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VI WAI - 2006
Divisão de Física Aplicada
VI WAI - 2006
Organização EFA• Subdivisão de Aplicações das Radiações – EFA-A
– LRI – Laboratório de Radiação Ionizante – LEN – Laboratório de Espectroscopia Nuclear e Radiometria– Laboratório de Eletrônica
• Subdivisão de Eletromagnetismo Aplicado – EFA-E– LSE - Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos– LEV - Laboratório de Engenharia Virtual – GEC - Grupo de Eletromagnetismo Computacional
- LEN – Laboratório de Espectroscopia Nuclear e Radiometria- Laboratório de Eletrônica
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Infra-estrutura Experimental• Bancada de ensaios de emissões conduzida e irradiada
(9 kHz até 30 MHz) – medidas de compatibilidade eletromagnética e
interferência eletromagnética.
• Avaliação de propriedades eletromagnéticas de materiais (sólidos e líquidos) : freqüências de 100 Hz até 12 GHZ.– Propriedades medidas podem ser utilizadas na
simulações, contribuindo para melhoria do projeto computacional de dispositivos
– Atualmente, podem ser avaliados os efeitos de temperatura e umidade
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Infra-estrutura Experimental
• Laboratório de Sinterização– Reforma de área de 40m2 no prédio da EAP (FINEP) – Forno para sinterização instalado e operacional
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Infra-estrutura Experimental• Projetos Pajé- LRI
(Acelerador – Laboratório de Radiação Ionizante)
– Unificação dos projetos (paralisação do Pajé e redirecionamento do LRI)
– Instalação para desenvolvimento de projetos voltados para o estudo dos efeitos da radiação ionizante em materiais, fibras ópticas, circuitos e componentes eletronicos e fotônicos, de interesse aeroespacial.
• Acelerador de elétrons
• Fontes de radiação gama (60Co)
• Fontes de partículas carregadas
• Instrumentação para medidas de parâmetros de circuitos analógicos e digitais e de semicondutores
- Gamma-cell
- Fonte direcionada
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Infra-estrutura - Acelerador
1 - electron gun2 - magnetic lenses3 - vaccum valves4 - pre buncher5 - buncher6 - accelerating structure7 - coil8 - klystron 20 MW peak9 - klystron 1 kW peak
MODULATOR
WAVEGUIDE
ACCELERATINGSTRUCTURE
INJECTOR
ANALYZINGSYSTEM
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Infra-estrutura - Acelerador
1 - electron gun2 - magnetic lenses3 - vaccum valves4 - pre buncher5 - buncher6 - accelerating structure7 - coil8 - klystron 20 MW peak9 - klystron 1 kW peak
MODULATOR
WAVEGUIDE
ACCELERATINGSTRUCTURE
INJECTOR
ANALYZINGSYSTEM
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Infra-estrutura - Fonte
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Infra-estrutura Computacional
• Sala de desenvolvimento de software e simulação - LEV– Inaugurada em agosto/2005 área de 78 m2 na EST-A (FINEP)– 11 estações de trabalho– 2 “servidores” - base de conhecimento (Nou-Rau), controle de
versões de software, servidor de ferramenta CASE, foruminterno
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Infra-estrutura Computacional• Cluster BELIEVe II
– Transferido para o subsolo do prédio da Direção– Oferta de serviços pela DMZ do IEAv (ITA, IPEN, UNESP, alunos)– 20 usuários cadastrados
• Cluster BELIEVe I - desativado
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Infra-estrutura ComputacionalSoftwares Comerciais
- XFDTD, HFSS, Femlab, GID, Matlab, Mathematica
Bibliotecas de código fonte aberto
Softwares desenvolvidos- Linguagens C++, Fortran, MATLAB- Orientação a objetos- Resolução de problemas 2D (e 3D com simetria axial) em eletromagnetismo, plasmas, condução de calor,otimização com algoritmos genéticos, nanotubos
- multiplataforma (Windows – Linux)- Processamento paralelo
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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIP• Sensores de Infravermelho (IV) nanoestruturados – poços
quânticos (QWIP)
Seletividade dos QWIPs
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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIPSensores de Infravermelho (IV) nanoestruturados – poços quânticos
– projeto em execução há um ano– crescimento de amostra de GaAs/AlGaAs e InGaAs/InAlAs para
detecção de infravermelho com centro da resposta em 4,1 e 9 µm– técnicas e ferramentas para caracterizações ópticas e eletro-ópticas
de amostra de GaAs/AlGaAs e InGaAs/InAlAs
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Pho
tocu
rren
t (A
U)
Wave Length (µm)
-1V
2 3 4 5 61E9
1E10
Det
ectiv
ity (c
mH
z1/2 /W
)
Wavelength (µm)2 4 6 8 10 12 14 16
0
10
20
6VSample 930
Pho
tocu
rren
t (ar
b.u.
)
Wavelength (µm)
Resposta espectral -seletividade
Detectividade espectral compará-vel ao de sistemas comerciais
2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Phot
ocur
rent
(AU
))
Wave Length (µm)
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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIP
• Sensores de Infravermelho nanoestruturados – pontos quânticos
2 4 6 8 10 120
1
2
3
4 unpolarized
TE polarization
TM polarization
polarized at 45°
normal incidence
inte
nsity
(arb
. u.)
wavelength (µm)
Resposta Espectral de um Sensor a Pontos Quânticos não Otimizado
– Primeiros resultados experimentais – crescimento dos pontos quânticos
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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIP
CaracterizaçãoRaio-X
TEM
AFM
Participantes:IEAv, UFMG, PUC-RJ,INPE, UFSCar,
USP São Carlos
Financiamento : FINEP
VI WAI - 2006Sensor idealizado no LSE, empregando transdutores de ferrita.
Monitor de corrente pulsada.
Pesquisa e Desenvolvimento• Desenvolvimento de ferritas
As ferritas atualmente em estudo no LSE são do tipo Ni-Zn fabricadas pelo método cerâmico convencional. Tais materiais encontram aplicações diversas tais como:
•Transdutores de monitores de corrente pulsada
•Sensores de radiação eletromagnética
• Compósitos absorvedores de microondas
Mantas absorvedoras à base de ferrita Mg-Mn, desenvolvidas no LSE.
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Pesquisa e DesenvolvimentoDesenvolvimento de ferritas
Processamento IAE – Divisão de MateriaisLaboratório de Sinterização
10 20 30 40 50 60 70 800
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Inte
nsid
ade
Rel
ativ
a (%
)
Ângulo (2 x theta)
Ferrita 3 Sinterizada a 1300 oCd = 8,43 Angstrons
Difração de raios x.0 5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Freq
üênc
ia
Comprimento do intercepto (micron)
Média: 7,9 micraModa: 5,9 micraDesv. padrão: 5,2
Caracterização microestrutural
Outros métodos empregados: picnometria,
porosimetria, determinação da densidade pelo método
de Arquimedes.
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Pesquisa e Desenvolvimento - FerritasCaracterização eletromagnética (LSE)
Medidas de permeabilidade magnética e permissividade, variando-se temperatura e umidade
100M 1G0
10
20
30
40
50
60 -40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oC +10 oC +25 oC +30 oC +40 oC +50 oC
MAG
NET
IC P
ERM
EABI
LITY
- R
EAL
PAR
T (µ
')
FREQUENCY (Hz)100M 1G
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oC +10 oC +25 oC +30 oC +40 oC +50 oC
MAG
NET
IC P
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LITY
- IM
AGIN
ARY
PAR
T (µ
'')
FREQUENCY (Hz)
13.0
13.5
14.0
14.5
15.0
15.5
16.0
16.5
900M400M
-40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oCP
ERM
ITTI
VIT
Y -
RE
AL
PAR
T (ε
')
FREQUENCY (Hz)1G
0
1
2
3
4
5
500M
-40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oC +10 oC +25 oC +30 oC +40 oC +50 oC
PER
MIT
TIV
ITY
- IM
AG
INAR
Y P
AR
T (ε
'')FREQUENCY (Hz)
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Pesquisa e Desenvolvimento
• Desenvolvimento de nanoestruturas magnéticas
- Processo de moagem a laser em desenvolvimento- Definição de parâmetros, composição e avaliação de granulometria
- Colaboração: EFO, IAE (AMR)
• Desenvolvimento de materiais bio-magnéticos
- Iniciativa da EFO: - EFA – caracterização magnética
- Aplicação: sensores de radiação eletromagnética
• Projeto e confecção de cerâmicas magnéticas com absorção seletiva de radiação eletromagnética
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Pesquisa e Desenvolvimento• Caracterização eletromagnética de materiais biológicos e
aplicações computacionais
Objetivos :• Determinar as propriedades dielétricas de fêmur bovino de maneira
sistemática, na faixa de freqüência entre 50MHz e 40GHz, avaliando suas dependências com a temperatura, a umidade relativa e a orientação das amostras;
• Propor um padrão de metodologias para caracterização eletromagnética de materiais biológicos em RF & MW, cujas propriedades dependem do ambiente aos quais estão submetidos.
Colaborações: EPUSP, Rede TSQC (Anvisa)
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Pesquisa e Desenvolvimento
Caracterização eletromagnética de materiais biológicos e aplicações computacionais
1x107 1x108 1x109 1x1010
Frequency (Hz)
1
10
100
Rel
ativ
e P
erm
ittiv
ity
BONEOur ResultsRat (femur)Human (tibia) 37oCOvine (skull) 37oCBone (marrow) 37oCBone-cortical (compiled)
Resultados
International Conference on Electromagnetic Fields, Health and Environment – EHE’06, 27 a 29 de abril de 2006 – Ilha da Madeira – Portugal
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Pesquisa e DesenvolvimentoCaracterização eletromagnética de materiais biológicos e
aplicações computacionaisPerspectivas
• realizar medidas em materiais biológicos de animais com linhagemcontrolada e de seres humanos.
• Aplicar esses conhecimentos nos cálculos da Taxa de AbsorçãoEspecífica – SAR (Specific Absorption Rate) para avaliação dos efeitos da Radiação Eletromagnética Não-Ionizante em sereshumanos;
• Transferir esses conhecimentos para outras áreas de aplicações e/ou com diferentes materiais, tais como blindagens (uso militar, desenvolvimento de equipamentos de proteção individual no trabalho); crescimento ósseo e tratamento de câncer (na medicina); controle de pragas em plantações (na agronomia) .
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Pesquisa e Desenvolvimento• LEVSOFT– Software orientado a objetos
• Desenvolvimento em linguagem C++• Documentação em UML (Together, DOxygen)
– Estudos implementados• Eletrostáticos, magnetostáticos, eletrocinéticos• Condução de calor (regimes permanente e transitório) – fontes
volumétricas e pontuais• Escoamento de fluidos em meios porosos• Simulação de plasmas (colisional e não colisional) (em andamento)• Nanotubos (potencial de Lennard-Jones) (em andamento)• Semicondutores nanoestruturados (em andamento)• Magnetodinâmicos (problemas de corrente induzida) (em andamento)• Otimização com Algoritmos Genéticos – sensores eletroópticos
(em andamento)
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Pesquisa e Desenvolvimento• LEVSOFT
– Geradores de malha• Não estruturada (Delaunay – 2D)• Estruturada (elíptica)• Autoadaptativa (em manutenção)
– Resolução multiplataforma• Windows e Linux• Sequencial e paralelo
– Implementações previstas• Escoamentos hipersônicos• MHD e EHD• Novos métodos numéricos para resolução de sistemas e geração de
malhas• Novos tipos de elementos
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Pesquisa e Desenvolvimento• Bibliotecas de desenvolvimento SDK-LEVSOFT
– Classes Básicas• Primitivas geométricas• Elementos Finitos• Geração de malhas• Matrizes esparsas• Métodos de resolução de sistemas lineares de equações• EFG (“element-free Galerkin”) (em andamento)• Fenômenos (equações diferenciais) (em andamento)• Métodos de resolução de problemas de autovalores (em
andamento)– Auxilio a usuários programadores no desenvolvimento de novos
módulos do sistema LEVSOFT
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Pesquisa e Desenvolvimento - BRAFEL
• BRAFEL – projeto multi-institucional (CBPF, LNLS, IEAv, IFUSP, colaboradores internacionais)
- Laser de elétrons livres (sintonizável e potência média)
- Compr.onda = 100 micra (infravermelho)
- Energia do feixe de elétrons : 8,5 Mev
- Compr. Onda wiggler = 3 cm
- Simulações numéricas (projeto)
- Construção do ondulador magnético(wiggler) e medidas magnéticas
- Emax <= 20 MeV (proteção radiológica)
- Lmax = 10m (todo o sistema)
– Características:
– Restrições :
– Participação do IEAv:
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Pesquisa e Desenvolvimento - BRAFEL– Resultados preliminares
• Otimização de parâmetros de projeto (Comprimento, potência de saturação e eficiência)
– Financiamento – proposta de projeto para MCT
Resultados iniciais baseados em fórmulas analíticas e fenomenológicas
Resultados otimizados obtidos a partir de simulação numérica 3D
Ie = 700A Ie = 200A
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Pesquisa e Desenvolvimento• Projeto de fibras ópticas especiais para sensores de gás e
líquido.
Fibra Óptica
(Photonic Crystal Fiber)
Gases ou líquidos são inseridos nos furos. A absorção da luz é medida e calibrada para indicar a presença e concentração da substância a ser estudada
Fabricação : Austrália
Caracterização: Unicamp Financiamento : FAPESP
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Pesquisa e Desenvolvimento• Projeto de fibras ópticas com Alta Birrefringência
Fibra Óptica
(Photonic Crystal Fiber)
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Pesquisa e Desenvolvimento• Projeto de fibra óptica para Compensação da Dispersão
CromáticaFibra Óptica
(Photonic Crystal Fiber)
Colaboração: EFO, UNICAMP, USP Financiamento: FAPESP
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Pesquisa e Desenvolvimento• Processamento de Alto Desempenho e Técnicas Numéricas
– paralelização de métodos de resolução de sistemas lineares de equações
– otimização de dispositivos eletromagnéticos utilizando algoritmogenético (dispositivos eletroópticos: sensores de alta tensão e moduladores)
– Aplicação do método “element-free Galerkin” para o estudo de problemas eletromagnéticos não homogêneos
– Aplicação do método “element-free Galerkin” associado ao método “particle-in-cell” para a simulação de plasmas
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Pesquisa e Desenvolvimento• Avaliação de RCS
– Cooperação: Diretoria de Sistemas de Armas da Marinha do Brasil (DSAM), RJ.
• Aeronaves (Apache e A1) • Embarcações
– Antenas de microondas do tipo patch – Estruturas dielétricas bidimensionais
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Propostas de projetos
• Proposta aprovada : Edital Institutos do Milênio n. 01/2005.
• Proposta aprovada : Pró-Defesa – sensores infra-vermelho nanoestruturados (recursos para formação de pessoal) – (início: 2006 – duração 4 anos)
• Proposta para AEB: Sensores IV semicondutores na faixa de 1 a 1,7 µm de InGaAs (banda - banda) para utilização em imageadoresde satélite
– Cooperação com Universidades de SP, RJ e MG
• Proposta para Fundo Aeronáutico – LRI (SIA) – Proposta aprovada, mas sem recursos (2005)
• Proposta Fundo Setorial – ProInfra – Infra-estrutura para LRI –aguardando resposta (12/05/2006)
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Propostas de projetos
• Propostas no âmbito da Ação Transversal “Infra-estrutura dos ICT´s da Área de Defesa”– Sensor de presença de RF utilizando tecnologia de
metamateriais– Software multifísica LEVSOFT: módulos de plasma, otimização
e nanoestruturas semicondutoras– Ferramenta CAE/CAD para análise de seção reta radar de
estruturas complexas– Processador digital para sinais eletromagnéticos de baixa
intensidade – Detetor de artefatos não-metálicos subterrâneos utilizando
tecnologia Maser - HSM
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Propostas de projetos
• Proposta Fundo Setorial – Equipamento Multiusuário – Cluster dePCs de 64 unidades de processamento – aguardando resposta (06/2006)
• Apresentação de Projeto de calibração de sensores de RF a especialistas da ANVISA - REDE TSQC – Avaliação da exposição de seres humanos em ambientes eletro-
médicos
• Propostas submetidas no Edital Universal– Projeto de fibras ópticas para Sensores
• Possíveis aplicações: biosensor, sensor de temperatura e pressão, sensor para detecção de gases e líquidos e para medicina diagnóstica.
– Projeto de dispositivos fotônicos integrados em semicondutores.
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FIM