Contador de poço com analisador multicanal para
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1. l KURE Qe k b y ated iiss 31 Figura 20 Figura ilustrativa do menu Calibrate do software utilizado Adaptado de 19 sci vesass eansinsisivnncs Seusiaweeds aeduecades eisapes ueushataant o p n S RER TOTENA ERaJBJ BD TM UMTDDTDDMNcpDPCD _ 32 Figura 21 Espectro de uma amostra de Ga u s 33 Figura 22 Espectro de uma amostra de ussen 33 Figura 23 Espectro obtido com a amostra que continha 10 mL de Ga e 10 mL de a r Se eet a e Aiea 34 Figura 24 Espectro obtido com a amostra que continha 30 mL de Ga e 10 mL de O YY DR r E A 35 Figura 25 Espectro obtido com a amostra que continha 60 mL de Ga e 20 mL de RG SR RT a T ATE ETI ETN 35 Figura 26 Esquema representativo do circuito utilizado no primeiro amplificador desenvolvido O operacional do tipo LF356N da National Semiconductor 45 Figura 27 Esquema representativo do circuito utilizado no segundo amplificador desenvolvido O operacional do tipo LT1357CN8 da Linear Technolog 45 vi indice de Tabelas Tabela 1 Caracter sticas das reac es nucleares Adaptado de 4 3 Tabela 2 Propriedades de certos cintiladores inorg nicos Adaptado de 2 14 Tabela 3 Caracter sticas de MCA s existentes no MercadO eeceeeseceeeseceesteeeennees 22 FERE ie N ay al E Ue oh Ds Pe a Sil Be Me Ia cv Dlg US da bale DR 23 Tabela 5 Valores de ener2. es logo os electr es da camada K s o os mais afectados O fotoelectr o aparece com uma energia dada por E hv E 3 onde E representa a energia de liga o do fotoelectr o na sua camada de origem Para raios gama com energias de algumas centenas de keV o fotoelectr o transporta a maioria da energia original do fot o x y ray nA electron Figura 3 Processo de absor o fotoel ctrica Adaptado de 7 Para al m do fotoelectr o a interac o cria um tomo ionizado com uma lacuna numa das suas camadas Esta lacuna rapidamente preenchida por rearranjo dos electr es das outras camadas mais exteriores do tomo Deste modo a emiss o de um ou mais fot es de raios X pode acompanhar a absor o do raio gama Apesar de na maioria dos casos estes raios X serem reabsorvidos a sua migra o e poss vel escape dos detectores de radia o podem influenciar a sua resposta Fontes de Radia o O processo fotoel ctrico o modo predominante de interac o de raios gama de relativamente baixa energia O processo tamb m acentuado para materiais de elevado n mero at mico Z Uma aproxima o da probabilidade de absor o fotoel ctrica por tomo para todas as gamas de E e Z dada por Z T ctex 3 3 5 E onde n varia entre 4 e 5 Esta depend ncia do n mero at mico do material a principal raz o para o uso de materiais de Z elevado tais como o chumbo em blindagem de raios
3. sem d vida o Nal T1 onde o T lio TI o activador Outros exemplos de cintiladores s o CsI TI Cal Na Lil Eu e CaF Eu Algumas das propriedades de certos cintiladores inorg nicos s o mostrados na tabela 2 Tabela 2 Propriedades de certos cintiladores inorg nicos Adaptado de 2 Efici ncia do Tempo de 2 de emiss o Densidade 10 Material cintilador decaimento 3 m xima nm kg m relativa Jo us Nal TI 410 100 0 23 3 67 CaF gt Eu 435 50 0 94 3 18 CsI Na 420 80 0 63 4 51 CsI TI 565 45 1 00 4 51 BijGe301 gt 480 8 0 30 7 13 CdWO 530 20 0 90 7 90 SLil Eu 470 30 0 94 3 49 3 2 1 O mecanismo do processo de cintila o A luminesc ncia dos cintiladores inorg nicos pode ser entendida em termos de bandas de energia electr nicas permitidas e proibidas de um cristal Os estados 14 Detectores de Cintila o electr nicos de energia de um tomo s o n veis discretos de energia que num diagrama energia n vel s o representados como linhas discretas Num cristal os estados permitidos de energia estendem se para bandas Figura 3 oduchon band tndrmally empty Exciton band Hence b nd normally full Figura 7 Bandas permitidas e proibidas de um cristal Adaptado de 2 No estado de mais baixa energia do cristal a banda permitida que cont m electr es est completamente preenchida A esta banda chama se banda de val ncia A pr xima banda permitida est vazia
4. Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade de Coimbri Hospitais da Universidade de Coimbra Contador de poco com analisador multicanal para leitura de amostras de radionuclidos em Medicina Nuclear Relat rio de Projecto In s Rocha Marques Rolo Coimbra 2007 Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Univer dade J Col mbra Hospitais da Universidade de Coimbra Contador de poco com analisador multicanal para leitura de amostras de radionuclidos em Medicina Nuclear Relat rio de Projecto In s Rocha Marques Rolo Orientador Prof Doutor Joaquim Santos Supervisor Eng Jorge Isidoro Coimbra 2007 Agradecimentos Aproximando se o termo deste projecto e olhando em retrospectiva enumerar em poucas linhas todas as pessoas que de alguma forma me suportaram incentivaram e participaram nas varias alturas em que tudo parecia sem solu o torna se uma tarefa dificil Sob pena de omitir algu m aqui deixo o meu agradecimento ao meu orientador Prof Doutor Joaquim Santos e ao meu supervisor Eng Jorge Isidoro Agrade o tamb m ao Prof Doutor Luis Requicha ao Prof Doutor Carlos Correia e ao Prof Miguel Morgado sem os quais n o teria sido poss vel o bom termos deste trabalho Quero tamb m expressar o meu agradecimento aos meus pais e irm que tanto me apoiaram E n o posso de modo algum deixar de lado os meus amigos e algu m especial sempre presentes Resumo Neste trabalho desenvolveu se um
5. 770 390 nm e luz ultravioleta A 390 10 nm A radia o ionizante inclui o resto do espectro electromagn tico raios X A 0 01 10 nm e raios y com comprimentos de onda mais curtos do que os dos raios X Inclui tamb m todas as part culas at micas e subat micas tais como electr es positr es prot es alfas neutr es i es pesados e mes es 2 As radia es diferem na sua dureza ou na sua capacidade de penetrar no material Radia es tais como part culas alfa ou raios X de baixa energia penetram pouco nos materiais As part culas beta s o geralmente mais penetrantes Radia es tais como raios gama ou neutr es s o muito menos afectadas por auto absor o podendo assim penetrar mais profundamente nos materiais 3 A tabela 1 resume alguns dos tipos mais comuns de radia o Cada tipo de radia o caracterizada por um espectro que indicativo do tipo de processo nuclear envolvido De notar que uma fonte radioactiva pode emitir diferentes tipos de radia o ao mesmo tempo Fontes de Radia o Tipo de radia o Particulas a Raios p Raios B positr es Raios y Raios X Electrodes de convers o interna Electr es Auger Neutr es Fragmentos de fiss o Tabela 1 Caracter sticas das reac es nucleares Adaptado de 4 Origem N cleo N cleo N cleo N cleo Nuvem electr nica Nuvem electr nica Nuvem electr nica N cleo N
6. emitidas por is topos radioactivos pode recorrer se a reac es nucleares por exemplo 4 9 12 1 0 De C n 3 onde o produto C deixado no estado excitado O seu decaimento d origem a um fot o gama com uma energia de cerca de 4 44 MeV No entanto o tempo m dio de vida deste estado t o curto que o tomo de carbono n o tem tempo de voltar ao seu estado de repouso antes da emiss o do raio gama As energias do fot o resultante v m deste modo afectadas pelo efeito de Doppler dependendo da orienta o relativa da velocidade do tomo de recuo e da direc o do fot o Fontes de Radia o Outra possibilidade que pode ocorrer a reac o 4 13 160 41 5A C gt JO n 3 O tempo m dio de vida do produto O suficientemente longo para os efeitos Doppler serem desprez veis e os fot es gama resultantes de 6 130 MeV s o essencialmente monoenerg ticos Ambas as reac es resultam da combina o de um radiois topo que decai por fa 9 1 emiss o a com um material alvo apropriado Be e C 2 1 2 Espectro de energias A espectroscopia por raios gama uma t cnica muito mais usada do que a espectroscopia alfa ou beta Este facto explica se devido enorme gama de nuclidos que podem ser usados para emitir radia o gama sendo tamb m verdade que os fot es s o facilmente extra dos do material usado como fonte O espectro de energias gama uma caracter stica do n cleo da mesma m
7. gama B Dispers o de Compton O processo de interac o de dispers o de Compton ocorre entre um fot o gama incidente e um electr o do material absorvente Trata se do mecanismo de interac o predominante para energias de raios gama t picas de fontes de radiois topos E E FA EN o f nean INCM A AAAA photon h Se ee Figura 4 Processo de dispers o de Compton Adaptado de 5 Neste processo o fot o gama incidente deflectido com um ngulo 0 em rela o direc o original O fot o transfere uma parte da sua energia ao electr o que se assume estar inicialmente em repouso que se passa a chamar electr o de recuo Uma vez que todos os ngulos de dispers o s o poss veis a energia transferida ao electr o pode variar de zero at uma grande parte da energia do fot o gama Fontes de Radia o A express o que relaciona a transfer ncia de energia e o ngulo de dispers o para qualquer interac o pode ser obtida atrav s das equa es de conserva o de energia e do momento e dada por hy a 3 l gt I cos 8 2 Moc onde moc corresponde energia de repouso do electr o 0 511 MeV Para pequenos ngulos 0 muito pouca energia transferida Alguma da energia inicial sempre retida pelo fot o incidente mesmo quando 0 7 A probabilidade de ocorrer dispers o de Compton por tomo do material depende do n mero de electr es dispon veis como alvos
8. 1 Modos de funcionamento eee keke hides kek Ke 21 5 Montagem Experimental ereke kr eee k ke k kek 22 5 1 Pe quisa de MSP 4004 jy Wan ek ao iin Hud eee lesen sy badane in tae tE 22 dede instalacao dO SS A 4 x7 ana es aa NE yada sar n de peka eW E naa We ue ee sek pane ronek 23 6 Testes e Calibra o passa do erkek Sa ke k re eos 25 6 1 Linearidade do Sistemas sessao eker keke Dado Abade KEK KA KARA 25 G2 Emearndade do MO lt n n al pa ul ker k k Ole Se y ke ad ada ee cai 26 6 3 Amplificador cis ii i etri s leas yed baqe biye doada Dias M nan k y n 27 6 4 Amplificador remodelado E eee ek k k kek keke kk ka kk 29 11 A DIlCA QA OK pact sets msn ao ias add k kude E alee a N 36e 6 GEN 32 iii 7 1 Amostras com diferentes radionuclidos keke ke keke k 32 7 2 Amostras com misturas de radionuclidoS E eee kek ke kek 34 8 Con l SO S L i cudi KERE bl sn k a sai Maka Muren c WAR4 VA be a a as 37 Refer ncias Bibliogr amp ficas eke eee ke k x kek keke 38 Maa Ska a wwoeww N D P DPe e e e enpmwnwmmmememmmm 39 ANEKO DA pas dobsta va a DD CL TA oe ia DA 40 At XO B u abeya enan en n a R candida lus E ERR DE ESC SUR RR TO NR RE 41 Ap ndic s a ie ec aa A A el Rae 42 PPD OS A WD a Sod i ac opa rrr NR Ad NS a
9. a uma energia de sensivelmente 93 3 keV muito menor do que nos outros dois espectros medida que foram feitas as aquisi es dos espectros foram tamb m feitas as leituras das contagens no analisador mnocanal Depois de ajustada a janela do analisador monocanal para os diferentes radiois topos Ga e Tc foram obtidos os valores de contagens indicados na tabela abaixo Tabela 9 N mero de contagens obtido no analisador monocana para as leituras das solu es Contagens Ga Te Bal o com 10 mL de Ga e 72819 38796 10 mL de Tc Bal o com 30 mL de Ga e 99731 50289 10 mL de Tc Bal o com 60 mL de Ga e 198119 99015 20 mL de Tc Pela an lise dos valores da tabela poss vel verificar tamb m que o n mero de contagens diminui com a diminui o da concentra o dos radiois topos na solu o No entanto a diminui o da concentra o de um determinado radiois topo numa solu o n o o nico factor que determina um menor n mero de contagens No caso do tecn cio que existe na mesma quantidade nas duas primeiras solu es apresenta uma diminui o de contagens Tal facto deve se ao tempo de meia vida deste radiois topo as duas leituras foram feitas com um intervalo de 5 minutos e neste espa o de tempo o Tc decaiu 36 Conclus es 8 Conclus es Foi desenvolvido um sistema contador de po o unidade multicanal para aplica o em Medicina Nuclear poss vel afirmar que o objectivo proposto par
10. aumentando assim linearmente com Z C Produ o de pares No caso da energia exceder duas vezes a energia de repouso de um electr o 1 02 MeV o processo de produ o de pares energeticamente poss vel A probabilidade de ocorr ncia deste fen meno mant m se muito baixa at a energia dos raios gama atingir alguns MeV sendo assim a produ o de pares restrita para raios gama de altas energias Durante a interac o que deve ocorrer no campo de coulomb do n cleo o fot o gama desaparece e substitu do por um par electr o positr o Toda a energia do fot o em excesso acima dos 1 02 MeV necess ria para criar o par transforma se em energia cin tica que partilhada pelo positr o e pelo electr o O positr o aniquila se com outro electr o quase imediatamente e s o produzidos dois fot es de 0 511 MeV surgindo assim produtos secund rios da interac o p e A Electron Incident photon 1 02 MeV Positron Figura 5 Processo de produ o de pares Adaptado de 5 Fontes de Radia o 2 2 2 Atenua o de Raios Gama A Coeficientes de Atenua o A interac o de um feixe de raios gama monoenerg ticos com um meio depende de sua energia e de propriedades do material que constitui o meio Os tr s processos principais de interac o s o descritos em termos de um coeficiente que representa a probabilidade de ocorr ncia por unidade de caminho percorrido na direc o do feixe sendo t
11. comportamento exponencial dado pela equa o acima A corrente alimentada num circuito RC e produzido um impulso de tens o da forma 16 Detectores de Cintila o V t Vier e HF 2 Na pratica o valor de RC seleccionado para ser da ordem de centenas de microssegundos Ent o para tempos curtos ou seja t RC a equa o anterior toma a forma Vv V 1 e7 2 O tempo de subida do impulso ent o determinado pelo tempo de decaimento T 3 3 Detec o de Fot es com Contador de Cintila o Nal TI 3 3 1 Resolu o A resolu o em energia mede a capacidade do detector distinguir dois valores de energia muito pr6ximos convencionalmente definida como a raz o entre FWHM full width at half maximum e a posi o do centr ide do pico Ho a resolu o em energia ent o uma quantidade adimensional que normalmente se apresenta como uma percentagem Detectores de cintila o usados em espectroscopia gama apresentam normalmente resolu es em energia na gama de 5 10 para fot es gamas de energia na regi o das centenas de keV Counts Energy Figura 8 Resolu o em energia Adaptado de 9 17 Detectores de Cintila o 3 3 2 Efici ncia do Detector Uma vez que as radia es podem percorrer grandes dist ncias significativas nos materiais sem interacionarem a efici ncia do detector na maior parte dos casos inferior a 100 A efici ncia intr nseca de um detector
12. de Nal T1 essencialmente igual a 1 expl u E L 2 onde u E coeficiente total de atenua o para fot es de energia E L comprimento do cristal A efici ncia aumenta com o tamanho do cristal No entanto deve ser tido em conta que quando o volume do detector aumenta a taxa de contagens de fundo aumenta tamb m De facto a contagem de fundo proporcional ao volume do detector enquanto que a efici ncia cresce com o tamanho Logo deve haver um limite superior para um tamanho de detector a ser usado para uma dada experi ncia 2 Para se poder utilizar um sistema de espectroscopia na determina o de actividades de amostras radioactivas necess rio conhecer efici ncia de detec o do detector utilizado Em aternativa poder recorrer se a curvas de calibra o uma para cada energia em estudo a fim de se ter uma normaliza o das intensidades experimentais 18 Analisador Multicanal 4 Analisador multicanal Os analisadores multicanais MCA s o sofisticados dispositivos que detectam impulsos de entrada de acordo com a sua amplitude e guardam a contagem do n mero correspondente a cada amplitude numa memoria multicanal As informa es de cada canal podem ser visualizadas num ecran ou impressas de modo a obter um espectro de amplitudes i e n mero de contagens ou intensidade por canal ou um dado intervalo de amplitudes 4 1 Caracteristicas Gerais 4 1 1 Numero de canais Em qualquer medi o de dis
13. modelo contador de po o unidade multicanal com interface a um computador para permitir a an lise e leitura de amostras de diversos radionuclidos bem como identificar e quantificar percentagens de cada radionuclido presente numa amostra desconhecida O sistema foi desenvolvido no Servi o de Medicina Nuclear dos Hospitais da Universidade de Coimbra onde existem um contador de po o detector de cintila o Nal TI e um analisador monocanal Foi necess ria uma pesquisa de mercado para futura aquisi o de uma placa multicanal adapt vel a um computador e s caracter sticas do nosso sistema O projecto decorreu com o uso de um analisador multicanal modelo PCA3A 2K da Canberra Foi implementada a montagem do sistema e iniciou se uma fase de testes e calibra o da unidade multicanal S o apresentados resultados obtidos com o sistema ap s a fase de testes e calibra o Os resultados obtidos inicialmente permitiram concluir que estava a ser analisado um sinal incorrecto surgindo da a necessidade do desenvolvimento de um amplificador inversor Este relat rio apresenta todos os passos efectuados na tentativa de atingir o objectivo do trabalho S o apresentados resultados que provam o bom funcionamento do sistema experimental ii indice T Introductio sn ae ee ese Sots ats e te e Da 1 2 Fontes de Radiac o ss oss ye O kd otis cs ene xakeke ek sad Kane a a 2 2 1 DecalmentO Gallld 5 4 52 4455j5 21322 ha S
14. se tamb m uma grande diferen a ao n vel dos espectros obtidos comparativamente com os espectros obtidos sem este amlificador 29 Testes e Calibra o Figura 18 Imagem do funcionamento do novo amplificador obtida com oscilosc pio Facilmente se verifica que o amplificadorest a funcionar perfeitamente A linha de baixo representa entrada no amplificador sinal que vem do analisador monocanal e a linha de cima respresenta o sinal de entrada invertido e amplificado Com este novo amplificador n o se verifica a rela o logar tmica entra canal e energia que se verificava anteriormente Este problema devia se provavelmente ao facto de se estar a analisar um sinal invertido O gr fico e a tabela abaixo mostram claramente a linearidade entre canal e energia Os resultados foram obtidos usando amostras de POT e Ga Tabela 7 Dados obtidos atrav s da an lise de amostras de Tc e Ga j Resolu o Radiois t Canal Ka A FWHM Centr id FWHM adiois topo ana entr ide keV _ x100 Centr ide Te 169 142 5 20 681 167 12 38 Ga 111 93 6 16 623 108 15 35 223 188 1 24 72 222 11 14 363 306 1 32 261 360 8 96 30 Testes e Calibra o y 5 319Ln x 39 163 ee eee 150 200 Energia keV e Canal Energia Resolu o Figura 19 Gr fico que demonstra a rela o entre canal e energia e tamb m a resolu o A resolu o diminui com o aum
15. 43 Ap ndice Biserne i E E R S E Lana ana LL 44 Ap ndice Carei ena a E a a a Da aaa ia 45 Ap ndice Discasieciitintixashicissseaacietebin dra Sadat cette aamevsiencauieae nm aes MU DN MEW nO kOr 46 iv indice de Figuras Figura 1 Radia o gama Ap s uma reac o de decaimento o n cleo est num estado excitado ou seja tem excesso de energia que perde emitindo raios gama Adaptado de PON PR era RE o RENA RS TR TR ABRE DOS RS RR U DAE ARE UR RS 4 Figura 2 Esquemas de decaimento para algumas das fontes gama mais comuns Apenas as maiores transi es s o mostradas Adaptado de 3 EUU 5 Figura 3 Processo de absor o fotoel ctrica Adaptado de 7 7 Figura 4 Processo de dispers o de Compton Adaptado de 5 8 Figura 5 Processo de produ o de pares Adaptado de 5 9 Figura 6 Diagrama esquem tico de um contador de cintila o Adaptado de 4 13 Figura 7 Bandas permitidas e proibidas de um cristal Adaptado de 2 15 Figura 8 Resolu o em energia Adaptado de 9 eee 17 Figura 9 Gr fico t pico para um MCA linear com e sem offset Adaptado de 3 19 Figura 10 Exemplos de medi es de linearidades integral e diferencial para um MCA Adaptado de l312 ss 5544345044427522 A APR AD TN a 2 20 Figura 11 Diagrama de blocos de um MCA t pic
16. EN RE Bee ee lee Ne b eya WE ies 4 2 1 1 Raios gama resultantes de reac es nucleares Eueeere 5 2 1 2 Espectro de encroias setas Kol Wa ist prados sda Kele SEW n ras Naa EI ba nega 6 2 2 IMUELACCAO AETAIOS DAMA o dys4 besine n aieiaeo taa es n ner be e 6 2 2 1 Mecanismos de interaC 0 E ereke eke k keke keke kk kek KARA 7 Lae Atenua o de Raios Gama u Erkek xe chs kek k samen wees 10 3 Detectores de Cintila amp o L keke keke kek keke kek k 12 3 1 Principios ATS 2545444120554524 asad Se no e cae a eee 12 S2 CSS ln OfrganiC 08s 54534044 a OR 14 3 2 1 O mecanismo do processo de cintila 0 kekee 14 3 2 2 Depend ncia temporal da emiss o do fot o EE eee 16 3 3 Detec o de Fot es com Contador de Cintila o Nal TI 17 3 3 1 ReSOTU One ee o kK n bo GONE NT eae tar eg ene ge a 17 332 Efici ncia do Detector i 4 44 x l l l l n lk lane ein Hene belek ka kek 18 4 Analisador multicanal keke keke esd aes 18 4 1 Caracteristicas Gera lS canas ada Gian tel l nal assa 18 4 1 1 N mero de CaltdiS gt Xs 2 Sc y E E ga ds 18 4 1 2 Calibraca lame ani ade je oo cesnce east asd da kan d yek en hea hane WERAN 19 4 2 Princ pios b sicos de funcionamento eke kek ke kek 20 4 2
17. HM FWTM 16 521 31 645 keV Next ight Mar 39 117 2keV G 1 051 109 r Prev 6220105 0 06 Integral 6934172 Foe Help press F1 Execution Status ready Figura 21 Espectro de uma amostra de Ga Fie MCA Calibrate Display Anakee Options Dajasource Help 60 60 00 ROI Index Eza Em Datasource MARKER INFO Next Prev Foe Help press F1 Execution Status ready Figura 22 Espectro de uma amostra de Tc 33 Aplica o 7 2 Amostras com misturas de radionuclidos Foram tamb m realizadas aquisi es com amostras que continham uma mistura de dois radionuclidos mrT e Ga Estas amostras continham diferentes concentra es quer de mT quer de Ga Usou se Ga com uma actividade de 69 5 uCi que foi dilu do num bal o de 100mL de gua desionizada Estes 100 mL foram distribu dos por 3 bal es com 10 30 e 60 mL cada Posteriormente foi feita uma dilui o tamb m em 100 mL de gua desionizada de mT com uma actividade de 34 9 uCi Foram adicionados 10 mL desta dilui o nos bal es com 10 e 30 ml de dilui o de Ga Foram colocados no terceiro bal o o que continha 60 mL de dilui o de Ga 20 mL de solu o de mr As tr s solu es foram preenchidas novamente com gua desionizada at perfazer 100 mL Foram ent o realizadas leituras com 1 mL de cada uma das solu es durante 60 segundos File MCA Calixate Display Analyze Edt Options Dalasouce Help let EMA
18. a e alfa entre outras Tabela 4 Algumas especifica es do analisador multicanal PCA3 Adaptado de 19 Board Configuration ISA Canais 2048 Tempo subida 0 5 30 us N o Linearidade Integral lt 0 05 Nao Linearidade Diferencial lt 1 Gain Drift lt 100 ppm C Zero Drift lt 50 ppm C Gama ADC 0 10 V 5 2 Instala o do Sistema Na instala o do sistema foram utilizados os est gios de pr amplifica o e de amplifica o bem como a fonte de tens o de um analisador monocanal existente no servi o Um analisador monocanal um aparelho que classifica sinais anal gicos na sua entrada de acordo com as sua alturas Funciona tendo como base um limiar abaixo do qual os impulsos s o bloqueados Mas possui um n vel superior acima do qual os impulsos s o tamb m bloqueados Assim somente sinais que caem entre estes dois n veis a que se chama janela provocam uma resposta na sa da do analisador monocanal O equipamento foi instalado de acordo com o diagrama da figura 11 procedendo se de seguida instala o do software 23 Montagem Experimental Analisador Monocanal Pr amplifica o amplifica o Computador MCA Figura 12 Diagrama de blocos do sistema implementado ver Ap ndice B Figura 13 Imagem do sistema implementado 24 Testes e Calibra o 6 Testes e Calibra o 6 1 Linearidade do Sistema Foi feito um teste inicial ao sistema onde se u
19. a este projecto foi cumprido Foi feita a aquisi o de uma placa multicanal adapt vel ao sistema em causa O sistema foi implementado e depois de alguns testes e calibra es verificou se que o sistema final correspondia aos requisitos pedidos Foi realizada uma pesquisa de mercado relativamente aos analisadores multicanais verificando se que existe uma vasta selec o de placas multicanais que facilmente se poderiam adaptar ao sistema em causa Verificou se que a rela o logar tmica obtida inicialmente se devia ao facto de estarmos a analisar um sinal invertido n o correpondendo assim ao verdadeiro sinal que se pretendia analisar Este problema foi ultrapassado com a implementa o de um amplificador inversor que nos permitisse inverter e ao mesmo tempo amplificar o sinal de modo a obtermos um melhor aproveitamento da totalidade dos canais do analisador multicanal poss vel afirmar que o objectivo do trabalho foi cumprido No entanto numa perspectiva futura poder se ia pensar numa continua o deste projecto Existem alguns pormenores que n o foram bem aprofundados e que possivelmente merecem mais alguma aten o O uso de hardware mais adequado seria uma possibilidade O software Genie 2000 n o foi aproveitado na sua totalidade tendo in meras funcionalidades que n o foram utilizadas podendo estas ser exploradas futuramente 37 Refer ncias Bibliograficas Refer ncias Bibliograficas 1 B H Brown R H Smallw
20. amplitude do pulso de entrada O circuito de entrada destes CAD s deve incluir a capacidade de manter e guardar a amplitude m xima do pulso o tempo necess rio para que esta possa ser convertida num valor digital 3 4 2 1 Modos de funcionamento Os analisadores multicanais s o usados em dois modos pulse heigth analysis PHA e multichannel scaling MCS O modo MCS usado para contagem de eventos como fun o do tempo Neste modo todos os pulsos de entrada s o contados num local de mem ria canal para um determinado intervalo de tempo At Ap s este At a opera o de contagem automaticamente deslocada para o canal seguinte e assim sucessivamente Obt m se assim uma sequ ncia temporal da radia o detectada O modo PHA o modo tradicional de funcionamento do MCA cuja descri o foi feita anteriormente 21 Montagem Experimental 5 Montagem Experimental 5 1 Pesquisa de Mercado A primeira etapa deste trabalho consistiu numa pesquisa de mercado de uma placa multicanal adapt vel a um computador e que responda s necessidades pretendidas para o sistema Caracter sticas como tens o linearidade e tempo de convers o ente outras foram tidas em conta na escolha da placa Um factor determinante nesta escolha foi tamb m o aspecto financeiro A tabela 3 apresenta de uma forma resumida alguns modelos e as principais caracter sticas a ter em conta na escolha do analisador multicanal Tabela 3 Caract
21. aneira que um espectro de raios X uma caracter stica do tomo e usado para identificar a localiza o de radionuclidos Ao contr rio do espectro de raios X a espectroscopia gama consegue distinguir diferentes is topos do mesmo elemento 2 2 Interac o de raios gama Um conhecimento das interac es de raios gama com a mat ria importante para perceber os fundamentos da sua detec o e da sua atenua o Apesar de existirem uma s rie de mecanismos de interac o poss veis para raios gama com a mat ria apenas tr s possuem um papel determinante em medi o da radia o absor o fotoel ctrica dispers o de Compton e produ o de pares Todos estes processos conduzem transfer ncia parcial ou completa da energia do fot o gama para energia de electr es facilmente detect vel 8 Fontes de Radia o 2 2 1 Mecanismos de interac o A Absor o Fotoel ctrica Neste processo um fot o interage com um tomo de tal modo que o fot o desaparece por completo sendo a sua energia transferida para um electr o desse tomo Deste modo um fotoelectr o energ tico ejectado de uma das camadas do tomo A interac o feito com um tomo n o podendo assim ocorrer com electr es livres A probabilidade de ocorrer absor o fotoel ctrica depende da energia dos raios gama da energia de liga o do electr o e do n mero at mico do tomo 8 A probabilidade maior quanto mais fortes forem as liga
22. cleo Processo Reac a ou decaimento nuclear Decaimento nuclear Decaimento nuclear Desexcita o nuclear Desexcita o at mica Desexcita o nuclear Desexcita o at mica Reac o nuclear e fiss o Fiss o Carga Massa MeV 2 3727 33 1 0 511 1 0 511 0 0 0 0 1 0 511 1 0 511 0 939 57 20 80 160 Espectro energia Discreto MeV Continuo keV MeV Continuo keV MeV Discreto keV MeV Discreto eV MeV Discreto keV alta Discreto eV MeV Continuo ou discreto keV MeV Continuo 30 150 MeV Este capitulo vai ser maioritariamente alusivo a radia o gama uma vez que o desenvolvimento do trabalho se baseia na detec o deste tipo de radia o Fontes de Radia o 2 1 Decaimento Gama No decaimento y um n cleo passa do estado excitado para um estado de mais baixa energia e a diferen a energ tica entre os dois estados libertada sob a forma de um fot o O decaimento gama de uma forma geral representado por A A 2X 2X y 2 onde 4X representa o n cleo excitado A maioria das fontes y s o colocadas nos seus estados excitados como resultado de um decaimento P apesar dos estados nucleares excitados serem muitas vezes criados a partir de reac es nucleares 4 o pr A RAN Gamma Rays Parent Nucleus Daughter Nucleus Cobalt 60 Ni 60 Figura 1 Radia o gama Ap s uma reac o de decaim
23. coeficiente de atenua o para a absor o fotoel ctrica o coeficiente de atenua o para a dispers o de Compton K coeficiente de atenua o para o efeito de produ o de pares Assim a probabilidade de que um desses processos ocorra num percurso unit rio absorvendo fot es do feixe original dada por U T O K e chama se coeficiente linear de atenua o Se um feixe paralelo de fot es monoenerg ticos com intensidade Ip atingir um alvo com espessura f o n mero de fot es I que n o interagem com o alvo dado por P i e 2 O uso do coeficiente de atenua o linear esta no entanto limitado ao facto deste variar com a densidade do absorvente Ent o o coeficiente de atenua o m ssica mais usado e dado por coeficiente de atenua o m ssica Lai 3 p onde p representa a densidade do meio Para uma dada energia de raios gama o coeficiente de atenua o m ssica n o se altera com o estado f sico de um determinado absorvente B Espessura M ssica do Absorvente Em termos de coeficiente de atenua o m ssica a lei de atenua o de raios gama toma agora a forma I pge P ner 3 10 Fontes de Radia o O produto pt conhecido como espessura m ssica do absorvente o par metro que determina o seu grau de atenua o A espessura dos absorventes usados em medi es de radia o muitas vezes medida em espessura m ssica em vez de espessura f sica pois trata se de uma qua
24. do devidamente a amplitude do sinal el ctrico final tamb m proporcional energia depositada no cintilador Este facto faz do cintilador um espectr metro de energia Tempo de resposta Os detectores de cintila o s o instrumentos r pidos no sentido de que os seus tempos de resposta e de recupera o s o curtos relativamente a outro tipo de detectores Esta resposta r pida permite informa o temporal A resposta e um tempo de recupera o r pidos permitem aos detectores uma maior taxa de contagens uma vez que o tempo morto reduzido Discrimina o do forma do pulso A possibilidade de distinguir diferentes tipos de part culas analisando a forma dos pulsos de luz emitidos Este facto deve se 1 n Tempo morto o tempo que o cintilador demora a recuperar 13 Detectores de Cintila o excita o de diferentes mecanismos de fluoresc ncia por particulas com diferentes poderes de ioniza o No presente s o usados seis tipos de materiais cintiladores cristais org nicos org nico l quidos pl sticos cristais inorg nicos gases e vidros Ser apenas abordado com maior detalhe apenas um tipo de material cristais inorg nicos pois foi o tipo de detector usado durante todo o trabalho 3 2 Cristais Inorg nicos Os cintiladores inorg nicos s o cristais de hal ides alcalinos que cont m uma pequena concentra o de impureza que funciona como activador O material mais usado
25. e chama se banda de condu o Um electr o pode obter energia suficiente da radia o incidente para se deslocar da banda de val ncia para a banda de condu o onde se pode mover para qualquer zona 2 O electr o deixa uma lacuna na banda de val ncia que se pode tamb m deslocar Por vezes a energia dada ao electr o n o suficiente para que este se desloque para a banda de condu o Neste caso o electr o permanece electrostaticamente ligado a lacuna criada na banda de val ncia formando um par electr o lacuna a que se d o nome de excit o Em termos de energia o excit o corresponde eleva o do electr o a um estado de energia mais alto do que o da banda de val ncia mas mais baixo do que o da banda de condu o Pode tamb m ocorrer outro fen meno que a cria o de estados de energia entre a banda de val ncia e a banda de condu o devido a impurezas ou imperfei es do cristal Particularmente importantes s o os estados criados por tomos de um activador tal como o t lio A eleva o deste tomo para um estado excitado pode dever se quer absor o de um fot o quer captura de um excit o quer captura sucessiva de um electr o e de uma lacuna A transi o do tomo do estado excitado para o seu estado fundamental se permitida resulta na emiss o de um fot o com tempos da ordem de 108 15 Detectores de Cintila o s Se o fot o tem um comprimento de onda na zona vis vel do espectro el
26. ectromagn tico contribui para a cintila o z Ent o a produ o de cintila o o resultado da ocorr ncia dos seguintes eventos 1 Radia o ionizante atravessa o cristal 2 Os electr es deslocam se para a banda de condu o 3 S o criadas lacunas na banda de val ncia 4 Forma o de excit es 5 Centros de activa o passam ao seu estado excitado atrav s da absor o de electr es lacunas e excit es 6 A desexcita o seguida da emiss o de um fot o 2 A luz emitida por um cintilador maioritariamente o resultado de transi es do tomo activador e n o do cristal 3 2 2 Depend ncia temporal da emiss o do fot o Uma vez que os fot es s o emitidos como resultado de decaimentos dos estados excitados o seu tempo de emiss o depende das constantes de decaimento dos diferentes estados envolvidos A emiss o de luz segue um decaimento exponencial dado pela seguinte lei N t N e 2 onde N t representa o n mero de fot es emitidos no tempo t e T representa o tempo de decaimento do cintilador A maioria dos estados excitados num cintilador t m o mesmo tempo T Existem no entanto estados com tempos de vida mais longos que contribuem com uma componente lenta no decaimento do cintilador a que se chama afterglow 2 Num sistema de contagem usando um cintilador a luz produzida pelo cristal amplificada pelo tudo fotomultiplicador e transformada em corrente el ctrica tendo um
27. edback amplifier with the 600uV Maximum Input Offset Voltage slewing characteristics of a current feedback amplifier 500nA Maximum Input Bias Current The amplifier is a single gain stage with outstanding 120nA Maximum Input Offset Current settling characteristics which makes the circuit an ideal 20V mV Minimum DC Gain R 1k choice for data acquisition systems The output drives a 115ns Settling Time to 0 1 10V Step 500Q load to 12V with 15V supplies and a 1500 220ns Settling Time to 0 01 10V Step load to 2 5V on 5V supplies The amplifier is also 12V Minimum Output Swing into 500Q stable with any capacitive load which makes it useful in 2 5V Minimum Output Swing into 15002 buffer or cable driver applications Specified ae 6V and 19V The LT1357 is a member of a family of fast high perfor mance amplifiers using this unique topology and employ APPLICATIONS ing Linear Technology Corporation s advanced bipolar Wideband Amplifiers complementary processing For dual and quad amplifier Buffers versions of the LT1357 see the LT1358 LT1359 data Active Filters sheet For higher bandwidth devices with higher supply Data Acquisition Systems current see the LT1360 through LT1365 data sheets For Photodiode Amplifiers lower supply currentamplifiers see the LT1354 andLT1355 AO LTC and LT are registered trademarks of Linear Technology Corporation LT 356 data sheets Singles duals and quads of each C Load Is a trademark
28. ento o n cleo est num estado excitado ou seja tem excesso de energia que perde emitindo raios gama Adaptado de 6 Os estados nucleares excitados s o criados a partir do decaimento D do radionuclido pai Alguns exemplos deste processo s o mostrados na figura 2 Para estes exemplos o decaimento f um processo relativamente lento caracterizado por uma meia vida de centenas de dias ou mais onde os estados excitados dos n cleos filhos t m um tempo m dio de vida mais curto tipicamente da ordem dos picossegundos ou menos 3 Fontes de Radia o TiNa 90s r 10 EC 7 Ne 1 274 Mav y 100 Y 0 136 MeV y 11 ann hi latkon rackation Ya 0 122 MeV y 27 Ne char X rays a 0 014 Mev yi 9 Fe char X rays we EE hesa Tao 1 173 Mev y 100 y 0 662 MeV y 185 Ta 1 332 MeV 100 Ba char X rays Figura 2 Esquemas de decaimento para algumas das fontes gama mais comuns Apenas as maiores transi es s o mostradas Adaptado de 3 A desexcita o ocorre com a emiss o de um fot o gama cuja energia corresponde diferen a de energias entre os estados inicial e final do n cleo Os raios gama aparecem assim com uma meia vida caracter stica do radionuclido resultante do decaimento B mas com uma energia que reflecte os n veis energ ticos do nuclido filho 2 1 1 Raios gama resultantes de reac es nucleares Quando necess rio que os raios gama tenham energias superiores s energias
29. ento de energia A rela o canal energia perfeitamente linear Atrav s do gr fico Figura 19 obtido com os valores da tabela acima verifica se uma linearidade perfeita entre canal e energia O sistema est ent o nas melhores condi es para ser usado 31 Aplica o 7 Aplica o 7 1 Amostras com diferentes radionuclidos A aplica o do sistema desenvolvido foi feita usando amostras de diferentes radiois topos Tecn cio 99m Tc G lio 67 Ga Tabela 8 Alguns valores para os radionuclidos usados Adaptado de 5 Nuclido Energia do fot o Fot es emitidos Transi es por MeV convers o interna Tecn cio 99m 0 141 88 5 10 6 G lio 67 0 093 37 6 32 4 0 185 23 5 0 4 0 300 16 7 0 06 Ao observar os espectros obtidos facilmente se verifica que estes correspondem aos radionuclidos usados Foi usado o menu Calibrate do software Genie 2000 para fazer a calibra o pr via dos radionuclidos usados Este menu permite uma calibra o usando o par energia canal Energy Calibration Energy Only Calibration Figura 20 Figura ilustrativa do menu Calibrate do software utilizado Adaptado de 19 32 Aplica o Fie MCA Calbrate Display naza Edt Options Dajasou ce Help Esan lujtu 9 aj olal wis meet 109 91 9 keV punts 291685 I t 1000 734 14 aren ROI Index Ezi Datasource Prev Nez MARKER INFO Let ker 70 59 0 kev FW
30. er sticas de MCA s existentes no mercado MCA Fabricante Alta Linearidade Linearidade Tens o Integral Diferencial ASA 100 10 Canberra sim 01708 SOR da gama da gama Tareet lt 0 025 lt 0 1 dMCApro 11 8 Sim 99 da 99 da Instruments gama gama MCA 3A e MCA Fast ComTec N o 3FADC 12 Pocket MCA 8000A 13 AmpTek N o lt 0 02 lt 0 6 TRUMP PCI 8k 2k lt 0 025 14 Ortec N o 99 da lt 1 99 da gama gama Thermo 0 025 dMCA 15 Electron N o 99 9 da Corporation gama Ua Analyzer Toivel N o lt 0 04 lt 0 5 Spectrum IC5 PCI 17 Techniques Sim LLC Spectrum Teres tB Techniques Sim LLC 22 Software Genie 2000 Basic Spectroscopy Software winTMCA32 MCDWIN POCKET MCA DISPLAY SOFTWARE PMCA MAESTRO 32 Win TMCA Analysis Software Software DOS WINDOWS Software DOS WINDOWS Montagem Experimental Foi feito contacto com todos os fabricantes de modo a avaliar o pre o e tamb m as condi es de entrega da placa multicanal No entanto devido a falta de verba por parte do Servi o de Medicina Nuclear n o foi poss vel a compra do analisador multicanal Para que o trabalho tivesse continuidade foi cedida uma placa multicanal com as caracter sticas pretendidas Trata se de uma placa multicanal com 2048 canais modelo PCA3 da Canberra fabricante O analisador multicanal suportado pelo software Genie 2000 com aplica es em espectroscopia gam
31. gia em rela o ao canal L keke 25 Tabela 6 Dados obtidos para testar a linearidade do MCA E eee eee 26 Tabela 7 Dados obtidos atrav s da an lise de amostras de 2 Tc e Ga 30 Tabela 8 Alguns valores para os radionuclidos usados Adaptado de 5 32 Tabela 9 Numero de contagens obtido no analisador monocana para as leituras das SLUNG OS YAY aA A e e e costes eee e E O KA E eae 36 Tabela 10 Alguns valores para os radionuclidos usados Adaptado de 5 43 Tabela 11 C lculo do erro de linearidade E keke keke kek 47 vii Introdu o 1 Introdu o A medicina nuclear consiste num conjunto de procedimentos de diagn stico e terap utica que usam radiois topos Em termos de diagn stico normalmente necess rio que o radiois topo emita raios gama uma vez que estes podem penetrar tecido e serem detectados fora do corpo sendo assim poss vel determinar a sua distribui o no organismo 1 Existem essencialmente cinco procedimentos que permitem definir o uso de radiois topos em diagn stico cl nico e Identifica o de um problema cl nico e Encontrar uma subst ncia bioqu mica cuja distribui o no paciente dependa da exist ncia ou n o da doen a a ser investigada e Marcar esta subst ncia com um radiois topo apropriado de modo a produzir um radiotra ador e Fazer a medi o da distribui o do tra ad
32. l do MCA As n o linearidades s o tipicamente inferiores a 0 1 para analisadores bem projectados Um m todo mais sens vel para detectar n o linearidades empregar um gerador de impulsos com uma distribui o uniforme de amplitudes Ao acumular estes impulsos durante um certo per odo de tempo deve surgir uma distribui o uniforme de contagens em todos os canais Este tipo de calibra o mede a linearidade diferencial do MCA Integral Pulse linearity Channel number Differential linearity Counts per channel Channe number Figura 10 Exemplos de medi es de linearidades integral e diferencial para um MCA Adaptado de 3 As calibra es integral e diferencial est o relacionadas uma vez que o gr fico diferencial proporcional ao declive do gr fico integral em qualquer ponto 4 2 Princ pios b sicos de funcionamento O MCA funciona digitalizando a amplitude do pulso de entrada com um conversor anal gico digital CAD Este valor incrementado num canal de mem ria 20 Analisador Multicanal cuja morada proporcional ao valor digital 4 As componentes b sicas de um MCA s o ilustradas na figura 11 Linear e res Open when ADC is not input Ch 1 _ Live time Live time clock Figura 11 Diagrama de blocos de um MCA t pico Adaptado de 3 Os CAD s que operam num MCA s o destinados para atribuir um nico valor ao impulso proporcional
33. m se algumas caracter sticas do amplificador operacional usado inicialmente N vation Semiconductor LF155 LF156 LF256 LF257 LF355 LF356 LF357 JFET Input Operational Amplifiers General Description These are the first monolithic JFET input operational ampli fiers to incorporate well matched high voltage JFETs on the same chip with standard bipolar transistors BI FET Tech nology These amplifiers feature low input bias and offset currents low offset voltage and offset voltage drift coupled with offset adjust which does not degrade drift or common mode rejection The devices are also designed for high slew rate wide bandwidth extremely fast settling time low voltage and current noise and a low 1 f noise corner Features Advantages m Replace expensive hybrid and module FET op amps m Rugged JFETs allow blow out free handling compared with MOSFET input devices Excellent for low noise applications using either high or low source impedance very low 1 f corner m Offset adjust does not degrade drift or common mode rejection as in most monolithic amplifiers New output stage allows use of large capacitive loads 5 000 pF without stability problems m Internal compensation and large differential input voltage capability Applications m Precision high speed integrators m Fast D A and A D converters m High impedance buffers m Wideband low noise low drift amplifiers Simplified Schematic December 2001 L
34. nais seja perfeitamente linear Nestas condi es um gr fico da altura do impulso versus n mero de canais deve ser uma linha recta Pulse height No zero offset Channel number Zero offset Figura 9 Gr fico t pico para um MCA linear com e sem offset Adaptado de 3 O offset muitas vezes util para suprimir taxas de contagens que resultam de impulsos com pequenas amplitudes devido ao ruido que podem aparecer com o sinal ou para atribuir os canais dispon veis a uma por o do espectro A linha de calibra o deve seguir a forma amplitude do impulso a b canal 4 onde a representa o offset e o par metro b est relacionado com o ganho Se se pretende uma linha que passe pelo zero faz se um ajuste com o controlo de offset de modo a deslocar o espectro para a esquerda ou para a direita sem no entanto mudar o espa o entre os canais Quando se pretende alterar o declive da recta ent o o ganho deve ser alterado quer ajustando o ganho do amplificador ou a tens o do detector 4 A linearidade do MCA pode ser medida de diversas formas O m todo mais directo fazer uma medi o do n mero do canal onde s o armazenados impulsos de amplitude conhecida e depois tra ar o gr fico amplitude do impulso versus n mero do canal O desvio m ximo da curva de uma linha de ajuste uma medida da linearidade 19 Analisador Multicanal integral e por conven o definida como uma percentagem da gama tota
35. nte para o sistema em estudo A frequ ncia dada pelo inverso do tempo de subida do impulso neste caso tempo de descida logo a frequ ncia 1 1 4 MHz 250ns 0 255 Uma vez que necess rio um ganho m ximo de 4 a frequ ncia que se obt m com este operacional n o suficiente No entanto dado que a resolu o do cintilador da ordem dos 10 o n mero de canais por pico suficiente para uma determina o do seu centr ide e respectiva resolu o com a precis o necess ria aplica o pretendida mesmo para energias t o baixas como 90 keV 28 Testes e Calibra o 6 4 Amplificador remodelado O facto de saida do analisador monocanal se obter um sinal negativo tornou se numa grande limita o continuidade do trabalho Neste sentido optou se por remodelar o amplificador j feito alterando apenas o tipo de amplificador operacional e a capacidade do condensador ligado aos pins 2 e 6 do operacional Ap s uma pesquisa de mercado chegou se conclus o quer um poss vel operacional para este sistema seria o modelo LT1357CN8 da Linear Technology ver Anexo B Figura 17 Imagem do amplificador com um novo circuito A diferen a em rela o ao anterior o tipo de amplificador operacional e o valor da capacidade entre os pins 2 e 6 O novo amplificador foi ent o implementado na montagem experimental Ap s o seu uso logo se verificou que funcionava nas melhores condi es observando
36. ntidade f sica mais fundamental 11 Detectores de Cintila o 3 Detectores de Cintila o O detector de cintila o sem d vida um dos sistemas de detec o de part culas mais usados em f sica nuclear e de part culas nos nosso dias muito devido sua grande versatilidade Os contadores de cintila o podem ter qualquer tamanho ou forma e podem incorporar uma grande e variada gama de materiais 5 Faz uso do facto de certos materiais quando atravessados por radia o ionizante emitirem luz ou seja cintila o Quando acopladas a um dispositivo amplificador tal como um fotomultiplicador esta cintila o convertidas em impulsos el ctricos que podem ser analisados e contados electronicamente para dar informa o relativa radia o incidente 4 3 1 Princ pios Gerais Em qualquer material uma part cula incidente ou fot o deixa um certo n mero de tomos num estado excitado do qual t m tend ncia para decair para o estado fundamental emitindo fot es de luz ultravioleta ou vis vel na forma de um flash de luz cintila o Este facto pode levar nos a concluir que todos os materiais s o capazes de produzir este tipo de resposta e portanto de funcionar como cintiladores Na pr tica existem um n mero de condi es a manter para que o material possa ser usado como detector de radia o 5 1 O material deve ser fluorescente e n o fosforescente 2 O processo de desexcita o deve ser radioactivo
37. o Adaptado de 3 21 Figura 12 Diagrama de blocos do sistema implementado ver Ap ndice B 24 Figura 13 Imagem do sistema implementado kereke kek kek k 24 Figura 14 Gr fico que demonstra a rela o logar tmica entre os canais e os valores te ricos das energias dos radionuclidosS E reee keke kerek ek kek keke 25 Figura 15 Gr fico representativo da linearidade do MCA eee ee keke 26 Figura 16 Imagem do amplificador desenvolvido para aproveitar toda a gama do analisad r m lticanal 4 i 4 35c 3x4545rskaylara n kadan di n l Gal Ea e a nw H MO SETE det d 28 Figura 17 Imagem do amplificador com um novo circuito A diferen a em rela o ao anterior o tipo de amplificador operacional e o valor da capacidade entre os pins 2 e 6 Figura 18 Imagem do funcionamento do novo amplificador obtida com oscilosc pio Facilmente se verifica que o amplificadoresta a funcionar perfeitamente A linha de baixo representa entrada no amplificador sinal que vem do analisador monocanal e a linha de cima respresenta o sinal de entrada invertido e amplificado 30 Figura 19 Grafico que demonstra a rela o entre canal e energia e tamb m a resolu o A resolu o diminui com o aumento de energia A rela o canal energia perfeitamente TH l f ci ili i Hill ha NN ne Ek HN ENE a
38. o de operacional e o valor da capacidade mantendo se assim os valores para ganho m nimo m ximo e ponto m dio do potenci metro 1 180pF 20K0 LIN R1 10kn Figura 26 Esquema representativo do circuito utilizado no primeiro amplificador desenvolvido O operacional do tipo LF356N da National Semiconductor 20 pF 20K0_LIN R1 10kn Figura 27 Esquema representativo do circuito utilizado no segundo amplificador desenvolvido O operacional do tipo LT1357CN8 da Linear Technology 45 Ap ndices Ganho M ximo EO 441 6 8 Ganho M nimo lt 1 47 Ponto M dio do Potenciometro 2 94 46 Ap ndices Ap ndice D Nesta sec o encontra se uma descri o de como foi calculado o erro de linearidade Usando a recta de ajuste obtida e substituindo x pelos valores do ganho obt m se y em termos de canal O erro de linearidade obtido escolhendo o maior valor absoluto da diferen a y y expressando se depois em termos de percentagem Tabela 11 C lculo do erro de linearidade y ly y l mae ei y 50 5709 2 5709 124 5629 8 5629 247 8829 13 8829 494 5229 35 4771 6 69 1234 4429 10 4429 47
39. of Linear Technology Corporation amplifier are available TYPICAL APPLICATION DAC I to V Converter Ay 1 Large Signal Response Voss los s462 OU lt 11B hi C Aa Ca 1387 TADS er TA 41 Ap ndices Ap ndices 42 Ap ndices Ap ndice A Alguns dados nucleares relativos aos is topos utilizados na aplica o do sistema Tabela 10 Alguns valores para os radionuclidos usados Adaptado de 5 Nuclido Iodo 131 Indio 111 Tecn cio 99m G lio 67 Energia do fot o MeV 0 284 0 364 0 637 0 171 0 245 0 141 0 093 0 185 0 300 Fot es emitidos 43 5 9 81 8 7 2 90 9 94 2 88 5 37 6 23 5 16 7 Transi es por convers o interna 0 3 1 7 9 1 5 8 10 6 32 4 0 4 0 06 Ap ndices Ap ndice B Imagem representativa do analisador monocanal utilizado durante o trabalho O esquema representa as sa das utilizadas na montagem do sistema Detector de Cintila o AWALOE sm N EPR FURR DETENER Bow visoog ae LE WORWERSTARRER Analisador multicanal 44 Ap ndices Ap ndice C Circuitos relativos ao amplificadores desenvolvidos para aumentar a gama din mica de entrada do analisador multicanal e inverter o sinal O primeiro circuito corresponde ao primeiro amplificador desenvolvido O segundo circuito corresponde ao amplificador desenvolvido posteriormente Como se pode verificar apenas foi alterado o tip
40. ogarithmic amplifiers Photocell amplifiers m Sample and Hold circuits Common Features m Low input bias current 30pA m Low Input Offset Current 3pA m High input impedance 10120 m Low input noise current 0 01 pa Hz m High common mode rejection ratio 100 dB m Large dc voltage gain 106 dB Uncommon Features LF155 LF156 LF257 Units LF355 LF256 LF357 LF356 Ay 5 m Extremely 4 1 5 1 5 ps fast settling time to 0 01 m Fast slew 5 12 50 Vips rate m Wide gain 2 5 5 20 MHz bandwidth E Low input 20 12 12 nv Jiz noise voltage 3pF in LF357 series BI FET BI FET are trademarks of National Semiconductor Corporation 2001 National Semiconductor Corporation DS005646 40 00554501 www national com sJoyidwy jeuogessdo ndul 12340 288471 988471 8S8471 2S247l 982471 9S147l SS1471 Anexos Anexo B Algumas especifica es relativas ao amplificador operacional LT1357CN8 LT1357 TECHNOLOGY 25MHz 600V us Op Amp FEATURES DESCRIPTION 25MHz Gain Bandwidth The LT 1357 is a high speed very high slew rate opera 600V us Slew Rate tional amplifier with outstanding AC and DC performance 2 5mA Maximum Supply Current The LT1357 has much lower supply current lower input Unity Gain Stable offset voltage lower input bias current and higher DC gain C Load Op Amp Drives All Capacitive Loads than devices with comparable bandwidth The circuit 8nV VHz Input Noise Voltage topology is a voltage fe
41. ood D C Barber P V Lawford D R Hose Medical Physics and Biomedical Engineering IOP Publishing 2001 2 Nicholas Tsoulfanidis Measurement and Detection of Radiation 2 Edi o Taylor amp Francis 1995 3 Glenn F Knoll Radiation Detection and Measurement 3 Edi o John Wiley amp Sons Inc 1999 4 W R Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments 2 Edi o Springer Verlag 1994 5 W H Tait Radiation Detection Butterworths 1980 6 http environmentalhealthandsafetyoffice dal ca radtr2 htm 7 http en wikibooks org wiki Basic_Physics_of_Nuclear_Medicine Interaction_of_ Radiation_with_Matter 8 Nelson G Reilly D Gamma Ray Interactions with Matter 9 http www4 nau edu microanalysis Microprobe WDS Resolution html 10 http www canberra com pdf Products MCA_pdf asa100 pdf 11 http www target instruments com products stationary index cfm content_id 429DC67E ESB0 6AF4 4C07C694737D 1482 12 http www fastcomtec com fwww mca htm 13 http www amptek com mca8000a html 14 http www ortec online com pdf trumppci pdf 15 http www thermo com com cda product detail 0 1055 22498 00 html 16 http www toivel com alalog digital converter php 17 http www spectrumtechniques com ics pci htm 18 http www spectrumtechniques com ics 10 htm 19 Manual do Utilizador Model PCA3 Multichannel Analyzer 38 Anexos Anexos 39 Anexos Anexo A Neste anexo encontra
42. or com um detector externo e Interpretar os resultados No Servi o de Medicina Nuclear dos Hospitais da Universidade de Coimbra existe um sistema de contador de po o constitu do por um cristal de Nal e por um tubo fotomultiplicador acoplado a um analisador monocanal utilizado para medi o de amostras de produtos radioactivos ou misturas de diversos radionuclidos Este sistema actualmente usado para contagens in vitro No entanto n o poss vel um total aproveitamento das potencialidades do contador de po o devido s limita es inerentes ao analisador monocanal O objectivo deste trabalho converter este sistema num sistema de espectroscopia de raios gama com interface a um computador que dever permitir a calibra o do equipamento e a sua utiliza o para identifica o de diversos radionuclidos com possibilidade de determinar as respectivas actividades atrav s da espectroscopia gama Fontes de Radia o 2 Fontes de Radia o A palavra radia o refere se a toda a gama do espectro electromagn tico bem como a todas as part culas at micas e subat micas descobertas at aos nossos dias De um modo geral os diferentes tipos de radia o s o agrupados em radia o ionizante e radia o n o ionizante 2 Radia o n o ionizante a radia o electromagn tica com comprimento de onda de cerca de 10 nm ou maior Esta zona do espectro electromagn tico inclui radioondas microondas luz vis vel A
43. para que uma grande frac o da energia dispon vel seja convertida em luz e n o em calor 3 O material deve ser transparente sua pr pria cintila o Por estas raz es nem todos os materiais s o cintiladores teis e existe uma consider vel diversidade de efici ncia entre os que s o 5 Os elementos b sicos de um detector de cintila o s o mostrados na figura abaixo 12 Detectores de Cintila o Figura 6 Diagrama esquem tico de um contador de cintila o Adaptado de 4 Normalmente consiste num material cintilador que est acoplado a um tubo fotomultiplicador medida que a radia o passa pelo cintilador excita os tomos e as mol culas fazendo com que o cintilador emita luz Esta luz transmitida ao tudo fotomultiplicador PM onde convertida numa fraca corrente de fotoelectr es que posteriormente amplificada por um sistema de electromultiplica o O sinal resultante depois analisado por um dispositivo electr nico 4 Geralmente o sinal obtido transmite uma variedade de informa o donde se destacam as seguintes caracter sticas 4 1 2 3 Sensibilidade energia Acima de um certo nivel de energia os cintiladores x comportam se de um modo quase linear em rela o energia depositada ou seja a luz emitida pelo cintilador directamente proporcional energia de interac o Uma vez que o PM tamb m um dispositivo linear quando usa
44. r inversor de ganho ajust vel de modo a aproveitar toda a gama do analisador multicanal Para al m de ganho ajust vel o amplificador ter tamb m que obedecer a outro requisito ser inversor O sinal que utilizado a partir do analisador monocanal invertido da a necessidade de um amplificador inversor ver Ap ndice B O amplificador tem um ganho m ximo de 4 41 e um ganho m nimo de 1 47 o que satisfaz perfeitamente as condi es exigidas Foi usado um amplificador operacional modelo LF356N ver Anexo A 2 RE 4 E a Erro de linearidade expressa o desvio m ximo entre os dados experimentais e a recta de calibra o obtida por ajuste de m nimos quadrados em termos de percentagem do valor experimental 27 Testes e Calibra o Figura 16 Imagem do amplificador desenvolvido para aproveitar toda a gama do analisador multicanal Ao testar o amplificador verificou se que este n o se adapta ao sistema pois os espectros obtidos com amplificador s o muito semelhantes aos espectros obtidos sem o uso do amplificador ou seja n o se verificou qualquer deslocamento do espectro como seria de esperar O amplificador operacional tem um slew rate de 12 V us o que significa que poderia eventualmente suportar os tempos de subida dos impulsos adquiridos com o detector de cintila o que s o sensivelmente de 250 ns Por m a largura de banda do amplificador operacional de 5 MHz n o sendo este valor suficie
45. sE j5 ujlu a gt ols vis Channel 1203 1014 6 keV Counts 0 Preset 60 60 00 Acquire Expand On TT RO Index Datasource Prev Nex y Pico do TC MARKER INFO Left Marker 1206 1017 1 kev FWHM FWTM 0 000 0 000 kev Next Right Marker 1206 1017 1 kev Gaussian Ratio 0 000 Centrotd 1206 1017 1 kev RO Type A ea 0 0 00 Integral 0 For Help press F1 Execution Status ready Figura 23 Espectro obtido com a amostra que continha 10 mL de Ga e 10 mL de Tc 34 Aplica o File MCA Calibrate Display Analyze Edit Options Datasource Help ele lt Waaa lolala ints 5 f 36 3 keV t 60 60 00 Acquire Ler Expand On ROI Index a Datasource MARKER INFO For Help press F1 Execution Status ready Figura 24 Espectro obtido com a amostra que continha 30 mL de Ga e 10 mL de Tc File MCA Calibrate Display Analyze Edit Options Datasource Help AA hi Bu jaj ils ala E 50 6 kev Preset 60 60 00 Acquire Leer Leta Lcies ROI Index EI am Datasource MARKER INFO 38 0 keV FWHM f 0 000 O 000 keV 50 6 keV 6 R 0 000 den a 3 gt 44 5 kev Fa Help press F1 Execution Status ready Figura 25 Espectro obtido com a amostra que continha 60 mL de Ga e 20 mL de Tc 35 Aplica o possfvel verificar pela andlise dos espectros que na amostra com menor concentra o de Ga o primeiro pico de Ga que corresponde
46. saram fontes de g lio Ga e de c sio Cs que emitiam radia o gama de energias bem conhecidas Verificou se ent o que os canais correspondentes aos centr ides dos picos e os valores energ ticos te ricos para os dois radionuclidos seguiam uma rela o logar tmica Figura 14 Este facto revela que o sistema n o linear Tabela 5 Valores de energia em rela o ao canal Radionuclido Canal Energia keV 42 93 3 G lio 64 185 81 300 C sio 107 662 y 33 29BLn x 109 24 F 0 9998 300 400 500 Energia keV Figura 14 Gr fico que demonstra a rela o logar tmica entre os canais e os valores te ricos das energias dos radionuclidos Foi necess rio ent o detectar a origem deste problema Este efeito poderia ser atribu do ao sistema de amplifica o da unidade monocanal ou de outro modo haver a possibilidade do MCA estar em modo de an lise logar tmico e n o em modo 25 Testes e Calibra o linear Esta ltima hip tese era muito pouco prov vel pois seria a primeira vez que encontrariamos um MCA que tivesse como alternativa a opera o em modo logaritmico Contudo como era muito simples verificar se o MCA poderia ser o respons vel pelo efeito realizaram se testes com o MCA O sub cap tulo seguinte aborda esta etapa do trabalho 6 2 Linearidade do MCA Foram realizados testes com o analisador multicanal de forma a validar a sua linearidade Para tal foi
47. tribui o de amplitudes de impulsos existem dois factores que determinam a escolha do n mero de canais que se devem usar para este processo o grau de resolu o e o n mero total de contagens que podem ser obtidas 3 Se for poss vel obter um grande n mero de contagens n o existe qualquer desvantagem em usar um n mero de canais t o grande quanto se queira Ao usar um grande n mero de canais a largura de cada canal i e a gama de amplitudes correspondente pode ser muito pequena e o espectro discreto torna se numa aproxima o de uma distribui o cont nua Quando o espectro apresenta picos necess rio que a regi o acima da FWHM full width at half maximum do pico apresente pelo menos um n mero de canais suficiente para se poder determinar a sua FWHM com um erro relativo suficientemente pequeno para as exig ncias experimentais O n mero de canais necess rio pode tamb m apresentar se em termos de resolu o do detector R Para um pulso com altura m dia de pico H R FWHM 3 H Impondo a condi o de serem necess rios pelo menos 5 canais acima da FWHM do pico a posi o de H em unidades de canal ent o _ 5 canais E 3 18 Analisador Multicanal Um detector cuja resolu o seja de 5 requere um minimo de 100 canais e um detector com uma resolu o de 0 2 ir necessitar de 2500 canais 4 1 2 Calibra o e Linearidade De um MCA ideal espera se que a rela o altura do impulso n mero de ca
48. usado um detector gasoso Foram realizadas v rias aquisi es usando uma fonte de c dmio 109 com altera o do ganho do amplificador O c dmio apresenta um pico de energia de cerca de 22 16 keV medida que se ia aumentando o ganho o espectro deslocava se para a direita ou seja o pico avan ava no n mero de canais Tabela 6 Dados obtidos para testar a linearidade do MCA Ganho do Amplificador Canal 20 48 50 116 100 234 200 530 500 1224 y 2 4664x 1 2429 R 0 9982 0 100 200 300 400 500 600 Ganho Figura 15 Gr fico representativo da linearidade do MCA 26 Testes e Calibra o Deste estudo conclui se que o MCA operava como era de esperar em modo linear tendo um offset de apenas 1 canal Identificado o offset n o h necessidade de alterar os par metros ajustados para o MCA nomeadamente para anular este offset Verificou se que o MCA seguia uma rela o linear com um erro de linearidade de 6 69 ver Ap ndice D 6 3 Amplificador Como descrito nas especifica es do analisador multicanal a gama de entrada do ADC de 0 10 V enquanto que a gama din mica de sa da do est gio de amplifica o do analisador monocanal de 0 2 5 V Devido a este facto o analisador multicanal n o aproveitado na sua totalidade ou seja apenas s o utilizados 512 canais de toda a gama de canais do MCA Numa tentativa de ultrapassar este problema foi constru do um amplificado
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