Cintiladores para detecção de radiação de alta energia

Cintiladores são sensores primários de radiação, os quais convertem radiação ionizante em emissões ópticas entre o ultravioleta (UV) e o infravermelho próximo (NIR).

Essa classe de materiais vem sendo estudada neste projeto temático, principalmente quanto aos mecanismos de luminescência desencadeados quando materiais são expostos aos raios X. Para isso, tem sido empregada a técnica de X-ray excited optical luminescence – XEOL, baseada em luz síncrotron. Essa técnica, cuja principal característica é ser X-ray photon-in/optical photon-out, ou seja, a cada fóton de raios X absorvido, observa-se um fóton óptico emitido também é utilizada em estudos tanto no domínio do tempo quanto da energia.

A condução de estudos da técnica XEOL vem sendo feita no âmbito da Linha Carnaúba1 do acelerador de partículas SIRIUS2, o qual é operado pelo Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), que é parte do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). O Sirius é um acelerador síncrotron de 4ª geração, sendo um dos três existentes no mundo nessa categoria, e seus principais diferenciais estão na coerência, baixa emitância e alto fluxo de fótons no feixe de luz síncrotron entregue nas linhas de luz.

A linha de luz Carnaúba – Coherent X-ray Nanoprobe Beamline –, opera entre 2.05 e 14 keV, com feixe coerente e óptica acromática, atingindo tamanhos de até 30 nm x 30 nm. Essa linha possui duas estações experimentais, sendo a Tarumã – Tender to Hard X-ray for sub-microanalysis -, uma estação com ambiente de amostras variável, com tamanho de feixe de até 120 nm x 120 nm, em operação neste momento, e de onde foram extraídos os dados de XEOL apresentados neste relatório; e a Sapoti - Scanning Analysis by Ptycho for Tomographic Imaging -, cujo tamanho de feixe atingirá até 30 x 30 nm. Essa estação está em fase de montagem e comissionamento técnico, e neste relatório são apresentados resultados quanto à instrumentação científica para estudos baseados em XEOL, que contará com a instalação de um espectrômetro de alta resolução e ampla faixa espectral obtido com recursos do presente projeto.

Estudos baseados em XEOL aqui apresentados vêm sendo conduzidos na estação Tarumã da linha Carnaúba do Sirius (LNLS/CNPEM). Neste projeto, pesquisadores principais e associados têm acessados essa instalação mediante a submissão de propostas regulares de pesquisa. Os pesquisadores têm utilizado a combinação de XEOL e técnicas como fluorescência de raios X (XRF) e absorção de raios X próximo à estrutura da borda (XANES) para estudar mecanismos de luminescência e potenciais aplicações dos diversos materiais. Nos três últimos ciclos de chamadas para propostas na linha Carnaúba (2023 e primeiro semestre de 2024), envolvendo diretamente XEOL, 9 pesquisadores (principais ou associados ao temático) executaram 12 propostas, num total de 432h, ou seja, 18 dias completos de atividades dedicadas ao temático.

Nesse desenvolvimento, tem-se confeccionado chips de microfluídica com microcanais estampados em diferentes arranjos para a inserção de diferentes soluções precursoras, incluindo transparência óptica e aos raios X, resistência química e mecânica. Os resultados prévios quanto à XEOL em microfluídica, combinada às técnicas de XRF e XANES, utilizando como modelo o compelo Eu-TTA. Os resultados indicam que é possível realizar os estudos em questão, em volumes na ordem de microlitros, com sinais cuja relação sinal-ruído permitem a avaliação da propriedade óptica, composicional e estado químico do elemento em estudo. Na Figura 1 são apresentados resultados prévios quanto à XEOL em microfluídica, combinada às técnicas de XRF e XANES, utilizando como modelo o Eu-TTA. Os resultados indicam que é possível realizar os estudos em questão, em volumes na ordem de microlitros, com sinais cuja relação sinal-ruído permitem a avaliação da propriedade óptica, composicional e estado químico do elemento em estudo.