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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Departamento de Engenharia Nuclear
Estudo das Propriedades Termoluminescentes de Cristais de K
2
YF
5
e K
2
GdF
5
Dopados com
Íons Trivalentes Opticamente Ativos para Dosimetria Gama e de Nêutrons
Edna Carla da Silva
BELO HORIZONTE
MARÇO 2008
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Departamento de Engenharia Nuclear
Estudo das Propriedades Termoluminescentes de Cristais de K
2
YF
5
e K
2
GdF
5
Dopados
com Íons Trivalentes Opticamente Ativos para Dosimetria Gama e de Nêutrons
Edna Carla da Silva
BELO HORIZONTE
MARÇO 2008
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Departamento de Engenharia Nuclear
Estudo das Propriedades Termoluminescentes de Cristais de K
2
YF
5
e K
2
GdF
5
Dopados
com Íons Trivalentes Opticamente Ativos para Dosimetria Gama e de Nêutron
Dissertação apresentada ao Departamento de
Engenharia Nuclear do Programa de Pós-
Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
da Universidade Federal de Minas Gerais,
como requisito para a obtenção do grau de
Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares.
Área de Concentração: Ciência das Radiações
Orientador: Prof. Dr. Luiz Oliveira de Faria
BELO HORIZONTE
MARÇO 2008
Dedico este trabalho ao meu pai, que esteja
onde estiver, estará sempre torcendo e
acreditando em mim e à minha mãe, exemplo
de força e vitória.
AGRADECIMENTOS
A Deus, minha fonte de inspiração eterna...
Ao Dr. Luiz Oliveira de Faria, que com sua orientação, profissionalismo, incentivo,
confiança, apoio e amizade acreditou no meu trabalho tornando possível esta dissertação;
Aos professores do Departamento de Engenharia Nuclear da UFMG pela formação
profissional;
Ao CDTN, por toda infra-estrutura concedida para a realização deste trabalho;
Aos funcionários do PCTN, pela dedicação e zelo nas atividades desenvolvidas;
Ao Dr. Fernando Lameiras, pela sua confiança, amizade e incentivo
Ao Dr. Nikolai M. Khaidukov, pela fabricação dos cristais TL utilizados nesta pesquisa e pelo
seu apoio.
Ao Dr. Márcio Tadeu Pereira, pelo seu apoio e incentivo.;
À CNEN pela bolsa de estudos e as agências CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro;
Ao Dr. Eudice Vilela e ao Joelan, do CRCN, que mesmo a distância, foram um chave para o
trabalho realizado envolvendo as irradiações com nêutrons;
A Dra. Adriana Albuquerque, chefe do Serviço de Materiais e Combustível Nuclear do
CDTN, pelo apoio;
A Dra. Maria do Socorro Nogueira, pelo incentivo e apoio técnico;
A todos do Laboratório de Calibração de dosímetros do CDTN, em especial o Carlos Manoel
de Assis Soares, Flávio Alves, Ronaldo Bittar e Aníbal, pelas irradiações gama realizadas,
apoio e incentivo;
Aos amigos do Laboratório de Filmes Dosimétricos do CDTN, Hélio, Aloísio e Miltinho pela
amizade e incentivo;
Ao Reinaldo Borges, que com sua amizade, empenho e apoio, foi um dos pontos chave para
eu estar aqui hoje;
Aos colegas e amigos do curso de Pós-Graduação, pelo apoio e amizade;
A todos do prédio 7 do CDTN, em especial a Sirlaine, Jaqueline, Turma do Cafezinho,
Juscelino, Classídia, Adelina, Ana Maria, Wilmar, Donizete, Vlamir, Wagner, Sônia, Maria
José, Marcos Carneiro, Ricardo, Cleusa, Nelson, Eduardo, Valéria e Otávio, pela amizade,
companheirismo, colaboração e incentivo;
Ao Raphael, pela amizade, incentivo, apoio e ajuda na edição de figuras;
vi
A Vânia, pela sua amizade e total apoio;
As minhas amigas Estefânia, Vanessa, Críssia, Iani, Paloma, Sandra e Daniela, pela amizade
apoio e incentivo;
A minha família, em especial a minha mãe, pela educação, paciência e incentivo e a minha
irmã por estar sempre do meu lado;
Ao Rodrigo, que sempre esteve do meu lado me apoiado e incentivado.
A todos aqueles não lembrados aqui que, de uma forma ou de outra, contribuíram para a
realização deste trabalho.
“O futuro pertence àqueles que acreditam na
beleza de seus sonhos” (Eleanor Roosevelt)
i
RESUMO
Neste trabalho são investigadas as propriedades termoluminescentes (TL) de cristais de
K
2
YF
5
e K
2
GdF
5
, dopados com íons de terras raras opticamente ativos, para aplicação em
dosimetria de radiação gama e de nêutrons. Plaquetas cristalinas sintetizadas sob condições
hidrotérmicas, com espessura aproximada de 1 mm, foram irradiadas com objetivo de estudar
a sensibilidade TL, a resposta em função da dose e da energia das radiações, a
reprodutibilidade e o desvanecimento do sinal em termos de concentrações dos dopantes Ce
3+
,
Tb
3+
, Dy
3+
, e Pr
3+
. Os cristais de K
2
YF
5
dopados com 1% de Dy
3+
apresentaram uma ótima
resposta linear TL para fótons X e gama, na faixa de 0,01 a 10 mGy, comparável à resposta
dos dosímetros de CaSO
4
:Mn. O pico dosimétrico principal em 130 °C possui uma
sensibilidade 32 vezes maior para fótons de 41,1 keV, comparado com a resposta para fótons
de 662 keV, demonstrando um forte potencial para aplicações em raios X diagnóstico e/ou
radiografia industrial. Por outro lado, os cristais de K
2
GdF
5
, investigados para aplicação em
dosimetria de nêutrons, devido a alta seção de choque do gadolínio, foram caracterizados para
campos de fótons gama e para nêutrons rápidos. As amostras dopadas com 5% de Dy
3+
foram
as que apresentaram melhor resposta para as duas qualidades de radiação estudadas. Para
fótons gama, a resposta TL do cristal dopado apresentou boa linearidade na faixa de dose de
0,1 a 200 mGy, sendo que o pico principal pode ser decomposto em 4 picos individuais, todos
com resposta TL linear. A resposta TL para nêutrons rápidos de uma fonte de
241
Am-Be, para
doses variando de 0,6 a 12 mSv, mostrou ser similar à resposta do TLD-600, irradiado nas
mesmas condições, apresentando picos de emissão na região acima de 200 °C. Estes
resultados indicam que o K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
é um bom candidato para
aplicações em dosimetria de nêutrons.
ii
ABSTRACT
In this work, the thermoluminescent (TL) properties of both double potassium yttrium
fluoride (K
2
YF
5
) and double potassium gadolinium fluoride (K
2
GdF
5
) crystals doped with
optically active rare earth ions were investigated from the point of view of gamma and
neutron dosimetry. Crystalline platelets with thickness of about 1 mm, synthesized under
hydrothermal conditions, were irradiated in order to study TL sensitivity, as well as dose and
energy response, reproductibility and fading, in terms of Ce
3+
, Tb
3+
, Dy
3+
, e Pr
3+
concentrations. The K
2
YF
5
crystals doped with 1.0 at% Dy
3+
have been found to have an
excellent linear TL response to X and gamma photons, in the range of 0.01 to 10 mGy. The
TL output is comparable to that of CaSO
4
:Mn dosemeters. The main peak at 130 °C has been
found to have a TL response for 41.1 keV X-ray energy 32 times higher than that for 662 keV
gamma rays. This fact points out that the K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
crystals have great potential for X-
rays diagnostic and/or industrial radiography. On the other hand, the K
2
GdF
5
crystals doped
with 5.0 at % Dy
3+
have been found to have the better TL response for gamma and fast
neutron radiation, among all dopants studied. For gamma fields the TL response was linear
for doses ranging from 0.1 to 200 mGy. The TL peak around 200 °C can be deconvoluted into
four individual peaks, all of them with linear behavior. For fast neutron radiation produced by
an
241
Am-Be source, the TL responses for doses ranging from 0.6 to 12 mSv were also linear
and comparable to that of commercial TLD-600, irradiated at same conditions. The TL
emission due to neutrons was in the high temperature range, above 200 °C .These results
points out that K
2
Gd
0.95
Dy
0.05
F
5
crystals are good candidates for use in neutron dosimetry
applications.
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Modelo simplificado da termoluminescência (CAMPOS, 1998)
..............................
7
Figura 2 – Curva típica de um material termoluminescente (MAURÍCIO, 1998).
....................
9
Figura 3 - Representação da curva de emissão TL do LiF:Mg,Ti irradiado com 1 Gy em uma
fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
...
19
Figura 4 - Representação da curva de emissão TL para o LiF:Mg,Cu,P. irradiado com 1 Gy
em uma fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
.....................
20
Figura 5 - Representação da curva de emissão TL para o CaF
2
:Mn submetida a uma irradiação
de 1 Gy em uma fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
.......
23
Figura 6 - Curva de resposta de dose para diferentes configurações dos dosímetros CaF
2
:Mn
irradiados com raios gama (
60
Co) (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
...
23
Figura 7 - Curva de emissão TL do CaF
2
:Dy (TLD-200) submetido a uma irradiação de 1Gy
em uma fonte
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
..........................
24
Figura 8 - Altura do pico de emissão em função da exposição (
137
Cs) para o CaF
2
:Dy em pó
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
..........................
25
Figura 9 - Dependência energética do fóton para o CaF
2
:Dy (TLD-200) quando comparado
com o LiF:Mg,Ti (TLD-100) (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
..........
26
Figura 10 - Curva de emissão TL do CaF
2
:Dy para fótons de diferentes energias. A
intensidade relativa dos picos de emissão alcança um máximo para fótons de 30 keV
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
..........................
27
Figura 11 - Curva de emissão TL característica do TLD-300 após um tratamento térmico a
400 °C por 1h, resfriamento por 6 °C.s
-1
, irradiado a 1 Gy em uma fonte
137
Cs e taxa de
aquecimento de 10 °C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................
28
Figura 12 - Curva de emissão TL para o CaF
2:
Mn e para o LiF:Mg,Ti submetidos a um
mesma exposição (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
...........................
28
Figura 13 - Dependência energética para fótons do CaF
2
:Tm mostrando a resposta TL para os
picos 3 e 5. A curva teórica representa a proporção do coeficiente de absorção massa/energia
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
..........................
29
Figura 14 - Curva de emissão TL para o CaF
2
:NaCl (60:40) fabricado no Brasil irradiados
com 1 Gy em uma fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
....
30
Figura 15 - Curva de emissão TL para o α-Al
2
O
3
:C (TLD-500K) após uma irradiação de 1 Gy
em uma fonte de
137
Co (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
....................
31
iv
Figura 16 - Resposta TL como função de dose para o α-Al
2
O
3
:C mostrando o comportamento
linear-supralinear-sublinear (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
.............
32
Figura 17 - Exemplos de curva de emissão TL para o α-Al
2
O
3
:C em vários níveis de dose
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
..........................
33
Figura 18 - Dependência energética para fótons do α-Al
2
O
3
:C. As curvas são: (1) sem
filtração; (2) coberto com 0.2 mm de espessura por um filtro de chumbo (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
...................
34
Figura 19 - Áreas de aplicações de materiais TL. Elas incluem dosimetria pessoal, ambiental,
clínica e de altas doses. Cada categoria é dividida em sub-áreas etc. (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
...................
35
Figura 20 - Curvas arbitrárias representando a altura do pico TL crescendo com a idade
arqueológica (SANTOS, 2002).
................................
................................
................................
38
Figura 21 - Exemplos de curva de emissão TL para três materiais. (A) Resposta TL para o
pico de 100°C no SiO
2
. Este é um exemplo de sinal TL exibindo uma supralinearidade acima
da faixa examinada. (B) Comportamento conhecido do pico 5 do TLD-100 (linear-
supralinear-sublinear). (C) Resposta de dose do TLD-400 (CaF
2
:Mn) no qual a
supralinearidade e muito fraca.
................................
................................
................................
.
40
Figura 22 - Importância relativa dos diversos processos de interação de fótons com a matéria
em função da energia do fóton e do número atômico do material. (TAUHATA; SALAT;
PRINZIO; PRINZIO, 2003).
................................
................................
................................
.....
42
Figura 23 - Descrição geral de vários estágios do tratamento térmico, estocagem e releitura de
um típico material TL, onde α é a taxa de resfriamento seguido de um tratamento térmico pré-
irradiação e β é a taxa de aquecimento durante a fase sem sinal.
................................
.............
44
Figura 24 – Figura representativa da comparação do processamento do TLD-100 com
cadinhos de alumínio como suporte (curvas em verde e vermelho) e sem o suporte (curva em
azul).
................................
................................
................................
................................
.........
49
Figura 25 – Comparação do desempenho do TLD-600 com e sem encapsulamento com
polietileno irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
................................
...
50
Figura 26 – Comparação do desempenho do TLD-700 com e sem encapsulamento com
polietileno irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
................................
...
50
Figura 27 – Arranjo experimental para irradiação de dosímetros termoluminescentes
mostrando um equipamento de raios X VMI, e suporte para irradiação dos TLDs.
................
51
v
Figura 28 - Setup para irradiação gama de materiais TL com uma fonte de
137
Cs. (Laboratório
de Calibração de Dosímetros do CDTN).
................................
................................
.................
52
Figura 29 - Setup para irradiação com nêutron rápidos em uma fonte de
241
Am-Be. Os
dosímetros são colocados em um fantoma de acrílico em uma distância de 75 cm da fonte.
(Laboratório de dosimetria de nêutrons do CRCN-NE)
................................
...........................
53
Figura 30 - Leitora termoluminescente Harshaw 3500.
................................
............................
54
Figura 31 –Curva do TLD-100 (LiF-100) apresentando o TTP e o ACQ conforme
demonstrados nas Figura 32 e Figura 33.
................................
................................
.................
55
Figura 32 - TTP utilizado para o processamento dos dosímetros TLD-100.
............................
56
Figura 33 - ACQ utilizado para o processamento dos dosímetros TLD-100.
..........................
56
Figura 34 – Reta de calibração para o TLD-100.
................................
................................
......
58
Figura 35 – Reta de calibração para o TLD-600
................................
................................
.......
59
Figura 36 - Reta de calibração para o TLD-700
................................
................................
.......
59
Figura 38 - Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
puro (sem dopante)
irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
................................
..............................
62
Figura 38 - Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
dopado com 5% de
disprósio irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
................................
...............
62
Figura 39 – Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
com 1% de
praseodímio irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
................................
.........
63
Figura 41 - Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
com 1% de térbio
irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
................................
..............................
63
Figura 41 - Deconvolução das curvas para os cristais de K
2
GdF
5
puro (a) e dopado com 5% de
Disprósio (b), irradiado com 300 mGy em uma fonte de Césio-137. Observam-se picos
individuais em 153, 185 e 216 °C para amostras puras e um pico adicional em 234 °C para
amostra dopada com 5% de Dy
34
.
................................
................................
.............................
65
Figura 42 - Curvas de emissão TL para cristais de K
2
GdF
5
:Dy
3+
irradiados com raios gama
em diferentes doses. A resposta TL é dada em nanocoulombs (nC).
................................
.......
66
Figura 43 - Comportamento linear dos cristais de K
2
GdF
5
dopado com 5% exposto à doses de
radiação gama numa faixa de 0.1 a 200 mGy.
................................
................................
..........
67
Figura 44 - Análise individual de cada pico proveniente da deconvolução da curva de emissão
do K
2
GdF
5
dopado com 5%, irradiado com doses gama de 10 a 300 mGy.
............................
68
Figura 45 – Linearidade dos picos individuais resultantes da deconvolução da curva de
emissão TL do K
2
GdF
5
dopado com 5%, em uma faixa de dose de 10 a 300 mGy, irradiados
em uma fonte de
137
Cs.
................................
................................
................................
.............
69
vi
Figura 46 - Dependência de dose do sinal TL integrado do K
2
GdF
5
dopados com 5%
(quadrado), irradiados com doses de 0,1 a 50 mGy em uma fonte de Césio-137, comparados
com o TLD-100 (círculo) irradiados nas mesmas condições.
................................
...................
70
Figura 47 – Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
a)puro e b) dopado com 0,2 % de
Dy
3+
irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
................................
............
74
Figura 48 - Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
com diferentes concentrações de
dopantes de íons trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
, irradiados com 10 mSv em uma fonte
de nêutrons rápidos. a) K
2
GdF
5
dopado com 1,0 % de Dy
3+
, b) K
2
GdF
5
dopado com 5,0 % de
Dy
3+
................................
................................
................................
................................
...........
75
Figura 49 - Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
com diferentes dopantes de íons
trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
e Pr
3+
, respectivamente, irradiados com 10 mSv em
uma fonte de nêutrons rápidos. a) K
2
GdF
5
dopado com 10,0 % de Dy
3+
, b) K
2
GdF
5
dopado
com 1,0 % de Pr
3+
.
................................
................................
................................
....................
75
Figura 50 - Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
com diferentes concentrações de
dopantes de íons trivalentes opticamente ativos de Tb
3+
e Ce
3+
respectivamente, irradiados
com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos. a) K
2
GdF
5
dopado com 1,0 % de Tb
3+
, b)
K
2
GdF
5
dopado com 5,0 % de Ce
3+
.
................................
................................
.........................
76
Figura 51 - Curva de emissão TL para cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
irradiados com a) gama em uma fonte de
137
Cs e b) (nêutrons rápidos + gama) em uma fonte
241
Am-Be. As curvas foram normalizadas em relação a massa e a dose de irradiação.
...........
78
Figura 52 - Comparação da resposta TL para nêutrons rápidos entre os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
o TLD-600, irradiados sob as mesmas condições.
..........................
79
Figura 53 – Curva de emissão TL para o TLD-600 irradiado com 0,33 mSv em uma fonte de
241
Am-Be. A área em destaque, na região de alta temperatura (> 210 °C), indica a
contribuição devido aos nêutrons térmicos (MUKHERJEE; CLERKE; KRON, 1996).
.........
80
Figura 54 – Representação esquemática da região referente aos nêutrons para o TLD-600. O
material foi irradiado com 10 mSv em uma fonte de
241
Am-Be com nêutrons rápidos.
..........
80
Figura 55 – Representação esquemática da região referente aos nêutrons para o K
2
GdF
5
dopado com 10 % de Dy
3+
, irradiado com 10 mSv em uma fonte de
241
Am-Be com nêutrons
rápidos.
................................
................................
................................
................................
......
81
Figura 57 - Representação esquemática da região referente aos nêutrons para o K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
, irradiado com 0,5mSv em uma fonte de
241
Am-Be com nêutrons
rápidos.
................................
................................
................................
................................
......
82
vii
Figura 58 - Reta de linearidade para os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
irradiados com nêutrons rápidos, em uma fonte mista nêutron-gama, numa faixa de dose de
0,5 a 10 mSv.
................................
................................
................................
............................
83
Figura 59 - Comportamento da linearidade com a dose (0,5 a 12 mSv) para os cristais de
K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
e para o TLD-600, na comparação entre radiações em
campo misto nêutron-gama e apenas gama
................................
................................
..............
84
Figura 60 - Deconvolução de amostras de cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
irradiados com a) nêutrons + gama e b) gama. As amostras foram normalizadas pela massa e
pela dose.
................................
................................
................................
................................
...
85
Figura 61 - Comparação dos diferentes tipos de radiação (gama e nêutrons) dos picos
individuais para amostras de K
2
GdF
5
dopadas com 5% de Dy
3+
,
resultantes da deconvolução
da curva de emissão TL (à esquerda da figura). Os dados foram normalizados pela massa e
pela dose.
................................
................................
................................
................................
...
86
Figura 62 - Curva de emissão termoluminescente para o K
2
YF
5
:Dy
3+
e para o TLD-100 (eixo
esquerdo) expostos a uma dose de radiação gama de 1 mGy, em uma faixa de temperatura de
50 a 300
o
C (eixo direito).
................................
................................
................................
..........
88
Figura 63- Curva de dependência com a dose e ajuste linear do sinal TL para cristais de
K
2
YF
5
dopados com 1% de Dy
3+
(quadrado cheio) e CaSO
4
:Mn comercial (círculo vazio), na
faixa de dose de 0.01 a 7mGy.
................................
................................
................................
..
89
Figura 64 - Curva de emissão TL para o Al
2
O
3
:Mg,Y após uma irradiação de 1 Gy em uma
fonte de
137
Cs e taxa de aquecimento de 10.s
-1
. As amostras foram submetidas a um
tratamento térmico pré-irradiação a 300°C por 1h seguido de um resfriamento a temperatura
ambiente de aproximadamente 6°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
................................
................................
..................
94
Figura 65 - Curva de emissão TL para o Al
2
O
3
:Si,Ti após uma exposição de 150 kR (gama) e
taxa de aquecimento de 3°C.s-1 (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
......
95
Figura 66 - Curva de emissão TL para o Al
2
O
3
:Cr,Ni após irradiação com raios X, com doses
variando de 10 Gy a 10
4
Gy. As amostras foram submetidas a um tratamento térmico antes da
irradiação a 1000°C por 15 minutos e resfriadas a temperatura ambiente a 6°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
..........................
96
Figura 67 - Curva de emissão TL para o BeO ThermaloxTM 995 irradiado com 1 Gy em uma
fonte de
137
Cs com uma taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
................................
................................
................................
................
97
viii
Figura 68 – Curva de resposta TL em função da dose aplicada para o BeO, para uma
irradiação com
60
Co (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
.........................
98
Figura 69 - Curva de emissão TL de uma amostra de MgO irradiada com raios X de 6 MV em
temperatura ambiente, com uma taxa de aquecimento de 10°C.s
-1
(MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
...................
99
Figura 70 - MgO irradiado com luz UV (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).
................................
................................
................................
................................
......
100
Figura 71 - Curva de emissão termoluminescente do CaSO
4
:Mn irradiado com 1,0 mGy em
uma fonte de gama (Irradiação realizada no Laboratório de Calibração de Dosímetros do
CDTN).
................................
................................
................................
................................
...
101
Figura 72 - Curva de emissão TL do CaSO
4
:Dy após irradiação com 1 Gy em uma fonte de
137
Cs e taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
................................
................................
................
102
Figura 73 - Resolução do comportamento dos picos de emissão TL da curva de emissão do
CaSO
4
:Dy por uma técnica de aquecimento parcial (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
................................
................................
................................
..............
103
Figura 74 - Resposta TL do CaSO4:Dy (TLD-900) em função da dose, para o pico
dosimétrico principal de 220°C (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
.....
103
Figura 75 - Curva de emissão TL do Li
2
B
4
O
7
:Mn (TLD-800) irradiado com 1 Gy em
137
Cs e
taxa de aquecimento de 10°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
...
104
Figura 76 - Resposta Li
2
B
4
O
7
:Cu em função da exposição (
137
Cs). A resposta do Li
2
B
4
O
7
:Mn
é mostrada por comparação. A seta em ambos os casos indicam o final da região linear
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
........................
105
Figura 77 - Curvas de emissão TL do a) MgB
4
O
7
:Dy e do b) MgB
4
O
7
:TM após irradiação de
1 Gy em uma fonte de
137
Cs e taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
.................
106
Figura 78 - Resposta TL do MgB
4
O
7
:Dy em função da exposição gama (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
................................
................................
.................
107
Figura 79 - Curva de emissão TL para o MgB
4
O
7
:Mn após irradiação com 1 Gy em uma fonte
de
137
Cs e taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).
................................
................................
................................
................................
......
107
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Principais características de alguns dos principais materiais TL (KORTOV, 2007)
................................
................................
................................
................................
..................
16
Tabela 2 – Materiais TL aplicados a dosimetria e suas aplicações
................................
...........
46
Tabela 3 - Relação de cristais de K
2
YF5 e K
2
GdF5 com seus respectivos dopantes.
..............
47
Tabela 4 - Sinal integrado de saída termoluminescente do cristal de K
2
GdF
5
:Dy
3+
para
diferentes concentrações de íons de Dy
3+
,
irradiados com 10 mGy com radiação gama.
.........
64
Tabela 5 - Intensidade TL relativa em função da energia efetiva do fóton para o K
2
GdF
5
:Dy
3+
dopado com 5% de Dy
3
irradiados com 1 mSv.
................................
................................
.......
71
Tabela 6 – Fading para os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
.
................................
71
Tabela 7 - Sinal integrado de saída termoluminescente para os cristais de K
2
GdF
5
com
diferentes concentrações de dopantes de íons trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
, Pr
3+
,
Tb
3+
e Ce
3+
,
irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
................................
76
Tabela 8 - Resposta relativa para a energia do Cs-137 do K
2
YF
5
dopado com 1% de
Dy
3+
comparado com as respostas do CaSO
4
:Mn e TLD-100, irradiados nas mesmas
condições.
................................
................................
................................
................................
..
89
x
LISTA DE SIGLAS
ACQ
---------------------------------------------------------------------- Setup de Aquisição
BG
------------------------------------------------------------------------------ Background
CDTN
--------------------------------Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear
CNEN
---------------------------------------------- Comissão Nacional de energia Nuclear
CRCN
------------------------------ Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste
DEN
---------------------------------------------------- Departamento de Energia Nuclear
DSC
---------------------------------------------- Calorimetria por Varredura Diferencial
ICRP
---------------------------------- Comissão Internacional de Proteção Radiológica
IPEN
---------------------------------------------------- Instituto de Pesquisas Energéticas
ISO
------------- International Commission On Radiation Units And Measurements
LET
------------------------------------------------------ Transferência Linear de Energia
PMT
---------------------------------------------------------------------- Fotomultiplicadora
RER
---------------------------------------------------------- Resposta Relativa de Energia
RT
------------------------------------------------------------------Temperatura Ambiente
TL
-------------------------------------------------------------------- Termoluminescência
TLD
------------------------------------------------------- Dosímetro Termoluminescente
TTP
--------------------------------------------------------Perfil de Tempo e Temperatura
UFMG
------------------------------------------------Universidade Federal de Minas Gerais
Z
eff
-------------------------------------------------------------- Número Atômico Efetivo
xi
SUMÁRIO
RESUMO
________________________________
________________________________
_
i
ABSTRACT
________________________________
_______________________________
ii
LISTA DE FIGURAS
________________________________
______________________
iii
LISTA DE TABELAS
________________________________
______________________
ix
LISTA DE SIGLAS
________________________________
_________________________
x
SUMÁRIO
________________________________
_______________________________
xi
INTRODUÇÃO
________________________________
____________________________
1
1 ASPECTOS TEÓRICOS DA TERMOLUMINESCÊNCIA
_____________________
5
1.1 Dosimetria termoluminescente
________________________________
________________
5
1.2 Armazenamento de energia
________________________________
__________________
5
1.3 Liberação de energia
________________________________
________________________
6
1.4 Modelos matemáticos da termoluminescência
________________________________
___
9
2 MATERIAIS TERMOLUMINESCENTES APLICADOS À DOSIMETRIA DAS
RADIAÇÕES
________________________________
_____________________________
14
2.1 Características dos materiais dosimétricos
________________________________
_____
15
2.2 Principais materiais termoluminescentes
________________________________
______
17
2.2.1 Fluoretos
________________________________
______________________________
17
2.2.2 Óxidos
________________________________
________________________________
_
30
2.3 Aplicações
________________________________
________________________________
34
2.3.1 Dosimetria Pessoal
________________________________
______________________
35
2.3.2 Dosimetria Ambiental
________________________________
____________________
36
2.3.3 Dosimetria Clínica
________________________________
_______________________
37
2.3.4 Altas Doses
________________________________
_____________________________
37
2.3.5 Datação arqueológica por termoluminescência
_______________________________
37
2.4 Propriedades dos Materiais Termoluminescentes
_______________________________
39
2.4.1 Sensibilidade
________________________________
___________________________
41
xii
2.4.2 Limiar de detecção
________________________________
______________________
41
2.4.3 Resposta com a energia
________________________________
___________________
41
2.4.4 Condições térmicas
________________________________
______________________
44
2.4.5 Outros efeitos
________________________________
___________________________
45
2.5 Materiais TL em diferentes aplicações
________________________________
________
46
3 ARRANJO EXPERIMENTAL
________________________________
___________
47
3.1 Suporte de irradiação
________________________________
______________________
48
3.2 Suporte para processamento TL
________________________________
_____________
48
3.3 Setup de irradiação
________________________________
________________________
50
3.3.1 Setup utilizado para irradiações com raios X
________________________________
_
50
3.3.2 Setup utilizado para irradiação gama
________________________________
_______
51
3.3.3 Setup utilizado para radiação com nêutrons
________________________________
_
52
3.4 Leitora de dosímetros termoluminescentes
________________________________
_____
53
3.5 Tratamento térmico
________________________________
________________________
56
3.6 Calibração dos dosímetros de referência (TLD-100, TLD-600 e TLD-700)
___________
57
3.6.1 Calibração do LiF:Mg,Ti (TLD-100)
________________________________
_______
57
3.6.2 Calibração dos dosímetros TLD-600 e TLD-700
______________________________
59
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÕES
________________________
60
4.1 Propriedades termoluminescentes do K
2
GdF
5
em campos de radiações de fótons e de
nêutrons.
________________________________
________________________________
_____
60
4.1.1 Caracterização da resposta TL para fótons de raios X e gama.
__________________
61
4.1.2 Determinação da resposta termoluminescente do K
2
GdF
5
para campos de nêutrons 72
4.1.3 Estudo da linearidade do K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
para campo misto
nêutron-gama
________________________________
________________________________
_
82
4.2 Propriedades termoluminescentes do K
2
YF
5
:Dy
3+
em campos de radiação X e gama
__
87
CONCLUSÕES
________________________________
___________________________
91
APÊNDICE 1 - PROPRIEDADES TERMOLUMINECENTES DE ALGUNS MATERIAIS
________________________________
________________________________
________
93
xiii
APÊNDICE 2 - INVESTIGATION OF THE TL RESPONSE OF K
2
GdF
5
:Dy
3+
CRYSTALS TO X AND GAMMA RADIATION FIELDS
________________________
108
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
________________________________
________
114
1
INTRODUÇÃO
A aplicação da termoluminescência à dosimetria das radiações ionizantes data de 1940,
quando o número de trabalhadores expostos a estas radiações aumentou e foram iniciados
esforços no sentido de se desenvolver novos tipos de dosímetros.
Desde o trabalho pioneiro de Daniels et al., em 1953 (DANIELS, 1953), a investigação das
propriedades termoluminescentes (TL) de alguns materiais tem sido o objeto de pesquisa de
um grande número de pesquisadores ao redor do mundo, em vista das inúmeras aplicações
decorrentes destas propriedades (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995). A
dosimetria de radiações ionizantes através da termoluminescência armazenada em alguns
cristais é sem dúvida a que encontra o maior número de trabalhos científicos já realizados, em
particular com aplicações nas áreas de radiodiagnóstico, radioterapia, monitoração individual
e ambiental, datação arqueológica, datação de cerâmicas e dosimetria de altas doses.
O fenômeno da termoluminescência já é conhecido há bastante tempo. Em 1663, Robert
Boyle já notificava a “Royal Society” em Londres, a observação de luz emitida por um
diamante, quando este fora aquecido no escuro. A partir de então, um grande número de
cientistas, alguns famosos como Henry Becquerel, passaram a trabalhar com o fenômeno e em
1904 Marie Curie observou que as propriedades TL dos cristais podiam ser restauradas após
tratamento térmico sobre determinadas condições. Em 1920, começaram os estudos em
relação à influência da exposição dos raios X no CaF
2
e entre 1930 e 1940 foram realizados os
primeiros trabalhos experimentais e teóricos sobre a termoluminescência (HOROWITZ,
1984; MCKEEVER, 1985, BULL, 1986).
Daniels et al (1953) foram as primeiras pessoas a utilizarem o termo termoluminescência na
literatura. Uma aplicação bem sucedida de Daniels foi a utilização do LiF:Mg,Ti (TLD-100)
em 1950, para a dosimetria das radiações durante testes com a bomba atômica.
Em 1957, começaram estudos com o Al
2
O
3
(RIEKE; DANIELS, 1957). Neste mesmo ano, as
propriedades do fluoreto de cálcio dopado com manganês (CaF
2
:Mn) chamaram bastante
atenção por apresentarem uma ótima sensibilidade TL (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
2
Nos anos 60, surgiram importantes materiais TL. Em 1961, pesquisas sobre o fluoreto de lítio
(LiF), dopado com manganês e titânio (LiF:Mg,Ti) tiveram um enfoque como um dosímetro
termoluminescente (HOROWITZ, 1984). No mesmo ano, apareceram os sulfatos de cálcio
dopados com samário. Em 1965 o Li
2
B
4
O
7
:Mn e, em 1968, o CaF
2
:Dy, o CaSO
4
:Tm e o
CaSO
4
:Dy. Adicionalmente, foram descobertos nesta mesma década, os materiais TL naturais
CaF
2
.
Na década de 70, foram realizados alguns aprimoramentos nas aluminas (Al
2
O
3
),
principalmente aquelas com os dopantes manganês e ítrio (Al
3
O
3
:Mg,Y) e com silício e
titânio (Al
3
O
3
:Si,Ti). Outros importantes materiais desta década foram: CaF
2
:Tm;
Li
2
B
4
O
7
:Cu; Li
2
B
4
O
7
:Dy, MgB
4
O
7
:Mn e MgB
4
O
7
:Tm.
Em 1986 foram estudadas as propriedades de variação dos materiais baseados no LiF, dentre
eles o LiF:Mg,Cu,P, que apresentou uma resposta 50 vezes maior que o LiF:Mg,Ti.
Apesar de existirem vários materiais termoluminescentes já descobertos, sendo que alguns
deles extensamente investigados tais como as fluoritas (LiF, CaF
2
), os óxidos (Al
2
O
3
, BeO,
MgO) e os sulfatos (CaSO
4
), dopados com os mais diversos elementos químicos tais como
Mg, Mn, Dy, Cu, P e outros, a investigação de novos materiais termoluminescentes
permanece até hoje um campo de pesquisa bastante atraente em virtude das inúmeras
aplicações tecnológicas que podem advir de dosímetros termoluminescentes (TLD’s), que
apresentem maior sensibilidade à radiação ionizante. Por exemplo, existem aplicações desde a
dosimetria ambiental até a formação de imagem digital termoluminescente. Deve-se ressaltar
também a necessidade de materiais TL mais sensíveis, em conjunto com outras propriedades
operacionais intrínsecas dos TLD’s, nas aplicações em dosimetria “in vivo” para tratamentos
de radioterapia. Em qualquer caso, a busca de detectores de radiação cada vez mais sensíveis
sempre estará ligada à diminuição das doses de radiação em trabalhadores e indivíduos do
público, com conseqüente diminuição dos danos provocados pela radiação, seja em
radiodiagnóstico ou em radioterapia.
Em trabalhos recentes, investigou-se a resposta de um novo tipo de material
termoluminescente, o cristal K
2
YF
5
dopado com íons trivalentes opticamente ativos para
campos de radiação alfa e beta (LE FUR, 1992; GORYUNOV, 1992; KHAIDUKOV, 2000,
KRISTIANPOLLER, 2001 e LO, 2006). Estes cristais pertencem a uma promissora nova
3
classe de materiais termoluminescentes, os cristais fluorados dopados com terras raras e que,
pela primeira vez, foram produzidos e investigados do ponto de vista da termoluminescência.
Em pesquisas recentes executada pelo CDTN/CNEN em parceria com o grupo pioneiro neste
trabalho, o Instituto de Química Inorgânica de Moscou e a Universidade Chinesa de Hong
Kong, investigou a resposta deste novo tipo de material termoluminescente, o cristal K
2
YF
5
dopado com íons opticamente ativos de Tb
3+
, para campos de radiação de fótons (X e gama)
(FARIA; KUI, H.W., KHAIDUKOV, N.M.; NOGUEIRA, M.S., 2004).
Encorajados com estes resultados, resolvemos investigar as propriedades termoluminescentes
aplicadas à dosimetria das radiações de alguns cristais semelhantes, o K
2
YF
5
e o K2GdF5. O
K
2
YF
5
será investigado do ponto de vista da dosimetria em campos de fótons (X e gama) para
aplicação em dosimetria clínica, uma vez que os resultados preliminares apontam para um
sinal TL com alto índice de perda de intensidade com o tempo. Já o K
2
GdF
5
será investigado
visando aplicações em dosimetria de nêutrons, tendo em vista que estes materiais apresentam
em sua estrutura o gadolínio, que por sua vez possui uma alta seção de choque para nêutrons.
Para estes materiais, serão estudados dos cristais dopados com Ce
3+
, Tb
3+
, Dy
3+
e Pr
3+
.
No capítulo 2 deste trabalho, são descritas as características dosimétricas dos principais
materiais TL utilizados comercialmente.
No capítulo 3 são detalhados os aparatos experimentais utilizados como os métodos de
preparação de amostras, o setup utilizado nas irradiações (radiação X, gama e nêutrons) e a
calibração dos dosímetros TL de referência.
No capítulo 4 são descritos os resultados obtidos na investigação da resposta TL para os
cristais de K
2
YF
5
dopado com 1% de Dy
3+
e do K
2
GdF
5
dopado com 5% Dy
3+
, e uma
discussão destes resultados.
No apêndice 1, são descritas resumidamente características dosimétricas de alguns materiais
TL, complementando os dados fornecidos no capítulo 2.
No apêndice 2 é apresentado um resumo dos resultados obtidos para os cristais de
K
2
YF
5
:Dy
3+
.
Estes resultados foram publicados na Radiation Measurements, volume 42,
paginas 311-315 em fevereiro de 2007.
4
No último capítulo, apresentamos uma síntese das conclusões obtidas relativas ao capítulo 4.
5
1 ASPECTOS TEÓRICOS DA TERMOLUMINESCÊNCIA
1.1 Dosimetria termoluminescente
A produção do efeito da termoluminescência (TL) em materiais dosimétricos é muito
complexa, envolvendo vários estágios, tais como transferência de carga e energia entre os
defeitos na rede cristalina do cristal. A intensidade termoluminescente é resultado da reação
entre fótons ou partículas do campo de radiação e do material TL. Ela é dependente do tipo,
número e distribuição das diferentes espécies de defeitos presentes dentro do material que será
irradiado, da energia dos fótons absorvidos ou partículas e outros fatores como tempo e taxa
de irradiação, temperatura, etc.
A termoluminescência é basicamente um processo composto por dois estágios sendo que no
primeiro o material é exposto a uma energia externa (Ex.: radiação ionizante) passando do seu
estado de equilíbrio para o metaestável. No segundo, o material sofre uma relaxação temo-
estimulada e retorna ao equilíbrio emitindo luz.
A dosimetria termoluminescente tem por objetivo indicar qual a quantidade de energia por
unidade de massa (dose) que foi absorvida pelo material durante o processo de irradiação.
Desta forma, mede-se a intensidade da luz emitida pelo material devida a liberação termo-
estimulada da energia absorvida. A intensidade de luz emitida pode ser correlacionada com a
dose após um processo de calibração. A curva de emissão termoluminescente (TL ou termo-
estimulada) representa a intensidade da luz emitida em função da temperatura.
1.2 Armazenamento de energia
O processo de absorção de energia depende do tipo e do espectro de radiação incidente em
cada tipo de material. Em materiais não metálicos, a absorção desta energia ocorre através de
dois processos principais: excitação eletrônica e dano por deslocamento. Estes processos
resultam em danos no material, isto é, são formados defeitos induzidos por radiação. Neste
sentido, estes defeitos são qualquer espécie eletrônica ou atômica fora de seu estado de
equilíbrio termodinâmico originada no material pela irradiação. Os estados de energia não
ocupados localizados no material provenientes de defeitos extrínsecos ou intrínsecos
existentes na rede, tornam-se defeitos induzidos por radiação quando preenchidos durante o
6
processo de irradiação. Da mesma forma, átomos deslocados de sua posição normal para
posições intersticiais da rede pela absorção da energia e a vacância criada por este
movimento, também são defeitos induzidos por radiação TL (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
Irradiações com fótons criam preferencialmente excitações eletrônicas enquanto que
irradiações com partículas carregadas aumentam o número de defeitos criados por
deslocamento de átomos, apesar do processo de ionização continuar significativo.
Basicamente, o mecanismo da termoluminescência ocorre quando a radiação ionizante ao
interagir com os elétrons, cede energia aos mesmos que são aprisionados pelas armadilhas
(imperfeições da rede cristalina assim como os centros de luminescência). Se o material for
submetido a um aquecimento, os elétrons aprisionados nas armadilhas são liberados, fazendo
com que percam energia nos centros de luminescência. A diferença de energia entre esses dois
níveis (estado ligado e estado de condução) é emitida através de fótons com energia na faixa
da luz visível (da ordem de alguns eV). Este mecanismo será melhor explicado no próximo
item.
1.3 Liberação de energia
A liberação de energia pode ser estimulada pelo aumento da temperatura em um material. A
liberação da energia vem da recombinação elétron-buraco ou par vacância-intertício. Nos dois
casos, os elétrons sofrem uma desexcitação de estado metaestável para o estado estável
(fundamental) (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995)..
O modo mais simples que se pode realizar a liberação de energia é via recombinação elétron-
buraco, como representado na Figura 1. Podemos observar que os elétrons são liberados
termicamente.
7
Figura 1 - Modelo simplificado da termoluminescência (CAMPOS, 1998)
O início do processo acontece quando o acoplamento de fônons (onda de perturbação
semelhante à onda sonora que se propaga num cristal) entre o elétron e a rede cristalina
resulta na absorção de energia térmica disponível na rede. A probabilidade
)(Tp
por segundo
desta quantidade de energia ser suficiente para liberar o elétron de seu estado localizado e
passar para a banda de condução é dada por (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).:
)
/
(
)
(
)
(
kT
E
a
e
T
s
T
p
−
=
(1)
Onde
a
E
é a energia de ativação e
)(Ts
é um termo fracamente dependente da temperatura
conhecido como fator de freqüência, estando relacionado com a freqüência de vibração da
rede no local e com a mudança de entropia associada à liberação da carga. Desta forma, o
aumento da temperatura aumenta a probabilidade do elétron passar a ter energia suficiente
para ser liberado para a banda de condução, e assim ficar livre para voltar à mesma armadilha
ou ser capturado em outro estado localizado ou ainda se recombinar com buracos. No
processo de recombinação pode haver não só a emissão de fônons (emissão não radioativa)
mas também a emissão de fótons (emissão radioativa). Caso a recombinação ocorra com a
emissão de fótons na região do visível (luz), uma curva de emissão TL pode ser observada,
podendo ser representada por: TL x t, onde t é o tempo ou TL x T, onde T representa a
temperatura. Em processos não radioativos, a energia é transferida para outro elétron ou para
a rede através de fônons. Deste modo, tem-se um retorno termicamente estimulado do sistema
8
de seu estado metaestável para o equilíbrio, com uma parte excedente sendo liberada em
forma de luz.
O mecanismo de liberação de energia envolve a recombinação entre átomos intersticiais
(centros H) e vacâncias (centros F), sendo descrito pela reação (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995):
TL
fóton
ta
redeperfei
H
F
+
=
−
A probabilidade para que esta reação ocorra a uma dada temperatura T também pode ser
descrita pela equação 1, sendo E
a
a energia de ativação necessária para fazer os íons
intersticiais se difundir para os sítios livres.
Um terceiro mecanismo também é possível, envolvendo um elétron e/ou buraco liberado,
mas sem a ocorrência da passagem intermediária pela banda não localizada. Este mecanismo
é possível nas situações em que existe uma forte associação espacial entre o centro de captura
e o sítio de estados localizados, ou seja, estados que não estão na banda de condução nem na
banda de valência.
Independentemente do mecanismo de recombinação, a emissão TL aumenta com o aumento
da temperatura devido ao aumento do número de portadores (cargas livres ou átomos
intersticiais) liberados de acordo com a população existente nos centros de captura (estados
populados). Conforme a probabilidade da reação aumenta, a população diminui. Assim, a
intensidade da luminescência (recombinação) cresce até uma determinada temperatura
(temperatura do pico de emissão) e depois começa a diminuir até atingir o valor um valor
mínimo, ou seja, quando não há mais elétrons (ou átomos intersticiais) para serem liberados
dos centros de captura. Como resultado, observamos o pico de emissão característico
mostrado na Figura 2.
A cor da luz emitida (comprimento de onda associado à energia do fóton) é geralmente
característica do centro de recombinação. A curva de emissão TL é conseqüência do
somatório de vários picos, sendo que cada um deles está associado a um tipo de armadilha e
recombinação com diferentes valores de energia de ativação e fator de freqüência.
9
Figura 2 – Curva típica de um material termoluminescente (MAURÍCIO, 1998).
Os materiais TL, de acordo com suas particularidades relacionadas aos centros de
recombinação, apresentam um espectro de comprimento de onda. Os equipamentos leitores
que processam a termoluminescência geralmente integram a curva de emissão TL em uma
ampla faixa de comprimentos de onda, sem discriminá-los.
1.4 Modelos matemáticos da termoluminescência
O fenômeno da termoluminescência é muito complexo, envolvendo transferência de carga e
energia entre diferentes defeitos do material. Uma curva de emissão TL típica é caracterizada
pela presença de diversos picos, cuja posição em temperatura e altura depende de diversos
fatores, tais como a profundidade das armadilhas, taxa de aquecimento, intensidade da
radiação, história prévia das amostras, entre outros reação (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
Alguns modelos matemáticos são utilizados para descrever a intensidade e a temperatura dos
materiais TL. O modelo mais simples foi proposto por Randall-Willkins em 1945. Neste
modelo, considerando que os picos presentes na curva de emissão TL podem ser compostos
da superposição de um ou mais picos, consideraremos um único pico, a fim de facilitar o
entendimento. Esta análise é considerável quando os picos presentes na emissão estão
10
suficientemente separados ou existem métodos eficientes para separá-los. Neste modelo, é
levado em conta a probabilidade de armadilhamento relacionada com:
)
(
n
N
−
= concentração de lugares vazios, onde
N
é o número total de armadilhas e
n
é o
número de armadilhas ocupadas.
Considerando o caso simples de recombinação elétron-buraco e uma única armadilha (centro
de captura de elétron), a concentração de elétrons armadilhados em um tempo
t
varia
inversamente com a densidade de armadilhas preenchidas
n
multiplicada pela probabilidade
do elétron escapar da armadilha
)(Tp
(equação 1) e diretamente com a densidade de elétrons
que está sendo armadilhada, podendo ser descrita como a densidade de estados na banda de
condução n
c
multiplicada pela densidade de estados ocupados no nível energético da
armadilha (N-n), multiplicado pela probabilidade de transição para a armadilha A, conforme a
equação abaixo (MAURÍCIO, 1998):
(
)
A
n
N
n
e
s
n
dt
dn
c
kT
E
a
−
+
−
=
−
)
(
.
.
(2)
Onde:
k é a constante de Boltzmann;
s é o fator de freqüência = n
c
A (independente da temperatura do cristal);
T é a temperatura;
n
c
é a densidade de estados na banda de condução;
A é igual à probabilidade de transição para a armadilha (centro de captura) = vS;
v é a velocidade térmica do portador, no caso o elétron na banda de condução;
S é a seção de choque de captura;
E
a
é a energia de ativação ou profundidade da armadilha.
A variação da densidade de buracos armadilhados no centro de recombinação n
h
em função
do tempo é dada por:
r
h
c
h
A
n
n
dt
dn
−
=
(3)
11
Onde:
A
r
é a probabilidade da transição de recombinação;
n
c
é a densidade de elétrons na banda de condução;
n
h
é a densidade de buracos armadilhados no centro de recombinação.
A variação de n
c
com o tempo é representada segundo a equação:
dt
dn
dt
dn
dt
dn
h
c
−
=
(4)
Soluções analíticas destas equações, entretanto, só são possíveis sugerindo algumas hipóteses.
A mais comum é a de quase-equilíbrio, onde a taxa de elétrons entrando e saindo da banda de
condução são iguais para todas as temperaturas.
,
dt
dn
dt
dn
h
c
<<
dt
dn
dt
dn
dt
dn
h
≅
⇒
(5)
Podemos escrever a intensidade do pico TL como:
1
)
(
)
(
+
−
=
=
−
r
h
kT
E
h
TL
A
n
A
n
N
nse
dt
dn
T
I
φ
φ
(6)
Onde:
S
φ
é a eficiência da luminescência de recombinação.
Levando em consideração o rearmadilhamento lento ou a cinética de primeira ordem
)(
r
h
An
>>
(
)
A
n
N
)
−
e integrando-se, tem-se a expressão do modelo de Randall-Willkins para a
termoluminescência (RANDALL; WILKINS, 1945):
12
−
−
∫
=
−
T
T
k
E
d
e
s
kT
E
TL
e
se
n
I
0
)
(
)
(
0
θ
β
θ
φ
(7)
Onde:
β é a taxa de aquecimento e n
0
é o número de armadilhas ocupadas na temperatura T
0
.
Embora o modelo de Randall-Willkins trate apenas de um processo de recombinação elétron-
buraco com os elétrons sendo liberado através de sua passagem pela banda de condução
(estado não localizado), a equação 6 continua sendo válida. Em transição localizada, a única
diferença está relacionada ao
c
n
que será a concentração de elétrons no estado localizado e E
a diferença de energia entre o estado localizado e a armadilha. O mesmo fato acontecerá se a
recombinação for a concentração de interstícios com mobilidade, sendo E a energia de
ativação de interstícios dentre outras pequenas modificações na interpretação dos demais
termos.
McKeever et al (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995), concluíram que este
modelo simples é normalmente suficiente para descrever o comportamento da maioria dos
materiais TL comerciais, na faixa de dose e temperatura usuais em dosimetria. Por outro lado,
nem sempre os valores de s e E podem ser interpretados microscopicamente, em termos
físicos usando este modelo simplificado.
Outros modelos matemáticos foram propostos como, por exemplo, o Modelo Garlick-Gibson
em 1948. Neste modelo, a probabilidade de recaptura de elétrons é igual a probabilidade de
recombinação. Além disso, considera-se a probabilidade de recaptura igual à probabilidade de
recombinação com os centros de luminescência e que o número de elétrons presos nas
armadilhas, do total de armadilhas presentes na estrutura cristalina, é igual ao número de
buracos presentes nas armadilhas de buracos.
Um outro modelo foi proposto por May e Partridge em 1964, no qual leva em consideração as
equações resultantes para a intensidade termoluminescente nos modelos de Randall-Willkins,
resultando em uma expressão empírica para uma cinética de ordem geral (SANTOS, 2002).
13
Os três modelos anteriores propõem que as armadilhas estão associadas a um estado
energético localizado, ou seja, que as armadilhas estão associadas a níveis de energia
discretos. Isto ocorre para materiais altamente cristalinos, porém, este comportamento não é
esperado para materiais vítreos ou amorfos, cujas armadilhas distribuem-se em certas faixas
de energia. Nestes materiais, a estrutura da rede nas proximidades do defeito apresenta
alterações no ângulo e no comprimento das ligações, de forma que a energia de ativação
(profundidade das armadilhas) tende a se distribuir em uma faixa. O modelo contínuo leva em
consideração as várias formas de distribuição de energia (SANTOS, 2002).
14
2 MATERIAIS TERMOLUMINESCENTES APLICADOS À DOSIMETRIA DAS
RADIAÇÕES
Desde a sugestão de Daniels et al (DANIELS; BOYD, SAUNDERS, 1953), os materiais
termoluminescentes (TL) encontraram diversas aplicações. Dentre as aplicações, as mais
difundidas são a monitoração individual e a ambiental. Os materiais TL têm sido usados em
escala crescente também em dosimetria clínica.
Devido às significativas aplicações da dosimetria TL, tornou-se importante o estudo criterioso
das propriedades destes materiais, bem como o desenvolvimento de novos materiais TL.
Algumas revisões detalhadas e livros sobre as propriedades e o uso de materiais
termoluminescentes dosimétricos foram publicados (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995 e SPAETH, 2001). Alguns pesquisadores formularam princípios gerais
para o desenvolvimento e a seleção dos materiais TL (MEIJVOGEL; BURG; BOS, 1996,
BOS, 2001, WIECZOREK, 2001, e LUSHCHIK et al., 2004). Na atualidade, estas revisões e
estudos não perderam seu sentido teórico, embora novos materiais estejam sendo
desenvolvidos e suas propriedades termoluminescentes estudadas.
McKeever et al (publicados (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995) sugeriram
algumas condições para a prática envolvendo os dosímetros TL. No geral, eles devem possuir:
S Largo intervalo de resposta no qual a intensidade luminescente é linear com a dose
absorvida. Na maioria dos materiais, o intervalo linear é limitado pela supralinearidade e
pela saturação (sublinearidade) da intensidade TL em altas doses (> 1 Gy). A escala útil é
normalmente restrita à faixa de dependência linear da dose;
S Sensibilidade elevada, isto é, um sinal TL elevado por unidade de dose absorvida. Ela é
importante para o uso em dosimetria pessoal e clínica, bem como na monitoração
ambiental da radiação,
S Baixa dependência da resposta TL com a energia da radiação incidente. Caso seja
necessário, a dependência em energia pode parcialmente ser compensada por filtros
metálicos;
S Baixa perda do sinal TL com o tempo (fading), isto é, ter habilidade de armazenar por
muito tempo a informação dosimétrica;
15
S Curva TL simples (com um pico isolado). Se vários picos estiverem presentes, o protocolo
de aquecimento do dosímetro será complicado;
S Um espectro de emissão termoluminescente que corresponda à sensibilidade máxima do
espectro da fotomultiplicadora;
S Forte resistência mecânica, ser quimicamente inerte e resistente a radiação.
Geralmente, todas estas exigências devem ser cumpridas em um dosímetro TL para que ele
tenha uma qualidade elevada. Na maioria dos materiais termoluminescentes, não é possível
obter todas estas características, principalmente em relação à perda do sinal TL com o tempo.
2.1 Características dos materiais dosimétricos
Existem diversos grupos de materiais cujas propriedades são estudadas com respeito às
exigências de um dosímetro TL. Estes materiais incluem os alcalinos, alcalinos terrosos e
halogêneos, cujos representantes típicos são o LiF e o CaF
2
.
Comercialmente, os dosímetros TL mais utilizados são baseados em cristais de LiF, CaF
2
e
Al
2
O
3
. Historicamente, o primeiro material básico TL é o LiF:Ti,Mg (TLD-100), cujas
propriedades ainda são estudadas extensivamente nos dias de hoje. O interesse neste material
é devido ao fato de ser tecido equivalente (Z
eff
= 8.04), fator importante para a dosimetria
individual. As principais características destes dosímetros incluem a grande escala útil,
sensibilidade a pequenas doses e a perda do sinal TL limitada. Na Tabela 1 pode-se observar
algumas características dos principais materiais TL.
16
Tabela 1 - Principais características de alguns dos principais materiais TL (KORTOV, 2007)
Materiais Tipo de
dosímetro
Faixa de
utilização
Fanding térmico
LiF:Mg, Ti
TLD-100
10µGy – 10Gy
5-10 por ano
LiF:Mg, Cu, P
TLD-100H
1µGy – 10Gy
3% por ano
6
LiF:Mg, Ti
TLD-600
10µGy – 10Gy
Negligenciável
6
LiF:Mg, Ti, P
TLD-600H
1µGy – 10Gy
Negligenciável
CaF
2
:Dy
TLD-200
0.1µGy – 10Gy
16% em 2 semanas
CaF
2
:Mn
TLD-400
0.1µGy – 100Gy
15% em 3 meses
Al
2
O
3
:C
TLD-500
0.05µGy – 1Gy
3% ao ano
Como podemos observar na Tabela 1, a maioria dos dosímetros TL comerciais tem pequeno
(não ultrapassando 5% anualmente), com exceção dos dosímetros CaF
2
cuja perda do sinal TL
mensal é de aproximadamente 25% .
Os materiais TL, apesar de já terem muitas de suas características TL conhecidas, continuam
sendo estudados extensivamente por meio da absorção ótica, da espectrometria luminescente,
da ressonância paramagnética eletrônica e de outras técnicas envolvendo a combinação com
cálculos de Monte-Carlo e deconvolução computadorizada de curvas de Furrier. O papel do
tratamento térmico antes e após a irradiação é de grande interesse em relação a qualidade e
eficiência dos dosímetros TL (PITERS; BOS; BURG, 1996 e BRATT; MENON; MITRA,
1999). Muita atenção é dada a supralinearidade dos dosímetros, que é uma característica
importante tanto na teoria quanto na prática. A supralinearidade é uma característica geral da
maioria de materiais TL, desde que o rendimento TL destes materiais seja proporcional à dose
absorvida D
n
, onde n ≥ 1. A falta de linearidade é uma característica em altas doses. Há
diversas teorias que explicam a supralinearidade e fornecem uma descrição suficientemente
detalhada deste fenômeno para dosímetros TL. Algumas destas teorias consideram as
interações trilha-defeito no material em relação à exposição a altas doses (HOROWITZ;
NAHAINA, 1999). Em outras teorias a supralinearidade é considerada resultado de processos
que envolvem diferentes combinações entre centros de armadilhas e suas recombinações
(CHEN; LEUNG, 2001).
17
Recentemente, novas co-dopagens para os cristais de LiF foram propostas (LEE et al., 2004).
As propriedades dos cristais de LiF:Mg,Cu,Na,Si (KLT-300) em diferentes concentrações de
dopantes foram analisadas. Este novo material fornece um pico TL em uma temperatura perto
do 250°C e sensibilidade 30 vezes maior em comparação ao TLD-100.
Os materiais TL têm sido usados tradicionalmente para a detecção das radiações ionizantes,
como alfa, beta e gama. Recentemente, as propriedades dosimétricas destes materiais foram
investigadas extensivamente referentes às medidas de partículas de alta energia (íons
carregados e nêutrons rápidos). O interesse nestas propriedades é explicado pelo avanço da
pesquisa espacial e do uso dos feixes de partículas carregadas na medicina. Nesta condição, as
características dos materiais TL, tais como a transferência linear de energia (LET), que
caracteriza o poder de freamento das partículas com alta energia, estão ganhando importância.
2.2 Principais materiais termoluminescentes
Neste tópico, serão descritas as principais características dos principais materiais
termoluminescentes utilizados comercialmente.
Estes materiais serão divididos em grupos, dentre eles os fluoretos e alguns óxidos. As
características de outros óxidos bem como os sulfatos e os boratos são apresentados
resumidamente no apêndice 1.
2.2.1 Fluoretos
2.2.1.1 Fluoreto de Lítio
O Fluoreto de Lítio (LiF), na forma de LiF:Mg,Ti é o principal material termoluminescente
usado nas indústrias, hospitais e clínicas por aproximadamente três décadas e ainda hoje é o
dosímetro comercial mais utilizado no mundo. Isto se deve ao fato dele possuir um valor de
densidade próximo do tecido humano, apesar da complexidade de sua curva de emissão TL e
uma moderada sensibilidade.
18
Com o passar do tempo, surgiram diferentes versões para o LiF. Algumas delas com
sensibilidade TL superior em relação ao LiF:Mg,Ti (TLD-100). A seguir, descreveremos
algumas das principais características destes materiais.
a) LiF:Mg,Ti
Os dosímetros de LiF:Mg,Ti (TLD-100) são fabricados em uma variedade de formas físicas,
incluindo cristais simples, varetas prensadas, chips prensados a quente, em pó ou discos
misturados com PTFE (Teflon
TM
). A forma mais popular utilizada são chips prensados a
quente com dimensões de 3.2 x 3.2 x 0.9 mm
3
. O uso do material em pó é mais raro para a
dosimetria pessoal devido à dificuldade de manipulação nos procedimentos de leitura e
tratamento térmico.
Um grande número de picos de emissão TL são observados para o LiF:Mg,Ti dependendo de
vários fatores, entre eles o tratamento térmico antes e pós irradiação, a dose e o tipo de
radiação usada, o espectro de comprimento de onda no qual os dados são registrados e o lote
no qual as amostras foram obtidas.
A Figura 3 representa a curva de emissão TL, neste caso do chip TLD-100 com as dimensões
de 3.2 x 3.2 x 0.9 mm
3
, após um tratamento térmico pré-irradiação a 400°C por 1 hora,
seguido de um rápido resfriamento para a temperatura ambiente (neste caso, a 6.0 °C.s
-1
) e
irradiado com 1 Gy em
137
Cs. A curva é caracterizada por um pico dominante ~ 235°C (para
uma taxa de aquecimento de 10 °C.s
-1
). O pico principal (popularmente conhecido como pico
5) tem um “ombro” em temperatura mais baixa (conhecido como pico 4). Neste esquema,
aparecem em temperatura mais baixas os picos 1-3 entre 50°C e 150°C. Adicionalmente,
picos numerados de 6-10 aparecem entre 200 °C e 400 °C. Existem outros picos que
aparecem abaixo da temperatura ambiente quando a amostra é irradiada na temperatura do
nitrogênio líquido, porém sem nenhuma aplicação em dosimetria (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
19
Figura 3 - Representação da curva de emissão TL do LiF:Mg,Ti irradiado com 1 Gy em uma
fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
É interessante observar que para diferentes lotes, há uma certa não universalidade na
intensidade da resposta e na curva de emissão TL destes materiais. Este fato explica-se
principalmente pelo fato destes dosímetros não terem em sua rede cristalina um número igual
de defeitos. Por isso, é preciso que cada lote seja calibrado e cada dosímetro tenha um fator de
calibração individual para normalizar o resultado e melhorar a confiabilidade em sua resposta.
Um dos principais problemas é o desvanecimento (fading).
A resposta com a dose para estes materiais é linear até 1 Gy, tornando-se supralinear até 10
3
Gy. O início e o grau de supralinearidade do LiF:Mg,Ti está relacionado com a dependência
da variação de material e fatores experimentais. Estes fatores incluem: transferência linear de
energia (LET), temperatura do pico de emissão, lote do material, taxa de aquecimento e
tratamento térmico.
A sensibilidade TL de uma amostra de 50 mg exposta a 1 R pode ser vista a olho nu. Esta
sensibilidade é suficiente para garantir uma dosimetria confiável até 100 µGy. Assim como na
resposta com a dose, a sensibilidade TL depende da quantidade de material e de fatores
experimentais (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
20
b) LiF:Mg,Cu,P
Geralmente, o LiF:Mg,Cu,P é encontrado na forma de pó, policristais em forma de chips
prensados a quente (4.0 x 4.0 x 0.8 mm
3
), chips sintetizados na forma circular (4.5 mm de
diâmetro x 0.8 mm) e filmes finos (3.5-5 mg.cm
-2
) em substratos de Kapton. Versões com
6
Li
e
7
Li também estão disponíveis no mercado. Este material foi desenvolvido na década de 80 e
também é conhecido como “LiF chinês”.
A curva típica do LiF:Mg,Cu,P é mostrada na Figura 4. Observa-se um pico (conhecido como
pico 4) próximo a 200 °C. Este pico é conhecido como pico principal. Observa-se também o
pico 5, que é considerado problemático e representa um sinal residual conseqüente de
reutilizações. Este problema resulta da baixa sensibilidade observada se o material é aquecido
acima de 240±5 °C. Então, a fim de preservar a reutilização é aconselhável um “annealing”
bem feito de modo que as armadilhas referentes ao pico 5 sejam esvaziadas. Uma pequena
duração do aquecimento acima de 240 °C pode significativamente reduzir o sinal residual sem
afetar a sensibilidade (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Figura 4 - Representação da curva de emissão TL para o LiF:Mg,Cu,P. irradiado com 1 Gy
em uma fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Assim como no LiF:Mg,Ti, existe uma não universalidade em sua curva de emissão TL, tendo
uma variação no tamanho do pico 5 e na sensibilidade do pico 4. Em alguns grupos de
21
LiF:Mg,Cu,P, relatou-se um sinal residual pode ser de 30-40% do sinal dosimétrico em certas
condições, embora existam relatos de 5-10% em outros casos. Portanto, para uma maior
confiabilidade destes dosímetros, estes devem ser calibrados para uma normalização de
resultados para diferentes lotes.
A resposta com a dose para o LiF:Mg,Cu,P é linear-sublinear ao invés de linear-supralinear-
sublinear, como observado no TLD-100. A falta de supralinearidade é uma vantagem para
aplicações em radioterapia onde o nível de dose é da ordem de 10 Gy, bem dentro de região
de supralinearidade do LiF:Mg,Ti e do CaSO
4
:Dy (freqüentemente usados para dosimetria em
radioterapia).
A alta sensibilidade do LiF:Mg,Cu,P é a principal vantagem deste material em aplicações em
dosimetria pessoal e ambiental.
A dependência energética para fótons do LiF:Mg,Cu,P é consideravelmente diferente para o
LiF:Mg,Ti. Ela pode ser expressa usando a resposta relativa
)
(
'
E
S
E
definida como
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995):
ar
en
LiF
en
E
E
E
E
S
E
E
S
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
'
/
/
ρ
ρ
µ
µ
η
η
=
=
(8)
Onde:
S
E
(E) é a proporção de energia de absorção de massa do material em questão no ar, para
fótons de energia E;
η(E) é a eficiência TL relativa para fótons de energia E (ex: sensibilidade do material a uma
determinada energia, relativa à sensibilidade da energia do fóton de referência);
ρ
µ
/
en
é o coeficiente de absorção energia e massa para um determinado material de densidade
ρ.
2.2.1.2 Fluoreto de Cálcio
22
O fluoreto de cálcio (CaF
2)
está disponível para o uso em sua forma natural e na forma
sintética. As três formas sintéticas do CaF
2
disponíveis são com os seguintes dopantes:
manganês (Mn), disprósio (Dy) e túlio (Tm).
A popularidade do CaF
2
como material dosimétrico deve-se a sua maior sensibilidade
(comparada ao do LiF-100) e a simples estrutura de sua curva de emissão TL, dependendo do
dopante. Por não ter a densidade tecido equivalente, o uso para dosimetria pessoal torna-se
um pouco problemático, sendo necessário a utilização de um conjunto de filtros. Entretanto,
devido à sua alta sensibilidade, ele é um excelente material dosimétrico ambiental.
a) CaF
2:
Mn
Os dosímetros CaF
2:
Mn podem ser obtidos como cristais simples, varetas prensadas e chips
prensados a quente. Existem diferentes tamanhos tal como acontece com o LiF-100.
Os primeiros dosímetros de CaF
2:
Mn foram fabricados pela Bicron-NE (Harshaw), USA
(TLD-400) e Victoreen Inc, Estados Unidos (2600-14, -49 ou -50, dependendo do tipo de
formato e tamanho).
As características da curva de emissão para o CaF
2:
Mn são mostradas na Figura 5. Um sinal
máximo é observado em um pico centrado em 313 °C, para uma taxa de aquecimento de 10
°C.s
-1
. Pequenos picos de emissão são as vezes observados. A causa provável destes picos
pode estar relacionada ao background e/ou impurezas das terras raras. Assim como no TLD-
100, levando em consideração sua extrema sensibilidade, a presença de pequenas impurezas
pode causar uma não universalidade destes materiais (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
23
Figura 5 - Representação da curva de emissão TL para o CaF
2
:Mn submetida a uma irradiação
de 1 Gy em uma fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A curva de resposta para dose destes materiais tem alguns pontos de supralinearidade. A
Figura 6 ilustra uma curva de resposta para várias configurações do CaF
2:
Mn. O grau de
supralinearidade aumenta com a diminuição da espessura para cada dosímetro e também
depende do método de análise dos dados.
Figura 6 - Curva de resposta de dose para diferentes configurações dos dosímetros CaF
2
:Mn
irradiados com raios gama (
60
Co) (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
24
A sensibilidade destes materiais está condicionada a variação de parâmetros experimentais,
método de fabricação do lote e técnicas de medidas. De acordo com McKeever (1995), a
sensibilidade do CaF
2:
Mn é aproximadamente dez vezes maior que a do TLD-100, usando
uma leitora TL Harshaw 2000.
b) CaF
2:
Dy
O fluoreto de cálcio dopado com disprósio está disponível como cristal simples, chips
policristalinos e em pó. Os procedimentos de preparação são similares ao CaF
2:
Mn e são
comercializados pela Bicron-NE (Harshaw), USA como TLD-200. A forma mais popular
utilizada são em chips de 3.2 x 3.2 x 0.9 mm
3
.
A curva de emissão TL típica do TLD-200 é ilustrada na Figura 7. Ela consiste de quatro
picos cujas temperaturas aproximadas (160°C, 185°C, 245°C e 290°C) e dois picos de
temperaturas mais altas (entre 350°C e 400°C).
Figura 7 - Curva de emissão TL do CaF
2
:Dy (TLD-200) submetido a uma irradiação de 1Gy
em uma fonte
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
25
A resposta para dose deste material é linear até 600 R, acima deste valor torna-se supralinear e
satura em aproximadamente em 5x10
4
R para uma fonte de
137
Cs. O comportamento da altura
do pico de emissão TL em função da exposição à radiação gama pode ser vista na Figura 8.
Figura 8 - Altura do pico de emissão em função da exposição (
137
Cs) para o CaF
2
:Dy em pó
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A sensibilidade, como os demais materiais TL, depende da resposta espectral do tubo da
(PMT) fotomultiplicadora bem como de fatores experimentais. Para uma fotomultiplicadora
com curva de resposta S-20, a sensibilidade do TLD-200 é aproximadamente 20 vezes maior
que a do TLD-100. Geralmente a sensibilidade do CaF
2:
Mn é maior que do LiF:Mg,Ti.
26
Figura 9 - Dependência energética do fóton para o CaF
2
:Dy (TLD-200) quando comparado
com o LiF:Mg,Ti (TLD-100) (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A dependência energética do CaF
2:
Mn é comparada com a do LiF:Mg,Ti, para fótons com
energia de 20 keV a 1.25 MeV, como mostrado na Figura 9. A curva de dependência
energética para o TLD-200 tem um máximo no intervalo de 18 a 30 keV. A estrutura da curva
de emissão em termos de intensidade relativa de vários picos de emissão muda como uma
função da energia do fóton. Como podemos observar na Figura 10, a intensidade do terceiro
pico cresce com a redução da energia. Este fenômeno pode ser resultado de diferenças na
resposta de dose de vários picos de emissão TL junto com diferentes distribuições de doses
microdosimétricas para várias energias (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).
27
Figura 10 - Curva de emissão TL do CaF
2
:Dy para fótons de diferentes energias. A
intensidade relativa dos picos de emissão alcança um máximo para fótons de 30 keV
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
c) CaF
2:
Tm
Os dosímetros CaF
2:
Tm (TLD-300) podem ser obtidos como cristais simples, varetas
prensadas
e chips prensados a quente. O tamanho disponível no mercado é 3.2 x 3.2 x 0.9
mm
3
.
A curva de emissão TL para o CaF
2:
Tm é mostrada na Figura 11. Ela consiste em picos
sobrepostos com o pico 2 próximo a 120°C, o principal em 170°C e o de alta temperatura, que
é um pico mais complexo em aproximadamente 270°C.
28
Figura 11 - Curva de emissão TL característica do TLD-300 após um tratamento térmico a
400 °C por 1h, resfriamento por 6 °C.s
-1
, irradiado a 1 Gy em uma fonte
137
Cs e taxa de
aquecimento de 10 °C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Para estes materiais, a resposta com a dose é linear para uma faixa de dose de 100 Gy a 500
Gy. Sua sensibilidade é comparável ao CaF
2:
Mn e aproximadamente 3 vezes maior em
relação ao TLD-100, como mostrado na Figura 12 (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
Figura 12 - Curva de emissão TL para o CaF
2:
Mn e para o LiF:Mg,Ti submetidos a um
mesma exposição (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
29
A dependência em energia para fótons do CaF
2
:Tm segue aproximadamente a proporção do
coeficiente de absorção de massa, como mostrado na Figura 13. A sensibilidade tanto para o
pico 3 quanto para o pico 5 aumentam a medida que a energia do fóton diminui, alcançando
um máximo entre 15 a 30 keV.
Figura 13 - Dependência energética para fótons do CaF
2
:Tm mostrando a resposta TL para os
picos 3 e 5. A curva teórica representa a proporção do coeficiente de absorção massa/energia
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
d) CaF
2
Natural
As fluoritas naturais possuem características TL diversas e interessantes, sendo ainda hoje
objeto de estudo de vários grupos de pesquisa no mundo. A Universidade de São Paulo estuda
atualmente fluoritas naturais produzidas no Brasil. Geralmente, elas são encontradas na forma
de pó. Comercialmente, apresentam-se na forma de discos de CaF
2
:NaCl na proporção de
60%:40%. O resultado são pellets de 0.75 mm de espessura e 5.0 mm de diâmetro .
A curva de emissão TL obtida para os CaF
2
brasileiros (fluoreto/NaCl) é mostrada na Figura
14. A emissão principal aparece em alta temperatura (próximo a 310°C), com proeminentes
picos em torno de 110°C e 200°C (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
30
Figura 14 - Curva de emissão TL para o CaF
2
:NaCl (60:40) fabricado no Brasil irradiados
com 1 Gy em uma fonte de
137
Cs (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Na maioria das amostras deste material, a curva de resposta de dose é linear até
aproximadamente 10
4
R. Passa a ser não linear e satura-se na faixa de 10
4
-10
5
R. Vários picos
saturam em diferentes níveis de dose e em muitas amostras alguns picos são supralineares
acima de 10
3
R.
A sensibilidade de algumas amostras de CaF
2
natural podem ser 50 vezes mais sensíveis do
que o LiF:Mg,Ti, possibilitando medidas de pequenas doses (menores que 1 µGy).
2.2.2 Óxidos
2.2.2.1 Óxido de Alumínio
O Óxido de Alumínio é encontrado na forma de mineral natural como safira e rubi e pode ser
sinteticamente produzido como γ-alumina e ou α-alumina. Diferentes dopantes foram
31
inseridos nestes materiais, mas o carbono foi o que deu um melhor resultado (AKSELROD;
KORTOV;GORELOVA, 1993).
a) αα-Al
2
O
3
:C
Amostras de α-Al
2
O
3
:C (TLD-500) geralmente apresentam-se de forma longa, varas de
cristais simples (cortadas em tamanhos em forma de discos de aproximadamente 5 mm de
diâmetro e 1 mm de espessura). São produzidos outros tamanhos e formatos (5-20 mg.cm
-2
)
em substrato de alumínio.
A curva de emissão destes materiais é ilustrada na Figura 15. Aparentemente ela consiste em
um pico simples centrado em 209°C (para uma taxa de aquecimento de 10°C.s
-1
). A eficiência
luminescente deste material é extremamente dependente da temperatura de tratamento térmico
pré-irradiação e forte dependência com a têmpera para altas temperaturas (~150°C). Uma das
conseqüências deste resfriamento é a mudança do pico de emissão TL, que é reduzido, para
altas temperaturas em resposta ao aumento da taxa de aquecimento (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Figura 15 - Curva de emissão TL para o α-Al
2
O
3
:C (TLD-500K) após uma irradiação de 1 Gy
em uma fonte de
137
Co (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
32
A resposta de dose TL para o α-Al
2
O
3
:C é linear-supralinear-sublinear, como pode ser
observado na Figura 16. Como resultado da alta sensibilidade e baixo background deste
material, a faixa de linearidade começa com baixos níveis de dose (1µGy). A resposta é linear
acima de 1Gy, aproximadamente, onde se torna lentamente supralinear e satura-se
aproximadamente em 30 Gy. Devido esta faixa útil de dose, este material pode ser indicado
para aplicações incluindo dosimetria ambiental, pessoal, de extremidade, etc. (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Figura 16 - Resposta TL como função de dose para o α-Al
2
O
3
:C mostrando o comportamento
linear-supralinear-sublinear (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A sensibilidade destes óxidos é maior em 40 a 60 vezes em relação ao LiF:Mg,Ti, a uma taxa
de aquecimento de 4.3°C.s
-1
. Este material apresenta proporcionalmente um baixo valor de
“background” (BG). Esta é uma importante característica, fazendo com que este material seja
um bom candidato para aplicações em baixas doses, principalmente em monitoração
ambiental. Podemos observar na Figura 17 vários exemplos de curvas de emissão do α-
Al
2
O
3
:C para vários níveis de baixas doses. Notamos que em 1µGy a curva de emissão é
ainda definida e o sinal TL é bem acima do “background”. Em 0.3µGy, o pico de emissão TL
ainda pode ser distinguido do BG, enquanto que em 0.1µGy o pico de emissão não é medido
etc. (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
33
Figura 17 - Exemplos de curva de emissão TL para o α-Al
2
O
3
:C em vários níveis de dose
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
O número atômico efetivo para o α-Al
2
O
3
:C é 10,2 resultando em uma sobre resposta para
baixas energias dos fótons como podemos notar na Figura 18. Em 30 keV, a sensibilidade tem
um fator maior que 2,9 relativo a resposta em 1.25 MeV.
34
Figura 18 - Dependência energética para fótons do α-Al
2
O
3
:C. As curvas são: (1) sem
filtração; (2) coberto com 0.2 mm de espessura por um filtro de chumbo (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
No apêndice 1, são descritas as características dosimétricas de alguns materiais TL,
complementando os dados fornecidos neste capítulo.
2.3 Aplicações
As áreas de aplicações mais comuns em dosimetria TL estão representadas na Figura 19.
Estas incluem dosimetria pessoal, ambiental, clínica e de altas doses. Cada categoria é
subdividida em sub-áreas.
35
Figura 19 - Áreas de aplicações de materiais TL. Elas incluem dosimetria pessoal, ambiental,
clínica e de altas doses. Cada categoria é dividida em sub-áreas etc. (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
2.3.1 Dosimetria Pessoal
Primeiramente, o objetivo da dosimetria pessoal é a monitoração da dose de radiação recebida
por uma pessoa durante uma rotina ocupacional envolvendo a exposição à radiação. Exemplos
de exposição incluem o trabalho em radiologia diagnóstica, radioterapia em hospitais, reatores
nucleares e em embarcações navais nucleares. As monitorações são medidas comprobatórias
dos limites pessoais de segurança. Estes limites são baseados, por exemplo, em
recomendações de agências reguladoras como a Comissão Internacional de Proteção
Radiológica (ICRP). Em adição, a monitoração de rotina para a dosimetria pessoal e
ambiental também inclui a dosimetria de criticalidade.
As subcategorias descritas na Figura 19 podem ser descritas em linhas gerais como
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995):
a) Dosimetria de extremidade: Determinação de dose nas mãos, braços e pés.
36
b) Dosimetria de corpo inteiro: A dose absorvida na profundidade de 1000 mg.cm
-2
(por
exemplo: 1.0 cm de profundidade) no tecido humano e/ou em órgãos críticos. O interesse
está nos efeitos decorrentes da penetração dos raios gama, raios X (> 15 keV) e nêutrons.
c) Dosimetria no tecido: (por exemplo: pele). A dose absorvida com a profundidade de 10
mg.cm
-2
. O interesse é a não penetração da radiação (por exemplo: partículas beta e raios
X < 15 keV).
2.3.2 Dosimetria Ambiental
a) No caso terrestre:
Recentemente, a ciência, a saúde, a indústria e comunidades políticas tornaram-se mais
cientes da crescente preocupação demonstrada pelo público no que diz respeito ao impacto
“man-made”. Escapamento de radionuclídeos gasosos provenientes de estações nucleares
durante rotinas de operações, reprocessamento de combustíveis nucleares, acidentes nucleares
e outros eventos e atividades relacionados com a indústria nuclear conduziram o interesse
público geral para os efeitos prejudiciais possíveis ao meio ambiente. Como resultado, a
monitoração contínua da liberação da radiação ao ambiente transformou-se em um
procedimento obrigatório para as nações industrializadas. O uso de dosímetros TL é muito
importante para este tipo de atividade (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
b) No caso de altas cotas
Desde o começo da prática de vôos espaciais, há um crescente interesse em dosimetria
espacial. Na ausência de atmosfera, existe uma grande exposição à radiação, prejudicial à
saúde dos profissionais (astronautas). A radiação espacial é composta basicamente por raios
gama, prótons de alta energia e raios cósmicos. Neste caso, detectores de radiação de
pequenas dimensões para dosimetria pessoal e ambiental se fazem necessários (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995)..
37
2.3.3 Dosimetria Clínica
Durante muito tempo, o pequeno tamanho dos TLD’s tem sido explorado em dosimetria
clínica, introduzindo-se os TLD’s em aberturas apropriadas ou próximos ao corpo humano
antes de exposições dos pacientes às radiações ionizantes, durante o diagnóstico e/ou a
terapia. Após a exposição dos TLD’s, estes são processados. Desta maneira, é possível inferir
a dose recebida em órgãos críticos internos durante os procedimentos envolvendo as radiações
ionizantes e obter informações para a necessidade de tratamentos adicionais (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995)..
Há duas áreas para o uso clínico da exposição à radiação em humanos: radiologia diagnostica
(como exemplos: mamografia, odontologia e radiologia clínica em geral) e radioterapia
(primariamente terapia de câncer de vários tipos). Tipos de radiação incluem raios X (abaixo
de 10 keV), raios gama (
137
Cs ou
60
Co), elétrons (acima de 40 MeV), partículas pesadas e
nêutrons. Doses na faixa de 10
-5
a 10
-2
Gy em radiologia e acima de 20 Gy para radioterapia.
2.3.4 Altas Doses
O uso de TLD’s para monitorações em altas doses (por exemplo: para dose acima de 10
2
a 10
6
Gy) é mais um exemplo de uma tendência dominante do uso desta tecnologia. Estas doses
elevadas podem ser encontradas, por exemplo, em reatores nucleares e irradiação de
alimentos. O uso convencional dos TLD’s nestes casos, pode ser bastante limitado devido ao
início da saturação da resposta TL. Alguns picos de alta temperatura de alguns materiais
(exemplo: LiF:Mg,Ti) tem sido usados para esse fim, desde que estes apresentem uma
saturação a níveis de altas doses (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
2.3.5 Datação arqueológica por termoluminescência
O princípio da datação por termoluminescência está fundamentado no fato de que a curva da
intensidade luminosa em função da temperatura (Figura 20) emitida pela amostra, curva
denominada curva de emissão, é caracterizada por picos, sendo que as alturas desses picos
38
estão relacionadas com a quantidade de radiação absorvida pela amostra, proporcional ao
tempo em que esteve exposto à radiação ambiente (SANTOS, 2002).
Figura 20 - Curvas arbitrárias representando a altura do pico TL crescendo com a idade
arqueológica (SANTOS, 2002).
No caso de rochas ou cerâmicas enterradas contendo quartzo, que é termoluminescente, a
radiação natural é acumulada desde a idade zero. No caso das rochas, essa idade é a época de
sua formação e, no das cerâmicas, a idade zero corresponde ao momento em que o artesão
leva ao fogo a peça moldada para que a mesma adquira uma consistência desejada. Com o
aquecimento, a termoluminescência existente no material naquele momento é liberada e a
peça começa a acumular uma nova TL relacionada a radiação ambiente. A datação da peça é
feita, portanto, determinado-se a quantidade total de radiação acumulada nos cristais. A
radiação acumulada ao longo dos anos guarda a proporcionalidade entre o sinal TL e a idade
da cerâmica.
Em peças cerâmicas, a datação faz-se inicialmente através da medida da termoluminescência
acumulada dos grãos de quartzo extraídos da mesma. Posteriormente, utiliza-se outra parcela
da mesma amostra fazendo uma leitura da termoluminescência induzida por radiação
artificial. Comparam-se as duas intensidades, em tese, é possível determinar a dose natural
acumulada pelo material, denominada “dose arqueológica” (D
A
). Caso seja possível
determinar a taxa anual (D’) com que a cerâmica foi irradiada pela radioatividade natural e
raios cósmicos, pode-se determinar a idade da peça estabelecendo a razão entre estas
grandezas (SANTOS, 2002):
39
'
D
D
Idade
A
=
(9)
Embora a relação para a obtenção da idade seja bastante simples, na prática observa-se
dificuldade para se determinar as idades das peças, pois alguns fatores podem alterar o sinal
TL. As alterações podem estar relacionadas à preparação das amostras, influência da luz
visível, tratamento térmico, tamanho dos grãos, supralinearidade e superlinearidade do sinal
TL em um determinado intervalo de dose dentre outros, até a análise dos resultados.
2.4 Propriedades dos Materiais Termoluminescentes
A resposta de dose F(D) é definida como uma dependência funcional da intensidade de sinal
TL medida sobre a dose absorvida. O material dosimétrico ideal deve ter uma resposta de
dose linear sobre uma grande escala de dose, entretanto, a maioria dos materiais usados na
prática dosimétrica mostra uma variedade de efeitos não-lineares, como mostrado na Figura
21.
Definimos a normalização da função da resposta de dose (ou índice de supralinearidade)
)(Df
como:
)
/
)
(
(
)
/
)
(
(
1
1
)
(
D
D
F
D
D
F
D
f
=
(10)
Onde:
• F(D) é a reposta para a dose D;
• F(D
1
)
é a reposta para a dose D
1,
sendo D
1
a menor dose para a qual a resposta é linear.
Assim, o dosímetro ideal deve satisfazer a f(D) = 1 sobre uma escala larga da dose, desde D =
0 Gy até vários MGy. Infelizmente, f(D) = 1 é encontrado somente sobre uma escala estreita
de dose, até alguns Gy, em muitos materiais TL. A supralinearidade é definida como f(D) > 1,
enquanto a sublinearidade é definida para f(D) < 1. Esta última é mais freqüentemente
observada durante a aproximação da saturação. Estas características são apresentadas na
Figura 21 (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
40
Figura 21 - Exemplos de curva de emissão TL para três materiais. (A) Resposta TL para o
pico de 100°C no SiO
2
. Este é um exemplo de sinal TL exibindo uma supralinearidade acima
da faixa examinada. (B) Comportamento conhecido do pico 5 do TLD-100 (linear-
supralinear-sublinear). (C) Resposta de dose do TLD-400 (CaF
2
:Mn) no qual a
supralinearidade e muito fraca.
Existem muitas teorias para explicar as causas da supralinearidade em materiais
termoluminescentes - particularmente, materiais do tipo LiF:Mg,Ti (TLD-100).
Convencionalmente, eles podem ser classificados como modelos nos quais os processos
críticos ocorrem durante a absorção da radiação e outros com os processos críticos que
ocorrem durante o aquecimento. As evidências, pelo menos para os materiais baseados no
LiF, mostram claramente que o mecanismo crítico é a competição de elétrons durante o
processo de aquecimento de leitura TL. Durante o aquecimento, os elétrons libertam-se de
suas armadilhas e podem recombinar com outras armadilhas para produzir a
termoluminescência ou tornar-se a recombinar em armadilhas mais profundas, que agem
como centros competidores. Em baixas doses, onde a distância entre as armadilhas e os sítios
de recombinação é grande, a probabilidade da carga livre poder encontrar um local de
recombinação e cair em uma armadilha é baixa. Então, a resposta do dosímetro é reduzida em
uma região de baixa dose.
Para altas doses, entretanto, não é somente a redução da distância
entre as armadilhas e sítios de recombinação, mas o número de centros competidores que
também é reduzido. Desta forma, para altas doses, a resposta do dosímetro é melhorada.
41
Eventualmente, para altas doses, o material satura (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
2.4.1 Sensibilidade
A sensibilidade de um material TL em particular é definida como a intensidade do sinal TL
emitido por unidade de dose absorvida. Para definir cada parâmetro, entretanto, estes
dependem do sistema de leitura utilizado para as medidas, junto com filtros ópticos, taxa de
aquecimento e o método utilizado para medida do sinal TL. Para superar as incertezas
associadas com a medida absoluta da sensibilidade é normalmente definida uma sensibilidade
relativa para comparar o sinal TL de um material de interesse com o sinal TL do LiF-100.
Assim o TLD-100 tem uma sensibilidade de 1; a sensibilidade de S(D) é definida
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995):
100
)
(
)
(
)
(
−
=
TLD
material
D
F
D
F
D
S
(11)
2.4.2 Limiar de detecção
O limiar de detecção (limite inferior de detecção ou dose mínima detectável) é definido como
sendo a menor dose que se pode distinguir da dose zero. Para 95% de grau de confiança, é
calculado como sendo 2 vezes o desvio padrão da leitura de dosímetros não irradiados. O
mínimo detectável não depende somente do material TL, mas de todo o sistema TL (material,
tamanho e forma do dosímetro, monitor, leitor, tratamento térmico, etc.) (MAURÍCIO, 1998).
2.4.3 Resposta com a energia
A resposta com a energia é a variação do sinal TL, para uma determinada dose, como função
da energia da radiação incidente. Essa variação depende da interação da radiação com o
material. Para radiação de fótons a resposta com a energia é definida como (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995):
42
ref
en
m
en
E
E
S
)
/
(
)
/
(
)
(
ρ
µ
ρ
µ
=
(12)
Onde:
S
E
(E) é a resposta da energia para fótons de energia E;
µ
en
/
ρ
é o coeficiente de absorção de energia mássico;
ref é o material de referência, geralmente o ar;
m é o material TL utilizado.
A perda de energia pode ocorrer por produção de pares, espalhamento Compton ou efeito
fotoelétrico. Estes efeitos não dependem somente da energia do fóton incidente, mas também
de parâmetros críticos do material como o número atômico efetivo do material Z
eff
. O
componente fotoelétrico do coeficiente de absorção de massa varia aproximadamente com
Z
eff
3
; o componente Compton Z
eff
/M (onde M é a massa molar do material TL) e o
componente de produção de pares variam com Z
eff
2
. Interações fotoelétricas dominam para
fótons de baixa energia, mas o efeito Compton começa a ser dominante para energias maiores.
A produção de pares tem sua importância para altas energias. A Figura 22 ilustra a variação
da participação de cada um destes processos para a variação de Z e da energia dos fótons.
Figura 22 - Importância relativa dos diversos processos de interação de fótons com a matéria
em função da energia do fóton e do número atômico do material. (TAUHATA; SALAT;
PRINZIO; PRINZIO, 2003).
43
Na prática, o uso da resposta em energia para fótons é definida como Resposta Relativa de
Energia (RER), definida com respeito a 1,25 MeV para fótons de uma fonte de
60
Co.
A resposta do material TL para partículas β é mais complexa. Partículas carregadas perdem
sua energia em pequenos incrementos sofrendo muitas colisões e interações radioativas no
material. O parâmetro chave é o poder de frenamento (dE/dx), onde x é a distância percorrida
pela partícula dentro do material.
)
25
,
1
(
)
(
)
(
60
Co
MeV
S
E
S
RER
E
E
E
=
(13)
Sendo o poder de frenamento a dependência energética encontrada para um dado material, a
variação da penetração do elétron depende da energia da partícula β. A dose absorvida e
consequentemente a medida do sinal TL irá depender da energia quando a espessura do
material TL é maior que o alcance das partículas β. Em geral, a dependência energética para
partículas β mostra um aumento na resposta TL com a energia da partícula, nivelando com o
alcance da partícula β ultrapassando a espessura do material. Por esta razão, os TLD’s para
partículas β têm a espessura em torno de 5-30 g.cm
-2
.
Para partículas fortemente carregadas, a energia é depositada em trilhas densamente
ionizadas. O início da saturação do volume local se dá com o aumento não exatamente da
resposta linear, mas da diminuição da sensibilidade TL comparada com as partículas β ou
irradiação com fótons de alta energia.
Para os nêutrons, sendo partículas neutras, o sinal TL pode ser gerado através de interações do
material com partículas secundárias produzidas por reações dentro do material. Os materiais
TL que possuam elementos com grande seção de choque para nêutrons são utilizados para a
dosimetria de nêutrons (Exemplo: o
6
Li e o
10
B). A sensibilidade para estes materiais depende
de sua composição isotópica. Como as fontes de nêutrons emitem também fótons, a
dosimetria TL de nêutrons necessita geralmente do uso de pelo menos dois dosímetros, um
sensível e outro insensível a nêutrons.
44
2.4.4 Condições térmicas
Para a reutilização dos materiais TL, eles precisam passar por um tratamento térmico,
conhecido também como “annealing”. O tratamento térmico consiste em um recozimento do
material TL realizado antes da irradiação. Algumas vezes, um tratamento térmico após a
irradiação é recomendado. Neste último caso, a proposta é remover sinais indesejados, como
os de baixa temperatura, que podem interferir no sinal dosimétrico principal. Os vários
estágios de annealing/aquecimento no processo de preparação e uso dos materiais TL estão
ilustrados esquematicamente na Figura 23.
Figura 23 - Descrição geral de vários estágios do tratamento térmico, estocagem e releitura de
um típico material TL, onde α é a taxa de resfriamento seguido de um tratamento térmico pré-
irradiação e β é a taxa de aquecimento durante a fase sem sinal.
O objetivo do tratamento térmico, ou recozimento, é restabelecer o equilíbrio termodinâmico
dos defeitos que existiam antes da irradiação e da leitura. Com o processo de aquecimento do
material, pode-se ajustar um fator crítico, que é a sensibilidade do material. Como a
sensibilidade TL de um determinado pico é afetada pela mudança de armadilhas profundas,
competitivas e desconcertadas termicamente, é necessário esvaziar estes centros mais
estáveis, caso eles existam, através de recozimentos a temperaturas mais elevadas que a
45
temperatura do pico em questão. Neste caso, deve-se tomar bastante cuidado na escolha
correta do processo, para que não ocorra o efeito inverso ao desejado (MAURÍCIO, 1998).
Muitos materiais TL apresentam curvas de emissão com vários picos, alguns deles localizados
a baixas temperaturas, e assim, sujeitos a um desvanecimento considerável à temperatura
ambiente. Portanto, é conveniente aquecê-los a uma temperatura inferior àquela de sua
avaliação após estes serem irradiados, para se eliminar picos indesejáveis. Este aquecimento é
denominado tratamento térmico pós irradiação ou pré-leitura.
Para os materiais TL convencionais, existem diversos estudos de tratamentos térmicos
realizados. O LiF:Mg,Ti (TLD-100), por exemplo, já foi extensivamente estudado e
atualmente o tratamento térmico convencionalmente utilizado é o de levá-lo por 1 hora a
400°C e 2 horas a 100°C. Antes da leitura TL (processamento), é submetido a um tratamento
térmico por 15 minutos a 100°C.
2.4.5 Outros efeitos
Quando o sinal de material TL é instável com o tempo, isto é, se sua resposta TL diminui com
o tempo após a irradiação, dá-se o nome de desvanecimento ou “fading”. Este fenômeno pode
ter várias causas, principalmente em relação à temperatura e a umidade. Os materiais não
higroscópios são preferencialmente utilizados para a dosimetria termoluminescente.
Uma outra característica importante é que estes materiais sejam quimicamente inertes. Isto é
especialmente importante quando existe a possibilidade de sinais TL espúrios provenientes da
reação com a atmosfera ou durante a irradiação ou leitura.
A triboluminescência (luminescência provocada por choque ou atrito) pode ser um sério
problema com alguns materiais e não deve ser negligenciável. As tensões superficiais criadas
através deste fenômeno liberam energia em forma de luz durante o processo de aquecimento.
Sendo o fenômeno superficial, a triboluminescência depende fortemente da forma física do
material, sendo mais intensa quanto maior for à área superficial em relação ao volume. Por
isso este problema acontece com mais freqüência com materiais em pó.
46
2.5 Materiais TL em diferentes aplicações
Na Tabela 2 apresentamos resumidamente os materiais TL comercialmente mais utilizados
aplicados a dosimetria para diversos tipos de aplicações e suas principais características.
Tabela 2 – Materiais TL aplicados a dosimetria e suas aplicações
Material Nome
Popular
Aplicação
Dosimétrica
Z
eff
*
Faixa usual
Fluoreto de Lítio
(Li natural) LiF:Mg,Ti
TLD-100 Monitoração
ambiental e
individual, saúde e
física médica
8.2
10 µGy – 10 Gy
Fluoreto de Lítio
(Li natural) LiF:Mg,Ti,P
TLD-100H Ambiental, pessoal
e de extremidade
8.2
1 µGy – 10 Gy
Fluoreto de Lítio
(isótopo
6
Lil) LiF:Mg,Ti
TLD-600 Nêutrons térmicos 8.2
10 µGy - 10G y
Fluoreto de Lítio
(isótopo
6
Lil) LiF:Mg,Ti,P
TLD-600H Nêutrons térmicos 8.2
1 µGy – 10 Gy
Fluoreto de Lítio
(isótopo
7
Lil) LiF:Mg,Ti
TLD-700 Gama e Beta 8.2
10 µGy – 10 Gy
Fluoreto de Lítio
(isótopo
7
Lil) LiF:Mg,Ti,P
TLD-700H Gama, Beta e
Ambiental
7.4
1 µGy – 10 Gy
Fluoreto de Cálcio dopado com
Disprósio - CaF
2
:Dy
TLD-200 Ambiental 16.3
0.1 µGy – 10 Gy
Fluoreto de Cálcio dopado com
Manganês - CaF
2
:Mn
TLD-400 Ambiental e Altas
Doses
16.3
0.1 µGy – 10 Gy
Óxido de Alumínio - AL
2
O
3
:C TLD-500 Ambiental 10.2
0.05 µGy – 1 Gy
Borato de Lítio dopado com
Manganês - Li
2
B
4
O
7
:Mn
TLD-800 Dosimetria em
altas faixas de
dose
7.4 0.5 mGy – 10
5
Gy
Sulfato de Cálcio dopado com
Disprósio – CaSO
4
:Dy
TLD-900 Ambiental 15.5
1 µGy – 100Gy
*Número atômico efetivo para absorção fotoelétrica
Fonte: Harshaw TLD Thermoluminescence Dosimetry
47
3 ARRANJO EXPERIMENTAL
Inicialmente, para a investigação dos cristais termoluminescentes K
2
YF5 e K
2
GdF5,
realizamos uma análise com diferentes dopantes e suas porcentagens. Estes cristais foram
crescidos pelo método hidrotérmico, no Instituto Geral de Química Inorgânica de Moscou
pelo pesquisador Nikolai M. Khaidukov. Este método baseia-se na reação química entre
constituintes de um sistema, normalmente utilizando reagentes líquidos, envolvendo
temperaturas e pressões relativamente altas, conduzidos em autoclaves. A relação dos cristais
investigados neste trabalho, com seus respectivos dopantes, está representada na Tabela 3.
Deve-se notar que os cristais K
2
YF
5
dopados com diferentes percentuais de Tb
3+
, Pr
3+
e Ce
3+
foram investigados anteriormente por Faria e colaboradores (FARIA; KUY; KHAIDUKOV;
NOGUEIRA, 2004).
Tabela 3 - Relação de cristais de K
2
YF5 e K
2
GdF5 com seus respectivos dopantes.
Concentração de dopante (%)
Dopante K
2
YF
5
K
2
GdF
5
Disprósio (Dy
3+
)
0.0; 0.2; 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; 100
0.0; 0.2; 1.0; 5.0; 10
Térbio (Tb
3+
)
______ 1.0
Praseodímio (Pr
3+
)
______ 1.0
Cério (Ce
3+
)
______ 1.0
Foram realizados alguns ensaios com estas amostras que foram irradiadas com raios gama e
posteriormente processadas em uma leitora termoluminescente da Thermo Electron
Corporation (Harshaw), modelo 3500. Na investigação da resposta TL dos cristais de K
2
YF
5
,
percebemos que aqueles dopados com 1% (um por cento) de Dy
3+
apresentavam uma maior
sensibilidade em relação às demais dopagens. Com relação aos cristais de K
2
GdF
5
, os
dopados com 5% (cinco por cento) de disprósio apresentaram maior intensidade e
reprodutibilidade do sinal TL. Portanto, focamos nossos estudos nos cristais de K
2
YF
5
com
1% Dy
3+
e para o K
2
GdF
5
com 5% Dy
3+
.
Para análise comparativa de resultados e aferição das doses recebidas pelos cristais em estudo,
irradiamos as amostras com raios X, gama e nêutrons, utilizando como padrão os dosímetros
48
TLD-100 (LiF:Mg,Ti), TLD-600 (
6
LiF:Mg,Ti) e TLD-700 (
7
LiF:Mg,Ti), dosímetros
comercialmente disponíveis, com características TL bem conhecidas.
3.1 Suporte de irradiação
Os materiais TL foram irradiados em suportes com tampa de acrílico para alcançar o
equilíbrio eletrônico. Este equilíbrio, também conhecido como equilíbrio de partículas
carregadas ocorre quando (TAUHATA; SALAT; PRINZIO; PRINZIO, 2003):
• A composição atômica do meio é homogênea;
• A densidade do meio é homogênea;
• Existe um campo uniforme de radiação inteiramente ionizante;
• Não existem campos elétricos ou magnéticos não homogêneos.
3.2 Suporte para processamento TL
Inicialmente, um dos grandes problemas enfrentados foi em relação ao suporte para os cristais
de K
2
GdF
5
. Estes cristais estão em sua forma primitiva, parecendo pequenos pedaços de
cristal. As dimensões físicas eram bastante diferentes, sendo que algumas amostras se
apresentavam na forma de pó. Foi preciso estabelecer um método padrão para facilitar a
manipulação destes materiais.
Uma das soluções encontradas foi a utilização de cadinhos de alumínio (porta amostras) da
TA Instruments (ex DuPont) utilizados em DSC (Calorimetria por Varredura Diferencial)
como suporte para os materiais TL, para processamento na leitora termoluminescente.
Alguns testes foram realizados para testar a influência destes cadinhos em relação a
procedimentos padrões. Utilizamos o TLD-100, por ser um dosímetro com características
dosimétricas bem conhecidas. Estes foram irradiados com 5 mGy em uma fonte de
137
Cs
(Figura 24). Antes da irradiação, foi feito um tratamento térmico na própria leitora TL para
zerar o sinal residual.
49
0
50
100
150
200
250
300
0
1
2
3
4
5
6
Com Cadinho
Sem Cadinho
Intensidade TL (u.a)
Temperatura (°C)
Figura 24 – Figura representativa da comparação do processamento do TLD-100 com
cadinhos de alumínio como suporte (curvas em verde e vermelho) e sem o suporte (curva em
azul).
Podemos observar que houve uma pequena alteração nas curvas de emissão TL. Quando os
TLD’s foram processados com a panelinha de alumínio como suporte, os seus picos
termoluminescentes sofreram um pequeno deslocamento para temperaturas superiores e um
pequeno aumento na intensidade do sinal. Estas alterações provavelmente sejam devido a
inércia térmica entre o cadinho de alumínio e a prancheta da leitora. Estes resultados foram
repetidos e não observamos outras alterações significativas. Portanto, decidimos utilizar deste
método em nossas análises, uma vez que as pequenas alterações na temperatura e na
intensidade TL se mantiveram constantes em todos os testes. Em relação aos cristais de
K
2
YF
5
, o processamento foi feito sem estes suportes. Os dosímetros foram colocados
diretamente sobre a prancheta da leitora TL.
Para as irradiações com nêutrons, encapsulamos os cristais de K
2
GdF
5
. Um material sugerido
por alguns pesquisadores, (como por exemplo, por BUCKNER, 1994), foi o polietileno
(hidrocarboneto polimérico, com estrutura planar obedecendo a conformação zig-zag, sendo
constituído pela repetição do monômero –(CH
2
)
n
– e finalizado com grupos CH
3
).
50
Para analisar o desempenho destes materiais ao serem encapsulados, utilizamos os dosímetros
TLD-600 e TLD-700, por terem suas características dosimétricas para nêutrons conhecidas.
Irradiamos estes dosímetros de duas maneiras. Com e sem encapsulamento com polietileno.
Os TLDs foram irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos de
241
Am-Be. Os
dosímetros foram processados no leitor TL a uma taxa de temperatura de 10 °C.s
-1
. Como
padronizamos para todos os cristais de K
2
GdF
5
, estes foram processados utilizando uma
panelinha de alumínio. As Figura 25 e Figura 26 representam os resultados. Podemos
observar que houve um pequeno deslocamento do pico principal e um pequeno aumento na
intensidade do sinal TL. Tomando por base estes resultados, resolvemos utilizar este método
como padrão para os dosímetros que foram submetidos a irradiação com fonte de nêutrons.
0
5
10
15
20
25
30
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
TLD-600 encapsulado com Polietileno
TLD-600 sem encapsulamento
Intensidade TL (u.a)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 25 – Comparação do desempenho do
TLD-600 com e sem encapsulamento com
polietileno irradiados com 10 mSv em uma
fonte de nêutrons rápidos.
0
5
10
15
20
25
30
0
2
4
6
8
10
TLD-700 encapsulado com Polietileno
TLD-700 sem encapsulamento
Temperatura (°C)
Intensidade TL (u.a)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Figura 26 – Comparação do desempenho do
TLD-700 com e sem encapsulamento com
polietileno irradiados com 10 mSv em uma
fonte de nêutrons rápidos.
3.3
Setup de irradiação
3.3.1
Setup utilizado para irradiações com raios X
Para as irradiações com raios X, foram utilizadas as energias efetivas
de 33.3, 41.1 52.5 keV
sendo que as duas últimas são relativas ao espectro da ISO 4037-1, W60 e W80.
Os procedimentos relacionados a irradiação com raios X foram realizados no Laboratório de
Calibração de Dosímetros do Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear – CDTN.
51
Foi utilizado o equipamento de raios X diagnóstico médico da VMI Indústria e Comércio
LTDA, modelo pulsar 800 Plus. A câmara de ionização utilizada foi da Radcal Corporation,
modelo 10X5-6, acoplada em um eletrômetro modelo 9060 e foram utilizados acessórios de
posicionamento. A calibração da câmara de ionização foi feita no Instituto de Pesquisas
Energéticas – IPEN nas qualidades da ISO N40 N60. O setup utilizado nos procedimentos
está representado na Figura 27.
Figura 27 – Arranjo experimental para irradiação de dosímetros termoluminescentes
mostrando um equipamento de raios X VMI, e suporte para irradiação dos TLDs.
3.3.2 Setup utilizado para irradiação gama
Para irradiação gama, utilizamos uma fonte de Césio-137 com energia de 662 keV. As
irradiações foram realizadas no Laboratório de Calibração de Dosímetros do Centro de
Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear – CDTN. A Figura 28 representa o setup utilizado.
52
Figura 28 - Setup para irradiação gama de materiais TL com uma fonte de
137
Cs. (Laboratório
de Calibração de Dosímetros do CDTN).
3.3.3 Setup utilizado para radiação com nêutrons
As irradiações com nêutrons foram realizadas no Laboratório de Dosimetria de Nêutrons do
Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste – CRCN-NE.
Foi utilizada uma fonte de
241
Am-Be cuja taxa de emissão era (4,46 +/- 0,08) x 10
6
n/s em
15/03/2006 devidamente calibrada pelo Instituto de Radioproteção e Dosimetria – IRD. Os
dosímetros foram colocados em um fantoma de acrílico 30x30x15 cm e distanciados da fonte
em 75 cm, sendo essa a distância recomendada para irradiações pela norma ISO 10647
(1996). Esse fantoma foi posicionado em um suporte de alumínio cuja altura é (180 +/- 1) cm.
A montagem deste setup é mostrada na Figura 29.
53
Figura 29 - Setup para irradiação com nêutron rápidos em uma fonte de
241
Am-Be. Os
dosímetros são colocados em um fantoma de acrílico em uma distância de 75 cm da fonte.
(Laboratório de dosimetria de nêutrons do CRCN-NE)
3.4 Leitora de dosímetros termoluminescentes
A construção de uma leitora TL consiste basicamente em duas partes:
• Dispositivo para aquecimento;
• Sistema de detecção de luz.
Uma leitora de dosímetros termoluminescentes consiste em um sistema de aquecimento, e de
uma fotomultiplicadora para captar a luz emitida por ele. São dois os métodos mais utilizados
no aquecimento do dosímetro TL: um que utiliza a prancheta metálica, sobre a qual se coloca
o dosímetro, que é aquecida pela passagem de uma corrente elétrica e outro sistema, onde a
temperatura do dosímetro é aumentada devido à ação de um fluxo de gás com temperatura
controlada. Neste trabalho utilizamos uma leitora TL da Thermo Electron Corporation,
modelo 3500, ou simplesmente, Harshaw 3500 (Figura 30) que utiliza o primeiro método.
54
Figura 30 - Leitora termoluminescente Harshaw 3500.
Para diferentes materiais TL, é preciso definir parâmetros de leituras. Os principais são o TTP
(perfil de tempo e temperatura - Figura 32 ) e ACQ (setup de aquisição - Figura 33).
Nas figuras a seguir, estão apresentados os parâmetros de leitura, ajustados para o TLD-100
(ou LiF-100). Na Figura 32, representando o TTP, são definidas regiões que são canais pré-
estabelecidos para analisar a intensidade TL em determinada região. Um exemplo da
separação destes canais pode ser observado na Figura 31. Definimos um pré-aquecimento na
amostra de 50 °C e a partir desta temperatura, são computados os sinais TL até 300 °C em
uma taxa de aquecimento de temperatura de 10 °C/segundos. Para um tratamento térmico na
própria leitora, as amostras são aquecidas até 300 °C.
No setup de aquisição, definimos basicamente o ruído (PMT Noise), relacionado a alguma
corrente espúria no sistema, e a luz de referência (Reference Light) que pode detectar algumas
anormalidades nas lentes da fotomultiplicadora (PMT) ou perda de eficiência da PMT. Estes
dois grupos tem a função de checar a coerência e precisão das leituras. Definimos estes
parâmetros de acordo com as características do dosímetro e as prioridades do procedimento.
No caso da Figura 33, a cada leitura de 25 dosímetros, o ruído e a luz de referência da leitora
são analisados.
55
Figura 31 –Curva do TLD-100 (LiF-100) apresentando o TTP e o ACQ conforme
demonstrados nas Figura 32 e Figura 33.
56
Figura 32 - TTP utilizado para o
processamento dos dosímetros TLD-100.
Figura 33 - ACQ utilizado para o
processamento dos dosímetros TLD-100.
3.5 Tratamento térmico
O tratamento térmico para materiais TL é utilizado com a finalidade de reutilizá-los. Este
tratamento consiste em aquecer o material a certas temperaturas durante determinado
intervalo de tempo, seguido de seu resfriamento.
Utilizamos em nossos experimentos o TLD-100 como material TL referência para analisar e
comparar resultados de intensidade TL com os cristais de K
2
GdF
5
para campos de radiação X
e gama. A princípio, utilizamos o tratamento térmico padrão (1 hora a 400 °C e 2 horas a 100
° C) para estes dosímetros. Tivemos um problema na estabilidade do forno ao fazer a primeira
parte do tratamento a 400°C. Desta forma, realizamos todo o tratamento térmico na própria
leitora com exceção do tratamento pré-leitura, o qual foi feito em estufa a 100°C.
57
3.6 Calibração dos dosímetros de referência (TLD-100, TLD-600 e TLD-700)
Neste tópico serão descritos os métodos que utilizamos para a calibração dos dosímetros de
referência.
3.6.1 Calibração do LiF:Mg,Ti (TLD-100)
Um novo lote da Harshaw de LiF:Mg,Ti com 100 unidades, número de controle S-4819 (S-1)
foi adquirido para a realização deste trabalho. Eles foram calibrados segundo a metodologia
adotada:
1. Os TLD-100 foram submetidos a um tratamento térmico na própria leitora por duas vezes.
2. Foram irradiados com 5 mGy em uma fonte de Césio-137.
3. Foi realizado um tratamento térmico pré-leitura a 100 °C por 15 minutos.
4. Os dosímetros foram processados um perfil de aquecimento linear na faixa de 50 a 300
o
C
no modo resistivo, com taxa de aquecimento de 10
o
C/s e ciclos de leitura de 33 segundos.
5. Retiramos os dosímetros que apresentavam resposta TL diferente do restante do lote (com
resposta TL igual ou maior que 20% em relação aos demais dosímetros).
6. Foi calculada a média das leituras de intensidade TL, em nanocoulombs (103,38 nC);
7. Irradiamos grupos de 3 dosímetros com doses variando de 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 5.0 e 10 mGy.
Foram feitas as médias das medidas e traçamos a reta de calibração (Figura 34).
58
0
2
4
6
8
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Desvio Padrão: 2,09597
Dose(mGy)= (Leit(nC) - (-0,23502))/ 14,99844
Carga (nC)
Dose (mGy)
Figura 34 – Reta de calibração para o TLD-100.
Onde:
•
Regressão Linear ⇒ Y=A+B*X
S
A = -0,23502
S
B = 14,99844
S
R = 0,99951
8.
Com a reta de calibração, foi possível calcular o ECCj (Coeficiente de Correção de um
Elemento
j
) em função da dose de irradiação do lote (5 mGy), utilizando a equação:
5
)
(
−
=
B
A
TLR
ECC
j
j
(14)
Onde:
ECC
j
é o coeficiente de correção do elemento j;
TLR
j
é a leitura TL de um elemento
j
específico em nC.
59
9. Com estes parâmetros, foi possível montar a equação para calcular a dose de cada
dosímetro como:
j
ECC
nC
Leitura
mGy
Dose
.
99844
.
14
)
023502
.
0
)
(
(
)
(
−
=
(15)
3.6.2 Calibração dos dosímetros TLD-600 e TLD-700
Os dosímetros TLD-600 (
6
LiF:Mg,Ti) e TLD-700 (
7
LiF:Mg,Ti) foram submetidos a um
tratamento térmico na própria leitora (por duas vezes) e irradiados em uma fonte gama (
137
Cs)
com doses de 0.1, 1.0 e 10 mGy. Essas irradiações foram feitas no Laboratório de Calibração
de Dosímetros do CDTN.
O processamento do TLD-600 e do TLD-700 foi feito com um perfil de aquecimento linear na
faixa de 50 a 260
o
C no modo resistivo, com taxa de aquecimento de 10
o
C/s e ciclos de leitura
de 26 segundos. Foi feito um tratamento térmico pré-leitura de 15 minutos a 100 °C. As retas
de calibração referentes a esses dosímetros estão representadas nas Figura 35 a
Figura 36.
0
2
4
6
8
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Desvio Padrão: 1,26488
TLD-600
Dose(mGy)= (Leit(nC) - 5,52382)/ 17,14361
Carga (nC)
Dose (mGy)
Figura 35 – Reta de calibração para o TLD-
600
0
2
4
6
8
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Desvio Padrão: 0,76654
TLD-700
Dose(mGy)= (Leit(nC) - 2,92521)/ 14,89137
Carga (nC)
Dose (mGy)
Figura 36 - Reta de calibração para o TLD-
700
60
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÕES
Este trabalho teve como objetivo investigar as propriedades termoluminescentes aplicadas à
dosimetria das radiações dos cristais de K
2
GdF
5
e o K
2
YF
5
dopados com diferentes
porcentagens de íons trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
, Tb
3+
, Pr
3+
e Ce
3+
. O K
2
YF
5
foi
investigado do ponto de vista da dosimetria em campos de fótons (X e gama) para aplicação
em dosimetria clínica, e o K
2
GdF
5
foi investigado visando aplicações em dosimetria de
nêutrons, tendo em vista que estes materiais apresentam em sua estrutura o gadolínio, que por
sua vez possui uma alta seção de choque para nêutrons térmicos. Para a reação nuclear com
nêutrons, o gadolínio induz uma complexa transição interna, envolvendo uma rápida emissão
de fótons gama, elétrons de conversão interna e elétrons Auger, junto com raios X de baixas
energias.
4.1 Propriedades termoluminescentes do K
2
GdF
5
em campos de radiações de fótons e
de nêutrons.
As principais características termoluminescentes estudadas serão: curva de emissão TL e sua
deconvolução, sensibilidade, linearidade, dependência da emissão TL em relação à energia da
radiação e perda de sinal TL com o tempo.
Para a investigação dos cristais TL de K
2
GdF
5
, inicialmente, analisamos algumas séries com
diferentes dopantes, em diferentes porcentagens. A relação destes cristais com seus
respectivos dopantes estão listados abaixo (ver Tabela 3 – Capítulo 3):
• K
2
GdF
5
puro, sem dopagem.
• K
2
GdF
5
dopado com disprósio (Dy) nas porcentagens 0,2; 1,0; 5,0 e 10 %.
• K
2
GdF
5
dopado com térbio (Tb) na porcentagem de 1,0 %
• K
2
GdF
5
dopado com praseodímio (Pr) na porcentagem de 1,0 %.
• K
2
GdF
5
dopado com cério (Ce) na porcentagem de 1,0 %.
61
4.1.1 Caracterização da resposta TL para fótons de raios X e gama.
Primeiramente, realizamos um tratamento térmico (na própria leitora) por duas vezes com
todos os cristais relacionados, a fim de zerar (limpar) os sinais residuais resultantes do sinal
de fundo acumulados desde a sua produção. Para o tratamento térmico na leitora, os
dosímetros foram processados com um perfil de aquecimento linear na faixa de 50 a 300
o
C
no modo resistivo, com taxa de aquecimento de 10
o
C/s e ciclos de leitura de 33 segundos.
Posteriormente estes cristais foram irradiados com 5 mGy em uma fonte de Césio-137. Em
seguida, foi feito o processamento em uma leitora TL, usando uma taxa de aquecimento
cobrindo uma faixa de temperatura de 50 a 300 °C e taxa de aquecimento de 10
o
C/s e ciclos
de leitura de 33 segundos. Através da análise das curvas de emissão TL foi possível fazer uma
pré-seleção dos cristais que teriam boa sensibilidade termoluminescente.
Numa segunda etapa, selecionamos para uma nova irradiação o K
2
GdF
5
puro, o K
2
GdF
5
dopado com 5% de disprósio, o K
2
GdF
5
dopado com 1% de praseodímio e o K
2
GdF
5
dopado
com 1% de térbio. Os demais cristais foram descartados por não apresentarem
termoluminescência apreciável. Os cristais foram submetidos a um tratamento térmico na
leitora TL, utilizando os parâmetros descritos anteriormente. Posteriormente, os cristais foram
um perfil de aquecimento linear na faixa de 50 a 300
o
C no modo resistivo, com taxa de
aquecimento de 10
o
C/s e ciclos de leitura de 33 segundos. As Figura 37 à Figura 40
apresentam as curvas de emissão TL para os cristais não dopados, dopados com 5 % de Dy
3+
,
1 % de Pr
3+
e 1 % de Tb
3+
, respectivamente.
62
0
5
10
15
20
25
30
0
1x10
5
2x10
5
3x10
5
4x10
5
5x10
5
6x10
5
TL (nC)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 37 - Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
puro (sem dopante)
irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
0
5
10
15
20
25
30
0
1x10
5
2x10
5
3x10
5
4x10
5
TL (nC)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 38 - Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
dopado com 5% de
disprósio irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
63
0
5
10
15
20
25
30
0,0
2,0x10
4
4,0x10
4
6,0x10
4
8,0x10
4
1,0x10
5
1,2x10
5
1,4x10
5
1,6x10
5
TL(nC)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 39 – Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
com 1% de
praseodímio irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
0
5
10
15
20
25
30
0
1x10
3
2x10
3
3x10
3
4x10
3
5x10
3
TL(nC)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 40 - Curva de emissão TL de duas amostras de cristais de K
2
GdF
5
com 1% de térbio
irradiados com 300 mGy em um fonte de Césio-137.
Podemos observar nos três primeiros gráficos que as amostras apresentam curvas de emissão
TL bem definidas, com picos de emissão centrados em temperaturas que variam de 160 °C à
64
250 °C. A última amostra, referente ao K
2
GdF
5
com 1% de térbio, não apresentou respostas
significativas. Realizamos novas irradiações com outras doses (0.1, 0.5, 1, 5 e 10 mGy) e
observamos que as características da curva de emissão TL se mantinham constantes nas
amostras de K
2
GdF
5
puro e nas de K
2
GdF
5
:Dy
3+
.
Na Tabela 4, apresentamos o sinal integrado de saída termoluminescente para diferentes
concentrações de íons de Dy
3+
, quando irradiados com 10 mGy de radiação gama. Observa-se
que os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% Dy
3+
apresentam uma melhor resposta TL em
comparação aos dopados com as demais porcentagem de Dy
3+
.
Tabela 4 - Sinal integrado de saída termoluminescente do cristal de K
2
GdF
5
:Dy
3+
para
diferentes concentrações de íons de Dy
3+
,
irradiados com 10 mGy com radiação gama.
% Dy 0.0 0.2 1.0 5.0 10.0
TL (a. u.)
65.0 68.9 22.1
96.7
75.0
4.1.1.1 Análise da deconvolução do pico de emissão TL do K
2
GdF
5
:Dy
3+
Embora os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 10% de Dy
3+
tenham apresentado uma boa
resposta TL, um pouco inferior ao dopado com 5% de Dy
3+
, como mostrado na Tabela 4,
nosso estudo foi focado nos cristais com 5% de dopante, por apresentarem uma boa
reprodutibilidade na resposta TL e no formato e posição da curva de emissão
termoluminescente. Para verificarmos o comportamento da curva de emissão TL do K
2
GdF
5
em relação a adição do dopante Dy
3+
(5%), foram feitas as deconvoluções das curvas do
K
2
GdF
5
puro e do K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
. Para estas deconvoluções, foi utilizado o
software “Peak Fit
TM
”, versão 4 e o ajuste das linhas foi feito com linhas Gaussianas.
Utilizando a equação abaixo, apresentamos na Figura 41, as deconvoluções realizadas para os
dois tipos de amostras, isto é, uma pura e outra dopada com 5% de Dy
3+
.
−
−
=
2
2
1
0
2
1
exp
a
a
x
a
y
(16)
65
Onde:
0
a
é a amplitude;
1
a
é o centro;
2
a
é a largura do pico.
0
1
2
3
4
5
6
r
2
= 0,9996684
K
2
GdF
5
puro
TL (u.a)
50
100
150
200
250
300
0
1
2
3
4
5
6
r
2
= 0,99951268
K
2
GdF
5
dopado com
5% de Dy
3+
Tempertura (°C)
Figura 41 - Deconvolução das curvas para os cristais de K
2
GdF
5
puro (a) e dopado com 5% de
Disprósio (b), irradiado com 300 mGy em uma fonte de Césio-137. Observam-se picos
individuais em 153, 185 e 216 °C para amostras puras e um pico adicional em 234 °C para
amostra dopada com 5% de Dy
34
.
Analisando a Figura 41, observamos que a curva de emissão TL para K
2
GdF
5
puro apresenta
três picos individuais: 153, 185 e 216 °C, respectivamente. A curva de emissão TL para as
amostras dopadas com 5% de Dy
3+
pode ser decomposta em quatro picos, sendo que três deles
estão na mesma temperatura das amostras não dopadas, com um pico adicional em 234 °C.
66
Esta análise de deconvolução de picos TL foi feita para várias amostras irradiadas com doses
diferentes e os resultados se repetiram. Destas medidas, podemos inferir que o 4° pico, em
234 °C provavelmente origina-se da adição do dopante Dy
3+
. Esta é uma conclusão
importante, pois nos permite verificar que a adição do dopante influencia na sensibilidade
termoluminescente destes cristais, uma vez que a amostra dopada apresentou uma resposta TL
maior do que a não dopada.
4.1.1.2 Estudo da linearidade do K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
Uma das propriedades fundamentais de qualquer dosímetro é a função de sua resposta em
relação à dose de radiação aplicada. A maioria dos materiais TL possui uma resposta linear
com a dose, normalmente apresentando intervalos de supralinearidade e sublinearidade, na
medida em que a dose atinge valores mais elevados (10
2
– 10
5
Gy). Neste sentido, iremos
determinar se os cristais de K
2
GdF
5
apresentam resposta TL linear. Este estudo é muito
importante, tanto para aplicações em dosimetria gama, quanto para dosimetria de nêutrons,
uma vez que normalmente as fontes de nêutrons também são emissoras gama.
Na Figura 42, são ilustradas as curvas de emissão TL para os cristais de K
2
GdF
5
:Dy
3+
dopados com 5% de Dy
3+
, irradiados em uma fonte de
137
Cs, com doses de 5, 50, 100, 200 e
300 mGy. Observamos um aumento da intensidade do pico TL na medida em que a dose
aumenta.
0
5
10
15
20
25
30
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
450000
500000
550000
600000
5 mGy (21,55 nC)
50 mGy (178,9 nC)
100 mGy (335.9nC)
200 mGy (566.5nC)
300 mGy (1.124
µ
C)
TL (nC)
Tempo (seg)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 42 - Curvas de emissão TL para cristais de K
2
GdF
5
:Dy
3+
irradiados com raios gama
em diferentes doses. A resposta TL é dada em nanocoulombs (nC).
67
Na Figura 43, apresentamos o gráfico da resposta TL correspondente a estas irradiações.
Podemos observar uma boa linearidade na faixa de dose utilizada. A função resposta de dose
pode ser ajustada como:
D
k
I
TL
.
=
(17)
Onde:
TL
I
é a intensidade de emissão TL;
k
= é a constante linear (No caso da Figura 43,
k
= 3.035 nC/mGy).
0
50
100
150
200
0
1
2
3
4
5
6
7
R = 0,99718
SD = 1,63869 x 10
-8
Y = A+B*X
A = 8,4741 x 10
-9
B = 2,9769 x 10
-9
TL (u.a)
Dose (mGy)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
R = 0,9447
SD = 6,2589 x 10
-10
Y = A+B*X
A = 2,41221 x 10
-9
B = 4,20323 x 10
-9
TL (u.a)
Dose (mGy)
Figura 43 - Comportamento linear dos cristais de K
2
GdF
5
dopado com 5% exposto à doses de
radiação gama numa faixa de 0.1 a 200 mGy.
68
Utilizando os picos individuais obtidos após a deconvolução descrita no item 4.1.1.1, foi
possível investigar a linearidade dos mesmos. Com efeito, na Figura 44 representamos os
respectivos picos individuais para cada dose de radiação utilizada. É possível observar que o
pico 2 possui a melhor resposta TL e que o pico 4, originado pela adição do Dy
3+
, contribui
significativamente para a melhoria do sinal termoluminescente total.
0
6
12
18
24
30
Pico 1 - 153 °C
300 mGy
200 mGy
50 mGy
10 mGy
Intensidade TL
(u.a)
Intensidade TL
(u.a)
50
100
150
200
250
300
0
6
12
18
24
30
Pico 2 - 185 °C
300 mGy
200 mGy
50 mGy
10 mGy
0
6
12
18
24
30
Pico 3 - 216 °C
300 mGy
200 mGy
50 mGy
10 mGy
50
100
150
200
250
300
0
6
12
18
24
30
Pico 4 - 234 °C
300 mGy
200 mGy
50 mGy
10 mGy
Temperatura (°C)
Figura 44 - Análise individual de cada pico proveniente da deconvolução da curva de emissão
do K
2
GdF
5
dopado com 5%, irradiado com doses gama de 10 a 300 mGy.
Na Figura 45 ilustramos a linearidade referente a cada pico individual da Figura 44. Na faixa
de dose analisada (10 a 300 mGy), o pico 3 é o que apresenta uma melhor linearidade em
relação aos outros. Nos picos 1, 2 e 4 , observamos uma boa linearidade até 200 mGy, sendo
que acima desta faixa de dose, eles apresentam uma certa supralinearidade. Devemos levar em
consideração que os resultados referentes aos cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
são preliminares. Sabemos que várias características podem melhorar o desempenho de um
dosímetro, tais como a tratamento térmico antes da irradiação e antes de sua leitura.
Sugerimos para próximo trabalho, o estudo de novos métodos de tratamento térmico com o
69
objetivo de aumentar a resposta TL destes cristais e melhorar a linearidade dos picos
individuais.
0
2
4
6
8
0
2
4
6
8
0
50
100
150
200
250
300
0
2
4
6
8
0
50
100
150
200
250
300
0
2
4
6
8
Desvio Padrão: 0,37231
R= 0,95268
Intensidade TL (u.a)
Desvio Padrão: 0,09039
Pico 3
R = 0,99727
Desvio Padrão: 0,30322
Pico 2
R = 0,96887
Desvio Padrão: 0,49558
Pico 4
Pico 1
R = 0,91448
Dose (mGy)
Figura 45 – Linearidade dos picos individuais resultantes da deconvolução da curva de
emissão TL do K
2
GdF
5
dopado com 5%, em uma faixa de dose de 10 a 300 mGy, irradiados
em uma fonte de
137
Cs.
Apenas para efeito de comparação, apresentamos na Figura 46 o comportamento linear da
resposta TL dos cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5%, irradiados com doses de 0,1 a 50 mGy
em uma fonte de
137
Cs e também do TLD-100 irradiado nas mesmas condições. Levando em
conta a correção de massa, é possível observar que o TLD-100 apresenta uma resposta
superior em relação ao K
2
GdF
5
dopado com 5%, por um fator (f) de 7,01, calculado da
seguinte forma:
xDose
b
nC
Leitura
TLD
TLD
100
100
)
(
−
−
=
(18)
70
xDose
b
nC
Leitura
Dy
GdF
K
Dy
GdF
K
+
+
=
3
5
2
3
5
2
:
:
)
(
(19)
Onde b é a inclinação da reta. Então:
+
−
=
3
5
2
:
100
Dy
GdF
K
TLD
b
b
f
(20)
Desta forma, o valor de f será:
9
8
10
78
,3
10
65
,2
−
−
=
x
x
f
⇒
01
,7
=
f
0
10
20
30
40
50
0,0
2,0x10
-7
4,0x10
-7
6,0x10
-7
8,0x10
-7
1,0x10
-6
1,2x10
-6
1,4x10
-6
LiF:Mg,Ti (TLD-100)
K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
Intensidade TL (nC)
Dose (mGy)
Figura 46 - Dependência de dose do sinal TL integrado do K
2
GdF
5
dopados com 5%
(quadrado), irradiados com doses de 0,1 a 50 mGy em uma fonte de Césio-137, comparados
com o TLD-100 (círculo) irradiados nas mesmas condições.
71
4.1.1.3 Estudo da dependência energética do K
2
GdF
5
para fótons
A dependência energética de um dosímetro é a variação da resposta TL em relação à radiação
incidente. Uma importante característica que devemos levar em consideração, é como os
materiais TL respondem a diferentes energias. Os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de
Dy
3+
foram irradiados com 1 mSv com as energias efetivas de 33.36, 41.1 e 52,5 keV em
raios X e 662 keV em fonte de Césio-137. Os espectros referentes às energias de 41.1 e 52.5
keV são relativos aos espectros W60 e W80 respectivamente, definidos pela ISO 4037-1. A
emissão TL para estas irradiações está representada na Tabela 5 onde podemos notar que a
sensibilidade máxima alcançada para os raios X foi para a energia efetiva de 52.5 keV.
Tabela 5 - Intensidade TL relativa em função da energia efetiva do fóton para o K
2
GdF
5
:Dy
3+
dopado com 5% de Dy
3
irradiados com 1 mSv.
Energia Efetiva
(KeV)
Emissão TL
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(nC)
Emissão TL
LiF:Mg,Ti
(nC)
Emissão TL
CaSO
4
:Mn
(nC)
662.0
6,3
32,7 7041,3
52.5 114.3 31,3 50677,8
41.1 67.8 31,7 67666,9
33.3 48.6 34,9 62597,2
4.1.1.4 Perda do sinal termoluminescente com o tempo
Os cristais de foram irradiados com 5 mGy em uma fonte de
137
Cs. O fading observado em
um período de 39 dias foi de aproximadamente 5%.
Tabela 6 – Fading para os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
.
Tempo
(Dias)
Intensidade TL
(nC)
Perda de sinal TL
(%)
1 23,24 0
15 22,59 2,8
39 22,11 4,9
72
Resumindo, os cristais dopados com 5% de Dy
3+
revelaram uma sensibilidade maior
comparados aos cristais com outros tipos e/ou diferentes porcentagens de dopantes. O pico
dosimétrico principal pode ser decomposto em quatro picos menores individuais, centrados
em 153, 185, 216 e 234
o
C. O quarto pico dosimétrico, centrado em 234 °C, não aparece nas
amostras de K
2
GdF
5
puras e provavelmente seja originado pela adição do Dy
3+
. Estes quatro
picos apresentam uma boa linearidade em uma faixa de dose de 10 a 200 mGy e acima desta
faixa, começam apresentar uma certa supralinearidade. O melhor ajuste linear é observado
para o pico 3. Em comparação com o TLD-100, o K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
apresenta
uma resposta termoluminescente 7 vezes menor.
4.1.2 Determinação da resposta termoluminescente do K
2
GdF
5
para campos de
nêutrons
Para as irradiações com nêutrons rápidos, utilizamos uma fonte de
241
Am-Be. Como os
materiais TL foram irradiados em grandezas distintas, gama (kerma) e nêutrons (equivalente
de dose pessoal), foram feitas normalizações.
Primeiramente, é preciso definir as duas grandezas utilizadas:
a) Kerma: K
O kerma é definido pela ICRU como sendo a “razão entre
tr
dE
e
dm
, onde
tr
dE
é a soma da
energia cinética inicial de todas as partículas carregadas liberadas por interações de partículas
sem carga em um volume de massa
dm
” (ICRU 1980, 1998), ou seja:
dm
dE
K
tr
=
(21)
A unidade de kerma é J.kg
-1
, com o nome especial de gray (Gy).
b) Equivalente de dose pessoal, Hp(d)
73
“O equivalente de dose pessoal, Hp(d), é o equivalente de dose no tecido mole abaixo de um
ponto específico do corpo a uma profundidade apropriada d” (ICRU, 1992).
A unidade de H
*
(d) é o J.kg
-1
e recebe o nome especial de sievert, Sv.
O equivalente de dose pessoal pode ser medido com um detector usado sobre a superfície do
corpo e coberto com uma espessura apropriada de material tecido equivalente. A
profundidade “d” deve ser especificada. É padronizado o valor de d = 10 mm para estimar a
dose do corpo inteiro, 3 mm para a dose do cristalino dos olhos e 0,07 para a dose na pele.
Nas irradiações realizadas com nêutrons rápidos, utilizamos d = 10 mm para simular a dose
no corpo inteiro. Sendo o kerma e a dose equivalente pessoal grandezas distintas, utilizamos
na normalização das curvas de emissão TL e nas intensidades TL, um fator de conversão de
uma para outra igual a 1, uma vez que para fótons com energia acima de 60 keV, a razão entre
Hp/Hx é muito próxima de um (onde Hx é o equivalente de dose para fótons).
Como os materiais investigados apresentam massas diferentes, foi feito uma normalização em
relação à massa e, posteriormente, em relação à dose de radiação.
4.1.2.1 Determinação da resposta TL do cristal de K
2
GdF
5
para os dopantes Dy
3+
, Tb
3+
,
Ce
3+
e Pr
3+
.
Para as irradiações dos cristais de K
2
GdF
5
com nêutrons rápidos, foi realizado uma seleção do
cristal que apresenta uma melhor resposta termoluminescente. Como mencionado no item
4.1.1, para campos de radiação X e gama, os cristais dopados com 5 % de Dy
3+
apresentaram
boas características TL, tais como boa definição do formato da curva de emissão TL e maior
sensibilidade.
As Figura 47, Figura 48, Figura 49 e Figura 50 ilustram as curvas de emissão TL para os
cristais de K
2
GdF
5
irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos. Estas curvas
foram normalizadas em relação à massa. A Figura 47a) apresenta a curva de emissão TL do
K
2
GdF
5
sem dopante e a Figura 47b), uma amostra dopada com 0,2 % de Dy
3+
. Na Figura
48, são mostradas as curvas para os cristais de K
2
GdF
5
dopados com a) 1% de Dy
3+
e b) 5%
74
de Dy
3+
. Na Figura 49, apresentamos as curvas para os cristais de K
2
GdF
5
dopados com a)
10% de Dy
3+
e b) 1% de Pr
3+
e na Figura 50, cristais de K
2
GdF
5
dopados com a) 1% de Tb
3+
e
b) 1% de Ce
3+
.
Podemos observar que as melhores respostas são referentes aos cristais de K
2
GdF
5
dopados
com 5% de Dy
3+
e com 1% de Pr
3+
. Na Tabela 7, apresentamos ao sinal integrado de saída
termoluminescente para os cristais de K
2
GdF
5
com as diferentes concentrações de dopantes de
íons trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
, Pr
3+
, Tb
3+
e Ce
3+
,
irradiados com 10 mSv em
uma fonte de nêutrons rápidos. Repetimos este procedimento de irradiação e apesar dos
cristais dopados com Pr
3+
apresentarem uma boa resposta TL em algumas amostras, a
intensidade TL e o formato da curva de emissão TL não foram reprodutíveis. O mesmo não
aconteceu com os cristais dopados com Dy
3+
. Estes apresentaram uma boa resposta TL e o
pico de emissão TL apresentou-se praticamente na mesma posição.
0
5
10
15
20
25
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
a
)
K
2
GdF
5
puro: 228,8 nC
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
0
5
10
15
20
25
30
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
b
)
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(0,2%): 190,9 nC
Temperatura (°C)
Tempo (seg.)
Intensidade TL (nC)
0
100
200
300
400
500
600
Figura 47 – Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
a)puro e b) dopado com 0,2 % de
Dy
3+
irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
75
0
5
10
15
20
25
30
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
a
)
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(1%): 32,0 nC
Intensidade TL (nC)
Tempo (sec.)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
0
5
10
15
20
25
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
b
)
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(5%): 464,6 nC
Temperatura (°C)
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
Figura 48 - Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
com diferentes concentrações de
dopantes de íons trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
, irradiados com 10 mSv em uma fonte
de nêutrons rápidos. a) K
2
GdF
5
dopado com 1,0 % de Dy
3+
, b) K
2
GdF
5
dopado com 5,0 % de
Dy
3+
0
5
10
15
20
25
30
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
a
)
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(10%): 70,0 nC
Temperatura (°C)
0
5
10
15
20
25
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
b
)
K
2
GdF
5
:Pr
3+
(1%): 496,6 nC
Temperatura (°C)
Figura 49 - Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
com diferentes dopantes de íons
trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
e Pr
3+
, respectivamente, irradiados com 10 mSv em
uma fonte de nêutrons rápidos. a) K
2
GdF
5
dopado com 10,0 % de Dy
3+
, b) K
2
GdF
5
dopado
com 1,0 % de Pr
3+
.
76
0
5
10
15
20
25
30
0
1000
2000
3000
4000
5000
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
a
)
K
2
GdF
5
:Tb
3+
(1%): 16,8 nC
Temperatura (°C)
0
5
10
15
20
25
30
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
b
)
K
2
GdF
5
:Ce
3+
(1%): 9,2 nC
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 50 - Curva de emissão TL dos cristais de K
2
GdF
5
com diferentes concentrações de
dopantes de íons trivalentes opticamente ativos de Tb
3+
e Ce
3+
respectivamente, irradiados
com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos. a) K
2
GdF
5
dopado com 1,0 % de Tb
3+
, b)
K
2
GdF
5
dopado com 5,0 % de Ce
3+
.
Tabela 7 - Sinal integrado de saída termoluminescente para os cristais de K
2
GdF
5
com
diferentes concentrações de dopantes de íons trivalentes opticamente ativos de Dy
3+
, Pr
3+
,
Tb
3+
e Ce
3+
,
irradiados com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
Concentração
de dopante (%)
Sinal TL (u.a.)
Dy
3+
Sinal TL (u.a.)
Pr
3+
Sinal TL (u.a.)
Tb
3+
Sinal TL (u.a.)
Ce
3+
0.0 228,9 --------- --------- ---------
0.2 190,9 --------- --------- ---------
1.0 32,1 496,7 16,9 9,2
5.0 464,6 --------- --------- ---------
10 70,0 --------- --------- ---------
4.1.2.2
Caracterização da curva de emissão TL para o K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
Dentre os dopantes Dy
3+
, Pr
3+
, Tb
3+
e Ce
3+
, os cristais dopados com Disprósio em um
percentual de 5%, quando comparados à outras porcentagens de dopante e também em
comparação aos outros tipos dopantes, mostraram uma melhor resposta TL, tanto para gama,
quanto para nêutrons rápidos. Devemos observar que, uma vez que junto com os nêutrons
estão também sendo emitidos os raios gama de 60 keV e também que o interação dos nêutrons
com os átomos de Gadolínio resultam principalmente em emissão secundária de raios gama,
77
com energias variando de 80 keV até 975 keV (90% de deposição de energia), e raios X
característicos de baixa energia (10% de deposição de energia). Então, é compreensível que a
melhor resposta TL para a fonte de nêutrons utilizada (n + VHULD VLPLODU à melhor resposta
para gama, uma vez que este material apresenta uma fortíssima emissão TL para fótons na
região de 50-60 keV. Iremos agora caracterizar a resposta para nêutrons.
Neste trabalho, utilizamos uma fonte de
241
Am-Be para as irradiações com nêutrons. Todas as
irradiações foram realizadas com nêutrons rápidos. Sugerimos que sejam feitas irradiações
com nêutrons térmicos devido a alta seção de choque que o Gadolínio possui nesta faixa de
energia. O
155
Gd quanto o
157
Gd apresentam para nêutrons térmicos seção de choque da
ordem de 6,1x10
4
b e 2,6x10
5
b respectivamente. A proporção destes átomos no Gd natural é
razoavelmente alta (14,7 e 15,7%).
A Figura 51 ilustra curvas de emissão TL de cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
,
irradiados com gama em uma fonte de
137
Cs e nêutrons rápidos em uma fonte de
241
Am-Be,
respectivamente, normalizadas pela massa e pela dose. Os cristais irradiados com nêutrons
rápidos apresentam uma curva de emissão TL semelhante em relação aos irradiados com
gama.
78
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Temperatura (°C)
a) Gama
Intensidade TL (u.a)
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
b) Nêutron + Gama
Tempo (seg)
0
250
500
0
250
500
Figura 51 - Curva de emissão TL para cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
irradiados com a) gama em uma fonte de
137
Cs e b) (nêutrons rápidos + gama) em uma fonte
241
Am-Be. As curvas foram normalizadas em relação a massa e a dose de irradiação.
Podemos notar que na região entre as linhas tracejadas (em vermelho) que os picos de
emissão TL nas duas amostras estão em uma mesma região. Este fato indica que
provavelmente será possível utilizar a mesma deconvolução de picos para nêutrons e gama,
abrindo possibilidade de se poder detectar algum pico individual específico para nêutrons. Em
relação à intensidade TL, nota-se um valor muito maior para a irradiação com nêutrons,
provavelmente devido aos fótons com energia de 60 keV emitidos pela fonte
241
Am-Be.
A Figura 52 apresenta curvas de emissão TL do K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
do TLD-
600 irradiados nas mesmas condições, isto é, com 10 mSv em uma fonte de nêutrons rápidos.
Os dados da curva de emissão TL foram normalizados pela massa. Podemos notar que a
intensidade TL para o K
2
GdF
5
é maior em relação ao dos fluoretos. Devemos levar em
79
consideração que o TLD-600 detecta tanto nêutrons quanto gama. Portanto, como sabemos
que o K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
também é uma detector de gama, devemos compará-
lo com o TLD-600, por apresentarem a mesma característica de detectar os dois tipos de
radiação.
0
5
10
15
20
25
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(5%) (555,9 nC)
TLD-600 (357,6 nC)
Intensidade TL (nC)
Tempo (seg.)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
Figura 52 - Comparação da resposta TL para nêutrons rápidos entre os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
o TLD-600, irradiados sob as mesmas condições.
Para propormos uma estimativa da quantidade de nêutrons detectados no K
2
GdF
5
dopados
com 5% de Dy
3+
, analisamos a curva do TLD-600, irradiado com 0,333 mSv em uma fonte de
241
Am-Be, sendo que os nêutrons foram termalizados, segundo relatos de Mukherjee et al.
(MUKHERJEE; CLERKE; KRON, 1996). Em destaque nesta figura, aparece a região de alta
temperatura (> 210 °C), indicando a contribuição devido aos nêutrons térmicos. Esta região
também responde pela contribuição de nêutrons rápidos, segundo Noll et al (NOLL; VANA;
SHÕNET; FUGGER; BRANDL, 1996).
80
Figura 53 – Curva de emissão TL para o TLD-600 irradiado com 0,33 mSv em uma fonte de
241
Am-Be. A área em destaque, na região de alta temperatura (> 210 °C), indica a
contribuição devido aos nêutrons térmicos (MUKHERJEE; CLERKE; KRON, 1996).
Voltando à Figura 52, pode-se observar que tanto o K
2
GdF
5
:Dy
3+
apresenta uma
termoluminescência em temperaturas mais altas, quanto o TLD-600 irradiado conjuntamente
nas mesmas condições. Este aumento de sensibilidade não é observado na irradiação com
137
Cs, como observado na Figura 51a). Na Figura 54, reproduzimos a curva de emissão TL do
TLD-600 utilizada em nossos experimentos, indicando uma possível área de emissão TL em
temperaturas mais altas, devido à contribuição dos nêutrons rápidos da fonte de
241
Am-Be.
0
5
10
15
20
25
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
Nêutrons + Gama
Nêutrons
(rápidos e térmicos)
TLD-600
Dose: 10 mSv
Fonte:
241
Am-Be
Curva Experimental
Curva Teórica
Intensidade TL (u.a)
Tempo (seg)
100
200
300
400
500
Temperatura (°C)
Figura 54 – Representação esquemática da região referente aos nêutrons para o TLD-600. O
material foi irradiado com 10 mSv em uma fonte de
241
Am-Be com nêutrons rápidos.
81
Na Figura 55, reproduzimos a curva de emissão TL do K
2
GdF
5
:Dy
3+
, indicando em destaque
a possível contribuição dos nêutrons rápidos. Como o aumento da sensibilidade nos dois
materiais ocorre praticamente na mesma região (em altas temperaturas), sugerimos que a
detecção dos nêutrons ocorra nesta área da curva de emissão TL. Para estimarmos a
porcentagem de nêutrons e gama na curva de emissão TL destes materiais, primeiramente
calculamos a dose gama através do TLD-700, irradiado nas mesmas condições, utilizando sua
reta de calibração (
Figura 36). Normalizamos o valor da intensidade TL pelo fato da fonte de
241
Am-Be emitir
fótons com energia de 60 keV e a de
137
Cs ter fótons com energia de 662 keV. Com a dose
gama encontrada, multiplicamos este valor pelo valor da inclinação da reta de calibração para
o K
2
GdF
5
:Dy
3+
e pelo fator de correção de energia. Estimamos que para irradiações com 10
mSv com nêutrons rápidos na curva de emissão TL, 78,23 % seja para gama e 21,77 % para
nêutrons.
Figura 55 – Representação esquemática da região referente aos nêutrons para o K
2
GdF
5
dopado com 10 % de Dy
3+
, irradiado com 10 mSv em uma fonte de
241
Am-Be com nêutrons
rápidos.
82
A mesma análise da figura anterior foi feita para uma dose inferior a 10 mSv. Cristais de
K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
foram irradiados com 0,5 mSv com nêutrons rápidos
(Figura 56). Nesta curva, a contribuição gama é de 61,16 % e de nêutrons 38,84 %.
Figura 56 - Representação esquemática da região referente aos nêutrons para o K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
, irradiado com 0,5mSv em uma fonte de
241
Am-Be com nêutrons
rápidos.
Para efeito de comparação, a mesma estimativa foi feita para o TLD-600 utilizado, chegando-
se a uma contribuição TL devido aos nêutrons (dose: 10 mSv) igual a 6,44 %, contra 21,77 %
do K
2
GdF
5
:Dy
3+
.
4.1.3 Estudo da linearidade do K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
para campo misto
nêutron-gama
A linearidade da resposta TL dos cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
em campo
misto nêutron-gama, pode ser observada na Figura 57. Os cristais foram irradiados em uma
fonte de nêutrons rápidos com doses variando de 0,5 a 10 mSv. A equação de ajuste pelo
método dos mínimos quadrados para a definição da dose está representada nesta figura.
83
0
2
4
6
8
10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Dose = (Leit(nC) - 0,32273/32,7081)
Y = A + B * X
Onde: A = 0,32273
B = 32,7081
R = 0,99814
SD = 8,79
Intensidade TL (nC)
Dose (mSv)
Figura 57 - Reta de linearidade para os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
irradiados com nêutrons rápidos, em uma fonte mista nêutron-gama, numa faixa de dose de
0,5 a 10 mSv.
Um dado interessante pode ser inferido ao se comparar as respostas lineares do K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
HP FDPSRV PLVWRVQ H FDPSRV GH Iótons gama. Como pode ser
observado na Figura 58, a sensibilidade TL deste cristais para nêutron-gama é muito maior
que para fótons gama. Nesta mesma figura, comparamos a resposta TL ao dosímetro TLD-
600. Para o campo misto nêutron-gama, a sensibilidade TL dos cristais de K
2
GdF
5
dopados
com 5% de Dy
3+
é muito parecida em relação ao TLD-600, em acordo com a conclusão obtida
através da análise da contribuição na região de alta temperatura. Este é um resultado muito
interessante, uma vez que a resposta do cristal estudado pode ainda ser muito melhorada
através de investigações sistemáticas relacionadas à tratamentos térmicos, sensibilização e
parâmetros de leitura.
84
0
2
4
6
8
10
12
0,0
1,0x10
-7
2,0x10
-7
3,0x10
-7
4,0x10
-7
5,0x10
-7
6,0x10
-7
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(Nêutron + Gama)
K
2
GdF
5
:Dy
3+
(Gama)
TLD-600 (Nêutron + Gama)
Intensidade TL (u.a)
Dose (mSv)
Figura 58 - Comportamento da linearidade com a dose (0,5 a 12 mSv) para os cristais de
K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
e para o TLD-600, na comparação entre radiações em
campo misto nêutron-gama e apenas gama
4.1.3.1
Análise da deconvolução da curva de emissão TL do K
2
GdF
5
dopados com 5%
de Dy
3+
Com o objetivo de tentar identificar um ou mais picos individuais sensíveis apenas para
nêutrons rápidos, faremos uma análise detalhada da curva TL de resposta para nêutrons.
A Figura 59 representa uma comparação entre as deconvoluções dos picos de emissão TL do
K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
. A normalização dos dados foi feita para massa e para dose.
Podemos observar uma importante característica destes cristais em relação à posição dos
picos individuais. Eles se mantêm praticamente na mesma posição, alterando apenas a
intensidade TL para ambos os tipos de qualidade de radiação.
85
0
2
4
6
8
10
12
14
Pico 153 °C
Pico 185 °C
Pico 216 °C
Pico 234 °C
Curva Teórica
Curva Experimental
0
5
10
15
20
25
30
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
r
2
= 0,99966048
r
2
= 0,99962003
b)
Gama
a)
Nêutron
+ Gama
Pico 153 °C
Pico 185 °C
Pico 216 °C
Pico 234 °C
Curva Teórica
Curva Experimental
Intensidade TL (u.a)
Tempo (s)
Figura 59 - Deconvolução de amostras de cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
irradiados com a) nêutrons + gama e b) gama. As amostras foram normalizadas pela massa e
pela dose.
Na Figura 60, observamos como os picos individuais, resultantes da deconvolução do K
2
GdF
5
dopado com 5% de Dy
3+
, se comportam quando comparados simultaneamente entre o campo
misto de radiação (gama e nêutron) e o campo de radiação gama. Os dados das curvas TL
foram normalizados pela massa e pela dose. Observamos um aumento da intensidade TL
nestes picos quando irradiados com nêutrons rápidos, provavelmente resultantes dos gamas da
fonte de
241
Am-Be.
86
0
3
6
9
12
153 °C
Intensidade TL (u.a)
50
100
150
200
250
300
0
3
6
9
12
Pico 2
185 °C
0
3
6
9
12
Pico 3
Pico 1
216 °C
50
100
150
200
250
300
0
3
6
9
12
Pico 4
234 °C
Temperatura (°C)
100
200
300
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Nêutron
+Gama
Temperatura (°C)
Intensidade TL (u.a)
100
200
300
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Gama
Temperatura (°C)
Intensidade TL (u.a)
Figura 60 - Comparação dos diferentes tipos de radiação (gama e nêutrons) dos picos
individuais para amostras de K
2
GdF
5
dopadas com 5% de Dy
3+
,
resultantes da deconvolução
da curva de emissão TL (à esquerda da figura). Os dados foram normalizados pela massa e
pela dose.
Resumindo, os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
revelaram uma sensibilidade
maior comparados aos cristais com outros tipos e/ou diferentes porcentagens de dopantes
quando irradiados com nêutrons rápidos, assim como nos irradiados apenas com gama. O
formato da curva de emissão TL para estes materiais são muito parecidos, sendo que os
cristais irradiados com nêutrons apresentam um aumento em sua sensibilidade. O TLD-600,
dosímetro comercialmente utilizado, também apresenta um aumento da sensibilidade quando
irradiado em uma fonte mista (nêutron-gama). Esta região está representada pela irradiação
com nêutrons. Com a similaridade, sugerimos que o aumento da sensibilidade nos cristais de
K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
na região de temperaturas mais altas seja devido à radiação
de nêutrons. Estes cristais apresentam uma boa linearidade em uma faixa de dose de 0,6 a 12
mSv. A sensibilidade TL para nêutron gama é superior que a sensibilidade para fótons gama,
e quando comparado ao TLD-600, para nêutrons, é muito parecido.
87
4.2 Propriedades termoluminescentes do K
2
YF
5
:Dy
3+
em campos de radiação X e
gama
As propriedades TL do K
2
YF
5
:Dy
3+
foram publicadas na Radiation Measurements, volume
42, paginas 311-315 em fevereiro de 2007, onde as apresentamos no Apêndice 2.
Cristais de K
2
YF
5
dopados com 0.0, 0.2, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0% de íons opticamente ativos de
Dy
3+
foram sintetizados em condições hidrotérmicas. Cristais de até 1 cm
3
de volume foram
crescidos pelo método direto de gradiente de temperatura, com espessuras de
aproximadamente 1 mm foram utilizadas para as medidas de termoluminescência. Os cristais
fabricados pela Harshaw-Bicron (LiF:Mg,Ti (TLD-100)), e CaSO
4
:Mn em pó fabricado pelo
IPEN-CNEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) foram usados para aferir as
doses de radiação fornecidas e obter a sensibilidade TL relativa para os cristais de K
2
YF
5
sensibilizados.
As amostras foram expostas a campos de fótons à temperatura ambiente (RT) com energias
variando entre fótons 662 e 1250 keV para
137
Cs e
60
Co, respectivamente, e feixes de raios X
com energias efetivas de 33.3, 41.1 e 52.5 keV, sendo que os dois últimos são referentes aos
espectros W60 e W80, definidos pela série ISO 4037-1. Algumas amostras foram pré
sensibilizadas com doses de aproximadamente 3 kGy em uma fonte de
60
Co. As medidas das
curvas TL foram feitas em uma leitora de TLD Harshaw-Bicron 4500 com um perfil de
aquecimento linear na faixa de 50 a 300
o
C no modo resistivo, com taxa de aquecimento de 10
o
C/s e ciclos de leitura de 35 segundos. Foi realizado o tratamento térmico das amostras
através de uma segunda leitura e o sinal residual (leitura 2/leitura 1) observado foi de 0.01%.
As amostras foram pesadas e todos os dados foram normalizados pela massa.
Dentre a série de diferentes porcentagens de dopantes analisados, as amostras com 1% de
Dy
3+
apresentaram um sinal TL maior e mais estável. Na Figura 61, para efeito de
comparação, mostramos a intensidade TL em função do tempo para amostras de TLD-100 e
K
2
YF
5
:Dy
3+,
irradiadas com 1 mGy de radiação gama, para temperatura variando de 50 a 300
o
C. Observa-se que a intensidade TL do K
2
YF
5
:Dy
3+
é da ordem de 8 vezes a intensidade do
TLD-100.
88
0
5
10
15
20
25
30
35
0
4
8
12
16
K
2
YF
5
:Dy
3+
TLD-100
TL (u.a)
Tempo (s)
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (
o
C)
Figura 61 - Curva de emissão termoluminescente para o K
2
YF
5
:Dy
3+
e para o TLD-100 (eixo
esquerdo) expostos a uma dose de radiação gama de 1 mGy, em uma faixa de temperatura de
50 a 300
o
C (eixo direito).
Uma vez que o pico de emissão TL do K
2
YF
5
dopado com 1% de Dy
3+
está centrado por volta
de 97°C, é melhor comparar a sua resposta à resposta TL do CaSO
4
:Mn, dosímetro comercial
extremamente sensível, com pico de emissão em temperatura abaixo de 100°C.
Na Figura 62, pode ser observado que a resposta linear para os cristais de K
2
YF
5
:Dy
3+
é maior
do que a dos dosímetros de CaSO
4
:Mn na faixa de 0.01 a 1.0 mGy e que acima desta faixa, a
situação é revertida. Adicionalmente, é possível notar que para doses de 0,01 mGy, este
material aproxima-se do seu limiar de detecção. Estes resultados mostram que os cristais de
K
2
YF
5
:Dy
3+
são muito sensíveis para a radiação gama, levando em consideração que o
CaSO
4
:Mn é largamente conhecido como um dos dosímetros TL mais sensíveis do mundo.
89
0,01
0,1
1
10
0,01
0,1
1
10
K
2
YF
5
:Dy
3+
CaSO
4
:Mn
TL(u.a)
Dose
(mGy)
Figura 62- Curva de dependência com a dose e ajuste linear do sinal TL para cristais de
K
2
YF
5
dopados com 1% de Dy
3+
(quadrado cheio) e CaSO
4
:Mn comercial (círculo vazio), na
faixa de dose de 0.01 a 7mGy.
Tabela 8 - Resposta relativa para a energia do Cs-137 do K
2
YF
5
dopado com 1% de
Dy
3+
comparado com as respostas do CaSO
4
:Mn e TLD-100, irradiados nas mesmas
condições.
Energia Média
(keV)
K
2
YF
5
:Dy
3+
SD%=2.01
CaSO
4
:Mn
SD%=2.05
TLD-100
SD%=1.58
33.3
41.1
52.5
661.6
12.59
32.07
26.13
1.00
8.89
9.61
7.21
1.00
1.18
1.18
1.13
1.00
Os dados para a caracterização da dependência energética das amostras são mostrados na
Tabela 8 e são comparados com os resultados dos dosímetros CaSO
4
e LiF-100, irradiados nas
mesmas condições, na faixa de energia de 33,3 a 662 keV. É possível observar nesta tabela
que o sinal TL do K
2
YF
5:
Dy
3+
para fótons de raios X de baixa energia (41 keV) é
aproximadamente 32 vezes maior relativamente à resposta para energia do Cs-137, enquanto
que, para o CaSO
4
:Mn e o TLD-100, este valor gira em torno de 10 e 1.18, respectivamente.
90
Assim, levando em conta estes resultados e também a baixa temperatura do pico dosimétrico
principal, podemos ver que as características dosimétricas destes cristais encontrariam
aplicações na áreas de raios X diagnóstico e terapia. Particularmente, eles seriam muito
atrativos para o uso em filmes termoluminescentes aplicados à radiografia digital (FARIA;
CASTRO; ANDRADE, 2006), um emergente campo de pesquisa onde a baixa temperatura
dos picos dosimétricos é muito importante, tendo em vista que a maior parte das matrizes
poliméricas começam a degradar em temperaturas a partir de 130
o
C.
Resumindo, os cristais dopados com 1% de Dy
3+
revelaram ter altíssima sensibilidade para
campos de radiação de fótons com energia efetiva de 41 keV, apresentando uma resposta TL
aproximadamente 32 vezes maior em relação aos raios gama de 662 e 1250 keV. O ajuste
linear na faixa de 0,01 a 10 mGy, demonstrou uma resposta termoluminescente com
comportamento similar ao dosímetro comercial CaSO
4
:Mn, um dos mais sensíveis no mundo.
Os cristais apresentaram boa reprodutibilidade, com uma perda de sinal estimada em 50%
após 48 horas e 90% após uma semana. O pico dosimétrico principal é centrado em 105
o
C e
pode ser decomposto em três picos individuais centrados em 96,4, 104,9 e 130,7
o
C,
respectivamente. Os resultados indicam que o K
2
YF
5
:Dy
3+
é um bom candidato para o uso em
dosimetria das radiações para fótons de baixa energia, com aplicações em dosimetria clínica e
radiodiagnóstico.
91
CONCLUSÕES
As propriedades termoluminescentes (TL) de cristais de K
2
YF
5
e K
2
GdF
5
dopados com íons
trivalentes opticamente ativos foram investigadas para aplicação em dosimetria de radiações
ionizantes. O K
2
YF
5
foi investigado do ponto de vista da dosimetria em campos de fótons X e
gama e o K
2
GdF
5
para dosimetria de nêutrons, tendo em vista que o gadolínio possui uma alta
seção de choque para nêutrons.
Quando irradiados com nêutrons rápidos de uma fonte de
241
Am-Be, os cristais de K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
revelaram uma maior sensibilidade termoluminescente quando
comparado com amostras puras e outras porcentagens de Dy
3+
, e também com dopagens de
Pr
3+
, Tb
3+
e Ce
3+
com 1% em peso. O mesmo resultado foi obtido na irradiação com raios X e
gama. Através da deconvolução da curva de emissão TL de amostras puras e aquelas dopadas
com 5% de Dy
3+
, foi possível identificar três picos individuais centrados em 153, 185 e 216
°C para os cristais puros, e um pico adicional em 234 °C para os dopados, este último
provavelmente originado pela adição do Dy
3+
. A perda de sinal com o tempo observada para
amostras irradiadas com radiação gama foi de 5%, em um período mensal. Os cristais de
K
2
GdF
5
dopados com 5% de Dy
3+
, quando irradiados com nêutrons, apresentaram um
aumento da sensibilidade TL na região de alta temperatura acima de 200 °C, revelando uma
sensibilidade comparável à do TLD-600, dosímetro mais utilizado no mundo para dosimetria
de nêutrons térmicos. Esta é uma importante característica, principalmente levando-se em
consideração que esta sensibilidade pode ser aumentada com a investigação sistemática de
outras propriedades, tais como sensibilização e tratamento térmico. Os cristais apresentaram
uma resposta TL com boa linearidade tanto para nêutrons quanto para raios gama, na faixa de
dose estudada (0,6 a 12 mSv para nêutrons e 0,1 a 200 mGy para gama). Estas propriedades
indicam que o K
2
GdF
5
:Dy
3+
é um forte candidato para aplicações em dosimetria de nêutrons.
Os cristais de K
2
YF
5
dopados com 0, 0,2, 1, 2, 5 e 10% de Dy
3+
foram irradiados com raios X
e gama. Os cristais dopados com 1% de Dy
3+
revelaram ter altíssima sensibilidade para
campos de radiação de fótons com energia efetiva de 41 keV, apresentando uma resposta TL
aproximadamente 32 vezes maior em relação aos raios gama de 662 e 1250 keV. O ajuste
linear na faixa de 0,01 a 10 mGy, demonstrou uma resposta termoluminescente com
comportamento similar ao dosímetro comercial CaSO
4
:Mn, um dos mais sensíveis no mundo.
Os cristais apresentaram boa reprodutibilidade, com um fading estimado em 50% após 48
92
horas e 90% após uma semana. O pico dosimétrico principal é centrado em 105
o
C e pode ser
decomposto em três picos individuais centrados em 96,4, 104,9 e 130,7
o
C, respectivamente.
Os resultados indicam que o K
2
YF
5
:Dy
3+
é um bom candidato para o uso em dosimetria das
radiações para fótons de baixa energia, com aplicações em dosimetria clínica e
radiodiagnóstico.
93
APÊNDICE 1 - PROPRIEDADES TERMOLUMINECENTES DE ALGUNS
MATERIAIS
Neste apêndice, serão descritos resumidamente, complementando as informações referidas no
capítulo 2, as propriedades termoluminescentes de alguns outros materiais, tais como óxidos,
sulfatos e boratos.
1 – Óxidos
1.1 - αα-Al
2
O
3
:Mg,Y
Os α-Al
2
O
3
:Mg,Y são produzidos pelo Instituto de Isótopos da Academia Húngara de Ciência
de Budapeste. Geralmente estes materiais são apresentados de duas formas:
S Materiais D-2 com concentrações de MgSO
4
e Y
2
O
3
com 0.5 em porcentagem de peso em
cada;
S Materiais D-3 com concentrações de 1.0 em porcentagem de peso para cada sal.
Nos dois casos, os dosímetros terão aproximadamente 150 mg com 8 mm de diâmetro e 1 mm
de espessura.
Amostras D-3 abrangem uma faixa de dose de 10
-3
– 10
-2
Gy enquanto os materiais D-2 são
indicados para altas doses, na faixa de 10
-1
– 5 x 10
3
Gy.
O formato da curva de emissão destes materiais depende da concentração dos dopantes e da
taxa de aquecimento utilizada durante o processamento TL. A curva de emissão TL de uma
amostra D-2 é apresentada na Figura 63 - para uma taxa de aquecimento de 10 °C.s
-1
.
Observa-se nesta figura um forte pico em 208°C com um ombro de pequena intensidade em
aproximadamente 190°C. A diferença entre as amostras D-2 e D-3 é a variação da posição do
pico principal, com D-3 apresentando um sinal principal de menor temperatura. Em relação ao
pico dosimétrico destes materiais, a resposta de dose é linear em uma faixa de 1 mGy a 10
kGy (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
94
Figura 63 - Curva de emissão TL para o Al
2
O
3
:Mg,Y após uma irradiação de 1 Gy em uma
fonte de
137
Cs e taxa de aquecimento de 10.s
-1
. As amostras foram submetidas a um
tratamento térmico pré-irradiação a 300°C por 1h seguido de um resfriamento a temperatura
ambiente de aproximadamente 6°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
2 - Outras formas de Óxido de Alumínio
Além das citadas anteriormente, existem outras formas de óxido de alumínio utilizadas em
dosimetria, que serão descritas a seguir:
2.1 - Al
2
O
3
:Si,Ti
As formas encontradas do Al
2
O
3
:Si,Ti são em pó e em forma de discos. Como mostrado na
Figura 64, a curva de emissão TL destes materiais consistes em múltiplos pico, com um pico
principal em ~250°C, para uma taxa de temperatura de 3°C.s
-1
(MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
95
Figura 64 - Curva de emissão TL para o Al
2
O
3
:Si,Ti após uma exposição de 150 kR (gama) e
taxa de aquecimento de 3°C.s-1 (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
2.2 - Al
2
O
3
:Cr
Estes materiais são conhecidos como rubi e geralmente apresentam um pico de emissão TL
simples.
2.3 - Al
2
O
3
:Cr,Ni
O Al
2
O
3
:Cr,Ni é cerca de 150 vezes mais sensível do que o LiF-100 para uma dose em torno
de 330 Gy. Entretanto, a sua sensibilidade para monitoração pessoal é bem menor, onde as
doses giram em torno de 0,1 Gy.
Podemos observar na Figura 65 a curva de emissão destes materiais contendo um pico
principal em 330°C (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
96
Figura 65 - Curva de emissão TL para o Al
2
O
3
:Cr,Ni após irradiação com raios X, com doses
variando de 10 Gy a 10
4
Gy. As amostras foram submetidas a um tratamento térmico antes da
irradiação a 1000°C por 15 minutos e resfriadas a temperatura ambiente a 6°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
3 - Óxido de Berílio
O óxido de berílio durante alguns anos foi um forte concorrente do LiF-100 por ser um
material tecido equivalente (número atômico efetivo = 7.13). Sua sensibilidade TL é similar
ao TLD-100, apresentando boa resistência mecânica, boa condutividade térmica e custo baixo
de fabricação. Com todas estas características, é considerado um material viável para a
dosimetria (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Geralmente vem na forma de pó e é altamente tóxico. Consequentemente, a fabricação de
chips de BeO não é possível sem medidas de segurança sendo normalmente são produzidos
somente em laboratórios comerciais.
A curva de emissão para chips de 9.0 mm x 1.5 mm fabricados pela Thermalox
TM
995 é
mostrada na Figura 66. Ela é muito variável, dependendo principalmente da origem do
material. Muitas vezes, consiste em dois picos, como mostrados na Figura 66.
97
Figura 66 - Curva de emissão TL para o BeO ThermaloxTM 995 irradiado com 1 Gy em uma
fonte de
137
Cs com uma taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
Os picos principais de emissão TL da figura acima estão centrados em ~210°C e 333°C,
entretanto, estas posições são dependentes com a dose. Um problema potencial encontrado
nestes materiais são os sinais termoluminescentes espúrios, sinais luminescentes que não são
induzidos pela radiação.
A curva de resposta do pico dosimétrico principal (220°C) do BeO (Thermalox
TM
)995 em
função da dose aplicada, é linear-supralinear-sublinear, como se pode observar na Figura 67.
A região linear está em uma faixa de 10 mR a 100 R, onde se torna supralinear. A curva
começa a saturar em aproximadamente 10
4
R (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).
98
Figura 67 – Curva de resposta TL em função da dose aplicada para o BeO, para uma
irradiação com
60
Co (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A sensibilidade do BeO é comparável ao LiF:Mg:Ti. A comparação com discos de Teflon
7
LiF com discos sintetizados de BeO resulta em uma sensibilidade parecida em uma faixa de
exposição de 250 mR a 100 R onde a resposta de dose de ambos é linear.
3.2 - Óxido de Magnésio
Estes materiais foram inicialmente sugeridos para dosimetria ultravioleta (UV) e de nêutrons,
mas com o passar dos anos, surgiram outros materiais com melhores características
dosimétricas. Geralmente estes materiais estão disponíveis como cristais simples, apesar de
serem encontrados também na forma de pó para serem utilizados em aplicações em cabos
elétricos (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
O formato da curva de emissão TL do MgO é bastante instável, sendo dependente da origem
do material. Geralmente o pico principal está centrado em aproximadamente 125°C mas são
inadequados para a dosimetria por serem termicamente instáveis. Em alguns materiais,
aparecem dois picos sobrepostos, tendo diferentes intensidades em diferentes amostras.
99
Outros picos como os de 150°C e 175°C podem ser vistos, como observado na Figura 68. Os
mesmos picos podem ser estimulados, como vemos na Figura 69 por radiação UV ou por
radiação ionizante, tais como raios X ou gama, entretanto eles aparecem em diferentes
intensidades e também parecem consistir de mais de um componente. Esta variação de
intensidade pode estar relacionada à diferença de impurezas entre as diferentes amostras. Em
geral, quando um material TL possui poucas impurezas apresenta alta sensibilidade TL.
Entretanto a diminuição da intensidade TL, pode ser devido ao aumento destas impurezas.
Figura 68 - Curva de emissão TL de uma amostra de MgO irradiada com raios X de 6 MV em
temperatura ambiente, com uma taxa de aquecimento de 10°C.s
-1
(MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
100
Figura 69 - MgO irradiado com luz UV (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).
4 - Sulfatos e Boratos
Os boratos foram estudados durante vários anos, principalmente por serem materiais tecido-
equivalente e também por serem sensíveis a nêutrons e às radiações ionizantes. São mais
sensíveis do que o LiF, entretanto, devido aos problemas de perda de sinal com o tempo, a
interferência da umidade e sensibilidade a luz, o LiF continua sendo os dosímetros
termoluminescentes mais utilizados.
O interesse por dosímetros à base de sulfato de cálcio e seus variantes foram propostos desde
a década de 60, especialmente àqueles com aplicação em monitoração de radiação em fontes
naturais (como os usados por exemplo em geológica e datação arqueológica baseados em
dosimetria TL com quartzo, feldspato e calcitas). O CaSO
4
:Dy e o CaSO
4
:Tm são versões de
dosímetros que apresentam uma resposta de dose 30 vezes maior em comparação ao LiF-100.
Nestes casos, a resposta é linear na faixa de interesse para monitoração pessoal e, saturação ou
fatores de não-linearidade, não precisam ser considerados até > 10 Gy (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
101
4.1 - Sulfatos
4.1.1 - CaSO4:Mn
A aplicação em dosimetria para o CaSO
4
dopado com Mn e outras terras raras teve início em
1960 (YAMASHITA, NADA, ONISHI, KITAMURA; 1968). Os dosímetros CaSO
4
:Mn
permitem medidas de pequenas doses de radiação gama, em torno de 50 µR com energias à
partir de 150 keV (BJÄRNGARD, 1962). Estes materiais são considerados como um dos mais
sensíveis para a dosimetria termoluminescente. Também possuem grande aplicação em
medidas de raios X moles e luz ultra violeta. As vantagens do CaSO
4
:Mn para a dosimetria
TL são a alta sensibilidade, apresentam somente um pico de emissão TL com intensidade
variando linearmente com a dose (IKEYA; ITOH, 1996). Geralmente este pico de emissão é
centrado entre 90 e 160 °C, dependendo da taxa de aquecimento e a emissão espectral é
centrada em 500 nm (SHANI, 1991). Como conseqüência do pico de emissão em baixa
temperatura, a perda de sinal com o tempo é relativamente alta, limitando assim suas
aplicações (MCKEEVER, 1985). A Figura 70 apresenta a curva de emissão TL para o
CaSO
4
:Mn irradiado com 1,0 mGy em uma fonte gama e processado com taxa de
aquecimento de 10 ° C/s.
Figura 70 - Curva de emissão termoluminescente do CaSO
4
:Mn irradiado com 1,0 mGy em
uma fonte de gama (Irradiação realizada no Laboratório de Calibração de Dosímetros do
CDTN).
102
4.1.2 - CaSO
4
:Dy e CaSO
4
:Tm
Um exemplo de curva de emissão TL obtida para o CaSO
4
:Dy está representada na Figura 71.
Este material foi produzido pelo Instituto de Ciência Nuclear da Bélgica, Iugoslávia. As
diferentes amostras com diferentes dopantes de terras raras apresentam em comum curvas de
emissão TL com um pico principal em aproximadamente 220°C (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Figura 71 - Curva de emissão TL do CaSO
4
:Dy após irradiação com 1 Gy em uma fonte de
137
Cs e taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
O tamanho dos grãos que formam o cristal ou as impurezas pode influenciar na intensidade
relativa dos picos de emissão TL, bem como a sensibilidade. Na Figura 72 é observado a
curva de emissão L do CaSO
4
:Dy onde aparecem picos sobrepostos, na qual as letras A até L
representam os picos resultante da deconvolução.
103
Figura 72 - Resolução do comportamento dos picos de emissão TL da curva de emissão do
CaSO
4
:Dy por uma técnica de aquecimento parcial (MCKEEVER; MOSCOVITCH;
TOWNSEND, 1995).
A curva de resposta TL em função da dose, em relação ao pico dosimétrico principal (220°C)
para o CaSO
4
:Dy (TLD-900), é linear em um nível de dose até 10 Gy, onde torna-se
supralinear até 5 KGy, como podemos observar na Figura 73. A saturação em níveis de dose
acima de 10
5
Gy.
Figura 73 - Resposta TL do CaSO4:Dy (TLD-900) em função da dose, para o pico
dosimétrico principal de 220°C (MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
104
A sensibilidade destes materiais é aproximadamente de 30 a 50 vezes maior em relação ao
TLD-100. Esta alta sensibilidade combinada ao baixo fading permite que estes materiais
sejam utilizados especialmente em aplicações dosimétricas ambientais.
4.2 - Boratos
4.2.1 - Borato de Lítio
Os materiais termoluminescentes como o Li
2
B
4
O
7
ou o MgB
4
O
7
tem um valor de densidade
próximo ao tecido equivalente.
A curva de emissão TL para o Li
2
B
4
O
7
está representada na Figura 74. Ela consiste em um
pico centrado em 185°C, sendo que esta posição depende da quantidade de manganês presente
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Figura 74 - Curva de emissão TL do Li
2
B
4
O
7
:Mn (TLD-800) irradiado com 1 Gy em
137
Cs e
taxa de aquecimento de 10°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A curva de resposta TL em função da dose, apresentada na Figura 75 para o Li
2
B
4
O
7
é linear
até 100 Gy, valor onde começa a supralinearidade.
105
Figura 75 - Resposta Li
2
B
4
O
7
:Cu em função da exposição (
137
Cs). A resposta do Li
2
B
4
O
7
:Mn
é mostrada por comparação. A seta em ambos os casos indicam o final da região linear
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
O pico de emissão luminosa destes materiais está em 600 nm, o que dificulta a comparação
com outros dosímetros porque, tipicamente, as fotomultiplicadoras dos equipamentos de
leitura TL têm sua sensibilidade máxima em 400 nm, o que é suficiente para a maioria dos
materiais termoluminescentes. Consequentemente, a sensibilidade do Li
2
B
4
O
7
:Mn é menor
que a do TLD-100, quando se usa a maioria dos leitores comerciais.
O Li
2
B
4
O
7
:Mn é um material tecido equivalente com um número atômico efetivo de 7.3.
Como resultado, a sensibilidade não muda para fótons com energia menor que 100 keV. Para
o Li
2
B
4
O
7
:Cu, a resposta com a dose é linear em um nível de exposição de aproximadamente
10
5
R onde começa a ficar sublinear, como ilustrado na Figura 75.
106
4.2.2 Borato de Magnésio
Historicamente, o interesse no borato de magnésio surgiu por este ser um material tecido-
equivalente, com número atômico efetivo de 8.4, comparado com o LiF que é 8.2. Para
aumentar a sensibilidade destes materiais, utilizam-se o Dy, Mn ou Dy com C como dopantes.
Com a presença do boro, estes se tornam aptos à detecção de nêutrons (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Curvas típicas do borato de magnésio com os dopantes disprósio e magnésio estão
representadas na
Figura 76. Em ambos os casos, o pico principal está próximo de 200°C (embora este possa se
mover para uma temperatura mais alta após um tratamento térmico adequado).
Figura 76 - Curvas de emissão TL do a) MgB
4
O
7
:Dy e do b) MgB
4
O
7
:TM após irradiação de
1 Gy em uma fonte de
137
Cs e taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
A sensibilidade para o MgB
4
O
7
:Dy em função de exposição é linear a 1.25 x 10
-2
C.Kg
-1
(5 x
10
3
R) onde começa a ficar supralinear, como mostrado na Figura 77.
107
Figura 77 - Resposta TL do MgB
4
O
7
:Dy em função da exposição gama (MCKEEVER;
MOSCOVITCH; TOWNSEND, 1995).
Outras versões de borato de magnésio utilizam o manganês como dopante. A curva de
emissão destes dosímetros está representada na Figura 78 com o pico principal em torno de
383°C.
Figura 78 - Curva de emissão TL para o MgB
4
O
7
:Mn após irradiação com 1 Gy em uma fonte
de
137
Cs e taxa de aquecimento de 1°C.s
-1
(MCKEEVER; MOSCOVITCH; TOWNSEND,
1995).
108
APÊNDICE 2 - INVESTIGATION OF THE TL RESPONSE OF K
2
GdF
5
:Dy
3+
CRYSTALS TO X AND GAMMA RADIATION FIELDS
Neste apêndice 2 são apresentados os resultados obtidos referentes aos cristais de
K
2
YF
5
:Dy
3+
.
Estes dados foram publicados na Radiation Measurements, volume 42, paginas
311-315 em fevereiro de 2007.
Radiation Measurements 42 (2007) 311 – 315
www.elsevier.com/locate/radmeas
Short communication
Investigation of the TL response of K
2
YF
5
:Dy
3+
crystals to X and
gamma radiation fields
E.C. Silva
a
, N.M. Khaidukov
b
, M.S. Nogueira
a
, L.O. Faria
a,∗
a
Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Rua Mário Werneck s/n, C.P. 941, 30123-970 Belo Horizonte, MG, Brazil
b
Institute of General and Inorganic Chemistry, Leninskii Prospect 31, 119991 Moscow, Russia
Received 29 September 2005; received in revised form 4 December 2006; accepted 13 February 2007
Abstract
Double potassium yttrium fluoride crystals doped with optically active rare earth ions have been recently shown to be attractive thermolu-
minescence (TL) materials for ionizing radiation dosimetry. In this context appropriate studies have been performed to test TL response of
K
2
YF
5
crystals doped with Dy
3+
ions to photon radiation fields. Within the framework of this research K
2
YF
5
crystals doped with 0.2, 1.0,
2.0, 5.0 and 10.0 at% Dy
3+
as well as K
2
DyF
5
and undoped K
2
YF
5
crystals have been synthesized under hydrothermal conditions. Polished
crystal platelets with thickness of about 1 mm have been irradiated with X and gamma rays in order to study TL sensitivity as well as dose and
energy response properties of these compositions in terms of the Dy
3+
concentration. Within this concentration series, K
2
YF
5
crystals doped
with 1.0 at% Dy
3+
have been found to have maximum TL response due to a main dosimetric TL peak, which can be deconvoluted in three TL
glow peaks centered at 96.4, 104.9 and 130.7
◦
C, with reasonable linearity behavior over the studied dose range and good reproducibility of
dose measurements. The sensitivity increase is observed for previously gamma-sensitized samples and this sensitization process seems also to
induce the appearing of the TL glow peak at 130.7
◦
C. As it has been turned, the linear TL signal coefficient for K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
is compa-
rable to that of a CaSO
4
:Mn TL dosemeter, irradiated with a
137
Cs gamma radiation source at the same conditions. Photon energy dependence
of TL response for K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
has been evaluated and it has been found that TL response of this composition to the 41.1 keV X-rays is
30 times higher than that to the 662 keV gamma rays. This fact points out that K
2
YF
5
crystals doped with Dy
3+
have potential as promising
materials to be used for low-dose dosimetry in X-rays diagnostic or industrial radiography.
© 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. Introduction
Since the suggestion of utilizing the thermoluminescence
(TL) effect for the evaluation of ionizing radiation doses
(Daniels et al., 1953), a considerable number of various chem-
ical compositions have been investigated in order to find the
explanation of mechanisms for this effect and to discover
promising TL phosphors for different dosimetry purposes.
At present TL dosimeters, in particular, based on fluorides
LiF and CaF
2
doped with trace quantities of transition metal
or rare earth (RE) ions are actively used in environmen-
tal monitoring, personal and clinical dosimetry (McKeever
et al., 1995). Recently, K
2
YF
5
crystals singly doped with
∗
Corresponding author. Tel.: +55 31 34993128; fax: +55 31 34993164.
1350-4487/$ - see front matter © 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.
doi:10.1016/j.radmeas.2007.02.056
RE ions, e.g. Ce
3+
,Tb
3+
,Dy
3+
or Tm
3+
, have been shown
to be attractive TL materials for detecting and discriminating
different types of radiation fields (Kui et al., 2006). The in-
vestigation of such materials containing high concentrations of
optically active RE ions is a promising direction for the devel-
opment of novel TL phosphors by taking into account that triva-
lent RE ions can efficiently capture electrons and/or holes and
can be recombination and luminescent centers simultaneously
(Holsa et al., 2004; Kui et al., 2006). In this context, K
2
YF
5
crystals doped with 10.0 at% Tb
3+
have been demonstrated to
have high TL sensitivity to photon radiation fields (Faria et al.,
2004; McLean et al., 2004).
On the other hand, by taking into account that K
2
YF
5
doped
with 1.0 at% Dy
3+
has relatively high and low sensitivity to
beta and alpha rays, respectively (Kui et al., 2006), there is an
interest in investigating TL responses of K
2
YF
5
:Dy
3+
crystals
to photon radiation fields.
312 E.C. Silva et al. / Radiation Measurements 42 (2007) 311 – 315
Table 1
Integrated thermoluminescent outputs from
K
2
YF
5
:Dy
3+
and K
2
YF
5
:Tb
3+
crystals after gamma irradiation with a 1 mGy dose
Tb
3+
concentration Dy
3+
concentration TL output from TL output from
in K
2
Y
1−x
Tb
x
F
5
(at%) in K
2
Y
1−x
Dy
x
F
5
(at%) K
2
Y
1−x
Tb
x
F
5
(a.u.) K
2
Y
1−x
Dy
x
F
5
(a.u.)
0.0 0.0 1.9 1.9
0.2 0.2 23.7 44.5
– 1.0 – 207.9
– 2.0 – 121.8
– 5.0 – 97.8
10 10 723.4 37.1
20 – 174.7 –
50 – 57.4 –
100 100 23.4 23.4
Within the present work, the main dosimetric and TL char-
acteristics of K
2
YF
5
doped with different Dy
3+
concentrations
have been studied and the effect of the Dy
3+
concentration on
the properties of K
2
YF
5
has been investigated.
2. Experimental
K
2
YF
5
doped with 0.2, 1.0, 2.0, 5.0 and 10.0 at% Dy
3+
as
well as K
2
DyF
5
and undoped K
2
YF
5
were synthesized with
hydrothermal technique. Crystals of these fluoride compounds
up to 1 cm
3
in size were grown by a direct temperature-gradient
method as a result of the reaction of potassium fluoride aque-
ous solutions with appropriate mixtures of 99.99% pure RE ox-
ides under hydrothermal conditions. Polished crystal platelets
with thickness of about 1 mm were utilized for the TL measure-
ments. In addition, unmounted commercial LiF:Mg,Ti (TLD-
100) chips manufactured by the Harshaw–Bicron Chemical
Company and CaSO
4
:Mn chips manufactured by Instituto de
Pesquisas Energeticas e Nucleares (IPEN–CNEN) were used
in order to check the delivered doses used to obtain the relative
TL sensitivities of synthesized K
2
YF
5
crystals.
The samples were exposed at room temperature (RT) to pho-
ton fields with gamma ray energies of 662 and 1250 keV from
137
Cs and
60
Co gamma sources, respectively, and with effec-
tive X-ray energies of 33.3, 41.1 and 52.5 keV, of which the
last two were the W60 and W80 spectra as defined by ISO
4037-1 series. Some samples were presensitized with delivered
3 kGy dose from a
60
Co gamma source. The measurements of
TL glow curves were performed with a Harshaw–Bicron 4500
TLD reader operating with a linear temperature profile over a
range from 50 to 300
◦
C in the resistive mode by using a heating
rate of 10
◦
C/s and reading cycles of 35 s. Samples were an-
nealed during secondary readings and the residual signal (read-
ing 2/reading 1) was 0.01%. The samples were weighted and
all data were normalized to the mass.
3. Results and discussion
First, the dependence of the TL efficiency on the Dy
3+
con-
centration in K
2
Y
1−x
Dy
x
F
5
crystals following
60
Co gamma
radiation to a 1 mGy dose has been investigated. The maximal
TL outputs integrated within 50–300
◦
C temperature range are
observed for K
2
YF
5
containing 1.0–5.0 at% of Dy
3+
. For the
Dy
3+
concentrations below and above this range, the TL out-
put is nearly similar to that of undoped K
2
YF
5
as it can be seen
from the data presented in Table 1. The data concerning the TL
sensitivity of K
2
YF
5
doped with Tb
3+
are also listed in Table 1
and by taking into account that these data have been obtained
under the same conditions as in the case of K
2
YF
5
doped with
Dy
3+
(Faria et al., 2004), they can be compared. In particular,
the K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
composition exhibits the highest TL sen-
sitivity to gamma rays among other K
2
YF
5
crystals doped with
Dy
3+
, whereas the maximal TL sensitivity has been found for
K
2
Y
0.9
Tb
0.1
F
5
in the terbium series. It should be also noted
that the TL sensitivity of K
2
Y
0.9
Tb
0.1
F
5
is higher by a factor
of 3 than that of K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
. In this context, it is assumed
that trivalent RE ions incorporated into a host can be traps for
electrons or holes created during irradiation depending on type
of RE ions (Sidorenko et al., 2006; Kui et al., 2006) and thus
one can expect that the higher the concentration of RE ions in
a host, the higher the TL sensitivity of this composition. Obvi-
ously, the optimal concentration of RE ions is caused by con-
centration and temperature quenching of luminescence for an
appropriate RE ion in a host.
By taking into account that K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
has the max-
imal TL sensitivity, the shape and temperature positions of
the TL glow peaks for this composition have been studied
more comprehensively than those for other samples synthesized
within this research. The TL glow curve from K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
following gamma irradiation to a 7 mGy dose without any pre-
sensitization is presented in Fig. 1(a), whereas Fig. 1(b) shows
the glow curve from the same composition presensitized to a
3 kGy dose and irradiated after that at the same conditions. As
one can see, the TL glow curve shifts maximum from 104 to
131
◦
C after the sensitization process with the appearance of a
lower temperature peak around 95
◦
C although the relative peak
heights almost do not change depending on pretreatment. The
same effect is also observed for the K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
samples
irradiated with gamma doses ranging from 0.01 to 7.0 mGy. On
the other hand, sometimes during repeated irradiation-reading
processes, some sensitized samples alternatively show the same
TL glow curve structure as before the sensitization.
In order to elucidate this bivariance of TL glow curve
structure, the curve fittings for unsensitized and sensitized
E.C. Silva et al. / Radiation Measurements 42 (2007) 311 – 315 313
Fig. 1. Deconvolution of the TL glow curves from 1.0 at% Dy
3+
:K
2
YF
5
into three components. The samples were irradiated with 7 mGy of gamma
radiation (a) before and (b) after a 3 kGy gamma sensitization process. The
dash-dotted vertical line is just a guide to the eyes.
Table 2
Temperatures and amplitudes of fitted TL peak fitting presented in Fig. 1(a)
and (b), for unsensitized and sensitized samples of
K
2
YF
5
crystals doped
with 1.0 at%
Dy
3+
, irradiated with a 7 mGy gamma dose
Peak 1
96.4
◦
C
Peak 2
104.9
◦
C
Peak 3
130.7
◦
C
Peak 4
178
◦
C
Peak amplitude (a.u.) Unsensitized 22.95 52.28 25.32 1.72
Peak amplitude (a.u.) Sensitized 22.95 28.03 68.62 5.17
K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
samples are illustrated in Fig. 1 by using
the same four TL peaks for both the curves. The main fitting
data are presented in Table 2. As one can see, in both cases
the main TL glow curve is composed of three peaks at least,
namely peaks 1–3. While the lower temperature peak holds the
same amplitude, the amplitudes of peaks 2 and 3 alternately
change depending on pretreatment. In other words, when peak
2 has the high amplitude, peak 3 is in the state of the low
amplitude and vice versa, before and after the sensitization
process, respectively, but the total integrated area under the
full glow curve almost does not change. Thus, taking into
account the above considerations, it is assumed that the TL
response of K
2
YF
5
:Dy
3+
is due to overlapping peaks 1 and
2 provided that the sensitization process is not utilized, but
after sensitization the 95
◦
C peak (1) develops on the TL glow
curve and the total TL response is the sum of peak 1 with
0.01 0.1 1 10
0.01
0.1
1
10
K
2
YF
5
:Dy
3+
CaSO
4
:Mn
TL (u.a)
Dose (mGy)
Fig. 2. Dose dependence of integrated TL signals from 1.0 at% Dy
3+
:K
2
YF
5
(full square) and commercial CaSO
4
:Mn (empty circles) phosphors for the
dose range from 0.01 to 7 mGy of gamma rays.
peak 2 or 3. Probably, TL peaks 2 and 3 could be originated from
two competitive electron trap centers. It should be noted that
within this research the experimental conditions which cause
the appearance of TL peak 2 or 3 after the sensitization process
have not been established. On the other hand, it is not unlikely
that this effect could be attractive for developing TL materials
for detecting and discriminating doses of different energies in
mixed photon radiation fields.
The presensitized K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
samples irradiated with
gamma doses ranging from 0.01 to 7.0 mGy have been stud-
ied from the viewpoint of the linearity of their TL output and
powder dosimeters made of CaSO
4
:Mn have been utilized as
a reference material. Fig. 2 shows the relationships between
the integrated TL response and dose for K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
and
CaSO
4
:Mn as well as the curves for the linear fitting. Taking
into account the correction for mass, it has turned out that the
dose response of the K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
crystal is higher than the
response of the CaSO
4
:Mn TL dosemeter in the 0.01–1.0 mGy
dose range but above this range the relative sensitivity of
CaSO
4
:Mn is slightly higher. Concerning the linear fitting to
K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
data, one can see that the TL signals for the
higher doses (5 and 7 mGy, respectively) are not well fitted.
We think that this could be attributed to the thermal annealing
used prior to irradiation; once this could impose variations
on the relative amplitudes of the three TL peaks. In fact, this
point has not been the focus of this work and, in view of
its complexity, some future researches are needed to over-
come this problem. Anyway, the overall results show that the
K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
composition is a very sensitive TL material to
gamma radiation, taking into consideration that the CaSO
4
:Mn
dosemeter is widely known as one of the most sensitive TL
dosemeters.
Photon energy response of K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
has been de-
termined for photon fields in the energy range from 33.3 to
662 keV. Results of this study in comparison with the data for
CaSO
4
:Mn and LiF:Mg,Ti (TLD-100) are presented in Table 3.
314 E.C. Silva et al. / Radiation Measurements 42 (2007) 311 – 315
Table 3
Relative TL intensity as a function of effective photon energy of 1 at%
Dy
3+
:K
2
YF
5
, CaSO
4
:Mn and TLD-100 phosphors, irradiated at the same
conditions
Effective photon energy (keV) Relative TL intensity (a.u.)
K
2
YF
5
:Dy
3+
CaSO
4
:Mn TLD-100
SD% = 2.01 SD% = 2.05 SD% = 1.58
33.3 12.59 8.89 1.18
41.1 32.07 9.61 1.18
52.5 26.13 7.21 1.13
661.6 1.00 1.00 1.00
One can see that sensitivity of K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
to low energy
X-ray photons (41 keV) is about 32 times as high as its sensi-
tivity to the
137
Cs photons. Compared to CaSO
4
:Mn and TLD-
100, this ratio drops to 10 and 1.8, respectively. Thus, taking
into account this result and also the relatively low temperature
of the main dosimetric peak, we see that the dosimetric char-
acteristics of these crystals may find applications in the fields
of X-ray diagnostics and therapy. Particularly, it could be very
attractive for thermoluminescent film imaging digital radiogra-
phy (Faria et al., 2006), which is an emergent field of research,
where materials having low temperature TL dosimetric peaks
must be used because most of the host polymer matrixes start
to degrade at temperatures around 130–150
◦
C.
Finally, Fig. 3(a) displays the TL intensity as a function of
time for 1.0 mGy gamma-irradiated K
2
YF
5
:Dy
3+
sample for
temperatures ranging from 50 to 300
◦
C. For comparison pur-
poses, the TL response of commercial TLD-100 irradiated at
same conditions is also presented. Preliminary fading measure-
ments for 7.0 mGy gamma-irradiated K
2
YF
5
:Dy
3+
samples in-
dicate a decrease in the TL output signal around 50% after 48 h,
which is comparable to the fading attributed to CaSO
4
:Mn and
also to the fading expected for low TL peak temperature phos-
phors. After one week, the initial TL signal decreases about
90%. On the other hand, the emission spectrum during TL in
90–115
◦
C temperature range from K
2
YF
5
:Dy
3+
irradiated to
a 1 mGy dose is shown in Fig. 3(b). One can see that there
are two emission bands centered at 484 and 577 nm which can
be attributed to the
4
F
9/2
–
6
H
15/2,13/2
Dy
3+
transitions, respec-
tively. In this context, it should be noted that most of com-
mercial photomultiplier tubes have their maximum sensitivity
between 400 and 600 nm.
4. Conclusion
This investigation has been performed to determine the TL
response of K
2
YF
5
crystals doped with different concentrations
of Dy
3+
ions to photon radiation fields with distinct energies.
The K
2
YF
5
crystal doped with 1.0 at% Dy
3+
has been discov-
ered to have relatively high sensitivity to X-ray and gamma rays
by showing TL in response to 41 keV X-rays which is around 32
times more effective than TL in response to 661.6 keV gamma
rays. The linear curve-fitting of dose–response relationships
for K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
demonstrates the characteristic similar to
highly sensitive CaSO
4
:Mn dosemeter. The TL glow curve of
0 5 10 15 20 25 30 35
0
4
8
12
16
TL (a.u)
Time (sec)
0
100
200
300
400
500
600
°C
400 500 600 700
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Emission intensity, a.u.
Wavelength, nm
Fig. 3. (a) Thermoluminescent glow curve of 1.0 at% Dy
3+
:K
2
YF
5
exposed
to a delivered gamma dose of 1 mGy recorded at temperatures ranging from
50 to 300
◦
C (right hand axis). For comparison purposes, the TL glow
curve of TLD-100 irradiated at the same dose is also shown in (a). (b) The
TL emission spectrum for the 90–115
◦
C temperature range from 1.0 at%
Dy
3+
:K
2
YF
5
also irradiated with 1 mGy gamma dose.
K
2
Y
0.99
Dy
0.01
F
5
has the maximum at 105
◦
C and is composed
of three TL peaks centered at 96.4, 104.9 and 130.7
◦
C. The
results of deconvolution analysis suggest that the TL peaks at
104.9 and 130.7
◦
C could be originated from two rival electron
trap centers due to the Dy
3+
ions. As a whole the results of this
investigation show that the K
2
YF
5
fluoride doped with 1.0 at%
Dy
3+
is a promising candidate to be used as a dosemeter in
X-ray diagnostic techniques and low-energy industrial radiog-
raphy applications.
Acknowledgments
The authors acknowledge the financial support from Brazil-
ian government agencies CNPq and FAPEMIG.
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3+
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