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Cláudio Domienikan
INSTRUMENTAÇÃO NUCLEAR
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ESPECTRO OBTIDO COM UM SISTEMA DE MEDIDAS TÍPICO
Co60
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(Nuclear Instrumentation Modules)
Cabos Coaxiais
Pulsos NIM
Pré-Amplificadores
Amplificadores
Analisador Monocanal
Módulos Lógicos
Contadores e Medidores de Taxa
Geradores de Marca de Tempo
Conversor Tempo-Amplitude
Aquisição de Dados
ELETRÔNICA NIM
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Cabos coaxiais são caracterizados pela impedância característica e pela velocidade de propagação. Em física nuclear são utilizados cabos de 50 W e de 93 W.
1. Cabos de 50 W: pulsos rápidos
2. Cabos de 93 W: pulsos lentos (a tendência atual é utilizar-se cabos de 50 ohms para todos os tipos de sinais NIM)
3. Um pulso é rápido se o seu tempo característico de subida ou descida multiplicado pela velocidade de propagação for
menor que o comprimento do cabo.
CABOS COAXIAIS
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A: revestimento de plástico
B: tela de cobre
C: isolador dielétrico interno
D: núcleo de cobre
ESTRUTURA DO CABO COAXIAL
Impedância
V ~ 0.65c c = 300.000 km/s (20 cm=1 ns)
Velocidade de Propagação
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OSCILOSCÓPIO
Instrumento utilizado para visualizar e analisar sinais elétricos.
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MULTÍMETRO
Instrumento utilizado para medir as principais grandezas elétricas: tensão, corrente elétrica e resistência.
V = R.I
Lei de Ohm
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A integração é necessária para coletar toda a carga elétrica produzida no detector pela incidência da radiação (V = Q/C).
A diferenciação pode ser utilizada para eliminar a parte lenta do pulso, produzindo um pulso rápido, capaz de caracterizar melhor o instante de chegada da partícula no detector.
INTEGRAÇÃO E DIFERENCIAÇÃO
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PULSOS NIM
Analógicos: de 0 a 10V
Saída de amplificadores, TAC. Podem ser
positivos ou negativos (em geral positivos)
Lógicos:
NIM Lento ou NIM velho: Falso 0V
Verdadeiro 5V
NIM Rápido ou NIM novo: Falso 0V,
Verdadeiro -0.7V
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BASTIDOR NIM
• Módulos eletrônicos padrão NIM se alojam em um bastidor (BIN) que fornece as tensões necessárias para o funcionamento dos módulos. Estes bastidores fornecem +/- 12V, +/- 24V e +/- 6V.
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PRÉ - AMPLIFICADOR
O pré-amplificador deve transformar a quantidade de carga coletada pelo detector de radiação em um pulso, cuja altura é proporcional à energia da radiação.
𝑉 = 𝑄
𝐶 𝑉 PULSO
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FONTES DE ALTA-TENSÃO
As fontes de alta-tensão (H.V.) são utilizadas para alimentar a válvula fotomultiplicadora e, ou, polarizar um detector semicondutor.
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AMPLIFCADORES PARA
ESPECTROSCOPIA
São utilizados em circuitos de medição de energia.
O sinal do pré-amplificador é transformado em um pulso gaussiano, de altura ajustável entre 0 e 10V.
As constantes de tempo de integração e diferenciação denominam-se “tempo de conformação” (shaping time). Variam entre 0.5 a 10 ms.
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FORMA DOS PULSOS DE SAÍDA DO
AMPLIFICADOR
UNIPOLAR
BIPOLAR
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AMPLIFICADORES RÁPIDOS (FAST
AMPLIFIER)
Amplificadores com pequenas cons-tantes de tempo de diferenciação e integração (de dezenas a algumas centenas de ns) são utilizados para filtrar somente os componentes rápidos dos pulsos produzidos pelos detectores, para serem posteriormente utilizados em circuitos geradores de marca de tempo. (São chamados Timing Filter Amplifiers).
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DISCRIMINADORES DE FRAÇÃO
CONSTANTE (CFD)
São módulos utilizados para
registrar com precisão o
instante da detecção da
radiação. Produz um pulso
lógico para caracterizar este
instante.
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DISCRIMINADORES DE FRAÇÃO
CONSTANTE – LÓGICA
delay
t
t
t
t
t
sinal de entrada
atenuação e
inversão
atraso
soma
saída
A
B
B
A
B
A
B
Adelay
t
t
t
t
t
sinal de entrada
atenuação e
inversão
atraso
soma
saída
A
B
B
A
B
A
B
A
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ANALISADOR MONOCANAL (SCA)
Analisador Monocanal: Módulo com entrada analógica e saída digital. Operação:
Modo Normal: Pulso lógico de saída quando na entrada Vi estiver com sua altura máxima entre dois valores V1 e V2.
Modo Integral: Saída lógica quando Vi>V1.
V1
V2
V1
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tempo
start
stop sinais de
entrada
sinal de
saída amplitude
CONVERSOR TEMPO-
AMPLITUDE (TAC)
Gera um sinal linear com amplitude proporcional a diferença de tempo de chegada de dois pulsos, “start” e “stop”.
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CIRCUITOS LÓGICOS (E, OU)
inversor
ou (soma)
e (coincidência)
S = A’
S = A + B
S = A . B
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MEDIDOR DE TAXA DE
RADIAÇÃO
São instrumentos utilizados para caracterizar a detecção de radiação e avaliar o nível da mesma do ambiente. Um exemplo muito comum é o contador Geiger, utilizados com o detector Geiger-Müeller.
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ANALISADOR MULTICANAL (MCA)
Instrumento que registra e armazena pulsos lineares de acordo com suas amplitudes. Gera um espectro de amplitudes (eixo x) por número de pulsos (eixo y). O número de diferentes valores de amplitude (canais) é um número binário, por exemplo, 1024.
Espectro Típico
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NaI(Tl)
Cristal detector
cintilador
tubo
fotomultiplicador
fonte de
alta-tensão
pré-amplificador
amplificador
linear
analisador
multicanal
computador
EXEMPLO DE SISTEMA DE
MEDIDAS
Esquema de um típico espectrômetro gama, utilizado para gerar espectros de energias.
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QUEM NÃO GOSTA?
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Espectro típico de raios gama obtido a partir da irradiação de batatas “chips” utilizando um espectrômetro gama.
ESPECTRO DE RAIOS GAMA
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FIM
Referências para consulta:
Roberto Vicençotto Ribas
Apostila do Mini Curso de Pós Graduação “Instrumentação Nuclear”
http://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download.html
Luiz Tauhata
Apostila de Radioproteção e Fundamentos
http://ird.gov.br/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=
45&Itemid=64
Contato: Eng. Cláudio Domienikan
Centro do Reator de Pesquisas - CRPq
Email: [email protected]
Fone: 3133-9988