Radioproteção e Dosimetria

Esse é um resumo da apostila de Radioproteção e Dosimetria (produzida pelo Instituto de Radioproteção e Dosimetria da CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear). São apresentados os tópicos envolvendo Radiologia, interação da radiação com a matéria e seus efeitos biológicos, grandezas e unidades de medida, detectores, radioproteção e aplicações. Seu original está disponível no link apresentado. O material foi atualizado com algumas definições utilizadas na dissertação de mestrado com tema Avaliação das doses efetivas e efetivas coletivas e do livro Segurança Nuclear e Proteção do Meio Ambiente.

A população mundial é constantemente submetida a doses de radiação ionizante por fontes naturais. Essas fontes podem ser classificadas em dois tipos; os raios cósmicos, originados no espaço e cuja exposição é função da altitude e latitude que a pessoa se encontra, e as radiações emitidas por radionuclídeos naturalmente encontrados na Terra. Em 2008, a dose efetiva média anual relativa a população mundial, considerando as fontes de radiação natural, teve um valor médio de 2,4 mSv/ano. Mas existem também as fontes artificiais – veja o quadro a seguir com alguns exemplos:

Níveis de radiação (fonte: UOL, The Guardian e Radiologyinfo.org)

Níveis de radiação (fonte: UOL, The Guardian e Radiologyinfo.org)

O modelo para representar o átomo envolve um núcleo com partículas de cargas positivas (prótons) e neutras (nêutrons), que se organizam em orbitais/níveis de energia sob a ação do campo de forças intensas e de curto alcance (forças nucleares), e camadas de partículas de carga negativa (elétrons) ao redor. O raio de um átomo é da ordem de 10-7 cm e suas propriedades químicas são definidas pelos elétrons das camadas mais externas.

Quando o átomo se encontra em equilíbrio, os seus elétrons e seus núcleons se encontram em orbitais estacionários. Se partículas/ondas eletromagnéticas forem lançadas contra ele, elas poderão colidir com alguns de seus elétrons (mais provável) ou com o seu núcleo. No choque, a radiação transfere parcial ou totalmente a sua energia que, se for superior à energia de ligação, provocará uma ionização ou uma reação nuclear, no átomo ou no núcleo, respectivamente. Caso a energia absorvida seja inferior à energia de ligação, ocorrerá um deslocamento da partícula alvo para estados disponíveis nas estruturas eletrônica ou nuclear, gerando os denominados estados excitados eletrônicos ou nucleares.

As transições eletrônicas podem ser de baixa energia (geram luz), e ocorrem em camadas mais externas, ou de alta energia (geram raios-x, raios beta e raios alfa), e ocorrem em camadas mais internas. Já as transições nucleares geram raios gama. A atividade de uma amostra depende do valor inicial da atividade no instante zero e é uma função exponencial decrescente do tempo. O tempo de permanência da partícula no estado excitado depende das características que definem os estados inicial e final, que irão participar da transição, e pode ser definido probabilisticamente em termos de meia-vida.

Então, o que é radiação?

A radiação eletromagnética é constituída por vibração simultânea de campos magnético e elétrico, perpendiculares entre si, originados durante a transição, pela movimentação da carga e momento magnético da partícula, quando modifica seu estado de energia, caracterizado pelo momento angular, spin e paridade.

Radiação beta é o termo usado para descrever elétrons (négatrons e pósitrons) de origem nuclear. Sua emissão constitui um processo comum em núcleos de massa pequena ou intermediária, que possuem excesso de nêutrons ou de prótons em relação à estrutura estável correspondente.

Já a radiação alfa ocorre quando o número de prótons e nêutrons é elevado e o núcleo pode se tornar instável devido à repulsão elétrica entre os prótons, que pode superar a força nuclear atrativa, de alcance restrito, da ordem do diâmetro nuclear. Nesses casos pode ocorrer a emissão pelo núcleo de partículas constituídas de 2 prótons e 2 nêutrons (núcleo de 4He).

Quando um núcleo decai por emissão de radiação alfa ou beta, geralmente o núcleo residual tem seus núcleons fora da configuração de equilíbrio, ou seja, estão alocados em estados excitados. Assim para atingir o estado fundamental, emitem a energia excedente sob a forma de radiação eletromagnética, denominada radiação gama.

Essas radiações são diferentes tipos de decaimento. O decaimento radioativo numa amostra de radionuclídeo segue um comportamento exponencial baseado na variação do número de átomos com o tempo (Atividade A) e constante de decaimento λ (específica para cada radionuclídeo):

math formula

Interação com a matéria

Ao interagir com um material, as radiações podem provocar:

  • excitação atômica ou molecular – elétrons são deslocados de seus orbitais de equilíbrio e, ao retornarem, emitem a energia excedente sob a forma de luz ou raios X;
  • ionização – elétrons são removidos dos orbitais pelas radiações, resultando elétrons livres de alta energia, íons positivos ou radicais livres quando ocorrem quebra de ligações químicas;
  • ativação do núcleo – A interação de radiações com energia superior à energia de ligação dos núcleons com um material, pode provocar reações nucleares, resultando num núcleo residual e emissão de radiação.

As radiações eletromagnéticas ionizantes de interesse são as radiações X e gama. Devido ao seu caráter ondulatório, ausência de carga e massa de repouso, essas radiações podem penetrar em um material, percorrendo grandes espessuras antes de sofrer a primeira interação. Os principais modos de interação, excluindo as reações nucleares, são:

  • Efeito fotoelétrico – transferência total da energia da radiação X ou gama (que desaparece) a um único elétron orbital, que é expelido com uma energia cinética bem definida;
  • Efeito Compton – fóton é espalhado por um elétron de baixa energia de ligação, que recebe somente parte de sua energia, continuando sua sobrevivência dentro do material em outra direção;
  • Raios x de freamento – Quando partículas carregadas, principalmente elétrons, interagem com o campo elétrico de núcleos de número atômico elevado ou com a eletrosfera, elas reduzem a energia cinética, mudam de direção e emitem a diferença de energia sob a forma de ondas eletromagnéticas, denominadas de raios X de freamento ou “bremsstrahlung”;
  • Produção de pares – Quando fótons de energia superior a 1,022 MeV passam perto de núcleos de elevado número atômico, ao interagir com o forte campo elétrico nuclear, a radiação desaparece e dá origem a um par elétron-pósitron;
  • Aniquilação – Quando um pósitron, após perder sua energia cinética, interage com um elétron, a matéria é toda transformada em energia, sendo emitidos dois fótons, em sentidos opostos, com energia de 0,511 MeV. Também é conhecida como radiação gama, embora não tenha origem nuclear.

Efeitos biológicos

A exposição do homem ou parte de seus tecidos à radiação, pode ter resultados bastante diferenciados, se ela ocorreu de uma única vez, de maneira fracionada (fazendo uma radiografia ou em tratamento radioterápico) ou se periodicamente (rotinas de trabalho com material radioativo).

O processo de ionização, ao alterar os átomos, pode alterar a estrutura das moléculas que os contêm. Se a energia de excitação ultrapassar a energia de ligação entre os átomos, pode ocorrer quebra das ligações químicas e consequentes mudanças moleculares. Da energia transferida pela radiação ao tecido, metade dela induz excitações, cujas consequências, são menores que as de ionização.

Se as moléculas alteradas compõem uma célula, esta pode sofrer as consequências de suas alterações, direta ou indiretamente, com a produção de radicais livres, íons e elétrons. Os efeitos da radiação dependem da dose, taxa de dose, do fracionamento, do tipo de radiação, do tipo de célula ou tecido e do indicador (endpoint) considerado. Tais alterações nem sempre são nocivas ao organismo humano – se a substância alterada possui um papel crítico para o funcionamento da célula, pode resultar na alteração ou na morte da célula. Em muitos órgãos e tecidos o processo de perda e reposição celular, faz parte de sua operação normal. A célula modificada, mantendo sua capacidade reprodutiva, potencialmente, pode dar origem a um câncer.

Normalmente, quanto mais diferenciada for a célula mais radioresistente ela é, uma vez que o ciclo celular é mais longo e a probabiblidade de recuperação dos danos biológicos é maior. Assim acontece, por exemplo, com as células do sistema nervoso e muscular. Em contrapartida, as células de maior atividadade (como as células do sistema hematopoiético, as células epiteliais e as do revestimento intestinal) são mais radiosensíveis já que seu ciclo celular é mais curto e estão em constante divisão.

Dos danos celulares, os mais importantes são os relacionados à molécula do DNA. As lesões podem ser quebras simples e duplas da molécula, ligações cruzadas (entre DNA-DNA, entre DNA-proteínas), alterações nos açúcares ou em bases (substituições ou deleções). As mutações, nas células somáticas (do corpo) ou germinativas (das gônadas, e podem ser hereditários) podem ser classificadas em:

  • Mutações pontuais (alterações na sequência de bases do DNA);
  • Aberrações cromossomiais estruturais (quebra nos cromossomos);
  • Aberrações cromossomiais numéricas (aumento ou diminuição no número de cromossomos).
Fases do efeito biológico produzido pela radiação ionizante (fig. 4.6 da apostila de Radioproteção e Dosimetria do CNEN).

Fases do efeito biológico produzido pela radiação ionizante (fig. 4.6 da apostila de Radioproteção e Dosimetria do CNEN).

Dentre os efeitos da radiação no material biológico, a Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP) os classifica de duas formas: efeitos estocásticos e efeitos determinísticos. Quando a probabilidade de ocorrer um efeito biológico e sua severidade não dependem da dose, tem-se o efeito estocástico. Este tipo de efeito é o mais provável de acontecer em exposições por baixas doses de radiação, como por exemplo, exposições rotineiras de trabalho, o que justifica os limites de dose em trabalhadores ocupacionalmente expostos.

A gravidade dos efeitos determinísticos varia com a dose absorvida e, por isto, existe um limiar de dose no qual acima dele, os efeitos serão provavelmente observados. Esse tipo de efeito será principalmente observado em exposições por altas doses de radiação em curtos intervalos de tempo, como por exemplo, situações acidentais ou planejadas para situações de guerra, espionagem e até terrorismo.

As pessoas que sofreram contaminação, interna ou externa, com radionuclídeos é que precisam ser manuseadas com cuidado, pois tais radionuclídeos podem estar presentes no suor, na excreta e muco das vítimas. Em uma radioterapia, focaliza-se sempre o tumor, e aplica-se o feixe de radiação em diferentes direções, movendo o irradiador ou o paciente, de modo que a dose induza à morte as células do tumor e o tecido sadio irradiado seja naturalmente reposto. O uso de raios X é semelhante, com a diferença que se pode variar o poder de penetração da radiação e a intensidade de feixe. Para tumores localizados em certas regiões do corpo é preferível utilizar fontes de radiação gama aplicadas diretamente sobre eles, numa técnica conhecida como braquiterapia. Dependendo da situação, pode-se embutir fontes perto do local afetado, como as antigas “agulhas” de rádio e as “sementes” de césio e cobalto, ou irradiar o tumor com uma fonte próxima, por meio de um aplicador.

Na obtenção de imagens de órgãos, tecidos e sistemas do corpo humano,podem ser utilizados feixes externos de raios X ou as radiações gama emitidas por radioisótopos neles incorporados, utilizando radiofármacos apropriados.

Grandezas e unidades de medida

A atividade de uma fonte é medida em unidades de transformações por segundo, denominada becquerel (Bq) = 1/s no Sistema Internacional. A unidade antiga é o curie (Ci), que equivale ao número de transformações por segundo em um grama de 226Ra, que é de 3,7×1010 transformações por segundo. Portanto, 1 Ci é equivalente a 3,7×1010 Bq.

Um elétron-volt (eV) é a energia cinética adquirida por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de potencial elétrica de 1 Volt. 1 MeV = 10+6 eV = 1,6×10-13 Joule.

As grandezas dosimétricas estão associadas à quantidade de radiação que um material foi submetido ou absorveu.

O Sievert (Sv) é a unidade usada para dar uma avaliação do impacto da radiação ionizante sobre os seres humanos. É a unidade do Sistema Internacional de Unidades da dose equivalente e dose eficaz, e que leva em conta os efeitos biológicos em tecidos vivos, produzidos pela radiação absorvida. Dessa forma, a dose equivalente é obtida através da dose absorvida multiplicada por dois fatores ponderantes apropriados adimensionais.

O efeito da radiação ionizante depende principalmente da energia fisicamente recebida por cada unidade de massa, portanto, o Sievert tem a mesma unidade que o Gray (Gy), que representa a quantidade de energia de radiação ionizante absorvida (ou dose) por unidade de massa, ou seja, um joule de radiação absorvida por um quilograma de matéria (J/kg). É uma quantidade física, e não leva em consideração qualquer contexto biológico.

O Kerma é definida como a soma de energia cinética de todas as partículas carregadas liberadas pelas partículas não carregadas em um material de massa dm.

A Dose Absorvida é a relação entre a parte da energia absorvida e a massa do tecido. Se o material irradiado for o ar, e se a radiação for fótons X ou gama, a relação entre a carga adicional, de mesmo sinal, e a massa permite definir a Exposição. A unidade antiga de dose absorvida, o rad (radiation absorved dose), em relação ao gray, vale: 1 Gy = 100 rad.

Quando os efeitos das interações acontecem no organismo humano e se as suas consequências podem ser deletérias, pode-se definir grandezas limitantes, para indicar o risco à saúde humana devido à radiação ionizante. Como as radiações apresentam diferenças na ionização, penetração e, consequente dano biológico produzido, introduz-se fatores de peso associados às grandezas dosimétricas e, assim, se obtém o Equivalente de Dose (ou Dose equivalente). A Dose Equivalente H é obtida multiplicando-se a dose absorvida média D pelo Fator de peso Q relacionado ao tipo de radiação (1 para fótons e 20 para partículas alfa, por exemplo). O equivalente de dose comprometida é dado pelo valor da integral da taxa de equivalente de dose dH/dt em um determinado órgão/tecido durante certo período.

A Dose Efetiva leva em conta o fato de que tecidos diferentes podem ter diferentes sensibilidades, sendo assim definida como a somatória das doses equivalentes ponderadas pelos diferentes tecidos de fator peso. Esse fator varia de 0,20 para as gônadas (muito sensíveis) a 0,01 para tecido ósseo (mais resistente). Esses valores foram determinados a partir de uma simplificação dos valores da Eficiência Biológica Relativa (RBE) dos diferentes tipos de radiação, na indução de determinado tipo de efeito biológico.

A Dose Efetiva Coletiva é útil ao se estudar os efeitos da radiação sobre um grupo de pessoas. Define-se essa grandeza como o produto da dose efetiva média E de um determinado grupo de indivíduos Ei pelo número N desses indivíduos expostos. Veja no link os limites de doses ocupacionais definidos por lei.

O detrimento G na população é definido como o valor esperado do dano provocado por uma dose de radiação considerando-se não unicamente as possibilidades de cada tipo de efeito deletério, mas também a gravidade dos efeitos.

A influência da qualidade de radiação nos sistemas biológicos pode ser quantificada utilizando a Eficiência Biológica Relativa (RBE), que é a relação entre a dose da radiação de referência necessária para produzir um específico nível de resposta (dose referência) e a dose da radiação necessária para produzir igual resposta (dose radiação). A RBE é considerada como sendo função da qualidade da radiação, expressa em termos da Transferência Linear de Energia (LET). Por sua vez, LET é a perda média de energia, por colisão, de uma partícula carregada por unidade de comprimento.

Princípios de detecção da radiação

As emulsões fotográficas são normalmente constituídas de cristais (grãos) de haletos de prata (normalmente brometo) dispersos em uma matriz de gelatina. A presença da prata metálica remanescente após o processo de revelação está relacionada à quantidade de radiação a que foi submetida a emulsão.

Detectores termoluminescentes possuem uma massa pequena (de aproximadamente 1 a 100 mg) de um material cristalino dielétrico contendo ativadores convenientes. Esses ativadores criam dois tipos de imperfeições na rede cristalina: armadilhas para elétrons, que capturam e aprisionam os portadores de carga, e centros de luminescência. A radiação ionizante, ao interagir com os elétrons, cede energia aos mesmos, que são aprisionados pelas armadilhas. Se o material é submetido a um aquecimento os elétrons aprisionados nas armadilhas são liberados, fazendo com que percam a energia nos centros de luminescência. A diferença de energia entre esses dois níveis é emitida através de um fóton na faixa da luz visível (da ordem de alguns eV).

Os detectores a gás constituem os tipos mais tradicionais e difundidos. A interação das radiações com os gases provoca principalmente excitação e ionização dos seus átomos. Na ionização, são formados pares elétron-íon que dependem de características dos gases utilizados e da radiação ionizante. A coleta dos elétrons e dos íons positivos formados no volume sensível do detector é feita por meio de campos elétricos e dispositivos apropriados, e serve como uma medida da radiação incidente no detector. A carga, ao atingir o eletrodo, produz uma variação na carga do circuito, que pode ser detectada e transformada em um sinal elétrico. Essa carga corresponde a uma corrente, que pode ser medida, ou criando um pulso referente à variação de potencial correspondente. Como exemplo, temos os detectores Geiger-Müller.

Detectores à cintilação utilizam um material cintilador, que deverá transformar toda energia cinética da radiação em luz, proporcionalmente à energia incidente. Também são utilizados materiais semi-condutores. Em materiais cristalinos, pode-se dizer, de forma simplificada, que há três bandas de energia em relação a condutividade de elétrons: a banda de valência, de energia mais baixa, onde os elétrons normalmente se encontram em um material não excitado; a banda de condução, por onde os elétrons normalmente migram, e uma banda proibida, que é uma região onde os elétrons não são permitidos estar.

A passagem da radiação por um material semicondutor com estrutura de bandas provoca a criação de um grande número de pares elétrons-buracos (o elétron retirado provoca um desequilíbrio na carga da estrutura da banda de valência) ao longo da trajetória da partícula, que são coletados pelo campo elétrico aplicado ao material. A energia média gasta para criar um par elétron-buraco é denominada energia de ionização e depende do tipo e energia da radiação incidente.

Radioproteção e cálculo de blindagem

Uma das metas da proteção radiológica é a de manter os limites de dose equivalente (equivalente de dose) anual, para os tecidos, abaixo do limiar do detrimento, para os efeitos não-estocásticos nesse tecido. Ou seja, impõe-se que as doses individuais de trabalhadores e de indivíduos do público não devem exceder os limites anuais de doses estabelecidos. Outra meta da proteção radiológica é a de limitar a probabilidade de ocorrência de efeitos estocásticos.

As radiações externas podem ser controladas operando-se com três parâmetros: tempo, distância e blindagem. O cálculo e construção de uma blindagem para uma instalação devem levar em consideração a localização dos geradores de radiação, as direções possíveis de incidência do feixe, o tempo de ocupação da máquina ou fonte, a carga de trabalho, os locais e áreas, etc. Além do cálculo da barreira primária, deve-se calcular a barreira secundária devido ao espalhamento da radiação nas paredes, equipamentos e no ar. Após a escolha dos materiais da construção da instalação e da blindagem, calcula-se as espessuras e escolhem-se as geometrias que otimizam a redução do nível de radiação aos estabelecidos por normas.

Devido ao fato de fótons X e gama atravessarem o material absorvedor, sua redução é determinada pela energia da radiação, pela natureza do material absorvedor e a sua espessura. Em primeira aproximação, a lei de atenuação exponencial de atenuação de radiação X e gama é:

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Aplicações da tecnologia nuclear

  • Instalações médicas: Serviços de Radioterapia, Serviços de Medicina Nuclear.
  • Instalações Industriais: Instalações de radiografia industrial (verificação da qualidade das soldas nas junções), Indústrias que operam medidores nucleares (medição de nível ou espessura), Serviços de perfilagem de petróleo, Irradiadores industriais de grande porte (preservação de alimentos e esterilização de artigos médicos).
  • Instalações de Pesquisa: física nuclear, biologia, agricultura, saúde, meio ambiente, hidrologia e outras.

Os raios X gerados para uso médico e industrial não passam dos 500 keV, embora possam ser obtidos em laboratório raios X até com centenas de MeV. Na esterilização e conservação de frutas, especiarias, peixes e carnes, com radiação gama, as doses aplicadas atingem a 10 kilograys (kGy). Em radioterapia, a 2 Gy por aplicação. A radioatividade natural induz ao homem doses de radiação da ordem de 1 mGy por ano.

Normatização

As principais Normas da CNEN estão no fim da apostila indicada no início, e também podem ser encontradas nesse endereço: http://www.cnen.gov.br/seguranca/normas/normas.asp

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