais é a teoria necessária para a correcta compreensão do fenómeno. A banda proibida
que separa a banda de valência e a banda de condução, em conjunto com as “armadilhas”
criadas entre estas é que permitem que a termoluminescência ocorra. Um exemplo ilustrativo
disto pode ser visto abaixo na Figura 2-1, em que T representa as ”armadilhas” (do inglês
traps), e L representa um centro de recombinação luminescente.
31
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 2-1 Representação esquemática da estrutura de bandas do cristal termoluminescente, em que
são visíveis a banda de condução e banda de valência. Adaptado de [Un. Georgia, LDL].
As impurezas do material, quer presentes por adição, ou por defeitos pré-existentes na
estrutura cristalina dos materiais em uso, são as responsáveis por criar níveis de energia na
banda proibida. Estes níveis de energia existentes na banda proibida também podem
designar-se ”armadilhas” na estrutura cristalina, por através destas ser possível capturar
electrões, ou de centros de recombinação, por ser nestes que ocorre a formação de um par
electrão-lacuna e consequente emissão de um fotão.
O fenómeno da termoluminescência consiste em elevar os electrões da banda de valência até
à banda de condução, devido à energia da radiação incidente, e depois capturar os electrões
nas ”armadilhas” da rede cristalina. Isto ocorre quando a separação energética entre a banda
de condução e a “armadilha” criado pela impureza é grande o suficiente para que os eventos
de recombinação tenham baixa probabilidade de ocorrer à temperatura ambiente. Dos
electrões excitados pela energia da radiação, alguns retornam ao estado fundamental, e outros
ficam retidos nas impurezas do cristal. Desta forma, a incidência de radiação leva à
acumulação progressiva de electrões nos centros de recombinação, sendo depois possível
obter emissão de luz correspondente a toda a energia depositada no cristal devido à exposição
de radiação ocorrida.
O fornecimento de energia térmica pelo aquecimento da amostra permite que os electrões
capturados ascendam para um nível superior, de onde podem decair para o estado
fundamental. Quando o electrão transita para a banda de valência, uma combinação electrãolacuna ocorrerá, e um fotão será emitido. A energia necessária para que isto ocorra é
dependente do nível de energia da “armadilha”. Após a emissão do fotão, este é capturado por
um tubo fotomultiplicador, por exemplo, e é a partir deste que se deriva o sinal de
termoluminescência. A quantidade de fotões detectados é um indicativo da quantidade de
pares electrão-lacuna criados pela radiação incidente. Estes últimos, por sua vez, são um
32
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
indicativo da quantidade de energia que foi incidente no material. Na Figura 2-2 abaixo está
ilustrado esquematicamente o processo de emissão de luz por termoluminescência.
Figura 2-2 Representação esquemática de uma recombinação electrão (e)-lacuna (h), com emissão de
um fotão. Adaptado de [Un. Georgia, LDL].
Se a temperatura da amostra for elevada o suficiente para que todos os centros de
recombinação sejam esvaziados, isto apaga o registo de radiação da amostra, e esta amostra
estará pronta para ser utilizada novamente. Esta é uma das grandes vantagens da
termoluminescência: a reutilização dos materiais que possuem esta propriedade.
2.2.2. Materiais Termoluminescentes
Alguns materiais termoluminescentes são cristais aos quais foram adicionadas impurezas para
criar ”armadilhas” na banda de energia proibida, enquanto outros aproveitam as impurezas e
defeitos dos próprios cristais para o mesmo efeito [Knoll, Rad. Detection & Measurement, 2000].
As características dos materiais termoluminescentes dependem da energia associada à
“armadilha” (nível de energia do centro de recombinação) e do número atómico do material.
O número atómico influencia por permitir o aumento da quantidade de interacções dos fotões
com o material. A energia associada às ”armadilhas” influencia a quantidade de população de
electrões que as preencherá para uma determinada exposição de radiação. As ”armadilhas” de
baixa energia dão origem a uma elevada sensibilidade à radiação por parte do material, e a um
baixo limiar de detecção de dose. Centros de recombinação de baixas energias também
aumentam a probabilidade de desocupação espontânea dos níveis à temperatura ambiente,
aumentando o chamado fading.
Para energias das ”armadilhas” próximas à da banda de condução (como acontece no caso do
material CaSO4:Mn), a captura de electrões tem uma probabilidade elevada por exposição,
fazendo com que o material seja sensível à radiação. Outros materiais, como o CaF2:Mn e o
LiF:Mg,Ti, têm maiores diferenças de energia entre os níveis das ”armadilhas” e a banda de
33
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
condução, tornando-os mais adequados para exposições longas, mesmo que apresentem uma
menor sensibilidade à radiação.
O material mais utilizado em TLD é o LiF. Este é inorgânico e apresenta uma estrutura
cristalina regular, e a adição de impurezas permitem o aparecimento de ”armadilhas” na
mesma. Dentro dos materiais termoluminescentes baseados em LiF, o TLD100 (assim
designado comercialmente) apresenta uma concentração de 400 ppm de Mg para criar as
”armadilhas” primárias. A adição de 8 ppm de Ti cria centros de recombinação a partir dos
quais os electrões e lacunas que provêm das ”armadilhas” primárias se combinam. Esta
recombinação dos electrões faz com que o espectro de emissão de luz por termoluminescência
seja o mesmo que o espectro característico do Ti, e com que a recombinação em qualquer
parte do cristal fora destes níveis de energia definidos seja minimizada. O espectro de emissão
do Ti localiza-se na gama do azul, sendo coincidente com a sensibilidade da maioria dos
tubos fotomultiplicadores utilizados para registo de curvas de brilho. Algumas das
características do material TLD100 são o facto de necessitar de 200ºC no ciclo de leitura, (que
é um valor suficientemente baixo para permitir um baixo fading, e para fazer com que não
sejam necessárias elevadas temperaturas para fazer o ciclo de leitura), ter uma curva de brilho
tal que permite a fácil separação dos picos causados por ”armadilhas” de baixo nível e ser
pouco vulnerável às condições ambientais, com excepção dada aos raios ultravioleta. Um
exemplo de outro material baseado em LiF é o comercialmente conhecido TLD200. Este é
activado por Mg, Cu, e P. Tem uma sensibilidade cerca de dez vezes superior à do TLD100,
sendo mais indicado para baixas exposições à radiação.
Uma das características do LiF, e que o torna tão utilizado em dosimetria, é o facto do número
atómico dos seus constituintes ser similar ao número atómico dos tecidos moles (Zefectivo~7,4).
Isto faz com que se possa relacionar a energia depositada no material com a exposição ou
com o equivalente de dose nos tecidos moles devido a irradiação por raios-X e raios-gama,
fazendo deste um material indicado para dosimetria no âmbito das aplicações médicas.
Materiais termoluminescentes com números atómicos mais elevados, como o caso do CaSO4,
têm uma elevada sensibilidade, apresentam rápidas variações de resposta com o aumento da
energia da radiação incidente, e sobreavaliam a dose devido ao aumento das interacções
fotoeléctricas que neles ocorrem.
Os materiais termoluminescentes são caracterizados por um mínimo e por um máximo de
sensibilidade, apresentando respostas lineares entre estes dois valores. Abaixo desta gama de
valores existe uma região de não resposta, e acima desta gama (para valores de dose mais
elevados) existe um aumento não linear de resposta com a exposição, e isto é denominado
supra linearidade.
34
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
2.2.3. Utilização de materiais termoluminescentes
A utilização prática do fenómeno da termoluminescência em dosimetria é conseguida com
dosímetros termoluminescentes, e com um Leitor de termoluminescência.
O sistema de leitura de dosímetros termoluminescentes consiste numa forma de aquecer os
dosímetros, numa forma de capturar a luz emitida pelo material termoluminescente, na parte
mecânica que permite a movimentação do dosímetro no sistema, e num computador que
processa a informação e calcula as doses respectivas a cada dosímetro
2002].
[Sutton, et al, Rad. Protection,
Na Figura 2-3 abaixo pode ser vista uma figura representativa da leitura de um
dosímetro termoluminescente.
Figura 2-3 Esquema do ciclo de leitura de um dosímetro termoluminescente.
O processo de aquecimento dos dosímetros termoluminescentes pode ser realizado por vários
métodos. Um dos métodos é por contacto físico com uma placa aquecida. Neste, o dosímetro
é colocado num suporte metálico através do qual vai passar uma corrente eléctrica. Esta
aquece o suporte, aquecendo também o dosímetro através do contacto. Neste método, o
suporte pode ser encostado ao dosímetro antes ou depois de ter sido aquecido. O método por
contacto é simples, mas difícil de reproduzir com exactidão devido à dificuldade de
reproduzir o contacto térmico entre o suporte e o dosímetro. Esta dificuldade de reprodução
do método geralmente afecta a reprodutibilidade das medições realizadas.
Outro método possível é por fluxo de gás quente. Neste, um fluxo de um gás inerte aquecido3
é feito atravessar a zona em que o dosímetro se encontra, enquanto este último se encontra em
vácuo. O método de aquecimento por fluxo de gás é mais rápido que o método por contacto.
A terceira possibilidade para o aquecimento é o método óptico. Utilizando LASERs ou uma
lâmpada de radiação infravermelha é possível aquecer o dosímetro a uma taxa superior à do
método por fluxo de gás. Os diferentes ciclos de aquecimento pelos quais é constituída a
3
Como por exemplo o hélio ou o nitrogénio [Chen, et al, Theory TL, 1997].
35
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
leitura podem ser conseguidos fazendo pulsar a luz incidente no dosímetro, responsável pelo
aquecimento do mesmo. Na Figura 2-4 abaixo pode ser visto o ciclo de aquecimento/leitura
de dosímetros termoluminescentes.
Figura 2-4 Ciclo de aquecimento típico de leitura de TLDs, com ilustração da resposta relativa do
material a diferentes temperaturas. [TLD Reader User’s Manual Cap.8]
A captura da luz emitida pelo material termoluminescente é feita por um tubo
fotomultiplicador. A tensão eléctrica aplicada ao tubo durante a medição afecta a mesma. Por
este motivo, antes de se proceder à leitura é necessário calibrar o tubo. A calibração referida
consiste em fazer incidir no tubo fotomultiplicador uma luz com características que são
conhecidas. Após a calibração, e durante o ciclo de leitura, o tubo fotomultiplicador captura a
luz emitida pelo material aquando do seu aquecimento, e converte-a em corrente eléctrica que
é amplificada e medida.
Após as calibrações necessárias do sistema, e estando o Leitor de dosímetros
termoluminescentes com os dosímetros colocados e com o software preparado para iniciar o
registo de dados das medições, procede-se ao ciclo de leitura. O ciclo de leitura de dosímetros
termoluminescentes pode consistir em duas ou três fases. Estas são o pré-aquecimento, a
leitura, e o annealing. Esta última fase, em certos casos, pode não ser utilizada devido à
possibilidade de danificar os dosímetros.
A fase de pré-aquecimento destina-se a eliminar o sinal que seria produzido por ”armadilhas”
do material que não sejam significativas para o resultado final, devido sobretudo à sua
instabilidade. O ciclo de leitura permite obter o sinal útil. A leitura é feita aquecendo o
material a uma temperatura que despovoe as ”armadilhas” do material, que sejam respeitantes
à obtenção de dose. Isto permite obter a curva de brilho, através da qual é possível determinar
a dose de radiação que incidiu no dosímetro em questão. O ciclo de annealing consiste em
aumentar a temperatura do material acima da temperatura máxima necessária para despovoar
todas as ”armadilhas” que contribuem para o sinal luminescente. Estabilizando a temperatura
durante um determinado período de tempo, é conseguida a eliminação do sinal residual, mas à
custa de uma redução na longevidade do material.
36
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Os dosímetros de termoluminescência de corpo inteiro processados no sistema acima descrito
são constituídos por um suporte (designado porta-dosímetro) com diferentes filtros, atrás dos
quais são colocados os cristais termoluminescentes. A cada filtro está associado um cristal
termoluminescente. Na Figura 2-5 abaixo podem ser vistos exemplos de dosímetros e dos
seus respectivos suportes.
Figura 2-5 Ilustração de dosímetros individuais com suportes/caixas com diferentes filtros associados.
[Panasonic TL Data]
As medições obtidas por cada dosímetro individual é dependente do tipo de filtro associado,
do material termoluminescente utilizado, e da espessura e forma do material
termoluminescente utilizado.
Os dosímetros têm tipicamente no mínimo dois filtros diferentes, em que um deles apenas
existe com o objectivo de proteger mecanicamente o cristal respectivo, estando a este cristal
associada a determinação do Hp(0,07). O segundo filtro geralmente apresenta uma espessura
superior e permite determinar o Hp(10). Em certos casos pode adicionar-se mais cristais
termoluminescentes com sensibilidade à radiação superior à dos primeiros, o que vai permitir
descriminar a energia da radiação incidente porque a resposta dos dois materiais vai ser
diferente dependendo da energia da radiação incidente.
Para o processamento logístico dos dosímetros, a cada dosímetro está atribuído um número
identificador único, podendo depois ser associada a dose lida ao seu utilizador respectivo.
2.2.4. Curva de brilho (Glow curve)
O aumento controlado da temperatura de um material termoluminescente causa a emissão de
luz por parte do mesmo. Se o material tiver sido previamente irradiado, e se for aquecido a
uma taxa de aquecimento constante, colocando a intensidade da luz emitida em função da
temperatura do material (ou do tempo de aquecimento) obtém-se a curva de brilho (do
original glow curve) do material [Knoll, Rad. Detection & Measurement, 2000]. Os picos característicos da
curva de brilho são dependentes da energia associada às ”armadilhas” do material. O número
37
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
de picos e as suas características são propriedades intrínsecas de cada material. A cada um
dos picos presentes na curva de brilho corresponde um nível diferente de energia das
”armadilhas” (ou impurezas) do material. Como um exemplo, o material TLD100 referido
acima apresenta 7 picos na curva de brilho até atingir a temperatura de 300ºC. Na figura 2-6
abaixo pode-se ver a curva de brilho do TLD100.
Figura 2-6 Curva de brilho do TLD100 ilustrando que a intensidade do sinal termoluminescente obtido
é a soma dos sinais obtidos para todas as “armadilhas” do material, e em que as energias associadas às
armadilhas de 1 a 5 são sucessivamente superiores. [Shani, Radiation Dosimetry, 2001]
O aumento de temperatura do material termoluminescente provoca a despovoação das bandas
de energias sucessivamente superiores. Isto ocorre porque a energia térmica cedida aos
electrões vai permitir a transferência dos mesmos para a banda de condução. Da banda de
condução faz-se a recombinação e consequente emissão de um fotão visível, como já descrito
acima. A área subentendida pela curva de brilho pode ser utilizada para determinar a dose da
radiação que foi incidente no dosímetro lido previamente à sua leitura.
2.2.5. Aplicações da Termoluminescência
As aplicações dos efeitos da termoluminescência enquadram-se em três áreas científicas
distintas. Elas são a dosimetria ambiental, a dosimetria clínica e a dosimetria individual.
Devido à conversão da radiação previamente incidente nas rochas em emissão de luz aquando
do seu aquecimento, os geólogos podem fazer uma estimativa da idade das rochas, ou de há
quanto tempo estas não passam por um processo de aquecimento. Esta aplicabilidade inserese na dosimetria ambiental.
A dosimetria clínica ou de paciente é outra das vertentes de dosimetria por
termoluminescência. Nesta, a capacidade de produzir cristais de dimensões e formas variadas
é utilizada. Desta forma é possível colocar material termoluminescente em cavidades do
38
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
corpo, e com ele fazer medições de dose de radiação que por outros métodos (nomeadamente
por cálculo) seria difícil e/ou trabalhoso de conseguir.
A protecção radiológica também aproveita as características da termoluminescência. Uma
precisão adequada, um método simples e automatizado de leitura, e a possibilidade de usar o
mesmo material TL por diversas vezes são as vantagens que tornam a termoluminescência
aplicável à dosimetria individual.
39
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
40
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
3. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE DOSIMETRIA
TERMOLUMINESCENTE
Neste subcapítulo será desenvolvida a teoria subjacente ao funcionamento do sistema de
dosimetria termoluminescente utilizado neste estudo. É descrito o funcionamento do
irradiador e são apresentadas a constituição dos dosímetros e as suas características principais,
bem como o método de funcionamento do Leitor de dosímetros, tanto mecanicamente, como
em termos de técnica utilizada e parâmetros característicos.
3.1.
Irradiador de Dosímetros
O irradiador de dosímetros termoluminescentes Panasonic UD-794 Automatic TLD Irradiator
(também por vezes designado PanaRad) é um equipamento composto por uma fonte de
radiação gama de Césio-137 (137Cs), por blindagem, por um canal dentro da blindagem para
permitir a passagem e posicionamento do dosímetro a irradiar, por um mecanismo de
movimentação do dosímetro a irradiar, por um atenuador, e por controladores electrónicos.
Uma visão lateral esquemática do irradiador é apresentada na figura 3-1 abaixo.
Figura 3-1 Secção de corte lateral da blindagem do Irradiador. [Sikora, D., Schematics, 1998]
41
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
O Irradiador de dosímetros comporta até um máximo de 10 conjuntos de 50 dosímetros
termoluminescentes, simultaneamente. Os dosímetros podem ser colocados em qualquer
ordem, porque o sistema de leitura automática incorpora um leitor óptico que regista o tipo de
dosímetro e o número de identificação que o caracteriza, em conjunto com os parâmetros de
irradiação considerados. Os componentes electrónicos que controlam o irradiador estão
incorporados no equipamento PanaRad, em conjunto com uma placa de transmissão de dados
que se encontra no computador que controla o equipamento.
A fonte radioactiva do equipamento, utilizada para irradiar dosímetros, é uma fonte de
137
Cs
(emissão de radiação γ de E~660KeV). Esta encontra-se blindada por uma combinação de
chumbo e tungsténio em todo o seu redor. A fonte tem uma actividade nominal de 2 Ci (7,4 x
104 MBq), e a blindagem que a protege tem aproximadamente 10 cm de espessura
PanaRad, 2002].
[Oper.
Um atenuador de aproximadamente factor de 10 de atenuação ao feixe primário
permite que seja feita a escolha entre alta taxa de dose e baixa taxa de dose de irradiação. Na
tabela 3-1 de cálculos de segurança mostrada abaixo, é possível ver as características de
segurança do irradiador da Panasonic em estudo neste projecto.
Tabela 3-1 Cálculos de segurança radiológica do Irradiador PanaRad. [Oper. PanaRad, 2002]
Parâmetros
Valor
Actividade
Taxa de dose da fonte (137Cs)
7,4E+10 Bq
3,3 mSv/hr
Espessura mínima da blindagem de chumbo e tungsténio
Coeficiente de atenuação mássico para fotões de 0,66 MeV
Densidade do chumbo
Coeficiente de atenuação linear para fotões de 0,66 MeV em
chumbo
Exposição expectável no ar, a 1m, sem blindagem
Exposição expectável no ar, a 1m, com blindagem de 10,96 cm de
chumbo
Exposição expectável no ar, à saída da blindagem (a 10,96 cm)
Exposição expectável no ar, à saída do Irradiador (a 25 cm)
Exposição teórica no decorrer de um ano (40 hrs/semana x 52
semanas)
10,96 cm
0,114 cm2/g
11,35 g/cm3
1,29 g/cm2
6,6 mSv/hr
45,79E-07 mSv/hr
38,12E-03 mSv/hr
73,26E-06 mSv/hr
15,24E-02 mSv
A fonte de radiação encontra-se instalada num suporte de tungsténio. A blindagem está
construída de forma a nunca existir uma espessura de chumbo inferior a 9,5 cm em nenhuma
direcção. Para além desta blindagem, na parte inferior existe uma blindagem adicional de
7,6 cm de tungsténio.
A irradiação dos dosímetros é feita no interior da blindagem da fonte. Isto faz com que a
blindagem nunca seja reduzida do ponto de vista do operador, em nenhum momento nem em
42
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
nenhuma situação. O transporte dos dosímetros é conseguido através de um conjunto de
motores de passo e de um posicionador mecânico. O próprio movimento do atenuador
também não afecta a blindagem total. Desta forma, a blindagem é assegurada também em
qualquer local acessível pelo operador. O canal no interior da blindagem permite que o
dosímetro seja posicionado de forma a ser irradiado. Uma tabela com os valores de taxa de
dose obtidos através da blindagem pode ser vista abaixo na tabela 3-2.
Tabela 3-2 Caracterização da Taxa de Dose no exterior do Irradiador de Dosímetros.
Podem ser observados os níveis de radiação máximos, em μSv/hr.
[Reg. Rad. Eval., 2005]
Distância da
blindagem
Parte superior da blindagem
(passagem do dosímetro)
Parte lateral da blindagem
(altura da fonte)
Parte inferior
da blindagem
2,3
1,0
< 0,1
< 0,1
8,6
4,0
< 0,1
< 0,1
3,0
2,0
< 0,1
< 0,1
em contacto
5 cm
30 cm
100 cm
Os dosímetros percorrem um canal feito com dimensões pouco superiores às dos dosímetros e
são posicionados na câmara de exposição, que é um espaço existente entre o atenuador e o
canal para dosímetros, onde os dosímetros podem ser expostos em segurança.
O irradiador é controlado através de um computador e de um software que foi instalado pelo
fornecedor do equipamento. Na interface do irradiador de dosímetros o operador pode
seleccionar entre alta taxa de dose ou baixa taxa de dose de exposição. Escolhida a taxa de
dose, a escolha por parte do operador relativamente à irradiação é em termos de dose ou de
tempo de exposição.
O atenuador está localizado adjacente à fonte, com o solenóide responsável pelo
posicionamento colocado acima do local em que a fonte se encontra. O atenuador é uma vara
de tungsténio com dimensões de 1,6cm x 1,9cm x 8,3cm, e movimenta-se ao longo de um
canal rectangular com dimensões pouco superiores às do atenuador [Reg. Rad. Eval., 2005].
43
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
3.2.
Dosímetros Termoluminescentes
Segue-se uma descrição dos materiais termoluminescente utilizados nos dosímetros do
laboratório, que filtros esses materiais têm associados, e quais as características de resposta
que estes dosímetros fornecem.
3.2.1. Constituição
Os dosímetros termoluminescentes da Panasonic utilizados neste projecto utilizam os
materiais Li2B4O7:Cu, e CaSO4:Tm. O material Li2B4O7:Cu tem um número atómico efectivo
de 7,26, que é semelhante ao número atómico dos tecidos moles do corpo humano, (que é de
aproximadamente 7,42[ICRU,
Report 44, 1989])
o que faz deste material um bom simulador das
interacções que ocorrem nos tecidos moles. Este material é sensível a neutrões, radiação
gama, radiação X, e a partículas beta. O CaSO4:Tm tem um número atómico efectivo de 15,3,
o que lhe garante uma sensibilidade elevada à radiação ionizante. Este material não tem um
número atómico semelhante ao dos tecidos moles, mas tem uma elevada sensibilidade a raios
gama e raios X. Pode ser utilizado em combinação com o primeiro material para determinar a
energia destes tipos de radiação. Este último material tem pouca sensibilidade a neutrões.
Na figura 3-2 abaixo pode ver-se a curva de brilho do elemento Li2B4O7:Cu. Esta apresenta
dois picos de emissão. O pico emitido a 120°C desaparece quase completamente passado um
dia, restando o pico dominante, que se verifica a 205°C. A emissão termoluminescente deste
material ocorre para os 368 nm, que se situam entre o azul e o violeta.
Figura 3-2 Curva de brilho do elemento Li2B4O7:Cu. [Panasonic TL Data]
44
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Na figura 3-3 abaixo pode ver-se a curva de brilho do elemento CaSO4:Tm. Este material
apresenta um pico dominante à temperatura de 220°C, e dois picos a mais baixas
temperaturas. O seu espectro de emissão é nos 364 nm e 452 nm, correspondendo ao violeta e
ao azul, respectivamente.
Figura 3-3 Curva de brilho do elemento CaSO4:Tm. [Panasonic TL Data]
Os dosímetros utilizados são compostos por quatro elementos. Os dois primeiros têm
Li2B4O7:Cu como material constituinte, e os dois seguintes têm CaSO4:Tm como material
constituinte. Os três primeiros filtros são de plástico, tendo o primeiro uma espessura de
14 mg/cm2, e os dois restantes têm uma espessura de 160 mg/cm2. O quarto filtro tem 0,7 mm
de chumbo [UD-8xx Characteristics]. Na figura 3-4 abaixo pode ver-se um esquema da constituição
dos dosímetros utilizados neste projecto.
Figura 3-4 Esquema dos dosímetros termoluminescentes utilizados, e dos seus constituintes (portadosímetro, filtros, elementos e materiais). [Takenaga et al, New Phosphor Li2B4O7:Cu, 1982]
45
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Cada um dos elementos do dosímetro tem uma função específica em termos de obtenção de
informação. Os elementos com filtros de plástico permitem fazer avaliação de dosimetria de
radiação de partículas beta, e da dose à entrada da pele, estando o filtro de plástico presente
para protecção mecânica dos cristais. O filtro de chumbo permite avaliar a dose proveniente
de radiação gama e de radiação X, e quando usado com o filtro de plástico permite obter
informação relativa à energia da radiação incidente.
Devido à variação da resposta do material CaSO4:Tm com a energia da radiação que nele
incidiu, e tendo em factor de consideração que os terceiro e quarto elementos se distinguem
por um deles ter chumbo no filtro, é possível obter uma estimativa da energia da radiação do
feixe incidente através destes dois elementos.
3.2.2. Grandezas de influência4 dos dosímetros
termoluminescentes
Os
dosímetros
termoluminescentes
utilizados
necessitam
de
apresentar
algumas
características de resposta estudadas, para que se saiba o que é expectável deles. De seguida
são analisadas essas características dos elementos, para quando o feixe de radiação é de
radiação electromagnética. Os valores referidos nos sub-capítulos seguintes são apenas
valores representativos do fenómeno nos elementos, podendo variar ligeiramente entre cristais
devido aos métodos de produção. A unidade mR utilizada nas figuras presentes nos
subcapítulos seguintes é representativa de miliroentgen [TLD Reader User’s Manual Cap.1].
3.2.2.1.
Dependência com a Energia
Uma das características dos materiais termoluminescentes é a sensibilidade com a energia da
radiação incidente. Como o objectivo do material Li2B4O7:Cu é proporcionar uma medição de
dose, não é desejável que a contagem obtida por este elemento varie de acordo com outros
factores que não a dose, tal como, por exemplo, a energia da radiação incidente
New
Phosphor
Li2B4O7:Cu,
1982].
[Takenaga et al,
Dentro da gama de energias de interesse radiológico
(10 a 150 KeV), o material apresenta uma resposta aproximadamente constante, dentro de
20% de erro, como pode ser visto na figura 3-5 abaixo.
4
Grandeza de Influência - Grandeza que, numa medição directa, não afecta a grandeza a medir mas
afecta a relação entre a indicação e o resultado da medição. [VIM, IPQ, 2008].
46
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-5 Ilustração da dependência (em resposta termoluminescente) do material Li 2B4O7:Cu em
função da energia da radiação absorvida, para irradiação em ar, e com dispersão em fantoma.
[Panasonic TL Data]
O material CaSO4:Tm é um material que se pretende utilizar em conjunto com o Li2B4O7:Cu
no mesmo dosímetro, para ser possível determinar a energia da radiação incidente. Isto
acontece porque a resposta do CaSO4:Tm varia com a energia da radiação incidente, como
pode ser visto na figura 3-6 abaixo. Para fotões da ordem da dezena de KeV, pode ver-se que
este elemento tem uma sobre estimação de valor de dose medido de cerca de 15 vezes.
47
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-6 Dependência da resposta do material CaSO4:Tm com a energia da radiação.
[Panasonic TL Data]
3.2.2.2.
Dependência com a dose
Outro dos parâmetros de interesse é a variação da resposta dos elementos com a dose recebida
pelo feixe de radiação. Neste caso não se pretende que a dose influencie a resposta de nenhum
dos elementos, visto que é a dose que se pretende que seja medida nas suas respostas. Na
figura 3-7 abaixo pode ver-se que ambos os elementos mantêm uma resposta
aproximadamente constante dentro da gama de valores de dose de interesse radiológico. Isto é
o desejado porque os dosímetros devem ser utilizados na gama de doses em que a sua
resposta é linear.
48
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-7 Variação da resposta dos materiais constituintes dos dosímetros, com a dose. O gráfico
acima é referente ao elemento LiF, e o abaixo é referente ao CaSO. [Panasonic TL Data]
3.2.2.3.
Dependência Temporal
O fading representa a evolução da despovoação das ”armadilhas” de mais baixa energia dos
elementos, à temperatura ambiente. Por esse motivo, convém saber quantificar a evolução
temporal do fading dos elementos para que se possa fazer posteriormente medições sem a
influência negativa deste factor. Na figura 3-8 abaixo pode ser visto o fading de ambos os
elementos expresso em termos de resposta relativa a 24 horas, às temperaturas constantes de
20°C e 40°C.
49
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-8 Efeito do fading no valor obtido pelos elementos Li2B4O7:Cu e CaSO4:Tm.
[Panasonic TL Data]
Para efectuar as medições necessárias à calibração, os dosímetros deverão ser irradiados com
24 horas de antecedência. Isto vai permitir que os electrões armazenados nas ”armadilhas” de
baixa energia decaiam para o estado fundamental, não interferindo no sinal obtido. O tempo
de espera de 24 horas é o aconselhado porque após este período de tempo as respostas dos
dois materiais constituintes dos dosímetros são iguais, como pode ser visto na figura 3-9
abaixo.
50
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-9 Variação do valor obtida pelos materiais cristalinos termoluminescentes dos dosímetros ao
longo do tempo. [TLD Reader User’s Manual Cap.3]
3.2.2.4.
Valor Residual
Outro parâmetro essencial para a utilização destes dosímetros na aplicação profissional de
dosimetria individual é a determinação do valor residual dos elementos. O valor residual é
definido como o valor de leitura obtido para um dosímetro não irradiado. Isto é, quantifica o
sinal luminescente emitido sem que os dosímetros tenham sido expostos a radiação. Na
figura 3-10 abaixo pode ser visto um histograma com os valores residuais e respectiva
frequência de ocorrência de determinado valor (para ambos os elementos) para uma totalidade
de 10 eventos. Pretende-se que este valor seja tão baixo quanto possível, sendo idealmente
nulo, significando que à medição do dosímetro corresponderia apenas um valor da dose
acumulada no mesmo.
51
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-10 Histograma com valores de dose residual dos elementos Li 2B4O7:Cu e CaSO4:Tm, em
frequência, e para uma totalidade de 10 eventos [Panasonic TL Data].
Outras grandezas que poderiam ser estudadas para obter uma completa caracterização dos
dosímetros seriam a reprodutibilidade (as mudanças de sensibilidade com a utilização
progressiva), e a dependência angular. A primeira traduz a variação da incerteza da resposta
do elemento com o seu tempo de utilização, e a dependência angular pretende estudar se a
resposta dos elementos varia de acordo com a direcção de incidência da radiação no
dosímetro.
As grandezas de influência dos dosímetros descritas também o poderiam ser, para partículas
beta, da mesma forma que foram descritas para radiação gama.
52
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
3.3.
Leitor de Dosímetros
Nos parágrafos seguintes será explicado como é composto o Leitor de dosímetros, em termos
mecânicos, qual a técnica que o Leitor de dosímetros utiliza para cumprir a sua função, e
quais os parâmetros característicos do equipamento, quer em termos de tratamento do sinal
captado, quer em termos de auto-calibrações.
3.3.1. Equipamento
O Leitor de dosímetros utilizado neste projecto é composto por uma secção onde podem ser
colocados até 10 conjuntos de 50 dosímetros, um mecanismo de remoção e posicionamento
de cada dosímetro, e um conjunto que permite fazer a leitura do sinal acumulado no
dosímetro. Uma parte electrónica permite depois fazer a transferência de informação para o
computador anexo. Um esquema do sistema de leitura é apresentado na figura 3-11 abaixo.
Figura 3-11 Leitor de dosímetros utilizado neste projecto, e os seus constituintes mecânicos.
[Yamamoto et al, Construction TLD Optical]
O bloco mecânico do Leitor de dosímetros consiste num sistema para colocação dos
conjuntos de dosímetros que vão ser lidos, num sistema de posicionamento dos dosímetros e
53
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
num sistema de leitura de dosímetros termoluminescentes
[TLD Reader Service Manual].
O sistema
de leitura consiste numa unidade de remoção dos suportes dos cristais termoluminescentes
dos seus porta-dosímetros (onde os filtros estão presentes), num sistema de aquecimento, e
num sistema de aquisição. O sistema de aquisição contém um tubo fotomultiplicador que tem
por função recolher o sinal proveniente dos cristais termoluminescentes, e um préamplificador, afecto ao sinal que provém da lâmpada de tungsténio responsável pelo
aquecimento óptico do dosímetro (sistema de aquecimento). Um leitor óptico é responsável
pela leitura do número identificador do dosímetro.
Em destaque na figura 3-11 acima é possível ver o mecanismo de posicionamento do
dosímetro, os componentes do dosímetro, e sistema responsável pela leitura do sinal do
mesmo. O funcionamento do Leitor começa com a selecção do primeiro conjunto de 50
dosímetros presente na secção para tal designada. É removido o primeiro dosímetro presente
no conjunto, e é posicionado num local em que é feita a leitura do seu número de
identificação. De seguida, o suporte dos elementos é removido do porta-dosímetro (onde os
filtros se encontram), e é feita a leitura de cada um dos 4 elementos constituintes do
dosímetro. Após o ciclo de leitura, o mecanismo de posicionamento recoloca o suporte no
porta-dosímetro, e o processo é repetido para o próximo dosímetro e/ou conjunto de
dosímetros. A leitura de cada dosímetro demora aproximadamente 20 segundos, e a leitura do
total de dosímetros que podem estar presentes no Leitor (500 dosímetros no máximo) demora
cerca de 3 horas.
3.3.1.1.
Técnica de leitura
O método de aquisição de sinal do Leitor de dosímetros introduz novas abordagens à leitura
de dosímetros termoluminescentes. O aquecimento é feito através de um método óptico, é
aplicado um método de contagem de fotões que pode substituir o método de contagem por
frequência, e o sistema consegue fazer o aquecimento dos elementos até aos 350°C em
aproximadamente um segundo, sem perda de reprodutibilidade dos resultados
[TLD Reader User’s
Manual Cap.2].
O aquecimento do material termoluminescente provoca a libertação de energia sob a forma de
luz visível. Este aquecimento do material faz com que os electrões que tinham passado para o
estado excitado devido à exposição à radiação retornem ao estado fundamental. É esta
passagem ao estado fundamental por parte dos electrões que causa a emissão de fotões
responsáveis pela luz emitida. O aquecimento dos elementos é feito através da utilização de
uma lâmpada de tungsténio. Como o espectro de emissão dos elementos é na região do
visível, os componentes de luz visível provenientes da lâmpada com comprimentos de onda
abaixo dos 1,2μm são impedidos de entrar no tubo fotomultiplicador. Isto é feito com a
54
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
colocação de um filtro de silício no caminho da luz de aquecimento. A luz com comprimento
de onda na região do infra-vermelho é feita convergir num substrato de plástico resistente ao
calor, que vai causar o aquecimento dos cristais termoluminescentes. Um esquema deste
processo pode ser visto na figura 3-12. O pulso de luz proveniente da lâmpada de tungsténio
é focado num substrato de plástico revestido a carbono, provocando o aquecimento do
elemento termoluminescente. A luz emitida pelo cristal, devido ao aquecimento, é guiada por
um revestimento transparente de Teflon, e por uma guia de luz feita de quartzo até à entrada
do tubo fotomultiplicador.
Figura 3-12 Esquema representativo do aquecimento óptico dos elementos. [Yamamoto et al, Construction
TLD Optical]
Entre o cristal e o tubo fotomultiplicador, responsável pela recolha de radiação, encontra-se
um filtro azul que remove componentes de comprimento de onda elevado (como o da
radiação infra-vermelha), para estes não serem contabilizados, influenciando a leitura.
Com este método o elemento pode ser aquecido até aos 350°C em cerca de um segundo, e a
leitura de um elemento é conseguida em aproximadamente três segundos. Isto acontece
porque a cada uma das três fases de leitura: pré-aquecimento, leitura, e annealing,
correspondem pulsos de luz por parte da lâmpada de infra-vermelhos.
Aquando do ciclo de leitura, a lâmpada de tungsténio responsável pelo aquecimento emite
três pulsos luminosos, cada um correspondente a cada uma das três fases do ciclo.
Na figura 3-13 abaixo pode ser visto ao longo do tempo a correspondência entre a aplicação
de diferença de potencial no tubo fotomultiplicador, a variação da temperatura do dosímetro,
e a correspondente obtenção das curvas de brilho dos dois elementos constituintes dos
dosímetros.
55
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 3-13 Ciclo de leitura de um dosímetro, constituído pelas fases de pré-aquecimento, leitura, e
annealing. [Yamamoto et al, Construction TLD Optical]
O ciclo de leitura de cada elemento (ou cristal) de cada dosímetro é composto por três etapas.
A cada etapa corresponde um pulso de luz por parte da lâmpada de aquecimento. Na primeira
etapa o dosímetro é aquecido o suficiente para eliminar o sinal que seria obtido a partir das
”armadilhas” de baixa temperatura, e que poderia contribuir para a obtenção de um valor não
real da dose com que o dosímetro foi previamente irradiado. A esta primeira fase dá-se a
nome de pré-aquecimento, e o dosímetro atinge a temperatura de 120°C. Na fase de leitura o
dosímetro é aquecido até aos 300°C, temperatura suficiente para que se dê a despovoação de
todas as ”armadilhas” que contribuem significativamente para o sinal desejado. Na terceira
fase o dosímetro é aquecido até aos 350°C com o objectivo de remover qualquer sinal residual
que ainda se encontre no dosímetro após as fases anteriores, preparando-o para reutilização. A
esta terceira fase dá-se o nome de annealing de curta duração. Na figura 3-13 acima pode-se
ver que todo o ciclo de leitura de cada elemento dura cerca de 2 s. À zona a sombreado
corresponde a área útil para a determinação do valor de dose.
O método de detecção e contagem de radiação pode ser um método de contagem de fotões,
quando o sinal obtido é de baixa intensidade. Este apresenta uma elevada sensibilidade,
permitindo a detecção de baixa intensidade de luminescência. Outro método de contagem é
por integração (também designado contagem por frequência), ideal para intensidades elevadas
detectadas. O primeiro método permite a contagem de pulsos emitidos pelo tubo
fotomultiplicador a baixas exposições. Este método tem uma resposta linear até ao momento
56
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
em que os pulsos causados pelos fotões causam a saturação da contagem de fotões. É a partir
deste momento que o método de contagem por frequência é utilizado. Este segundo método é
linear para elevadas exposições, mas é não linear nas baixas exposições. O nível de dose
medido que separa a utilização dos dois métodos de contagem é denominado de crossover
point. Na figura 3-14 abaixo pode ser vista a resposta de ambos os métodos com a dose lida.
Figura 3-14 Curvas ilustrando a resposta dos dois métodos de contagem, com a dose detectada.
É observável a linearidade da resposta do método de contagem por fotões
até aproximadamente 11 mSv (1,1 rem) e a linearidade da resposta do método de contagem por
frequência a partir de aproximadamente 10 mSv (1 rem).
[TLD Reader User’s Manual Cap.2]
Na figura acima pode ser vista a linearidade da resposta dos métodos, e o momento em que o
método de contagem por fotões deixa de ter uma resposta linear (aproximadamente 11 mSv) e
o método de contagem por frequência passa a ter uma resposta linear (aproximadamente
10 mSv).
3.3.2. Parâmetros do Leitor de dosímetros
Durante a utilização do Leitor de dosímetros existe uma verificação e/ou correcção
automática de certos parâmetros. Estas incluem a calibração do Leitor de acordo com a sua
sensibilidade óptica na altura da obtenção do sinal, a monitorização da voltagem no tubo
fotomultiplicador, a subtracção do sinal de fundo existente na localização do Leitor e no
momento de leitura, a verificação da identificação do dosímetro de acordo com um código de
verificação binária, entre outros parâmetros mecânicos que são seguidos durante o
funcionamento do equipamento [TLD Reader User’s Manual Cap.1]. No caso de um erro ser detectado,
57
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
o sistema alerta automaticamente o operador. De seguida são apresentados e definidos outros
termos relevantes relativos ao processamento da informação obtida pelo Leitor.
3.3.2.1.
Verificação do elemento de referência
No início da leitura de cada dosímetro, aquando do alinhamento do dosímetro com a lâmpada
de aquecimento e o tubo fotomultiplicador, é feita a leitura do elemento de referência. Esta
leitura permite verificar a integridade do filtro de silício e do filtro azul, numa leitura que é
independente da medição do valor acumulado no dosímetro. Uma passagem estreita da luz da
lâmpada de tungsténio é colocada no caminho do feixe para permitir que apenas uma
quantidade reduzida de luz chegue ao tubo.
O valor produzido por este procedimento é obtido pelo contador de fotões, por este ser
demasiado baixo para que o contador de frequência tenha uma resposta linear, e é depois
comparado com um valor de referência que se encontra armazenado em memória no Leitor.
No caso do valor obtido ser demasiado diferente do valor de referência, um sinal de alerta é
emitido ao operador, e a leitura é interrompida.
3.3.2.2.
“Valor de Fundo” de leitura de dosímetro
Para se ter uma noção de quanto do valor medido não provém da lâmpada de aquecimento, é
feita a medição do valor natural produzido no tubo fotomultiplicador quando a lâmpada está
desligada. O valor de fundo é a medição natural do tubo fotomultiplicador causada por luz
externa ao sistema de leitura de dosímetros e por ruído electrónico. A contagem de valor de
fundo obtida é guardada nos parâmetros do Leitor. Esta contagem é feita para a leitura de
cada dosímetro. Isto permite também estimar o valor devido à luz exterior ao equipamento,
que está a ser detectada.
3.3.2.3.
Factor de Correcção da Sensibilidade do Leitor
No início da leitura de cada conjunto de dosímetros, o Leitor faz uma calibração do seu tubo
fotomultiplicador. Esta calibração é feita através de uma fonte de luz constante por unidade de
tempo. A fonte de luz utilizada é uma fonte de Carbono-14 em conjunto com um cintilador.
Como esta fonte emite uma quantidade de luz constante por unidade de tempo, é esperado que
o valor lido pelo tubo fotomultiplicador seja sempre o mesmo em todas as leituras. O Factor
de Correcção da Sensibilidade do Leitor traduz a degradação das leituras devido
principalmente a sujidade acumulada à entrada do tubo fotomultiplicador. O factor de
correcção não é utilizado para ajustar a resposta do Leitor, mas é utilizado como um factor de
58
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
proporcionalidade na computação do valor lido quer pelo método de contagem de fotões, quer
pelo método de contagem por frequência, dependendo de qual se aplica na leitura.
A obtenção deste factor é através de uma fonte de luz de Carbono-14 que é medida utilizando
a contagem por fotões. Para cada conjunto de dosímetros que o Leitor começa a ler, são feitas
dez contagens da fonte de luz, e a média dessas contagens é comparada com um parâmetro
que se encontra pré-definido no Leitor. A razão entre o valor que deveria ter sido obtido e o
valor obtido fornece o valor de proporcionalidade que vai corrigir as medições efectuadas.
3.3.2.4.
Verificação por Paridade
O número de identificação de cada dosímetro e as transmissões de informação entre o Leitor e
o computador que o suporta são efectuadas em formato binário. Para verificar através de um
método simples, que a obtenção do valor em leitura foi efectuada sem erros, é utilizada uma
técnica designada verificação por paridade. Nesta técnica é feita a soma dos 0s e 1s do código
binário, e comparada com o valor de paridade que essa sequência de números deveria ter.
3.3.2.5.
Razão de Sensibilidade dos Cristais
O material CaSO4:Tm é o material termoluminescente de referência no Leitor. Este material
tem uma sensibilidade cerca de 30x superior à do material Li2B4O7:Cu, e por esse motivo este
factor de sensibilidade é utilizado na calibração do Leitor. Para compensar a baixa emissão do
material Li2B4O7:Cu relativamente ao material CaSO4:Tm, o parâmetro Razão de
Sensibilidade dos Cristais é aplicado à leitura efectuada pelo tubo fotomultiplicador.
59
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
60
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
4. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE DOSIMETRIA 5
Neste subcapítulo é explicado como é efectuada a calibração de cada um dos componentes do
laboratório, sendo eles os elementos termoluminescentes constituintes dos dosímetros, os
parâmetros relativos ao Leitor de dosímetros e a fonte de radiação contida no Irradiador de
dosímetros.
4.1.
Calibração dos Dosímetros
A calibração dos dosímetros é referente a cada um dos elementos termoluminescentes que os
constituem. A calibração de cada classe de dosímetros é distinta, pelo que se requer um
agrupamento prévio dos dosímetros em classes.
4.1.1. Agrupamento em classes de dosímetros
Este projecto enquadra-se no âmbito do processo de aceitação (acceptance testing) de um
sistema de dosimetria termoluminescente inovador adquirido pela empresa que colaborou na
realização deste trabalho.
O objectivo da implementação deste sistema é a sua posterior utilização para efectuar controlo
dosimétrico individual de trabalhadores expostos a radiações ionizantes. Neste sentido, é
necessário agrupar o número total de dosímetros em classes de dosímetros. As classes
necessárias são as de dosímetros de campo, dosímetros de controlo de qualidade e dosímetros
de referência (primários e secundários).
Os dosímetros primários são os que serão utilizados para garantir a rastreabilidade das
medições efectuadas até um laboratório de metrologia primário ou secundário e deste até ao
Sistema Internacional. Estes dosímetros serão os que menos exposições terão à radiação, e
serão aqueles em que a reprodutibilidade tem maior efeito e necessidade. Os dosímetros
secundários serão utilizados também em calibrações, mas em calibrações apenas internas ao
laboratório. Por este motivo, os dosímetros secundários necessitarão de menor
reprodutibilidade do que os dosímetros primários. Os dosímetros de controlo de qualidade são
5 Calibração - Operação que, em condições especificadas, num primeiro passo, estabelece a relação
entre os valores da grandeza com incertezas de medição provenientes de padrões e as indicações
correspondentes com incertezas de medição associadas e, num segundo passo, usa esta informação para
estabelecer uma relação para obter o resultado de medição de uma indicação.
Ajuste de um sistema de medição - conjunto de operações realizadas num sistema de medição para
que ele forneça as indicações correspondentes aos valores dados da grandeza a medir.
61
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
os dosímetros utilizados na aplicação profissional do laboratório, no que se refere a leituras de
valores de dose de dosímetros de campo. Os dosímetros de campo são os dosímetros
utilizados para efectuar as medições de dose individual dos trabalhadores expostos.
Na figura 4-11 abaixo o diagrama ilustra as diversas classes de dosímetros e as suas interrelações.
Figura 4-1 Esquema com todas as classes de dosímetros e suas inter-relações.
4.1.2. Cálculo dos factores de correcção dos dosímetros
Devido ao processo de fabrico dos cristais termoluminescentes, cada elemento (cristal) dos
dosímetros apresenta uma resposta única. Para se conhecer o valor real de exposição a partir
do valor obtido pelos elementos dos dosímetros, é primeiro necessário calibrar cada um dos
quatro elementos dos dosímetros. A calibração dos elementos é feita atribuindo a cada
elemento um factor de proporcionalidade a que corresponde o quociente entre o valor lido e a
média do valor obtido para a mesma irradiação com dosímetros de referência. A este factor de
proporcionalidade dá-se o nome de factor de correcção do elemento (ECF – de Element
Correction Factor, do original). Cada dosímetro tem quatro ECF, um para cada elemento
constituinte [TLD Reader User’s Manual Cap.6].
Os ECF dos dosímetros de referência são calculados tendo como base a média da resposta
desses mesmos dosímetros, segundo a equação 3 seguinte:
(3),
em que
é o valor obtido pelo elemento no dosímetro e
é a média dos valores obtidos
pelos elementos iguais de todos os dosímetros. Os ECF são calculados mais do que uma vez,
sendo considerado como valor final a média dos valores de ECF obtidos. Para dosímetros
62
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
primários, os ECF calculados são obtidos a partir da média de 5 medidas independentes. Para
as restantes classes de dosímetros é feita a média de 3 medidas.
Para calcular os ECF dos dosímetros secundários utiliza-se para comparação a média dos
valores obtidos para cada elemento dos dosímetros de referência (neste caso os dosímetros de
referência são os primários), já corrigidos com os ECF. No cálculo dos dosímetros de campo
e de controlo de qualidade, os dosímetros de referência são os dosímetros secundários. O que
isto significa é que para a calibração dos dosímetros primários, apenas estes necessitam de ser
irradiados. Para o cálculo dos ECF dos dosímetros secundários é necessária a irradiação dos
dosímetros secundários e de alguns primários por ser com estes últimos que é feita a
comparação. Para o cálculo dos ECF dos dosímetros de campo e de controlo de qualidade, é
necessário que seja feita a irradiação dos dosímetros que se deseja calibrar, em conjunto com
alguns dosímetros secundários [PanaRad Calibration Procedures, 1981].
A atribuição da classe a que cada um dos dosímetros pertencerá é feita a partir da
reprodutibilidade dos seus resultados. Antes de serem calculados os ECF dos dosímetros, é
necessário irradiá-los e verificar qual a dispersão de resultados que cada elemento de cada
dosímetro apresenta. Este grau de dispersão ou de reprodutibilidade calcula-se através da
equação 4 abaixo:
(4),
em que
elemento do dosímetro e
é o desvio padrão das diversas leituras obtidas por parte do
é a média das diversas leituras do elemento do dosímetro. Os
dosímetros são seleccionados de acordo com a ordem crescente de reprodutibilidade segundo
as classes primários, secundários, de controlo de qualidade, e por fim, dosímetros de campo.
63
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
4.2.
Calibração do Leitor de dosímetros
A calibração do Leitor de dosímetros entra em consideração com dois factores. Estes são a
resposta do Leitor (em mSv) ao valor de dose lido nas curvas de brilho dos elementos dos
dosímetros, e o factor aplicado devido ao parâmetro Razão de Sensibilidade dos Cristais, que
permite que seja feita a amplificação do sinal do material Li 2B4O7:Cu
Cap.3].
[TLD Reader User’s Manual
A obtenção destes parâmetros é conseguida enviando os dosímetros primários a irradiar
num laboratório primário ou secundário, garantindo assim a rastreabilidade dos resultados
obtidos ao Sistema Internacional. Os dosímetros são depois lidos pelo Leitor de dosímetros,
tendo o cuidado de eliminar o sinal (de fundo) que foi registado com os dosímetros de
transporte, e sempre tendo em consideração que os valores obtidos para cada elemento
necessitam de ser corrigidos com os ECF respectivos. Os elementos relevantes na calibração
são os elementos 2 e 3, por apresentarem o mesmo tipo de filtro. É analisado o desvio-padrão
dos resultados, e considerando-se este dentro de valores aceitáveis, é feito o ajuste. O desviopadrão para o elemento Li2B4O7:Cu pode ser aceite superior ao do CaSO4:Tm devido à sua
inferior sensibilidade.
A resposta do Leitor em termos de dose é dada pelo parâmetro PBCF – Photon Counter
Batch Correction Factor, cuja fórmula de cálculo se encontra na equação 5 abaixo:
(5),
em que
é a média do valor obtido no terceiro elemento (CaSO4:Tm) dos dosímetros
utilizados, com os valores já ponderados com os respectivos ECF, e
é o valor teórico com
que os dosímetros foram irradiados.
O parâmetro de Razão de Sensibilidade dos Cristais (PSCF – Phosphor Sensitivity Ratio
Correction Factor) é ajustado obtendo-se um novo valor para o mesmo. O valor é calculado
segundo a fórmula da equação 6:
(6),
em que
é a média do valor obtido no segundo elemento (Li2B4O7:Cu) dos dosímetros
utilizados, após correcção com os respectivos valores de ECF.
64
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
4.3.
Calibração do Irradiador de dosímetros
O irradiador tem armazenado na memória a taxa de dose a que a fonte nele existente, de 137Cs,
debita radiação ionizante, na gama de irradiação do dosímetro. Quando o operador define a
dose com que pretende que o(s) dosímetro(s) seja(m) irradiado(s), o irradiador calcula
automaticamente o tempo de exposição necessário. Quando o tempo é definido, o irradiador
calcula e mostra ao operador a dose da irradiação total. Sabendo o tempo de semi-vida do
137
Cs, e sabendo que a actividade da fonte vai decrescendo com o tempo, o irradiador vai
ajustando automaticamente com o tempo o parâmetro de taxa de dose. Num ajuste do
irradiador é colocada a taxa real de débito de radiação que o irradiador apresenta, e a data em
que isso se verificou. O cálculo do decréscimo de actividade vai sendo depois feito
automaticamente pelo equipamento6.
Para efectuar a calibração, dosímetros são irradiados com uma dose conhecida, sendo depois
lida a dose acumulada nos dosímetros.
A taxa de débito de dose actualizada é dada pela fórmula presente na equação 7:
(7),
em que D é a dose de irradiação definida pelo operador, D’ é a média do valor lido pelos
dosímetros utilizados, e
é a taxa actual de débito de dose guardada nos parâmetros do
irradiador. Nesta medida a calibração do irradiador é feita indirectamente, uma vez que é
comparada a resposta lida pelos dosímetros quando expostos a valores de radiação conhecidos
de
137
Cs. Após a determinação da nova taxa de dose, é necessário substituir o valor no
parâmetro correspondente, do equipamento.
6
Quando a taxa de dose presente nos parâmetros do irradiador é inferior à taxa real de débito de dose, a
dose a que os dosímetros serão expostos será superior à definida e desejada pelo operador, e quando for
superior à real, a dose absorvida pelos dosímetros será inferior à definida e desejada pelo operador.
Este conceito é o utilizado para a calibração do irradiador.
65
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
66
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
5. RESULTADOS
Neste capítulo são apresentados os resultados mais relevantes obtidos neste estudo. As classes
de dosímetros e suas características são explicitadas e é apresentado um histograma com a
distribuição de calibrações de todos os dosímetros. São também detalhadas as calibrações do
Leitor de dosímetros e do irradiador de dosímetros. Na parte final do capítulo são
apresentados os resultados da medição do fading, da medição do valor residual, e da
linearidade. É também apresentada a análise dos dados que permitiu a obtenção do algoritmo
para determinação da energia média com que o dosímetro foi irradiado, e de compensação da
resposta do dosímetro em função dessa mesma energia.
5.1.
Calibrações
Nos parágrafos seguintes é demonstrada a escolha de classes dos dosímetros, a calibração dos
mesmos, e as calibrações do Leitor e do Irradiador de dosímetros. De referir que os
equipamentos Leitor e Irradiador apresentam as leituras efectuadas num submúltiplo da
unidade Roentgen (mR). A equivalência à unidade de dose milirad7 (mrad) requer a
calibração dos mesmos. Neste sentido, é importante considerar a diferença entre os valores
apresentados, e respectivas grandezas, nesta dissertação.
5.1.1. Calibração dos dosímetros
A primeira fase de aceitação do sistema de dosimetria individual do laboratório foi a
caracterização e agrupamento dos dosímetros em termos das suas classes.
5.1.1.1.
Agrupamento por classes
As classes de dosímetros consideradas foram:
Dosímetros Primários;
Dosímetros Secundários;
Dosímetros de Controlo de Qualidade;
Dosímetros de Campo.
7
Dependendo do modo como a calibração é efectuada, assim pode a unidade mR visível no mostrador
do Leitor de dosímetros e no Irradiador de dosímetros representar diferentes unidades, tais como
miliroentgen, milirad, ou milisievert.
67
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
A diferença entre estas classes, e o que as distingue, é a reprodutibilidade que se deseja que
apresentem. A lista acima está em ordem decrescente de reprodutibilidade desejada. Isto
porque a ordem acima é de hierarquia metrológica.
Para determinar a reprodutibilidade dos elementos dos dosímetros é necessário irradiá-los, e
ler as suas respostas. A variação de resposta que os elementos dos dosímetros apresentam vai
determinar as suas reprodutibilidades. De notar que a reprodutibilidade é obtida para cada
elemento, segundo a equação 4. Cada dosímetro tem quatro elementos. Desta forma, a
reprodutibilidade de um dosímetro é melhor do que, por exemplo 5%, se todos os seus
elementos constituintes tiverem uma reprodutibilidade melhor do que 5%.
Os dosímetros do laboratório foram irradiados cinco vezes com uma dose de radiação
conhecida, e foi calculada a variação máxima obtida para a resposta de cada dosímetro. Na
tabela 5-1 abaixo pode-se ver o número de dosímetros pretendidos para cada classe e a
respectiva reprodutibilidade conseguida.
Tabela 5-1 Para cada classe é apresentado o número de dosímetros desejado, e a reprodutibilidade
obtida.
Classe
Qtd desejada
Reprodutibilidade Obtida
Primários
100
< 1,56%
Secundários
50
1,56% < 1,73%
CQ
50
1,73% < 1,88%
Campo
Restantes
1,88% < 10%
Pretendeu-se uma quantidade de 100 dosímetros para Dosímetros Primários. Como tal,
escolheram-se os primeiros 100 dosímetros com a melhor reprodutibilidade (tendo em
consideração todos os elementos). Removendo estes, determinou-se quais os 50 seguintes.
Estes ficaram definidos como Dosímetros Secundários. Os 50 seguintes pertencem à classe de
dosímetros de Controlo de Qualidade, e os restantes são Dosímetros de Campo para serem
utilizados por trabalhadores profissionalmente expostos.
5.1.1.2.
Factores de correcção dos elementos (ECF) dos
dosímetros
O cálculo do ECF dos dosímetros foi efectuado utilizando a equação 3 após se saber a que
classe cada dosímetro pertence. Os ECF foram calculados para uma totalidade de 7500
68
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
dosímetros (correspondendo a 30 000 ECF calculados). Na figura 5-1 abaixo pode ser visto
um histograma com a distribuição dos ECF calculados.
Figura 5-1 Histograma da distribuição de factores de correcção dos elementos (cristais) calculados.
O histograma acima inclui todas as classes de dosímetros. É de salientar a distribuição
gaussiana dos resultados, em que a maioria dos elementos constituintes dos dosímetros
apresenta um ECF de valor próximo ao unitário.
5.1.2. Calibração do Leitor de dosímetros
Para efectuar a calibração do Leitor foram enviados os dosímetros primários a irradiar no
RPII (Radiological Protection Institute of Ireland), um laboratório secundário de metrologia
de radiações ionizantes. A irradiação foi de 2 mSv e os resultados obtidos podem ser vistos na
tabela 5-2 abaixo.
69
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Tabela 5-2 Valores médios obtidos antes do ajuste do Leitor.
E2
Valor Médio
(mSv)
1,152
Desvio Padrão
Relativo (%)
4,4
E3
1,108
2,3
Photon Counter Batch
Correction Factor (PBCF)
Phosphor Sensitivity Ratio
Correction Factor (PSCF)
0,55
1,04
Os parâmetros PBCF (Photon Counter Batch Correction Factor) e PSCF (Phosphor Sensitivity
Ratio Correction Factor) foram convertidos nos parâmetros próprios do equipamento e
substituídos. Pode-se ver que para um valor de irradiação de 2 mSv, a resposta por ambos os
elementos foi de aproximadamente 1,1 mSv.
Após o ajuste repetiu-se o procedimento, e os valores obtidos foram os presentes na
tabela 5-3 abaixo.
Tabela 5-3 Valores médios obtidos após o ajuste do Leitor.
E2
Valor Médio
(mSv)
1,805
Desvio Padrão
Relativo (%)
4,6
E3
1,972
1,7
Photon Counter Batch
Correction Factor (PBCF)
Phosphor Sensitivity Ratio
Correction Factor (PSCF)
0,99
0,92
Na validação já é possível observar que o parâmetro PBCF se aproxima do valor unitário, e
que os valores obtidos de dose estão próximos de 2 mSv.
Durante o decorrer desta dissertação foi efectuada nova calibração e ajuste ao Leitor de
dosímetros. Para esta calibração os dosímetros foram enviados para serem irradiados no ITN Instituto Tecnológico e Nuclear. Os valores anteriores à calibração eram os dispostos na
Tabela 5-4.
70
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Tabela 5-4 Valores médios obtidos antes do segundo ajuste do Leitor.
E2
Valor Médio
(mSv)
1,824
Desvio Padrão
Relativo (%)
3,7
E3
1,901
1,5
Photon Counter Batch
Correction Factor (PBCF)
Phosphor Sensitivity Ratio
Correction Factor (PSCF)
0,95
0,96
Os parâmetros de PBCF e PSCF foram convertidos no formato dos parâmetros próprios do
Leitor de dosímetros, e os valores obtidos após o ajuste são os presentes na Tabela 5-5.
Tabela 5-5 Valores médios obtidos após o segundo ajuste do Leitor.
E2
Valor Médio
(mSv)
2,019
Desvio Padrão
Relativo (%)
4,2
E3
2,118
2,0
Photon Counter Batch
Correction Factor (PBCF)
Phosphor Sensitivity Ratio
Correction Factor (PSCF)
1,06
0,95
Convém referir aqui que é observável a diferença entre os valores anteriores e posteriores ao
primeiro ajuste e os valores anteriores e posteriores ao segundo ajuste. O segundo ajuste do
equipamento e posteriores, embora essenciais, são “ajustes finos” ao desempenho do mesmo,
quando comparadas com o primeiro ajuste.
5.1.3. Calibração do Irradiador de dosímetros
Numa fase inicial, a calibração do Irradiador consistiu em irradiar dosímetros no Irradiador,
com uma dose conhecida, e comparar esse valor de dose conhecida com o valor medido no
Leitor de dosímetros que já se encontrava correctamente calibrado. Na tabela 5-6 abaixo são
apresentados os parâmetros de irradiação do Irradiador para o primeiro conjunto de
dosímetros a ser irradiado.
71
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Tabela 5-6 Exemplo de parâmetros disponíveis na interface com o operador. Estes parâmetros foram
os utilizados para efectuar a primeira calibração do Irradiador de dosímetros.
Parâmetros Iniciais
Taxa de irradiação definida
19,84
mR/s
Tempo calculado
4,87
s
Dose escolhida
100
mR
Na tabela é apresentada a Taxa de irradiação inicialmente definida no Irradiador, a dose
escolhida pelo operador para irradiação, e o tempo necessário para a irradiação calculado
automaticamente pelo software do irradiador.
Após a leitura dos dosímetros, obteve-se o valor médio de dose medido nos dosímetros.
Obtido este valor, e utilizando a equação 7, calculou-se a taxa real de dose teórica, da fonte
contida no irradiador. Realizou-se o ajuste da taxa de dose no Irradiador. Após este ajuste
repetiu-se o processo de calibração-ajuste-calibração até se atingir um valor de erro relativo
abaixo dos 2 %. Na tabela 5-7 abaixo podem ser vistas todas as calibrações efectuadas com
esse propósito.
Tabela 5-7 Valores obtidos para cada calibração efectuada ao Irradiador. Entre cada duas irradiações
foi efectuado um ajuste ao Irradiador através do cálculo da equação 7.
Calibrações
1ª
2ª
3ª
4ª
5ª
Taxa de irradiação
definida (mR/s)
19,84
42,87
44,84
39,86
42,33
Valor Medido
(mSv)
2,38
2,18
2,15
1,95
2,04
Incertezas das Erro Relativo
medições (mSv)
(%)
0,22
19%
0,18
9,0%
0,08
7,5%
0,08
-2,5%
0,08
1,8%
Incerteza
Relativa (%)
11%
9,0%
4,2%
4,1%
4,0%
Entre cada duas calibrações foi efectuado um ajuste à taxa de Irradiação do Irradiador.
Numa fase posterior foi efectuado um segundo conjunto de verificações ao Irradiador. Este
conjunto de calibrações e ajustes do Irradiador foi efectuado com base em duas fases de
irradiações.
A primeira fase de irradiação foi efectuada pelo ITN - Instituto Tecnológico e Nuclear a 20
dosímetros, e a partir da comparação da leitura destes dosímetros com 20 dosímetros
irradiados pelo Irradiador com intervalos de tempo semelhantes foi efectuada a calibração.
A segunda irradiação foi efectuada no HPA – Health Protection Agency, e permitiu validar o
ajuste efectuado após a primeira fase. Foram enviados 12 dosímetros a irradiar no HPA, e
72
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
foram irradiados 12 dosímetros pelo Irradiador que se pretende calibrar. Para cada uma das
irradiações foi utilizado um conjunto de 12 dosímetros de fundo. Os dosímetros foram depois
todos lidos em conjunto. Na Tabela 5-8 pode ser visto o resumo dos resultados obtidos.
Tabela 5-8 Valores normalizados obtidos antes (1ª Calibração) e depois (2ª Calibração) do ajuste
efectuado ao Irradiador na segunda fase.
Valor medidos
normalizados (mSv)
Desvio Padrão
Relativo (%)
1ª Calibração
2,160
2,83
2ª Calibração
2,016
3,67
O método de ajuste do Irradiador foi igual ao utilizado na primeira calibração, isto é,
utilizando a equação 7, e ajustando a Taxa de irradiação.
73
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
5.2.
Determinação do Fading (Desvanecimento do
sinal)
Para a determinação do fading foram irradiados dosímetros com uma dose de radiação de 2
mSv, e lidos nos seguintes intervalos de tempo:
20 dosímetros lidos nas 1ª, 3ª, 5ª. 8ª, 16ª, 24ª, 36ª, 48ª horas após a irradiação e
também após os primeiros 10 minutos;
10 dosímetros lidos nos 3º, 4º, 5º, 6º, 7º, 10º, 15º, 20º, 45º, 75º dias após a irradiação;
Após 30, 60 e 90 dias de irradiação também foi utilizado um conjunto de
20 dosímetros, por ser uma quantidade de tempo com um significado prático e
profissional relevante8.
Cada conjunto de 20 dosímetros foi lido conjuntamente com 10 dosímetros de fundo, e cada
conjunto de 10 dosímetros foi lido em conjunto com 5 dosímetros de fundo.
A partir das medições efectuadas foram construídos os gráficos presentes nas figuras
seguintes.
De modo a facilitar a visualização dos mesmos, nos gráficos da figura 5-2 está representado o
fading do material Li2B4O7:Cu, e na figura 5-3 está representado o fading para o material
CaSO4:Tm. As incertezas das medições, que estão representadas nas figuras, foram obtidas
calculando o dobro do desvio-padrão associado aos valores medidos. A consulta de um
resumo dos valores numéricos que originaram as figuras abaixo pode ser efectuada nos
anexos desta dissertação, na Tabela 9-1.
O significado profissional relevante surge porque as periodicidades de leitura de dosímetros
individuais podem ser mensais, bimestrais e trimestrais. Os 30 dias de fading são relevantes para
controlos de dosimetria individual com periodicidade mensal, os de 60 dias são relevantes para
controlos de dosimetria individual com periodicidade bimestral, e os de 90 dias para controlos
trimestrais.
8
74
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 5-2 Ilustração do fading (desvanecimento do sinal termoluminescente), para o material
Li2B4O7:Cu. No gráfico acima pode ser visto o fading a longo prazo, e no gráfico abaixo pode ser visto
o fading a curto prazo. Os valores estão normalizados para o valor de leitura obtido 24 horas após a
irradiação. As barras de incerteza são obtidas pelo dobro do desvio-padrão da medição correspondente.
75
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 5-3 Ilustração do fading (desvanecimento do sinal termoluminescente), para o material
CaSO4:Tm. No gráfico acima pode ser visto o fading a longo prazo, e no gráfico abaixo pode ser visto
o fading a curto prazo. Os valores estão normalizados para o valor de leitura obtido 24 horas após a
irradiação. As barras de incerteza são obtidas pelo dobro do desvio-padrão da medição correspondente.
76
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Na figura 5-4 seguinte é possível efectuar a comparação do comportamento de ambos os
materiais em termos de fading.
Figura 5-4 Ilustração do fading para ambos os materiais presentes nos dosímetros. No gráfico acima
pode ser visto o fading a longo prazo, e no gráfico abaixo pode ser visto o fading a curto prazo. Os
valores estão normalizados para o valor de leitura obtido 24 horas após a irradiação, para cada material.
As barras de incerteza são obtidas pelo dobro do desvio-padrão da medição correspondente.
No capítulo 3.2.2.3, de dependência temporal, foram apresentadas as previsões do fabricante
em como os materiais Li2B4O7:Cu e CaSO4:Tm são caracterizados por uma perda de sinal
77
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
desde a irradiação até à leitura de 24 horas depois, de aproximadamente 60% e 5%,
respectivamente (Figura 3-9). Tinha também sido previsto que os materiais Li2B4O7:Cu e
CaSO4:Tm estabilizavam as suas respostas de sinal termoluminescente aproximadamente em
90% do valor de irradiação após 40 dias, e em 95% após 100 dias, respectivamente
(Figura 3-8).
No cálculo do decréscimo do sinal termoluminescente desde 10 minutos após a irradiação até
24 horas após a irradiação obteve-se os valores de aproximadamente 18% e 6%, para os
materiais Li2B4O7:Cu e CaSO4:Tm, respectivamente. Isto pode ser verificado visualmente nos
gráficos acima (Figura 5-2, para o Li2B4O7:Cu e Figura 5-3, para o CaSO4:Tm). Isto está
concordante qualitativamente com o previsto, com a excepção que se previa que o material
Li2B4O7:Cu tivesse uma sobre resposta acima da observada. Tal pode dever-se ao facto do
primeiro valor ter sido obtido 10 minutos após a irradiação.
Analisando os gráficos acima pode verificar-se que os valores de estabilização do sinal são
aproximadamente as previstas, embora o material Li2B4O7:Cu aparente estar a estabilizar num
valor inferior (de aproximadamente 80% do valor de irradiação, face aos 90% esperados). A
aquisição de um valor seguinte (para 120 dias, por exemplo) poderia beneficiar a análise.
78
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
5.3.
Medição do Valor Residual
Na medição de valor residual pretendeu-se investigar uma eventual influência de diferentes
doses de irradiação no valor residual resultante. Em caso afirmativo foi objectivo determinar
qual o valor residual obtido e caracterizar a sua influência nos resultados de leitura realizados
com os dosímetros. As vantagens de submeter os dosimetros a um segundo processo de
tratamento térmico (annealing), foi também investigada.
5.3.1. Análise de resultados
Para as medições, foram irradiados 40 dosímetros com 1, 2 e 5 mSv. Foram também
utilizados
dosímetros
que
tinham
acumulado
um
fundo
de
aproximadamente
0,02 mSv. Estes quatro conjuntos de dosímetros foram submetidos a três ciclos de leitura9,
sendo que os dois últimos ciclos foram efectuados com o objectivo de medir o sinal residual
remanescente dos annealings anteriores.
Na Tabela 5-9 é possível verificar a diferença obtida para o elemento E2 (responsável pelo
valor de dose que é comunicado ao utilizador do dosímetro individual) após um annealing, e
quando irradiado por diferentes valores de dose de radiação.
Tabela 5-9 Valores Residuais médios medidos após um annealing, em relação ao valor de dose de
radiação presente no dosímetro antes do annealing. O desvio-padrão para cada valor de dose é obtido a
partir do dobro do desvio-padrão das 40 medições efectuadas para o respectivo valor de dose.
Valor de dose de radiação
anterior ao annealing
(mSv)
1,00
2,00
5,00
0,02
Valor Residual médio
medido após um
annealing (mSv)
0,003
0,002
0,002
0,002
Desvio Padrão
(mSv)
0,006
0,005
0,004
0,004
Analisando os Valores Residuais presentes na Tabela 5-9, estes aparentam ser independentes
do valor da irradiação anterior à medição do sinal termoluminescente.
Considerando que o valor mínimo para comunicação de uma dose a um profissional exposto é
0,01 mSv, e que o Valor Residual dos dosímetros obtido é uma ordem de grandeza inferior a
9
Como descrito anteriormente, o ciclo de leitura é constituído por três fases: pré-aquecimento (em que
é emitido sinal termoluminescente referente às armadilhas de mais baixa energia), leitura (em que é
emitido o sinal termoluminescente que contribui para o valor de Dose) e annealing (em que é
eliminado o sinal termoluminescente do dosímetro, preparando-o para a sua reutilização).
79
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
este valor, pode-se considerar-se que o Valor Residual é desprezável no contexto da
estimativa de dose para a monitorização de profissionais expostos.
Nos gráficos da Figura 5-5 é observável a diferença de valores obtidos após um annealing e
após um segundo annealing, para o material/cristal do elemento E2 (Li2B4O7:Cu).
Figura 5-5 Histograma do Valor Residual no elemento E2 do dosímetro. Acima pode ser visto o
histograma após o 1º annealing, e no histograma abaixo podem ser observados os valores após o 2º
annealing.
O elemento E2, a partir do qual se calcula o Hp(10), não apresenta diferenças significativas de
Valor Residual entre dois annealings. Os elementos E3 e E4 apresentam uma melhoria nos
Valores Residuais por se efectuar um 2º annealing, tal como pode ser comprovado pela
Figura 5-6.
80
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 5-6 Histograma do Valor Residual no elemento E3 do dosímetro. Acima pode ser visto o
histograma após o 1º annealing, e no histograma abaixo podem ser observados os valores após o 2º
annealing.
A variação de Valor Residual entre o 1º annealing e o 2º annealing, ocorrida no elemento E3,
é semelhante à variação que ocorre no elemento E4 (que é constituído pelo mesmo material
que o elemento E3) entre o 1º annealing e o 2º annealing. Por esse motivo na figura 5-6
apenas está representada a variação para o elemento E3.
Ambos os elementos são utilizados para determinação do factor de correcção que é aplicado
ao elemento E2 aquando da leitura de Equivalente de Dose de um dosímetro. Por esse motivo,
o erro causado pelo Valor Residual nos elementos E3 e E4 também pode ser desprezável.
81
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
5.4.
Determinação da função de resposta dos
dosímetros com a dose de irradiação
A linearidade da resposta dos dosímetros com a dose a que são submetidos foi analisada
utilizando um conjunto de 150 dosímetros. Destes 150 dosímetros, 50 foram utilizados para
medição dos valores de dose de fundo acumulada entre a irradiação e as leituras, 50 foram
utilizados como controlo da qualidade das irradiações, e posterior normalização dos valores
obtidos das leituras. Os restantes 50 foram utilizados para efectuar as irradiações e as
medições de linearidade. Cada grupo de 50 dosímetros foi sempre utilizado para o mesmo
objectivo (fundo, valor de referência/normalização, e medições efectuadas), tendo sido
efectuados 3 annealings entre utilizações para garantir que os valores não transitavam entre
leituras. Os valores nominais de dose de radiação utilizada para irradiar os dosímetros foram
0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; e 5 mSv, sendo que 1 mSv foi o valor nominal de dose de referência.
5.4.1. Análise de resultados
Através da primeira Irradiação obteve-se a medição para o valor de 0,1 mSv. Depois desta, e
utilizando os mesmos 50 dosímetros, foi efectuada uma irradiação e posterior medição para o
valor
de
0,25
mSv.
O
mesmo
se
verificou
relativamente
às
irradiações
de
0,5 mSv, de 2 mSv e de 5 mSv. O valor de 1 mSv presente nos gráficos é o valor de
referência, tendo sempre o valor de 1. Na Figura 5-7 estão ilustrados os valores obtidos nas
medições, em função dos seus valores nominais. As barras de incerteza representam o dobro
do desvio-padrão medido, para cada valor de dose considerado.
82
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 5-7 Dependência dos valores de dose de radiação medidos em função dos valores nominais
pretendidos (as barras de incerteza representam o dobro do desvio-padrão obtido nas medições, para
cada valor de dose considerado).
Na figura 5-7 pode ser visto que o declive da recta é aproximadamente unitário e que a
ordenada na origem apresenta um valor pequeno.
Para um declive de valor 1, que é aproximadamente o que se sucede, pode considerar-se que o
valor obtido para a ordenada na origem é representativo do erro associado a cada sequência de
irradiação e leitura de dosímetro. Este erro de medição de dose excessiva foi designado
anteriormente de valor residual. Na Tabela 5-10 é possível observar que o erro que se verifica
para cada irradiação é aproximadamente constante e independente da dose com que se
irradiou os dosímetros. A excepção é o valor de referência (de 1 mSv), em que o erro é nulo,
por definição de valor de referência.
Tabela 5-10 Representação do erro para cada valor de dose utilizado.
Valores Nominais de
Medições de Dose de
Dose de Radiação
Radiação efectuadas
(mSv)
(mSv)
0,10
0,12
0,02
0,25
0,26
0,01
0,50
0,52
0,02
1,00
1,00
0,00
2,00
2,01
0,01
5,00
5,02
0,02
Erro
(mSv)
83
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Tendo em consideração os valores da tabela acima, e sabendo que para uma irradiação de
0 mSv a leitura terá necessariamente que medir 0 mSv, da linha de tendência anterior foi
removida a componente independente obrigando que a recta de tendência intersecte a origem
dos eixos. O gráfico resultante pode ser observado na Figura 5-8.
Figura 5-8 Dependência dos valores de dose de radiação obtidos em função dos valores nominais
pretendidos, com intersecção do gráfico definida na origem dos eixos. As barras de incerteza
significam o dobro do Desvio-Padrão para a medição correspondente.
Analisando o gráfico da Figura 5-8, duas observações podem ser efectuadas. A primeira
observação é que a utilização de um único factor de calibração de dosímetros que seja
proporcional ao valor da dose obtido pelo mesmo (o valor de ECF) é adequada. Isto sucede
porque uma linha de tendência linear, com ordenada na origem com valor nulo, apresenta um
valor de R2 de 1,0000. A segunda observação a considerar é que todo o sistema de dosimetria
utilizado para efectuar as medições (Irradiador de dosímetros, Leitor de dosímetros, e os
dosímetros) exibe uma linearidade com um erro relativo medido de aproximadamente 0,44%.
84
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
5.5.
Estudo da Função de determinação da energia
média de irradiação
Neste capítulo é explicado como foi estudada uma relação entre a energia média de irradiação
e a resposta em sinal termoluminescente por parte dos dosímetros.
Deste estudo obteve-se uma função cujo objectivo primário (de aplicação em ambiente
profissional) é o de compensar o efeito da energia sobre a resposta dos sensores. Em
complemento, esta função permite a inferir um valor aproximado para a energia média da
radiação a que o dosimetro foi submetido.
Em cada um dos dosímetros em estudo estão presentes quatro elementos (cristais)
termoluminescentes, cuja combinação de filtros e de materiais permite obter a variação do
sinal termoluminescente em função da energia da radiação incidente.
Nos subcapítulos seguintes é explicado quais foram os materiais e métodos utilizados para
obter os valores de irradiação, como foi obtido o padrão de resposta dos dosímetros com a
variação de energia, e de que forma o conhecimento dessa resposta permite a determinação da
energia média da radiação a que o dosimetro foi submetido.
5.5.1. Procedimento para determinação da função
Para efectuar a determinação deste algoritmo foi contratada uma irradiação de 12 dosímetros
primários em 7 energias diferentes, nomeadamente com as referências de irradiação N20,
N40, N80, N150 e N300 (em que os números representam a diferença de potencial máxima
(kVp) da ampola de raios X utilizada na irradiação, como definido na norma ISO 4037-3).
Para além destas referências de Irradiação, também foram utilizados os isótopos Cs-137 (com
energia de decaimento de 661,6 keV [Bushberg, et al, Medical Imaging, 2002]), e o Co-60 (com energia
média de decaimento de 1,25 MeV10 aproximadamente). Na tabela 5-11 pode ser vista uma
relação entre as referências de irradiação e a energia média correspondente. Todos os
dosímetros foram irradiados com uma dose de 2 mSv.
10
O Cobalto-60 tem dois decaimentos com emissão de radiação gama a duas energias bem definidas,
que são 1,173 MeV e 1,332 MeV. Isto resulta numa energia média de aproximadamente 1,25 MeV
[Cherry, et al, Practical Radiotherapy, 1998].
85
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Tabela 5-11 Correspondência entre as Referências de Irradiação utilizadas e a Energia média
correspondente.
Energia correspondente, em
Referência de Irradiação
valor médio (keV)
N20
16,3
N40
33,0
N80
65,0
N150
118,0
N300
250,0
Cs-137
661,6
Co-60
1250
Todas as irradiações referidas acima foram realizadas num laboratório de metrologia
primário.
5.5.2. Análise de Resultados
Como visto anteriormente, a semelhança entre os elementos E3 e E4 é o material cristalino
termoluminescente CaSO4:Tm, que “sobre-responde” para baixas energias. A diferença entre
estes é a filtração em chumbo presente apenas no elemento E4. Esta diferença de filtração
permite que a razão entre estes dois elementos seja representante da energia média de
irradiação.
O elemento E2, devido à semelhança da sua composição com o tecido humano, é um bom
simulador de deposição de dose no mesmo, sendo por isso o elemento de referência.
A variação pretendida é a deste elemento de referência E2 em função da razão entre os
elementos E3 e E4, representativa da resposta em função da energia.
Os valores de irradiação obtidos foram corrigidos através dos ECF correspondentes a cada
elemento de cada dosímetro. De seguida foi calculada a média correspondente aos elementos
E2, E3 e E4. Na tabela 5-12 são observáveis os valores obtidos para cada uma das energias
de irradiação, e no gráfico da figura 5-9 abaixo está representada (em escala logarítmica) a
variação que se pretendeu estudar. A incerteza representada em cada ponto do gráfico
representa o dobro do desvio-padrão dos resultados que originaram esse mesmo ponto.
86
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Tabela 5-12 Variação dos valores dos elementos do dosímetro, com a energia de Irradiação.
Referência de
Irradiação
Média do Valor
em E2 (mSv)
Desvio-Padrão
Relativo da Média do
Valor em E2 (%)
Média do Valor
E3/E4
(adimensional)
Desvio-Padrão
Relativo da Média do
Valor E3/E4 (%)
N20
2,21
4,56
57,82
6,07
N40
0,87
5,41
14,58
6,73
N80
0,70
6,79
5,30
9,38
N150
0,74
6,00
2,91
7,69
N300
0,87
5,41
1,45
5,48
Cs-137
0,99
8,16
1,05
4,26
Co-60
0,92
4,70
0,98
5,80
Figura 5-9 Variação dos valores do elemento E2 com a razão entre os elementos E3 e E4 (relacionada
com a energia de Irradiação) em formato gráfico. Incertezas dos pontos provêm do dobro do desviopadrão.
Observando o gráfico da figura 5-9 salienta-se uma tendência quadrática nos valores, sendo
que a concavidade é mais acentuada na parte da curva em que os valores de E3/E4 são mais
elevados. Com base nesta análise do gráfico, foi construída a seguinte função com dois
ramos:
Para valores de E3/E4 menores que 5,30, a função matemática que melhor descreve o valor de
E2 em função de E3/E4 é
(8),
87
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Para valores de E3/E4 maiores que 5,30, a função matemática que melhor descreve o valor de
E2 em função de E3/E4 é
(9),
A representação gráfica destas linhas de tendência e o seu ajuste aos valores experimentais
está ilustrada na figura 5-10.
Figura 5-10 Variação dos valores do elemento E2 com a razão entre os elementos E3 e E4 (relacionada
com a energia de Irradiação) em formato gráfico, conjuntamente com as suas linhas de tendência. As
incertezas dos pontos experimentais representam o dobro do desvio-padrão.
O valor em que as duas funções se intersectam é aquele em que a razão E3/E4 é de
aproximadamente 5,30. Por esse motivo, para este ponto ambas as funções permitem obter o
mesmo resultado final. O quadrado do coeficiente de correlação das duas funções foi
calculado como sendo de 9,98 x 10-1.
A função determinada permite que com estes dosímetros seja possível obter o valor de dose
independentemente do valor médio de energia da irradiação.
É também possível obter uma noção da energia de irradiação, através da informação presente
na Tabela 5-12 acima. Na Figura 5-11 pode ser visto o estudo da dependência da energia
com a razão obtida nos elementos E3 e E4.
88
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Figura 5-11 Variação dos valores de Energia (em keV) com a razão entre os elementos E3 e E4 em
formato gráfico, conjuntamente com a linha de tendência. As incertezas dos pontos provêm do dobro
do desvio-padrão do cálculo da razão E3/E4.
Do mesmo modo que sucedeu para a relação entre o elemento E2 e a razão E3/E4, também
para esta relação entre energia e razão E3/E4 será necessário criar uma função com dois
ramos. Tal como pode ser observado na ilustração acima, a relação entre a Energia média do
feixe incidente (E) e a razão entre os elementos E3 e E4 (E3/E4) é descrita de 0 keV até
aproximadamente 88 keV de acordo com a seguinte equação:
(10).
Para valores superiores a 88 keV, a relação entre Energia e E3/E4 é descrita por:
(11).
O quadrado do coeficiente de correlação destas duas funções foi calculado como sendo de
9,70 x 10-1.
89
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
90
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS DA DISSERTAÇÃO
A descoberta da radiação X proporcionou enormes benefícios, em particular, na sua utilização
em diagnóstico e terapêutica. Após a descoberta dos efeitos detrimentais que lhe estão
associados, surgiu a necessidade de protecção relativamente à mesma. Os equipamentos
portáteis para medição de radiação ionizante são hoje instrumentos essenciais para os
profissionais das diversas áreas em que a radiação ionizante tem aplicabilidade. Um
dosímetro individual termoluminescente é parte constituinte de um desses equipamentos, e
para a sua completa e correcta utilização necessita de ser utilizado em associação com outros
componentes complementares, nomeadamente um Leitor de dosímetros termoluminescentes
para aquisição do valor de dose, e de um Irradiador de dosímetros para efectuar calibrações.
O processo de aceitação (acceptance testing) de um equipamento, ou neste caso de um
conjunto de equipamentos que compõem um sistema de dosimetria individual, envolve uma
análise exaustiva de todos os parâmetros, aplicações e funcionalidades de que os mesmos
dispõem. Nesta dissertação é reportado todo o processo de aceitação de um Leitor de
Dosímetros, um Irradiador de Dosímetros e de um conjunto de 7500 dosímetros, com detalhe
sobre os testes realizados e análise dos resultados obtidos essenciais à caracterização do
desempenho do sistema e verificação da sua adequabilidade para entrada em operação.
Relativamente aos dosímetros, estes foram distribuídos em quatro classes metrológicas,
dependendo das suas reprodutibilidades de resposta. Os dosímetros primários, cujo propósito
é o de serem utilizados para efectuar as calibrações mais rigorosas, foram seleccionados com
uma reprodutibilidade melhor que 1,56 %, e totalizam 100 dosímetros. Os dosímetros
secundários, destinados a utilização em calibrações secundárias, apresentam uma
reprodutibilidade entre 1,56 % e 1,73 %, e existem na quantidade de 50 dosímetros. Os 50
dosímetros de Controlo de Qualidade são utilizados em verificações regulares, e têm uma
reprodutibilidade entre 1,73 % e 1,88 %. Os restantes dosímetros são utilizados para aquisição
de valores de dose de trabalhadores profissionalmente expostos, sendo que as
reprodutibilidades destes dosímetros em uso nunca ultrapassam os 10%. Com o decorrer do
tempo e com o desgaste da utilização, será necessário eventualmente escolher novos grupos
de dosímetros para integrar ou substituir em cada classe metrológica. Após a separação dos
dosímetros em classes metrológicas, os mesmos foram calibrados tendo-lhes sido atribuído a
cada um dos quatro elementos constituintes dos dosímetros, um factor de proporcionalidade
(designado ECF – Factor de Correcção dos Elementos) entre o valor de leitura obtido e o
valor
de
irradiação.
A
distribuição
do
global
destes
factores
de
correcção
revelou-se gaussiana e centrada no valor unitário, representando uma distribuição estatística
91
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
em que o valor ideal (ECF igual a 1) assume a predominância, ou seja, a maioria dos
elementos dos dosímetros em uso apresentam valores de correcção aproximadamente
unitários. Cada dosímetro individual é composto por quatro factores de correcção, por ser
composto por quatro elementos ou cristais termoluminescentes (em que dois elementos são
compostos por um material diferente do presente nos restantes dois). Tal como sucede para as
classes metrológicas, também os factores de correcção necessitarão de ser repetidos, de forma
a garantir a correcta leitura de valores de dose com o passar do tempo.
O Leitor de dosímetros, peça fundamental num laboratório de dosimetria que fornece leituras
de valores de dose de trabalhadores profissionalmente expostos, foi calibrado e ajustado para
efectuar correctamente as leituras dos elementos dos dosímetros. Para este efeito, dois
factores de correcção do Leitor de dosímetros foram calibrados e ajustados. Um destes
factores é responsável pela resposta do Leitor de dosímetros em termos de valores de dose, e
o segundo factor tem em consideração as diferentes respostas dos materiais cristalinos
termoluminescentes presentes nos elementos dos dosímetros, e ajusta-as.
O ajuste do Irradiador de dosímetros é efectuado redefinindo a Taxa de Dose registada no seu
sistema informático. A calibração é feita determinando se existe uma diferença entre a dose
real de irradiação e a dose de irradiação que tinha sido definida.
Após as calibrações e ajustes de todos os componentes do sistema de dosimetria individual
em estudo, procedeu-se à análise das grandezas de influência da leitura dos dosímetros,
nomeadamente as dependências temporal do sinal (estudo do fading), a dose (estudo da
linearidade), a Energia (compensação dos valores de leitura e estimativa da Energia média do
feixe incidente), e o Valor Residual (valor de fundo sempre presente na leitura do dosímetro).
No estudo do fading foi analisada a perda de sinal termoluminescente a curto prazo (primeiras
24 horas subsequentes à irradiação) e o valor de estabilização a longo prazo. O material
CaSO4:Tm teve uma perda de sinal nas 24 horas seguintes à irradiação de aproximadamente
5%, tal como previsto em documentação do fabricante [Panasonic TL Data]. O material Li2B4O7:Cu
apresenta uma estabilização de valor a longo prazo diferente do valor previsto (de 80%
relativamente aos 90% esperados), e uma perda de sinal nas 24 horas iniciais de 18% face aos
60% esperados. A confirmação do valor de fading a longo prazo para o Li2B4O7:Cu poderá
ser obtida por um valor de medição a 120 dias, em que a elevada incerteza dos valores
anteriores (60 dias e 90 dias) seja justificada. O gráfico obtido para fading a curto prazo pode
não estar concordante com o previsto teoricamente devido ao facto da primeira leitura ter sido
efectuada 10 minutos após a irradiação. A redução da quantidade de dosímetros utilizados na
obtenção deste ponto da experiência poderá permitir que se reduza o intervalo de tempo entre
a irradiação e a leitura.
O estudo do Valor Residual dos dosímetros pretendeu esclarecer se existe Valor Residual, se
esse valor é dependente do valor da dose depositada anteriormente no dosímetro, se é
92
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
desprezável, e se mais do que um annealing é necessário para obter um dosímetro pronto para
reutilização. A irradiação de conjuntos de dosímetros a valores de 1, 2, e 5 mSv permitiu
determinar que dentro da gama de valores até 5 mSv, a dose depositada no dosímetro não
afecta o Valor Residual após o annealing. No entanto, foi determinado que existe Valor
Residual de aproximadamente 0,002 mSv, e que este pode ser desprezável tendo em
consideração que o limiar minimo de dose comunicado ao utilizador do dosimetro é
0,01 mSv. Um segundo annealing verificou-se útil no caso de ser eventualmente necessária a
utilização dos valores dos elementos E3 e E4, mas desprezável para o elemento E2, sendo este
o responsável pela obtenção do valor de dose.
O estudo da Linearidade foi feito para os valores de dose de 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 e 5,0 mSv.
Para estes valores de dose utilizados obteve-se um desvio entre valores medidos e valores
nominais de 0,44%. O facto de um factor proporcional permitir corrigir a dose, corrobora que
as calibrações dos dosímetros tenham sido correctamente efectuadas por um único factor de
calibração (ECF).
A última grandeza de influência dos dosímetros a ser testada foi a de determinação de funções
para uso de cálculos laboratoriais. Uma destas funções permite que o valor lido no elemento
E2 seja compensado, tendo em consideração a Energia do feixe incidente, tornando os
dosímetros aplicáveis em ambientes profissionais que utilizem radiação numa gama de
Energias variável, desde aproximadamente 15 keV até 1,25 MeV, sem comprometer o rigor
da estimativa da dose. A segunda função determinada permite que, a partir de uma irradiação
seja possível determinar qual a Energia média do feixe que incidiu no dosímetro. Isto poderá
ser particularmente útil em casos de exposições acidentais em ambientes profissionais com
diversos locais ou departamentos, em que as gamas de Energias utilizáveis em cada um desses
locais sejam diferentes. O facto dos dosímetros termoluminescentes serem dosímetros
passivos em que a dose é medida após a irradiação, e não em tempo real (como os dosímetros
activos), faz com que no momento da leitura do dosímetro (que por vezes poderá ocorrer 3
meses depois da irradiação) o profissional não tenha noção de onde poderá ter ocorrido a
irradiação. Desta forma o local da irradiação acidental poderá ser determinado, e medidas
preventivas e/ou correctivas poderão ser tomadas. Uma das características destas duas
funções é o facto de serem ambas funções com dois ramos. Um dos ramos estende-se até aos
88 keV, e o segundo ramo estende-se a partir dos 88 keV. Isto é particularmente interessante
porque 88 keV é a energia de ligação da órbita K no chumbo, e a diferença entre os elementos
E3 e E4 é a presença de um filtro adicional de chumbo no elemento E4. É este filtro que
permite que a razão entre estes dois elementos esteja relacionada com a Energia da radiação
incidente. O facto de existir uma órbita com esta Energia faz com que o coeficiente de
atenuação seja superior a partir deste ponto, decrescendo novamente, de seguida. A alteração
no coeficiente de atenuação neste ponto (88 keV) faz com que as funções, que descrevem o
93
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
comportamento das funções de compensação do E2 e de determinação da Energia, tenham
uma alteração a partir do mesmo.
94
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
7. CONCLUSÕES
O objectivo desta dissertação foi realizar a calibração e optimização de um sistema de
dosimetria individual inovador (devido à estimulação óptica dos dosímetros e à capacidade de
estimar a Energia da radiação incidente no dosímetro), considerando a caracterização
necessária do desempenho de todos os componentes que o constituem, nomeadamente os
dosímetros termoluminescentes, o Leitor de dosímetros, e o Irradiador de dosímetros.
Na fase inicial do projecto foi feita a classificação dos dosímetros por atribuição de classes
metrológicas, nomeadamente as classes de dosímetros Primários (utilizáveis para efectuar
calibrações com rastreabilidade a um laboratório primário), dosímetros Secundários
(utilizáveis para calibrações internas de dosímetros, Leitor de dosímetros e Irradiador de
dosímetros), dosímetros de Controlo de Qualidade (para efectuar verificações regulares
internas), e dosímetros de Campo (que são utilizados por trabalhadores profissionalmente
expostos).
Foi realizada a calibração dos dosímetros através do cálculo de factores de correcção dos
elementos constituintes dos dosímetros (ECF, do Inglês Element Correction Factor) e foi
efectuada a calibração e o ajuste do Leitor de dosímetros e do Irradiador de dosímetros. Para o
cálculo de um total de 30 000 ECF (o correspondente a 7 500 dosímetros, por cada dosímetro
ter 4 ECF, um por cada elemento), obteve-se uma distribuição gaussiana com distribuição de
0,98 valor médio e de 0,23 de dobro do desvio-padrão estatístico. Daqui conclui-se que a
distribuição dos factores de correcção dos dosímetros se encontra dentro dos valores
esperados.
Para a calibração do Leitor de dosímetros foram enviados dosímetros primários a irradiar num
laboratório metrológico de radiações ionizantes. A partir desses dosímetros irradiados foi
efectuado um conjunto de calibrações (com ajustes intermédios), obtendo-se um resultado
final de calibração para uma irradiação de 2,00 mSv de (2,02 ± 0,17) mSv para o elemento
E2, e de (2,12 ± 0,08) mSv para o elemento E3. Como das duas irradiações (uma interna e
outra externa), apenas uma foi realizada com fantoma de dispersão, e isso afecta a resposta do
elemento E311, pode-se concluir que ambos os elementos se encontram verificados dentro do
valor pretendido.
Para a calibração do Irradiador, numa fase inicial foi comparado o valor obtido pelo
Irradiador com o valor medido pelo Leitor de dosímetros já calibrado. Para este método foram
11
Isto ocorre porque a diferença entre as irradiações interna e externa foi a adição de um fantoma de
dispersão na irradiação externa. Este fantoma causa uma irradiação adicional de eventos de baixa
energia nos elementos dos dosímetros . O material do elemento E3 “sobre-responde” para baixas
energias, sendo sensível à dispersão causada pelo fantoma.
95
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
necessárias cinco calibrações até que se obtivesse o valor final, sendo que o valor final de
calibração tem um erro de (0,04 ± 0,08) mSv. Isto significa um erro relativo de 1,8 % e uma
incerteza relativa de 4,0 %. Para uma segunda verificação, e utilizando um segundo método,
foram efectuadas duas irradiações simultâneas (uma interna e uma externa) e foram
normalizados os valores obtidos pela irradiação interna com os valores da irradiação externa.
Após a segunda calibração obteve-se um erro de (0,02 ± 0,30) mSv, para um valor de
irradiação de (2,000 ± 0,090) mSv. Isto significa um erro relativo de 0,9 % e uma incerteza
relativa de 15 %. Daqui se pôde concluir que o segundo método aparenta ser preferível em
detrimento do inicialmente utilizado em termos da aplicação prática do método, por se ter
conseguido alcançar um erro final menor, e em apenas duas calibrações. Para o método inicial
obteve-se um erro final maior e foram necessárias cinco calibrações, embora se possa
verificar que a incerteza da calibração final é inferior à obtida pelo segundo método.
Foi também realizada a caracterização do fading dos dosímetros. Relativamente às medições
do fading, foi possível verificar que o desvanecimento de sinal para o material CaSO4:Tm está
em conformidade com o previsto pelos dados do fabricante, quer em termos de perda de sinal
a curto prazo (primeiras 24 horas após a irradiação) como em termos de estabilização do sinal
a longo prazo. O material Li2B4O7:Cu aparenta ter uma perda de sinal menor do que a prevista
nas primeiras 24 horas, mas isso pode dever-se ao facto da dificuldade da medição realizada
pouco tempo após a irradiação. A estabilização também aparenta ser inferior à indicada nas
especificações do fabricante, encontrando-se no entanto dentro da incerteza dos pontos
obtidos. Considera-se que a realização de uma terceira medição adicional poderia beneficiar
os resultados (a medição de fading a 120 dias fará sentido por ser representativa dos 4
meses.). Este último ponto sugerido não foi planeado anteriormente porque, com a excepção
deste benefício referido, as medições de desvanecimento de sinal (fading) relevantes são até
aos 90 dias, por ser esta a maior periodicidade aplicável actualmente em termos de dosimetria
individual a trabalhadores profissionalmente expostos.
Os dosímetros foram testados em termos de linearidade numa gama de valores de dose desde
0,1 mSv a 5 mSv, e dentro desta gama de doses apresentam um desvio de 0,44% face à
função linear obtida, que passa pela origem. Daqui se concluiu que fica justificada a
existência de apenas um factor de proporcionalidade para calibração de cada elemento dos
dosímetros (ECF).
O Valor Residual foi determinado com valor médio de 0,002 mSv, tendo-se concluído que é
desprezável face aos valores de dose mínima reportáveis de 0,01 mSv. Também se verificou
este ser independente do valor de Dose com que os dosímetros foram irradiados. Considera-se
que um segundo tratamento térmico (annealing) não se justifica para o elemento E2, mas será
importante realizar caso se pretenda efectuar medições a partir dos elementos E3 e/ou E4.
96
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
Foi determinada uma função que permite compensar a resposta do elemento E2 relativamente
à energia da radiação incidente, possibilitando uma leitura do mesmo independente da
energia. Foi também determinada uma função matemática que permite a determinação da
energia média com que o dosímetro foi irradiado. Ambas estas funções são caracterizadas por
terem 2 ramos. Isto é devido ao facto de existir um pico no coeficiente de atenuação do
chumbo (88 keV) que é o material constituinte do filtro do elemento E4.
7.1.
Trabalho Futuro
Como continuidade deste projecto será necessário efectuar a calibração e ajuste periódico dos
componentes. O Leitor de dosímetros, Irradiador de dosímetros e os próprios dosímetros
necessitam de calibração com regularidade. Um período semestral foi considerado o indicado,
por ser o referente a dois trimestres, que é a periodicidade máxima aplicável em dosimetria
individual a trabalhadores profissionalmente expostos.
Relativamente ao fading, seria interessante verificar se a perda de sinal termoluminescente
(nas primeiras 24 horas seguintes à irradiação) do material cristalino Li2B4O7:Cu é tão elevada
como a reportada pelo fabricante. Para isso seria necessário irradiar uma menor quantidade de
dosímetros do que a utilizada anteriormente (diminuindo assim o tempo total de exposição) e
efectuar a leitura imediatamente subsequente à exposição. Seria também interessante efectuar
uma medição de fading a 120 dias para confirmar se o material Li2B4O7:Cu efectivamente
estabiliza no valor obtido neste estudo ou se este resulta de flutuações no sinal.
Em termos de Valor Residual será interessante verificar se a linearidade com a dose se
mantém para doses superiores a 5 mSv, e identificar até que valor se mantém.
Será relevante também caracterizar a linearidade do Irradiador para valores de dose superiores
aos considerados neste estudo.
97
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
98
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
8. REFERÊNCIAS
[Apáthy et al, Hungarian Pille TLD system, 2002]
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Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente
9. ANEXOS
Tabela 9-1 Resumo dos valores obtidos para medição do fading dos dosímetros, normalizados para 24
horas.
Valores (mSv)
Dobro do
Desvio Padrão
(mSv)
Valores (mSv)
Dobro do
Desvio Padrão
(mSv)
Dias
Horas
LiB
CaSO
E2
0,1667
1,184
1,069
0,197
1
1,170
1,048
0,287
3
1,105
0,992
0,198
5
1,088
1,006
0,167
8
1,061
0,988
0,193
17
1,023
1,012
0,129
1,0
24
1,000
1,000
0,150
E3
0,093
0,094
0,101
0,108
0,087
0,089
0,085
Dias
Horas
LiB
CaSO
E2
1,5
36
0,976
0,980
0,171
2,0
48
1,021
0,984
0,196
3,0
72
0,966
0,990
0,155
6,0
144
0,957
1,009
0,125
7,0
168
0,932
0,995
0,133
10,0
240
0,964
0,987
0,148
15,0
360
0,911
0,998
0,127
E3
0,078
0,080
0,081
0,126
0,102
0,094
0,061
Valores (mSv)
Dobro do
Desvio Padrão
(mSv)
Dias
Horas
LiB
CaSO
E2
20,0
480
0,894
0,974
0,174
30,0
720
0,891
0,987
0,228
45,0
1080
0,872
0,985
0,184
60,0
1440
0,877
0,938
0,205
75,0
1800
0,802
0,972
0,128
90,0
2160
0,816
0,967
0,216
E3
0,104
0,097
0,124
0,101
0,083
0,132
105
Instalação, teste e caracterização de um sistema de Dosimetria Termoluminescente