Instituto de Radioproteção e Dosimetria - Comissão Nacional de Energia Nuclear- Coordenação de Pós-Graduação Determinação da Atenuação do Ar e Perda eletrônica para a câmara de ionização de ar livre de cilindros concêntricos. Hebert Pinto Silveira de Oliveira Rio de Janeiro – Brasil 2010 Hebert Pinto Silveira de Oliveira Determinação da Atenuação do Ar e Perda eletrônica para a câmara de ionização de ar livre de cilindros concêntricos. Dissertação aprovada para obtenção do Grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Radioproteção e Dosimetria do Instituto de Radioproteção e Dosimetria da Comissão Nacional de Energia Nuclear na área de Metrologia das radiações ionizantes. Orientador: Dr. Jose Guilherme Pereira Peixoto IRD / CNEN Rio de Janeiro – Brasil 2010 FICHA CATALOGRÁFICA Oliveira, Hebert Pinto Silveira. Determinação da Atenuação do Ar e Perda eletrônica FICHA CATALOGRÁFICA para a câmara de ionização de ar livre de cilindros concêntricos. Rio de Janeiro, 2010. 86p.:il.;30cm Dissertação (mestrado) – Instituto de Radioproteção e Dosimetria – Rio de Janeiro, 2005. Orientador: Dr. José Guilherme Pereira Peixoto 1. Simulação de Monte Carlo 2. PENELOPE 3. Câmara de ionização de ar Livre Aos meus pais Denizart e Elisabete a irmã Patrícia, minha esposa Danielle e todos que estiveram juntos a mim, ao longo desta caminhada. iv RESUMO O LNMRI (Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes) vem ao longo dos últimos anos realizando trabalhos com uma câmara de ionização de ar livre de cilindros concêntricos (Victoreen, modelo 481), com a finalidade de torná-la o novo padrão nacional, substituindo o atual, um padrão secundário calibrado no PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt). Para a determinação de forma absoluta da grandeza kerma no ar com câmara de ionização de ar livre, é necessária a determinação de uma série de fatores de correção. Este trabalho teve por finalidade à determinação de dois desses fatores: perda eletrônica (k ) e atenuação do ar (k ). Os fatores de correção foram e a determinados utilizando os espectros referentes às qualidades de radiação usadas em mamografia, através da simulação computacional por método de Monte Carlo da câmara de ar livre (Victoreen modelo 481). O código utilizado para a realização de todas as simulações foi o PENELOPE. Foram necessárias duas etapas para a realização deste trabalho: (i) A simulação dos tubos (Pantak, modelo HF160 e Panalytical, modelo XRF window), para a produção dos espectros referentes às qualidades de interesse; e (ii) a simulação da câmara de ar livre. Os resultados obtidos foram comparados com os determinados para a câmara do BIPM (Bureau International des Poids et Mesures). Para os valores do fator perda eletrônica não se obteve diferenças percentuais. A comparação entre os fatores para a atenuação do ar apresentou diferenças inferiores a 0,13%. Palavras chaves: Simulação de Monte Carlo, PENELOPE, Câmara de ionização de ar Livre. v ABSTRACT Along the latest years, the LNMRI has been proceeding a continuous research work with a concentric cylinders type free air ionizing chamber (VICTOREEN, model 481), aiming to establish it as a new national standard, and, as a consequence, replace the worldwide accepted secondary standard, calibrated by PTB. Taking into account that the absolute determination of kerma in air with a free air ionizing chamber implies the acquirement of a number of correction factors. The main objective of the present work comprises the determination of the two factors, specifically, electronic loss (k ) and air e attenuation (k ). The correction factors were obtained through mammography qualities a reference spectrum, using Monte Carlo simulation method. The Penelope code was used in the simulation procedures. Simulations took place in two stages, the acquirement of specters related to the qualities of interest (mammography) with the x ray tube (Pantak, modelo HF160 e Panalytical, modelo XRF window), and the free-air ionization chamber. The data were compared to those related to the BIPM chamber, to electronic loss were not detected. The comparison between air attenuation factors was obtained data bellow 0.13%. vi SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................. 1 1.1 Considerações Gerais..................................................................................... 1 1.2 Objetivo ............................................................................................................ 5 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................... 6 2.1 Câmaras de Ionização. .................................................................................... 6 2.1.1 Grandeza Kerma e Exposição. ....................................................................... 6 2.1.1.1 Energia Necessária para Formar um Par de Íons no Ar (war). .................... 8 2.1.1.2 Equilíbrio de Partículas Carregadas ............................................................ 9 2.1.2 Câmara de Ionização de Ar Livre ................................................................. 10 2.1.2.1 Comprimento de Atenuação ...................................................................... 13 2.1.2.2 Separação dos Eletrodos (d) ..................................................................... 14 2.1.2.3 Dimensão do Eletrodo Coletor (l e w) ....................................................... 15 c 2.1.3 Fatores de Correção..................................................................................... 15 2.1.3.1 Atenuação dos Fótons (k ) ........................................................................ 16 a 2.1.3.2 Perda Eletrônica (k ) ................................................................................. 16 e 2.2 Método de Monte Carlo (MMC) .................................................................... 17 2.2.1 Código PENELOPE ...................................................................................... 19 2.2.1.1 Estrutura do Código................................................................................... 20 2.2.1.2 Geometria .................................................................................................. 23 2.2.1.3 Parâmetros de Simulação ......................................................................... 26 3. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................. 28 3.1 Materiais ........................................................................................................ 28 3.2 Métodos .......................................................................................................... 30 3.2.1 Simulação e validação dos tubos de Raios-X. ............................................. 31 3.2.2 Determinação dos fatores de correção atenuação do ar (kar) ..................... 34 3.2.3 Determinação dos Fatores de Correção da Perda Eletrônica (ke). .............. 41 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................... 46 4.1 Espectros ....................................................................................................... 46 4.2 Fatores de Correção ..................................................................................... 51 4.2.1 Atenuação do ar (ka) .................................................................................... 51 vii 4.2.1.1 Validação da metodologia. ........................................................................ 51 4.2.1.2 Determinação de (k ) para a câmara Victoreen........................................ 52 a 4.2.2 Perda eletrônica (ke) .................................................................................... 53 4.2.2.1 Validação do programa Ulisses. ................................................................ 53 4.2.2.2 Determinação de (k ) para a câmara Victoreen......................................... 54 e 5 CONCLUSÕES. .............................................................................. 56 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................. 58 ANEXO I ............................................................................................ 63 ANEXO II ........................................................................................... 73 viii LISTA DE TABELAS 1. TABELA 2.1 TABELA COM OS INDICIES PARA A OBTENÇÃO DAS QUÁDRICAS. PERMUTAÇÃO DE X Y E Z PRESERVA A SIMETRIA COM O EIXO Z, MAS PODE SER APLICADA PARA OBTENÇÃO DE QUÁDRICAS ROTACIONADAS. ................................................................................................................................ 24 2. TABELA 3.1 QUALIDADES DE RADIAÇÃO UTILIZADAS NESTE TRABALHO. AS QUATRO PRIMEIRAS QUALIDADES SÃO OBTIDAS COM O TUBO PANALYTICAL E A ÚLTIMA OBTIDA COM O TUBO PANTAK, ONDE AMBOS POSSUEM FILTRAÇÃO INERENTE (JANELAS) DE BERÍLIO, COM ESPESSURA DE 1MM. .. 31 3. TABELA 3.2 DIMENSÕES E COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS CONSIDERADOS NA MODELAÇÃO DO TUBO DE RAIOS-X (PANALYTICAL/ PANTAK). ............................................ 32 4. TABELA 3.3 VALORES DOS PRINCIPAIS COMPONENTES CONSIDERADOS NA MODELAÇÃO DA CÂMARA DE AR LIVRE VICTOREEN. ................................................................................................... 39 5. TABELA 3.4 TABELA COM AS DIMENSÕES DOS DADOS ESTRUTURAIS DA CÂMARA DE AR LIVRE DE TAIWAN (INER) ................................................................................................................................ 44 6. TABELA 4.1 VALORES DAS ENERGIAS DOS FÓTONS EMITIDOS EM PROCESSOS DE RELAXAMENTO ATÔMICO DO ÁTOMO DE MOLIBDÊNIO. K REPRESENTAM AS TRANSIÇÕES POSSÍVEIS DAS CAMADAS ΑX L PARA A K E K REPRESENTA O VALOR MÉDIO DAS TRANSIÇÕES DAS CAMADAS L PARA AS ΒX CAMADAS M E N................................................................................................................................ 51 7. TABELA 4.2 VALORES DO FATOR DE CORREÇÃO (K ), COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO MÉDIO DO AR A Μ(AR), DETERMINADOS PARA A CÂMARA VICTOREEN/IRD. .......................................................... 51 8. TABELA 4.3 VALORES DO FATOR DE CORREÇÃO (K ), OBTIDOS PARA AS QUALIDADES DE A MAMOGRAFIA, DETERMINADOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES USANDO O CÓDIGO PENELOPE/PENMAINM. ................................................................................................................ 52 9. TABELA 4.4 VALORES DO FATOR DE CORREÇÃO PERDA ELETRÔNICA (K ), OBTIDOS ATRAVÉS DE E SIMULAÇÕES USANDO O CÓDIGO PENELOPE................................................................................. 54 10. TABELA AII.1 DETERMINAÇÃO DO VOLUME DE INTERESSE E DA VARIAÇÃO VOLUMÉTRICA DA CÂMARA VICTOREEN MODELO 481, A PARTIR DA APLICAÇÃO DOS VALORES DE 4,0000 DO DIÂMETRO INTERNO DO DIAFRAGMA, DAS ALTURAS DE 82,4 DO CILINDRO MAIOR E 76,3 DO CILINDRO MENOR, RESPECTIVAMENTE, NA EQUAÇÃO 3.1, PARA OBTENÇÃO DO VOLUME DE UM CILINDRO RETO IGUAL A 1 CM3(CARDOSO,2005). ......................................................................... 73 ix LISTA DE FIGURAS 11. FIGURA 2.1 ESQUEMA DEMONSTRATIVO DO PRINCIPIO DO EQUILÍBRIO ELETRÔNICO. PARTE DAS CARGAS ELÉTRICAS, FRUTO DAS INTERAÇÕES DOS ELÉTRONS E4 E E6, OCORREM FORA DA REGIÃO DE INTERESSE; PORÉM, ESSAS PERDAS, SÃO COMPENSADAS PELAS CARGAS ELÉTRICAS, FRUTO DAS INTERAÇÕES DOS ELÉTRONS E1 E E2, QUE OCORRERAM DENTRO DA REGIÃO DE INTERESSE. .......... 10 12. FIGURA 2.2 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UMA FAC. OS FÓTONS ENTRAM ATRAVÉS DA ABERTURA DO DIAFRAGMA (R ) E INTERAGE COM O AR DA CÂMARA, PRODUZINDO OS ELÉTRONS AP (E1 A E7). O SOMBREADO CLARO REPRESENTA A REGIÃO DE COLETA ENQUANTO QUE A ESCURA REPRESENTA O VOLUME SENSÍVEL DA CÂMARA. .............................................................................. 12 13. FIGURA 2.3 ESTRUTURA DOS ARQUIVOS FORNECIDOS NO PACOTE PENELOPE............................ 20 14. FIGURA 2.4 ESQUEMA COM A ESTRUTURA PARA A CRIAÇÃO DO EXECUTÁVEL E ARQUIVOS NECESSÁRIOS PARA A SIMULAÇÃO. ................................................................................................... 22 15. FIGURA 2.5 EXEMPLOS DE ALGUMAS POSSÍVEIS QUADRICAS, PARAMETRIZADAS NA COORDENADA Z E SEUS RESPECTIVOS INDICIES. ....................................................................................................... 24 16. FIGURA 2.6 TRECHO DA ESTRUTURA LÓGICA DA GEOMETRIA A SER EDITADA PELO USUÁRIO PARA USO ARBITRÁRIO COM O PENELOPE ............................................................................................... 25 17. FIGURA 3.1 CÂMARA DE IONIZAÇÃO DE AR LIVRE DE VOLUME VARIÁVEL, FABRICADA PELA VICTOREEN INSTRUMENTS, MODELO 481. DETALHES: 1- CABEÇAS MICROMÉTRICAS; 2- EIXOS DE GUIA DO MOVIMENTO; 3- SUPORTES PARA ROLAMENTOS DESLIZANTES; 4- CILINDROS, MAIOR E MENOR (CARDOSO,2005) ............................................................................................................... 28 18. FIGURA 3.2 (A) TUBO DE RAIOS-X FABRICADO PELA PANTAK; (B) TUBO DE RAIOS-X FABRICADO PELA PANALYTICAL. .......................................................................................................................... 29 19. FIGURA 3.3 ESQUEMA DAS GEOMETRIAS MODELADAS DOS TUBOS DE RAIOS-X. PARA O TUBO PANALYTICAL O ALVO É DE MOLIBDÊNIO COM UMA INCLINAÇÃO DE 26°, A JANELA É CONSTITUÍDA DE BERÍLIO POSSUINDO 1 MM DE ESPESSURA E O FILTRO ADICIONAL DE MOLIBDÊNIO COM 0,03MM DE ESPESSURA. O TUBO PANTAK POSSUI ALVO DE TUNGSTÊNIO COM UMA INCLINAÇÃO DE 20°, SUA JANELA TAMBÉM É DE BERÍLIO COM 1MM DE ESPESSURA E O FILTRO ADICIONAL POSSUI 0,208MM DE ALUMÍNIO. ..................................................................................... 32 20. FIGURA 3.4 CORTE (TRANSVERSAL E AXIAL) DA GEOMETRIA MODELADA DO TUBO, VISUALIZADA COM O PROGRAMA GVIEW2D. ........................................................................................................... 33 21. FIGURA 3.5 DIAGRAMA REPRESENTATIVO DO ARRANJO EXPERIMENTAL UTILIZADO PARA A MEDIÇÃO DO ESPECTRO EXPERIMENTAL ........................................................................................... 34 x