INVESTIGAÇÃO DAS PROPRIEDADES TERMOLUMINESCENTES DO

ALUMINATO DE LANTÂNIO (LaAlO3) DOPADO COM CARBONO PARA

APLICAÇÃO EM DOSIMETRIA DAS RADIAÇÕES

Mestranda: Neriene AlvesOrientador: Dr. Luiz Oliveira de Faria

Coorientador: Dr. Wilmar Barbosa Ferraz

IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução

A primeira observação científica da termoluminescência (TL)ocorreu em 1663, quando Robert Boyle observou a emissão deluz por um diamante quando aquecido no escuro e comunicou oresultado à Royal Society de Londres. Desde então, muitoscientistas começaram a investigar propriedades luminescentesde materiais.

A proposta de que a TL poderia ser utilizada para dosimetria dasradiações foi feita por Daniels Farrington em 1950.

LuminescênciaLuminescênciaLuminescênciaLuminescência

É comumente definida como uma forma de emissão de luz poralguns materiais quando expostos à radiação ionizante. Aluminescência pode ser classificada em:

� Fluorescência:

É a luminescência observada quando a emissão é quasesimultânea à excitação (t < 10-8 s) desaparecendo quando aestimulação é interrompida.

� Fosforescência:

É a luminescência observada quando a emissão de luz ocorreapós a excitação ser interrompida (t > 10-8 s) e persiste porhoras. A emissão deve ser induzida pelo fornecimento deenergia ao material, seja ela sob a forma de fótons ou energiatérmica.

Materiais dosimétricosMateriais dosimétricosMateriais dosimétricosMateriais dosimétricos

Materiais cerâmicos são bastante utilizados como sensores de radiaçãoionizante.

Atualmente o LiF:Ti,Mg (TLD100) é o material mais usadocomercialmente em dosimetria pessoal e ambiental, principalmente naárea médica.

A alumina dopada com carbono em sua fase cristalina alfa (α-Al2O3:C), foidescoberta apenas em 1990 por akselrod. Dentre os principais materiaisfosforescentes dosimétricos utilizados atualmente no mundo ela sedestaca pela sua utilização tanto como dosímetro termoluminescente(TLD) quanto fotoluminescente (OSL). Possui aplicações principalmenteem dosimetria ambiental.

A primeira investigação quanto à propriedade TL do aluminato delantânio foi em 2011, onde foi caracterizado como um novo materialdosimétrico TL (LaAlO3: Ce3+,Dy3+) desenvolvido no CDTN para aplicaçõesem dosimetria UV. Os cristais apresentaram altíssima resposta TL paracampos de radiação ultravioleta.

Aluminato de lantânio

Curva TL do LaAlO3:Ce,Dy irradiado com U.V.

Justificativa

� A alumina alfa dopada com carbono (α-Al2O3:C) está dentre os principaismateriais fosforescentes dosimétricos utilizados atualmente no mundo. Sedestaca pela sua utilização tanto como dosímetro termoluminescente (TLD)quanto como dosímetro fotoluminescente (OSL).

• Um novo material dosímetrico TL (LaAlO3:Ce,Dy) foi desenvolvido no CDTNem parceria com o IGIC de Moscou para aplicações em dosimetria UV. Oscristais apresentaram altíssima resposta TL para campos de radiação UV.

� Levando em consideração as excelentes respostas TL e OSL da α-Al2O3:Cpara campos de radiação X e gama e também a excelente resposta TL doLaAlO3:Ce3+,Dy3+, para campos de radiação ultravioleta, propomos ainvestigação da resposta TL e OSL de um novo material cristalino, o LaAlO3:C.

Aluminato de lantânioAluminato de lantânioAluminato de lantânioAluminato de lantânioO aluminato de lantânio é um composto cerâmico que possui estruturacristalina do tipo perovskita, com fórmula geral ABO3.

Onde os íons “A” (La) ocupam os vértices do cubo; íons “B” (Al) ocupamposições octaédricas no centro do cubo e “O” se refere a átomos deoxigênio que ocupam as faces do cubo, conforme mostra a figura.

A figura ilustra a distribuição dos íons na estrutura Perovskita.

Devido a sua grande estabilidade química e térmica e apossibilidade de mudar as propriedades do material pela adiçãode impurezas à sua estrutura, o LaAlO3 tem recebido bastanteatenção nos últimos anos. No entanto suas aplicações estão emgrande maioria relacionadas á propriedades elétricas.

Aluminato de lantânio

Aplicações típicas investigadas

Substrato de matriz de supercondutores

Eletrodos semicondutores

Sensores de oxigênio

Alvos para magnetron sputtering

Propriedades óticas e eletrônicas

MetodologiaMetodologiaMetodologiaMetodologia� Método de obtenção do LaAlO3 :

Reação do estado sólido

� Esta rota consiste na reação direta, no estado sólido, de umamistura homogênea dos materiais precursores, que sãosubmetidos a processos de aquecimento para que a reação sejaacelerada, formando uma nova fase entre os pós precursores.

α-Al2O3 La2O3 LaAlO3

α-Al2O3

La2O3

Moagem

2 horas

Secagem

100ºC

Tratamento

térmico

1600ºC

DopagemSinterização

1770ºC

Compactação

600MPa

DRX

Método de preparação do LaAlO3

Annealing

forno

400ºC/2 hs

Annealing

leitora TL

300ºC/30seg

Permite estabilizar a sensibilidade do dosímetro de modo que aspropriedades permaneçam constantes durante o uso.

Tratamento térmico (annealing)

2X

ResultadosResultadosResultadosResultados

� Limite de solubilidade

Observou-se aglomeração do grafite no centro da composição de 5% degrafite. Esse agregado geralmente forma-se indicando que o percentual deimpurezas excede o limite de solubilidade do carbono no aluminato delantânio, limite de solubilidade este provavelmente entre 2 e 5%.

Figura - Barquinha de alumina contendo seis pastilhas de LaAlO3, pura e dopadas com diferentes concentrações de carbono, sendo da esquerda para a direita: 0; 0,1 ; 0,5; 1; 2 e 5% de carbono.

Resultados

Figura - Difratrograma do pó LaAlO3 submetido ao tratamento térmico a 1600°C por 3 horas (identificado pelalinha pontilhada preta) comparado a alfa-alumina (picos identificados pela letra a) e óxido de lantânio (picosidentificados pela letra b).

Caracterização por difração de raios-X: Após tratamento térmico a alta temperatura.

ResultadosAbsorção Óptica (U.V. vis.): Comparação entre composições não dopada e dopada com carbono.

No Al2O3:C as absorções em 203 nm, 230 nm e 258 nm, são devidas a presença dos centros F, F+ e F2+, respectivamente. (McKeever et al., 1995)

Material Carga (µC)

Al2O3:C 3

LaAlO3:C 32

ResultadosComparação entre LaAlO3 e Alumina. Indica um grande potencial do LaAlO3 para aplicações dosimétricas. Já que o material exibe forte intensidade TL mesmo antes da irradiação

Resultados� Termoluminescência

Avaliação para radiação gama, fonte Cs137 , doses de 1 a 10 mGy.

Comparação entre curvas de emissão TL de amostras de LaAlO3 puro e dopado com 0,1, 0,5, % de carbono, sob a forma de pastilhas, expostas a uma dose de 1 mGy. e 5mGy.

1mGy 5 mGy

ConclusõesConclusõesConclusõesConclusões

� O método de síntese de reação do estado sólido desenvolvido foi eficiente para anucleação da fase LaAlO3.

� O processo de sinterização em atmosfera de hidrogênio mostrou-se efetivo para adifusão do dopante pela estrutura cristalina do aluminato de lantânio.

� Os materiais dopados com 0,1, e 0,5 % de carbono e não dopado apresentaram asmelhores respostas termoluminescentes dentre todas as composições estudas.

� Há ainda a necessidade de investigar novos tipos de tratamentos térmicos derecozimento, de forma a induzir uma dependência linear com a dose e eliminar e/oudiminuir o intenso sinal residual após a sinterização das pastilhas.

ReferênciasReferênciasReferênciasReferências

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Obrigada!Obrigada!Obrigada!Obrigada!

Neriene Alves

Mestranda no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear

neire.radiologia@yahoo.com.br