1. Definição e Princípio
Scintillators são materiais capazes de converter radiação de alta energia, como raios X ou raios gama, para uma luz quase visível ou visível. São amplamente utilizados como detectores no diagnóstico médico, física de alta energia e exploração geofísica (ref. Knoll). Os cintiladores podem ser gasosos, líquidos ou sólidos, orgânicos ou inorgânicos (vidro, cristal único, cerâmica). Os detectores baseados em cintiladores (fig. 1) são essencialmente compostos por um material cintilador e um fotodetector que pode ser um tubo fotomultiplicador (PMT) ou um fotodíodo. O papel do fotodetector é converter a luz que sai do cintilador para um sinal eléctrico.
Os tubos fotomultiplicadores são os fotodetectores mais comuns, e são compostos por um fotocátodo seguido por uma série de dínodos como mostrado na figura 1. O fotão de luz atinge o fotocátodo, fazendo com que ele emita um fotoelétron. Os fotoelétrons são focados no primeiro dínodo. Isto produz elétrons que são multiplicados no segundo dínodo, e novamente no terceiro, até o final da cadeia. O sinal amplificado é então coletado no ânodo e passado para os circuitos de medição. O sinal elétrico obtido é proporcional ao número de fotoelétrons, Nphe.
Figura 1: Diagrama esquemático de um detector de cintilação compreendendo um material de cintilação acoplado a um tubo fotomultiplicador.
2. Mecanismo Cintilador
O fenômeno físico da cintilação é um processo complexo que pode ser dividido em três sub-processos principais (fig. 2): Conversão, transferência de energia e luminescência. A interação de uma radiação eletromagnética com a matéria ocorre através de três mecanismos: efeito fotoelétrico, dispersão de Compton e criação de pares elétron-positrons, dependendo da energia da radiação incidente. O efeito fotoelétrico e a dispersão de Compton são mecanismos dominantes para energias baixas (abaixo de 100 keV) a médias (entre 100 keV e 1 MeV), respectivamente. Para energias acima de 1,02 MeV, a interacção da radiação com a matéria é regida pela criação do par electrão-positrão.

Figure 2: Mecanismo de cintilação. (Imagem de M. Nikl)
Quando a radiação é absorvida pelo material cintilador, há uma criação de pares primário de furos de elétrons que gera pares secundários por um efeito de cascata. Quando a energia das excitações eletrônicas fica abaixo do limiar de ionização, ocorre a termalização. No final desta etapa, todos os elétrons estão na parte inferior da banda de condução e os furos na parte superior da banda de valência. Este primeiro passo é concluído em menos de um picossegundo.
Após o estágio de termalização, os pares de furos de elétrons livres migram através do material para que transfiram sua energia para os centros luminescentes. A transferência de energia é muito rápida e pode ser feita em 10-12 a 10-8s. Uma vez feita a transferência de energia, ocorre a última etapa da cintilação, ou seja, a luminescência. A duração da luminescência depende dos centros luminescentes e pode demorar mais de 10-10s.
A energia do fotão emitido é um parâmetro importante que permite a diferenciação entre os radioisótopos. De fato, a energia dos fótons emitidos está relacionada com a energia da radiação recebida. Dependendo da natureza desta relação, pode-se ser capaz de determinar a fonte radioativa. No caso de materiais cintilantes, o efeito fotoelétrico deve ser favorecido porque a radiação completa de entrada é absorvida pelo meio. O efeito Compton gera fótons com menos energia, o que leva a fontes de erro. A fim de aumentar a probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico, são preferidos materiais com alto número atômico Z e alta fração fotoelétrica. A fração fotoelétrica é a proporção de fótons que interagem com a matéria pelo efeito fotoelétrico.
3. Características dos cintiladores.
– Rendimento de luz (fótons/MeV): Número de fótons emitidos por energia absorvida.
– Resolução de energia (%): Capacidade de um material para discriminar entre duas radiações de energias ligeiramente diferentes.
– Tempo de decomposição (s): Cinética da resposta da luz I(t) caracterizada por tau.
– Afterglow: Saída de luz residual que ocorre após o tempo de decaimento primário dos centros luminescentes principais.
– Potência de paragem: Coeficiente de atenuação da radiação absorvida, para uma dada espessura de um material.
4. Fabricação de cintiladores.
– Até recentemente, cintiladores inorgânicos estão na forma de monocristais. Estes são tipicamente produzidos por técnicas de cultivo a partir do derretimento como o método Czochralski ou Bridgman-Stockbarger.

Figuras 3 & 4. Aparelho Czochralski (esquerda) e forno Bridgman-Stockbarger (direita).
O aparelho Czochralski é mostrado na figura 3. Fixa-se um cristal de semente ao fundo de um braço vertical, de modo que a semente mal esteja em contato com o material na superfície do derretimento. O braço é levantado lentamente, e um cristal cresce por baixo na interface entre o cristal e o derretimento. Normalmente o cristal é girado lentamente, de modo que as não homogeneidades do líquido não sejam replicadas no cristal. Com base nas medições do peso do cristal durante o processo de puxar, os aparelhos controlados por computador podem variar a taxa de puxar para produzir qualquer diâmetro desejado. À medida que a semente é extraída, o material solidifica e eventualmente é produzido um grande boule circular. O método Czochralski é normalmente utilizado para materiais com alto ponto de fusão.
O aparelho Bridgman-Stockbarger é mostrado na figura 4. O método envolve o aquecimento de um material policristalino numa ampola selada, que tem uma forma cilíndrica com uma extremidade inferior cónica. Os aquecedores mantêm o estado fundido. Como a ampola é lentamente abaixada para uma região mais fria (região azul), um cristal começa a crescer na ponta cônica. A ampola é abaixada a uma velocidade que corresponde ao crescimento do cristal, de modo que a interface entre o cristal e o derretimento está sempre à mesma temperatura. A taxa de movimentação da ampola depende da temperatura e do material. Quando feita com sucesso, todo o material fundido na ampola cresce em um único cristal grande. Uma camada de impurezas cresce na interface entre o derretimento e o sólido à medida que esta superfície se move para cima do derretimento, e as impurezas tornam-se concentradas na parte mais alta do cristal. Este método é bem adequado para materiais com baixo ponto de fusão e sensíveis ao ar como o Strontium Iodide.
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