Calibración y comparación de la respuesta obtenida de cinco

Calibración y comparación de la respuesta obtenida de cinco distintos lotes de
dosímetros de Fluoruro de Litio (LiF) en un haz de 60Co.
Pérez-Zeledón R.E1 & Meynard-Valverde, Y.A2
1
Laboratorio de Física de Radiaciones y Metrología (LAF – RAM), UNAN – Managua, Nicaragua
2
Departamento de Física, UNAN – Managua, Nicaragua
RESUMEN
En este trabajo se utilizaron cinco lotes de Dosímetros Termoluminiscentes (TLD) de Fluoruro de Litio (LiF): uno de
Fluoruro de Litio dopado con Magnesio, Cobre y Fosforo (LiF: MgCuP) o TLD de alta sensibilidad (TLDHS), uno de
Fluoruro de Litio dopado con Magnesio y Titanio (LiF: MgTi) conocido comúnmente como TLD-100, dos de Fluoruro de
litio puro (99.99% de pureza y pureza desconocida) y un lote de dosímetros de vidrio con una capa de 1µ de LiF: MgTi. Para
la calibración de cada uno de los lotes se tuvo que realizar una preparación cada irradiación por medio de un proceso de
calentamiento a 240°C (TLDHS) y 400 °C (TLD-100 y puros) por 10 minutos para eliminar cualquier señal asociada a
irradiaciones previas. Igualmente antes de la lectura (24 horas después de la irradiación) se realizó otro proceso de
calentamiento a 100°C por 2 horas con el fin de eliminar los picos de baja temperatura. Una vez realizados todos los procesos
de pre y post irradiación, se lograron obtener cada uno de los factores de calibración para los lotes y fue posible realizar una
comparación de las respuestas obtenidas entre los lotes.
ABSTRACT
For this investigation, five different types of Thermoluminescent Dosimeters batches (TLD) of Lithium Fluoride (LiF)
were used: one doped with Magnesium, Copper and Phosphor (LiF: MgCuP) or TLD of High Sentivity (TLDHS), one doped
with Magnesium and Titanium (LiF: MgTi) commonly known as TLD-100, two types of “pure” LiF (99.99 % of pureness
and unknown pureness) and one batch of glass with a 1µ layer of LiF: MgTi. To get the calibration of each type, they had to
be prepared before irradiation in an annealing process at 240 °C (TLDHS) and 400 °C (TLD-100 and pure) with the intention
of eliminating any signal associated to previous radiation exposures. Before the read out, another annealing process was
performed (24 hours after irradiation) at 100 °C by 2 hours, which had a purpose of deleting the low temperature peaks. Once
all the read outs were done, the calibration factor for each type of TLD were obtained and it was possible to make a
comparison of their relative responses.
1. INTRODUCCIÓN
Desde los inicios de la dosimetría de radiaciones ionizantes se han diseñado diversos
tipos de detectores de radiación ionizante (cámaras de ionización, películas radiocrómicos,
centelladores, etc.) que dan confiabilidad a los encargados de la misma. A pesar de eso, a la
gran familia de detectores se unió alrededor de 1960 los dosímetros TLD, denominados así
por su característica de emitir luz a partir de calentamiento después de haber sido expuestos
a radiación ionizante.
Una de las ventajas de los dosímetros TLD es su tamaño pequeño que permite ser
utilizado para diversas áreas de la dosimetría; ya sea dosimetría ambiental, personal o in
vivo a pacientes durante tratamientos de radioterapia.
En la actualidad los dosímetros TLD más utilizados son los de LiF, ya sea en su forma
pura o dopada, que permiten tener más trampas entre las bandas de conducción y de
valencia del material con el fin de tener más probabilidad de capturar eventos de
ionización. Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo determinar la sensibilidad de cada
detector y valorar que tan estable es la respuesta de cada uno al ser irradiados con un haz de
60
Co. La comparación se realizó para el TLD-100 debido a que en la actualidad en la
mayoría de los centros que realizan dosimetría TL utilizan este tipo de dosímetros.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 Termoluminiscencia
La dosimetría TL está basada en dos etapas fundamentales de perturbación conocidas
como Etapa 1 y Etapa 2: en la primera etapa ocurre una perturbación que lleva al sistema de
un estado de equilibrio a un estado meta estable por medio de absorción de energía (energía
ionizante o UV), mientras que en la segunda etapa el material pasa del estado meta estable
a un estado de equilibrio emitiendo luz.
El mecanismo de funcionamiento de los materiales TL se puede describir utilizando el
diagrama de bandas de energía (Ilustración 1). Cuando un material TL es expuesto a
radiación ionizante, se transfiere energía a los electrones de la banda de valencia,
alcanzando éstos la banda de conducción y liberando huecos en la banda de valencia.
Ilustración 1: Diagrama de Bandas
Parte de estos electrones y huecos se recombinan inmediatamente emitiendo luz. Sin
embargo, otros son atrapados en estados meta-estables utilizados para la dosimetría
asociados a los defectos (pozos o trampas) de la red donde pueden permanecer durante
largo tiempo hasta recibir energía suficiente para poder escapar.
La energía utilizada para liberar los electrones es energía térmica puesto que al ir
elevando la temperatura del sólido irradiado se vacían pozos de menor profundidad a
temperaturas más bajas y los de mayor profundidad a temperaturas más altas. Al vaciar
estos pozos se emite luz que luego es detectada con tubos fotomultiplicadores.
2.2 Sistema de detección
El sistema de detección utilizado en dosimetría
TL está basado
en
la
utilización de tubos
fotomultiplicadores que no es más que un detector
óptico al vacío que aprovecha el efecto de emisión
secundaria de electrones para responder a niveles
muy bajos de iluminación, manteniendo un nivel de
ruido aceptable. Está compuesto por un cátodo foto
Ilustración 2: Esquema de un TF
emisivo (fotocátodo), consistente de metales alcalinos con funciones de trabajo bajas,
seguido de electrodos enfocadores, un multiplicador de electrones (dinodos) y un colector
de electrones (ánodo) en un tubo al vacío.
Cuando la luz entra al fotocátodo, este convierte la energía de la luz incidente en
fotoelectrones emitidos al vacío, los cuales son enfocados hacia los dinodos, donde son
multiplicados en un proceso de emisión secundaria.
Al final, la señal de salida se obtiene en el ánodo. Esta señal está conectada a un sistema
que permite obtener una gráfica de la emisión de luz producida por el TLD cuando se
calienta. A esta gráfica se le denomina curva de brillo (Glow curve), que es característica
para cada material.
3. METODOLOGÍA
3.1 Proceso Pre – Irradiación.
Antes de cada irradiación se utilizaron dos diferentes procesos de borrado de
información, uno fue realizado a 400 °C y el otro a 240 °C (ambos durante 10 minutos).
Con el fin de eliminar información parasita que pudiese crear datos no repetibles.
Para el borrado a 400 °C se utilizaron los lotes de LiF puro y TLD-100, mientras que
para los TLDHS se utilizó el borrado a 240 °C debido a que a mayores temperaturas este
tipo de detector muestra una variación en las lecturas obtenidas.
Ilustración 3: Horno utilizado para la preparación de los dosímetros antes de ser irradiados
3.2 Configuración para la irradiación.
Para realizar la irradiación de los dosímetros se utilizaron bloques simuladores de agua
(agua solida) de diferentes espesores (5cm, 3cm y 0.5 cm) y un simulador de tejido (Bolus)
de 1.5cm de espesor.
La técnica utilizada para este experimento fue isocéntrica (SAD) de 80 cm, un tamaño
de campo de irradiación de 10x10 cm. Los dosímetros se colocaron a una profundidad de 5
cm, por lo que se tenía una distancia fuente superficie (SSD) de 75 cm.
Ilustración 4: Configuración experimental
Colocados los dosímetros en la posición adecuada se procedió a irradiarlos a una dosis
de 1 Gy.
3.3 Proceso Post – Irradiación.
Una vez irradiados los lotes se esperó aproximadamente un periodo de 24 horas para
realizar otro proceso de calentamiento; esta vez a 100 °C durante un periodo de dos horas.
Esto con el fin de eliminar los picos de baja temperatura y tener una curva de lectura más
consitente.
4. RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 1: Factores de calibración para cada tipo de material utilizado.
LiF: MgTi (TLD 100) LiF:MCP (TLD HS)
Factores de Calibración
(nC/Gy)
5432.00 ± 4.68*
216996 ± 3.29*
LiF (Puro)
LiF (99.99 % Pureza)
Films
109.84 ± 6.09*
76.57 ± 3.59*
3.94 ± 6.27*
*Coeficientes de variación
Tabla 2: Relación de las respuestas de los materiales utilizando como referencia al
TLD 100
Relación
LiF: MgTi (TLD 100)
1.00
LiF:MCP (TLD HS)
+39.95
LiF (Puro)
-49.45
LiF (99.99 % Pureza)
-70.94
Ilustración 5: Curvas Glow para cada uno de los dosímetros utilizados
Films
-1378.47
5. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Observando los resultados obtenidos es evidente que el dopaje en los materiales
efectivamente permite obtener una mayor respuesta del material base.
Aunque el TLDHS tenga la mayor respuesta respecto a todos los dosímetros
utilizados, se recomienda su uso solamente si se siguen los cuidados necesarios de
lectura para el mismo ya que un cambio significativo en la temperatura a la que se
exponga implicaría una alteración a la respuesta de los mismos. Mientras que el TLD
100 puede ser expuesto a altas temperaturas sin que haya una variación significativa en
su respuesta.
Las curvas brillo de todos los dosímetros se comportaron de la misma forma sin
importar el dopante que tuviesen porque el material base de fabricación de los mismos
es Fluoruro de Litio. Sin embargo, con los dosímetros que cuentan con una capa de una
micra de LiF: MgTi no se puede decir que se comportó a como era esperado debido que
la señal obtenida es una señal muy baja, semejante a una señal de ruido.
6. CONCLUSIÓN
El TLD-100 presenta más ventajas respecto al TLDHS en cuanto a la
reproducibilidad de los resultados y a su estabilidad al ser expuesto a altas temperaturas.
Aunque la señal del mismo sea aproximadamente 40 veces menor que el TLDHS.
7. AGRADECIENTO
Especial agradecimiento a Eduardo Villareal (PhD en Física Médica) por su
disposición en apoyarnos y realizar el trabajo, también agradecemos a Alana Hudson
(Ms.C en Física Médica)
en conjunto con Sara Quirk (PhD Residente en Física
Médica) por darnos parte de su tiempo y apoyarnos en todas las rotaciones que
realizamos en el Tom Baker Cancer Centre y a Wendy Smith (PhD en Física Médica,
Directora del Departamento de Física Médica) que con el Dr. Robert Paterson (Médico
Oncólogo) nos permitirnos realizar este intercambio académico.
8. BIBLIOGRAFÍA
Yee, S. Evaluation of the response of LiF: MgCuP to X-Rays on the 50 KeV to
18 MeV range.
McKeever, S. Thermoluminescense Dosimetry Materials: Properties and Uses.
Nuclear Technology Publishing, 1995.