Crescimento de cristais cintiladores para detecção da radiação gama

Abstract

radiação gama. Os materiais utilizados foram a mulite dopada com neodímio, o germanato de bismuto e o ortossilicato de lutécio. Estes materiais foram crescidos pela técnica de fusão de zona com laser. A caracterização das fibras foi efectuada através de difracção de raios X, espectroscopia Raman e de fotoluminescência e microscopia electrónica de varrimento. As medidas de cintilação foram efectuadas acoplando as fibras crescidas a um tubo fotomultiplicador, numa câmara escura, utilizando uma fonte emissora de radiação gama. As fibras de mulite dopadas com neodímio revelaram-se policristalinas com um carácter fortemente anisotrópico. Os cristais de composição química Al2,4Si0,6O4,8 e estrutura ortorrômbica desenvolveram-se paralelamente ao eixo da fibra, sendo [001] a direcção preferencial de crescimento. A espessura dos cristais diminui com o aumento da velocidade de crescimento e o neodímio encontra-se apenas nas fronteiras de grão, as quais constituem uma segunda fase vítrea. A segregação do neodímio para as fronteiras de grão poderá constituir a principal razão para a não cintilação destas fibras, bem como a baixa densidade da mulite que é responsável por um baixo poder de paragem. Neste trabalho foram também crescidas fibras de germanato de bismuto (BGO) a diferentes velocidades. Estas fibras apresentam uma única fase cristalina o Bi4Ge3O12 e ao serem excitadas com radiação ultravioleta (290 nm) os cristais emitem radiação luminosa numa banda larga na região do azul/verde. O rendimento de cintilação foi medido em função de vários parâmetros experimentais, em particular estudou-se a influência da posição da fibra (vertical ou horizontal), da velocidade de crescimento da variação do número e altura das fibras. Foi ainda estudado o efeito do revestimento das fibras com teflon. Os resultados obtidos permitiram concluir que as fibras crescidas a menor velocidade apresentam maior rendimento de cintilação e que é possível aumentar este rendimento se estas forem revestidas com teflon e colocadas na posição horizontal. A variação do rendimento de cintilação em função da altura e do número de fibras revelou-se linear. No âmbito desta dissertação foram ainda crescidas fibras de ortossilicato de lutécio a diferentes velocidades. O rendimento de cintilação obtido está próximo do mencionado na literatura, sendo 2 a 3 vezes superior ao do BGO.

ABSTRACT: This work aims is the growth of scintillator crystals for gamma radiation. The materials used were neodymium-doped mullite, bismuth germanate and lutetium orthosilicate. They were grown by the laser floating zone technique. The fibres characterization was carried out by X-ray diffraction, Raman and photoluminescence spectroscopy and scanning electron microscopy. The measures were taken engaging the scintillation fibres to a photomultiplier tube, in a darkroom, using a source of gamma radiation. The mullite fibres doped with neodymium proved to be polycrystalline with a strongly anisotropic character. Crystals with a chemical composition Al2,4Si0,6O4,8 and orthorhombic structure grown along fibre axis in [001] preferential grain orientation. The thickness of the crystals decreases with growth rate and neodymium was only found in grain boundaries, which constitute an amorphous second phase. The main reason to the no scintillating gamma radiation of the mullite fibres could be the segregation of neodymium to the grain boundaries, together with the low density that induces a low stopping power. In this work fibres of bismuth germanate (BGO) were grown at different pulling rates. This fibres exhibit a monophasic nature, being Bi4Ge3O12 the crystalline phase. When excited with ultraviolet radiation (290 nm) the fibres emit light in a broadband in the blue/green region. The scintillation yield was measure varying the fibre position (vertical or horizontal), the growth rate, the number and height of the fibres. The effect of teflon coating was also studied. The experimental results had shown a higher scintillation yield in fibres grown at lower pulling rate, coated with teflon and placed horizontally. The variation of the scintillation yield according to the height and the number of fibres proved to be linear. In scope of this work lutetium orthosilicate fibres were grown also at different speeds. The scintillation yield obtained is close to the mentioned in the literature, being 2-3 times higher than BGO.