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ipen AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE
DE SÃO PAULO
INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA E COMPOSIÇÃO DE
ALUMINA NA TERMOLUMINESCÊNCIA VISANDO SUA
APLICAÇÃO EM DOSIMETRIA
MARIA REGINA OIENO DE OLIVEIRA DA SILVA
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear-Materiais.
Orientador: Dr. José Carlos Bressiani
.22 São Paulo
2001
INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Influência da microestrutura e composição de alumina na termoluminescéncia visando sua aplicação em dosimetría
Maria Regina Oieno de Oliveira da Silva
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear e Materiais
Orientador : Dr. José Carlos Bressiani
São Paulo 2001
. . U Í W Í S Í Â Í : Í . A C . G N A L t/E E N t H ü l A N Ü U L t A H / ü F I r ^
Aos meus pais, ao Antônio, à Elisa e ao Fernando, pelo apoio, carinho e compreensão
Influência da microestrutura e composição de alumina sinterizada na termoluminescéncia visando sua aplicação em dosimetria
Maria Regina Oieno de Oliveira da Silva
RESUMO
Entre as diversas aplicações a alumina pode ser usada em dosímetros termoluminescentes (TLD) para radiação. Os dosímetros são utilizados para determinar a dose de radiação recebida em várias situações como em radiodiagnóstico, instalações nucleares, radioterapias, entre outras. Nesse trabalho foi realizado um estudo da influência da microestrutura, tamanho de grão e da composição de pastilhas de alumina pura e dopadas com grafite, nas propriedades termoluminescentes. A alumina e o grafite utilizados como materiais de partida foram caracterizados por difratometria de raios-X para verificação das fases, análise química, tamanho de partículas e área da superficie específica por BET. As amostras de alumina com carbono foram sinterizadas à temperatura de 1650°C, em forno de grafite em atmosfera de argônio. As amostras de alumina foram sinterizadas também à 1650°C em forno tipo caixa em atmosfera normal durante 1, 3, 5, 7 e 10 horas. Foram feitas caracterizações das pastilhas sinterizadas quanto a fases presentes e evolução da microestrutura por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) . O comportamento termoluminescente dos materiais sinterizados foi também estudado depois de irradiação gama com fonte de Cobalto 60. Os resultados obtidos mostraram que a alumina dopada com grafite não possui características dosimétricas. Para as aluminas sinterizadas durante uma e três horas foram obtidas características termoluminescentes consideradas satisfatórias para dosimetria. Após 5 horas de sinterização, foi observado que as propriedades termoluminescentes diminuíram com o aumento de tempo de sinterização.
iV
Influência da microestrutura e composição de alumina sinterizada na termoluminescéncia visando sua aplicação em dosimetría
María Regina Oieno de Oliveira da Silva
ABSTRACT
Among its various applications alumina may be used in termoluminescent dosimeters (TLD) to radiations. The TLD are commonly used to determine the absorbed doses of radiation received in many application fields as nuclear installations, radiodiagnostic and radiotherapy in medicine. In this work it was developed a study of the influence of the microstructure, grain size and composition on the thermoluminescent properties in alumina (pure and carbon doped). The alumina and carbon powders used as starting materials were characterised by X-ray diffraction (XRD), chemical analysis, particle size distribution and surface area were determined by and BET analysis, respectively. The AI2O3 samples were sintered at 1650°C in air for one, three, five, seven and ten hours. The carbon doped samples were sintered using the same temperature for one hour, in a graphite resistance furnace in argon. Sintered materials were further characterised for phase composition and microstructure by XRD and scanning electron microscopy (SEM). The TL behaviour of the materials was also studied after they were submitted to a Cobalt 60 gamma irradiator The results obtained showed that the doped alumina do not possess dosimetric characteristics. For the alumina samples only those ones sintered during one and three hours showed satisfactory TL emission. After three hours of thermal treatment, it was observed that the TL properties decrease with sintering time.
ttifluSSAO NAG,ONAL CE t r J t R Ü I A N U C L E A H / í i P t t o
SUMARIO
1 I N T R O D U Ç Ã O 1
2 F U N D A M E N T O S T E Ó R I C O S 4
2 .1 TEORU DAS BANDAS 4
2.1.1 Termoluminescéncia 8 2.1.2 Defeitos cristalinos 13 2.1.3 Dosimetria Termoluminescente 16 2.1.4 Propriedades de materiais para a dosimetria TL 17
2.1.4.1 Curva de emissão termoluminescente 17 2.1.4.2 Sensibilidade 18 2.1.4.3 Limite mínimo detectável 2 0 2.1.4.4 Resposta em função da dose absorvida 2 0 2.1.4.5 Dependência da resposta TL com tipo de radiação 2 3 2.1.4.6 Reprodutibidade de resposta 2 7 2.1.4.7 Decaimento, estabilidade química e térmica 2 8
2 . 2 MATERIAIS PARA T L D S 2 9
2.2.1 o dosímetro de AI2O3 30 2.2.2 Estrutura do AI2O3 31 2.2.3 Propriedades termoluminescentes 35
2.2.4 Sinterização de AI2O3 41 2 .3 SISTEMA DE MEDIDA TERMOLUMINESCENTE 4 3
2.3.1 Leitor TL 43
3 M A T E R I A I S E M É T O D O S 4 6
3 .1 MATERIAIS 4 7
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS DE PARTIDA 4 7
3.2.1 Difratometria de raios X. 47 3.2.2 Determinação do tamanho médio de partícula 48 3.2.3 Determinação da superfície específica 48 3.2.4 Análise química 49
3 .3 MISTURA E COMPACTAÇÃO DOS PÓS 4 9
3 . 4 SINTERIZAÇÃO 5 0
3 .5 CARACTERIZAÇÃO DAS PASTILHAS SINTERIZADAS 5 1
3.5.1 Difração de raios X 51 3.5.2 Análise microestrutural das amostras por MEV. 52
3 . 6 MEDIDAS DE TERMOLUMINESCÉNCIA 5 4
3.6.1 Sistemas de irradiação 54 3.6.1.1 Radiação gamma 5 4 3.6.1.2 Radiação X 5 4 3.6.1.3 Sistemas auxiliares 55
3.6.2 Sistemas de leitura TL 55 3.6.3 Caracterização TL 57 3.6.4 Dosímetros comerciais 59 3.6.5 Fluxograma do procedimento experimental 60
4 R E S U L T A D O S E D I S C U S S Ã O 6 1
4 .1 CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS 6 1
4.1.1 Distribuição de tamanho médio de partícula 61 4.1.2 Difração de raios X dos materiais utilizados 62 4.1.3 Análise de superficie 63 4.1.4 Análise química 63
4 . 2 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DAS PASTILHAS SINTERIZADAS 6 4
4.2.1 Análise por difração de raios X 64 4.2.2 Densidade 67 4.2.3 Análise microestrutural por ME V. 68
4 . 3 CARACTERIZAÇÃO T L 7 8
4.3.1 Reprodutibilidade e calibração individual dos TLDs 78
V I
4.3.2 Curvas de Em issão TL 80
4.3.3 Curva de Resposta TL em Função da Dose 81
4.3.4 Decaimento Térmico 83
4.3.5 Limite Mínimo Detectável 84
4.3.6 Dependência Energética 84
C O N C L U S Õ E S 8 8
R E F E R Ê N C I A S 9 0
•UViiSSAO NACIONAL CE ENERGIA NUCLEAR/SP m»
V I
4.3.2 Curvas de Em issão TL 80
4.3.3 Curva de Resposta TL em Função da Dose 81
4.3.4 Decaimento Térmico 83
4.3.5 Limite Mínimo Detectável 84
4.3.6 Dependência Energética 84
C O N C L U S Õ E S 8 8
R E F E R Ê N C I A S 9 0
•UViiSSAO NACIONAL CE ENERGIA NUCLEAR/SP m»
1 INTRODUÇÃO
A dos imet r ia te rmo luminescen te (TL) é a med ida de doses de
rad iação por meio de mater ia is que emi tem energ ia durante
aquec imen to e esta energ ia pode ser re lac ionada à dose de rad iação
an te r io rmente receb ida . Esses mater ia is são chamados de dos ímet ros
t e rmo lum inescen tes (TLDs) t^'^-^l.
A impor tânc ia no desenvo lv imen to de um mater ia l para dos imet r ia
está assoc iada ao grau de comp lex idade que envo lve as vár ias
ap l i cações onde são necessár ias med idas de energ ia por un idade de
massa (dose) ' ' * '^ l Entre as ap l i cações pode-se ci tar :
1. Dosimetria pessoal - mon i to ramento da dose de rad iação recebida
por pessoas que t raba lham ro t ine i ramente com rad iações em
reatores ou técn icos em rad iod iagnós t i co e rad io te rap ia em
hosp i ta is .
2. Dosimetria ambiental - mon i to ramento da dose de rad iação cr iada a
part i r das operações em us inas nuc leares , ou out ros t ipos de fontes
nuc leares , e o impacto dessa dose para o meio amb ien te .
3. Dosimetria clínica - mon i to ramento da dose quando há expos ição
de pac ien tes à rad iação nos d iagnós t i cos em med ic ina e durante
terap ias^^ l
4. Dosimetria de altas doses - mon i to ramento dent ro de reatores
nuc leares ou durante a es te r i l i zação de a l imen tos .
OiwtJiAU NAL
5. Dosimetria em datação - determinação da idade de um material, na
qual a termoluminescéncia natural é acumulada durante o seu tempo
de existência^^'.
A escolha do TLD para uma dada aplicação depende não somente
do material mas também de outros fatores tais como tamanho,
espessura do sólido, a resistência no manuseio, a resistência a fatores
externos como luz, umidade e agentes químicos, para torná-lo
adequado para a utilização e facilitar a sua leitura nos equipamentos
após a exposição à radiação.
Os materiais dosimetricos mais utilizados são à base de LiF,
C a F 2 , CaS04, L Í2B4O7, A I2O3, BeO e MgB407 puros ou dopados com
uma grande variedade de elementos. Em alguns casos, são utilizados
materiais enriquecidos isotópicamente. Atualmente, são encontrados
trabalhos para dosimetria com uma grande variedade de materiais
como diamante em pó, quartzo sintético e natural, sílica entre
outros^^'^'^1 Comercialmente os dosímetros são fornecidos em várias
geometrias, com filtros e embalagens bastante diferenciados.
Em dosimetria clínica, particularmente nos procedimentos em
radioterapia, o dosímetro mais utilizado atualmente é o LiF:Mg,Ti
(TLD 100)'^° '^^' , enquanto para outras aplicações médicas utiliza-se o
CaS04 :Dy (TLD 900) . Os dosímetros comerciais de A I 2 O 3 são
monocristalinos como o TLD 500 (Harshaw) e o Luxei (Landauer). O
dos ímet ro de a - A Í 2 0 3 : C apresenta sens ib i l i dade 30 vezes maior do que
os dos ímet ros baseados em LiF, de acordo com os dados do fab r i can te
e de 30 a 70 vezes mais sensíve l de acordo com out ros estudos^^^"^'*',
por isso, são ind icados para ap l icações em dos imet r ia amb ien ta l (doses
ba ixas) . O cus to por g rama de mater ia l para os dos ímet ros comerc ia is
c i tados ac ima é, compara t i vamen te , de 1 , para o TLD 100, 1,5 para o
TLD 900 e 5,9 para o TLD 500. O custo é fa tor impor tan te em
rad io terap ia onde , dependendo do t ra tamen to , podem ser necessár ios
mais de 20 dos ímet ros pos ic ionados ao longo do corpo do pac ien te ,
durante a expos ição à radiação^^^'^^"^^'.
Uma a l te rna t iva para a d im inu ição do custo em re lação ao
monocr is ta l de AI2O3 é a obtenção de past i lhas pelo processo
convenc iona l ce râmico . Nesse caso ser iam obt idas pas t i lhas de AI2O3
s in te r i zadas com poss ib i l i dades de dopagens . Se as p ropr iedades
te rmo luminescen tes fo rem re la t ivamente mant idas para o mater ia l
s in te r izado poder -se- ia cr iar uma a l te rnat iva mais conven ien te de
ob tenção do mater ia l tanto em custo quanto em cond ições de
manuse io .
O ob je t ivo do p resente t raba lho é es tudar a in f luênc ia da
mic roes t ru tu ra , p r inc ipa lmen te o tamanho de g rão , e da ad ição de
graf i te , nas p rop r iedades te rmo luminescen tes da a lumina s in te r i zada ,
para ut i l ização do mater ia l como dos ímet ro .
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Neste capí tu lo serão ap resen tados os mode los teó r i cos ut i l izados
para exp l icar o fenômeno da t e rmo lum inescénc ia . Para isso são
ut i l izados a lguns conce i tos sobre a teor ia das bandas e c r is ta is ión icos.
Também serão u t i l i zados os conce i tos de dos imet r ia t e rmo lum inescen te
e de f in ições de a lgumas p ropr iedades de mater ia is para dos imet r ia
t e rmo lum inescen te .
2 . 1 T e o r i a das Bandas
Um cr is ta l cons is te de um ar ran jo t r i d imens iona l per iód ico de
á tomos, sendo que os e lé t rons podem estar em níve is de energ ia
permi t idos . Esses níveis de energ ia permi t idos são chamados de
bandas de energ ia . As bandas de energ ia são separadas por bandas de
energ ia p ro ib idas . A ocupação de qua lquer banda é dada pela função
de dens idade de es tados
N(Ei) = Z(Ei ) . f (Ei ) (2.1)
onde Z(Ei) : dens idade dos es tados d isponíve is
f (Ei ) : função de d is t r ibu ição de Fermi - D i rac, dada por
f(Ei) = ^ (2.2) exp [ (E i -E f ) / kT ] + 1
onde Ei : energ ia do es tado cons iderado
Ef : energ ia de Fermi
l< : cons tan te de Bo l tzmann
T : t empe ra tu ra (K)
Em um semicondu to r ou iso lante à tempera tu ra T = O K, a banda
de va lenc ia (BV) é fo rmada por todos os níve is de energ ia p reench idos
abaixo do nível de Fermi . Os níveis pe rm i t i dos , ac ima do nível de
Fermi , encon t ram-se vaz ios e cons t i tuem a banda de condução (BC). A
representação esquemát i ca das bandas de energ ia , para T= O K, é
most rada na F igura 2 . 1 .
''' ' banda semi preenchida / - / y .
^ ' <•> <•> <. <. -•<•
-•//•sy.v.w.v.
banda preenchida
metal
, banda preenchida %
-• •>( , - •<.><•^^<>-••5.¿•^
• \ /
semicondutor isolante
Figura 2.1 Represen tação esquennática das bandas de energ ia para
T = O K, (a) em um meta l , (b) em um semi -condu to r , (c) em
um iso lan te , onde Eg : la rgura da banda pro ib ida,
Ef : energ ia de Fermi .
A incorporação de impurezas ou a fo rmação de de fe i tos na rede
c r is ta l ina in t roduz níve is de energ ia metaes tave is l oca l i zados na banda
pro ib ida , denominados armadi lhas '^ ' . Estas a rmad i l has são cons t i tu ídas
de cent ros de e lé t rons ou buracos , como most rado na F igura 2.2. Os
níve is de energ ia abaixo de Ef estão p reench idos , enquan to que os
níve is ac ima, estão vazios '^ ' .
armadilhas
centros de M
recombinação
armadilhas
{
. : .•- . " .
B.C.
{
} centros de
elétrons
centros de
buracos
Figura 2.2. Represen tação esquemát ica dos n íve is de energ ia em um
iso lante à T = O K, onde BC : banda de condução , BV
banda de va lênc ia . De n ível de energ ia com
probab i l i dade de a rmad i lhamen to e recomb inação para
e lé t rons , Dh : nível de energ ia com probab i l i dade de
a rmad i l hamen to e recomb inação para buracos ,
Ec energ ia de fundo da banda de condução ,
Ev energ ia de topo da banda de va lênc ia ,
Ef energ ia de Fermi '^'.
Para tempera tu ras ac ima de O K, de f ine-se um nível de energ ia
D, no qual as p robab i l i dades de recombinação e a rmad i l hamen to são
iguais (De para e lé t rons e Dh para buracos) . Todos os níve is com
energ ia E, onde E > Ec - De e com E<Dh - Ev, são cons ide rados
cent ros de a rmad i l has , e se Dh-s^C E ^ D e , os níve is de energ ia são
cons iderados cen t ros de recombinação .
2 , 1 . 1 Termoluminescéncia
Termo lum inescénc ia (TL) é a emissão de luz pela es t imu lação
térmica após absorção prévia de energ ia da rad iação . Esse fenômeno
também é chamado de luminescênc ia te rm icamen te es t imu lada (TSL)
mas essa denom inação , apesar de mais cor re ta , é menos usada ^^'^-^K
Quando um cr is ta l a uma tempera tu ra T, é expos to à rad iação
ion izante , são p roduz idos pares e lé t rons -buracos , que migram até se
recomb inarem ou se rem recapturados em a rmad i lhas . Este processo é
i lust rado na Figura 2.3 que mostra um d iagrama h ipo té t ico de energ ia
para um cr is ta l iso lante e que exibe TL dev ido à expos ição à rad iação.
A rad iação ion izante l iber ta um e lé t ron da BV levando-o para a
BC, por tan to , de ixando um buraco na BV, esse p rocesso é i lus t rado na
Figura 2.3 (a) . O e lé t ron e o buraco se movem no cr is ta l até que se jam
recomb inados ou a rmad i l hados em estados me taes tave i s . Os es tados
metaes tave is num cr is ta l são assoc iados a de fe i tos na rede cr is ta l ina .
Ex is tem duas mane i ras nesse modelo , pe las qua is a TL ocor re . Na
pr ime i ra , enquan to o cr is ta l é aquec ido , é dada energ ia su f i c ien te ao
e lé t ron para que es te de ixe a BC, como i lus t rado na F igura 2.3 (b).
Esse e lé t ron se recombina com uma armadi lha de buraco e emi te TL.
Também pode ocor rer a s i tuação i lust rada na F igura 2.3 (c) , quando a
armad i lha de buraco é menos es táve l que a de e lé t ron . Nesse caso, o
buraco recebe su f i c ien te energ ia para se recombinar com um e lé t ron
a rmad i lhado , e também há emissão TL.
armadilha de
elétron
an'nadilha de
buraco T
BC.
fóton TL foton TL
( a ) ( b ) ( c )
Figura 2.3. Represen tação esquemát ica de um d iag rama de níve is de
energía de um cr is ta l iso lante que ex ibe
te rmo luminescénc ia após uma i r rad iação (a) duran te a
expos ição à rad iação ion izante (b) emissão de luz durante
o aquec imento quando a a rmad i lha de buraco é o cent ro
de emissão (c) emissão de luz durante o aquec imen to
quando a a rmad i lha de e lé t rons é o cent ro de em issão ' ^ ° l
O in te rva lo de energ ia , E, é re lac ionado com a tempera tu ra
necessár ia para l ibertar o e lé t ron e então produz i r a
t e rmo lum inescénc ia . Mui tas a rmad i lhas de e lé t rons e de buracos são
p roduz idas em uma s i tuação rea l . Quando um cr is ta l é aquec ido , a
p robab i l i dade de emissão de qua lquer e lé t ron aumenta , e em uma dada
1 0
t empera tu ra haverá a emissão. Por isso a emissão TL durante o
aquec imen to se in ic ia f raca , c resce até um máx imo de emissão e
decresce novamente até um mín imo de emissão. O grá f ico da emissão
TL em função da tempera tu ra é chamado de curva de emissão . A forma
de uma curva de emissão pode ser prev is ta teo r i camente para um t ipo
único de a rmad i l has e para aquec imento com taxas l ineares .
Na maior ia dos mater ia is não é encont rado só um t ipo de
armad i lha e a curva de emissão cons is te de a lguns p icos. Os picos
observados na curva de emissão podem se apresen ta r próx imos
quando as d i fe renças de energ ia das armadi lhas são pequenas ou
quando o aquec imento do mater ia l for rápido. Se a energ ia E,
necessár ia para o desarmad i lhamento é mui to pequena, a a rmad i lha
pode ser ins táve l à tempera tura amb ien te . Esse efe i to é conhec ido
como f l uo rescênc ia , quando a emissão ocorre durante a expos ição , e,
f os fo rescênc ia , quando a emissão ocor re após a expos ição '^*^'. Os dois
fenômenos são na verdade emissões TL à tempera tu ra ambiente'^ '^ '^^ ' .
O es tudo da te rmo luminescénc ia é baseado em mode los que
descrevem o número de cent ros e de cargas presentes re la t ivos ao
tempo e à tempera tu ra . A equação que re lac iona a p robab i l i dade de
emissão TL com a tempera tu ra parte da h ipótese que a energ ia dos
e lé t rons a rmad i lhados segue uma d is t r ibu ição de Bo l tzman, pela teor ia
da cauda de Maxwe l l , ou seja, após a absorção de energ ia E, os
OMiSSAO WAC;CNH OE ENERGIA NUCLEAH/SP »Pfc*
11
e lé t rons que es tão a rmad i lhados são l iberados para a banda de
condução , con fo rme uma d is t r ibu ição Maxwe l l i ana de energ ia
O modelo mais s imples descr i to por vár ios au tores é o de Randal l
e Wi lk ins t^^^.a.is] cons idera a p resença de um ún ico nível de
energ ia . Por tan to , há um único t ipo de a rmad i lha na banda pro ib ida.
Esse nível de energ ia é loca l izado ent re as bandas de va lênc ia e de
condução do mate r ia l . Ass im, também se conc lu i que o e lé t ron te rmo-
es t imu lado tem probab i l i dade desprez íve l de ser rea rmad i l hado e vai
d i re to para o cent ro de luminescênc ia , o que cons is te em uma base
para uma c iné t i ca de 1^ ordem ( l inear) para o p rocesso . Vár ios outros
modelos são propos tos para o estudo do fenômeno '^', e a inda mui tos
outros estão sendo estudados'^°"^'* ' .
A taxa de desarmad i lhamen to , a uma tempera tu ra T, depende da
dens idade das a rmad i lhas ocupadas n, da energ ia de a t i vação térmica
E (bar re i ra de potencia l ) e do t ipo de a rmad i lhas . A taxa de
desa rmad i l hamen to pode ser expressa por :
-dn/d t a n exp (-E/kbT) (2.3)
-dn /d t = s n exp (-E/kbT) (2.4)
12
onde s é urna cons tan te conhec ida como fa tor de f requênc ia (com
d imensão de s tempo '^ ) , e kb é a cons tan te de Bo l tzman
(0,862x10"* eV.K- ' ' ) .
A aná l i se dos picos da curva de emissão TL fo rnece vár ias
in formações como nível de energ ia das a rmad i lhas , dens idade das
a rmad i lhas de e lé t rons e buracos , fa tor de f requênc ia s, mob i l idade de
por tadores e recomb inação de a rmad i lhas .
Durante o processo de emissão TL, a lém das curvas de emissão,
se um espect ro de emissão ( in tens idade TL em função do compr imento
de onda da energ ia emi t ida) for também obt ido , então poderão ser
es tudados os cent ros de luminescênc ia .
13
2 . 1 . 2 D e f e i t o s cr istal inos
Um cr is ta l é de f in ido como um ar ran jo t r i d imens iona l per iód ico de
átomos'^^ ' . Os mater ia is cerâmicos por de f in ição são compos tos por
pelo menos 2 e lementos , e por essa razão suas es t ru tu ras c r is ta l inas
se to rnam mais comp l i cadas do que as es t ru tu ras dos meta is que
no rma lmen te possuem só um t ipo de á tomo.
Todos os cr is ta is são neut ros e le t r i camente , ou seja, a soma das
cargas pos i t i vas é equ i l ib rada por um número igual de cargas
negat ivas . Por exemp lo , na a lumina , cada 2 cá t ions A l ^ * têm que ser
equ i l i b rados por 3 ân ions de 0^ ' , como na fó rmu la AI2O3. Essa
ex igênc ia também vai l imitar o t ipo de es t ru tura que os íons podem
assumir '^^ ' .
As es t ru tu ras c r is ta l inas reais contêm imper fe i ções que são
c lass i f i cadas como defe i tos pontua is , l ineares ou p lanares . Os defe i tos
puntuá is são def in idos como qua lquer ponto na rede que não está
ocupado pe lo íon ou átomo, necessár io para p reservar a per iod ic idade
da es t ru tu ra . Defe i tos l ineares são causados por des locamen tos que
levam a d is to rções cent radas em uma l inha da es t ru tu ra c r is ta l ina . Os
defe i tos p lanares são imper fe ições em só l idos po l i c r i s ta l inos como os
con to rnos de grãos , onde ocor rem d i fe ren tes o r ien tações .
14
Além desses t ipos de defe i tos , a inda podem ocor rer defe i tos
vo lumét r i cos como poros , t r incas e inc lusões .
Os defe i tos iden t i f i cados como responsáve is pe las p ropr iedades
TL na AI2O3 são as vacânc ias de oxigénio '^^ ' , por isso somente os
defe i tos pontua is serão mais de ta lhados neste tóp ico .
Os defe i tos pontua is podem ser subd iv id idos em:
es tequ iomét r i cos , não es tequ iomét r i cos e ex t r íns icos .
Os defe i tos es tequ iométr icos são os que não apresentam
var iação na es tequ iomet r ia para o cát ion e o ân ion do composto , e
nessa c lass i f i cação encont ram-se os defe i tos Schot tky (vacânc ia na
rede c r is ta l ina co r responden te à ausênc ia de um á tomo ou íon) e
Frenke l (des locamento de um átomo da rede para uma pos ição
in ters t ic ia l ) .
Os de fe i tos não es tequ iométr icos são f o rmados pe la ad ição ou
perda de um (ou mais de um) dos cons t i tu in tes do cr is ta l .
S imp lesmente o número es tequ iomét r i co ent re os cons t i tu in tes do
mater ia l pode não ocorrer . Por exemplo , se um óx ido é submet ido a
t ra tamentos em a tmosferas com al tas pressões parc ia is de ox igên io ,
então o número de á tomos de ox igên io poderá ser maior que o número
es tequ iomét r i co de cát ions e ana logamente , em ba ixas pressões
parc ia is de ox igên io , haverá maior concent ração de cá t ions do que as
15
quan t idades es tequ iomét r i cas . A impor tânc ia dos defe i tos não
es tequ iomét r i cos está no fa to de que pequenas mod i f i cações na
compos ição do mater ia l levam a a l te rações em a lgumas p ropr iedades
como cor, d i fus i v idade , condu t i v idade e lé t r ica , f o tocondu t i v idade ,
susce t ib i l i dade magnét i ca , etc.
Os de fe i tos ex t r íns icos são cr iados pela p resença de impurezas
no mater ia l base.
Os defe i tos pontua is em um composto b inár io podem ser
d iv id idos em :
1. Vacânc ias , que são sí t ios onde há fa l ta de um á tomo.
2. In ter t ic ia is , que são átomos não per tencen tes à rede e que ocupam
sí t ios vaz ios na rede ( in ters t íc ios) .
3. Á tomos t rocados , que são t ipos de á tomos encon t rados em sí t ios
no rma lmen te ocupados por out ros t ipos de á tomos . Esse t ipo de
defe i to ocor re em cerâmicas cova len tes .
4. E lé t rons l ivres que estão na banda de condução do c r i s ta l .
5. Buracos de e lé t rons , p resentes na banda de va lênc ia do cr istal e
que podem se mov imentar a t ravés de la .
6. Impurezas in ters t ic ia is e subs t i tuc iona is , que são á tomos não
per tencen tes à rede e ocupam pos ições de á tomos que per tenc iam à
rede (subs t i tuc iona is ) ou que ocupam sí t ios vaz ios na rede
( in te rs t i c ia is ) .
16
2 . 1 . 3 Dosimetr ía Termoluminescente
O ob je t i vo da dos imet r ía t e rmo lum inescen te é de te rm inar quanto
de energ ia por un idade de massa do mater ia l (dose) foi absorv ida
durante a i r rad iação. Determina-se essa dose pelo acompanhamen to da
emissão da energ ia do mater ia l p rev iamente expos to , duran te o seu
aquec imento . São obt idas , então medidas de in tens idade de luz
( in f raverme lha , v is íve l ou ul t ra violeta) '^ '^ '^ ' .
Os mater ia is , que possuem propr iedades te rmo luminescen tes e
que podem ser usados como dos ímet ros , são chamados de dos ímet ros
te rmo luminescen tes (TLDs) .
Nos ú l t imos 15 anos os TLDs subst i tu í ram a dos imet r ia com f i lmes
e se to rnaram muito popu la res por vár ias carac te r ís t i cas e van tagens
em re lação à dos imet r ia com f i lmes . Entre e las podem ser c i tadas seu
pequeno t amanho , fác i l manuse io , al ta sens ib i l i dade em uma fa ixa de
dose espec í f i ca para cada mater ia l , res is tênc ia e inérc ia a var iações
c l imát icas , poss ib i l i dade de reu t i l i zação em um grande número de
i r rad iações e c ic los de lei tura'^ ' ' ' .
Ex is tem a lgumas impor tan tes carac te r ís t i cas dos imé t r i cas , que
devem ser a tend idas por um mater ia l para que este seja cons iderado
dos imét r ico . O mater ia l ideal deve conter um único p ico de emissão em
torno de 200° C, porque os s is temas de le i tura TL na fa ixa de
17
t empera tu ra de 170 - 230° C são mais precisos'^ '" ' . Também picos de
emissão aba ixo de 250°C ev i tam in te r fe rênc ia da incandescênc ia dos
e lementos de aquec imen to . Mater ia is que apresen tam múl t ip los picos
de emissão e com mesma magn i tude também não são adequados à
dos imet r ia . Outra carac te r ís t i ca dese jáve l para um mater ia l TL é a
resposta l inear com a dose de i r rad iação. D i f ic i lmente se encon t ra em
um único mater ia l todas essas carac te r ís t i cas . Por essa razão ex is tem
dos ímet ros mais ind icados para uma ap l i cação espec í f i ca enquanto são
inadequados para outras'^^ ' .
2 . 1 . 4 Propriedades de mater ia is para a dosimetr ía T L
A segui r , são d iscu t idas a lgumas p ropr iedades impor tan tes para
mater ia is u t i l i zados como TLDs .
2.1.4.1 Curva de emissão te rmoluminescente
A curva de emissão é def in ida como sendo a in tens idade da luz
emi t ida pelo mater ia l TL em função da tempera tu ra ou do tempo de
aquec imento .
18
Quando um mater ia l TL é i r rad iado, e pos te r io rmente aquec ido ,
os e lé t rons l iv res ocupam a banda de condução em número c rescen te .
O e lé t ron recap tu rado pode escapar novamente e a taxa de recaptura
d iminu i pode também ser rea rmad i l hado ou se recombinar
p roduz indo TL .
Como as med idas TL estão d i re tamente l igadas à curva de
emissão TL, para melhor compreensão e aná l i se , e la será mais
adequada quando não for mui to complexa , ou se ja , quando o mater ia l
não apresentar p icos de emissão TL sobrepos tos , d i f i cu l tando a aná l ise
dos resu l tados .
O espec t ro de emissão é a var iação da in tens idade TL com o
compr imento de onda da luz emi t ida . Man tendo-se a tempera tu ra
cons tan te e rea l i zando-se uma var redura em compr imen tos de onda,
ob tém-se o espect ro de emissão.
2.1.4.2 Sens ib i l idade
A sens ib i l i dade de um mater ia l TL é de f in ida como a in tens idade
de sinal TL por un idade de dose absorv ida . A de f in ição desse
parâmet ro de fo rma abso lu ta é d i f í c i l , porque essa respos ta também vai
depender dos s is temas de le i tura TL usados nas med ições , dos f i l t ros
ót icos u t i l i zados, das taxas de aquec imento e dos métodos u t i l i zados
para medir o s inal TL. Ass im sendo, é usado uma med ida re la t iva de
l i
sens ib i l i dade para evi tar as incer tezas assoc iadas com a med ição
abso lu ta .
Os va lores de sens ib i l i dade gera lmente são re fe r idos ao
L iF(TLDIOO) para o qual se adota como tendo sens ib i l i dade igual à 1 ' * ' .
S ( D ) = F ( D ) , r , a t e r i a | / F ( D ) T L D 1 0 0 (2.5)
onde S ( D ) é a sens ib i l i dade re lat iva à sens ib i l i dade do TLD 100, F ( D )
é a sens ib i l i dade do mater ia l e F(D)TLDIOO é a sens ib i l i dade do
TLD100 , medidas nas mesmas cond ições .
Como a resposta TL dos mater ia is apresen ta também
dependênc ia de out ros fa tores , como já c i tado, no rma lmen te a
sens ib i l i dade é ind icada junto com a fa ixa de dose u t i l i zada , bem como
a taxa de aquec imen to e res f r iamento , a lém de out ras in fo rmações
re ferentes ao método e s is temas de le i tu ra .
2 0
2 . 1 . 4 .3 L i m i t e m í n i m o d e t e c t á v e l
A dose mín ima detec táve l é de f in ida como sendo três vezes o
desv io padrão do s inal de um dosímet ro que não fo i exposto à
radiação'^ ' . Essa de f in ição se apl ica ao mater ia l e ao s is tema TL. Com
re lação ao mate r ia l , fa to res como a fo rma, o tamanho , o p rocesso de
const rução, os f i l t ros além dos ins t rumentos de le i tura , a lgor i tmos e
rot inas de aná l i se têm que ser def in idos em con jun to com os va lores
apresen tados . O l imi te c i tado é, por tan to , uma fo rma de prever a dose
mínima de tec táve l de cada mater ia l
2 . 1 . 4 .4 R e s p o s t a em f u n ç ã o da d o s e a b s o r v i d a
A resposta à dose é def in ida como uma função que depende da
in tens idade do sinal TL medido em função da absorção de dose ' ' ' l A
função de respos ta de dose (ou índice de supra l i near idade) pode ser
descr i to como f (D) , con fo rme a expressão:
f (D) = [ F ( D ) / D ] / [ F ( D i ) / D i ] (2,6)
onde F(D) é a resposta de dose a uma dose D, e Di é a dose mais
baixa onde a resposta é l inear.
O dos ímet ro ideal dever ia , por tanto, ter f (D) = 1 para uma ampla
fa ixa de dose, o que não ocorre nos casos reais . A supra l i near idade é
21
def in ida como f (D) > 1, que é um compor tamen to mais comum nos
mater ia is , enquanto que a sub i inear idade , def in ida como f (D) < 1, é
gera lmente observada quando o mater ia l se aprox ima da sa tu ração .
O que se dese ja de um TLD é que ele ex iba uma re lação l inear
entre a in tens idade te rmo luminescen te e a dose absorv ida . A
in tens idade te rmo luminescen te emi t ida por um mater ia l deve ser
p roporc iona l à soma das energ ias absorv idas por esse mater ia l . As
curvas de resposta de um dos ímet ro TL em função da dose
compreendem, ge ra lmen te , uma região l inear, out ra supra l inear e uma
te rce i ra de sa tu ração ( tanto por a rmad i lhas to ta lmente che ias quanto
por dan i f i cação p rovocada pela rad iação) '^^
As reg iões de supra l inear idade e sub i i nea r idade quando o
mater ia l se aprox ima da sa turação pode levar a um cá lcu lo de dose
super ou subes t imado respec t i vamen te .
A F igura 2 .4 , i lust ra as curvas de t rês mater ia is TLDs t íp icos , a
curva A per tencen te ao S Í O 2 most rando o compor tamen to supra l inear , a
curva B most ra um desenvo lv imen to supra l inear e em segu ida sub l inear
no L iF :Mg,T i (TLD-100) , enquanto que no C a F 2 : M n (TLD-400)
most rado na curva C, p ra t i camente toda a reg ião na fa ixa de dose
observada é l inear, as t rês curvas foram observadas para a fa ixa de
dose de 0,5 a IO'* Gy.
22
Dose (Gy)
Figura 2.4 Exemplo de comportamentos TL de três TLDs típicos, onde é mostrada a resposta TL em função da dose, em A para o SÍO2, em B para LiF:Mg,Ti (TLD 100) e em C para o CaFziMn (TLD 400)
Os compor tamen tos supra l inear e sub l inear que são observados
na maior ia dos TLDs, não proíbem o seu uso, mas ex igem uma
cu idadosa ca l ib ração e ap l icação de fa to res de correção'"*'^'.
A curva de var iação da resposta TL em função da dose absorv ida
é obt ida para cada t ipo de TLD, onde se ident i f ica a reg ião (ou fa ixa de
dose) onde o dos ímet ro apresenta resposta l inear. Essa fa ixa de dose
ser ia , por tan to , a mais ind icada para a u t i l i zação do mater ia l .
23
2.1.4.5 Dependência da resposta TL com t ipo de rad iação
O número a tômico e fe t ivo Zeff de um compos to pode ser de f in ido
como o número que resu l ta no mesmo efe i to para uma def in ida
g randeza f ís ica como a soma dos efe i tos dos seus d i fe ren tes
e lementos . A de te rminação do Zeff depende da seção de c í ioque usada
na sua der i vação e para isso são u t i l i zados vár ios modelos
matemát i cos . Levando-se em conta o p rocesso fo toe lé t r i co , o Zef f pode
ser de f in ido como :
Zeff"' = 1 (ne, i ) /ne) Z i " ' (2.7)
onde : ne é o número de e lé t rons de cada e lemento
m é um fator que depende da energ ia
Já são encont rados tabu lados os va lores para Zeff, l evando-se em
conta as in te rações e a energ ia para a maior ia dos e lementos com Z
entre 1 e 100 e para um grande número de compos tos comuns,
fac i l i t ando a u t i l i zação do Zeff na dos imet r ia .
A resposta a uma de te rm inada energ ia é de f in ida como a var iação
de respos ta TL em função da energ ia da rad iação. Essa va r iação está
re lac ionada ao coef ic ien te de absorção do mater ia l que está sendo
i r rad iado. Para i r rad iações com fó tons , o coe f ic ien te de absorção de
24
energ ia máss ico , e rep resen tado por \ieJ p com un idades no S . l . dadas
em m^/kg"V
A respos ta a energ ias de fó tons S E ( E ) é de f in ida como :
S E ( E ) = (| Ien/p)material / (|ien/p)referência ( 2 . 8 )
O mater ia l u t i l i zado como re fe rênc ia no rma lmen te é o ar . Para
compos tos ap l i ca -se a lei das mis turas :
(Hen /p ) = S ( H e n / p ) i W i ( 2 . 9 )
onde Wi é a f ração molar do iés imo e lemento
A perda de energ ia ocor re pelo e fe i to fo toe lé t r i co , e fe i to Compton
e p rodução de pares. O processo que será dominan te na in teração
depende da energ ia inc idente e do número a tômico e fe t ivo Zeff do
mate r ia l . A componen te do efe i to fo toe lé t r i co no coe f i c ien te de
absorção de energ ia mássico var ia com o Zeff^. A componen te dev ida
ao efe i to Compton var ia com Zeff / M, onde M é a massa mo lecu la r do
mater ia l do TLD. A componen te do coef ic ien te de absorção de energ ia
máss ico dev ida à produção de pares var ia com Zeff^. As in te rações
fo toe ie t r i cas dominam em energ ias ba ixas e o efe i to Comptom se torna
dominan te com o aumento de energ ia . A produção de pares é um efe i to
impor tan te a a l tas energ ias ( E > vár ios MeV ). O mecan ismo de perda
25
de energ ia dominan te para mater ia is de baixo número a tômico e fe t ivo é
o efe i to Compton para energ ias entre 25ke \ / e 10 MeV.
Para u t i l i zação prát ica do conce i to de dependênc ia de energ ia , é
def in ida a Respos ta Rela t iva à Energ ia ( R E R ) . A RER é a resposta de
energ ia a fó tons de energ ia E do mater ia l , re la t iva à resposta do
mater ia l a fó tons de 1,25 MeV do ^°Co, con fo rme a expressão 2.10 :
(RER) = S E (E ) / S E ( 1 ,25MeV^°Co) (2.10)
onde S E ( E ) é a resposta do mater ia l a fó tons de energ ia E e
S E ( 1 , 2 5 IVIeV " C o ) é a resposta do mater ia l a fó tons de 1,25
MeV emi t idos pelo ^°Co.
Na F igura 2.5, como i lus t ração, são most rados os resu l tados de
resposta re la t iva de energ ia de LiF( Zeff = 8,14) , CaFa e um mater ia l
h ipo té t ico com Zeff = 55. Desde que o compor tamen to ideal ser ia menor
dependênc ia com a energ ia da rad iação, os mater ia is com menor Zeff
mostram esse compor tamen to . Cons ide rando a inda que a maior
ap l icação de TLDs é para determinar a dose em tec ido humano, é
dese jáve l um mater ia l TLD equ iva len te ao tec ido , com Zeff = 7,4.
26
inêrgjâ ât fétsn§ (MêW)
Figura 2.5 Resposta re la t iva de te rmo luminescénc ia em função da energ ia para mater ia is com Zeff d i fe ren tes
A inda no mesmo mater ia l a forma (grãos, c r i s ta l , fa ixas , d iscos ,
etc) a l tera a dependênc ia enerçiét ica. O mesmo mater ia l com d i fe ren tes
dopantes apresenta d i fe rentes dependênc ias energé t i cas . A cor re lação
desses vár ios fa tores tem que ser fe i ta exper imenta lmente em cada
caso.
Os TLDs com al to número a tômico são chamados de dos ímet ros
d isc r im inadores e são usados aos pares, onde um deles é u t i l i zado com
27
Material Tecido humano LiF CaS04:Dy
Zeff 10,2i^J 8,ll^l 15,3i^'J
2.1.4.6 Reprodut ib idade de resposta
A reprodu t ib i l i dade de resposta de um mater ia l TLD é de f in ida como
o va lor do desv io padrão ca lcu lado na resposta da amost ra d iv id ido
pela média ob t ida nas le i turas, em termos pe rcen tua is . Por tanto , o
mater ia l com o menor desv io padrão nas le i turas é o mais reprodut íve l
sendo que, para dos imet r ia TL, este valor deve ser menor que 4 % .
R (%) = [on-i / X] 100 (2.11)
Onde R (%) é a reprodu t ib i l i dade , O n - i é o desv io padrão das le i turas
TL, e X é a média das le i turas de emissão TL no mesmo
mate r ia l .
f i l t ros metá l i cos . A co r re lação para cá lcu lo de dose equ iva len te no
tec ido é fe i ta por a lgor i tmos desenvo lv idos caso a caso .
Para e fe i to de comparação com o tec ido humano são dados na
Tabe la 2.1 o Zeff de a lguns dos ímet ros e mater ia is dos imet r i cos .
Tabela 2.1 Va lo res de Zeff para mater ia is dos imet r i cos
2a
2.1.4.7 Deca imento , estab i l idade química e té rmica
Deca imento é a d im inu ição da resposta TL ent re a i r rad iação e a
le i tura. Observa -se melhor essa a l te ração nos p icos de emissão TL de
baixa tempera tu ra (cons iderados ins táve is ) . Esses p icos podem ser
e l im inados submetendo-se o mater ia l dos imét r i co a t ra tamentos
té rmicos após a i r radiação'* '^ '^ ' .
O deca imento do s ina l TL pode ocorrer por es t imu lação ót ica das
a rmad i lhas , e fe i to também chamado de sens ib i l i dade do mater ia l à luz.
Outros e fe i tos também podem causar a d im inu ição da respos ta TL do
mater ia l como, por exemplo , fo rmação de óx idos , umidade ou
tempera tu ra a fe tando o mater ia l ou a sua superf íc ie '*-^ '^ ' .
Conc lu indo , ent re as p ropr iedades c i tadas nos i tens an ter io res
para a dos imet r ia TL, é bas tante d i f íc i l ob ter -se um ún ico mater ia l e
con f igu ração que apresen tem sa t i s fa to r iamente todas as p ropr iedades
c i tadas s imu l táneamen te . Essas carac te r ís t i cas i rão de te rminar a
e f ic iênc ia do dos ímet ro , mas a impor tânc ia re la t iva de cada
carac te r ís t i ca vai var iar com a ap l i cação especí f ica '^^ ' .
29
Por exemp lo , em ap l i cações dos imét r i cas para rad io te rap ia , o
l imite mín imo de tec táve l tem menor s ign i f i cado , mas a prec isão de
resposta a doses a l tas , a l inear idade de respos ta à dose, a
equ iva lênc ia com tec ido e res is tênc ia a danos por rad iação são
carac te r ís t i cas impor tan t íss imas . Por out ro lado, em dos imet r ia
ambienta l e pessoa l , onde dosímet ros sem t ra tamento prév io são
u t i l i zados, o s ina l res idua l é de impor tânc ia crucial '^^ '^^ ' .
2 . 2 M a t e r i a i s para TLDs
Entre os mater ia is dos imet r i cos u t i l i zados em larga esca la sob
vár ias fo rmas e com os mais var iados t ipos de f i l t ros , pode - se ci tar:
1. Fluoretos - como o L iF :Mg,T i que é o mater ia l TLD mais u t i l i zado e
ident i f i cado como TLD 100 pela Harshaw, sua fab r i can te ;
L iF :Mg,Cu,P e o L iF :Mg,T i (TLD 700) .
2. Óxidos - como AI2O3 ; A^Oa iC (TLD 500) ; a - A l 2 0 3 : M g , Y ; MgO e
BeO.
3. Sulfatas - como CaS04 :Dy (TLD 900) e C a S 0 4 : T m .
4. Boratos - como L Í2B407 :Cu ; L Í2B407 :Mn (TLD 800) e o
L Í2B407 :Mn,S i
Neste t raba lho , somente os mater ia is à base de a lumina serão t ra tados .
30
2 . 2 . 1 O dosímetro de A I2O3
A fo rmação de defe i tos pontua is na a lumina vem sendo es tudada
há décadas [26,29] PQ^Q Q c r iação de um defe i to na rede normal da
a lumina ( ret i rar um átomo de a lumin io ou um de ox igên io ) , é necessár io
uma energ ia mín ima de 50 eV ou energ ias maiores como a de e lé t rons
ráp idos ter iam que ser ap l i cadas para a geração desses defe i tos . As
rad iações ion izantes causam na a lumina e lé t rons l ivres e buracos e
estes são então a rmad i l hados em defe i tos na rede ou em defe i tos
ocas ionados por impurezas . Logo, as rad iações não cr iam novos
defe i tos na rede da a lumina, mas causam mudanças no estado das
cargas das impurezas ou no p reench imento das vacânc ias ex is tentes
pelos e lé t rons e buracos l ivres.
O modelo para a absorção e emissão das bandas de energ ia na
a lumina é bem def in ido para a lgumas das t rans fo rmações e out ras
a inda se encont ram em d iscussão As bandas com absorção em
6,1 eV e emissão a 3 eV são a t r ibu ídas ao centro F . As bandas com
absorção em 5,4 e 4,8 eV com emissão a 3,8 eV são a t r ibu ídas ao
cent ro F+'^^'. O pr inc ipa l espect ro de emissão do cr is ta l de a lumina
nomina lmente pura ocorre em 310 nm (emissão UV). Uma banda de
emissão com menor in tens idade em 3,8 eV ocor re em 326 nm, e
vár ios modelos são suger idos para a exp l i cação dessa emissão'^ ' .
OWiSSAO NACCNAL DE ENERGIA NUCLEAR/SP « m
31
Alguns au to res a t r ibuem essa emissão aos cent ros F+ ou a íons AI +
interst ic ia is '^^ ' , em out ros estudos foi most rado que essa emissão é
composta de do is espec t ros a 310 e 330 nm, também a t r ibu ídos à
emissão nos íons AI+ e aos cent ros F+
2 . 2 . 2 E s t r u t u r a do AI2O3 1
A es t ru tu ra do AI2O3 é hexagona l compacta com os pa râmet ros de
rede da cé lu la un i tár ia de Co = 12,991 A e a o = 4 ,758 A [29,30]
O AI2O3, também conhec ido como a lumina, possu i a es t ru tura do
corundum, mater ia l de inc idênc ia natura l com a mesma compos ição . A
a lumina se apresen ta em vár ias fases , a mais es táve l é a a -a lumina .
Ainda se encon t ra o mesmo mater ia l re fer ido como saf i ra , nesse caso
ind icando a fo rma mono-c r i s ta l i na da a lumina, como base para o rubi e
para a saf i ra azul '^^'.
A a lumina é um cr is ta l baseado na es tequ iomet r ia 2:3 cát ion :
ân ion , onde os cá t ions que vão para a coo rdenação oc taedra l
p reenchem dois te rços dos sí t ios d ispon íve is , f i cando um terço dos
sí t ios vaz ios na estrutura '^° '^* ' .
I
32
A F igura 2.6 mostra um p lano da es t ru tura c r is ta l ina com vaz ios ,
onde foi rep resen tada a loca l ização de s i t ios oc taedra is entre 2
camadas de íons ox igên io (c í rcu los vaz ios) . Dois te rços dos espaços
são ocupados pelos íons do a lumín io (c í rcu los che ios) e um terço dos
espaços estão vaz ios ( rep resen tado por X).
Figura 2.6 Plano basal da alumina mostrando 2/3 dos espaços octaédricos vazios e um plano de ãnions '^*'.
A próx ima camada de cát ions tem a mesma con f igu ração de
co imé ia , mas des locada por um espaço a tômico, na d i reção do vetor 1
da F igura 2.6. Depois de uma nova camada de íons de ox igên io , uma
te rce i ra camada de cát ions é co locada , agora des locada na d i reção do
vetor 2. Se tomarmos um cor te perpend icu la r ao p lano do pape l , tem-se
o p lano { 1 0 1 0 } onde o ar ran jo de íons é most rado na F igura 2.7. A
es t ru tu ra se repete a cada 6 camadas , f o rmando uma cé lu la un i tár ia de
12,99 A , rep resen tada por Co na F igura 2.7.
Q
• U -
. r \ _ i r \ ...z. r \
• U
Q • O -
O - -
A ' )
î
e 1
A 1
B
A
( J) o^-
Figura 2.7. Represen tação do p lano ind icado pela l inha t race jada na F igura 2.6, que contém os íons de ox igên io , a lumín io e os vaz ios ind icados pelo X
Nos s i t ios da es t ru tu ra , onde 2 em cada 3 são ocupados pelos
cát ions (F igura 2.7) a repu lsão co lumb iana ent re os íons A l^ * causa
uma leve mov imen tação des tes para a pos ição ad jacente vaz ia . Na
es t ru tura de uma a lumina real os cá t ions fo rmam uma camada
l ige i ramente con t ra ída em vez da es t ru tura ideal rep resen tadas na
F igura 2.8. Os íons de ox igên io também são l ige i ramente des locados
da pos ição hexagona l ideal quando isso ocorre '^* ' .
Os cent ros de luminescênc ia e a exoemissão nos cr is ta is de
a -A^Oa podem ser fo rmados pelos cent ros F( vacânc ia de ox igên io com
dois e lé t rons) e F+(vacânc ia de ox igên io com um e lé t ron) . Nessas
34
vacânc ias , o cent ro F neut ro pode ser c r iado em co lo ração ad i t iva ou
subtrativa'^^' '^^^ O te rmo co lo ração subt ra t i va s ign i f i ca que o cent ro de
luminescênc ia ou cen t ro de cor resu l ta da ex t ração de á tomos de
ox igên io enquan to co lo ração adi t iva s ign i f i ca na saf i ra a in t rodução de
á tomos de alumínio'^"*'.
Os cent ros F+, responsáve is pelas p rop r iedades luminescentes
do mater ia l , são fo rmados p r inc ipa lmente depo is de i r rad iação com
neut rons ou em cr is ta is com impurezas como Mg, Ca ou C' "*^. A
a lumina é u t i l i zada como TLD, pois possu i os cent ros F de
luminescência'^ '* ' .
> ••>-?-<' : >- -%.L '•
4 * ,
F F " r i u \
O ' • H •••^ MJ i
o Sítios vazios
• A í : -
Figura 2.8 Representação da estrutura da célula unitária do AI2O3, mostrando somente as posições dos cátions e os sítios vazios '^*l
35
2 . 2 . 3 Propriedades termoluminescentes
O dos ímet ro t e rmo lum inescen te de a lumina monocr is ta l ina
dopado com carbono fo i desenvo lv ido por Akse i rod e Kortov na
Urais Po ly techn ica l Ins t i tu te . O func ionamento desse dos ímet ro se
baseia nos defe i tos an iôn icos obt idos no cr is ta l de óx ido de
alumina'^°"^^' . O dos ímet ro comerc ia l TLD 500 é um monocr i s ta l de
a lumina dopado com carbono durante a etapa de c resc imen to do cr is ta l
pelo método de Czocha isk i e con fo rme patentes'^^ '^^ ' . Esses
dos ímet ros vém sendo u t i l i zados , para dos imet r ia pessoa l e ambien ta l
em vár ios países , dev ido à sua al ta sens ib i l i dade (cerca de 60 vezes
mais sens íve l que o TLD de LiF)'^^"''^'. Me lhoras cons ide ráve i s nas
carac te r ís t i cas da te rmo luminescénc ia podem ser ob t idas pela
in t rodução in tenc iona l de vacânc ias de ox igén io na es t ru tu ra do AI2O3
[ 3 9 - 4 8 ]
Os dos ímet ros t e rmo lum inescen tes também são u t i l i zados em
medic ina d iagnós t i ca com rad iações ou em p roced imen tos de
rad io te rap ia onde é necessár ia a medição das doses ap l icadas ' "^ ' . O
dosímet ro de AI2O3 não é no rma lmen te ap l i cado em rad io te rap ia ,
porque nesse caso são u t i l i zadas doses al tas de rad iação gama da
ordem de dezenas de Gy' ' '^ '^° ' .
36
O grau de p rec isão razoáve l que os dos ímet ros possuem os
to rnam conven ien tes para uso prá t ico em cond ições encon t radas em
hosp i ta is . Existe uma var iedade de rad iações (e le t romagnét i cas ,
neut rons e par t ícu las ca r regadas) que são usadas nessas ap l i cações e
ex is tem mater ia is t e rmo luminescen tes mais conven ien tes para cada
uma dessas ap l i cações ' * ' .
Os mater ia is t e rmo lum inescen tes vêm sendo u t i l i zados para
es tudos c l ín icos pela co locação dos TLD 's antes da expos ição a
rad iações ion izantes durante p roced imentos de d iagnós t i co ou
rad io te rap ia . Os TLD's expostos são então re t i rados e ana l i sados . Por
esse processo são de te rm inadas as doses ap l i cadas a ó rgãos in ternos
cr í t icos duran te os p roced imentos .
As duas áreas de uso para expos ição c l ín ica à rad iação são :
rad io log ia de d iagnós t i co (expos ições a ra ios X em mamogra f ias ,
odon to log ia e out ros t ipos de d iagnós t i cos por imagem) e rad io te rap ia
( terap ia para vár ios t ipos de câncer ) . Os t ipos de rad iação ut i l i zados
vão de ra ios X (com energ ia de 10 keV), ra ios gama (de *^^Cs ou
^°Co), e lé t rons , par t ícu las pesadas ca r regadas e neu t rons . As fa ixas de
dose u t i l i zadas vão de 10"^ a 10"^ Gy em rad io log ia , podendo-se ut i l izar
doses maiores que 20 Gy na rad io te rap ia . Na rad io te rap ia , uma
est imat iva de dose de prec isão melhor do que ± s ^ õ o / o l i O ' ' ' ^ ' ' ' ^ ' ^ ^ ' ^ ^ ] ¿
37
dese jáve l , porque erros maiores podem afetar de modo negat ivo o
t ra tamento .
O TLD 500, AbOaiC na fo rma de monocr is ta l é ind icado para
doses ba ixas em uma fa ixa de dose de 0,05|aGy a 1Gy (dos imet r ia
ambien ta l e pessoa l ) dev ido à sua alta sensibi l idade'*^ ' ' ' ' * ' .
A p robab i l i dade de luminescênc ia e exoemissão descr i ta no
mode lo do p rocesso Auger '^ ' fo i observada com os cr is ta is com defe i tos
an iôn icos de a -A^Oa iMg e a - A ^ O a i C com os cent ros de a rmad i lhas de
impurezas. Ob t i ve ram-se me lhor ias nas carac te r ís t i cas dos imét r i cas do
a -AbOa pela inc lusão in tenc iona l de vacânc ias de ox igên io na sua
es t ru tu ra . Essa mod i f i cação na es t ru tu ra do a-AbOa é poss íve l pela
fusão na p resença de gra f i te em for tes cond ições redu toras e
sucess ivos res f r iamentos ráp idos ' ^ ^ ' ^ ^ i .
Por meio do acompanhamen to do espec t ro de emissão do
mater ia l du ran te o aquec imento , fo i fe i ta a supos ição de que as
impurezas de carbono subs t i tuem os íons de a lumín io na rede, nesse
caso se ob têm íons d iva len tes (C*^) subs t i tu indo íons t r i va len tes
(Al*^), o que leva à fo rmação dos cent ros de a rmad i l has /bu racos
responsáve is pela grande melhora nas p ropr iedades TL do mater ia l
[ 1 , 1 3 ]
38
Na ten ta t i va de se exp l icar a in f luênc ia do ca rbono no aumento
das p rop r iedades TL observadas no a-AlaOa, es tão sendo rea l i zados
es tudos para comparar os c r is ta is de a -A^Oa (puros) e o a - A ^ O a i C .
Para os do is cr is ta is são observados p icos de emissão TL e energ ias
de a t i vação co inc iden tes e por tan to os p icos observados são dev idos a
centros s imi lares '^^ ' . O espec t ro da fo to lum inescênc ia também se
mostrou o mesmo para os dois c r is ta is . Os fa tos descr i tos ind icam que
o mecan ismo da luminescênc ia no a-AbOa dos imé t r i co não é
c la ramente en tend ido . Aspec tos como dependênc ia TL com as taxas de
aquec imento do c r is ta l , in f luênc ia da dose de i r rad iação na forma do
pico de emissão e sens ib i l i dade do mater ia l à luz, a inda não são
expl icados '^^ ' .
A es t imat i va de d is t r ibu ição da dose absorv ida no in ter ior dos
detec tores TL, é impor tante para a prec isão, cons ide rando a manei ra
como a emissão ocor re ao longo do tempo, enquan to o aquec imen to
segue para a massa do detector . Foi desenvo lv ido um método para
de te rm inação da dose em função da p ro fund idade na espessu ra do TLD
antes de se cr iar uma fo rma de de te rminar a dose de rad iação . O
método ap resen tado exp l ica sa t i s fa to r iamente a d i fe renças nas curvas
de emissão obt idas para os TLDs'^^ ' .
Out ra carac te r ís t i ca do TLD tendo como componen te pr inc ipa l o
AI2O3 é o seu deca imento com o tempo e o seu deca imen to dev ido à
expos ição à luz'^^'. Foi observado que no TLD 500 (mode lo da
Vic to reen 2600-80) há deca imento induz ido por vár ios t ipos de luz, com
efe i to mais in tens i f i cado para luz f l uo rescen te do que para luz
i ncandescen te . Esse fa to faz com que os dos ímet ros devam ser
es tocados e manuseados com as dev idas p recauções l^a.ss]
mesmo ass im, fo i ve r i f i cado que o dos ímet ro TLD 500 apresen ta um
deca imento de 2 1 % após 3 meses de es tocagem no escuro e esse
deca imento não pode ser ev i tado s imp lesmente com manuse ies
apropriados'^^'^'* '^^].
No espec t ro de emissão TL do AbOa iC , é poss íve l ident i f icar o
p ico com máx imo de in tens idade, no compr imen to de onda de
A,=420nm. Na F igura 2.9 encon t ra -se uma curva da in tens idade de
luminescênc ia em função do compr imen to de onda e da tempera tu ra .
5 0 0
Figura 2.9 Curva de emissão TL para o Al203:C em função da temperatura e do comprimento de onda das emissões
40
Os cr is ta is a -A l203 :C são ut i l i záve is como de tec to res mui to
sensíve is para rad iações ion izan tes . A sens ib i l i dade , a forma e a
pos ição do pico dos imét r ico em torno de 190°C é dependen te da
concen t ração e t ipo de impurezas , das cond ições do c resc imento do
cr is ta l e dos t ra tamentos té rmicos apl icados'^^ '^^ ' .
Também fo ram tes tados pós de a -A l203 :C obt idos pe la moagem
do monocr is ta l e e les most raram dependênc ia do compor tamen to TL em
função do tamanho de par t ícu las '^^ ' . A sens ib i l i dade dos pós com
par t ícu las de tamanhos ent re 10 e 200|j.m foi de 10-20 vezes mais al ta
do que a do L iF :Mg,T i . Com grãos de SO-lOO^m a respos ta aumenta .
Com par t ícu las ac ima 100|am não ex is te aumento s ign i f i ca t i vo .
O a - A l 2 0 3 : C também foi tes tado como dos ímet ro de emissão
exoe le t rôn ica EEDs para rad iações p e o compor tamento obse rvado foi
comparado a um outro dos ímet ro EED, o BeO. A sens ib i l i dade da a -
A b O s X observada é de 10 a 20 vezes maior do que para o BeO'^° ' .
Para efe i to de comparação ent re os dos ímet ros de A b O s i C (TLD
500), LiF: Mg,Cu,P e L iF :Mg,T i (TLD 700) foram rea l i zados tes tes nas
mesmas cond ições de i r rad iação em ambien tes de rad iações
mis turadas ( neut rons + gama) , e de le i tura e t ra tamentos té rmicos ,
tendo sido observado que o A ^ O a X apresenta cerca de 70 vezes mais
sens ib i l idade à rad iação gama do que o L iFMg.T i (TLD 700) nas
i M i i S Â O NÍ-UCWíL DE ENERGIA N U C L E A H / S P i r i ^
41
mesmas condições de teste. Os dosímetros de Al203:C são os mais
indicados e utilizados para dosimetria pessoal e ambiental por essa
razão [ * 3 1 .
2 . 2 . 4 S in te r i zação de AlgOs
Sin te r i zação é um fenômeno te rm icamen te a t i vado em que um
s is tema de par t ícu las in t imamente l igadas ent re s i , unem-se quando
aquec idas a tempera tu ras in fe r io res à tempera tu ra de fusão . Nesse
p rocesso os mecan ismos de t ranspor te de matér ia estão a tuan tes para
d iminu i r a energ ia tota l do s is tema'^* ' . A s in te r i zação pode ocor rer por
t rês p rocessos descr i tos por K ingery como : s in te r i zação no estado
só l ido, f luxo v iscoso e s in te r i zação com uma fase l íquida'^* '^^^ O
processo bás ico para a conso l idação da a lumina é a s in te r i zação no
estado só l ido . A s in te r ização de pós compac tados é rea l i zada para que
ocorra o desenvo lv imen to de conta tos entre par t ícu las e e l im inação
da poros idade com aumento da dens idade . A fo rça mot r iz para estes
processos é fo rnec ida pela redução da energ ia l ivre do s is tema, pela
d im inu ição da área de super f íc ie e in ter faces do compac tado . Poderá
ocorrer en tão a dens i f i cação com mudança da in te r face só l ido-gás
para uma in ter face só l ido-só l ido de menor energ ia ou o c resc imento de
grão com a t rans fo rmação de mui tos grãos pequenos em grãos
ma iores . Nesse caso o mecan ismo de d i fusão poderá ocor rer via
42
vacânc ias na es t ru tu ra . Mudanças m ic roes t ru tu ra i s duran te a
s in te r i zação são dev idas ao efe i to comb inado da dens i f i cação e
c resc imento de grãos apesar de ser poss íve l a s in te r i zação sem
cresc imento de grãos .
Os pr inc ipa is es tág ios da s in ter ização são i lus t rados na F igura
2.10 (a) a (f) no es tado só l ido como ocor rem de fo rma a se obter no
f ina l do processo um aumento da dens idade por meio da e l im inação da
poros idade e do aumento do tamanho de grão. No in íc io do p rocesso ,
tem-se a f o rmação dos conta tos entre as par t í cu las ( fo rmação e
c resc imento do pescoço) , antes que ocorra qua lquer c resc imento de
grão. O c resc imento do pescoço se dá por d i fusão de matér ia ,
ocas ionada por tensões e g rad ien tes de concen t rações de vacânc ias .
As dens idades a verde (es tado não s in te r izado) são de 50 a 60 % da
dens idade teór ica do mater ia l . Durante o es tág io in ic ia l da s in te r ização,
ocor re a fo rmação de uma es t ru tura in te rconec tada de poros , i lus t rada
na F igura 2.10 (a) e (b). No segundo e pr inc ipa l es tág io da
s in te r i zação , chamado de s in te r i zação in te rmed iá r ia , i lus t rado na
F igura 2.10 (c) e (d), os conta tos entre as par t í cu las (pescoços)
c rescem, a po ros idade d iminu i e os cent ros das par t í cu las or ig ina is se
aprox imam enquanto a poros idade d iminu i . Esse es tág io termina
quando o mater ia l a t inge cerca de 90% da dens idade teór ica e os poros
aparecem p redominan temen te nos contornos de grão. No ú l t imo estág io
da s in te r i zação , os poros aparecem mais iso lados pe rmanecendo nos
4 3
contornos ou sendo envo lv idos no grão, nesse úl t imo caso imped indo a
sua e l im inação como most rado na F igura 2.10 (e) e ( f ) ' ^ * l
Figura 2.10- Ilustração dos estágios de sinterização no estado sólido, onde a parte a. e b. na figura representa o inicio da sinterização com a formação da estrutura interconectada de poros, na parte c. e d. na figura são representados o crescimento do contato e diminuição dos poros, o último estágio é representado na parte e. e f. da figura, onde os poros aparecem nos contornos de grãos ou no interior do mesmo, neste caso impedindo maior densificação '^*l
2 . 3 S istema de Medida Termoluminescente
2 . 3 . 1 Le i tor T L
O lei tor t e rmo luminescen te é o ins t rumento u t i l i zado para medir a
luz emi t ida no aquec imento de um dos ímet ro TLD .
44
A ins t rumentação para dos imet r ia t e rmo lum inescen te é
cons t i tu ída por um s i s tema de detecção de luz, que ut i l i za cor ren te
in tegrada ou con tagem de fó tons . Os s is temas u t i l i zados para captar a
luz emi t ida pelo mater ia l TL são conhec idos como vá lvu las
fo tomu l t i p l i cadoras .
Também faz par te da ins t rumentação um s is tema de aquec imen to
que poderá ser: aquec imen to por conta to , aquec imen to por gás,
aquec imento ópt ico in f raverme lho (IV) e aquec imen to por laser, com
opção de a jus te para taxas de aquec imen to . O le i tor pode ser
p rogramado com um c ic lo de le i tura cons is t indo em:
1. p ré -aquec imento : per íodo de aquec imento sem in tegração da luz
(que d iscr im ina a rmad i lhas em tempera tu ras ba ixas e por tanto
ins táve is ) ;
2. le i tura : per íodo de aquec imento que abrange par te da curva de
emissão a ser ava l iada para a medida da dose;
3. res f r iamento per íodo de tempo necessár io para at ing i r a
tempera tu ra ambiente'^ '* ' .
Os f i l t ros são u t i l i zados para exclu i r as emissões IV do amost ra e
podem ser encont rados em d i fe rentes va r i edades . A lguns f i l t ros
também são u t i l i zados para a se leção de banda, onde iso lam um
compr imen to de onda par t i cu la r e e l iminam também out ros s ina is
indese jáve is . A u t i l i zação de f i l t ros permi te a d i sc r im inação da
45
in f luênc ia de s inais espúr ios , e de out ros componen tes que também
estão sendo aquec idos .
O s is tema de aqu is ição de dados pode produz i r a g ravação
ana lóg ica s imp les da curva de emissão , ou também poderá envo lver
aná l ise pos te r io r de dados por computador antes do fo rnec imen to da
curva de emissão espec í f i ca . Na F igura 2.11 é ap resen tado um
esquema de um lei tor , sem aqu is ição de espec t ro de emissão .
Válvula foto multiplicadora
;f:::-f?::x>-; :-í>>:-:--:;:í-;:;-:;-:>-
TLD Sistema de aquecimento
Fonte de tensão
Eietrômetro
Integrador
Registrador
Figura 2.11 D iagrama de b locos esquemát i co das par tes de um lei tor TL.
46
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capí tu lo estão descr i tos a ob tenção, a p reparação e a
anál ise da matér ia pr ima u t i l i zada, os tes tes pre l im inares rea l i zados
com outros t ipos de mater ia is e dos ímet ros comerc ia is , as i r rad iações
com vár ias fon tes e a carac te r ização mic roes t ru tu ra l e as medidas TL
dos mater ia is p roduz idos .
Os tes tes e p roced imentos descr i tos fo ram rea l i zados nos
labora tór ios do Cent ro de Ciênc ia e Tecno log ia de Mater ia is (CCTM) e
no Depar tamento de Met ro log ia das Rad iações per tencen tes ao
IPEN/CNEN-SP, e no Depar tamento de Rad iopro teção e Rad io te rap ia
do Hospi ta l das C l ín icas .
Na f igura 3.1 são apresen tados os mater ia is p roduz idos , bem
como os dos ímet ros comerc ia is u t i l i zados como re ferênc ia .
Figura 3.1 Na figura na primeira linha estão as pastilhas sinterizadas com alumina e grafite, na segunda linha encontram-se as pastilhas de alumina e os três dosímetros comerciais monocristalinos (TLD 500).
47
3 . 1 M a t e r i a i s
Os mater ia is u t i l i zados na p reparação das pas t i lhas foram a
a lumina A 16 SG'^'*^ fo rnec ida pe la A lcoa e o graf i te FPA 1005XA,
fo rnec ido pela Nac iona l de Graf i te Ltda.
3 . 2 Carac te r i zação dos pós de par t ida
3 . 2 . 1 b i f r a t o m e t r i a de raios X
Foi u t i l i zada a técn ica de d i f ração de raios X com a f i na l i dade de
ver i f icar as fases c r is ta l inas nos pós de par t ida . Esta técn ica cons is te
na inc idênc ia de um fe ixe de ra ios X de compr imen to de onda X, na
super f íc ie da amost ra . O fe ixe é então d i f ra tado coe ren temen te
segundo um ângu lo 0 pe los átomos da es t ru tu ra , loca l i zados nos p lanos
c r i s ta lográ f i cos dhki obedecendo a lei de Bragg (nA,=2dsen9). Os
d i f ra togramas fo ram obt idos u t i l i zando-se um d i f ra tômet ro Ph i l ips PW
1710, nas segu in tes cond ições : rad iação de cobre , com f i l t ro de
n íque l , no in terva lo de 20° < 29 < 70° . Essa técn ica é essenc ia l para
ver i f i cação de poss íve is reações ent re os mater ia is , pela ident i f i cação
das fases c r i s ta l inas presentes na amost ra após a s in te r i zação .
48
3 . 2 . 2 Determinação do tamanho médio de par t ícu la
Para de te rm inação de tamanho de par t ícu la e d is t r ibu ição de
tamanho méd io , fo i u t i l i zado o método de espa lhamen to de laser'^^' que
cons is te em ap l icar um fe ixe de laser va r rendo a amos t ra de pó que é
d ispersa em água. Um s is tema de de tec to res mede a in tens idade e o
ângu lo de desv io do fe ixe , para poster io r cá lcu lo em compu tado r da
d is t r ibu ição de tamanho médio de par t ícu las .
3 . 2 . 3 Determinação da super f íc ie especí f ica
A super f íc ie espec í f i ca dos pós, fo i medida no equ ipamento
Quan tach rome Nova 1000, pelo método de adsorção de n i t rogên io
método BET (Brumauer , Emmet e Te l le r ) onde uma amos t ra do pó é
levada â tempera tu ra do n i t rogên io l íqu ido. A dependênc ia da
quan t i dade de gás adsorv ida à pressão un i fo rme e à tempera tu ra
cons tan te , é denominada curva de adsorsão. A part i r da curva obt ida,
pode ser ca lcu lado o número de molécu las de gás que podem formar
uma camada monomo lecu la r comp le ta sobre a super f í c ie . Esse número ,
mu l t ip l i cado pelo espaço ocupado por uma ún ica mo lécu la , resu l ta na
área to ta l da super f íc ie da subs tânc ia só l ida. O método permi te a
de te rm inação da área espec í f i ca , uma vez que a massa da amost ra é
conhec ida . Quanto maior a super f íc ie menor será o tamanho das
par t í cu las e mais reat ivo será o pó.
4S
3 . 2 . 4 Análise química
Para a de te rminação das impurezas também foi rea l i zada a anál ise
química com espec t rógra fo semiquan t i ta t i vo para o pó de a lumina. A
anál ise qu ímica do pó de graf i te fo i fo rnec ida pelo fab r i can te .
3 . 3 M is tu ra e compactação dos pós
Foram mis turados a lumina com graf i te nas po rcen tagens de 0,5%,
5%, 10% e 2 0 % em peso de gra f i te e p rensados na fo rma de past i lhas
antes da s in te r i zação .
As pas t i l has de a lumina e de a lumina com ad ições de carbono
foram prensadas u t i l i zando matr izes de 7mm de d iâmet ro . Ut i l i zou-se
massa in ic ia l de 0,04 a 0 ,07g, o que levou a uma espessura próx ima a
I m m . Foram preparadas 30 pas t i lhas para cada compos ição e para
cada cond ição de s in ter ização com tempos de s in te r i zação à 1650°C de
1, 3, 5, 7 e 10 horas.
Para fac i l i ta r o processo de p rensagem, foi u t i l i zado como
ag lomeran te 1 % em peso de po l iace ta to de v in i la (PVA) . Também
50
fo ram u t i l i zadas past i lhas com 0,5% de graf i te sem ag lomeran te ,
somente para con t ro le da ad ição de ag lomeran te .
A homogene ização da mistura de pós, dos pas t i lhas com graf i te ,
foi fe i ta a úmido com á lcool isopropí l ico em mis turador t ipo Túrbu la
com meios de moagem de a lumina durante 10 horas. A secagem foi
fe i ta em estu fa a 45°C durante 24 horas e a desag lomeraçâo do pó foi
fe i ta em a lmofar iz de ágata.
A p rensagem das past i lhas foi rea l i zada pelo método t rad ic iona l
de p rensagem un iax ia l a f r io , com uma matr iz de 7 mm de d iâmetro e
pressão máxima de 100 MPa.
Após a compac tação foi de te rminada a dens idade a verde das
past i lhas pelo método geomét r i co .
3 . 4 S in ter i zação
As pas t i lhas , após a prensagem, fo ram s in te r i zadas , em forno
t ipo caixa, marca L indberg , em atmosfera normal . Ut i l i zou-se uma taxa
de aquec imento e res f r iamento de 10°C/min. Nas s in te r i zações u t i l i zou-
S1
se a tempera tu ra de 1650°C durante uma, t rês , c inco, sete e dez horas
com d i fe ren tes mic roes t ru tu ras
As past i lhas de a lumina com ad ições de gra f i te fo ram
s in te r izadas em forno tubu la r de gra f i te , marca Nucken , com f luxo de
argôn io para min imizar a ox idação do carbono. U t i l i zou-se uma taxa de
aquec imento e res f r iamento de ap rox imadamen te 10°C/min e pa tamar a
1650°C durante urna hora .
3 . 5 Carac te r i zação das past i lhas s in ter i zadas
As pas t i lhas s in te r i zadas também foram submet idas à d i f ração de
ra ios-X, para ver i f i cação de fo rmação de novas fases durante a
s in te r i zação.
3 . 5 . 1 D i f ração de raios X
A técn ica de d i f ração de raios X também foi u t i l i zada nas
past i lhas após a s in te r i zação , com a f i na l idade de ver i f icar as fases
c r is ta l inas presentes .
52
3 . 5 . 2 Análise microest ru tura l das amostras por MEV
A de te rm inação do tamanho médio de grão, e a aná l i se da
homogene idade mic roes t ru tu ra l , foi fe i ta por mic roscop ia e le t rôn ica de
var redura (MEV), com um microscóp io de marca Phi l l ips , mode lo XL30.
É uma técn ica na qual a super f íc ie da amost ra é var r ida por um fe ixe
de e lé t rons co l imado. A in teração entre o fe ixe de e lé t rons inc identes e
a super f íc ie da amost ra resul ta na p rodução de e lé t rons secundár ios
que são co le tados por um detector e amp l i f i cados , gerando imagens da
topogra f ia da amost ra .
Para aná l ise em MEV, as pas t i lhas foram embut idas em res ina,
desbas tadas em carbeto de s i l íc io e po l idas em uma pol i t r iz marca
Struers, modelo DP-09, com pastas de d iamante de 15, 6, 3 e 1|im.
Depois de po l idas, as past i lhas foram a tacadas te rm icamen te ,
quando ocor re a evaporação de matér ia na reg ião de maior energ ia
super f i c ia l , reve lando os contornos de grão. O a taque térmico fo i fe i to
em forno tubu la r por 2 horas a 1500°C com a tmos fe ra no rma l .
Após esse a taque, as amost ras fo ram recober tas com uma f ina
camada de ouro u t i l i zando-se equ ipamento de Sputtering, marca
53
Baizers Union, modelo SCD 040 e levadas para observação no
mic roscóp io e le t rôn ico de var redura .
No caso das amost ras de a lumina com graf i te não fo i fe i to o
a taque té rm ico o que levar ia à que ima do gra f i te . As observações em
IVIEV fo ram fe i tas , neste caso, nas super f íc ies das pas t i l has somente
po l idas ou f ra tu radas e recober tas com ouro.
Com as mic rogra f ias de MEV de d iversas amos t ras , fo ram
ver i f i cada a mor fo log ia mic roes t ru tu ra l e de te rminado o tamanho médio
de grãos e d is t r ibu ição de tamanho médio de grãos.
Para a aná l i se da d is t r ibu ição do tamanho e fo rma de grãos foi
u t i l i zado o ana l i sador de imagens Quantikov^^^' nas mic rogra f ias
obt idas. Para uma amos t ragem es ta t ís t i ca fo ram fe i tas med idas de 2 0 0
a 1 0 0 0 g rãos . Essas medidas fe i tas nas mic rogra f ias , fo ram então
d ig i ta l izadas para t ra tamento pelo p rograma Quant ikov .
54
3 . 6 Medidas de termoluminescéncia
3 . 6 . 1 S is temas de i r rad iação
3.6.1.1 Radiação gamma
• Fonte de ^°Co (energ ias de rad iação gama de 1,17 e 1,33 MeV) em
i r rad iador cons t ru ido no IPEN, modelo CPIO-AO 0197 /82 , sér ie IR -
003, com a t i v idade de 0,087 TBq (se tembro /1999) , taxa de
expos ição de 15,8 x 10'^ C .kg 'Vh ' * , à d is tânc ia de 26,5 cm e campo
de rad iação com 8,0 cm de d iâmet ro .
3.6.1.2 Radiação X
• Gerador R igaku Denki Co. L td . , t ipo Geiger f lex , acop lado a um tubo
Phi l ips , PW 2184/00 com jane la de ber i l io de I m m . As energ ias
e fe t ivas ob t idas foram de 14,3 a 21,2 keV. As amos t ras fo ram
f ixadas com uma garra a uma haste, ambas de a lumín io , e as
i r rad iações foram fe i tas no ar.
• Ace le rador L inear Mode lo Cl inac 600C, fab r i cado pela Var ían , com
fó tons de 6 - 20 MV, campo de 10x10 cm^, d is tânc ia de foco -
55
super f íc ie de 100 cm, e p ro fund idade de equ i l íb r io e le t rôn ico de 1,25
cm de Luc i te .
Ace le rador L inear Saturne I I , fabr icado pela CGR, Mode lo Therac 20,
com fó tons de 18MV, campo de 10x10 cm^, d is tânc ia foco-super f í c ie
de 100 cm, e p ro fund idade de equ i l íb r io e le t rôn ico de 2,5 mm de
Luc i te .
3.6.1.3 S is temas auxi l iares
Os t ra tamentos té rmicos após le i tura e antes da i r rad iação foram
fe i tos em um fo rno e lé t r ico com tempera tu ra regu láve l de 22 a 500°C e
var iação de 1°C, fabr icado pelo Inst i tuto de Rad iopro teção e Dos imet r ia
( IRD/CNEN) .
O con t ro le de cond ições ambien ta is fo i fe i to por meio de
c l imat izadores e desumid i f i cadores de ambien te .
3 . 6 . 2 Sistemas de le i tura T L
Para a aqu is i ção de dados de emissão TL, fo ram u t i l i zados 2
s is temas le i tores fabr i cados pela Harshaw Nuclear Sys tems.
56
• S is tema de le i tura marca Harshaw Nuc lear Sys tems, mode lo
2000A/B . Esse s is tema ut i l i za uma fonte se lada rad ioa t i va de ' C
a t ivada com C a F 2 ( E u ) , para con t ro le de qua l i dade na luz de
re fe rênc ia do s is tema lei tor. Foi u t i l i zado f luxo de N2, duran te as
le i turas, de 4 L/min, um reg is t rador X-Y ECS, mode lo RB102, com
dois cana is . Esse lei tor cons is te de um tubo fo tomu l t i p l i cador , um
f i l t ro in f ravermen lho , um s is tema de aquec imen to e um s is tema de
aqu is ição de dados . A amost ra a ser es tudada é co locada em uma
prancheta recober ta por p la t ina de d imensões 1x1x0,1cm^.
Os parâmet ros u t i l i zados para le i tura nos equ ipamentos são
apresen tados na Tabe la 3 . 1 .
Tabela 3 . 1 . Cond ições ut i l i zadas para a le i tura das med idas TL e
ava l iação dos TLDs
Parâmetros Ajuste
Pré-aquecimento 50°C
Tempo de leitura 65 s
Tensão 600 V
Temperatura máxima de aquecimento 300°C
Taxa de aquecimento 5°C/s
57
3 . 6 . 3 Carac te r i zação TL
As amos t ras s in te r i zadas durante 1, 3, 5, 7 e 10 inoras, u t i l i zando-
se a lumina, fo ram submet idas à medida TL para a ve r i f i cação da
reprodut ib i l i dade em cada amost ra para cada tempo de s in te r i zação . As
past i lhas fo ram t ra tadas te rm icamente por 1 hora a 400°C'^^ ' .
As amos t ras fo ram ident i f i cadas ind iv idua lmente com lápis graf i te
no lado que não foi exposto à rad iação. As amost ras fo ram então
embaladas em papel a lumín io e cober tas por uma p laca de acr í l i co de
3,0 mm de espessura para assegurar o equ i l íb r io e le t rôn ico . A
co locação da p laca de acr í l i co assegura que o dos ímet ro está
recebendo a dose máx ima. Chama-se de "bu i ld -up" a reg ião ent re a
super f íc ie i r rad iada e a p ro fund idade , na qual se dá o máximo de
ion ização ( ou seja, onde a dose é máx ima) . E a espessura dessa
região é denominada de espessura de equ i l íb r io e le t rôn ico '* '^ ' . Essa
espessura , t ambém chamada de p ro fund idade de equ i l íb r io e le t rôn ico ,
var ia com a energ ia da rad iação inc idente .
Imed ia tamente após a i r rad iação (num in terva lo máx imo de 5
minutos após a i r rad iação) foram fe i tas as le i tu ras de emissão no
apare lho le i tor t e rmo luminescen te da Harshaw modelo 2000 A /B .
58
Para a de te rminação da reprodu t ib i l i dade da respos ta TL nas
past i lhas s in te r izadas foram rea l i zadas no mín imo 10 i r rad iações
segu idas de 10 medidas para cada amost ra . Antes e após as le i turas
são rea l i zadas as le i turas de lâmpada padrão . Havendo var iação na
aqu is ição de dados e fe tuada em dias d i fe ren tes é fe i ta uma cor reção
por um fa tor , ca lcu lado para cada le i tura por meio das va r iações de
le i tura na lâmpada padrão.
A reprodu t ib i l i dade da resposta TL é dada, em termos
percentua is , pelo desv io padrão re lat ivo obt ido para as le i turas.
Para a de te rminação da curva de ca l ib ração das past i lhas
s in te r izadas por 1 e 3 horas foi u t i l i zada a fon te de ^°Co.
Para medidas de dependênc ia energét ica fo ram rea l i zadas
i r rad iações no IPEN com fe ixes de ra ios-X para Rad io te rap ia com
energ ia de 14 a 20 keV. A inda para estudos de dependênc ia
energé t i ca , fo ram rea l i zadas i r rad iações no Hospi ta l das Cl ín icas no
ace le rador l inear CGR Saturne, com fe ixe de fó tons de 6 à 20 MeV e
com o ace le rador Var ian Cl inac 600 ( 6 MV fe ixes de ra ios X) u t i l i zado
em te rap ia .
59
3 . 6 . 4 Dosímetros comerciais
Para efe i to de comparação de reprodu t ib i l i dade de respos ta TL,
fo ram também ut i l i zados como re fe rênc ia t rês dos ímet ros comerc ia is de
AbOa iC TLD-500 monocr i s ta l inos da B ic ron .
60
3 . 6 . 5 Fluxograma do procedimento exper imenta l
Para melhor compreensão do proced imento exper imen ta l é
apresen tado a segui r um f l uxograma das etapas p r inc ipa is rea l izadas
no p roced imento exper imen ta l .
A I 2 O 3 pura (A16 SG da Alcoa)
-Di f ração de raio X -Distr ibuição de t aman i i o de part ícula
-Área superf íc ie especí f ica -Anál ise química
Pressagem uniaxial a frio
Sinter ização de A I 2 O 3
a 1650° C ao ar durante 1,3,5,7 e 10 horas
Sinter ização de A I 2 O 3 + C
a 1650° C e m argônio
por 1 hora
Di f ração de raios X Di f ração de raios X
Po l imento e ataque ténn ico (1500° C/1h)
T ra tamento ténn ico
a 4 0 0 ° C / 1 h
Carac ter ização da
microest ru tura por M E V
Irradiações (X, y , fótons)
Aná l ise de tamanho
e f onna de grão pelo
p rograma Quant ikov
Caracter ização T L
Figura 3.1. Fluxograma do processo mostrando as principais etapas executadas nos procedimentos experimentais
.•.4.,iíiiiiv-j.aAÜ
©1
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4 . 1 Carac te r i zação dos pós
4 . 1 . 1 Distr ibuição de tamanho médio de par t ícu la
Para de te rm inação de tamanino de par t ícu la e d is t r ibu ição de
tamanho médio foi u t i l i zado o método de t ransmissão de laser'^^'.
Foram obt idos os resu l tados de d iâmetro médio de par t ícu la de 0,56 |im
para o pó de a lumina e 20,5 pim para o ca rbono . A d is t r ibu ição de
tamanho de par t ícu la para os pós u t i l i zados é most rada na F igura 4 . 1 .
10G
80 (O •O (0 •5 ' E 3 U < 40 ni (O ™ 20\
0-
Grafite
1000 O
100 10
°h Alumina
0,1
Diâmetro Equivalente (pm)
Figura 4.1 Distribuição de tamanho de partícula dos pós de grafite e de alumina utilizados como matéria prima.
62
Os pós de gra f i te apresen ta ram d iâmet ro médio bem maior do
que o esperado , dando ind icação de que se encon t rava ag lomerado .
Não foi rea l i zada nenhuma etapa para desag lomeraçâo ou moagem
para ev i tar con taminações .
4 . 1 . 2 D i f ração dc raios X dos mater ia is ut i l izados
Foram obt idos os d i f ra togramas para os pós de a lumina e graf i te
u t i l i zados. O d i f ra tograma obt ido para o pó de gra f i te fo i comparado
com resu l tados das micro f ichas do International Center for Diffraction
Data ( ICDD) , fo i u t i l i zado o conjunto 45 do banco de dados . Os picos
encont rados co r respondem à est ru tura hexagona l do gra f i te , com
parâmet ros de rede de ao = 2,470 A e co = 6 ,724 A .
No d i f ra tog rama do pó de a lumina foram iden t i f i cados somente os
picos re fe ren tes à fase al fa da a lumina. Os d i f ra togramas para os pós
são most rados nas F iguras 4.2 e 4 .3 , em con jun to com os
d i f ra togramas rea l i zados para as past i lhas já s in te r i zadas . Nessas
f iguras foi possíve l observar que os p icos re fe ren tes aos dois pós
foram também observados após as s in te r i zações ind icando que não
houve fo rmação de novas fases após a s in te r i zação tanto na a lumina
como na a lumina com ad ições de carbono.
63
4 . 1 . 3 Análise de super f íc ie
A área de super f íc ie espec í f i ca , fo i medida pelo método de
adsorção de n i t rogênio método BET . A área de super f i c ie
especí f ica obt ida foi de 8,5 m^.g"* para o pó de a lumina e de 4,6 m^.g'*
para o pó de graf i te .
Quanto maior a área de super f i c ie maior é a a t i v idade química e
té rmica observada e, por tan to , maior é a s in te rab i l i dade do pó'^^'^^'.
4 . 1 . 4 Análise química
As concen t rações de impurezas obt idas por meio de espec t roscop ia
semi -quan t i ta t i va no pó de a lumina são most radas na Tabe la 4 . 1 .
Tabela 4.1 Aná l i se química da a lumina obt ida por espec t roscop ia
semi -quan t i ta t i va
Bfemento B Si Fe Ga Mg Mn Ca Na
ppm 4 120 30 30 300 5 350 100
64
Algumas impurezas cont idas no mater ia l são responsáve is por
defe i tos que in ter ferem nas p ropr iedades TL do mate r ia l . A lém da
dopagem com graf i te são conhec idas as p rop r iedades dos imét r i cas de
a lumina dopada com Mg e Y e, t ambém, a lumina com Mg e T i . Para que
não houvesse in te r fe rênc ia nas propr iedades TL obse rvadas , op tou-se ,
neste t raba lho , pela u t i l i zação de pós de e levada pureza .
A aná l i se química fo rnec ida pelo fabr i can te do gra f i te apresen ta
como resu l tados : teor de carbono 99 ,0% min . , teor de c inzas 1 % máx.
e umidade 0,3% máx.
4 . 2 Carac te r i zação microest ru tura l das past i lhas s in te r i zadas
4 . 2 . 1 Análise por d i f r a ç ã o de raios X
Foram obt idos os d i f ra togramas para o pó de a lumina e para as
past i lhas s in ter izadas com tempos d i fe renc iados . Nos d i f ra togramas
most rados na F igura 4 .2 , fo i possíve l ver i f icar que a a lumina depo is de
s in te r izada apresenta somente os p icos re fe ren tes à fase a l fa ,
co inc id indo por tanto com os picos da a lumina de par t ida .O pico
ident i f i cado com o as te r ís t i co (*) na F igura 4.2 re fe re-se ao por ta-
amost ra u t i l i zado para rea l i zação da d i f ração de ra ios X.
65
» j
A l 1
1 F,
, .JI J
1 iL L 1
1 L 1 ... iL L 1
1 1 L i )
a horas
3 heras
1 hora
A 1 6
= T =
20 40 60 70
F i g u r a 4.2 D i f r a t o g r a m a s d o p ó d e a l u m i n a A 1 6 e d a s p a s t i l h a s
s i n t e r i z a d a s p o r d i f e r e n t e s t e m p o s . O s p i c o s i d e n t i f i c a d o s
c o m a l e t r a A s ã o r e f e r e n t e s a a - A l 2 0 3 , e o p i c o
i d e n t i f i c a d o c o m * é p r o v e n i e n t e d o p o r t a - a m o s t r a
66
Na F igura 4.3 são apresen tados os d i f ra togramas das past i l l ias
de a lumina com d i fe ren tes ad ições de graf i te s in te r i zadas por 1 hora a
1650°C e para comparação são ad ic ionados os d i f ra togramas dos pós
de a lumina e graf i te , não havendo ind icação de fo rmação de novas
fases .
2(5
A <Q A
1
A A *
L L
1 i
- r ^ . ! . ú.
1
1 1
J j l j l j " T - T -
4Õ " T -m m
Ângulo dg difrâçâo
20% grafite
10% grafite
5% grafite
grafite
Aie - r -70
Figura 4.3 D i f ra togramas dos pós de par t ida de a lumina ident i f i cada como A 1 6 e gra f i te , e das pas t i lhas s in te r i zadas por 1 hora á 1650°C com d i fe ren tes teores de gra f i te . A letra A ident i f ica os picos da fase alfa da a lumina e a letra G ident i f ica os picos re ferentes ao graf i te
67
4 . 2 . 2 Densidade
A dens idade das pas t i lhas s in ter izadas por 1, 3, 5, 7,e 10 horas a
1650°C, de te rm inada pelo método geomét r i co , é most rada na Tabe la
4 .2 . Os va lo res méd ios e respect ivos desv ios padrão foram
de te rminados após med ida da dens idade de pelo menos 5 pas t i lhas . As
medidas de espessura e d iâmetro fo ram fe i tas com o uso de um
micrômetro com prec isão de 0,001 mm e a massa das pas t i lhas foi
de terminada em ba lança ana l í t i ca com prec isão de 0,001 mg.
Tabela 4.2 Dens idade das past i lhas de a lumina s in te r i zadas a 1650°C
por d i fe ren tes tempos
Tempo de sinterização
1 3 5 7 10
Dens idade (g/cm^)
3 ,73+0,08 3,76±0,09 3,80+0,09 3 ,80±0,08 3,88+0,02
dens idade re la t iva % da teó r i ca * 93,7 94,4 95,5 95,5 97,5
*Para cá lcu lo da dens idade re lat iva fo i u t i l i zado o va lor de
dens idade teór ica da a lumina de 3,98 g/cm^ [ 2 9 , 3 0 ]
68
4 . 2 . 3 Análise microes t ru tura l por MEV
A in t rodução de carbono mesmo em grande p roporção não a l te rou
a mic roes t ru tu ra da a lumina . Aparen temen te o ca rbono não se d i fund iu
na a lumina permanecendo iso lado na forma de ag lomerados , o que
co inc ide com as observações fe i tas por meio dos d i f ra tog ramas das
past i lhas s in te r izadas .
Nas pas t i lhas de AI2O3 dopadas com carbono fo ram fe i tas
aná l i ses em microscop ia e le t rôn ica de var redura (MEV) e
espec t roscop ia d ispers iva de ra ios-X (EDS). O ca rbono por ser um
e lemento leve é de d i f íc i l ident i f i cação por técn icas mic roes t ru tu ra is
quando em pequenas p roporções . Houve a iden t i f i cação de
ag lomerados de graf i te apenas nas amost ras com 2 0 % de gra f i te .
A F igura 4.4 é uma microgra f ia de uma pas t i lha de a lumina com
0,5% de carbono po l ida para observar poros idades e m ic roes t ru tu ra .
Também ten tou-se loca l izar o carbono e para isso as past i lhas
fo ram f ra tu radas e foi u t i l i zado a anál ise com o EDS em pontos
espec í f i cos da amost ra . Nos pontos observados somente se encont rou
a lumina .
69
As F iguras 4.5, 4.6 e 4.7 most ram as m ic rogra f ias da super f i c ie
de pas t i l l i as com ad ições de 0,5%, 10%, e 2 0 % de carbono . Não se
consegu iu ver i f icar a p resença de carbono mesmo nas pas t i lhas
s in te r i zadas com concen t rações de 0,5%, 5%, e 10% de ca rbono .
Somente na ú l t ima mic rogra f ia , ap resen tada na F igura 4.7, o
carbono fo i ident i f i cado, essa past i lha contém uma ad ição de 2 0 % de
carbono . Na Figura 4 .8 , que é a mic rogra f ia da mesma amost ra
u t i l i zando-se um menor aumento , fo ram observados ag lomerados de
gra f i te . Os pontos ident i f i cados como graf i te fo ram inves t igados com
EDS e o d i f ra tograma desses pontos con f i rmou a p resença somente do
gra f i te nesses pontos.
Nas pas t i lhas de a lumina com ad ições de gra f i te s in te r i zadas ,
fo ram rea l i zadas medidas TL pre l im inares e foi ve r i f i cado que a cada
i r rad iação houve um aumento na resposta TL, imped indo a
ca rac te r i zação TL.
Dev ido a esses resu l tados abandonou-se a p reparação de
a lumina com graf i te e o p rossegu imen to do t raba lho fo i fe i to com
a lumina sem ad ições de g ra f i te .
7 0
Figura 4.4 Micrografia da pastillia de Al2O3+0,5%C, polida
Figura 4.7 Micrografia da pastilha, de Al2O3+20%C, fraturada
Figura 4.5 Micrografia da pastilha de Al2O3+0,5%C, fraturada
Figura 4.8 Micrografia da pastilha Al2O3+20%C , fraturada
Figura 4.6 Micrografia da pastilha de Al2O3+10%C , fraturada
71
Nas amost ras de a lumina , s in te r i zadas durante in terva los de
tempo de 1 , 3, 5, 7 e 10 horas, ob teve-se as m ic roes t ru tu ras most radas
nas F iguras 4 .9 , 4 .10 , 4 . 1 1 , 4 .12 , 4 .13 , respec t i vamen te . A larga
d is t r ibu ição de t amanhos de grãos observada é melhor representada
nos h is togramas p roduz idos pelo p rograma Quant ikov '^^^
Ao mesmo tempo que houve o aumento do t amanho dos grãos ,
most rado na Tabe la 4 .3 , houve o aumento da dens idade para in terva los
de tempo maiores de s in te r i zação , como mos t rado na Tabe la 4 .2 . Pode
ser observado que os poros se agrupam e aumen tam em tamanho . Isso
fo i ver i f i cado nas F iguras 4.11 e 4 .12 , onde os poros se apresen ta ram
maiores em tamanho em re lação aos poros das Figuras 4.9 e 4 .10.
A part i r das imagens obt idas nas amos t ras ana l i sadas com MEV
fo i fe i ta a quan t i f i cação de grãos que resul ta nos h is togramas
apresen tados nas F iguras 4 .14 , 4 .15 , 4 .16 , 4 .17 e 4.18
respec t i vamente , para as a luminas s in te r i zadas durante 1 , 3, 5, 7 e 10
horas.
72
•\ccV Spot Magn , Dot WD I - _ . . . ••• I llMÍni • . • 'ODkV-IO ."lOax Sh Kl i Alumimt) •
Figura 4.9 IVlicrografia da pastillia de AI2O3 sinterizada por 1 fiora
AK.CV Spot Mdqr» üet WU t ;^—Ij-^lüpm , '
• •r'O O kV 4 6 ? r > 0 0 x S F :' 10 2-:AIumin.i v- ~ ^
Figura 4.12 Micrografia da pastillia sinterizada por 7horas
^^^^^^^^ AccV Spot M.iqri Dct ^Wl) I 1 10|im l'>()kV1(l IMKlx M|V I 1 o Al >0 i MNl 11)11 „ 22
Figura 4.10 Micrografia da pastilha de AI2O3 sinterizada por 3 horas
Figura 4.13 Micrografia da pastilha de AI2O3 sinterizada por 10 horas
st
,.r.r.V Spot Maqn -: Dot Wl) 1 . h lO |ifn ir, o kV 4 O 9000X " MIX -10 í) AI203 SINTGH--
Figura 4.11 Micrografia da pastilha de AI2O3 sinterizada por 5 horas
73
Para a ob tenção dos h is togramas fo ram p rocessados um
mín imo de 235 e um máx imo de 1074 grãos , dependendo do
tamanho dos g rãos . O tamanho méd io de grãos para d i fe ren tes
amost ras é mos t rado na Tabe la 4 .3 .
Tabela 4.3 Va lo res medidos de d iâmet ro médio equ iva len te de
grãos e desv ios padrão ca lcu lados pelo p rograma
Quant ikov
Tempo de sinterização (horas)
10
Diâmetro médio de grãos (^im) 1,78±1,08 2,82+2,05 2,88±2,15 2,91±1,87 3,30±2,77
15 Qumtikoy
1 10
Oiâmi t ro i (^m)
100
Figura 4.14 His tograma de d is t r ibu ição de tamanho de grão na past i lha da a lumina s in te r i zada por 1 hora
Nos h is togramas das microgra f ias das amost ras s in te r i zadas
durante 1 e 3 horas apresen tados nas F iguras 4.14 e 4.15
respec t i vamente , tem-se uma larga d is t r ibu ição de d iâmet ros ,
podendo ser observado que para as amost ras s in te r i zadas por 3
horas houve aumento do número de grãos com d iâmet ros de 5 a
10 um.
Os tamanhos de grãos no h is tograma da d is t r ibu ição da
past i lha s in ter izada por 1 hora var ia ram de 0,4 a 10,3 (im,
enquanto que nas pas t i lhas s in ter izadas por 3 horas var ia ram de
0,5 a 14,4 um. O h is tograma da Figura 4.15 indica um aumento na
quant idade de grãos ent re 5 e 10 | im.
12
9
G
3
/y
15
1 1
1 10
Oiámitre§ M
100
Figura 4.15 His tograma de d is t r ibu ição de tamanho de grãos na pas t i lha de a lumina s in ter izada por 3 horas
O h is tograma da F igura 4.16 represen ta a d is t r ibu ição de
tamanhos de graos para a past i lha s in te r i zada por 5 horas. Os
tamanhos de grãos var ia ram de 0,44 a 11,1 | im. Houve um
aumento de grãos na fa ixa de 5 a 10 ^im. Cerca de 9% dos grãos
apresentaram-se com tamanho menor que 2 [im, nesse tempo de
s in ter ização, enquan to que no in terva lo de tempo de 3 horas, 3 1 %
dos grãos apresen ta ram tamanho menor que 2 | im.
12
9
6
3
i .
76
15
12
3
6
100
DJâmitrõ§ ( m)
Figura 4.16 Histograma de distribuição de tamanho de grãos da pastilha de alumina sinterizada por 5 horas
15
12
3
6
Quanlifcov
I ;i
g l: í.:: 1 IUI-.:.:^-:^-^L 1 10
Dlâmür@§ ( m)
100
Figura 4.17 Histograma de distribuição de tamanho de grãos da pastilha de alumina sinterizada por 7 horas
15
12
9
6
77
QUIÍBLILTOY
TOO
Dilmêtrei (^m)
Figura 4.18 Histograma de distribuição de tamaniio de grãos da pastillia de alumina sinterizada por 10 horas
No h is tograma da F igura 4.17 foi observado o aumento da
quant idade de grãos com d iâmet ros ac ima de 6[im, ind icando o
cresc imento de grãos nessa fa ixa de tamanho . Essa tendênc ia não
se manteve no h is tograma da Figura 4 .18 , onde cerca de 17% dos
grãos estão na fa ixa de 6 a 15 | im.
7 8
4 . 3 Carac te r i zação T L
4 . 3 . 1 Reprodut ib i l idade e cal ibração individual dos TLDs
A reprodu t ib i l i dade da respos ta TL nas pas t i lhas de AI2O3
s in te r izadas por 1, 3, 5, 7 e 10 horas e dos TLDs fo i de te rm inada
após i r rad iação na fon te de ^°Co no i r rad iador cons t ru ído no IPEN.
Os TLDs fo ram i r rad iados com uma dose absorv ida no ar de 50
mGy. Os TLDs 500 (monocr is ta l inos) t ambém fo ram tes tados nas
mesmas cond ições . As med idas foram fe i tas dez vezes sob
cond ições idênt icas para se de te rminar o fator de ca l ib ração
ind iv idual e a reprodut ib i l i dade de sua respos ta . O fa tor de
ca l ib ração ind iv idua l de cada TLD foi obt ido pelo quoc ien te en t re o
valor da expos ição receb ida nas 10 i r rad iações e a méd ia das
respostas , para estas i r rad iações. A reprodut ib i l i dade é dada , em
termos percen tua is , pelo desv io padrão re la t ivo. Os resu l tados
obt idos são mos t rados na Tabe la 4 .4 .
79
Tabela 4.4 Reprodu t ib i l i dade das past i lhas s in te r i zadas
Material Densidade (g/cm')
Diâmetro equiv.
(m)
Reprodutibilidade de resposta TL (%)
AbOaí lh , 1650° C, ar) 3,73 1,78 3.5
AI2O3 (3h, 1650° C, ar) 3,76 2,82 3,0
AI2O3 (5h, 1650° C, ar) 3,80 2,88 8,4
AI2O3 (7h, 1650° C, ar) 3,80 2,91 9.6
AÍ2O3 (10h, 1650° C, ar) 3,88 3,3 29,3
TLD 500 1,72
Nas past i lhas de a lumina u t i l i zando-se t empos de 1 e 3 horas
de s in te r ização pode ser observado que a rep rodu t ib i l i dade da
emissão TL apresentou pequena a l teração . O resu l tado obt ido fo i
cons iderado ace i táve l para dos imet r ia TL.
Com o aumento do tamanho de grãos era esperado uma
melhora nas p rop r iedades TL ' ^ l A melhora nas p ropr iedades TL
poder ia ocorrer , levando-se em conta que t amanho de grãos
maiores d im inuem o número de in te r fe rênc ias causadas pelos
contornos de grãos na rad iação. Estudos demons t ram que há uma
8 0
melhora de emissão TL re lac ionada a tamanhos c rescen tes de
grãos
No en tan to , a par t i r dos tempos de s in te r ização de 5 horas,
cons ta tou-se que a reprodut ib i l i dade das med idas TL das amost ras
p iora, con t ra r iando o compor tamento esperado com aumento do
tamanho de grãos . Um dos mecan ismos de s in te r i zação no es tado
sól ido é o de mov imen tação da massa por meio de an iqu i lação de
vacânc ias no mate r ia l , esse efe i to foi mais s ign i f i ca t ivo do que o
aumento no tamanho de grão e o que se pode observar foi uma
piora c rescente na reprodut ib i l i dade das med idas TL com maiores
tempos de s in te r i zação .
4 . 3 . 2 Curvos de Emissão T L
As curvas de emissão TL foram obt idas i r rad iando-se as
past i lhas de a lumina s in ter izada por 1 e 3 horas com rad iação
gama do ^°Co, com uma dose absorv ida no ar de 50 mGy. O pico
pr inc ipal de emissão ou pico dos imét r i co para estes mater ia is foi
obt ido a cerca de 200°C. A curva most rada na Figura 4.19 foi
obt ida para a past i lha s in ter izada por 1 hora.
As curvas obt idas são s imi lares às curvas encon t radas para a
a lumina monocr is ta l ina na l i teratura apresen tando o pico
81
o 50 100 150 200 250 3œ 350
TEMPERATURA (°C)
Figura 4.19 Curva de emissão da alumina sinterizada por 1 hora a 1650°C, irradiada com uma dose absorvida no ar de 0,05 Gy
4 . 3 . 3 Curva de Resposta T L em Função da Dose
As past i lhas s in te r i zadas de AI2O3 por 1 e 3 horas fo ram
expos tas à rad iação gama do ^°Co no in terva lo de 0,01 a 100 Gy.
Os resu l tados obt idos para as past i lhas s in te r i zadas por 1 e
3 horas são most rados na F igura 4 .20. Foram ut i l i zadas quat ro
amost ras de cada mater ia l para este es tudo, sendo que cada ponto
exper imenta l (dose) representa a média das le i tu ras .
dos imét r i co na mesma pos ição , ind icando que pode ser assoc iado
ao mesmo t ipo de defe i to no c r i s ta l .
82
lOOOOf
1000
as 3
I-
o Q. m
100
10
Sinterizada por 1 hora
Sinterizada por 3 horas
01 0,1 1 10 100 1000
Dose Absorvida (Gy)
Figura 4.20 Resposta TL em função da dose de ^ C o absorvida no ar para as pastilhas de AI2O3 sinterizadas por 1 e 3 horas
Na Figura 4 .20 observa -se um compor tamen to supra l inear
para as amost ras de AI2O3 em função da dose absorv ida . As
incer tezas assoc iadas às med idas foram de no máx imo de 11,0%.
Obteve-se também a resposta TL das pas t i lhas de AI2O3
s in te r i zadas em função da dose absorv ida , quando estas fo ram
expos tas a fó tons do ace le rador l inear mode lo C l inac 600C. O
resu l tado obt ido é most rado na F igura 4 . 2 1 . Foram ut i l i zadas t rês
amost ras de cada cond ição de s in te r i zação para este es tudo,
sendo que cada ponto represen ta a média das le i turas. O in terva lo
de doses absorv idas u t i l i zado foi de 0,25 a I G y . Observa-se um
compor tamento supra l i near em função da dose absorv ida ,
83
100
50 (O
ë a. ^ 20
10^
Sinterizado por 1 hora
êinterizãdõ por 3 horas
0,1 0,2 0,5
Dose Absorvida (Gy)
Figura 4.21 Resposta TL em função da dose absorvida no ar para as pastilhas sinterizadas de AI2O3 irradiadas no acelerador Clinac 600C do Hospital das Clínicas
4 . 3 . 4 becaímento Térmico
As past i lhas de AI2O3 s in te r i zadas por 1 e 3 horas fo ram
i r rad iadas com uma dose absorv ida de 50 mGy (®°Co), e o
deca imento té rmico foi es tudado até 60 d ias após a i r rad iação. A
seme lhan te ao resu l tado ob t ido an te r io rmente , sendo as incer tezas
assoc iadas às med idas de no máx imo 13%. Esta curva de
ca l ib ração foi fe i ta cont ra uma câmara de ion ização c i l índr ica
ca l ib rada nas cond ições de re ferênc ia para fe ixes de fó tons de
rad io te rap ia . O campo de i r rad iação é de 10x10 cm^, na
p ro fund idade de "bu i ld -up" de acr í l ico de 1,3 cm e d is tânc ia f oco -
super f íc ie de 100 cm.
8 4
resposta TL ap resen tou um decrésc imo de 6 ,0% após 3 horas da
i r rad iação, e 15 ,0% após 24 horas . Após mais dois d ias da
i r rad iação fo i observado um deca imento de 1,5%.
4 . 3 . 5 Limite Mínimo De tec táve l
O l imi te mín imo de tec táve l fo i de te rm inado es tudando-se a
var iação na resposta TL de past i lhas não i r rad iadas . As past i lhas
não i r rad iadas fo ram medidas 10 vezes , sempre sob as mesmas
cond ições exper imen ta i s , isto é, t ra tamento té rm ico a 400 °C
durante 1 hora, segu indo-se a le i tura TL. Def ine-se o l imi te mín imo
detec táve l como sendo igual a t rês vezes o desv io padrão da
lei tura das past i lhas não i r rad iadas. Para as pas t i lhas de AI2O3
s in ter izadas por 1 e 3 horas o valor encon t rado fo i de I m G y .
4 . 3 . 6 Dependência Energét ica
O estudo da dependênc ia energét ica fo i fe i to i r rad iando-se as
amost ras de a lumina s in ter izada por 1 hora com fe ixes de ra ios-X
para Rad io te rap ia , no ar, à d is tânc ia de 50 cm do foco do tubo de
ra ios-X. Os resu l tados obt idos são most rados na F igura 4 .22 .
Pode-se observar um incremento da resposta TL em função da
energ ia da rad iação, sendo a dependênc ia energé t i ca de 58%.
85
16 18 2D
Energia (keV)
22
Figura 4.22 Dependência energética das pastilhas de alumina sinterizada por 1 hora com radiação X, nível Radioterapia
O estudo da dependênc ia energé t i ca foi t ambém rea l izado
u t i l i zando-se fe ixes de e lé t rons de 6 a 20 MeV, e fó tons de 6 e
18 MeV de um ace le rador l inear. Os resu l tados obt idos são
most rados nas Tabe las 4.5(a) e 4.5(b) respec t i vamen te .
86
T a b e l a 4.5(a) Dependência energética das pastilhas de alumina para elétrons,
irradiações feitas no Hospital das Clínicas.
Energia (MeV)
Resposta TL (u.a.)
AI2O3 sinterizada por 1 hora AI2O3 sinterizada por 3 horas
6 32,68 ±0,14 36,31 ±0,07
9 45,40 ± 0,07 43,23 ± 0,06
13 46,73 ±0,19 44,48 ± 0,09
17 46,10 ±0,19 47,23 ± 0,09
20 48,40 ±0,14 47,72 ± 0,07
T a b e l a 4.5(b) Dependência energética das pastilhas de alumina para fótons
de 6 e 18 MeV, irradiações no Hospital das Clínicas.
Energia (MeV)
Resposta TL (u.a.) AI2O3 sinterizada por 1 hora AI2O3 sinterizada por 3 horas
Q
18
47,35 ±0,35
39,56 ±0,05
41,45 ±0,21
39,79 ±0,13
87
Observa-se um aumento da resposta TL em função da
energ ia dos e lé t rons . A dependênc ia energé t i ca é mos t rada na
tabela 4 .5(a) .
Para as med idas rea l izadas com fó tons o mater ia l ap resen tou
uma d iminu ição de dependênc ia com o aumento da energ ia . A
dependênc ia da emissão TL observada com fó tons fo i dec rescen te
para energ ias ma io res e também decrescen te com maiores tempos
de s in te r ização. Os resu l tados obt idos são mos t rados na Tabe la
4 .5(b) .
88
5 CONCLUSÕES
O método de ob tenção e as cond ições exper imen ta i s u t i l i zadas
para as past i lhas de a lumina com ad ições de gra f i te não foram
adequados para obter a dopagem da a lumina ,
consequen temen te não apresen tou p ropr iedades dos imét r i cas .
As cond ições exper imen ta is u t i l i zadas para a s in te r i zação das
past i lhas de a lumina permi t i ram a ob tenção de past i lhas com
alta dens idade re lat iva e com uma larga d is t r ibu ição de
tamanhos de g rão . A var iação de tempo de s in te r i zação de 1 a
10 horas a 1650°C levou a tamanhos médios de grãos de
a lumina de 1 ,78^m, 2,82|am, 2,88|am, 2,91|am e 3,3^m
respec t i vamente .
Medidas de reprodu t ib i l i dade da emissão TL das past i lhas de
a lumina s in te r izadas em d i fe ren tes tempos mos t ra ram que
aque las s in te r izadas por 1 e 3 horas ap resen ta ram resu l tados
sa t is fa tór ios para dos imet r ia . As past i lhas s in te r i zadas por 3, 7
e 10 horas mos t ra ram baixa reprodut ib i l i dade da resposta TL,
p io rando com o aumento do tempo de s in te r i zação .
8 9
• A curva de emissão TL das past i l i ías de a lumina s in te r i zada
apresenta p ico pr inc ipa l de emissão em torno de 200°C, ou se ja ,
na mesma pos ição do pico de a lumina monocr i s ta l i na .
• As past i lhas de a lumina s in te r izadas por 1 e 3 horas,
ap resen ta ram um compor tamento supra l inear em re lação à
resposta TL na fa ixa de 0,01 a lOOGy.
• As past i lhas de a lumina s in te r izadas por 1 e 3 horas
apresentam uma for te dependênc ia energé t i ca maior que 50%.
• A p iora nas carac ter ís t i cas dos imét r i cas das past i lhas
s in ter izadas a 1650°C para in terva los de tempo super io res a 3
horas é a t r ibu ida à cons tan te an iqu i lação de vacânc ias da rede
da a lumina , anu lando o poss íve l e fe i to benéf ico do aumento do
tamanho de g rão .
9 0
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