O que é material de cintilação – Tipos de cintiladores – Definição

Materiais de Cintilação – Cintiladores

Cintiladores são tipos de materiais que fornecem fótons detectáveis ​​na parte visível do espectro da luz, após a passagem de uma partícula carregada ou de um fóton. O cintilador consiste em um cristal transparente , geralmente um fósforo, plástico ou líquido orgânico que fluorescente quando atingido por radiação ionizante. O cintilador também deve ser transparente às suas próprias emissões de luz e deve ter um curto período de decaimento. O cintilador também deve ser protegido contra toda a luz ambiente, para que os fótons externos não inundem os eventos de ionização causados ​​pela radiação incidente. Para conseguir isso, uma película fina e opaca, como o mylar aluminizado, é frequentemente usada, embora deva ter uma massa baixa o suficiente para minimizar a atenuação indevida da radiação incidente sendo medida.

Existem basicamente dois tipos de cintiladores em uso comum na física nuclear e de partículas: cintiladores orgânicos ou plásticos e cintiladores inorgânicos ou cristalinos.

Cintiladores Inorgânicos

Cintiladores inorgânicos são geralmente cristais cultivados em fornos de alta temperatura. Eles incluem iodeto de lítio (LiI), iodeto de sódio (NaI) , iodeto de césio (CsI) e sulfeto de zinco (ZnS). O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada do iodeto de sódio (já que possui um alto Z = 53). Estes cintiladores cristalinos são caracterizados por alta densidade, elevado número atómico, e tempos de decaimento do pulso de cerca de 1 microssegundo ( ~ 10 ^-6 seg) A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama . Os cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios X do que os cintiladores orgânicos. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons. Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade, uma propriedade que exige que sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade.

Cintiladores de iodeto de sódio dopado com tálio – NaI (Tl)

O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio) . NaI (Tl) como cintilador é usado em detectores de cintilação, tradicionalmente em medicina nuclear, geofísica, física nuclear e medições ambientais. O iodo fornece a maior parte do poder de parada do iodeto de sódio (já que possui um alto Z = 53). Estes cintiladores cristalinos são caracterizados por alta densidade, elevado número atómico, e tempos de decaimento do pulso de cerca de 1 microssegundo (~ 10 ^-6 seg). O comprimento de onda da emissão máxima é de 415 nm. A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons. Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade, uma propriedade que exige que eles sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade. Os cristais são geralmente acoplados a um tubo fotomultiplicador, em um conjunto hermeticamente fechado.

Cintiladores de Iodeto de Césio e CsI (Tl) dopados com tálio

O iodeto de césio (CsI) na forma cristalina é usado como cintilador para a detecção de prótons e partículas alfa . O CsI puro é um material cintilante rápido e denso com rendimento de luz relativamente baixo que aumenta significativamente com o resfriamento. As desvantagens de CsI são um gradiente de alta temperatura e uma ligeira higroscopicidade.

O iodeto de césio dopado com tálio possui um número atômico efetivo de 54 e uma densidade de 4,51 g / cm ³ . O CsI (TI) também é higroscópico e não deve ser submetido a alta umidade ou água. O CsI (TI) possui tempos de decaimento diferentes para diferentes partículas (680ns e 3340ns) e pode ser usado para determinar entre diferentes tipos de radiação. O espectro de emissão tem um pico de 540-560 nm.

Cintiladores orgânicos

Cintiladores orgânicos são tipos de materiais orgânicos que fornecem fótons detectáveis ​​na parte visível do espectro da luz, após a passagem de uma partícula carregada ou de um fóton. O mecanismo de cintilação em materiais orgânicos é bastante diferente do mecanismo em cristais inorgânicos. Em cintiladores inorgânicos, por exemplo NaI, CsI, a cintilação surge devido à estrutura da rede cristalina. O mecanismo de fluorescência em materiais orgânicos decorre de transições nos níveis de energia de uma única molécula e, portanto, a fluorescência pode ser observada independentemente do estado físico (vapor, líquido, sólido).

Em geral, os cintiladores orgânicos têm tempos de decaimento rápidos (normalmente de 10 a ⁸ segundos ), enquanto os cristais inorgânicos são geralmente muito mais lentos (cerca de 10 a ⁶ segundos), embora alguns também tenham componentes rápidos em sua resposta. Existem três tipos de cintiladores orgânicos:

• Cristais orgânicos puros . Cristais orgânicos puros incluem cristais de antraceno, estilbeno e naftaleno. O tempo de decaimento desse tipo de fósforo é de aproximadamente 10 nanossegundos. Este tipo de cristal é freqüentemente usado na detecção de partículas beta . Eles são muito duráveis, mas sua resposta é anisotrópica (que prejudica a resolução de energia quando a fonte não é colimada) e não pode ser usinada com facilidade, nem pode ser cultivada em tamanhos grandes. Portanto, eles não são usados ​​com muita frequência.
• Soluções orgânicas líquidas . Soluções orgânicas líquidas são produzidas dissolvendo um cintilador orgânico em um solvente.
• Cintiladores de plástico . Os fósforos plásticos são produzidos adicionando produtos químicos de cintilação a uma matriz plástica. A constante de decaimento é o menor dos três tipos de fósforo, chegando a 1 ou 2 nanossegundos. Os cintiladores de plástico são, portanto, mais apropriados para uso em ambientes de alto fluxo e em medições de alta taxa de dose. O plástico tem um alto teor de hidrogênio, portanto, é útil para detectores rápidos de nêutrons . É necessário substancialmente mais energia para produzir um fóton detectável em um cintilador do que um par de elétrons-íons por ionização (normalmente por um fator de 10), e como os cintiladores inorgânicos produzem mais luz que os cintiladores orgânicos, eles são consequentemente melhores para aplicações com baixas energias .