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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
DEPARTAMENTO DE FÍSICA NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE DOSÍMETROS À BASE DE MAGNÉSIO
POR LUIZA FREIRE DE SOUZA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Cidade Universitária “Prof. José Aloísio de Campos”
São Cristóvão – SE – Brasil
-2012-
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE DEPARTAMENTO DE FÍSICA
NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE DOSÍMETROS À BASE DE MAGNÉSIO
LUIZA FREIRE DE SOUZA
ORIENTADORA: Dra. Divanízia do Nascimento Souza
São Cristóvão 2012
Dissertação de Mestrado apresentada ao Núcleo de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal de Sergipe para obtenção do título de Mestre em Física.
2
Dedico este trabalho com muito amor ao meu avô Talcides (in memoriam) , minha avó Chiquinha (in memoriam), meus pais, Carlos e Lúcia e as minhas irmãs Ju e Marina.
3
"A vida é para nós o que concebemos dela. Para o rústico cujo campo lhe é tudo, esse
campo é um império. Para o César cujo império lhe ainda é pouco, esse império é um
campo. O pobre possui um império; o grande possui um campo. Na verdade, não
possuímos mais que as nossas próprias sensações; nelas, pois, que não no que elas
veem, temos que fundamentar a realidade da nossa vida" (Fernando Pessoa).
4
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço á Deus, pela força nos momentos de dificuldade e por sempre
me iluminar e me guiar nas minhas escolhas.
Aos meus pais Carlos e Lúcia, e as minhas irmãs Ju e Marina, por todo amor e pela
educação que me proporcionaram, sempre me fazendo acreditar que o conhecimento
seria minha maior riqueza e herança, e que só através disso poderia ultrapassar todos os
meus limites. Amo vocês.
À Dra. Divanízia do Nascimento Souza, pela oportunidade, pelas orientações, pelos
conselhos, pela amizade e dedicação.
Aos meus queridos avôs, Ortélia, Chiquinha (in memoriam), Talcides (in memoriam) e
Augusto (in memoriam), dedico esse trabalho especialmente a vocês.
À toda minha família, em especial a minha madrinha Ada, à tia Dezinha e a tio
Minando e aos meus primos Lucas, Igor e Felipe. Amo vocês.
Ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), em especial a Dra. Linda
Caldas, pela colaboração no desenvolvimento deste projeto.
Ao meu grande amigo e namorado, Luis, pela paciência, carinho e incentivo durante
toda essa caminhada, a cada dia que passa me sinto mais ligada a você. Amo-te.
Aos pós-graduandos do IPEN pela ajuda incondicional, paciência e carisma em especial
a Patrícia, Daniela, Maíra e Jonas.
Aos meus amigos da sala nove em especial Raimundo, Laís, Keiko, Jerre, Thiago e
David. Pela ajuda, companheirismo, risadas, críticas e acima de tudo pela amizade e por
todos os momentos que vivemos durante esses dois anos que nos tornaram mais
próximos, vou sentir muitas saudades de todos.
Ás minhas amigas de infância Daniela, Lícia, Mariana e Suellen. Apesar de seguirmos
diferentes caminhos estamos muito ligadas.
Ao amigo que me auxiliou do Laboratório de Física Médica da UFS, pelo apoio e ajuda
na manutenção dos equipamentos, Lucas Parente.
À Daiane Feitosa, pela ajuda durante o processo de produção dos materiais.
Aos amigos de todas as horas, Ione, Ada, Djína, Marina, Marcela, Dinha e Tay pelos
momentos de descontração, amizade e dedicação na solução dos problemas.
Á todos do LPCM, que direta ou indiretamente colaboraram de alguma forma e não
foram citadas.
5
RESUMO
Com o intuito de se obter dosímetros de estado sólido que apresentem características
tais como: alta sensibilidade, facilidade de obtenção e manuseio, praticidade e
economicidade foram estudados no presente trabalho fósforos à base do íon magnésio.
Os materiais escolhidos para análise foram o MgSO4 (sulfato de magnésio) e o MgB4O7
(tetraborato de magnésio); ambos materiais foram impurificados com os terras raras Dy
(disprósio) e Tm (túlio). O interesse na produção desses materiais impurificados foi o de
investigar a produção de dosímetros termoluminescente com esses elementos e as
características dessa termoluminescência. Os fósforos foram obtidos através de solução
ácida. Foi investigada a resposta termoluminescente dos materiais produzidos na forma
de pastilhas prensadas. Para o estudo das características termoluminescentes, amostras
de sulfatos e tetraboratos foram irradiados com fonte beta (90Sr+90Y). A resposta
termoluminescente das pastilhas produzidas à base de MgB4O7 foi investigada de forma
mais aprofundada, após exposição a diferentes fontes de radiação, tais como, raios X , 60Co, e 137Cs. Para esse material, as respostas em função da dose de raios X e 60Co,a
reprodutibilidade, a homogeneidade, a dose mínima detectável, a dependência
energética, a eficiência intrínseca e os parâmetros cinéticos das curvas de emissão
através do método de Chen, foram avaliadas. Os resultados obtidos para as amostras de
MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm mostram que é possível a utilização de ambos materiais
para dosimetria de feixes de radiações ionizantes, tais como feixes de fótons de raios X
e radiações gama e beta, devido à facilidade de preparação, por apresentarem
sensibilidade termoluminescente adequada e linearidade da resposta TL no intervalo de
dose avaliado, entre outras características. Os estudos iniciais com MgSO4:Dy (ou Tm)
indicam que esses apresentam potencial para dosimetria e por isso devem ser mais bem
avaliados em trabalhos futuros.
6
ABSTRACT
With the purpose of obtain solid state dosimeters whith characteristics such as high
sensitivity, ease obtaining and handling and that are practical and economical were
studied in in the present work phosphors based on magnesium ion. The materials
chosen for analysis were MgSO4 (magnesium sulphate) and MgB4O7 (magnesium
tetraborate), both materials were doped with the rare earths Dy (dysprosium) and Tm
(thulium). The interest in the production of these doped materials was to investigate the
production of thermoluminescent dosimeters with these elements and study their
thermoluminescence characteristics. The phosphors were obtained by acid solution. The
thermoluminescence response of materials produced in pellet form were investigated.
For the study of thermoluminescent characteristics, sulphate and tetraborate samples
were irradiated with a beta source (90Sr+90Y). The thermoluminescence response of the
pellets based on MgB4O7 were investigate in more details after exposure to different
radiation sources such as X rays , 60Co and 137Cs. For these materials the dose response
curves related to X-rays and 60Co irradiations, reproducibility, homogeneity, minimum
detectable dose, energy dependence, the intrinsic efficiency and the kinetic parameters
for the glow curves, using Chen´s method were evaluated. The results obtained for
MgB4O7:Dy and MgB4O7:Tm samples, show that is possible to use both materials to
radiation dosimetry of photon beams such as X ray and gamma and beta radiation, due
to the facility of the preparation , since they have adequate sensitivity and linearity of
TL response over the dose range evaluated, among other characteristic. The initial
studies of MgSO4: Dy (or Tm), show that materials have potential to dosimetry and
should be better evaluated in future work.
7
Sumário
1 Introdução .................................................................................................................... 14
2 Objetivos do trabalho .................................................................................................. 16
2.1 Geral .................................................................................................................. 16
2.2 Específicos ........................................................................................................ 16
3 Estado da arte ........................................................................................................... 17
3.1 Tetraborato de magnésio .................................................................................. 17
3.2 Sulfato de Magnésio .......................................................................................... 18
4 Fundamentos Teóricos ................................................................................................ 20
4.1 Breve histórico da termoluminescência ................................................................ 20
4.2 Dosimetria termoluminescente ............................................................................. 21
4.3 Descrição do fenômeno físico da termoluminescência ......................................... 22
4.4 Luminescência nos sólidos. ................................................................................. 24
4.5 Equações e parâmetros para a descrição da termoluminescência ......................... 25
4.5.1 Cinética de primeira e segunda ordem. .......................................................... 28
4.6 Métodos experimentais para determinação de parâmetros cinéticos. ................... 30
4.6.1 Método da forma de pico ............................................................................... 30
4.7 Grandezas dosimétricas ........................................................................................ 33
4.8 Mecanismos de interação da radiação com a matéria ........................................... 34
4.8.2 Interação de fótons com a matéria .................................................................. 35
4.8.3 Interação de partículas carregadas com a matéria .......................................... 36
4.9 Considerações gerais sobre dosímetros TL .......................................................... 37
4.9.1 Requisitos gerais para a escolha de um TLD ................................................. 37
4.9.2 Variação da resposta TL em função da dose .................................................. 38
4.9.3 Sensibilidade .................................................................................................. 38
4.9.4 Limite Inferior de Detecção ........................................................................... 39
4.9.5 Reprodutibilidade e Homogeneidade ............................................................. 39
4.9.6 Resposta energética ....................................................................................... 40
8
4.9.7 Eficiência intrínseca dos dosímetros ............................................................. 40
4.9.8 Tratamento térmico ........................................................................................ 41
4.9.9 Armazenamento e manuseio .......................................................................... 42
5. Materiais e Metodologia ............................................................................................. 43
5.1 Produção do MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy. ............................................................ 43
5.1.1 Reação ............................................................................................................ 43
5.1.2 Secagem e Tratamento Térmico ..................................................................... 44
5.1.3 Lavagem do composto ................................................................................... 46
5.1.4 Trituração e Homogeneização ........................................................................ 46
5.1.5 Produção das pastilhas ................................................................................... 47
5.1.6 Sinterização das pastilhas ............................................................................... 48
5.1.7 Tratamento térmico de reutilização ................................................................ 48
5.2 Produção do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm ................................................................. 49
5.2.1 Granulometria e tratamento térmico .............................................................. 50
5.3 Fontes de Radiação ............................................................................................... 51
5.3.1 Irradiadores Gama .......................................................................................... 51
5.3.2 Fonte Beta ...................................................................................................... 53
5.3.3 Raios X ........................................................................................................... 54
5.4- Sistemas para Medição do Sinal TL .................................................................... 56
5.5-Acondicionamento dos detectores ........................................................................ 58
5.6- Incertezas das medidas ........................................................................................ 60
6. Resultados e Discussões ............................................................................................. 61
6.1 – Curvas de Emissão dos Materiais ...................................................................... 61
6.2 – Espectro de emissão TL. .................................................................................... 68
6.3 Dependência energética. ....................................................................................... 70
6.4 - Parâmetros cinéticos das curvas. ........................................................................ 74
6.5-Reprodutibilidade e Homogeneidade. .................................................................. 75
6.6 Eficiência intrínseca dos detectores ...................................................................... 76
6.7 Dose mínima detectável ....................................................................................... 77
7. Conclusões .................................................................................................................. 79
Bibliografia ..................................................................................................................... 81
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Valores para as constantes e da Equação 22 para o caso de cinética
de primeira e segunda ordem [28]............................................................................... 32
Tabela 2- Valores para as constantes e da Equação 22 para os casos de
cinética de ordem geral [28]. ........................................................................................ 32
Tabela 3 - Marcas e purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação do MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm ..................................................................................... 44
Tabela 4 - Marcas e purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm ......................................................................................... 49
Tabela 5- Características das fontes de 90
Sr+90
Y ...................................................... 53
Tabela 6- Parâmetros cinéticos das curvas de emissão TL das pastilhas. ............... 74
Tabela 7 - Reprodutibilidade - Média; desvio padrão e CV(%) dos 5 ciclos de irradiação, leitura e tratamento térmico de cada dosímetro de MgB4O7:Dy. ........ 75
Tabela 8- Reprodutibilidade - Média; desvio padrão e CV(%) dos 5 ciclos de irradiação, leitura e tratamento térmico de cada dosímetro de MgB4O7:Tm. ....... 75
Tabela 9- Homogeneidade - Médias e os respectivos desvios padrões e CVH das 5 leituras do lote de 6 detectores TL de MgB4O7:Dy .................................................... 76
Tabela 10 - Homogeneidade - Médias e os respectivos desvios padrões e CVH das 5 leituras do lote de 6 detectores TL de MgB4O7:Tm ................................................... 76
Tabela 11- Eficiência intrínseca dos detectores para duas energias diferenciadas 77
Tabela 12- Valores de dose mínima detectável (D0) encontrados para o MgB4O7:Dy. ................................................................................................................... 77
Tabela 13- Valores de dose mínima detectável (D0) encontrados para MgB4O7:Tm. ........................................................................................................................................ 78
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Transições possíveis durante o fenômeno da termoluminescência [25]. 23
Figura 2- (1) Esquema do processo que envolve a fluorescência, em que está representada a absorção e emissão de energia por um elétron (retorno ao estado fundamental). (2) Representa, esquematicamente, a fosforescência, com excitação para o estado e seguido do decaimento até o estado metaestável m, e novamente
10
excitação e decaimento até o estado fundamental f, com emissão de luz. [Adaptação de Horowitz, [3]]. .......................................................................................................... 25
Figura 3- Representação de um pico de TL isolado com destaque aos parâmetros geométricos, Im, e Tm, que são a intensidade máxima e a temperatura de máximo do pico, respectivamente; T1 e T2 são as temperaturas associadas à curva TL na metade da sua intensidade máxima (Adaptado de McKEEVER [25]). ................... 31
Figura 4- Fator geométrico (µg) em função da ordem cinética(b). A linha sólida representa o valor médio e as linhas pontilhadas são as variações máximas (Adaptado de McKEEVER [28]) ................................................................................ 33
Figura 5- Predominância das interações dos fótons com a matéria em função da energia e do número atômico [30]. .............................................................................. 36
Figura 6- Composto no aquecedor antes da secagem. ............................................... 45
Figura 7- Material após a secagem, ainda úmido. ..................................................... 45
Figura 8- Forno EDG-1800, onde foram feitas todos os tratementos térmicos e sinterizaçãos. ................................................................................................................. 46
Figura 9- Composto pronto para ser triturado e peneirado. ................................... 47
Figura 10- Peneiras comerciais utilizadas, com abertura de 75 e 100 µm. ............. 47
Figura 11- Prensa hidráulica utilizada para a produção das pastilhas. .................. 48
Figura 12- Esquema representativo para a produção do MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm ........................................................................................................................................ 49
Figura 13- Representação do processo de formação do MgSO4:Tm e MgSO4:Dy. 51
Figura 14- Irradiador gama STS OB85. ..................................................................... 52
Figura 15- Fonte 60Co do CTR (IPEN). ..................................................................... 52
Figura 16- Aplicador dermatológico de 90Sr/90Y( UFS) ............................................ 53
Figura 17-Dosímetros posicionados em frente à fonte beta (90Sr/90Y) (IPEN) ........ 54
Figura 18- Equipamento de raios X Pantak/Seifert empregado nas irradiações das pastilhas, pertencente ao IPEN. .................................................................................. 55
Figura 19- Embalagem com pastilhas, devidamente posicionada para irradiação no feixe de raios X. ............................................................................................................. 55
Figura 20- Monocromador UNICROM-100 utilizado para a medida do comprimento de onda de emissão do tetraborato, indicado pela flexa logo abaixo da fotomultiplicadora. .................................................................................................. 57
Figura 21 - Sistema TL home-made (UFS/DFI). (a) computador; (b) fotomultiplicadora; (c) gaveta porta amostras; (d) fonte de alta tensão; (e) amplificador. ................................................................................................................. 57
Figura 22- Leitora TL Harshaw, 3500. Localizadas no DFI/ UFS ........................... 58
Figura 23- Suporte com revestimento de placa de PMMA com 3 mm de espessura, utilizado para as pastilhas nas irradiações com feixe gama. .................................... 59
Figura 24- Arranjo utilizado para as irradiações com fonte beta, onde foi retirada a placa de PMMA de 3 mm e adicionada em seu lugar uma camada de papel filme. ........................................................................................................................................ 59
Figura 25- Arranjo experimental devidamente posicionado para a irradiação das pastilhas com feixe de partículas beta. ....................................................................... 59
11
Figura 26- Suporte de dosímetros revestido de papel alumínio, devidamente posicionada para a irradiação com feixe de raios X. .............................................. 60
Figura 27- Emissão TL típica das pastilhas de MgSO4:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação beta ( 90Sr/90Y). ............................ 62
Figura 28- Emissão TL típica das pastilhas de MgSO4:Tm, sinterizadas a 900°C e expostas à radiação beta de 90Sr/90Y. .......................................................................... 63
Figura 29- (a) Emissão TL típica do MgB4O7:Dy e (b) MgB4O7:Tm, sinterizados a 800°C por 2 horas , irradiados com 90Sr/90Y. ............................................................. 64
Figura 30- Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação gama (60Co). ....................................... 65
Figura 31- Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Tm e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação gama (60Co). ....................................... 65
Figura 32-Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Dy e de MgB4O7:Tm irradiadas com dose absorvida de 1 Gy de radiação gama de 137 Cs. ...................... 66
Figura 33 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 16,2 keV . . 67
Figura 34 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 41 keV . .... 67
Figura 35 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Tm e as respectivas respostas TL em função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 41 keV. ..... 68
Figura 36- Espectro de emissão de pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 10 Gy de radiação beta (90Sr+90Y) ............................................................................................... 69
Figura 37- Espectro de emissão de pastilhas de MgB4O7:Tm expostas a 10 Gy de radiação beta (90Sr+90Y) ............................................................................................... 69
Figura 38 - Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 1 Gy de radiação X (41 keV) e radiação 137 Cs e 60 Co. ........................................................... 71
Figura 39 –Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Tm expostas a 1 Gy de radiação X (41 keV) e radiação 137 Cs e 60 Co. ........................................................... 71
Figura 40- Resposta Energética para o MgB4O7:Dy ................................................ 72
Figura 41- Resposta Energética para o MgB4O7:Tm ............................................... 72
Figura 42- Comparação entre a resposta TL do 1º pico TL (a) e do 2º pico (b) das curvas de emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 1 Gy de radiação X de 16,2 e 41 keV. ........................................................................................................... 73
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LISTA DE ABREVIATURAS
M.I.E.
TL
TLD
LiF
CaSO4
IPEN
MgB4O7
EPR
Dy
Eu
Cu
Mn
Tm 60Co
Gy
ICRP
mA
mAs
mm
RX
BV
BC
ICRU
SI
L.I.D
UV
GRM
Monitoração Individual Externa
Termoluminescência
Dosímetro Termoluminescente
Fluoreto de Lítio
Sulfato de Cálcio
Instituto de Pesquisas em Energéticas e Nucleares
Tetraborato de magnésio.
Electron paramagnetic resonance
Disprósio
Európio
Cobre
Manganês
Túlio
Cobalto
Gray
International Commission on Radiological Protection
Miliamperagem
Miliamperagem-segundo
Milímetro
Raios X
Banda de Valência
Banda de Condução
International Commission on Radiation Units and Measurements
Sistema Internacional de Unidades
Limite Inferior de Detecção
Ultravioleta
Gerência de Metrologia das Radiações
13
LISTA DE SÍMBOLOS
E Energia de Ativação
s(T) Fator de frequência
k Constante de Boltzman
λ Comprimento de onda (m);
Z Número atômico
Ec Energia cinética
T Temperatura absoluta
R Centro de recombinação
I(t) Intensidade termoluminescente
m Concentração de vacâncias
n Concentração de elétrons nas nos centros de captura
nc Concentração de elétrons na BC
N Concentração total de armadilhas para elétrons
σn Secção de choque de captura eletrônica para elétrons
σm Secção de choque de captura eletrônica para buracos
υc Velocidade térmica dos elétrons na BC
b Ordem cinética
Q Carga elétrica
X Exposição
dQ Elemento de carga elétrica de um elétron ou pósitron
dm Elemento de massa de um material
R Roentgen
K Kerma
D Dose absorvida
Gray
σ Desvio padrão
Incerteza tipo A
Incerteza tipo B
Incerteza combinada
14
1 Introdução
Com o avanço da tecnologia das aplicações das radiações ionizantes em reatores
de potência, na radioesterilização, em diagnósticos e tratamentos médicos e em outras
áreas que envolvem radiação deve haver também uma constante evolução na
radioproteção dos indivíduos que estão ocupacionalmente expostos. Nesses tipos de
aplicações pode haver risco de o indivíduo receber quantidade de radiação acima dos
limites estabelecidos. Portanto, é de extrema importância que os métodos de detecção
de radiação evoluam, aumentando sempre a precisão, exatidão, confiabilidade e
praticidade no uso.
Todo indivíduo que pratique atividades diárias que envolvam radiação ionizante
deve ser monitorado periodicamente em relação às doses de radiação recebidas nessas
atividades. Atualmente, a monitoração individual externa (M.I.E.) pode ser feita de
diferentes formas, e uma das principais formas de avaliação da dose pode ser feita
através do uso de monitores individuais.
A monitoração individual pode ser dividida em ativa ou passiva. Na monitoração
ativa, o detector fornece a leitura imediata de dose. Na monitoração passiva, a medição
da dose é feita em laboratório. No presente trabalho serão estudados dosímetros
termoluminescentes, que são materiais que servem para dosimetria passiva. Esses
dosímetros têm sido muito utilizados, inclusive na dosimetria de extremidades em
procedimentos de rotina em medicina nuclear e radiologia intervencionista [1].
Para que os dosímetros termoluminescentes sejam avaliados é necessário o
cumprimento de uma metodologia estabelecida e o uso de sistemas de medição para a
avaliação final da dose de radiação recebida pelo trabalhador e, por fim, é necessário
que os valores sejam registrados oficialmente.
A dosimetria termoluminescente (TL) é um dos métodos mais utilizados e
eficientes na avaliação e monitoração de dose de radiação. Esse método se baseia na
utilização de um fósforo para a detecção da radiação. São encontrados na literatura
diversos tipos de materiais que são utilizados para a dosimetria TL. Os resultados focam
principalmente em materiais à base fluoreto de lítio (LiF), devido àsua equivalência ao
tecido humano e a baixa dependência da resposta do sinal TL com a energia da radiação
15
ionizante [2,3,4], sendo esse material muito utilizado em procedimentos dosimétricos de
radioterapia e em radiodiagnóstico [5] . Outro material que é bastante explorado e
empregado na dosimetria TL é o CaSO4 impurificado e co-impurificado com elementos
terras raras, devido a sua alta sensibilidade, estrutura de defeitos relativamente simples e
facilidade de preparação [6,7]. Atualmente se continua buscando novos fósforos para
uso em dosimetria TL, visando ampliar a quantidade de materiais que possam ser
utilizados e para suprir as desvantagens que os materiais mais utilizados possuem,
conforme será visto adiante.
A fim de estudar a viabilidade de aplicação de outros fósforos
termoluminescentes, o presente trabalho trouxe a proposta de produzir e avaliar o
desempenho materiais termoluminescentes à base de magnésio. Os materiais avaliados
foram o tetraborato de magnésio impurificado com disprósio e com túlio (MgB4O7:Dy e
MgB4O7:Tm) e o sulfato de magnésio impurificado com disprósio e túlio (MgSO4:Dy e
MgSO4:Tm).
Embora os materiais propostos neste trabalho já sejam estudados e utilizados,
decidiu-se iniciar a pesquisa sobre eles com a finalidade de melhor entender sobre seus
métodos de produção e com o intuito de aprimorá-los e de aplicá-los para outras
técnicas dosimétricas em trabalhos futuros.
16
2 Objetivos do trabalho
2.1 Geral
O objetivo deste trabalho foi produzir cristais de MgSO4 e de MgB4O7
impurificados com os elementos terras raras Dy e Tm. Em paralelo á isso, foi
investigada uma metodologia de produção desses materiais termoluminescentes. O
segundo objetivo do trabalho foi o de avaliar a resposta termoluminescente desses
materiais quando submetidos a uma ampla faixa de dose e de energia de radiação
ionizante .
2.2 Específicos
• Analisar o método de produção dos materiais;
• Avaliar o desempenho dos dois tipos de materiais impurificados com Dy e Tm;
• Avaliar as respostas termoluminescentes dos materiais quando irradiados com
diferentes energias e fontes de radiações;
• Avaliar a curva de calibração dos dosímetros; dose mínima detectável;
reprodutibilidade, repetitividade; dependência energética e eficiência
intrínseca dos dosímetros;
• Analisar os parâmetros cinéticos das curvas.
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3 Estado da arte
3.1 Tetraborato de magnésio
No início dos anos 1980 o tetraborato de magnésio, ativado com disprósio (Dy) ou
túlio (Tm), foi proposto como um novo material para a detecção de radiação na forma
de dosímetro TL [8]. Em meados daquela década, outro relato da literatura informava
que os detectores MgB4O7:Dy possuíam alta sensibilidade à dose de radiação e uma
resposta TL independente da energia da radiação, por possuir número atômico efetivo
próximo ao do tecido humano [9]. O material foi inicialmente desenvolvido no Instituto
de Ciências Nucleares Boris Kidric da Iugoslávia [10], e até 2007 estava sendo utilizado
em larga escala na dosimetria pessoal de cerca de 5000 trabalhadores de clínicas,
hospitais, indústria e instituições de pesquisas através de um sistema de dosimetria
baseado no tetraborato de magnésio [11]. No Brasil, os primeiros estudos sobre o
tetraborato de magnésio no Brasil foram realizados no início da década de 1990 no
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN/CNEN, São Paulo) [12,13]. Desde
então, as características dosimétricas dos materiais baseados em tetraborato de
magnésio têm sido melhoradas. O fósforo pode ser utilizado para dosimetria de fótons,
radiação beta e de nêutrons [9,14].
Inicialmente o material era impurificado com apenas um elemento terra rara (Dy
ou Tm) [15]; porém, estudos sistemáticos apresentam novas rotas para preparação do
tetraborato, com a substituição do material com apenas um dopante, como o
MgB4O7:Dy ou MgB4O7:Tm, por exemlo, por compostos com dois dopantes
(MgB4O7:Dy,Na) [16,14] e com três dopantes (MgB4O7:Dy,Ca,Na) [11]. Esses novos
materiais trouxeram benefícios para as características TL do tetraborato, como curvas de
emissão TL com um único pico ao invés de curvas com diversos picos. A curva TL do
tetraborato de magnésio impurificado com disprósio ou túlio é descrita como uma curva
simples, com pico dosimétrico principal em aproximadamente 200°C e outros menos
intensos em 250° e 330°C, a sensibilidade relativa pode ser de 7 a 14 vezes maior se
18
comparada com a do LiF:Mg,Ti (TLD-100) ou Li2B4O7 [12]. Prokic [9,10,11,14]
estudou características do MgB4O7 como, por exemplo, curva de emissão TL, dose
mínima detectável, reprodutibilidade, decaimento térmico e concluiu que o sucesso do
fósforo na monitoração individual se deve ao fato do material ser tecido-equivalente,
possuir alta sensibilidade, bom desempenho para dosimetria utilizando raios X, gama,
beta e nêutrons.
3.2 Sulfato de Magnésio
Os sulfatos são usados na dosimetria há muito tempo, fósforos como, por
exemplo, CaSO4:Dy (Tm) possuem sensibilidade muito maior que o TLD-100 [17].
Outro sulfato que tem sido estudado como dosímetro é o MgSO4 [17,18,19]. Os estudos
preliminares sobre MgSO4 estão relacionados com a dosimetria através da ressonância
paramagnética eletrônica (EPR) [17,20]. Morton e colaboradores propuseram que o
sulfato de magnésio poderia ser um excelente candidato para a dosimetria EPR, pois o
material era mais sensível que os dosímetros de alanina de mesma massa utilizados para
esse tipo de dosimetria [17].
Em vários trabalhos foram investigadas características do sinal TL e os
mecanismos envolvidos com a emissão de luz dos seguintes compostos à base de sulfato
de magnésio : MgSO4:Dy,Mn,P,Cu; MgSO4:Dy,Mn MgSO4:Mn,P,Cu; MgSO4:Eu,Mn
e MgSO4:Eu,P [21,22]. As análises mostram que o processo de emissão TL é complexo
e está relacionado tanto com o ânion, , como Mg2+ e com as dopagens envolvidas.
Além disso, para um melhor entendimento do processo TL é recomendado que a
medição da termoluminescência não seja feita apenas em função da temperatura, mas
também em função do comprimento de onda [17].
Luo e colaboradores observaram que o fósforo MgSO4:Dy,Mn tem sensibilidade
TL comparável com o LiF:Mg,Ti, e no caso do MgSO4:Dy,P essa sensibilidade é ainda
maior que a do LiF:Mg,Ti. Outros autores [23] , analisaram as curvas de emissão TL do
MgSO4:Dy e MgSO4:Tm e observaram que para os dois materiais as emissões das
amostras irradiadas com 60Co com dose de 1 kGy apresentavam diversos picos no
intervalo de temperatura entre 140 e 380oC. Os autores enfatizaram que quando
MgSO4:X (X= Dy, Tm ou Eu) é co-impurificado com impurezas, tais como ânions
fosfatos ou íons de manganês, há uma mudança significativa na intensidade dos picos.
19
Aparentemente, o principal objetivo das pesquisas desenvolvidas sobre a
termoluminescência dos materiais à base de MgSO4 foi a elucidação dos processos
físicos envolvidos na emissão TL deste material quando impurificado ou não. Para a
preparação das amostras de MgSO4 dopadas, na forma de pó, tem sido empregada
apenas uma rota: dissolução do MgSO4 em H2SO4, incorporação do dopante e
evaporação da solução ácida a 900oC [17,21,24].
20
4 Fundamentos Teóricos
4.1 Breve histórico da termoluminescência
O fenômeno TL tem sido observado há décadas e é a base de um dos métodos
mais importantes da dosimetria. A ideia de utilizar fósforos TL na medida de dose se
deu a partir da observação do fenômeno TL em diversos materiais encontrados na
natureza. De acordo com McKEEVER e colaboradores, no ano de 1663, o cientista
Robert Boyle descreveu que observou uma luz brilhante quando aqueceu um diamante
no escuro [25] e Urbach relatou, em 1930, o efeito da luminescência, a curva de emissão
TL e os parâmetros cinéticos relacionados às curvas de emissão de muitos materiais
halogenetos alcalinos . De acordo do Horowitz [3], mais tarde, em 1945, Randall e
Wilkins propuseram um modelo teórico simples para explicar a emissão
termoluminescente; tal modelo ainda é usado atualmente na estimativa de parâmetros de
captura das cargas envolvidas no processo TL. Outros autores também discutiram os
parâmetros cinéticos das curvas de emissão TL, a exemplo de Garlick e Gibson, em
1948, Lushchik em 1955 e posteriormente Halperin e Branner na década de 1960 [3].
Até meados do século XX, o propósito dos materiais termoluminescentes ainda
estava sendo investigado e os filmes fotográficos eram os detectores que prevaleciam.
Nesse período, houve a necessidade de busca de novos detectores de radiação, pois os
filmes dosimétricos já não estavam suprindo as necessidades daquela época. Em 1950,
os materiais termoluminescentes começaram a ganhar destaque, como, por exemplo, os
materiais à base de LiF, de CaSO4 e de CaF2 [26] . Em 1950, Daniels e colaboradores
[27] a partir da utilização do LiF para avaliação dos níveis de radiação após um teste
nuclear, propuseram que fósforos termoluminescentes poderiam ser utilizados na
detecção da radiação ionizante. Outro fato relevante, e que deve ser mencionado, foi a
descrição de um dos primeiros aparatos de medidas e quantificação das curvas
termoluminescentes, feitas por Houtermans e colaboradores em 1957 [26].
21
Entre os anos 1960 e 1970, uma nova geração de materiais termoluminescentes
começou a surgir, como o Al2O3 na forma de Al2O3:Mg,Y e Al2O3:Si,Ti; assim como
uma variedade de sistemas de avaliação da luminescência foi lançada no mercado, por
exemplo, a dosimetria exoeletrônica e a técnica de luminescência opticamente
estimulada, usada naquela época para datação arqueológica, principalmente.
4.2 Dosimetria termoluminescente
O fenômeno da luminescência é a emissão de luz quando um material é excitado.
A forma de estímulo, excitação, no fenômeno luminescente se dá por diversos meios:
na fotoluminescência a excitação é feita através da incidência de fótons; na
triboluminescência, por atrito; na quimioluminescência o estímulo se dá através de
energia química que provém de reações químicas; na eletroluminescência a energia é
transmitida através de um campo elétrico. No caso da termoluminescência (TL) é a
emissão de luz quando um material é excitado por energia térmica, ou seja, quando o
material é aquecido [25].
Em se tratando de termoluminescência, o fenômeno pode ser explicado em duas
etapas: na primeira etapa, o sólido é exposto a um tipo de radiação, ionizante ou não
ionizante, a uma temperatura fixa; na segunda etapa, a exposição é interrompida e o
material é aquecido. Durante esse aquecimento a amostra emite luz, podendo ser
observada uma curva de intensidade luminescente em função da temperatura, que pode
exibir vários pontos máximos, sendo chamada curva de emissão termoluminescente, ou
simplesmente curva termoluminescente.
Como a dosimetria TL é aplicada em diversas áreas, como em dosimetria
ambiental, individual, clínica e de altas doses, na hora da escolha de um detector TL
deve-se levar em consideração qual a necessidade da aplicação e as limitações do
detector em questão. No caso da dosimetria individual o objetivo primordial é manter o
indivíduo dentro dos limites de dose pré-estabelecidos, que são baseados nas
recomendações regulatórias da International Commission on Radiological Protection
(ICRP) [25].
A dosimetria pessoal pode ser subdivida em: dosimetria de extremidades, corpo
inteiro e tecido. Assim, o ideal é a utilização de dosímetros TL que sejam tecido-
equivalentes. Nos outros casos (dosimetria ambiental e de altas doses), o principal
objetivo é a monitoração de áreas, logo não há necessidade de um detector tecido-
22
equivalente, o importante é que o material seja sensível e estável; para casos de baixas
exposições, como em monitoração ambiental e para o caso de ambientes de monitoração
de níveis altos de dose (102 a106 Gy) [26].
4.3 Descrição do fenômeno físico da termoluminescência
Como já foi mencionado anteriormente, a emissão TL se dá quando um material
absorve energia e depois emite em forma de luz visível. Para a produção da
termoluminescência é necessário que o material seja dielétrico ou semicondutor. A
descrição teórica da termoluminescência é feita através do modelo de bandas. Por esse
modelo, em um isolante ou semicondutor, a maioria dos elétrons está na banda de
valência (BV). O próximo nível que os elétrons podem ocupar é a banda de condução
(BC), que é separada da banda de valência (BV) pela banda proibida (BP), conhecida
como “gap”. A presença de defeitos ou impurezas pode criar níveis de energia na BP,
que são denominados centros de captura (armadilhas), podendo servir como centro de
recombinação. A interação da radiação ionizante com o fósforo resulta na transferência
de energia suficiente aos elétrons da BV, para promoção deles à BC, deixando lacunas
(buracos) na BV. Os elétrons e os buracos estão livres para vagar através de suas
respectivas bandas até se recombinarem, ou serem capturados pelas armadilhas
[3,28,15].
Quando o cristal é aquecido, é fornecida energia suficiente ao elétron para que
possa liberá-lo da armadilha , uma vez livre, o elétron pode vagar novamente pelo
cristal até ser recapturado ou recombinar-se com um buraco. Quando o processo de
recombinação é acompanhado pela liberação de energia na forma de luz, tem-se a
termoluminescência. Quando a profundidade das armadilhas dos elétrons ou dos
buracos for pequena, as cargas aprisionadas têm grande probabilidade de escapar em
temperatura ambiente, mas se a profundidade for grande, a meia-vida da carga
capturada torna-se grande, o que possibilita manter a carga presa por um longo período
de tempo.
As etapas do processo de emissão TL estão ilustradas na Figura 1: (1) geração de
cargas livres; ou seja, formação dos pares elétrons-buracos (transferência dos elétrons
de BV para BC); (2) os elétrons migram livremente na banda de condução; (3) os
elétrons podem ser aprisionados por armadilhas de elétrons, representados na figura por
23
E; (4) A carga negativa fica aprisionada até ganhar energia térmica suficiente para
escapar das armadilhas; (5). Os elétrons voltam a BC e se recombinam com os buracos,
no nível de energia C (centro de recombinação de elétrons). A energia da recombinação
é liberada através de fótons com comprimentos de onda visível ou ultravioleta. Processo
similar pode acontecer para os buracos, nesse caso os buracos vão vagar pela BV e
podem ser aprisionados nas armadilhas de buracos (L) , quando o material recebe
energia térmica , os buracos são libertados e retornam para a BV e em seguida se
recombinam com os elétrons armadilhados, emitindo um fóton de luz, como descritos
nos estágios de (2) a (5) na Figura 1.
De fato, durante o aquecimento do material, as cargas podem passar por diferentes
processos; podem sofrer recombinação não radioativa, podem se recombinar nos
centros ou serem recapturados nos defeitos. Em um leitor TL, a luz emitida é
monitorada e transformada em corrente elétrica em seguida. Dessa forma, pode ser
estabelecida uma relação da intensidade luminosa com a dose de radiação. Essa
grandeza é monitorada, em função da temperatura ou do comprimento de onda.
No primeiro caso a curva obtida da intensidade TL versus temperatura é
denominada curva de emissão TL e, no segundo caso, intensidade TL versus
comprimento de onda (λ), é o espectro de emissão TL.
Figura 1 - Transições possíveis durante o fenômeno da termoluminescência [25].
A probabilidade, por unidade de tempo, de um elétron escapar dos centros de
captura é dada por:
BC
BV
24
p(T) = (Equação 1)
O termo é o fator de frequência ou fator de tentativa de escape e está
relacionado com a frequência vibracional da rede. E é a profundidade dos centros de
captura ou energia de ativação, que é a energia necessária para liberar um elétron do
centro de captura para a banda de condução. k é a constante de Boltzmann, e vale 1,378.
10-23
J/K, e T é a temperatura absoluta. Se E>>kT, onde T é a temperatura em que o
material está submetido, esse elétron permanece aprisionado por um longo período de
tempo [25,28].
4.4 Luminescência nos sólidos.
O comprimento de onda da luz emitida por um sólido é característico do material
e não da radiação incidente. A fluorescência é um fenômeno que não depende da
temperatura e é determinada pela probabilidade de transição de um elétron do estado
excitado (e) para o estado fundamental (f) (Figura 2). O fenômeno da fluorescência
acontece em um intervalo de 10-8 s ou menor que isso.
Por outro lado, na fosforescência o tempo de decaimento luminescente depende da
temperatura, pois a emissão só acontece quando as cargas ganham energia térmica
suficiente para saírem do estado metaestável. Nesse caso, um estado metaestável,
representado por (m) na Figura 2, está envolvido no processo atrasando a emissão
luminescente, que acontece em um intervalo de tempo maior que 10-8s
aproximadamente. Na fosforescência, o elétron no estado excitado (e) pode fazer uma
transição para o estado (m), que sendo metaestável não permite uma transição imediata
dos estados (m) → (f). Dessa maneira a carga não fará a transição entre os estados (f) →
(e) a menos que receba energia suficiente [28]. A emissão TL, pode ser considerada um
caso da fosforescência, quando observado sob condições de temperatura crescente.
25
(1) (2)
Figura 2- (1) Esquema do processo que envolve a fluorescência, em que está representada
a absorção e emissão de energia por um elétron (retorno ao estado fundamental). (2)
Representa, esquematicamente, a fosforescência, com excitação para o estado e seguido do
decaimento até o estado metaestável m, e novamente excitação e decaimento até o estado
fundamental f, com emissão de luz. [Adaptação de Horowitz, [3]].
4.5 Equações e parâmetros para a descrição da termoluminescência
No presente trabalho os modelos teóricos para a descrição da termoluminescência
não serão discutidos em profundidade, já que não é o foco principal dele estudar em
profundidade os fenômenos físicos relacionados com curvas termoluminescentes.
Nesse tópico será discutido, de forma superficial, o modelo mais simples para o
fenômeno físico TL, a partir do que foi apresentado por Horowitz [3] e McKeever [28].
Nesse modelo, quando o material sofre aquecimento a probabilidade de liberação dos
elétrons aumenta. Essas cargas vão sofrer recombinação nos centros luminescentes,
emitindo quanta de luz. A intensidade luminescente [I(t)], em fótons por segundo, será
proporcional à taxa de recombinação de buracos e elétrons. Se m é a concentração de
buracos capturados existentes, a intensidade termoluminescente pode ser escrita como:
(Equação 2)
26
O sinal negativo indica a diminuição de buracos. Definindo n(t), nc(t), m(t) e N
como, respectivamente, as concentrações de elétrons nas armadilhas, na banda de
condução, concentração de buracos nos centros de recombinação no instante t e
concentração total de armadilhas para elétrons. A conservação de cargas no material
para esse modelo deve cumprir a seguinte relação:
n + nc = m (Equação 3)
Seja (N-n)σnυn a probabilidade de recaptura dos elétrons pelas armadilhas e mσmυc
pelo centro de recombinação, com σn e σm sendo as secções de choque de captura
eletrônica pela armadilha e pelo centro de recombinação e υc a velocidade térmica dos
elétrons na banda de condução, usando as definições anteriores, podem-se formular as
equações para a taxa de variação das variáveis n, m e nc. A taxa de variação em n tem a
contribuição dos elétrons que são libertados (-np) e dos elétrons que são recapturados
[nc( N-n) σnυc ]:
(Equação 4)
Em que p, é a probabilidade de escape do elétron da sua armadilha [Equação 1].
A quantidade de lacunas m decresce com passagem dos elétrons da banda de condução
para os centros de recombinação. A variação de m é dada por:
(Equação 5)
Derivando a Equação 3, de conservação de cargas, obtém-se:
(Equação 6)
As equações 4, 5 e 6 compõem o sistema de equações diferenciais para um
modelo simples, que envolve dois tipos de níveis que se localizam na banda proibida,
uma armadilha de elétrons (n) e um centro de recombinação (m). Essas equações são
27
solucionadas com condição de ¨quasi-equilibrium¨ (Q.E). A condição afirma que não
existe acúmulo de elétrons na BC, pois os elétrons libertados são rapidamente
capturados pelos centros de recombinação ou recapturados pelas armadilhas. Dessa
forma:
(Equação 7)
A Equação 6 sob a condição de Q.E equivale a:
(Equação 8)
A conservação de cargas da Equação 3 pode ser escrita como:
(Equação 9)
Com a condição de Q.E, a intensidade da termoluminescência (Equação 2) torna-se
proporcional à taxa de variação de elétrons nas armadilhas.
(Equação 10)
Substituindo essas derivadas pelas expressões dadas nas equações 4 e 5 , obtém-se:
(Equação 11)
Substituindo a equação anterior para na Equação 4 , obtém-se:
(Equação 12)
Aplicando a aproximação de Q.E para a conservação de carga Equação 10 e definindo
que , tem-se a Equação 13:
(Equação 13)
28
A Equação 13 representa solução geral para o modelo de um tipo de armadilha e
um tipo de centro de recombinação na condição Q.E, essa solução é conhecida também
como modelo generalizado.
4.5.1 Cinética de primeira e segunda ordem.
A cinética de primeira ordem descrita por Randall e Wilkins [3] considera que a
recaptura de cargas durante o estágio de aquecimento é desprezível. A intensidade I(t)
da curva de emissão TL depende da taxa de elétrons liberados das armadilhas e a taxa
de recombinação nos centros luminescentes.
(Equação 14)
Em que C é uma constante relativa à eficiência luminescente. Para uma taxa de
aquecimento linear, tem-se:
Equação 15)
Através de operações matemáticas, pode-se obter:
Equação 16)
Substituindo a equação acima, na Equação 14, tem-se:
Equação 17)
Logo, através da solução da equação 17, obtém-se a concentração de elétrons nas
armadilhas na temperatura T:
(Equação 18)
29
Em que n0 é o número de elétrons nas armadilhas no tempo t0. Substituindo Equação 18
na 14, chega-se a expressão descrita por Randall e Wilkins, que determina a intensidade
de luz I(T) para a cinética de primeira ordem:
Equação 19).
Na Equação 19 observam-se duas funções exponenciais que determinam a forma
da curva de emissão T. Garlick e Gibson [29] apresentaram modificações para o modelo
de Randall e Wilkins, utilizando do mesmo modelo que considera uma única armadilha
e um centro de recombinação, e definiram outro modelo para cinética de segunda
ordem. O modelo de segunda ordem cinética assume que a probabilidade de recaptura é
dominante, admite também que as secções de choque de recaptura e de recombinações
são iguais ( e que a ocupação das armadilhas está longe de saturação
. Assim, utilizando a conservação de carga na condição de Q.E, a Equação 13
se reduz a:
(Equação 20)
A intensidade TL, para o aquecimento linear com taxa , é:
(Equação 21)
Esta é a expressão obtida para a cinética de segunda ordem. No modelo de cinética de
primeira ordem se destaca o fato que o parâmetro n0 apenas muda a escala de
intensidade e não altera a posição ou a forma das curvas de emissão TL. Pode-se
verificar na Equação 21que n0 atua apenas como uma constante multiplicativa. A curva
de emissão TL para o modelo de segunda ordem se apresenta de maneira mais simétrica
que o modelo de primeira ordem. A principal característica para o modelo de segunda
ordem é a dependência da posição dos picos em relação à ocupação das armadilhas,
através do fator n0/N, o que implica na dependência da posição dos picos com fatores
30
que alterem a população inicial das armadilhas, como dose de radiação ou temperatura
de pré – aquecimento.
4.6 Métodos experimentais para determinação de parâmetros cinéticos.
Os processos cinéticos e de transições dos portadores de carga são influenciados
por parâmetros relacionados à estrutura interna do material. Os parâmetros que mais se
destacam são: a energia de ativação (E), o fator pré-exponencial ou fator de frequência
(s) e a ordem de cinética (b). A estabilidade do pico de emissão TL está diretamente
ligada à energia de ativação. Existem vários métodos de avaliação dos parâmetros
cinéticos. No presente trabalho os parâmetros cinéticos das curvas foram avaliados pelo
método de forma de pico, também conhecido pelo método de Chen [25,28], que será
apresentado a seguir.
4.6.1 Método da forma de pico
O método da forma do pico é um dos mais simples de extração de parâmetros,
pois utiliza um número reduzido de pontos de um pico de emissão TL. Os pontos
utilizados são correspondentes à: temperatura de máxima intensidade ( ), e
< e > , em que é a temperatura inferior à e T2 é temperatura
superior à . Em seguida, utilizam-se as relações: , ,
[3,25,28], como pode ser observar na Figura 3.
31
Figura 3- Representação de um pico de TL isolado com destaque aos parâmetros
geométricos, Im, e Tm, que são a intensidade máxima e a temperatura de máximo do pico,
respectivamente; T1 e T2 são as temperaturas associadas à curva TL na metade da sua
intensidade máxima (Adaptado de McKEEVER [25]).
A ordem cinética é determinada através do fator geométrico , onde = ,
(no qual é a largura a meia-altura e é a meia-largura a meia-altura do lado direito).
Os picos que obedecem à cinética de primeira ordem são os que possuem = 0,42 e
os de segunda ordem tem = 0,52. Simetrias intermediárias representadas por
diferentes (0,42 < µg < 0,52), como esta representado na Figura 4, foram
encontradas em muitos materiais termoluminescentes e a forma mais simples de
representar essa diferença é tomando 1<b<2, onde b é a ordem cinética. Chen [2]
mostrou que o valor de muda gradativamente de 0,42 para 0,52 quando b cresce de 1
para 2. A equação de obtenção da energia de ativação é dada por:
(Equação 22)
32
A Equação 22 relaciona a profundidade da armadilha (E). Onde , pode ser
substituído pelos parâmetros . Para esses três parâmetros os valores e
são dados na Tabela 1 e 2 .
Tabela 1- Valores para as constantes e da Equação 22 para o caso de cinética de
primeira e segunda ordem [28].
Primeira ordem Segunda ordem
1,51 0,976 2,52 1,81 1,71 3,54
1,58 0 1,0 2,0 0 1,0
Tabela 2- Valores para as constantes e da Equação 22 para os casos de cinética de
ordem geral [28].
γ
1.51+3( 1,58+4,2( -0,42)
0,976+7.3( - 0,42) 0
2,52+10,2( -0,42) 1,0
33
Figura 4- Fator geométrico (µg) em função da ordem cinética(b). A linha sólida representa
o valor médio e as linhas pontilhadas são as variações máximas (Adaptado de
McKEEVER [28])
Após serem encontradas a ordem cinética e a energia de ativação, o fator de
frequência pode ser calculado através da equação:
(Equação 23)
Onde β, E, k, Tm e T são, respectivamente, taxa de aquecimento, energia de ativação,
constante de Boltzmann e temperatura de ocorrência da máxima intensidade do pico TL.
4.7 Grandezas dosimétricas
A ICRU e ICRP (International Commission on Radiological Protection) são os
organismos internacionais que foram criados com a responsabilidade de cuidar da
definição das grandezas dosimétricas, assim como da relação existente entre essas
34
grandezas e suas respectivas unidades. A ICRU faz recomendações voltadas para as
grandezas limitantes que indicam o risco a saúde humana devido à radiação ionizante, já
a ICRP é mais voltada para as grandezas operacionais e básicas, que é o foco do
presente trabalho [30]. As três grandezas físicas básicas na proteção radiológica são:
fluência (Φ), kerma (k) e a dose absorvida. A mais discutida nesse trabalho é a dose
absorvida, que de acordo com Horowitz [3] é definida pelo quociente por dm, onde
é a energia média depositada pela radiação ionizante em um elemento de volume dV
e dm=ρdV, onde dm é definida pela massa da matéria com densidade ρ nesse volume.
(Equação 24)
A ICRU adotou para unidade de dose absorvida o gray (Gy). No Sistema
Internacional de Unidades, 1 Gy = 1 J/kg.
4.8 Mecanismos de interação da radiação com a matéria
Como o objetivo do trabalho é a análise de materiais termoluminescentes para
dosimetria de feixes de raios X, gama e elétrons, será apresentada uma revisão breve
sobre as interações das radiações ionizantes com a matéria.
Quando a radiação interage com a matéria, ocorre transferência de energia para o
núcleo atômico ou para os elétrons. Essa energia pode provocar a excitação dos átomos,
ionização ou pode interagir diretamente com o núcleo. Quando a interação acontece
com o núcleo do átomo, há possibilidade de haver perda emissão radioativa, através de
reações nucleares. Porém, se as interações acontecem com os elétrons, a energia
transferida pode provocar dois fenômenos: ionização ou excitação. Na ionização a
energia absorvida pelo elétron é suficiente para romper a ligação atômica, provocando a
remoção de elétrons do átomo, que passa a ter excesso de cargas positivas. Na excitação
o elétron absorve energia do fóton e realiza um salto quântico para um nível superior da
órbita do átomo, nesse caso a energia do fóton não promove a remoção do elétron do
átomo.
35
4.8.2 Interação de fótons com a matéria
Os principais mecanismos de interação da radiação X ou gama com a matéria são
através de: espalhamento coerente, efeito fotoelétrico, efeito Compton e produção de
pares. Os efeitos Compton, o fotoelétrico e a produção de pares dependem da energia
do fóton incidente ( e do número atômico Z do material absorvedor [31].
A Figura 5 mostra a probabilidade de ocorrência desses efeitos em função do
número atômico efetivo do absorvedor e da energia dos fótons. Nessa figura,
considerando o número atômico efetivo do absorvedor próximo ao do tecido mole, ou
seja, Z≈7,6 tem-se que o efeito fotoelétrico predomina para fótons de baixa energia.
Quando a energia de ligação do elétron orbital se torna desprezível face à energia do
fóton incidente a probabilidade de interação por efeito Compton aumenta. A produção
de pares acontece para fótons de energias muito altas.
No espalhamento coerente, que não está representado na Figura 5, o fóton
incidente não perde energia durante a interação com o átomo. Esse efeito geralmente
acontece no caso da interação do fóton de baixa energia com um elétron fortemente
ligado [30,31]. Assim, esse tipo de espalhamento consiste basicamente na absorção e re-
emissão da radiação pelo átomo, em uma direção diferente da de incidência. Os dois
tipos de espalhamentos coerentes são: Thomson, quando a interação acontece no núcleo
do átomo e o Rayleigh, quando a interação envolve um elétron orbital.
Os fótons podem penetrar um material sem interagir com o mesmo, porque o
poder de penetrabilidade dos fótons na matéria é muito maior do que o das partículas
carregadas, porém a probabilidade de interação depende da energia da radiação
eletromagnética [30].
36
Figura 5- Predominância das interações dos fótons com a matéria em função da energia e
do número atômico [30].
4.8.3 Interação de partículas carregadas com a matéria
As partículas que não são carregadas (nêutrons) podem atravessar a matéria sem
interagir ou podem interagir e perder sua energia em uma ou mais colisões;
diferentemente do que ocorre com uma partícula carregada, que está envolvida por um
campo de força coulombiano e ao atravessar um meio sofre contínuas interações até ser
completamente freada.
As interações das partículas carregadas com elétrons orbitais resultam em
ionização e excitação do átomo; já as interações com núcleo atômico resultam em
perda de energia radiativa da partícula ou Bremsstralung. Os tipos de interações vão
depender da distância entre a trajetória da partícula e o centro do átomo mais próximo
[32]. As colisões entre uma partícula carregada e um elétron orbital ou núcleo atômico
podem ser do tipo inelástico ou elástico. As interações inelásticas acontecem quando a
trajetória do elétron incidente é aproximadamente igual ao raio atômico e toda energia
cinética do elétron incidente é transferida para o elétron orbital.
No caso das colisões elásticas, a trajetória da partícula carregada está distante do
raio atômico, transferindo parte da energia para o elétron orbital, causando apenas um
deslocamento na trajetória da partícula incidente.
37
4.9 Considerações gerais sobre dosímetros TL
As principais vantagens na utilização de dosímetros termoluminescentes, de
acordo com Horowitz [3], são:
1. Dosímetros TL são pequenos e podem ser introduzidos em lugares mais
inusitados;
2. Medem de doses baixas (~10 µGy) a doses altas (~102Gy);
3. Alguns dosímetros TL são insensíveis a agentes ambientais;
4. Podem ser utilizados em forma de pó e de pastilhas;
5. Podem ser utilizados para diversos tipos de radiação, incluindo campos
mistos de radiação;
6. Podem ser reutilizados muitas vezes após tratamentos térmicos
estabelecidos;
7. São ideais para monitoração de extremidades.
Nem todos os fósforos servem para utilização na dosimetria. Os principais
fósforos comercialmente utilizados são: LiF; LiB4O7; MgB4O7; BeO (óxido de berílio);
CaF2 (fluoreto de cálcio); CaSO4 e Al2O3 (óxido de alumínio) [26]. Para propósitos
dosimétricos, os fósforos devem reunir algumas características como: pico dosimétrico
em torno de 200°C; alta sensibilidade e estabilidade do pico TL, que deve ser
independente da energia de radiação e boa linearidade do sinal TL em uma de dose
utilizável na dosimetria [33].
4.9.1 Requisitos gerais para a escolha de um TLD
O desempenho de um dosímetro é avaliado examinando algumas propriedades,
tais como curva de emissão TL, variação da resposta TL com a dose, linearidade,
dependência energética, reprodutibilidade, estabilidade da informação armazenada,
limite inferior de detecção, estabilidade e reprodutibilidade e parâmetros cinéticos das
curvas, entre outras características [33]. Algumas dessas propriedades serão destacadas
a seguir e serão avaliadas para os materiais estudados.
38
4.9.2 Variação da resposta TL em função da dose
A curva de resposta TL versus dose representa a relação entre a intensidade da
emissão TL do dosímetro e a dose de radiação absorvida por este. Dependendo do
dosímetro TL, para uma extensa faixa de doses, a curva compreende geralmente de uma
região linear, uma região supralinear e uma região de saturação. A região linear é a de
maior interesse na monitoração pessoal e proteção radiológica porque as medidas são
feitas com uma maior precisão, havendo uma relação linear entre a intensidade TL
apresentada pelo fósforo e a dose absorvida. Para valores muito elevados de dose
absorvida, pode acontecer um fenômeno que dá origem a região de saturação. Esse
comportamento pode ser interpretado como uma diminuição do número de armadilhas
disponíveis para a captura dos portadores de carga no fósforo. A região de saturação não
tem utilidade na dosimetria. A existência de uma região de saturação também pode ser
explicada, pelos seguintes motivos [28]:
• Criação de novas armadilhas pela radiação;
• Possibilidade de portadores de carga se recombinarem com mais de um
centro luminescente;
• Existência de centros de recombinação não radioativos.
4.9.3 Sensibilidade
De acordo com McKeever [25], a sensibilidade TL representa a intensidade da
resposta por unidade de dose absorvida. Para determinar a sensibilidade compara-se a
reposta TL do material de interesse com a resposta do TLD-100, o que é denominado
como sensibilidade relativa, considerando que o TLD-100 tem sensibilidade igual a 1. A
sensibilidade relativa é representada pela Equação 25.
(Equação 25)
Em que:
• S(D) = Sensibilidade relativa;
• F(D) material = Sensibilidade do material de interesse;
• F(D)TLD-100 = Sensibilidade do TLD100 = 1.
39
Fazer o cálculo da sensibilidade não é um processo simples, tendo em vista que
sua análise depende de muitos fatores, como o sistema TL utilizado na medida, as taxas
de aquecimento utilizadas, os tratamentos térmicos que foram submetidos, entre outros.
4.9.4 Limite Inferior de Detecção
A determinação do limite inferior de detecção ou mínimo de dose detectável é
importante para se conhecer a menor dose mensurável pelo TLD. É interessante saber
esse limite para aplicações em dosimetria ambiental e pessoal, em que se fazem
medições de doses baixas.
Há divergências, quanto à maneira de definir esse limite. Alguns autores
estabelecem como sendo dado por três [26] e outros por dois [25] desvios padrão mais a
média das leituras de detectores não irradiados, isso tudo multiplicado ao fator de
calibração ou coeficiente da reta ajustada. No presente trabalho foi utilizado três vezes o
desvio padrão , como é mostrado na Equação 26:
(Equação 26)
Sendo Média da leitura dos dosímetros não irradiados;
Desvio padrão da medida dos dosímetros não irradiados;
fc = fator de calibração.
4.9.5 Reprodutibilidade e Homogeneidade
A reprodutibilidade da resposta TL, para determinada dose, pode ser obtida
através do cálculo do desvio padrão de um conjunto de medidas sob as mesmas
condições de exposição e leitura. Quanto menor o desvio padrão, maior a precisão e,
com isso, melhor a reprodutibilidade. A homogeneidade é o coeficiente de variação de
determinado lote para cada irradiação. A reprodutibilidade e homogeneidade nesse
trabalho foram mostradas em coeficiente de variação percentual (CV%), que é o
40
quociente entre o desvio padrão das medidas e a média das medidas de cada pastilha,
através Equação 27.
Equação 27)
Onde:
• = coeficiente de variação da homogeneidade do lote e da
reprodutibilidade das pastilhas (%);
• = desvio padrão das leituras do lote de detectores TL (nC);
• = média das leituras do lote de detectores TL (nC).
4.9.6 Resposta energética
A resposta energética é definida, de acordo com McKeever [25], como a variação
da resposta TL, para uma dose fixa em função da energia de radiação absorvida. Essa
variação está relacionada com o coeficiente de absorção do material. Para dosimetria o
ideal é que a resposta TL do fósforo seja constante, para a mesma dose,
independentemente da energia. A dependência energética para os fótons depende do
coeficiente de absorção do material, descrito através do coeficiente de absorção de
energia mássico. A variação do sinal de resposta TL com relação à energia de radiação
ionizante incidente é denominada de dependência energética, sendo uma característica
dos detectores, é normalmente representativa para energias baixas, menores que 100
keV.
4.9.7 Eficiência intrínseca dos dosímetros
A eficiência intrínseca relaciona a resposta TL com a dose de radiação dada aos
dosímetros e as respectivas massas dos detectores, sendo definida através da Equação
28:
(Equação 28)
Em que: EI= eficiência intrínseca;
41
= emissão termoluminescente;
;
D= dose de radiação fornecida aos dosímetros.
Na Equação 28, observa-se que a razão da resposta TL pela dose de radiação é dado
pelo coeficiente angular (A) da curva de dose-resposta, como mostra a Equação 29
abaixo:
(Equação 29)
Desse modo, pode-se calcular EI através da Equação 30.
EI= (Equação 30)
Em que:
• A= coeficiente angular da reta;
• m= massa dos dosímetros.
4.9.8 Tratamento térmico
Quando se deseja utilizar um dosímetro TL repetidas vezes, é importante
assegurar que foi eliminada toda a luminescência oriunda de radiações anteriores e que
o dosímetro não sofreu alterações na sua sensibilidade. Isso pode ser conseguido
submetendo o dosímetro TL a um tratamento térmico adequado antes de sua
reutilização. Além disso, normalmente este tratamento é chamado tratamento pré-
irradiação.
Muitos materiais termoluminescentes após terem sido irradiados apresentam
curvas de emissão com vários picos. Alguns destes picos estão localizados próximos às
temperaturas ambientais e assim sujeitos a um desvanecimento térmico espontâneo. Por
conseguinte, é conveniente eliminar esta característica indesejável. Isto pode ser
conseguido aquecendo-se este material a uma temperatura inferior a de sua avaliação,
42
eliminando assim os picos instáveis. Normalmente, este aquecimento é chamado de
tratamento térmico pós-irradiação.
4.9.9 Armazenamento e manuseio
É importante evitar a exposição dos dosímetros à radiação ultravioleta (UV), pois
esta pode provocar o decaimento óptico da resposta TL. A melhor maneira para se
manusear os dosímetros é com o auxilio de pinça. Esse procedimento evita a
contaminação dos detectores, mas caso isso não ocorra, é necessário recorrer a métodos
de limpeza adequados a cada tipo de fósforos (tratamentos térmicos) e submetê-los a
nova calibração.
43
5. Materiais e Metodologia
Todos os materiais aqui descritos foram produzidos no Laboratório de Preparação
e Caracterização de Materiais (LPCM) do Departamento de Física da Universidade
Federal de Sergipe (DFI/UFS).
5.1 Produção do MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy.
Neste item será apresentado o processo de produção do tetraborato de magnésio
impurificado com disprósio e túlio.
O MgB4O7:Dy (0,1% mol) foi produzido através da seguinte reação:
MgO + 4H3BO3 MgB4O7+6H2O
Para a reação citada, os materiais utilizados foram os seguintes:
- Óxido de magnésio (MgO);
- Ácido bórico cristalino (H3BO3);
- Óxido de disprósio (Dy2O3);
- Óxido de túlio (Tm2O3).
Utilizou-se óxido de disprósio (Dy2O3) e túlio (Tm2O3), na proporção de 0,1 em
mol% para a dopagem.
5.1.1 Reação
A reação ocorre em meio ácido, misturando-se os reagentes em uma solução
contendo ácido nítrico (HNO3), diluído em um béquer com o auxílio de um agitador
magnético. Para os dois lotes produzidos (MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy), foram
utilizados:
HNO3
44
- 15 g de H3BO3;
- 2 g de MgO;
- 33 mg de Dy2O3;
- 34 mg de Tm2O3;
- 5 mL de solução diluída de HNO3;
- 45 mL de água destilada.
Alguns trabalhos anteriores mostram que a variação da proporção de HNO3 em água
destilada é um fator que altera a sensibilidade TL do MgB4O7:Dy. Potiens Jr [13] variou
essa proporção e observou que o pó mais sensível foi aquele produzido com a proporção
de 1 mL de HNO3 para 9 mL de água destilada. No presente trabalho foi utilizada essa
proporção (1:9). Ao final da reação obtém-se um líquido transparente pronto para a
secagem. As marcas e as purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação
do material estão representados na Tabela 3.
Tabela 3 - Marcas e purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação do MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm
Reagente (R) e Dopante (D) Marca Pureza (%)
MgO (R) Synth 96
H3BO3 (R) Vetec 99,5
Dy2O3 (D) Sigma-Aldrich (GmbH) 99,9
Tm2O3 (D) Sigma-Aldrich (GmbH) 99,9
HNO3 Synth 65
5.1.2 Secagem e Tratamento Térmico
O líquido resultante da dissolução é seco em uma estufa a 100°C por 24 horas
[Figura 6]. Essa etapa consiste na eliminação do HNO3 diluído utilizado para auxiliar a
reação. Ao final da reação, obtém-se um material pastoso, ainda úmido [Figura 7]. Em
seguida, o material é transferido do béquer para um cadinho de platina onde passa pelo
primeiro tratamento térmico em um forno tipo mufla, da marca EDG 1800, a uma
45
temperatura de 500°C por 2 horas [Figura 8].Em seguida, o composto foi resfriado à
temperatura ambiente. O material obtido é sólido, de cor branca e de textura porosa.
Figura 6- Composto no aquecedor antes da secagem.
Figura 7- Material após a secagem, ainda úmido.
46
Figura 8- Forno EDG-1800, onde foram feitas todos os tratementos térmicos e
sinterizaçãos.
5.1.3 Lavagem do composto
O composto resultante passa por um processo de lavagem com água destilada com
o intuito de eliminar a acidez residual que o material possa apresentar. Essa acidez pode
provocar bolhas nas pastilhas durante o aquecimento, conforme já previsto em outros
trabalhos [13]. Após a lavagem, o composto, ainda úmido é seco durante 20 minutos a
100°C no aquecedor dentro de um béquer na estufa.
5.1.4 Trituração e Homogeneização
Após a lavagem e secagem do pó, o material é triturado utilizando-se almofariz e
pistilo [Figura 9]. Em seguida, é realizada granulometria com peneiras [Figura 10]; que
possuem aberturas de 75 e 100 µm. Estudos anteriores enfatizaram que o tamanho do
grão é um fator que pode influenciar na intensidade da resposta TL [25]. A relação da
sensibilidade com o tamanho do grão, para os materiais dopados com Tm e Dy foi
discutida por McKEEVER [25], e para os dois tipos de dopagem os resultados foram
similares. Foi observado também que a utilização de partículas grandes para aumentar a
sensibilidade, podem ainda causar uma fragilização dos dosímetros, portanto não se
tornam viáveis. No presente trabalho todos os grãos utilizados para a prensagem das
pastilhas estavam entre 75 e 100 µm.
47
Figura 9- Composto pronto para ser triturado e peneirado.
Figura 10- Peneiras comerciais utilizadas, com abertura de 75 e 100 µm.
5.1.5 Produção das pastilhas
Com o intuito de facilitar o manuseio do material durante o estudo de suas
características dosimétricas, o material foi preparado na forma de pastilhas. A partir do
pó de MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy foram produzidas as pastilhas por compactação a frio
em um prensa hidráulica [Figura 11]. As pastilhas medem 1 mm de espessura e 6 mm
de diâmetro. As massas médias das pastilhas de MgB4O7:Tm e de MgB4O7:Dy, foram
respectivamente, (0,0224±0,0007) g e (0,0181±0,0003) g.
48
Figura 11- Prensa hidráulica utilizada para a produção das pastilhas.
5.1.6 Sinterização das pastilhas
Uma vez prensadas, as pastilhas foram submetidas à sinterização, que consiste de
um tratamento térmico a temperatura adequada. O processo de sinterização utilizado
neste trabalho para as pastilhas de tetraborato de magnésio ocorreu a 800°C por 2 horas.
foi utilizada uma taxa de aquecimento de 15°C por minuto e taxa de resfriamento livre.
5.1.7 Tratamento térmico de reutilização
De acordo com Prokic [9,10,11], o tratamento térmico a 400°C durante 1 hora é
suficiente para reestabelecer as condições iniciais para a reutilização do dosímetro. O
autor mencionado avaliou as emissões TL em função da temperatura do tratamento
térmico, em uma faixa de temperatura de 300 a 600°C, mantendo a duração do tempo
constante, e observou que a maior emissão TL se apresentava mais intensa quando era
realizado um tratamento térmico de 400°C antes da irradiação. Assim, para as amostras
de MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy preparadas aqui, o tratamento térmico de reutilização
utilizado foi a 400°C/1 hora. A Figura 12 mostra, através de etapas, a produção do
tetraborato.
49
Figura 12- Esquema representativo para a produção do MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm
5.2 Produção do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm
Para a produção do MgSO4:Tm (0,1% mol) e MgSO4:Dy (0,1% mol) foram
utilizados os seguintes reagentes:
� MgO → 6 g
� H2SO4→100 mL
� Tm2O3→ 10 mg
� Dy2O3→ 10 mg
As marcas e as purezas dos reagentes utilizados estão representados na Tabela 4.
Tabela 4 - Marcas e purezas dos reagentes e dopantes utilizados para a preparação do MgSO4:Dy e MgSO4:Tm
Reagente (R) e Dopante (D) Marca Pureza (%)
MgO (R) Synth 96
H2SO4 (R) Synth 98
Dy2O3 (D) Sigma-Aldrich (GmbH) 99,9
Tm2O3 (D) Sigma-Aldrich (GmbH) 99,9
50
Os dopantes Tm2O3 ou Dy2O3 foram colocados juntamente com ácido sulfúrico e
o óxido de magnésio em um béquer. O material permaneceu no agitador magnético a
uma temperatura de 350°C sob pressão de 1 atm durante o período de 72 horas, até o
ácido evaporar completamente, restando apenas o sulfato de magnésio impurificado.
Com a secagem do ácido, o composto foi retirado do aquecedor após o crescimento dos
cristais.
No final da reação, o material apresentou uma coloração amarelada devido à
acidez residual. O problema da acidez foi solucionado através da lavagem do material.
O pó com textura amarelada foi submetido a diversas lavagens com álcool etílico
gelado. Este processo foi repetido cinco vezes consecutivas até que a coloração do
material se tornasse mais esbranquiçada, ou seja, até que o pH se aproximasse de 5.
Após cada lavagem a acidez foi conferida através do uso da fita de pH , da marca
Merck. Em seguida, o material foi seco em estufa a uma temperatura de 100°C por 1
hora. Após a secagem, o pó foi submetido a um tratamento térmico de 500°C por duas
horas.
5.2.1 Granulometria e tratamento térmico
Imediatamente após a retirada do material da estufa, foi realizada a moagem
utilizando almofariz, um pistilo e por fim o pó foi peneirado. Foi utilizado o pó com
granulação entre 75-100 µm para a preparação das pastilhas. As pastilhas foram
sinterizadas durante 1 hora a uma temperatura de 900°C. Após o resfriamento, as
pastilhas apresentaram uma espessura de 1 mm e diâmetro igual a 6 mm. As massas
médias para o MgSO4:Tm e MgSO4:dy foram, respectivamente, (0,0233±0,0007) g e
(0,0184±0,0002) g. O esquema resumido do processo de formação do sulfato de
magnésio é apresentado na Figura 13.
51
Figura 13- Representação do processo de formação do MgSO4:Tm e MgSO4:Dy.
5.3 Fontes de Radiação
5.3.1 Irradiadores Gama
As amostras de MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm foram submetidas a feixes de
radiações gama do 137Cs (660 keV) pertencentes ao sistema irradiador de referência do
Laboratório de Calibração de Instrumentos do Instituto de Pesquisas Energéticas e
Nucleares (LCI/IPEN), da marca STS (Steuerungstechnik & Strahlenschutz GmbH,
Alemanha, modelo OB85). O irradiador consiste basicamente de uma blindagem
cilíndrica de chumbo com diâmetro de irradiação de 14,6 cm [Figura 14]. O irradiador
possuía uma taxa de kerma no ar para a fonte de 137Cs de 60 mGy.h-1, a 79,1 cm de
distância , 15 de novembro de 2011. Para a obtenção de 1 gy de dose absorvida o
material permaneceu exposto por 16 horas e 40 minutos.
52
Figura 14- Irradiador gama STS OB85.
As pastilhas de MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm foram expostas no irradiador de fonte
cobalto 60, do tipo panorâmica com atividade de 348,207 Ci, pertencente ao Centro de
Tecnologia das Radiações (CTR/IPEN), recebendo doses entre 1 e 50 Gy [Figura 14].
Para a irradiação com dose de 1 Gy o material foi posicionado a 40 cm de distância da
fonte e foi utilizada uma taxa de kerma de 19,7 Gy/h. Para a irradiação com doses entre
5 e 50 Gy, foi utilizada uma distância de 10 cm da fonte, com taxa de kerma no ar de
141,2 Gy/h.
Figura 15- Fonte 60Co do CTR (IPEN).
53
5.3.2 Fonte Beta
As primeiras irradiações foram feitas com uma fonte beta (90
Sr +90
Y) do tipo
aplicador dermatológico, pertencente ao Laboratório de Física Médica no Departamento
de Física da UFS. As irradiações foram realizadas à temperatura ambiente a uma
distância de 0,5 cm das amostras, a fonte utilizada está representada na Figura 16. A
segunda fonte de 90
Sr+90
Y utilizada [Figura 17] é uma fonte de sistema de padrões
secundários, do LCI/IPEN. A fonte foi calibrada no laboratório padrão primário da
Alemanha PTB (Physikalish- Technische Bundesanstalt). A tabela 5 mostra as
características das fontes de 90
Sr+90
Y utilizadas para as irradiações dos detectores. O
material MgSO4:Dy/Tm foi irradiado com a fonte beta do DFI/UFS . Os tetraboratos
foram irradiados com a fonte beta do LCI/IPEN.
Tabela 5- Características das fontes de 90
Sr+90
Y
UFS IPEN
Atividade (MBq)
Taxa de dose absorvida
(Gy/min)
19407
0,350
1850
0,025
Data de calibração 27/11/1973 04/02/1981
Distância fonte-detector (cm) 0,5 11
Figura 16- Aplicador dermatológico de 90Sr/90Y( UFS)
54
Figura 17-Dosímetros posicionados em frente à fonte beta (90Sr/90Y) (IPEN)
5.3.3 Raios X
O equipamento de radiação X industrial utilizado nas irradiações é da marca
Pantak/Seifert, modelo ISOVOLT 160HS, com ânodo de tungstênio que opera com
tensão de 5 a 160 kV [Figura 18]. As qualidades de mamografia utilizadas para as
irradiações seguem os padrões do laboratório primário alemão Physikalisch -
Technische Bundesanstalt (PTB); esse sistema segue padrões de nomenclatura própria,
que distingue de maneira clara de qual material é constituído o ânodo e a filtração
adicional utilizada. No caso das irradiações, foi utilizada a qualidade WMV 35 onde a
primeira letra da sigla representa o material do ânodo, que é o tungstênio, a segunda o
material da filtração, que é o molibdênio, e a última letra indica feixes de entrada. As
condições da WMV 35 são:
� Tensão: 35 kV;
� Corrente: 20 mA;
� Taxa de kerma no ar: 38,4 mGy/min;
� Energia efetiva: 16,2 keV;
� Filtração adicional: 0,07 mmMo.
55
A qualidade de diagnóstico convencional, que foi utilizada para fazer as
irradiações para os testes de reprodutibilidade, seguiu os padrões da International
Eletrotechinical Commission (IEC), conforme o documento IEC 61267 [34]. As
características dos feixes de radiação X estão de acordo com a norma RQR-10, que são:
� Tensão: 150 kV ;
� Corrente: 10 mA;
� Taxa de kerma: 120 mGy/min;
� Energia Efetiva: 41 keV;
� Filtração Adicional: 4,2 mmAl.
Nas irradiações com feixe de raios X, a distância da amostra ao foco do feixe foi
de 1 m, e o diâmetro do colimador foi de 50,8 mm [Figura 19].
Figura 18- Equipamento de raios X Pantak/Seifert empregado nas irradiações das
pastilhas, pertencente ao IPEN.
Figura 19- Embalagem com pastilhas, devidamente posicionada para irradiação no feixe
de raios X.
56
5.4- Sistemas para Medição do Sinal TL
A instrumentação necessária para se observar o fenômeno da termoluminescência
emitida por um fósforo é basicamente constituída de um dispositivo para aquecer o
fósforo, um instrumento para detectar a luz por este emitida e uma eletrônica associada
que converta o sinal elétrico para o sinal de carga elétrica. É importante que o
equipamento TL seja completamente vedado contra uma possível entrada de luz. No
presente trabalho foram utilizados dois tipos de sistemas de detecção TL.
As primeiras análises termoluminescentes das pastilhas foram efetuadas a uma
temperatura ambiente de 25°C, em um dispositivo home-made no LPCM-DFI/UFS
[Figura 21] e foram feitas para o MgSO4:Dy e MgSO4:Tm. As medições foram
realizadas com uma taxa de aquecimento de 10°C/s. O equipamento home-made não
fornece o resultado em quantidade de carga, apenas apresenta a curva de emissão do
dosímetro. O restante das análises que foram feitas para o MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy
da marca Harshaw, modelo 3500, do laboratório de Física Médica, no DFI/UFS [Figura
22].
Algumas medidas foram realizadas na Gerência de Metrologia em Radiação
(GMR) do IPEN, utilizando um equipamento da mesma marca e modelo (Harshaw,
3500). A taxa de aquecimento para todas as medidas realizadas independentemente do
equipamento foi de 10°C/s. Para a medição do espectro de emissão TL, foi utilizado um
monocromador acoplado no dispositivo home-made, como mostra a Figura 20. O
monocromador utilizado é da marca UNICROM-100.
57
Figura 20- Monocromador UNICROM-100 utilizado para a medida do comprimento de
onda de emissão do tetraborato, indicado pela flexa logo abaixo da fotomultiplicadora.
Figura 21 - Sistema TL home-made (UFS/DFI). (a) computador; (b) fotomultiplicadora;
(c) gaveta porta amostras; (d) fonte de alta tensão; (e) amplificador.
58
Figura 22- Leitora TL Harshaw, 3500. Localizadas no DFI/ UFS
O equipamento Harshaw, 3500 deve estar sempre conectado com um tudo de
nitrogênio. O fluxo de nitrogênio proveniente de cilindro de gás é usado para eliminar o
oxigênio ao redor da prancheta e evitar oxidação, aumentando sua vida útil e
melhorando a reprodutibilidade das respostas TL decorrentes de baixas exposições.
5.5-Acondicionamento dos detectores
• Placas de PMMA (polimetilmetacrilato);
• Papel alumínio.
Para a irradiação usando as fontes de 60Co e 137Cs ou raios X os dosímetros foram
acomodados na parte interna de um suporte revestido externamente por uma placa de
PMMA de 3 mm de espessura. Para cada tipo de fonte os dosímetros foram arranjados
um ao lado do outro [Figura 23] . Esse arranjo experimental teve como objetivo facilitar
o posicionamento dos dosímetros, garantir sua reprodutibilidade, evitar perdas de
pastilhas e assegurar, com as placas de PMMA, as condições de equilíbrio eletrônico na
irradiação. Para as irradiações com fonte beta foi utilizado outro tipo de arranjo, onde
foi retirada a placa de 3mm de PMMA e foi introduzido no lugar do PMMA, uma fina
camada de papel filme [Figura 24] . Em seguida, a placa que contém os dosímetros,
revestida de papel filme, foi introduzida em um suporte para garantir seu
posicionamento de forma perpendicular em relação à direção do feixe ,como pode ser
observado na Figura 25.
59
Figura 23- Suporte com revestimento de placa de PMMA com 3 mm de espessura,
utilizado para as pastilhas nas irradiações com feixe gama.
Figura 24- Arranjo utilizado para as irradiações com fonte beta, onde foi retirada a placa
de PMMA de 3 mm e adicionada em seu lugar uma camada de papel filme.
Figura 25- Arranjo experimental devidamente posicionado para a irradiação das pastilhas
com feixe de partículas beta.
A placa de PMMA utilizada na irradiação com radiação X , foram revestidas
externamente com papel alumínio ate o momento da medição TL , como se observa na
Figura 26 . Esse procedimento evita sensibilização através da luz visível e ultravioleta.
60
Todos os detectores foram manuseados com pinça para evitar uma possível
contaminação e quebra do dosímetro.
Figura 26- Suporte de dosímetros revestido de papel alumínio, devidamente posicionada
para a irradiação com feixe de raios X.
5.6- Incertezas das medidas
As incertezas dos resultados obtidos no presente trabalho estão agrupadas em duas
categorias, incertezas do tipo A e do tipo B. A incerteza do tipo A são calculadas através
de métodos estatísticos e são estimados através do valor do desvio padrão da média.
Onde: → Desvio Padrão;
n→ Número de medidas.
A incerteza do tipo B é avaliada baseando-se em todas as informações
disponíveis sobre a possível variabilidade do mensurando, ou seja, é a originada de
erros instrumentais, ambientais e observacionais. Quando há um conjunto de incertezas
do tipo A e do tipo B podemos obter a incerteza combinada.
61
6. Resultados e Discussões
6.1 – Curvas de Emissão dos Materiais
Na primeira parte deste capítulo serão apresentadas as curvas de emissões
termoluminescentes obtidas dos materiais estudados, depois de irradiados por fontes e
doses distintas. As curvas de emissão TL apresentam a intensidade em unidades
arbitrárias (u.a.) em função da temperatura em °C. Através da deconvolução das curvas
de emissão TL, foi estimada a área abaixo de cada curva , com isso, a resposta TL em
função da dose absorvida dos fósforos produzidos foi obtida a partir do cálculo da área
sob as curvas e não através da intensidade de emissão TL. Em todas as medições, as
incertezas associadas foram de no máximo 10 %.
As primeiras curvas de emissão TL apresentadas são das pastilhas de MgSO4:Dy
(Figura 27), que foram medidas 24 h após serem expostas à doses absorvidas de 5, 10,
21 e 42 Gy de radiação beta (90Sr+90Y). Entre 50 e 300oC o MgSO4:Dy apresenta dois
picos TL, o primeiro entre 100° e 175°C e um pico mais intenso entre 175 e 300oC,
aproximadamente, com intensidade máxima em 225°C, conforme apresentado na
Figura 27 (a) . Na Figura 27 (b) tem-se a resposta TL das pastilhas de MgSO4:Dy em
função da dose absorvida, obtida a partir das curvas de emissão TL apresentadas na
Figura 27 (a).
62
50 100 150 200 250 300 350
0.0
2.5x106
5.0x106
7.5x106
1.0x107
1.3x107
1.5x107
1.8x107
Inte
ns
idad
e T
L (
u.a
.)
Temperatura (°C)
MgSO4:Dy
42 Gy
21 Gy
10,5 Gy
5 Gy
a
5 10 15 20 25 30 35 40
0,0
4,0x108
8,0x108
1,2x109
1,6x109
Pico 1 Pico 2
Res
po
sta
TL
(u
.a.)
Dose Absorvida (Gy)
b
Figura 27- Emissão TL típica das pastilhas de MgSO4:Dy e as respectivas respostas TL em
função da dose absorvida para radiação beta ( 90Sr/90Y).
Nesta dissertação, os estudos com o sulfato de magnésio foram restritos às
análises das curvas de emissão, pelo fato do processo de formação do material com
dopante ser demorado levando cerca de 4 dias para a secagem, pela fragilidade das
pastilhas e pela dificuldade de retirada de acidez do material.
A emissão TL das pastilhas de MgSO4:Tm está apresentada na Figura 28. Nessa
figura, observa-se a presença de pelo menos quatro picos TL; o primeiro em
aproximadamente 75°C, o segundo em 150°C, o terceiro entre 150°C e 200°C e o
quarto mais intenso em aproximadamente 250°C. O comportamento das curvas
(MgSO4:Tm e MgSO4:Dy) com diversos picos já foi relatada anteriormente por outros
autores [23].
63
50 100 150 200 250 300
0,0
1,0x106
2,0x106
3,0x106
4,0x106
5,0x106
Inte
nsid
ad
e T
L (
u.a
.)
Temperatura (°C)
1Gy
5 Gy
10 Gy
Figura 28- Emissão TL típica das pastilhas de MgSO4:Tm, sinterizadas a 900°C e expostas
à radiação beta de 90Sr/90Y.
O estudo dos fósforos à base de MgB4O7 foi mais completo, conforme será
apresentado.
A Figura 29 apresenta as curvas de emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e do
MgB4O7:Tm, expostas à radiação beta (90Sr+90Y). O MgB4O7:Dy apresenta o pico TL
de maior intensidade em 200°C e outro menos intenso em 330°C, aproximadamente. As
pastilhas de MgB4O7:Tm também apresentam um pico principal em 200°C, e um
segundo pico em aproximadamente 300°C; porém, esse segundo pico apresenta-se
menos intenso em relação ao MgB4O7:Dy.
64
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
5,0x105
1,0x106
1,5x106
2,0x106
2,5x106
3,0x106
In
ten
sid
ad
e T
L (
u.a
.)
Temperatura (oC)
MgB4O
7:Dy
1 Gy
4 Gy
a
50 100 150 200 250 300 350
0,0
5,0x105
1,0x106
1,5x106
2,0x106
2,5x106
3,0x106
Inte
ns
ida
de T
L (
u.a
.)
Temperatura (°C)
MgB4O
7:Tm
1 Gy
4 Gy
b
Figura 29- (a) Emissão TL típica do MgB4O7:Dy e (b) MgB4O7:Tm, sinterizados a
800°C por 2 horas , irradiados com 90Sr/90Y.
As figuras 30 e 31 mostram as curvas de emissão TL das pastilhas à base de
tetraborato, irradiadas com radiação gama de 60Co, com doses de 1 à 50 Gy e a resposta
TL em função da dose absorvida para essa fonte. Pode-se observar que as curvas das
amostras irradiadas com radiação gama de 60Co são semelhantes às das amostras
expostas à radiação beta, com pico TL nas mesmas temperaturas. Na Figura 30 (a) tem-
se as emissões TL para o MgB4O7:Dy e em 30 (b) a resposta TL em função da dose
absorvida de radiação gama.
Na Figura 31 (a) estão apresentadas as emissões TL das pastilhas de MgB4O7:Tm
e em (b) a resposta TL em função da dose absorvida. As curvas de emissão TL
apresentadas na Figura 32 são resultantes das pastilhas irradiados com 1 Gy de radiação
gama de 137Cs. Como essa fonte de radiação apresentava baixa taxa de desintegração, as
pastilhas foram expostas a uma única dose para que fosse feita a comparação da
dependência energética.
65
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
2,5x106
5,0x106
7,5x106
1,0x107
1,3x107
1,5x107
1,8x107
2,0x107
Inte
ns
ida
de
TL
(u
.a.)
Temperatura (°C)
MgB4O
7:Dy
50 Gy
20 Gy
10 Gy
5 Gy
1 Gy
a
0 10 20 30 40 50
0,0
1,0x107
2,0x107
3,0x107
4,0x107
5,0x107
6,0x107
7,0x107
Re
sp
os
ta T
L (
u.a
.)
Dose Absorvida (Gy)
b
Figura 30- Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em
função da dose absorvida para radiação gama (60Co).
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
5,0x106
1,0x107
1,5x107
2,0x107
2,5x107
3,0x107
Inte
ns
ida
de
TL
(u
.a.)
Temperatura (°C)
MgB4O7:Tm
50 Gy
20 Gy
10 Gy
5 Gy
1 Gy
a
0 10 20 30 40 50
0,0
2,0x107
4,0x107
6,0x107
8,0x107
1,0x108
Res
po
sta
TL
(u
.a.)
Dose (Gy)
b
Figura 31- Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Tm e as respectivas respostas TL em
função da dose absorvida para radiação gama (60Co).
66
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
1,0x105
2,0x105
3,0x105
4,0x105
5,0x105
6,0x105
Inte
ns
ida
de
TL
(u
.a.)
Temperatura °C
MgB4O7:Dy
MgB4O7:Tm
Figura 32-Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Dy e de MgB4O7:Tm irradiadas
com dose absorvida de 1 Gy de radiação gama de 137 Cs.
As Figuras 33 e 34 apresentam as curvas de emissão e as respostas TL das
amostras de MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm irradiadas com feixes de raios X com energias
efetivas de 16,2 keV e 41 keV, no intervalo de dose absorvida de 0,1 e 5 Gy. Nas
Figura 33e 34 têm-se os resultados referentes à MgB4O7:Dy. Para essas amostras, as
curvas de emissão TL (a) apresentam a mesma estrutura, pico principal em 200°C e um
segundo pico em aproximadamente 325°C. A resposta TL ( área sob a curva) em função
da dose absorvida (b) apresentou-se proporcional à dose absorvida no intervalo
analisado para as duas energias; entretanto, a resposta para 41 keV foi 2 vezes mais
intensa que as das pastilhas irradiadas com 16,2 keV.
67
50 100 150 200 250 300 350
0,0
1,0x106
2,0x106
3,0x106
4,0x106
5,0x106
6,0x106
Inte
nsd
ad
e T
L (
u.a
.)
Temperatura (°C)
MgB4O7:Dy
5 Gy
2,5 Gy
1 Gy
0,5 Gy
0,1 Gy
a
0 1 2 3 4 5
0,0
1,0x108
2,0x108
3,0x108
4,0x108
5,0x108
Pico 1
Pico 2
Re
sp
os
ta T
L (
u.a
)
Dose (Gy)
b
Figura 33 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em
função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 16,2 keV .
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
2,0x106
4,0x106
6,0x106
8,0x106
1,0x107
1,2x107
1,4x107
Inte
ns
ida
de
TL
(u
.a.)
Temperatura (°C)
MgB4O7:Dy
5 Gy
2,5Gy
1Gy
0,1Gy
a
0 1 2 3 4 5
0,0
2,0x108
4,0x108
6,0x108
MgB4O
7:Dy
Pico 1
Pico 2
Resp
osta
TL
(u
.a.)
Dose Absorvida (Gy)
b
Figura 34 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e as respectivas respostas TL em
função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 41 keV .
68
A Figura 35 (a) apresenta curvas de emissão e a resposta TL do MgB4O7:Tm. As
pastilhas desse material quando irradiadas com radiação X de 41 keV também
apresentam um pico mais intenso em 200°C e um segundo pico menos intenso em
aproximadamente 300°C. A resposta TL (b) apresentou-se proporcional à dose
absorvida no intervalo analisado, sendo da mesma ordem de intensidade das pastilhas
dopadas com Dy. O comportamento TL das pastilhas de MgB4O7:Tm para radiação X
de energia efetiva de 16,2 keV não foi estudado.
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
4,0x106
8,0x106
1,2x107
Inte
ns
ida
de
TL
(u
.a.)
Temperatura (°C)
MgB4O
7:Tm
5 Gy
2,5 Gy
1 Gy
0,1 Gy
a
0 1 2 3 4 5
0,0
2,0x108
4,0x108
6,0x108
8,0x108
MgB4O7:Tm
Pico 1
Pico 2
R
esp
osta
TL
(u
.a.)
Dose Absorvida (Gy)
b
Figura 35 - Emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Tm e as respectivas respostas TL em
função da dose absorvida para radiação X com energia efetiva de 41 keV.
6.2 – Espectro de emissão TL.
Para a avaliação do comprimento de onda das emissões, ambos os materiais foram
previamente irradiados com 10 Gy de radiação beta (90Sr+90Y) 24 horas antes das
medições. Para as pastilhas de MgB4O7:Dy foi avaliado o comprimento de onda entre
390 a 500 nm, com passo de 10 nm. No caso das pastilhas de MgB4O7:Tm, foram
avaliados os comprimentos de onda entre 410 e 500 nm.
O pico de emissão TL máxima acontece em 470 nm para as pastilhas de
MgB4O7:Dy, conforme apresentado na Figura 36 .
69
A Figura 37 mostra a emissão TL em função do comprimento de onda e da
temperatura para as pastilhas de MgB4O7:Tm, onde se observa uma emissão TL
bastante intensa em 490 nm, que em seguida começa a decair .
Figura 36- Espectro de emissão de pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 10 Gy de radiação
beta (90Sr+90Y)
Figura 37- Espectro de emissão de pastilhas de MgB4O7:Tm expostas a 10 Gy de radiação
beta (90Sr+90Y)
70
Como vimos nas figuras anteriores, os picos TL acima de 300oC dos materiais
impurificados com Tm3+ são, em relação ao primeiro pico TL, proporcionalmente
menos intensos que os dos materiais impurificados com Dy para essa mesma região de
temperatura. De acordo com a referência [35], a razão para as diferenças entre as
intensidades desses picos TL pode ser explicada pela existência de dois defeitos
distintos criados pelos íons Dy e Tm, apesar desses elementos apresentarem a mesma
carga e o mesmo raio iônico. O pico principal, tanto para o MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy,
não ocorre em função dos defeitos criados pelos íons terras raras, por isso aparecem em
temperaturas idênticas. No caso do pico em temperatura mais elevada, há uma
dependência entre o centro de captura e o centro de recombinação, ou seja, com o tipo
de dopante.
6.3 Dependência energética.
Para o estudo da dependência energética da resposta TL das pastilhas de
MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm , foram comparados os dados obtidos das análises das
emissões dessas pastilhas quando irradiadas com doses de 1 Gy. As fontes utilizadas nas
irradiações e suas respectivas energias foram: 137 Cs (0,66 MeV), 60Co (1,25 MeV) e
raios X (0,41 MeV).
As respostas TL das pastilhas MgB4O7:Dy foram semelhantes para as amostras
irradiadas com 137Cs ou com 60Co (Figura 38), entretanto, para a irradiação com o
raios X de 0,41 MeV, observa-se uma dependência energética.Comportamento
semelhante é observado para o MgB4O7:Tm (Figura 39). A resposta TL para 0, 41MeV
, em comparação com a resposta TL para 0,66 MeV e 1,25 MeV é três vezes maior para
o material MgB4O7:Dy e para o MgB4O7:Tm é 2,4 vezes maior. A resposta TL para o
MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm foram avaliadas e normalizadas em função da radiação
gama de 60Co, como é observada na Figura 40 e 41, respectivamente. Pode ser obsevado
que dependência energética reduz com o aumento de energia do fóton.
71
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
2,0x105
4,0x105
6,0x105
8,0x105
1,0x106
1,2x106
1,4x106
Inte
nsid
ad
e T
L (
u.a
.)
Temperatura (°C)
MgB4O7:Dy
1,25 MeV
0,66 MeV
0,41 MeV
Figura 38 - Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 1 Gy de
radiação X (41 keV) e radiação 137 Cs e 60 Co.
50 100 150 200 250 300 350 400
0,0
2,5x105
5,0x105
7,5x105
1,0x106
1,3x106
1,5x106
Inte
nsid
ad
e T
L (
u.a
.)
Temperatura (°C)
MgB4O7:Tm
1,25 MeV
0,66 MeV
0,41 MeV
Figura 39 –Curvas de emissão TL de pastilhas de MgB4O7:Tm expostas a 1 Gy de
radiação X (41 keV) e radiação 137 Cs e 60 Co.
72
Figura 40- Resposta Energética para o MgB4O7:Dy
Figura 41- Resposta Energética para o MgB4O7:Tm
A Figura 42 mostra o comportamento do primeiro e do segundo pico TL das
pastilhas de MgB4O7:Dy quando expostas a feixes de raios X com 16,2 e 41 keV de
energia efetiva. Analisando-se o comportamento do 1° pico TL das pastilhas de
MgB4O7:Dy irradiadas com 16,2 e 41 keV, observa-se que para 0,1 Gy eles apresentam
a mesma intensidade, estando sobrepostos no gráfico. A partir de 1 Gy observa-se que,
tanto para o primeiro quanto para o segundo pico, as respostas TL das pastilhas
irradiadas com 41 keV são maiores do que das pastilhas irradiadas com 16,2 keV,
comprovando que o material apresenta dependência energética para essas energias de
73
fótons. O 2° pico TL é mais intenso para o MgB4O7:Dy do que para o MgB4O7:Tm,
isso mostra a interferência do dopante na termoluminescência do material.
A maior intensidade dos picos TL das amostras expostas a radiação X deve-se,
certamente, ao fato de que para baixas energias a dose de radiação é depositada mais
superficialmente. Quanto à influência do número atômico efetivo do material, isto deve
ser mais bem estudado; embora no trabalho da referência [8] o número atômico efetivo
do MgB4O7:Dy foi determinado como 8,4, é possível que essa seja a razão da alteração
da resposta TL com a energia da radiação.
0 1 2 3 4 5
0
1x108
2x108
3x108
4x108
5x108 1° Pico
41,2 keV
16,2 keV
Re
sp
os
ta T
L (
u.a
.)
Dose (Gy)
a
0 1 2 3 4 5
0,0
2,0x108
4,0x108
6,0x108
8,0x108
Segundo Pico TL
41,2 keV
16,2 keV
R
esp
osta
TL
(u
.a.)
Dose Absorvida (Gy)
b
Figura 42- Comparação entre a resposta TL do 1º pico TL (a) e do 2º pico (b) das curvas
de emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy expostas a 1 Gy de radiação X de 16,2 e
41 keV.
74
6.4 - Parâmetros cinéticos das curvas.
Foram determinados os parâmetros cinéticos das curvas através do método de
forma de pico ou método de Chen, como foi descrito no item 4.6. Foram encontradas as
profundidades das armadilhas responsáveis pela emissão dos picos (E) que é dada em
elétron-volt, os fatores de frequência das armadilhas (S) e a ordem cinética dos picos
(b). Para o material MgB4O7:Dy, os parâmetros cinéticos foram calculados para os dois
picos que estão em 200° e 325°C e que aparecem bem definidos na curva da Figura 34 .
Para o MgB4O7:Tm foram analisados os parâmetros para o primeiro pico apenas,
localizado em 200°C. A Tabela 6 mostra os valores encontrados.
Tabela 6- Parâmetros cinéticos das curvas de emissão TL das pastilhas.
Dosímetros b E (eV) S (s-1)
MgB4O7:Dy Pico 1 2 0,9 1,9x1013
Pico 2 1,7 1,08 7,6x1012
MgB4O7:Tm Pico 1 1,5 0,66 3,1x1010
Os fatores geométricos encontrados estão entre 0,42 e 0,52 (0,42 <µb< 0,52),
exceto para o primeiro pico de MgB4O7:Dy; para esses valores intermediários as ordens
cinéticas foram encontradas através da Figura 3, apresentada no item 4.6.1. Os valores
da profundidade da armadilha (E), e o fator de frequência (S) foram encontrados através
das Equações 22 e 23 , respectivamente. O valor da energia necessária para liberação da
carga capturada relativa ao segundo pico deve ser maior, pois a ativação dessas
armadilhas acontece em temperaturas mais altas e certamente estão localizadas mais
profundamente na banda proibida. A ordem cinética apresentada para o primeiro pico
do MgB4O7:Dy, já foi descrita anteriormente na literatura [36] e está em concordância
com o resultado obtido para esse trabalho. Quanto ao impurificado com túlio, não foram
encontrados registros sobre os parâmetros cinéticos na literatura.
75
6.5-Reprodutibilidade e Homogeneidade.
Para os dois materiais MgB4O7:Tm e MgB4O7:Dy foram feitos os testes de
reprodutibilidade e homogeneidade. Para o teste de reprodutibilidade as pastilhas foram
irradiadas com 1 Gy de raios X de 41 keV. Foram realizados 5 ciclos consecutivos de
irradiação, leitura e tratamento térmico com 6 pastilhas, numeradas com grafite, para
cada lote de material. Nos 5 ciclos os dosímetros foram posicionados sempre nos
mesmos locais , na parte interna do suporte que contém a placa de PMMA.
A reprodutibilidade avalia o comportamento do dosímetro individualmente para
cada leitura. Nas Tabela 7 e 6 são mostradas as variações relativas à reprodutibilidade,
obtidas para o MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm, respectivamente. O melhor dosímetro deve
apresentar um CV(%) mínimo. Para o MgB4O7:Dy a variação mínima foi observada
para o dosímetro 15 e para o MgB4O7:Tm a menor variação aconteceu para o dosímetro
25. Deve-se considerar que as variações podem acontecer por diversos fatores, tais
como condições ambientais, variações nos parâmetros do equipamento de medidas TL.
Tabela 7 - Reprodutibilidade - Média; desvio padrão e CV(%) dos 5 ciclos de irradiação, leitura e tratamento térmico de cada dosímetro de MgB4O7:Dy.
Dosímetro Média das
leituras (nC) Desvio
Padrão (S) CV(%)
15 5,8×106 1,7×105 2,9 11 6,7×106 4,4×105 6,5 31 4,9×106 7,3×105 14,8 22 5,5×106 5,1×105 9,2 23 5,4×106 4,1×105 7,5 20 5,9×106 6,1×105 10,3
Tabela 8- Reprodutibilidade - Média; desvio padrão e CV(%) dos 5 ciclos de irradiação, leitura e tratamento térmico de cada dosímetro de MgB4O7:Tm.
Dosímetro Média das
leituras (nC) Desvio
Padrão (S) CV(%)
34 5,4×106 7,2×105 13,3 22 5,9×106 6,8×105 11,1 30 6,6×106 7,1×105 10,8 25 6,0×106 4,5×105 7,4 15 6,0×106 7,1×105 11,7
38 6,0×106 5,2×105 8,6
76
O valor máximo do coeficiente de variação da homogeneidade obtido para a
emissão TL das pastilhas de MgB4O7:Dy, conforme observado na Tabela 9, para a 4°
leitura , foi de 15%, aproximadamente; nas demais leituras esse coeficiente esteve entre
10,5 e 14,5 %, aproximadamente, sendo que a variação mínima foi observada na 1°
leitura.
Para as pastilhas de MgB4O7:Tm, foi observado uma variação máxima na 5° leitura
(13% aproximadamente). Entretanto, para essas pastilhas os coeficiente de variação da
homogeneidade mostraram-se menores que os das pastilhas de MgB4O7:Dy, pois em
três leituras foram observados coeficientes entre 6 e 7%.
Tabela 9- Homogeneidade - Médias e os respectivos desvios padrões e CVH das 5 leituras
do lote de 6 detectores TL de MgB4O7:Dy
Leitura 1° 2° 3° 4° 5°
Média (nC) 5,6×106 5,7×106 5,6×106 6,0×106 5,5×106
S (nC) 5,8×105 8,2×106 7,6×106 8,8×106 7,4×106
CVH(%) 10,36 14,36 13,35 14,70 13,44
Tabela 10 - Homogeneidade - Médias e os respectivos desvios padrões e CVH das 5 leituras
do lote de 6 detectores TL de MgB4O7:Tm
Leitura 1° 2° 3° 4° 5°
Média (nC) 5,5×106 6,2×106 6,6×106 6,0×106 5,6×106
S (nC) 3,7×105 3,8×105 6,1×105 3,9×105 7,2×105
CVH(%) 6,76 6,15 9,19 6,47 12,97
6.6 Eficiência intrínseca dos detectores
A eficiência intrínseca dos detectores foi calculada utilizando-se os fatores de
calibração das curvas de resposta TL dos detectores irradiados com 60Co e raios X de
41 keV, divididos pelas respectivas massas dos detectores (Equação 30). As médias das
massas do MgB4O7:Tm e do MgB4O7:Dy foram, respectivamente, (0,0224±0,0007) g e
77
(0,0181±0,0003) g. A eficiência intrínseca dos detectores é adimensional, mas pode ser
representada em porcentagem. Os resultados para as eficiências intrínsecas são
mostradas Tabela 11.
Tabela 11- Eficiência intrínseca dos detectores para duas energias diferenciadas
Eficiência Intrínseca 60Co Raios X (41 keV)
MgB4O7:Dy (6,79 ± 0,42) x10-6 (2,54 ± 0,12) x10-6
MgB4O7:Tm (6,25 x ± 0,43) x10-6 (2,58± 0,12) x10-6
A eficiência intrínseca das pastilhas de MgB4O7:Dy e de MgB4O7:Tm, irradiadas
com radiação X de 41 keV apresentou-se maior do que as das pastilhas material
irradiadas com 60Co, o que é esperado, já que a eficiência intrínseca depende da resposta
TL .
6.7 Dose mínima detectável
O limite mínimo de detecção ou dose mínima detectável (D0) dos materiais foi
calculado através da Equação 26. Para o teste foram utilizados 5 dosímetros não
irradiados de cada material , que passaram por tratamento térmico de 400°C por 1 h. Os
fatores de calibração dos lotes de detectores utilizados representam o inverso do
coeficiente angular da reta de resposta TL à dose absorvida, expressos por Gy/nC. A
Tabela 12 apresenta os resultados obtidos para dose mínima detectável (D0) que foram
encontrados através da leitura TL dos dosímetros não irradiados de MgB4O7:Dy.A
Tabela 13 mostram os valores encontrados para o MgB4O7:Tm.
Tabela 12- Valores de dose mínima detectável (D0) encontrados para o MgB4O7:Dy.
Fonte de Radiação 1/ µa Do (Gy)
60 Co (1-50 Gy) (7,68 ± 0,22) ×10-7 2,63×10-3
RX 41 keV (0,1-5 Gy) (1,23± 0,07)×10-7 4,22×10-4
RX 16,2 keV (0,1 -5 Gy) (2,41± 0,05)×10-7 8,25×10-4
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Tabela 13- Valores de dose mínima detectável (D0) encontrados para MgB4O7:Tm.
Fonte de Radiação 1/ µa Do (Gy)
60 Co (1-50 Gy) (5,78± 0,28)×10-7 2,32×10-3
RX 41 keV (0,1-5 Gy) (1,39 ± 0,09)×10-7 5,57×10-4
As doses mínimas detectadas para o MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm encontradas para
as irradiações com 60Co foram aproximadamente iguais (2,63 e 2,32 mGy). E para as
pastilhas que foram irradiadas com raios X com de energia efetiva de 41 keV, o limite
inferior de dose encontrado foi ainda menor. Embora não fossem esperados limites
inferiores de doses tão baixos, devido a resposta TL observada para as pastilhas
irradiadas com 0,1 Gy de radiação X, esses resultados podem ser mais bem examinados
quando forem produzidos lotes com maior quantidade de pastilhas.
79
7. Conclusões
De acordo com os primeiros testes feitos para o sulfato de magnésio, pode-se
observar que os materiais têm potencial, pois apresenta picos principais em
temperaturas ideais para o uso na dosimetria das radiações.
A rota de produção para o tetraborato é simples e viável, tendo em vista que em
24 horas o material já está pronto e a eliminação da acidez foi menos difícil que no caso
do sulfato de magnésio. As principais conclusões para as pastilhas preparadas à base de
tetraborato de magnésio serão apesentadas a seguir.
As curvas de emissões TL das pastilhas de MgB4O7:Dy e MgB4O7:Tm
apresentam a mesma forma para os diferentes tipos de fontes de irradiação utilizados
(60Co, 137Cs , raios X e 90Sr+90Y), com dois picos de emissão TL;o primeiro em 200°C e
outro em aproximadamente 300°C.A resposta TL das pastilhas MgB4O7:Dy e
MgB4O7:Tm é dependente da energia da radiação, como esperado devido ao numero
atômico efetivo dos materiais. Os materiais apresentaram resposta TL semelhante para
radiação gama de 60Co e 137Cs, porém exibiram forte dependência energética para a
radiação X de 41 e 16,2 keV.
A intensidade TL do segundo pico para o material impurificado com o disprósio é
maior em relação ao segundo pico do material impurificado com túlio. Isso pode ser
explicado através dos diferentes defeitos criados pelos íons Dy3+ e Tm3+.
As curvas de calibração das emissões TL em função da dose foram obtidas e
apresentaram proporcionalidade com a dose absorvida entre 1 e 50 Gy de radiação gama
de 60Co e de no intervalo de dose de 0,1 a 5 Gy para raios X, que foram os intervalos
de doses estudados.
As variações apresentadas nos testes de homogeneidade e reprodutibilidade foram
relativamente altas no presente trabalho; pretende-se aumentar a quantidade de pastilhas
de cada lote para que possa ser feita uma melhor seleção de dosímetros de forma a
reduzir essa variação diminua.
80
Os parâmetros cinéticos das pastilhas de MgB4O7:Dy encontrados estão de
acordo com a literatura, mas em futuros trabalhos pretende-se, avaliar os parâmetros
cinéticos do sulfato e tetraborato de magnésio por pelo menos dois métodos.
A eficiência intrínseca encontrada para os detectores irradiados com radiação X
foi maior do que o para os materiais irradiados com 60Co, tendo em vista que a resposta
TL para os detectores irradiados com radiação X foi maior em relação a outras
irradiações no presente trabalho, devido a dependência energética da resposta TL.
Os valores de doses mínimas detectáveis encontrados para o MgB4O7:Dy e o
MgB4O7:Tm ,quando irradiados com fonte de cobalto foram , respetivamente, 2,63 e
2,32 mGy. Para as irradiações com raios X de 41 keV os valores encontrados para o
MgB4O7:Dy e o MgB4O7:Tm foram, respectivamente, 0,42 e 0,55 mGy.
Pretende-se, em trabalhos posteriores, melhorar a rota de preparação tanto para o
sulfato quanto para o tetraborato e co-dopar esses materiais com outros terras raras pra o
melhoramento das características dosimétricas.
Pretende-se também investir em diferentes rotas de produção para o material
MgSO4 tendo em vista a dificuldade encontrada na retirada da acidez do material através
da rota usada no presente trabalho e investigar as propriedades físicas e o
comportamento do material, quando este é co-impurificado com outro terra-rara.
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