Produção e caracterização de filmes OSL/RL baseados na fluorita natural brasileira para dosimetria em campos de radiação com taxas de dose alta e ultra alta

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Wozniak, Giovana Stedile
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Física e Astronomia
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39315
Resumo: The technological advancement of ionizing radiation applications in different fields has led to the need to establish procedures and develop new technologies for ionizing radiation dosimetry. For instance, the MOGNO beamline at the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS) uses a quasi-monochromatic X-ray beams (22, 39, and 67 keV) for nano- and microtomography with synchrotron light in high-precision scientific investigations, yet it faces dosimetric challenges due to high dose rates (HDR – High Dose Rate) and small irradiation fields. Concurrently, ultra-high dose rate radiotherapy (UHDR) promises to revolutionize oncological treatments through the FLASH effect, which preserves healthy tissues while eradicating tumors, but specialized detectors capable of operating under ultrashort pulse parameters are still required. To address these challenges, flexible calcium fluoride (CaF₂) films were developed and characterized, adaptable for both optically stimulated luminescence (OSL) and radioluminescence (RL) techniques, functioning in passive and active (real-time) dosimetry systems. The production methodology involved rigorous thermal treatment of the sensitive material based on natural Brazilian fluorite (650°C for 30 minutes) to eliminate spurious signals and enhance sensitivity, followed by precise granulometric control through sieving (38–53 μm, 75–90 μm, and <150 μm), resulting in the production of two specialized batches. Batch 1, with dimensions of 14×14 cm², was optimized for OSL measurements, while Batch 2, in a 6×6 cm² format with CaF₂ concentrations of 27% and 54%, was intended for RL measurements. After characterizing the dosimetric response and properties with both techniques, the applicability of the films in HDR and UHDR was validated. In the microtomography beam at the MOGNO line (39 keV), under a photon flux on the order of 10¹⁰ photons/s, the both two Batch 1 films measured dose rates of (75 ± 10) mGy/s (T film) and (69 ± 8) mGy/s (S film), which are compatible with the reference value evaluated using commercial BeO OSL dosimeters (69 ± 4 mGy/s). Moreover, the possibility of mapping one-dimensional dose distributions during complete 360° rotational microtomography protocols was demonstrated. In the context of UHDR delivery, using the ElectronFlash accelerator with 7–9 MeV beams and pulses of 0.5–4 μs, Batch 2 films exhibited linear response over a wide dose range (0.02–235 Gy), with energy dependence of the RL signal in the transition between 7 and 9 MeV, and spatial agreement of 86–98% when compared to Gafchromic films for one- and two-dimensional dose distribution mapping. Formulations with higher CaF₂ concentration (54%) and grain sizes above 75 μm demonstrated optimized luminescent performance. In conclusion, these films represent a versatile and reliable platform for precision dosimetry in both UHDR and HDR conditions, validating applications at relatively low energies, such as synchrotron microtomography, as well as in FLASH radiotherapy (above 1 MeV), with high resolution in small irradiation fields.
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spelling Produção e caracterização de filmes OSL/RL baseados na fluorita natural brasileira para dosimetria em campos de radiação com taxas de dose alta e ultra altaProduction and characterization of OSL/RL films based on brazilian natural fluorite for dosimetry in radiation fields with high and ultra-high dose ratesRadiação ionizanteRadiação - DosimetriaRadioterapiaLuminescência opticamente estimuladaFluoreto de cálcioFluoritaIonizing radiationRadiation dosimetryRadiotherapyOptically stimulated luminescenceCalcium fluorideFluorsparCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAFísicaThe technological advancement of ionizing radiation applications in different fields has led to the need to establish procedures and develop new technologies for ionizing radiation dosimetry. For instance, the MOGNO beamline at the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS) uses a quasi-monochromatic X-ray beams (22, 39, and 67 keV) for nano- and microtomography with synchrotron light in high-precision scientific investigations, yet it faces dosimetric challenges due to high dose rates (HDR – High Dose Rate) and small irradiation fields. Concurrently, ultra-high dose rate radiotherapy (UHDR) promises to revolutionize oncological treatments through the FLASH effect, which preserves healthy tissues while eradicating tumors, but specialized detectors capable of operating under ultrashort pulse parameters are still required. To address these challenges, flexible calcium fluoride (CaF₂) films were developed and characterized, adaptable for both optically stimulated luminescence (OSL) and radioluminescence (RL) techniques, functioning in passive and active (real-time) dosimetry systems. The production methodology involved rigorous thermal treatment of the sensitive material based on natural Brazilian fluorite (650°C for 30 minutes) to eliminate spurious signals and enhance sensitivity, followed by precise granulometric control through sieving (38–53 μm, 75–90 μm, and <150 μm), resulting in the production of two specialized batches. Batch 1, with dimensions of 14×14 cm², was optimized for OSL measurements, while Batch 2, in a 6×6 cm² format with CaF₂ concentrations of 27% and 54%, was intended for RL measurements. After characterizing the dosimetric response and properties with both techniques, the applicability of the films in HDR and UHDR was validated. In the microtomography beam at the MOGNO line (39 keV), under a photon flux on the order of 10¹⁰ photons/s, the both two Batch 1 films measured dose rates of (75 ± 10) mGy/s (T film) and (69 ± 8) mGy/s (S film), which are compatible with the reference value evaluated using commercial BeO OSL dosimeters (69 ± 4 mGy/s). Moreover, the possibility of mapping one-dimensional dose distributions during complete 360° rotational microtomography protocols was demonstrated. In the context of UHDR delivery, using the ElectronFlash accelerator with 7–9 MeV beams and pulses of 0.5–4 μs, Batch 2 films exhibited linear response over a wide dose range (0.02–235 Gy), with energy dependence of the RL signal in the transition between 7 and 9 MeV, and spatial agreement of 86–98% when compared to Gafchromic films for one- and two-dimensional dose distribution mapping. Formulations with higher CaF₂ concentration (54%) and grain sizes above 75 μm demonstrated optimized luminescent performance. In conclusion, these films represent a versatile and reliable platform for precision dosimetry in both UHDR and HDR conditions, validating applications at relatively low energies, such as synchrotron microtomography, as well as in FLASH radiotherapy (above 1 MeV), with high resolution in small irradiation fields.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)O avanço tecnológico das aplicações das radiações ionizantes em diferentes áreas resultou na necessidade de se estabelecer procedimentos e desenvolver novas tecnologias para dosimetria das radiações ionizantes. Por exemplo, a linha MOGNO do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) utiliza feixes de raios X quase monocromáticos (22, 39 e 67 keV) para nano e microtomografia por luz síncrotron em investigações científicas de alta precisão, porém enfrenta desafios dosimétricos devido às elevadas taxas de dose (HDR – High Dose Rate) e campos de irradiação reduzidos. Paralelamente, a radioterapia com taxas de dose ultra alta (UHDR – Ultra High Dose Rate) promete revolucionar tratamentos oncológicos através do efeito FLASH, que preserva tecidos saudáveis enquanto erradica tumores, mas carece de detectores especializados para operação sob os parâmetros dos pulsos. Visando enfrentar tais desafios, foram desenvolvidos e caracterizados filmes flexíveis de fluoreto de cálcio natural (CaF2) adaptáveis tanto para técnicas de luminescência opticamente estimulada (OSL - Optically Stimulated Luminescence) quanto radioluminescência (RL), funcionando em sistemas passivo e ativo (tempo real) para dosimetria. A metodologia de produção dos filmes detectores envolveu tratamento térmico rigoroso do material sensível baseado na fluorita natural brasileira (650°C por 30 minutos) para eliminação de sinais espúrios e sensibilização, seguido de controle granulométrico preciso através de peneiramento (38-53 μm, 75-90 μm e <150 μm), resultando na produção de dois lotes especializados. O Lote 1, em dimensões de 14×14 cm², foi otimizado para medições com a técnica OSL, enquanto o Lote 2, em formato 6×6 cm² com concentrações de 27% e 54% de CaF2, destinou-se a medidas de RL. Caracterizada a resposta e características dosimétricas com ambas as técnicas, validou-se a aplicação dos filmes em HDR e UHDR. Em feixe de microtomografia na linha MOGNO (39 keV), sob fluxo da ordem de 10¹⁰ fótons/s, os dois tipos de filmes do Lote 1 mediram taxas de dose de (75 ± 10) mGy/s (filme T) e (69 ± 8) mGy/s (filme S), as quais são compatíveis com o valor avaliado com dosímetro comerciais OSL de BeO (69 ± 4 mGy/s) utilizado como referência. Além disso, demonstrou-se possibilidade de mapeamento de distribuições de dose (1D) durante protocolos completos de microtomografia com rotação de 360°. No cenário de entrega da dose com UHDR, utilizando o acelerador ElectronFlash com feixes de 7-9 MeV e pulsos de 0,5-4 μs, os filmes do Lote 2 exibiram resposta linear ao longo de uma ampla faixa de doses (0,02-235 Gy), com dependência energética do sinal RL na transição entre 7 e 9 MeV e concordância espacial de 86-98% quando comparados a filmes Gafchromic para mapeamento 1D e 2D da distribuição de dose. Formulações com maior concentração de CaF2 (54%) e grãos superiores a 75 μm apresentaram desempenho luminescente otimizado. Conclui-se que esses filmes representam uma plataforma versátil e confiável para dosimetria de precisão em UHDR e HDR, validando aplicações em energias relativamente baixas, como microtomografia com radiação síncrotron, e em radioterapia FLASH (acima de 1 MeV), com resolução em campos pequenos.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Física e AstronomiaUTFPRMalthez, Anna Luiza Metidieri Cruzhttps://orcid.org/0000-0003-3109-1155https://lattes.cnpq.br/9765354310725539Nascimento, Luana de Freitashttps://orcid.org/0000-0002-1243-9796http://lattes.cnpq.br/2589031766458770Malthez, Anna Luiza Metidieri Cruzhttps://orcid.org/0000-0003-3109-1155https://lattes.cnpq.br/9765354310725539Silva, Edilaine Honorio dahttps://orcid.org/0000-0002-2501-579Xhttp://lattes.cnpq.br/2669985375702449Kunzel, Roselihttps://orcid.org/0000-0003-0020-8189http://lattes.cnpq.br/6662626014913141Wozniak, Giovana Stedile2026-02-02T20:37:33Z2026-02-02T20:37:33Z2025-10-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfWOZNIAK, Giovana Stedile. Produção e caracterização de filmes OSL/RL baseados na fluorita natural brasileira para dosimetria em campos de radiação com taxas de dose alta e ultra alta. 2026. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39315porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2026-02-03T06:29:30Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/39315Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2026-02-03T06:29:30Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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