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M.Sc Alfonso Varela M Físico Médico Gestor de la Calidad.

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1 M.Sc Alfonso Varela M Físico Médico Gestor de la Calidad

2 M.Sc Alfonso Varela M Dosimetría con TLD

3 M.Sc Alfonso Varela M El volumen sensitivo consiste en una pequeña masa (~1-100mg ) de material dieléctrico cristalino que contiene activadores apropiados que funcionan como fósforo termoluminiscentes.

4 M.Sc Alfonso Varela M Trampas para los electrones o huecos (portadores análogos a los iones positivos) que poden capturar y retener los portadores de carga en un poso de potencial por largos periodos de tiempo. Centros de luminiscencia localizados en cualquiera de las trampas, que emiten luz cuando se da la recombinación de los electrones y huecos en estos centros.

5 M.Sc Alfonso Varela M Evento de ionização por radiação Migração do furo Migração do elétron Liberação do elétron por aquecimento Profundidade da armadilha para o elétron Profundidade da armadilha para o furo Recombinação com emissão de luz hν Abertura da banda ~10 eV AB Banda de Condução Banda de Valencia

6 M.Sc Alfonso Varela M MODELO TÉORICO DE RANDALL-WILLKINS PARA A TERMOLUMINESCÊNCIA

7 M.Sc Alfonso Varela M La curva de emisión TL típica esta caracterizada por la presencia de diversos picos, cuya posición esta relacionada con la temperatura y su altura depende de diversos factores, tales como: Profundidad E de las trampas Tasa de calentamiento Intensidad de la irradiación previa a la medición Historia térmica de la muestra, etc

8 M.Sc Alfonso Varela M Randall e Wilkins en 1945 describe la cinética para los portadores de carga cuando se calienta la red cristalina mediante temperatura T(K) mediante:

9 M.Sc Alfonso Varela M Donde: p se la probabilidad de escape por unidad de tempo (s -1 ) τ es la media de tiempo de vida en la trampa α es llamado factor frecüência E es la energía que representa la profundidad de la trampa (eV) k es la constante de Boltzman (k=1,.381x J K -1 = 8.62x10 -5 eV K -1 )

10 M.Sc Alfonso Varela M Si consideramos constantes los valores de k, E, y α entonces. Al incrementar la temperatura T la probabilidad p aumenta. Si aumentamos T linealmente entonces se llega a un máximo denominado T m

11 M.Sc Alfonso Varela M Asumiendo que la intensidad de emisión de luz es proporcional a la tasa de electrones que escapan de las trampas, entonces el pico de brillo termoluminiscente (TL) se obtiene en T m.

12 M.Sc Alfonso Varela M Supongamos que los picos están suficientemente separados. Además uno de estos picos puede ser la sobreposición de dos picos.

13 M.Sc Alfonso Varela M Ahora: T m esta sociada con la tasa linear de calentamiento q (K/s) por medio de la relación teórica de Randall-Wilkins.

14 M.Sc Alfonso Varela M Asumiendo que α = 10 9 /s y q = 1K/s T m = (489 K/eV)

15 M.Sc Alfonso Varela M El máximo de brillo es directamente proporcional a la tasa de calentamiento para una dosis contante, debe permanecer contante.

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17 La calidad de estas trampas depende de la estabilidad en el tiempo y la independencia a las condiciones ambientales

18 M.Sc Alfonso Varela M Si no son estables a temperatura ambiente: Migración de cargas a través del cristal Recombinación de cargas Implicando en la sensibilidad y el formato de la curva esperada

19 M.Sc Alfonso Varela M Em el caso de (TLD-100) de LiF, el fósforo requiere de tratamiento térmico especial antes de ser utilizado para la dosimetría : 400ºC por una hora, rápidamente refrigerado, o 80ºC por 24 horas Lo que minimiza las fluctuaciones de la sensibilidad

20 M.Sc Alfonso Varela M Las trampas que requieren temperaturas entre ºC son mas estables si embargo presentan dos fenómenos. 1.Señal infrarroja (plancha de calentamiento) 2.Contaminación de la señal (humedad, suciedad)

21 M.Sc Alfonso Varela M Por eso se utilizan gases inertes para llenar la cámara de calentamiento (N 2 y Ar) lo que permite que la energía sea liberada sin emisión de luz.

22 M.Sc Alfonso Varela M energia emitida como luz del TL por unidad de massa)/(dosis absorvida) medido por Lucke (1970) 0,039% para LiF (TLD-100), 0,44% para Ca 2 F:Mn 1,2% para CaSO 4 :Mn.

23 M.Sc Alfonso Varela M Attix terminó que para LiF (TLD-100) hay una perdida de 99.96% de la energía depositada por la radiación. Por eso la importancia de la reproductibilidad en la medición para poder obtener resultados consistentes.

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26 FósforoLiF:Mg, TiCaF 2 :MnLi 2 B 4 O 7 :M n CaSO 4 :Mn Densidade Numero atômico efetivo Espectro de emissão TL(nm): Range Máximo Temperatura TL pico de emissão a 40ºC/min (ºC) Produção relativa TL produção para 60 Co Resposta de energia sem filtro (30keV/ 60 Co) UtilidademR-10 5 RmR-3x10 5 RmR-10 6 RmR-10 4 R DesvanecimentoPequeno,~ 10% no 50-60% nas <5%/(wk)primeiro mês primeiras 24 h

27 M.Sc Alfonso Varela M Curvas de emisión vs Tiempo

28 M.Sc Alfonso Varela M Área de respuesta del pico de emisión vs exposición de R – gamma de Cobalto 60

29 M.Sc Alfonso Varela M Formato granulado, con granos de μm, usualmente distribuidos volumétricamente en una capsula para la irradiación.

30 M.Sc Alfonso Varela M Chips con dimensiones de 3.2 mm por 0.9 mm (o 0.4 mm). Donde, para una mejor exactitud se debe hacer una calibración individual de los chips, utilizando para esto radiación gamma de Co-60.

31 M.Sc Alfonso Varela M Matrices de teflón que contienen 5% o 30% por peso de granos de TLD con tamaño <40µm. Normalmente hechos en formato de discos de 6 o 12mm de diámetro por 0.1 o 0.3mm de espesor.

32 M.Sc Alfonso Varela M La forma Su formato va depender del tipo de aplicación. La calibración y la identificación puede ser individual Los TLDs no deben estar contaminados Analizar la dependencia energética del TLD a la orientación del mismo en relación al haz de radiación.

33 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración La mayoría de los fósforos TL tienen algún nivel de dosis en le cual la salida de luz por unidad de masa es proporcional a la dosis absorbida en el fosforo, por tales motivos: LET de la radiación permanece constante o prácticamente constante. La sensibilidad del fósforo es mantenida constante para la linealidad que se requiere.

34 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración Si se asumen que la medición del TL es constante y que el escape de luz del fosforo por atenuación es insignificante durante el calentamiento Entonces se puede decir que la medición para el mismo TL resultará del promedio de la dosis en el dosímetro TL.

35 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración La consecuencia práctica de esto es: Que para una calibración hecha con rayos gamma de 60Co, en términos del promedio de la dosis en el fosforo del dosímetro TL, esta puede ser utilizada como una buena calibración para todas las radiaciones de bajo LET, esto incluye rayos-X, rayos-gamma, y haces de electrones con energía por encima de 10keV.

36 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración Si se lee la dosis en el fosforo como la dosis en una masa similar de tejido que hipotéticamente ha sustituido entonces, se puede usar la teoría la cavidad. La teoría de Bragg-Gray, con TLD muy fino y electrones muy penetrantes, a tasa de dosis se puede expresar como:

37 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración Que es proporcional al poder de frenado másico de colisión: Donde: T = energía cinética ρ = densidad dx = longitud recorrida

38 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración Si el haz de radiación incidente es frenado por el TLD, entonces la fluencia de energía puede ser derivada. La calibración con 60Co (bajo condiciones de TCPE (equilibrio de partículas cargadas transitorios)) proporciona la lectura del TL por unidad de dosis promedio en el fosforo.

39 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración El hecho de multiplicar la dosis por la masa del chip de TLD permite relacionar la lectura del TL con la dosis integral, o energía consumida en el chip. Ahora: A(m2) es el área del chip m(kg) es la masa del chip k Co = factor de calibración para rayos gamma

40 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración Donde: r = lectura del TLD (Gy/escala de división)

41 M.Sc Alfonso Varela M Bases de la Calibración Entonces la fluencia es: (J/m 2 )

42 M.Sc Alfonso Varela M Calibración con rayos gamma de Co - 60 Para un espacio libre, la exposición X(C/kg) de rayos-γ de 60Co en un punto ocupado por le centro del TLD en su capsula, el promedio de la dosis absorbida en el TLD, en Gy, bajo condiciones de TCPE es representada por:

43 M.Sc Alfonso Varela M Calibración con rayos gamma de Co - 60 Donde: a = corrección por atenuación del haz de rayos-γ en la pared de la capsula.

44 M.Sc Alfonso Varela M Calibración con rayos gamma de Co - 60 Para TLDs de LiF en formato de chips, en una cápsula de Teflon de espesor 2.8mm, (para TCPE) el promedio de la dosis absorbida calculada con: Es aproximadamente: (Gy)

45 M.Sc Alfonso Varela M Calibración con rayos gamma de Co - 60 Si la lectura resultante del TLD es r Entonces el factor de calibración es este factor es aplicable en el calculo del valor de dosis durante la calibración y toda la respuesta lineal vs escala de dosis.

46 M.Sc Alfonso Varela M Calibración con rayos gamma de Co - 60 Para todas las radiaciones de bajo LET, el promedio de la dosis absorbida en el TLD puede ser obtenida del promedio de lectura r del TLD y representado mediante la siguiente ecuación:

47 M.Sc Alfonso Varela M Mas próximo a un comportamiento lineal Tendencia a aumentar un poco la eficiencia conforme aumenta el LET en la región que va desde aproximadamente 0.25keV/μm ahasta1 keV/μm.

48 M.Sc Alfonso Varela M Dependencia del LiF a la energía del fotón Ecuación Respuesta del TL por unidad de exposición Respuesta del TL por unidad de dosis absorbida en el fosforo

49 M.Sc Alfonso Varela M Dependencia del Li 2 B 4 O 7 a la energía del fotón Ecuación Respuesta del TL por unidad de exposición Respuesta del TL por unidad de dosis absorbida en el fosforo

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51 10 cm SSD = 100 cm 40 cm Gantry

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53 1. Amplia escala de dosis, desde pocos milirad hasta 103rad, para una respuesta linear, decayendo para la supra-linearidad en una curva de respuesta vs dosis para Independencia en la tasa de dosis, dentro del rango de rad/s. 3.Tamaño pequeño, almacenamiento de energía pasivo. Por su tamaño no interfiere con el campo de radiación. Y por ser tan finos se aproximan a las condiciones dela teoría de B-G para altas energías y las condiciones de TCPE son mas fáciles de conseguir por causa de su estado condensado.

54 M.Sc Alfonso Varela M 4. Disponibilidad comercial. 5.Son reusables. Normalmente los TLDs pueden ser utilizados muchas veces, esto realizando los procedimientos correctos de medición, tratamiento térmico y calibración. 6.Conveniencia de medición. La medición del TLD es razonablente rápida (<30s) y no requiere de mojado químico. 7.Económico. Su capacidad de poder ser utilizado varias veces hace que los costos disminuyan.

55 M.Sc Alfonso Varela M 8.Disponibilidad de diferentes tipos de sensibilidad a los neutrones térmicos. TLD-700 (7LiF), TLD-100 (93% 7LiF + 7% 6LiF), TLD-600 (6LiF). 9.Exactitud y precisión. Reproductibilidad en la medición de 1-2% puede ser conseguida, manteniendo los cuidados necesarios.

56 M.Sc Alfonso Varela M 1.Falta de uniformidad: Diferentes dosímetros de un mismo grupo de fósforos pueden presentar diferencias en sus sensibilidad, esta característica aumenta cuando analizamos diferentes grupos de fósforos. De esta forma se deben haces calibraciones individuales de los TLDs o de un grupo o lote. 2.Inestabilidad de almacenamiento: la sensibilidad del TLD varia con el tiempo antes de la irradiación para un mismo fosforo, esto hace que se de una migración de los centros de las trampas a temperatura ambiente. Recocimientos controlados de los TLD pueden usualmente restaurar nuevamente las condiciones de

57 M.Sc Alfonso Varela M 3.Desvanecimiento: Los dosímetros irradiados no almacenan permanentemente el 100% de los portadores de carga atrapados. Esto provoca una perdida gradual de la señal latente del TLD, por lo que se debe hacer una corrección especialmente en aplicaciones de dosimetría personal. 4.Sensibilidad a la luz: Todos los TLDs muestran algún tipo de sensibilidad a la luz, especialmente para radiación UV, luz del sol, o luz fluorescente. Esto puede provocar desvanecimiento acelerado, o escape de los portadores de carga de las trampas. Además de esto, esta sensibilidad puede causar ionización y pode causar llenado de las trampas, causando lecturas equivocadas.

58 M.Sc Alfonso Varela M 6.Contaminación de la señal: Raspar los cristales de TLD (por manipulación con la pinza) o contaminación de la da superficie por suciedad o humedad puede causar medicines equivocadas. Por lo que se requiere la presencia de un gas inerte 7.Memoria de radiación e historia térmica: la sensibilidad puede ser aumentada o disminuida después de una dosis alta de radiación. Por este motivo deben de realizarse tratamientos térmicos adicionales con el propósito de recobrar la sensibilidad inicial.

59 M.Sc Alfonso Varela M 8.Inestabilidad del lector: la mediciones de los TLDs dependen de la sensibilidad de los lectores a la luz y del procedimiento de calentamiento. De esta forma la constancia de la lectura es difícil de mantener por largos periodos de tiempo sin un adecuado control de calidad del la lectora. 9.Perdida de las informaciones: luego de la lectura la información es irrecuperable.

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