Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nuclear medicine is a medical specialty that uses radioisotopes for treatment of diseases and also for diagnosing them. A radioisotope widely used for this application is iodine 131, which is used in several studies, especially in thyroid scintigraphy. For this purpose, it is used an equipment called scintillation camera which should conform to a quality control program that determines, among other things, the tests that should be done to guarantee the quality of the medical images. For these tests it is necessary to use phantoms, which can be of various types, from simple boxes up to the exact representation of the shape of human organs. These latter are called anthropomorphic phantoms. In this study, two anthropomorphic phantoms were developed to be used in tests for image quality control measurements. These phantoms, both made of acrylic, one with a geometric shape that simulates anthropomorphically thyroid (OSCT) and the other one with anthropomorphic shape of the neck and thyroid (OSAP) were constructed to allow the permutation of prototypes that represent a normal thyroid, with hyperthyroidism and hypothyroidism. For the phantom OSCT, prototypes were also made to simulate hot and cold nodules in the gland and thyroid remnant. Images of thyroid scintigraphy of these phantoms were obtained with iodine- 131. By the images, it was determined the measures of the gland size and scintillation camera counts at each region of interest (ROI) using a DicomWorks program. The results proved the effectiveness of the phantoms for simulating either the normal or thyroid disorders. These phantoms can be used in studies for quality control of medical images and also in the training of personnel dealing with the analysis of images at nuclear medicine centers, since they adequately simulate the organ of interest. / A Medicina Nuclear é uma especialidade médica que utiliza radioisótopos para tratamento de doenças e também para obter imagens que auxiliam no diagnóstico dessas doenças. Um radioisótopo bastante utilizado para essa aplicação é o iodo 131, que é utilizado em vários estudos, principalmente em estudos de cintilografia de tireoide. Para tanto, são usados equipamentos chamados de câmaras de cintilação, que devem obedecer a um programa de controle da qualidade (PCGQ), o qual determina, entre outras coisas, os testes que devem ser feitos para garantir a qualidade das imagens médicas. É nesse momento que entram os objetos simuladores ou phantoms, que podem ser de vários tipos, desde simples caixas até a representação exata da forma de órgãos humanos. Esses últimos são chamados de objetos simuladores antropomórficos. Nesse trabalho foram desenvolvidos dois objetos simuladores antropomórficos para serem utilizados em testes de controle de imagens médicas. Esses simuladores, ambos feitos de acrílico, um com formato geométrico e com a tireoide simulada antropomorficamente (OSCT) e o outro com formato antropomórfico do pescoço e da tireoide (OSAP), foram construídos de forma a permitir a permutação de protótipos que representam uma tireoide normal, com hipertireoidismo e com hipotireoidismo. Para o phantom OSCT foram confeccionados ainda protótipos para simulação de nódulos quentes e frios na glândula. Imagens de cintilografia de tireoide desses phantoms foram obtidas com iodo 131, juntamente com as medidas dos tamanhos da glândula e as contagens de captação da câmara de cintilação de cada região de interesse (ROI) obtidas pelo programa DicomWorks. Esses dados comprovaram a eficácia dos phantoms na simulação desses exames, seja da tireoide normal ou com patologias. Esses objetos simuladores podem ser utilizados em testes dos programas para estudos de controle da qualidade das imagens médicas e também no treinamento dos profissionais envolvidos na análise das imagens nos centros de Medicina Nuclear, uma vez que simulam de forma adequada o órgão de interesse.

In this work samples of Barium Yttrium Fluoride (BaY2F8 -BaYF) doped with different concentrations of Tb3+, Er3+, Tm3+ e Nd3+ ions were characterized, aiming their application in radiation detection devices using their scintillating properties. Two types of samples were produced, polycrystalline samples, obtained via solid state reaction and single crystals, obtained via the floating zone melting method. The radioluminescence measurements (RL) revealed that the samples doped with 2.0 or 3.0 % Tb showed RL intensity at 545 nm two times higher than samples of CsI:Tl, although the total scintillation yield was smaller when compared to this commercial scintillator. Thermoluminescence (TL) results showed that all doped samples exhibited the same peak at 123 °C, which is characteristic of the matrix (BaY2F2). Comparison of the areas under the TL and RL curves for Tb3+ and Nd3+ doped BaYF revealed that the trapping centers are competing with the scintillation of the samples. However, this was not true for the Er3+ and Tm3+ doped samples and it was found that the scintillation yield is independent of the trap concentration up to a certain concentration limit. From this point on, the scintillation yields started increasing as the trap concentration increased. The radiation damage defects in BaYF:Tb3+ were studied via optical absorption (OA) and correlated with TL, showing that trapping centers are connected to the color centers. All samples exhibited different luminescence decay processes with time constants ranging from microseconds, for the fast processes, milliseconds, for the intermediate ones, and phosphorescent processes with decay time on the order of seconds. For the Nd3+ doped samples, very fast decay process was also found with time constants of about 60ns and that is an indication that this material can be used in fast detection systems, although its scintillation efficiency was weak. The combined results obtained with these techniques together with an analysis of X ray absorption spectroscopy (XAS) and X-rays Excited Optical Luminescence (XEOL) allowed the development of a model for the scintillation mechanism for the rare earth doped BaYF systems. / Neste trabalho as principais propriedades ópticas do Fluoreto de Bário e Ítrio (BaY2F8 - BaYF) dopado com diferentes concentrações dos íons Tb3+, Er3+, Tm3+ e Nd3+ foram estudadas visando a compreensão do mecanismo de cintilação e a aplicação em dispositivos que utilizam o princípio da cintilação para detecção de radiação. As amostras foram produzidas no Centro de Lasers e Aplicações no IPEN-SP. Dois tipos de amostras foram estudadas: amostras policristalinas, obtidas via síntese de estado sólido e amostras monocristalinas, obtidas pelo método de Fusão Zonal. Medidas de Radioluminescência (RL) revelaram que as intensidades de RL do BaYF dopado com 2,0 e 3,0 % de Tb3+ tanto para o monocristal quanto para o policristal são cerca de duas vezes maiores em 545 nm do que a do cintilador comercial CsI:Tl, apesar da eficiência de cintilação em todo o espectro visível ser menor do que a deste último. Utilizando a técnica de Termoluminescência (TL) observamos que todas as amostras dopadas apresentaram o mesmo pico em 123 °C característico da matriz (BaY2F2). Comparação entre as áreas sob a curva de RL e TL, para o BaYF dopado com Tb3+ e Nd3+, revelou que os centros de armadilhamento estão competindo com a cintilação da amostra, todavia este efeito não acontece para as amostras dopadas com Er3+ e Tm3+. Os defeitos gerados pelo dano de radiação para o BaYF:Tb3+ foram estudados através da Absorção Óptica (AO) e correlacionados com a TL, revelando que os centros de armadilhamento estão relacionados com centros de cor. Todas as amostras apresentaram diferentes processos de decaimento da luminescência com tempos característicos na ordem de microssegundos, para os mais rápidos, na ordem de milissegundos para os processos intermediários e, fosforescência de longa duração com tempos da ordem de segundos. A amostra dopada com Nd, apesar de possuir cintilação pouco intensa apresentou ainda um processo com tempo de vida muito curto, na ordem de nanosegundos, o que permite indicar a utilização deste material como detector rápido. Os resultados obtidos com estas técnicas, juntamente com análises de espectroscopia de absorção de raio X (XAS) e da emissão luminescente das amostras excitadas com raios X (XEOL), possibilitaram a elaboração de um modelo para o mecanismo de cintilação do BaY2F8 dopado.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In the present work the potential of ceramic scintillator production of bismuth germanate by hot pressing was investigated. The microstructure and the scintillation yield were studied as function of the hot pressing parameters, such as time sintering plateau (4 and 10 hours), temperature (840 e 875 °C), and pressure (0.10, 0.14, and 0.18 MPa). Values of relative densities were obtained through Archimedes method showing that for the ceramic bodies produced the densities were higher than 94%. X-ray diffraction showed that the ceramics and the precursor powder exhibited two different Bi-Ge-O stoichiometries, the majority one Bi4Ge3O12 and the spurious one Bi12GeO20. Analyzes by scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate the microstructure of the grains with the changes of hot pressing parameters. The optical characterization was done by radioluminescence (RL), in which it was verified that the sample sintered by hot pressing have better efficiency in the characteristic emission of BGO. The influence of sintering condition in scintillation efficiency of the ceramic bodies was also investigated. / Neste trabalho verificou-se o potencial da prensagem a quente na produção de cintiladores cerâmicos de germanato de bismuto (Bi4Ge3O12 - BGO). Foi realizado um estudo dos parâmetros de prensagem a quente tais como: tempo de patamar de sinterização (4 e 10 horas), temperatura (840 e 875 °C) e carga aplicada (0.10, 0.14 e 0.18 MPa) nos quais, os dados de densidade relativa obtidos através de método de Arquimedes mostraram que as cerâmicas produzidas apresentam densidades relativas superiores a 94%. Para a caracterização das amostras foram realizadass análises de difração de raios X (DRX), as quais mostraram que as cerâmicas de BGO apresentam fases cristalinas em duas estequiometrias, a fase principal e majoritária Bi4Ge3O12 e a fase minoritária Bi12GeO20. Análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas para investigar a formação da microestrutura dos grãos com a mudança dos parâmetros de prensagem a quente. A caracterização óptica foi realizada via radioluminescência (RL), em que foi verificado que as amostras sinterizadas via prensagem a quente apresentam melhor eficiência na emissão característica do BGO. A influência das condições de sinterização na eficiência de cintilação das cerâmicas também foi investigada. / São Cristóvão, SE

Submitted by HIGOR HENRIQUE DE SOUZA OLIVEIRA null (higor6@itelefonica.com.br) on 2016-03-14T01:11:55Z No. of bitstreams: 1 Tese de Doutorado.pdf: 10715169 bytes, checksum: 67bc136f2489ae6944e6a9db6998967a (MD5) / Approved for entry into archive by Sandra Manzano de Almeida (smanzano@marilia.unesp.br) on 2016-03-15T17:52:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_hhs_dr_araiq_par.pdf: 1487328 bytes, checksum: dc6bd8f68483e98dd23a89fc9938b22d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-15T17:52:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_hhs_dr_araiq_par.pdf: 1487328 bytes, checksum: dc6bd8f68483e98dd23a89fc9938b22d (MD5) Previous issue date: 2016-02-24 / Luminescência é a emissão de luz decorrente da excitação de átomos, íons, moléculas ou materiais. Quando a excitação é realizada por radiações ionizantes, o material luminescente é denominado cintilador e possui aplicações tecnológicas relacionadas à detecção dessas radiações de alta energia. A conformação desses materiais tem impacto direto em seu custo e aplicabilidade e atualmente, há uma busca por novas conformações de materiais luminescentes para aplicação em diversos dispositivos. Sistemas bidimensionais, como filmes finos nanoestruturados, possuem potencial aplicação em nanotecnologia e os processos de auto-organização desses sistemas têm sido crescentemente estudados e empregados. Neste trabalho, as propriedades luminescentes do polioxometalato [Eu(W5O18)2]9- foram estudadas em função de sua conformação em sólido estendido, filmes de Langmuir e de Langmuir-Blodgett, com ênfase em medidas de luminescência com excitação por radiação ultravioleta ou raios X. O sólido Na9[Eu(W5O18)2].14H2O foi preparado pela mistura de soluções de tungstato de sódio e nitrato de európio em pH e temperatura adequados. Medidas de espectroscopia de fotoluminescência do sólido evidenciam a presença de íons Eu3+ ao menos em dois sítios não-centrossimétricos, sendo um deles de menor simetria com relação ao outro. Com o aumento da temperatura, as distorções provocadas pelas vibrações térmicas e pela saída das moléculas de água de hidratação diminuem a simetria local ao redor dos íons Eu3+ em ambos os sítios. As mudanças nas propriedades luminescentes decorrentes do aumento da temperatura são irreversíveis a partir de 100oC, temperatura na qual inicia-se a desidratação do sólido. A excitação via transferência de carga dos ligantes para os metais favorece a emissão proveniente dos íons Eu3+ nos sítios menos distorcidos enquanto a excitação direta nos níveis intraconfiguracionais dos íons Eu3+ favorece a emissão proveniente dos íons Eu3+ nos sítios mais distorcidos. O mecanismo de cintilação nesse sólido tem contribuição significativa do processo de transferência de energia de estados relacionados à transferência de carga para os níveis excitados dos íons Eu3+ e a eficiência desse processo diminui com a incidência de raios X, provavelmente devido à criação de defeitos eletrônicos nos grupos (W5O18)6-, levando à diminuição da eficiência do processo de absorção e transferência de energia para os íons Eu3+ e consequentemente, à diminuição da intensidade de emissão em função do tempo de exposição à radiação X. Os filmes de Langmuir do sistema misto surfactante/polioxometalato assumem empacotamento compacto, estável e parcialmente reversível na interface subfase-ar. O sistema projetado e montado pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Materiais Luminescentes para a realização de medidas de espectroscopia de fotoluminescência com excitação ultravioleta in situ na cuba de Langmuir-Blodgett permite correlacionar as propriedades luminescentes de filmes de Langmuir com os diferentes níveis de organização da monocamada, sendo uma poderosa ferramenta na caracterização desses filmes. Os filmes de Langmuir-Blodgett do sistema misto surfactante/polioxometalato foram preparados com elevada taxa de transferência e apresentam intensidade de emissão linearmente dependente do número de camadas depositadas. Nestes filmes, os íons Eu3+ ocupam ao menos dois sítios não-centrossimétricos com tempos de vida distintos e a variação da temperatura provoca alterações quase completamente reversíveis em suas propriedades luminescentes. / Luminescence is the emission of light resulting from the excitation of atoms, ions, molecules or materials. When ionizing radiation is used in the excitation, the luminescent material is called scintillator and has technological applications related to the detection of these high energy radiations. The conformation of these materials has direct impact on theirs cost and applicability and currently, there is a search for new conformations of luminescent materials for application in several devices. Two-dimensional systems, as nanostructured thin films, have potential applications in nanotechnology and the self-assembly processes of these systems have been increasingly studied and employed. In this work, the luminescent properties of the polyoxometalate [Eu(W5O18)2]9- were studied as a function of its conformation in solid bulk, Langmuir and Langmuir-Blodgett films, with emphasis on X-ray- and UV-excited luminescence measurements. Solid Na9[Eu(W5O18)2].14H2O was prepared by mixing sodium tungstate and europium nitrate solutions in suitable temperature and pH. Photoluminescence measurements of the solid sample evidence the presence of Eu3+ ions at least two non-centrosymmetric sites. With increasing temperature, the distortions caused by thermal vibration and dehydration process decrease the local symmetry around the Eu3+ at both sites. Changes in the luminescent properties are irreversible after temperatures above 100°C, temperature at which it begins the solid dehydration. Ligand to metal charge transfer excitation promotes the emission from the Eu3+ ions at less distorted site while the direct excitation in intraconfigurational levels of Eu3+ ions promote the emission from the Eu3+ ions at more distorted site. The scintillation mechanism of this solid has significant contribution of the energy transfer process from charge transfer states to the excited levels of Eu3+ ions and the efficiency of this process decreases by the incidence of X-rays, probably due to the creation of electronic defects at groups (W5O18)6-, decreasing the efficiency of the absorption and energy transfer processes and consequently, decreasing the emission intensity with the exposure to X-rays. Langmuir films of the surfactant/polyoxometalate system assume compact, stable and partially reversible packaging at the subphase-air interface. The system to performing in situ photoluminescence spectroscopy at Langmuir-Blodgett trough, designed by research group of the Luminescent Materials Laboratory, allows the correlation between the luminescent properties of Langmuir films and the monolayer organization level, being a powerful tool in the characterization of these films. Langmuir-Blodgett films of the surfactant/polyoxometalate system were prepared with high transfer rate and the films present emission intensity linearly dependent on the number of deposited layers. In these films, Eu3+ ions occupy at least two non-centrosymmetric sites with different lifetimes and the temperature variation causes almost completely reversible changes in their luminescent properties.

In the present work a new synthesis route, a hybrid between solid state reaction and proteic sol-gel method, is applied to a scintillator material based on Ca2Al2SiO7 (CAS). The luminescence mechanisms for the nanostructured scintillator is studied a mechanism that describes the luminescence process, when excited with X-rays, is proposed. The same system was also prepared via other 2 different methodologies, solid state traditional route, proteic sol-gel route, and 3 different solvents were used, for comparison in the hybrid method. In all cases the CAS phase was found as indicated by X-ray powder diffraction. During the thermal evolution of CAS precursors prepared via hybrid route assisted by coconut water, intermediate oxide phases were formed and they reacted with SiO2 to form the final CAS phase. SEM images indicated that the organic molecules present in the coconut water play an important role in the nanoparticle formation defining the average size and morphology, Samples prepared via the hybrid route showed particle with spherical shape with average size of (36 ± 15) nm. Analysis carried out via photoemission spectroscopy indicated that Si ions are the most abundant cation on surface of the particles produces via hybrid methods and solid state reaction. X-ray absorption (XAS) revealed that the Si coordination environment did not change during the synthesis. The XAS technique also indicated that the main valence for the dopants in CAS structure and the emission spectra obtained via pholuminescence and X-ray excited optical luminescence (XEOL) confirmed that the main emissions are related to the dopants on the CAS matrix. Extended X-ray absorption fine structure revealed the location of the dopants in the CAS matrix, and the most probable defect generated for the dopant presence. XEOL excitation spectra showed different behaviors for the luminescence around K edge of the matrix elements. The XEOL decay time indicated that fast scintillators were produced when CAS were doped with Ce3+ with characteristic constants lower than 40 ns. The results time dependent XEOL emission also showed that the luminescence decay curves are influenced by the presence of electrons and holes shallow traps in the CAS electronic structure. / No presente trabalho uma nova rota de síntese, híbrida entre as sínteses de estado sólido e sol-gel proteico, é aplicada a um material cintilador baseado na matriz cristalina Ca2Al2SiO7 (CAS). Adicionalmente, o mecanismo de luminescência destes cintiladores nanoestruturados é estudado e um modelo é proposto. Para efeito de comparação com a rota de síntese híbrida, amostras foram também preparadas por sol-gel proteico e síntese de estado sólido, e com a variação do solvente na síntese híbrida. Os resultados de difração de raios X mostraram que as amostras apresentaram a fase cristalina de Ca2Al2SiO7 após calcinação acima de 1300°C. Durante a evolução térmica dos precursores preparados pelo método híbrido assistido por água de coco, fases cristalinas intermediárias são formadas e estas reagem com o SiO2, até a formação do CAS. As imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura indicaram que as moléculas orgânicas presentes na água de coco são decisivas no controle do tamanho e morfologia das nanopartículas obtidas pelo método híbrido, e as partículas apresentam formato esférico e tamanho médios de (36 ± 15) nm. A espectroscopia de fotoemissão revelou que o Si é o elemento mais abundante na superfície das amostras produzidas pelos métodos híbridos e síntese de estado sólido. Enquanto a absorção de raios X (XAS) mostrou que a coordenação do Si não muda durante a síntese. A XAS também indicou as valências mais abundantes dos íons dopantes do CAS e os espectros de emissão fotoluminescente e de luminescência óptica estimulada por raios X (XEOL) confirmaram que estes são os canais luminescentes dos materiais. Com a análise da estrutura fina de absorção de raios X foi possível localizar os sítios ocupados pelos dopantes no CAS, assim como estimar o tipo de defeito mais provável, gerado pela presença destes íons. Os espectros de excitação XEOL mostraram comportamentos diferentes para a luminescência na região das bordas K de absorção dos elementos da matriz. As medidas de tempo de decaimento da luminescência indicaram a obtenção de cintiladores muito rápidos, com constantes características menores que 40 ns em todas as amostras que contém Ce3+ e que o processo de decaimento também está associado à presença de armadilhas de portadores de cargas na estrutura eletrônica do material.

Luminóforos inorgânicos contendo Terras Raras (TR) apresentam um papel importante como detectores de radiação ionizante, aplicados em diagnósticos médicos por imagem, como radiologia e tomografia. A função dos luminóforos é transformar os fótons da radiação de alta energia absorvidos (raios X ou ?) em fótons de luz visível, promovendo melhor qualidade de imagem e, conseqüentemente menor tempo de exposição do paciente à radiação. Os luminóforos de TR consistem de uma matriz hospedeira onde estão presentes íons de TR como Lu, La, Y ou Gd e de um íon ativador (que emite luz na região visível do espectro) como Eu3+, Tb3+, Tm3+ ou Ce3+, por exemplo. Luminóforos contendo íons Ce3+ como ativador são alvo de várias pesquisas relacionadas com detecção de radiação ionizante, devido às rápidas transições 5 d ? 4 f (tempo de resposta de ~ 10 a 100 ns) e emissão de luz na região do azul ou verde, requisitos esperados para um eficiente luminóforo para tal aplicação. Este trabalho apresenta a preparação de luminóforos de TR, dopados com Ce3+ ou Tm3+, na forma de pó, por diferentes métodos de síntese, como os métodos de combustão e Pechini e também por processo sol-gel. Aluminatos de TR (Lu3Al5O12 e Y3Al5O12) dopados com cério ou túlio foram obtidos pela reação de combustão entre precursores nitrato com uréia ou glicina sob aquecimento, ou pela síntese de polímeros de ácido cítrico com etilenoglicol contendo íons TR e alumínio (método Pechini). Em ambos os métodos os compostos foram obtidos por calcinação a temperaturas baixas quando comparadas às dos métodos convencionais. Silicatos de TR (Gd2SiO5, Lu2SiO5 e Y2SiO5) dopados com cério ou túlio foram preparados pelo método sol-gel convencional, por reação entre tetraetóxisilano (TEOS), etanol, água e nitratos metálicos, sob catálise básica, e por um método sol-gel modificado utilizando um polímero precursor. Neste último procedimento, TEOS, etanol e água reagiram juntamente com um sal orgânico de TR, álcool polivinílico (PVA) e uréia como combustível, produzindo um gel. Posterior calcinação levou à formação do silicato. A caracterização dos compostos foi realizada por análises de difratometria de raios X pelo método do pó (DRX), microscopia de eletrônica de varredura (MEV) ou de transmissão (MET), EDX, excitação e emissão no UV-Vis e tempo de vida de luminescência. Para os aluminatos dopados com cério foram ainda realizados espectros de emissão sob excitação por raios X. Os métodos de síntese utilizados se mostraram eficientes para obtenção de luminóforos na forma de pó nanométrico, com exceção do método sol-gel modificado, pois para algumas amostras observou-se a formação de mistura de fases. Os compostos dopados com cério apresentaram excitação e emissão características desse íon na região do verde ou azul do espectro visível, dependendo da matriz, com tempos de vida menores que 100 ns. Já aqueles dopados com túlio apresentaram emissão característica do íon, na região do azul, porém com tempos de vida da ordem de microssegundos. / Rare Earth (RE) inorganic phosphors play an important role as ionizing radiation detectors when applied to medical imaging techniques like radiology and tomography. These phosphors is to convert the high energy radiation absorbed photons (X or ?-rays) into visible photons, leading to better quality images and reducing the time the patient is exposed to radiation. RE phosphors consist of a host lattice where RE ions such as Lu, La, Y, or Gd are present, as well as activator ions (which emit light in the visible range of the spectrum) such as Eu3+, Tb3+, Tm3+, or Ce3+. Cerium-doped phosphors have been the target of several researches related with ionizing radiation detection due to their 5d - 4 f fast transitions (decay time in the ~ 10 to 100 ns range) and due to the fact that they emit light in the blue or green region of the spectrum, which is required for to the efficient phosphors to be applied in the detection of X or ?-rays. This work presents the synthesis of RE phosphor powders doped with Ce3+ or Tm3+, through different synthetic methods: combustion, Pechini, and sol-gel. RE aluminates (Lu3Al5O12 and Y3Al5O12) doped with Ce or Tm were prepared by combustion reaction between nitrate precursors and urea or glycine under heating. They were also obtained via the synthesis of polymers using citric acid, ethileneglycol, RE3+ and Al3+ ions (Pechini method). In both cases, the compounds were obtained by calcination at lower temperatures than those used inconventional methods. RE silicates (Gd2SiO5, Lu2SiO5 e Y2SiO5) doped with Ce or Tm were synthesized by the conventional sol-gel method using tetraethoxisylane (TEOS), ethanol and water, under basic catalysis, and also by a modified sol-gel route that uses a polymeric precursor. In the latter one, TEOS, ethanol and water were reacted with an organic RE salt, polyvinyl alcohol (PVA), and urea was used as fuel, thus yielding a gel. After calcination, we observed silicate formation. Characterization of the compounds was performed by X-ray diffractometry (XRD ? powder method), scanning or transmission electron microscopy (SEM or TEM), energy dispersive X-ray (EDX), luminescence spectroscopy in the UV-Vis range and lifetime analyses. For the cerium doped aluminates, emission spectra under X-ray excitation were also obtained. The synthetic methods used here showed to be efficient for the preparation of nanometric phosphor powders except for the modified sol-gel route, because in this case formation of a mixture of phases was observed for some samples. The Ce-doped compounds exhibited excitation and emission features of this ion in either the green or blue region of the visible spectrum, depending on the matrix, with lifetime values lower than 100 ns. However, the Tm-doped compounds displayed the blue emission typical of Tm ions, but the lifetime values were in the range of microseconds.

Submitted by Marcele Costal de Castro (costalcastro@gmail.com) on 2017-09-27T15:49:43Z No. of bitstreams: 1 CESAR MARQUES SALGADO D.PDF: 3287236 bytes, checksum: e8cb423520d25b201049a40e5dc0babf (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-27T15:49:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CESAR MARQUES SALGADO D.PDF: 3287236 bytes, checksum: e8cb423520d25b201049a40e5dc0babf (MD5) Previous issue date: 2010-02 / Este trabalho apresenta uma nova metodologia baseada nos princípios de atenuação de raios gama, por meio de simulações de Monte Carlo (MC), e redes neurais artificiais (RNAs) supervisionadas para predições de frações de volume e identificação de regimes de fluxo em sistemas multifásicos tipo, gás, água e óleo encontrados na indústria petrolífera off-shore. O princípio baseia-se no reconhecimento das distribuições de altura de pulsos obtidas por detectores cintiladores que são utilizadas inteiramente para alimentar de forma simultânea as RNAs. As curvas-resposta (resolução energética e eficiência) de um detector real são consideradas. O sistema de detecção simulado utiliza dois detectores NaI(Tl) e duas energias de raios gama com feixe largo. A geometria proposta considera os feixes transmitido e espalhado tornando o sistema menos dependente do regime de fluxo. O conjunto de padrões necessário para treinamento e avaliação das RNAs foi gerado por meio do código computacional MCNP-X baseado no método de MC a partir de modelos teóricos ideais e estáticos de regimes multifásicos - anular, estratificado e homogêneo. As RNAs mapearam adequadamente os dados simulados com as frações de volume sem a necessidade do conhecimento, a priori, do regime de fluxo. As RNAs identificaram corretamente todos os regimes com predição satisfatória das frações de volume em sistemas multifásicos indicando a possibilidade de aplicação desta metodologia para tal propósito. / This work presents a new methodology for flow regimes identification and volume fractions prediction in gas-water-oil multiphase systems found in off-shore petroleum industry. The approach is based on gamma-ray pulse height distributions (PHDs) pattern recognition by means the artificial neural networks (ANNs). The detection system uses appropriate fan beam geometry, comprised of a dual-energy gamma-ray source and two NaI(Tl) detectors adequately positioned in order calculate transmitted and scattered beams, which makes it less dependent on the flow regime. The system comprises four ANNs, the first identifies the flow regime and the other three ANNs are specialized in volume fraction prediction for each specific regime. The PHDs are directly used by the ANNs without any parameterization of the measured signal. The energy resolution and efficiency of NaI(Tl) detectors are also considered on the mathematical model. The ideal and static theoretical models for annular, stratified and homogenous flow regimes have been developed using MCNP-X mathematical code (simulations by means of Monte Carlo method), which was used to provide training, test and validation data for the ANNs. The proposed ANNs could correctly identified all three different regimes with satisfactory prediction of volume fraction in gas-water-oil multiphase system demonstrating to be a promising approach for this purpose.

Luminóforos inorgânicos contendo Terras Raras (TR) apresentam um papel importante como detectores de radiação ionizante, aplicados em diagnósticos médicos por imagem, como radiologia e tomografia. A função dos luminóforos é transformar os fótons da radiação de alta energia absorvidos (raios X ou ?) em fótons de luz visível, promovendo melhor qualidade de imagem e, conseqüentemente menor tempo de exposição do paciente à radiação. Os luminóforos de TR consistem de uma matriz hospedeira onde estão presentes íons de TR como Lu, La, Y ou Gd e de um íon ativador (que emite luz na região visível do espectro) como Eu3+, Tb3+, Tm3+ ou Ce3+, por exemplo. Luminóforos contendo íons Ce3+ como ativador são alvo de várias pesquisas relacionadas com detecção de radiação ionizante, devido às rápidas transições 5 d ? 4 f (tempo de resposta de ~ 10 a 100 ns) e emissão de luz na região do azul ou verde, requisitos esperados para um eficiente luminóforo para tal aplicação. Este trabalho apresenta a preparação de luminóforos de TR, dopados com Ce3+ ou Tm3+, na forma de pó, por diferentes métodos de síntese, como os métodos de combustão e Pechini e também por processo sol-gel. Aluminatos de TR (Lu3Al5O12 e Y3Al5O12) dopados com cério ou túlio foram obtidos pela reação de combustão entre precursores nitrato com uréia ou glicina sob aquecimento, ou pela síntese de polímeros de ácido cítrico com etilenoglicol contendo íons TR e alumínio (método Pechini). Em ambos os métodos os compostos foram obtidos por calcinação a temperaturas baixas quando comparadas às dos métodos convencionais. Silicatos de TR (Gd2SiO5, Lu2SiO5 e Y2SiO5) dopados com cério ou túlio foram preparados pelo método sol-gel convencional, por reação entre tetraetóxisilano (TEOS), etanol, água e nitratos metálicos, sob catálise básica, e por um método sol-gel modificado utilizando um polímero precursor. Neste último procedimento, TEOS, etanol e água reagiram juntamente com um sal orgânico de TR, álcool polivinílico (PVA) e uréia como combustível, produzindo um gel. Posterior calcinação levou à formação do silicato. A caracterização dos compostos foi realizada por análises de difratometria de raios X pelo método do pó (DRX), microscopia de eletrônica de varredura (MEV) ou de transmissão (MET), EDX, excitação e emissão no UV-Vis e tempo de vida de luminescência. Para os aluminatos dopados com cério foram ainda realizados espectros de emissão sob excitação por raios X. Os métodos de síntese utilizados se mostraram eficientes para obtenção de luminóforos na forma de pó nanométrico, com exceção do método sol-gel modificado, pois para algumas amostras observou-se a formação de mistura de fases. Os compostos dopados com cério apresentaram excitação e emissão características desse íon na região do verde ou azul do espectro visível, dependendo da matriz, com tempos de vida menores que 100 ns. Já aqueles dopados com túlio apresentaram emissão característica do íon, na região do azul, porém com tempos de vida da ordem de microssegundos. / Rare Earth (RE) inorganic phosphors play an important role as ionizing radiation detectors when applied to medical imaging techniques like radiology and tomography. These phosphors is to convert the high energy radiation absorbed photons (X or ?-rays) into visible photons, leading to better quality images and reducing the time the patient is exposed to radiation. RE phosphors consist of a host lattice where RE ions such as Lu, La, Y, or Gd are present, as well as activator ions (which emit light in the visible range of the spectrum) such as Eu3+, Tb3+, Tm3+, or Ce3+. Cerium-doped phosphors have been the target of several researches related with ionizing radiation detection due to their 5d - 4 f fast transitions (decay time in the ~ 10 to 100 ns range) and due to the fact that they emit light in the blue or green region of the spectrum, which is required for to the efficient phosphors to be applied in the detection of X or ?-rays. This work presents the synthesis of RE phosphor powders doped with Ce3+ or Tm3+, through different synthetic methods: combustion, Pechini, and sol-gel. RE aluminates (Lu3Al5O12 and Y3Al5O12) doped with Ce or Tm were prepared by combustion reaction between nitrate precursors and urea or glycine under heating. They were also obtained via the synthesis of polymers using citric acid, ethileneglycol, RE3+ and Al3+ ions (Pechini method). In both cases, the compounds were obtained by calcination at lower temperatures than those used inconventional methods. RE silicates (Gd2SiO5, Lu2SiO5 e Y2SiO5) doped with Ce or Tm were synthesized by the conventional sol-gel method using tetraethoxisylane (TEOS), ethanol and water, under basic catalysis, and also by a modified sol-gel route that uses a polymeric precursor. In the latter one, TEOS, ethanol and water were reacted with an organic RE salt, polyvinyl alcohol (PVA), and urea was used as fuel, thus yielding a gel. After calcination, we observed silicate formation. Characterization of the compounds was performed by X-ray diffractometry (XRD ? powder method), scanning or transmission electron microscopy (SEM or TEM), energy dispersive X-ray (EDX), luminescence spectroscopy in the UV-Vis range and lifetime analyses. For the cerium doped aluminates, emission spectra under X-ray excitation were also obtained. The synthetic methods used here showed to be efficient for the preparation of nanometric phosphor powders except for the modified sol-gel route, because in this case formation of a mixture of phases was observed for some samples. The Ce-doped compounds exhibited excitation and emission features of this ion in either the green or blue region of the visible spectrum, depending on the matrix, with lifetime values lower than 100 ns. However, the Tm-doped compounds displayed the blue emission typical of Tm ions, but the lifetime values were in the range of microseconds.

Cintiladores inorgânicos com tempo de decaimento de luminescência rápido, densidade alta e boa produção de luz têm sido objeto de estudos para aplicações em física nuclear, física de energias altas, tomografia nuclear e outros campos da ciência e da engenharia. Cristais de cintilação baseados em iodeto de césio (Csl) são materiais que apresentam higroscopia relativamente baixa, número atômico alto, fácil manuseio e custo baixo, características que favorecem o seu uso como detectores de radiação. Neste trabalho descreve-se a obtenção de cristais Csl puro, Csl:Br e Csl:Pb, utilizando-se a técnica de Bridgman. A concentração do elemento dopante bromo (Br) foi estudada no intervalo de 1,5x10-1 M a 10-2 M e o elemento chumbo (Pb) no intervalo de 10-2 M a 5x10-4 M. Para avaliar os cintiladores desenvolvidos foram efetuadas medidas sistemáticas de emissão de luminescência e tempo de decaimento de luminescência para a radiação gama, ensaios de transmitância óptica, ensaios de microdureza Vickers, determinações da distribuição dos dopantes ao longo dos cristais crescidos e análise da resposta dos cristais à radiação gama no intervalo de energia de 350 keV a 1330 keV e partículas alfa provenientes de fonte de 241Am com energia de 5,54 MeV. Os resultados obtidos de tempo de decaimento de luminescência para os cristais CsI:Br e CsI:Pb, no intervalo de 13 ns a 19 ns, mostraram-se promissores para medidas de alta energia. O estudo de microdureza mostrou um aumento significativo em função da concentração dos elementos dopantes, quando comparado ao cristal Csl puro, melhorando desta forma a resistência mecânica dos cristais crescidos. A validade de utilização desses cristais como sensores de radiação para medidas de radiação gama e partículas alfa, pode ser demonstrada pelos resultados da resposta à radiação. / Inorganic scintillators with fast luminescence decay time, high density and high light output have been the object of studies for application in nuclear physics, high energy physics, nuclear tomography and other fields of science and engineering. Scintillation crystals based on cesium iodide (CsI) are matters with relatively low higroscopy, high atomic number, easy handling and low cost, characteristics that favor their use as radiation detectors. In this work, the growth of pure CsI crystals, CsI:Br and CsI:Pb, using the Bridgman technique, is described. The concentration of the bromine doping element (Br) was studied in the range of 1,5x10-1 M to 10-2 M and the lead (Pb) in the range of 10-2 M to 5x10-4 M. To evaluate the scintillators developed, systematic measurements were carried out for luminescence emission and luminescence decay time for gamma radiation, optical transmittance assays, Vickers micro-hardness assays, determination of the doping elements distribution along the grown crystals and analysis of crystals response to the gamma radiation in the energy range of 350 keV to 1330 keV and alpha particles from a 241Am source, with energy of 5.54 MeV. It was obtained 13 ns to 19 ns for luminescence decay time for CsI:Br and CsI:Pb crystals. These results were very promising. The results obtained for micro-hardness showed a significant increase in function of the doping elements concentration, when compared to the pure CsI crystal, increasing consequently the mechanical resistance of the grown crystals. The validity of using these crystals as radiation sensors may be seen from the results of their response to gamma radiation and alpha particles.

Cintiladores inorgânicos com tempo de decaimento de luminescência rápido, densidade alta e boa produção de luz têm sido objeto de estudos para aplicações em física nuclear, física de energias altas, tomografia nuclear e outros campos da ciência e da engenharia. Cristais de cintilação baseados em iodeto de césio (Csl) são materiais que apresentam higroscopia relativamente baixa, número atômico alto, fácil manuseio e custo baixo, características que favorecem o seu uso como detectores de radiação. Neste trabalho descreve-se a obtenção de cristais Csl puro, Csl:Br e Csl:Pb, utilizando-se a técnica de Bridgman. A concentração do elemento dopante bromo (Br) foi estudada no intervalo de 1,5x10-1 M a 10-2 M e o elemento chumbo (Pb) no intervalo de 10-2 M a 5x10-4 M. Para avaliar os cintiladores desenvolvidos foram efetuadas medidas sistemáticas de emissão de luminescência e tempo de decaimento de luminescência para a radiação gama, ensaios de transmitância óptica, ensaios de microdureza Vickers, determinações da distribuição dos dopantes ao longo dos cristais crescidos e análise da resposta dos cristais à radiação gama no intervalo de energia de 350 keV a 1330 keV e partículas alfa provenientes de fonte de 241Am com energia de 5,54 MeV. Os resultados obtidos de tempo de decaimento de luminescência para os cristais CsI:Br e CsI:Pb, no intervalo de 13 ns a 19 ns, mostraram-se promissores para medidas de alta energia. O estudo de microdureza mostrou um aumento significativo em função da concentração dos elementos dopantes, quando comparado ao cristal Csl puro, melhorando desta forma a resistência mecânica dos cristais crescidos. A validade de utilização desses cristais como sensores de radiação para medidas de radiação gama e partículas alfa, pode ser demonstrada pelos resultados da resposta à radiação. / Inorganic scintillators with fast luminescence decay time, high density and high light output have been the object of studies for application in nuclear physics, high energy physics, nuclear tomography and other fields of science and engineering. Scintillation crystals based on cesium iodide (CsI) are matters with relatively low higroscopy, high atomic number, easy handling and low cost, characteristics that favor their use as radiation detectors. In this work, the growth of pure CsI crystals, CsI:Br and CsI:Pb, using the Bridgman technique, is described. The concentration of the bromine doping element (Br) was studied in the range of 1,5x10-1 M to 10-2 M and the lead (Pb) in the range of 10-2 M to 5x10-4 M. To evaluate the scintillators developed, systematic measurements were carried out for luminescence emission and luminescence decay time for gamma radiation, optical transmittance assays, Vickers micro-hardness assays, determination of the doping elements distribution along the grown crystals and analysis of crystals response to the gamma radiation in the energy range of 350 keV to 1330 keV and alpha particles from a 241Am source, with energy of 5.54 MeV. It was obtained 13 ns to 19 ns for luminescence decay time for CsI:Br and CsI:Pb crystals. These results were very promising. The results obtained for micro-hardness showed a significant increase in function of the doping elements concentration, when compared to the pure CsI crystal, increasing consequently the mechanical resistance of the grown crystals. The validity of using these crystals as radiation sensors may be seen from the results of their response to gamma radiation and alpha particles.