INSTRUMENTAÇÃO NUCLEAR
FONTES DE RADIAÇÃO
Unidades e definições
• Atividade taxa de decaimento.
no. de núcleos radioativos
dN
A=−
= λN
dt
atividade
ln 2
⇒ λ=
⇒
t1/ 2
cte de decaimento
A = A0 e
− λt
tempo de meia-vida
• Unidade histórica : Curie (Ci)
1Ci = 3.7E10 dps (atividade de 1g de Ra-226)
• Unidade SI : Becquerel (Bq)
1Bq = 1dps
1Bq = 1/3.7E10 = 2.703E-11Ci
2
atividade
Curva de decaimento radioativo
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
tempo
3
Múltiplos e submúltiplos
Múltiplos
Submúltiplos
Kilo
k
1E3
kBq
Mili
m
1E-3
mCi
Mega
M
1E6
MBq
Micro
µ
1E-6
µCi
Giga
G
1E9
GBq
Nano
n
1E-9
nCi
Tera
T
1E12
TBq
Pico
p
1E-12
pCi
Peta
P
1E15
PBq
Femto
f
1E-15
fCi
4
Taxa de decaimento e taxa de emissão
Taxa de decaimento número de átomos que sofrem decaimento por
unidade de tempo.
Taxa de emissão número de partículas emitidas por unidade de tempo.
137Cs
60Co
93.5%
2505
6.5%
100%
662
85%
0
1332
100%
0
5
Exemplo de esquema complexo de decaimento radioativo
6
Energia
Unidade histórica : eletron-Volt (eV)
1eV = energia adquirida por 1 elétron devido a sua aceleração
por uma diferença de potencial de 1V.
Unidade SI
: Joule (J) 1 eV = 1.602E-19 J
Para partículas carregadas : ddp*carga da partícula
Para fótons:
E=hν
h constante de Plank (4.135E-15 eV.s)
ν=v/λ
ν freqüência (ciclos/s)
λ=vh/E
v velocidade da luz (3E8m/s)
λ=1.24Ε−6/E
λ comprimento de onda (m)
7
Fontes de elétrons
a. Decaimento Beta
antineutrino
β−
ν
A
Z
X → Y + β +ν
A
Z +1
neutrino
β+
ν
−
A
Z
X → Y + β +ν
A
Z −1
+
8
Fontes de elétrons - beta
36Cl
100%
0
%
0
714
keV
9
Fontes de elétrons
b. Conversão interna
Núcleo excitado (devido a emissão beta) gama;
Em alguns estados de excitação, a emissão de gama é inibida; a
energia é transferida para um elétron orbital que é ejetado.
Ee = Eex − Eb
energia do elétron
energia de excitação energia de ligação
Ex: 137Cs (β) 137mBa
EC : 624keV e 656keV
10
Fontes de elétrons – C.I.
113mIn
393keV
C.I.
camada K
camada L
0
113In
%
365
389
energia do elétron
(keV)
11
Fontes de elétrons
c. Elétrons Auger
Átomo excitado (devido a captura eletrônica) raio X;
Em alguns estados de
excitação,ELETRÔNICA
a emissão de raio X é inibida; a
CAPTURA
energia é transferida para um elétron orbital que é ejetado.
Um próton se neutraliza pela captura de um elétron orbital:
Ee = Eex − Eb
+ + e- n 0 + ν
p
1
0
1
Apresentam baixa energia comparados com beta e EC,
a emissão
do neutrino.
especialmente Somente
porque éocorre
favorecido
em elementos
de baixo Z, cuja
energia
de ligação
é baixa.
Após
o átomo
se rearranjar, ocorre a emissão de raio X.
12
Fontes de partículas pesadas
a. Decaimento alfa
A
Z
X→
Y+ α
A− 4
Z −2
4
2
α
13
Fontes de partículas pesadas - alfa
238Pu
0.143
0.043
0
234U
%
E
14
Fontes de partículas pesadas
b. Fissão espontânea
%
252Cf
t1/2 f.e. = 85 anos;
t1/2 real = 2.65 anos
1µg emite 1.92E7 α/s e 6.15E5 pf/s
108 143
Massa
15
Fontes de partículas pesadas – f.e.
mais leve
mais
pesado
16
Fontes de radiação eletromagnética
a. γ após decaimento β
Após emissão β, o núcleo do produto permanece excitado, na
transição à niveis mais baixos de energia, a radiação γ é liberada.
60Co
Tempo de decaimento:
picosegundos.
2505
100%
1332
100%
O t1/2 considerado é do
pai, apesar dos níveis de
energia serem do filho.
0
60Ni
17
Fontes de radiação eletromagnética
b. Aniquilação
O pósitron encontrará
e sofrerá aniquilação
um elétron
surgindo
livre ...dois fórons de
0,511MeV.
22Na
β+ 90%
1274
E.C. 10%
0
γ envolvidos : 1274 e 511 keV18
Fontes de radiação eletromagnética
c. Bremsstrahlung (raio-X de frenamento)
Na interação com a matéria, elétrons rápidos podem reduzir sua energia
cinética, mudar de direção e emitir a diferença de energia sob a forma de
ondas eletromagnéticas que são denominadas de raios X de freamento
(bremsstrahlung).
A energia da radiação produzida, raios X de bremsstrahlung, depende da
energia cinética inicial, da intensidade de interação da partícula incidente
com o núcleo e de seu ângulo de saída. A energia destes raios X pode
variar desde valores próximos a zero até um valor máximo, que é igual à
energia cinética (EC) da partícula incidente
19
Fontes de radiação eletromagnética - Bremsstrahlung
90 keV
20 keV
70 keV
E(e-)
Bremsstrahlung
Z
Bremsstrahlung
20
Fontes de radiação eletromagnética
d. Raio-X característico
Se um ou mais elétrons orbitais forem deslocados por algum processo de
excitação, os elétrons se rearranjarão, liberando energia na forma de raioX.
Processos de excitação:
1) Decaimento radioativo
2) Radiação externa
- Conversão interna
- Captura eletrônica
3
2
1
21
Raio-X característico
22
Tubo de Raio-X
Focalizador
23
Espectro teórico para um tubo de raio-X
250000
K
α
Contagens
200000
150000
Valor
Máximo
100000
50000
0
K
β
L
E
MAX
0
20
40
60
80
Energia (keV)
100
Alvo de tungstênio, 20º, tensão de 100 kVp, com filtração inerente de
1,0 mm de berílio e adicional de 0,5 mm de alumínio – os picos são
RX característico e o contínuo é Bremsstrahlun
24
Fontes de neutrons
a. Fissão espontânea
b. Reação nuclear
α + Be→ C + n
4
2
9
4
9
4
12
6
1
0
Be + hν → Be+ n
8
4
1
0
U + n → 2 p. f . + 2.5 n
235
92
1
0
1
0
25
Tabela de nuclídeos
Código de cores
β+
CE
β−
α
fissão
espontânea
p
estável
26
27
Exercícios
Espectro em energia pode ser classificado em dois grupos principais:
discreto ou contínuo. Para cada tipo de radiação abaixo, indique qual
é discreto e qual é contínuo:
a) Alfa
b) Beta
c) Gama
d) Raio-X característico
e) Elétron de conversão
f) Elétron Auger
g) Fragmento de fissão
h) Bremsstrahlung
i) Radiação de aniquilamento
28
Exercícios
Qual o menor comprimento de onda encontrado em um tubo de raio-X
operando a 195kV?
29
Exercícios
Calcular a atividade específica the 3H com t1/2=12.26 anos.
30
Exercícios
Considerando que na formação da Terra a Ativ.235U=Ativ.238U e que
hoje a proporção (porcentagem de átomos) é de 0.7% de 235U e 99.3%
de 238U. Qual a idade da Terra? (T1/2=7.1E8 e 4.5E9)
E considerando quantidade de átomos iguais?
31