Síntese e caracterização de cintiladores óxicloretos de gadolínio dopados com diferentes concentrações de disprósio e európio para aplicação em detectores de radiação ionizante na região dos raios x

Abstract

Materiais com propriedades de cintilação possuem uma grande importância, principalmente por serem muito utilizados como detectores de radiação ionizante, que está presente no dia a dia dos seres humanos. A radiação ionizante embora seja perigosa, possui diversas aplicações sendo encontrada principalmente em exames médicos como raios X, tomografia computadorizada, equipamentos de aeroportos e na geração de energia elétrica em usinas nucleares, por isso hoje em dia se faz necessário estudar e desenvolver cada vez mais, materiais que possam detectar e quantificar essa radiação para que ela seja utilizada de forma segura e eficaz. Neste trabalho, hidróxidos lamelares de lantanídeos, com fórmula geral Gd(OH)₃, foram sintetizados pelo método de coprecipitação e convertidos em nanopartículas em um reator hidrotérmico. Esses materiais foram utilizados como precursores para a síntese de cintiladores óxicloretos de gadolínio, GdOCl, dopados com disprósio (Dy³⁺) e európio (Eu³⁺) em diferentes concentrações. A síntese dos óxicloretos foi realizada por tratamento térmico dos precursores em atmosfera saturada de cloreto de amônio e de nitrogênio como gás de arraste. Tanto os precursores, quanto os óxicloretos obtidos foram caracterizados por difratometria de raios X (DRX) espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os espectros de emissão e excitação, bem como medidas de tempo de vida na região do UV-Vis, foram realizados em um espectrofluorimetro, enquanto a emissão com excitação em raios X foi realizada com uma fonte de raios X de baixa energia (20mA – 40kV) provindos de um cátodo de molibdênio. Os materiais apresentaram máxima luminescência característica do disprósio na região de 575 nm, próximo do amarelo e do európio na região de 620 nm, próximo do vermelho.

Materials with scintillation properties are of great importance, mainly because they are widely used as detectors of ionizing radiation, which is present in the daily lives of humans. Although ionizing radiation is dangerous, it has various applications, being primarily found in medical examinations such as X-rays, computed tomography, airport security equipment, and in the generation of electric power in nuclear plants. Therefore, it is increasingly necessary to study and develop materials that can detect and quantify this radiation so that it can be used safely and effectively. In this work, lamellar lanthanide hydroxides, with the general formula Gd(OH)₃, were synthesized by the coprecipitation method and converted into nanoparticles using a hydrothermal reactor. These materials were used as precursors for the synthesis of gadolinium oxychloride scintillators, GdOCl, doped with dysprosium (Dy³⁺) and europium (Eu³⁺) at different concentrations. The synthesis of the oxychlorides was performed by thermal treatment of the precursors in an ammonium chloride-saturated atmosphere, using nitrogen as a carrier gas. Both the precursors and the resulting oxychlorides were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), and scanning electron microscopy (SEM). Emission and excitation spectra, as well as lifetime measurements in the UV-Vis region, were obtained using a spectrofluorimeter, while emission with X-ray excitation was measured using a low-energy X-ray source (20 mA – 40 kV) from a molybdenum cathode. The materials exhibited maximum characteristic luminescence of dysprosium around 575 nm, near yellow, and of europium around 620 nm, near red.