AULA 07 CINTILADORES

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DETECTORES CINTILAÇÃO
ProfºLILLIAN LEMOS
CINTILAÇÃO
 A utilização de materiais cintiladores para detecção de
radiação é muito antiga - o sulfeto de zinco já era usado
nas primeiras experiências com partículas α - e continua
sendo uma das técnicas mais úteis para detecção e
espectroscopia de radiações.
Características importantes de materiais 
cintiladores
 Transforme toda energia cinética da radiação incidente ou dos produtos da 
interação em luz detectável; 
 A luz produzida seja proporcional à energia depositada; 
 Seja transparente ao comprimento de onda da luz visível que produz; 
 Tenha boa qualidade ótica, com índice de refração próximo ao do vidro 
(aprox. 1,5); 
 Seja disponível em peças suficientemente grandes para servir para 
construção de detectores; e 
 Seja facilmente moldável e/ou usinável para construir geometrias adequadas 
de detectores. 
Eficiência de cintilação 
 A eficiência de cintilação para um cintilador é
definida como a fração da energia de todas as
partículas incidentes que é transformada em luz
visível.
CINTILADORES
 Materiais cujos átomos e moléculas possuem a
propriedade física de ficarem em tal estado de
excitação ao receberem energia depositada por uma
partícula energética (fótons, partículas α ou β), que
irão decair emitindo luz visível (390-750 nm) ou
ultravioleta (100-390 nm), são chamados cintiladores.
CINTILADORES
Fenômeno de Fluorescência Imediata 
Efeito fotoelétrico 
CINTILADORES
Fenômeno de Fluorescência Imediata 
Efeito Compton 
CINTILADORES
 O cintilador é um sensor passivo de radiação, que cintila 
(brilha) ao ser atingido por fótons/partículas.
 A intensidade de luz é proporcional à energia da radiação;
 O material cintilante precisa apresentar transparência à sua 
própria luminescência;
 A resposta/emissão deve ser instantânea (tempo curto);
 Pode ter tamanho grande ou pequeno; 
 Muitos são produzidos como cristais;
 Ao associar o material cintilador a um medidor de luz, 
passamos a ter um detector de cintilação.
CINTILADORES
 Os passos básicos envolvidos na detecção de 
cintilação de radiação são os seguintes:
 Interação da radiação com material de cintilação;
 A transferência de energia para os estados ligados do 
material;
 Relaxamento dos estados excitados para o estado 
fundamental, resultando na emissão de fótons de luz;
 Captura de fótons pelo fotodetector;
 Detecção do sinal fotodetector pela eletrônica 
associados.
Fluorecência x Fosforescência
 Fluorescência Fluorescência e FosforescênciaFosforescência são
tipos de luminescência, ou seja, emissões de radiações, visíveis ou
não, que ocorrem sem a necessidade de temperaturas elevadas;
 FluorescênciaFluorescência: substância que absorve energia da luz
fornecida por determinada fonte e emite radiação visível, porém,
quando o fornecimento de energia acaba, a emissão da radiação para
imediatamente;
 FosforescênciaFosforescência: substância emite radiação visível
porque absorve energia eletromagnética fornecida por uma fonte.
Entretanto, mesmo depois que o fornecimento de energia parou, a
substância fosforescente continua por algum tempo emitindo luz
visível. Esse tempo pode variar de segundos até dias.
CINTILADORES
 A união do cristal de cintilação com o 
fotomultiplicador dá origem ao detector de 
cintilação; 
 Este é o grande responsável pela imagem de 
medicina nuclear; 
 Ele deu origem ao primeiro equipamento de 
diagnóstico.
CINTILADORES
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
 Converte luz em corrente elétrica;
 A corrente elétrica é amplificada dentro do tubo;
 A corrente final é passada para um circuito 
amplificador;
 Possui um cátodo e um ânodo.
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
 O fóton atinge a placa de entrada - fotocátodo;
 O fotocátodo libera um elétron por efeito 
fotoelétrico;
 O elétron é atraído para o 1o dinodo pela ddp
entre eles;
 No choque com o 1o dinodo, há a liberação de 
alguns elétrons conforme a Eligação.
CINTILADORES
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
 Os elétrons são atraídos para o 2o dinodo devido 
a uma ddp;
 No choque com o 2o dinodo, os elétrons liberam 
mais elétrons;
 Todos os elétrons são atraídos para o 3o dinodo
pela ddp mais alta que a anterior;
 E assim por diante até o ânodo
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
 Elétrons são atraídos de um dinodo para outro 
por causa da ddp;
 Em geral, o próximo dinodo é 100 V mais positivo 
que o anterior;
 Em média, utiliza-se ~1 000 V, divididos em 10 
dinodos;
 Isto garante multiplicação de milhões de vezes do 
fóton inicial.
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
CINTIDORES
TUBOOR FOTOMULTIPLICADOR
Tipos de Cintiladores
 Existem diversos tipos de materiais cintiladores:
 inorgânicos;
 orgânicos.
Cintiladores Orgânicos
 Cintiladores orgânicos são amplamente utilizados em
detectores de radiação. Eles são encontrados sólidos,
líquidos ou gasosos. Uma das maiores vantagens é que
podem ser produzidos em qualquer geometria, podendo
ser ajustados para aplicações específicas.
 Podem ser divididos em 3 grupos:
 Plásticos;
 Líquidos;
 Cristalinos
Cintiladores Plástico
 Produzidos sinteticamente através de processo que consome tempo e
muito trabalho. Primeiro, todos os componentes devem ser altamente
purificados e, segundo, há períodos de espera envolvidos entre as etapas
para permitir que o material se estabilize. O material de base em geral
utilizado na mistura é poliestireno, acrílico ou monômero poliviniltolueno.
Um cintilador conveniente é adicionado a esta base e mistura-se
homogeneamente. A concentração do cintilador principal é de ~1% em
peso da mistura, a qual é suficiente para produzir alto rendimento de luz.
Um outro cintilador também é adicionado a mistura. Toda a mistura é a
seguir polimerizada para formar o plástico.
Cintiladores Plástico
 O cintilador plástico produzido por este método tem
várias qualidades, tais como:
 é quimicamente estável;
 elevado grau de homogeneidade óptica;
 pode ser cortado e conformado em praticamente
qualquer forma.
 Sobre o rendimento de luz, constantes de decaimento
e outros parâmetros impor-tantes, podemos dizer que
os cintiladores de plástico disponíveis comercialmente
têm propriedades tão variadas que é enganador citar
um deles como representante de todos os cintiladores
plásticos.
Cintiladores Plástico
 O rendimento de luz de cintiladores plásticos 
depende, principalmente, dos seguintes 
parâmetros:
 Tipo de material
 Tipo de radiação
 Energia de radiação
 Temperatura
 Pressão.
Cintiladores Líquidos
 Há um número de líquidos que produzem luz de 
cintilação e podem portanto, ser usados em 
detectores. Em geral, cintiladores líquidos 
utilizados em sistemas de detecção são 
constituídos por três componentes orgânicos:
 Fluorescência primária;
 Deslocador de onda;
 Líquido base.
Cintiladores Líquidos
 Flúor Primário: O flúor primário ou cintilação primário
é o principal cintilador na mistura. Tem alta eficiência de
cintilação, mas produz luz na região ultravioleta do
espectro electromagnético.
 Deslocador de onda: Os fótons UV produzidos sofrem
alta atenuação. Uma vez que o líquido não é
completamente transparente para eles, a maior parte deles
não pode escapar do material. O objetivo do shifter é
deslocar o comprimento de onda destes fótons à região visível.
Também são conhecidos como flúor secundário, uma vez que
também são cintiladores que absorvem fótons UV e emitem
fótons de luz visível. A maioria dos shifters práticos produzem
luz azul.
Cintiladores Líquidos
 Base líquida: Os dois cintiladores acima mencionados
são misturados de forma homogênea num líquido que
tem boas propriedades de transmissão de luz.
 Uma vez que os blocos básicos de construção dos
cintiladores líquidos são essencialmente similares aos
cintiladores plásticos, os requisitos de pureza para os seus
constituintes também são igualmente rigorosos. A base,
flúor primário e o deslocadorde onda, todos tem de ser
utilizado altamente purificados. Mesmo adição de peque-
nas quantidades de água pode contaminar o cinti-lador e
deteriorar significativamente as suas propriedades de
transmissão de luz.
Cintiladores Líquidos
 Um grande número de líquidos puros e misturas líquidas
foram identificados como bons cintila-dores possuindo
ótimas propriedades para o uso na detecção de radiação.
Estes líquidos não possuem quaisquer nomes genéricos,
mas eles estão comercialmente disponíveis a partir de
diferentes fabricantes, sob seus próprios nomes.
A maioria dos cintiladores líquidos
emitem luz com um pico entre os
comprimentos de onda de 400 nm e
500 nm.
Cintiladores Líquidos
Cintiladores Líquidos
Cintiladores Orgânicos
 Cristais cintilantes orgânicos são conside-
rados como vantajosos sobre os seus análogos 
inorgânicos, devido às seguintes razões:
 ●Não higroscopicidade;
 ● Pequeno retroespalhamento.
 A absorção de umidade do ambiente é um dos 
principais problemas de cintiladores cristalinos 
inorgânicos. Cristais orgânicos não têm essa 
vulnerabilidade à umidade e, portanto, não precisam 
ser armazenados e usados em recipientes selados. 
Outro ponto é que cristais orgânicos são feitos 
principalmente de hidrogênio, o que torna o 
retroespalhamento
Cintiladores Orgânicos
 Os 3 cristais cintilantes orgânicos mais 
utilizados são:
 Antraceno (C14H10);
 P-Terfenilo (C18H14);
 Estilbeno (C14H12).
Cristal Antraceno
 O antraceno é, talvez, o cristal cintilador orgânico mais
amplamente utilizado. Sua grande popularidade fez dele
um padrão para comparar as propriedades de outros
cintiladores. O rendimento de luz de cintiladores às vezes
é dado em relação à produção de luz do antraceno. A
eficiência absoluta do antraceno é de cerca de 5% para
luz azul. Uma vez que a saída de luz do Nal é superior a
este, por conseguinte, alguns pesquisadores preferem
comparar todos os cintiladores em relação ao Nal ao invés de
C14H10. No entanto, o padrão é comparar cintiladores
orgânicos em relação ao antraceno e cintiladores inorgânicos
com respeito ao Nal.
Cristal P-Terfenilo
 A característica mais desejável de cristais de p-
terfenilo é o seu tempo de decaimento muito curto,
tornando-o adequado para a espectroscopia de
radiação de alta intensidade. No entanto, a produção
de luz do cristal é bastante ruim. Esta deficiência é
superada através da dopagem do material com
alguma impureza adequada, a qual pode aumentar a
saída de luz de até 5 vezes se comparado ao C18H10
puro.
Cristal Estilbeno
 Como antraceno, o estilbeno também foi exaustivamente
investigado por seu possível uso para a detecção de
radiação. Apesar da emissão de luz não ser tão bom como
o antraceno, ainda tem encontrado algumas aplicações na
detecção de partículas pesadas carregadas.
Cintiladores Inorgânicos
 Na sua maioria são cristais simples e transparentes;
 Dimensões variam de mm a cm;
 Não podem ser construídos na forma de grandes 
cristais com boa qualidade óptica;
 Os que possuem maior resolução na energia apresentam 
tempos de decaimento muito longos.
Cintiladores Inorgânicos
Cintiladores Inorgânicos
 As duas boas propriedades são o comprimento de onda de
emissão máxima λmax e o rendimento de luz dN/dE. A escolha
de λmax é conduzido principalmente pela eficiência do
detector de contagem de fótons, que é dependente do
comprimento de onda. Isto implica que uma boa correlação
entre o comprimento de onda de fótons de cintilação e a
eficiência do fotocátodo é necessária para garantir uma
elevada eficiência global e boa relação sinal-ruído. Na prática, a
escolha é difícil, uma vez que um cintilador é adequado devido
a algumas outras propriedades, não somente ter λmax para o
qual a fotocátodo tem maior eficiência. Rendimento de luz é
certamente outro fator, especialmente se o detector será
utilizado num ambiente de baixa
Cintiladores Inorgânicos
Iodeto de Sódio
 Iodeto de sódio dopado com tálio – NaI:Tl é o 
cintilador mais amplamente utilizado. Suas principais 
características incluem:
 alto rendimento de luz (41.000 fótons por MeV),
 emissão azul que coincide com a exigência da maioria dos 
PMTs;
 autoabsorção muito baixa da luz de cintilação;
 bom desempenho espectroscópico;
 fácil disponibilidade e baixo custo de produção;
 possibilidade de produzir cristais com grandes áreas.
Iodeto de Sódio
 O maior problema com NaI:Tl é a sua sensibilidade à
umidade. Devido a higroscopicidade, ele deve ser usado em
um conjunto selado. Isto, não é um ponto negativo para sua
utilização em sistemas reais, já que o tamanho do detector é
geralmente pequeno e a luz pode ser guiada através de fibras
ópticas. Nal:Tl é utilizado em uma variedade de aplicações,
incluindo medicina, física e ciência ambiental. Na verdade, é
considerado o material padrão de cintilação há muito tempo.
As propriedades cintiladoras podem ser alteradas por
diferentes níveis de dopagem, portanto, Nal:Tl é geralmente
sintonizado de acordo com a aplicação.
Iodeto de Césio
 Iodeto de césio dopado com sódio – CsI:Na é 
também um cintilador muito utilizado. Suas 
características distintas incluem:
 alto rendimento de luz (40.000 fótons por MeV);
 emissão azul que coincide com a exigência da maioria dos 
PMTs;
 Menos higroscopicidade que o NaI:Tl.
Iodeto de Césio
 Iodeto de césio dopado com tálio – CsI:Tl não é tão 
amplamente utilizado como os outros dois anteriores, 
mas seus características o fazem desejável em certas 
aplicações:
 Alta eficiência de absorção;
 Alto rendimento de luz (66.000 fótons por MeV);
 Luz de 550 nm que coincide com a maioria dos fotodiodos, 
eliminando a necessidade de fotomultiplicadores volumosos e 
mecanicamente instáveis;
 Não higroscópico;
 Mecanicamente estável e resistente ao choque;
 Pode ser cortado e moldado, conforme necessário;
 Resistente a danos causados pela radiação
Iodeto de Césio
 Fotodiodos são detectores semicondutores que agora
estão começando a substituir os PMT. A sua principal
vantagem é que eles não precisam de potenciais muito
elevados como os PMTs e também podem ser utilizados
em campos magnéticos elevados. Csl:Tl é uma boa
alternativa, no lugar dos cintiladores mais utilizados, em
aplicações onde o uso de PMTs é difícil ou o campo de
radiação é muito alta.
Germanato de Bismuto
Germanato de Bismuto (BGO) é o composto 
Bi4Ge3O12. Suas vantagens são:
Alta eficiência de absorção;
Alto resolução de energia;
Tempo de decaimento curto;
Mecanicamente estável e resistente;
Pode produzir grandes cristais;
Alta resistência a radiação.
Devido à sua alta eficiência de absorção de raios-γ, BGO é 
utilizado em geral nas aplicações que envolvem 
espectroscopia de raios-γ.
Xenônio Líquido
 Xenônio é um gás inerte tendo boas propriedades de
cintilação. É um dos poucos materiais líquidos de
cintilação que tem sido utilizados com sucesso em
detectores. Algumas das suas propriedades para sua
utilização em detectores de radiação estão listados a
seguir:
 ●Alto peso atômico e alta densidade;
 ●Bom rendimento de luz;
 ●Resposta rápida;
 ●Transparência
Xenônio Líquido
 Alta densidade e alto peso atômico: xenônio líquido tem
muito mais densidade (2,98 g.cm-3) do que os
cintiladores orgânicos líquidos. Seu peso atômico também
é muito maior (54) do que o peso atômico efetivo dos
cintiladores orgânicos líquidos. Esses dois fatores fazem
mais agressivo em termos de parar a radiação incidente
rapidamente, gerando, assim, mais luz de cintilação.
 Rendimento de luz: A produção de luz do xenônio líquido
se aproxima do cintilador NaI.
Xenônio Líquido
 Resposta rápida: A resposta do xenônio à radiação é
bastante rápida que o torna adequado para utilização em
aplicações de temporização.
 Transparência: A maioria dos fótons de cintilação emitidos
pelo xenônio líquido estão na região ultravioleta. Para
esses fótons, o líquido éaltamente transparente porque a
energia de tais fótons é muito inferior à energia de
excitação do xenônio.
Xenônio Líquido
 A desvantagem no uso do xenônio como meio líquido de
cintilação é a dramática degradação de suas propriedades
ópticas devido a contaminantes dissolvidos. Tem sido
observado que água ou a contaminação de oxigênio a
nível de poucas partes por milhão pode reduzir
substancialmente a sua transparência para os fótons de
cintilação de ultravioleta. Isto implica que o detector
baseado em xenônio só pode ser operado de forma
confiável se a pureza do xenônio líquido é mantida a cada
momento. Isso aponta para a dificuldade operacional de
tais detectores já que envolve não só a purificação regular,
mas também o monitoramento contínuo.