Cintiladores orgânicos

A detecção de radiação ionizante por produção de luz em determinados materiais é uma das técnicas mais antigas. O processo de cintilação mantém-se como um dos métodos disponíveis mais úteis para a detecção e espectroscopia de uma grande variedade de radiações [4]. Os materiais ideais de cintilação devem possuir entre as principais propriedades físicas as seguintes [3, 4]:

- elevada densidade e _{, que garantem uma elevada eficiência de detecção. Para o PET maior} eficiência traduz-se na possibilidade de usar cristais de menores dimensões, o que significa uma melhor resolução espacial do tomógrafo.

- elevada eficiência de cintilação, resultante de uma boa conversão da energia da radiação incidente em luz detectável. Esta conversão deve ser linear ou seja, o número de fotões produzidos deve ser proporcional à energia depositada na maior gama possível. Isto permite uma boa resolução em energia do cristal e logo do sistema de detecção, o que consequentemente possibilita que sistemas PET comerciais com vários anéis de detectores efectuem uma melhor discriminação dos fotões que tenham sofrido dispersão de Compton no corpo.

- curto tempo de cintilação, descrito normalmente pela constante de tempo de decaimento de cintilação, que se traduz num baixo tempo morto do sistema e desta forma numa melhor taxa de contagens de eventos. Este factor é essencial em imagem clínica de PET pois permite o uso eficiente da actividade injectada, tornando o tempo de realização do exame o mais curto possível. Isto é, não comprometendo a qualidade da imagem, o paciente passa menos tempo imóvel na cama do tomógrafo. Esta propriedade influencia directamente a resolução temporal (incerteza do momento de detecção), da qual depende a escolha da largura da janela de tempo de coincidências, e assim da taxa de coincidências acidentais.

Estes materiais ideais devem ainda possuir uma boa qualidade óptica e um índice de refracção próximo do índice do vidro ( _{1,5), de forma a permitirem o acoplamento eficiente da luz} de cintilação ao tubo fotomultiplicador. Outro critério a ter em conta é a facilidade de manusear e fabricar um determinado cristal. Por exemplo o NaI cristalino é um cintilador higroscópico comum ou seja, a sua exposição ao vapor de água leva a que o cristal transparente se torne num pó opaco e por esta razão tem de ser selado. Por outro lado, os cintiladores plásticos podem ser cortados com uma serra vulgar podendo ser concebidos em qualquer forma e tamanho desejados [3, 22].

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Nenhum material reúne simultaneamente todos os critérios e a escolha de um cintilador particular é sempre um compromisso entre estes factores. Os cintiladores inorgânicos tendem a ter um melhor rendimento luminoso e linearidade, mas salvo raras excepções são relativamente lentos na sua resposta em tempo. Já os cintiladores orgânicos são geralmente rápidos mas produzem menos luz [4]. Para sistemas PET, o iodeto de sódio (NaI), fluoreto de bário (BaF2) e óxido de germânio e bismuto (BGO) proporcionam uma escolha adequada a um custo razoável [3].

Mecanismo de cintilação nos orgânicos

Nos cintiladores orgânicos as interacções entre as moléculas são relativamente fracas, podendo as suas propriedades serem discutidas em termos dos

estados excitados discretos das moléculas. Os níveis de energia electrónicos destas moléculas, correspondentes a uma série de estados singletos S0, S1, S2, (…), encontram-se ilustrados na Figura 2.7. Para moléculas como as dos cintiladores orgânicos, a diferença de energia entre S0 e S1 é de 3 ou 4 eV, enquanto a diferença entre estados superiores é normalmente menor. Cada uma destas configurações electrónicas está subdividida em séries de níveis, com uma diferença de energia muito menor entre si, correspondentes aos vários estados vibracionais da molécula. A diferença de energia típica entre estes níveis é da ordem dos 0,15 eV. A distinção entre estes estados vibracionais recorre ao uso da nomenclatura Sxx, onde S00 representa o estado vibracional mais baixo do estado electrónico fundamental.

Devido ao facto de a diferença de energia entre estados vibracionais ser maior que a energia térmica média 0,025 eV, quase todas as moléculas à temperatura ambiente se encontram no estado S00, já que a probabilidade de ocupação de um dado estado de energia _{é proporcional a} . Ao absorver energia os electrões da molécula transitam para estados excitados, tal como indicado pelas setas que apontam para cima. Os estados electrónicos singletos acima de S1, rapidamente se desexcitam (em tempos da ordem dos picosegundos) para o estado electrónico S1 sem emissão de radiação. Além disso qualquer estado com energia vibracional em excesso (como os S11 e S12), não se encontra em equilíbrio térmico com os seus vizinhos e de novo perde rapidamente essa energia vibracional. Por conseguinte, o efeito final do processo de excitação num cristal orgânico simples é a produção de uma população de moléculas excitadas predominantemente no estado S10.

A luz de cintilação é emitida nas transições entre o estado S10 e um dos estados vibracionais do estado electrónico fundamental. Estas transições são indicadas pelas setas que apontam para baixo na Figura 2.7, e têm tempos de decaimento da ordem dos nanosegundos.

O processo de fluorescência surge de transições entre níveis de energia de uma determinada espécie molecular e pode ser observado independente do estado físico do material.

Figura 2.7 Níveis de energia de uma

A Figura 2.7 pode também ser usada para explicar o porquê de os cintiladores orgânicos serem transparentes à sua própria emissão de fluorescência - característica importante de um cintilador. As setas que apontam para cima, correspondem às energias dos fotões que serão fortemente absorvidos pelo material. Devido ao facto de todas as transições de fluorescência representadas pelas seta que apontam para baixo (com a excepção S10 – S00) terem uma energia mais baixa que o mínimo necessário para a excitação, a sobreposição entre a absorção óptica e o espectro de emissão é muito pequena, o que consequentemente leva à baixa auto-absorção de fluorescência.

A eficiência de cintilação de qualquer cintilador, é definida como a fracção de todas as partículas de energia incidente que é convertida em luz visível. Idealmente deseja-se que esta eficiência seja o maior possível, mas infelizmente encontram-se disponíveis modos alternativos de desexcitação que não envolvem a emissão de luz e nos quais a excitação é degradada principalmente por libertação de calor. Na fabricação e uso de cintiladores orgânicos, é muitas vezes importante a eliminação de impurezas (como por exemplo o oxigénio dissolvido nos cintiladores líquidos), que degradam o rendimento luminoso ao permitirem estes mecanismos alternativos [4, 22].