Abstract: Neste trabalho é apresentado um estudo comparativo da resposta de diodos de Si para dosimetria de radiação gama. Os diodos investigados, crescidos pelas técnicas de fusão zonal (Fz) e Czchocralski magnético (MCz), foram processados no Instituto de Física da Universidade de Helsinki no âmbito das pesquisas e desenvolvimento de dispositivos de Si resistentes a danos de radiação segundo a colaboração RD50 do CERN (European Organization for Nuclear Research). Para estudar a resposta dosimétrica dos diodos, eles foram acoplados diretamente no modo fotovoltaico na entrada de um eletrômetro digital para medir o sinal de fotocorrente devido a incidência de raios gama provenientes de uma fonte de 60Co (Gammacell 220). O parâmetro dosimétrico usado para estudar a resposta destes dispositivos foi a carga, obtida pela integração do sinal de corrente pelo tempo de exposição, em função da dose absorvida. Estudos da influência dos procedimentos de pré-irradiação na sensibilidade e estabilidade destes diodos mostraram que a sensibilidade decresce com a dose total absorvida mas depois de uma pré-irradiação de cerca de 873 kGy, eles se tornaram mais estáveis. Efeitos dos danos de radiação eventualmente produzidos nos diodos foram monitorados mediante medidas dinâmicas de corrente e de capacitância depois de cada etapa de irradiação. Ambas as amostras exibiram boa reprodutibilidade de resposta, 2,21% (Fz) e 2,94% (MCz), obtida com 13 medidas consecutivas de 15 kGy comparadas com a equivalente dose de 195 kGy absorvida em uma única etapa de irradiação. É importante notar que estes resultados são melhores do que aqueles obtidos com dosímetros de rotina de polimetilmetacrilato (PMMA) usados em processamento por radiação.

Palavras-Chave: dosimetry; gamma radiation; silicon diodes; semiconductor materials; radiation hazards; comparative evaluations

Abstract: Neste trabalho são apresentados os resultados da caracterização dosimétrica de dois diodos especiais de silício, resistentes a danos de radiação, crescidos pelo método epitaxial com vistas a sua aplicação na monitoração em tempo real de feixes de fótons de qualidades de radiodiagnóstico convencional, mamografia e tomografia computadorizada, no intervalo de tensão de 28 kV a 150 kV. Os dispositivos utilizados, um submetido à pré-dose de 200 kGy de raios gama do 60Co no Centro de Tecnologia das Radiações (CTR) do IPENCNEN/ SP, e outro sem qualquer irradiação prévia, foram processados na Universidade de Hamburgo a partir de uma camada epitaxial com 50 μm de espessura. Apenas para comparação, um diodo de Si crescido por fusão zonal padrão foi também estudado. As irradiações foram realizadas no Laboratório de Calibração de Instrumentos (LCI) do IPEN/CNEN-SP, onde está instalado um gerador de radiação X, Pantak-Seifert, Isovolt 160 HS, cujas qualidades de radiação foram verificadas por câmaras de ionização padronizadas. Os diodos foram ligados a um eletrômetro Keithley 6517B em modo fotovoltaico, com a distância do ponto focal do gerador aos diodos mantida em 1 m. Os principais parâmetros dosimétricos das amostras foram avaliados de acordo com a norma IEC61674. Os coeficientes de calibração dos diodos em termos do kerma no ar também foram determinados. Os diodos apresentaram excelente estabilidade de resposta em curto prazo para as qualidades estudadas, com coeficientes de variação em corrente equivalentes e não superiores a 0,3%. O comportamento das fotocorrentes em função da taxa de dose foi linear para os três dispositivos no intervalo de 0,8 a 77,2 mGy/min. As curvas carga-dose obtidas pela integração dos sinais de corrente tornaram evidente a ausência de dependência energética para feixes de mamografia e de radiodiagnóstico até 70 kV. O diodo epitaxial sem pré-dose apresentou maior sensibilidade em corrente e em carga em relação aos demais, com queda neste parâmetro de 8% após receber dose acumulada de 49 Gy. Até este limite de dose, as correntes de fuga dos dispositivos mantiveram-se estáveis em cerca de 0,4 pA ao longo das irradiações, sendo menores por um fator até 104 em relação às correntes em condição de irradiação. A variação da resposta direcional de ambos diodos para o intervalo de ± 5° foi inferior a 0,1 % e seus coeficientes de calibração para os feixes estudados foram determinados a partir dos padrões de referência do LCI. As alterações das características elétricas das amostras em função de danos de radiação foram também estudadas e não revelaram alteração significativa para tensão de polarização nula. Com base nos resultados obtidos até o presente e considerando as recomendações da norma IEC 61674, pode-se afirmar que diodos epitaxiais sem pré-dose e com pré-dose podem ser empregados de forma confiável na dosimetria de feixes de radiação eletromagnética para imagens médicas até o limite de dose acumulada de 10 Gy e acima de 206 kGy, respectivamente.

Palavras-Chave: silicon diodes; epitaxy; si semiconductor detectors; electron beams; x-ray diffraction; photon beams; dosimetry; radiation dose units; photon computed tomography; on-line measurement systems; image processing

Abstract: A radiação ionizante de fontes de radiação gama ou geradores de raios-x é frequentemente utilizada na ciência médica, como em exames de radiodiagnóstico, radioterapia e esterilização de aloenxertos. A radiação ionizante é capaz de quebrar cadeias polipeptidicas e provocar a libertação de radicais livres, pela radiólise de moléculas de água. A radiação ionizante interage também com o material orgânico a nível molecular, podendo alterar as suas propriedades mecânicas. No caso específico do tecido ósseo, estudos reportam que a radiação ionizante induz alterações nas moléculas de colágeno e reduzem a densidade de ligações cruzadas intermoleculares. O objetivo deste estudo foi verificar as alterações promovidas por diferentes doses de radiação ionizante no tecido ósseo utilizando a técnica de Espectroscopia Transformada de Fourier com Reflexão Total Atenuada (ATR-FTIR), e também a análise dinâmico-mecânica. Amostras de osso bovino foram irradiadas usando irradiador de Cobalto-60, com cinco doses diferentes: 0,01 kGy, 0,1 kGy, 1 kGy, 15 kGy e 75 kGy. Para estudar os efeitos da radiação ionizante sobre a estrutura química do osso foram avaliadas a relação material orgânico por material inorgânico, a relação de sub-bandas de amida I e o índice de cristalinidade. As alterações mecânicas foram determinadas por meio do módulo de elasticidade e do valor do amortecimento. Para verificar se as mudanças químicas e as características mecânicas de osso possuem alguma relação, realizou-se um estudo sobre a correlação entre as análises feitas com os dados espectroscópicos e as análises mecânicas. Foi possível avaliar os efeitos de diferentes doses de radiação ionizante no tecido ósseo. Com a análise por espectroscopia ATR-FTIR, foi possível observar as modificações dos componentes orgânicos e na organização cristais de hidroxiapatita. Também foram observadas alterações no módulo elástico e na tangente de delta (dissipação de energia mecânica). Foram encontradas altas correlações com significância estatística entre a relação das bandas (amida III + colágeno)/v1,v3, PO43- com a tangente de delta, e entre a relação 1/FHMW e o módulo elástico.

Palavras-Chave: dosimetry; radiation dose distributions; radiation dose units; measuring instruments; animal tissues; bone tissues; fourier transform spectrometers; infrared spectra; dynamic loads; mechanical tests; ionizing radiations; in vitro

Abstract: Neste trabalho foram avaliadas as principais características dosimétricas de diodos crescidos pelos métodos de Fusão Zonal (FZ) e Czochralski magnético (MCz), resistentes a danos de radiação, quando aplicados em dosimetria de processos de irradiação industrial com elétrons (1,5 MeV) e raios gama (60Co). O sistema dosimétrico proposto baseia-se no registro de valores de correntes elétricas geradas nos diodos devido à passagem da radiação ionizante. A uniformidade de resposta de um lote de dispositivos foi analisada para os diodos FZ do tipo n irradiados com raios gama. Para uma dose de até 5 kGy obteve-se um coeficiente de variação de 1,25% dos valores de corrente elétrica registrados. A queda da sensibilidade dos diodos com o acúmulo de dose (Total Ionizing Dose TID) foi observada, de acordo com o esperado, para ambos os diodos FZ e MCz, sendo mais acentuada para dispositivos do tipo n ou com resistividade menor, quando irradiados com raios gama. Nos procedimentos de irradiação com elétrons foram utilizados dois protótipos de sonda dosimétrica, sendo que um deles foi projetado para evitar a deterioração dos contatos elétricos e da metalização dos diodos, fenômeno observado durante o desenvolvimento do projeto. A queda da sensibilidade dos diodos FZ e MCz pré-irradiados foi de aproximadamente 10% e 40%, respectivamente, durante os procedimentos de irradiação com elétrons para uma dose acumulada total de 1,25 MGy. A influência dos danos causados por esse tipo de radiação nas propriedades elétricas dos diodos FZ e MCz foi avaliada por meio das medições de corrente de fuga e da capacitância em função da tensão de polarização. A corrente de fuga, que aumenta com a dose de radiação acumulada, não contribui significativamente para a formação do sinal de corrente durante a irradiação, uma vez que os diodos são operados no modo fotovoltaico, ou seja, sem tensão de polarização. Para o diodo MCz não foram observadas alterações significativas dos valores de tensão de depleção total, evidenciando sua maior tolerância aos danos induzidos pela radiação, como esperado. Como durante os procedimentos de irradiação com elétrons há uma variação acentuada dos valores de temperatura, a influência deste parâmetro para as medições de corrente elétrica foi avaliada por meio da extrapolação dos valores de corrente de fuga até 35°C. A contribuição da corrente de fuga para a corrente induzida pela radiação, devido ao aumento da temperatura, não ultrapassa 0,1% para os diodos FZ e MCz. A influência do tipo de radiação, elétrons ou raios gama, na pré-dose dos diodos foi avaliada para o dispositivo FZ do tipo n e observou-se que a pré-irradiação com elétrons é mais eficiente no tocante à queda da sensibilidade dos dispositivos. Os resultados apresentados neste trabalho indicam a potencialidade da aplicação dos diodos FZ e MCz como dosímetros em processos de irradiação de rotina com raios gama e elétrons. Vale ressaltar que a vantagem do sistema proposto reside na possibilidade de acompanhamento em tempo real dos processos envolvidos, sobretudo para elétrons, permitindo a monitoração dos parâmetros dos aceleradores, tais como velocidade de esteira e corrente elétrica de feixe.

Palavras-Chave: dosimetry; gamma radiation; cobalt 60; electron beams; si semiconductor detectors; silicon diodes; radiation hazards; sensitivity