D IFRAÇÃO DE R AIOS

A difratometria de raios-X foi empregada de modo a se determinar a es- trutura cristalina de amostras produzidas em diferentes temperaturas de calci- nação. Esta etapa da pesquisa foi necessária para se determinar uma tempera- tura suficientemente baixa para que amostras de alta qualidade de pureza e uniformidade estrutural fossem obtidas. Assim, podemos determinar uma me- lhor seqüência no processo de produção.

Os difratogramas de raios-X foram produzidos utilizando o modelo Mini- flex da Rigaku Inc. (Figura 14) da Central Analítica do Instituto de Química da

USP. O ângulo de varredura foi de 0 a 90º. Intensidade detectada para ângulo menor que 12º é produzido pelo porta-amostra.

Figura 14. Difratômetro de raios-X da Rigaku Inc. mode- lo Miniflex para amostras em pó ou filme fino 2.

3.2.3IRRADIAÇÕES

Irradiações controladas visam simular o comportamento e propriedades exibidas pelos dosímetros. Assim, diferentes fontes de radiação podem ser empregadas de modo a estudar o comportamento da resposta luminescente do material em estudo.

O objetivo é permitir que o dosímetro acumule certa quantidade de ener- gia mediante a exposição deste a uma fonte calibrada, ou seja, com taxa de irradiação (dGy/dt) conhecida.

Como já citado anteriormente, a energia é acumulada na forma de por- tadores móveis (elétrons e buracos) aprisionados em estados quânticos meta- estáveis gerados por imperfeições do cristal (defeitos intrínsecos e extrínse- cos), também chamados de centros de aprisionamento.

A interação do fóton de alta energia incidente com a matéria depende tanto da própria energia do feixe incidente quanto dos átomos que compõem o material cerâmico. Desse princípio vem o interesse em se fazer o estudo das propriedades utilizando diferentes fontes de radiação.

2

Imagem obtida da página virtual Central Analítica do Instituto de Química da USP.

Neste trabalho, duas radiações diferentes foram empregadas: a radia- ção-γ e os raios-X; sendo estas duas das principais radiações empregadas em diversas ramificações da ciência, medicina e indústria. Alguns exemplos de aplicações dessas radiações são:

· Medicina: radiodiagnóstico, radioterapia, descontaminação, etc; · Indústria: beneficiamento de alimentos, geração de energia, etc; · Ciência: análise de materiais e alteração de propriedades físico-

químicas de materiais.

Ambas as radiações se referem a um espectro muito largo de energias, que dependem da sua fonte de geração. A fonte de radiação-γ usada é uma pastilha de elemento cobalto (60Co), que emite fótons de duas energias especí- ficas, relacionadas ao seu decaimento nuclear, 1,13 e 1,33 MeV. Durante a irradiação, a amostra é posicionada a certa distância da fonte, que se encontra no meio de uma mesa demarcada (Figura 15). Dependendo da distância entre a fonte e o material, este estará sujeito a certa taxa de irradiação conhecida.

Figura 15. Fonte panorâmica de irradiação-g, empregan- do pastilha de cobalto (60Co). CTR, IPEN-CNEN 3.

Para doses muito altas, acima de 5 kGy, um outro irradiador é usado, denominado gammacell (Figura 16). A distância entre fonte e amostra é fixa neste equipamento. As calibrações de ambos os equipamentos são apresenta- dos na Tabela 1. Ambas as fontes de radiação-γ são pertencentes ao Centro

3

de Tecnologia das Radiações (CTR) do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN-CNEN).

Figura 16. Fonte para irradiação-γ para altas doses Gammacell. CTR, IPEN-CNEN. [20]

Tabela 1. Configurações de irradiação para doses bai- xas, intermediárias e altas.

Equipamento Mesa panorâmica (60Co)

Doses até 5 Gy Distância da fonte: 40 cm Taxa de irradiação: 33,2 Gy/h

Doses acima de 5 Gy até 1,0 kGy Distância da fonte: 10 cm Taxa de irradiação: 237,5 Gy/h

Equipamento Gammacell

Doses acima de 1,0 kGy Distância da fonte: constante Taxa de irradiação: 2640 Gy/h

Como o cobalto-60 possui meia-vida muito inferior aos isótopos radioati- vos mais conhecidos, como o urânio-235, calibrações são feitas periodicamen- te. No entanto, como a série de irradiações feitas para este trabalho se refere a um período relativamente curto, podemos considerar que as calibrações do próprio irradiador são suficientes para manter um erro desprezível.

As irradiações com raios-X foram realizadas no Centro de Metrologia das Radiações no IPEN, com o equipamento apresentado na Figura 17.

Figura 17. Fonte de raios-X utilizado para exposição de material. Centro de Metrologia das Radiações, IPEN. [20]

Para as medidas de emissão TL no espectro visível, para determinação da composição da alumina dopada de maior sensibilidade, a configuração do equipamento está descrita na Tabela 2. Uma mesma dose de 3 Gy foi aplicada às cinco amostras.

Tabela 2. Parâmetros de irradiação com raios-X para amostras com diferentes concentrações de magnésio.

Tensão 50 kV

Energia efetiva 27,15 keV

Camada semi-redutora 1,79 mmAl

Taxa de Kerma no Ar 24,06 mGy/min

Para as medidas de dependência energética, a tensão de aceleração do canhão de elétrons é aumentada para alterar a energia efetiva, mantendo a mesma dose de 3 Gy. Vide a Tabela 3.

Tabela 3. Parâmetros para irradiação das amostras para estudo da dependência energética.

Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Tensão (kV) 50 70 90 120 150 Energia Efetiva (keV) 27,15 30,15 33,05 37,05 40,75 Camada Semi-redutora (mmAl) 1,79 2,35 2,95 3,84 4,73 Taxa de Kerma no Ar (mGy/min) 24,06 47,17 74,51 121,8 175,19 3.2.4TERMOLUMINESCÊNCIA

Amostras dopadas foram irradiadas com fontes de radiação-γ (60Co) e raios-X para fazer medidas de calibração, depleção natural e dependência e- nergética. Para tanto, amostras foram irradiadas com radiação-γ nas doses 1, 2, 3, 4 e 5 Gy e raios-X de energias 27,15; 30,15; 33,05; 37,05 e 40,75 keV com dose única de 3 Gy.

As emissões termoluminescentes foram tomadas em um equipamento TL/OSL automated reader modelo 1100-series da Daybreak Nuclear and Medi- cal Systems Inc. (Figura 18 e Figura 19), utilizando filtros ópticos Schott BG-39 (296-630 nm) e Schott U-340 (267-377,5 nm) (Figura 20), para medidas de e- missão no espectro visível e ultravioleta (UV), respectivamente. A taxa de a- quecimento foi de 5°C/s para todas as análises, em ambiente de nitrogênio. As curvas de emissão TL mostradas no item Resultados mostram a variação da intensidade de emissão em função da temperatura da amostra; para cada a- mostra de mesma dose são preparadas de duas a cinco alíquotas distintas, para que haja controle estatístico da análise e descarte, caso ocorra alguma variação além do normal. Cada alíquota representa a emissão de cerca de 5 mg de material para medidas de emissão no espectro visível com doses baixas e 1,8 mg para as demais.

Figura 18. Equip cal and Nuclear S

Figura 19. Detalh

Figura 20. Filtro TL/OSL para me Schott U-340 e S

Nas medidas de calibra equipamento), procurando de

4

Imagem de equipamento e – SP.

uipamento de TL/OSL da Daybreak Medi- r Systems Inc. 4.

talhe interior do equipamento de TL/OSL 4.

tros ópticos utilizados no equipamento de medidas no espectro UV (A) e visível (B),

Schott BG-39, respectivamente 4.

ibração, o aquecimento é feito até 480°C (lim definir todos os picos de emissão existentes

o e acessórios do Laboratório de Vidros e Datação da Prato de aquecimento

Porta-amostras

(limite do tes. Além

disso, a variação da dose absorvida permite traçar a curva de crescimento dos picos de emissão TL, o que é da maior importância no que se refere à dosime- tria das radiações.

Algumas das medidas de calibração foram limitadas a 300ºC, para se ter uma melhor definição do pico de emissão TL de baixa temperatura e melhor ajuste da curva de calibração.

Para medidas de decaimento natural, 11 porções de amostras irradiadas com radiação-γ com dose de 5 Gy foram analisadas ao longo da primeira se- mana e das 10 semanas seguintes. Para que não houvesse qualquer tipo de influência da luz ambiente, a cada medida era usada uma porção diferente, enquanto que as demais permaneciam seladas, mantidas em local ao abrigo da luz branca.

3.2.5MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA

A análise por MEV foi empregada para determinar o tamanho médio das partículas ou aglomerados formados pelo método do precursor polimérico na produção do óxido de alumínio e óxido de alumínio dopado. Desta forma, não só podemos caracterizar os aglomerados quanto a sua forma e dimensão, co- mo também a variação desses parâmetros de acordo com o nível de dopagem à qual a amostra foi sujeita.

O equipamento utilizado na produção de imagens é o modelo Nova 400 NanoSEM (Figura 21) produzido pela FEI Company, recém adquirido pelo De- partamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP.

A principal vantagem apresentada na utilização do equipamento é a possibilidade da obter imagens de ultra-alta resolução de um material isolante, o que é, geralmente, dificultado pelo próprio princípio da técnica, como já discu- tido no item Introdução Teórica.

Na Figura 22, é possível observar a configuração física do equipamento para produção das imagens. Cada uma das amostras produzidas foi espalhada sobre a superfície de uma fita auto-adesiva de carbono, que propiciou o contato elétrico com o porta-amostra do equipamento.

Figura 21. Equi varredura FEI No Figura 22. Esque eletrônica de va deslocamento do A Tabela 4 indica as p mento descrito anteriormente.

5

Imagem obtida da página v http://www.fei.com/Product

uipamento de microscopia eletrônica de Nova 400 NanoSEM 5.

quemático do equipamento de microscopia varredura. Os eixos (X, Y, Z) indicam o do porta-amostra.

s principais características e parâmetros do te. A máxima resolução é alcançada variand

a virtual da FEI Company.

cts/Types/scanning-electron-microscope.aspx.

o equipa- ndo a vol-

tagem de aceleração dos elétrons gerados pelo filamento de tungstênio e, tam- bém, o dispositivo foto-detector.

Tabela 4. Principais parâmetros e características do e- quipamento de MEV.

Resolução

1,8 nm (1kV) 1,0 nm (15 kV) 0,8 nm (30 kV)

Geração de elétrons Filamento de tungstênio

Pressão de trabalho 1e

-4

mbar (canhão de elétrons) 2 mbar (câmara da amostra)

Voltagem de aceleração 1 – 30 kV

Detectores (padrão do equipamento)

• In -lens SE detector (TLD-SE)* • In -lens BSE detector (TLD-BSE)* • Everhardt -Thornley SED*

• Low vacuum SED (LVD)* • IR-CCD*

3.2.6MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO

As microscopias de transmissão foram obtidas utilizando o microscópio Philips modelo CM200 (Figura 23), com tensão de aceleração de 160 kV.

A preparação de amostras consistiu somente na separação das menores partículas por meio da suspensão em água destilada. A porção que se precipi- tou foi descartada, enquanto que a porção suspensa, composta pelas menores partículas, foi recolhida com uma seringa descartável e inserida no equipamen- to.

As imagens foram transpostas para filme fotográfico e reveladas para depois serem digitalizadas. As dimensões de poros nos histogramas apresen- tados na seção de resultados foram obtidas pelo programa CorelDraw X4®.

Figura 23. Microscópio Eletrônico de Transmissão Phi- lips CM200 6.

A análise por difração de elétrons está implementada no mesmo equi- pamento. Com auxílio das lentes eletromagnéticas, o feixe de elétrons pode ser fino o suficiente para que ordens de difração sejam detectadas por trás da a- mostra analisada. Tendo os pontos de difração, os planos (hkl) são calculados e comparados com os parâmetros conhecidos de composições semelhantes.

6

Imagem cedida por Simone Perche de Toledo, Laboratório de Microscopia Eletrônica do Instituto de Física da USP.