Desenvolvimento de um sistema de detecção de radiação utilizando um fotodíodo SPIIN num módulo integrado / Vitor dos Santos Sousa. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição de taxa de dose instantânea e medições de raios X, gama e beta com um semicondutor SiPIN em um módulo RD2007 integrado.
Detectores a gás e semicondutores
- Câmaras de ionização
- Contadores proporcionais
- Contadores Geiger-Muller (G-M)
- Detectores semicondutores
Há também um valor de energia necessário para formar um par elétron-buraco na região de depleção do fotodiodo. Esta diferença de potencial que se desenvolve entre os terminais do fotodiodo é diretamente proporcional ao valor absoluto das cargas geradas durante a ionização.
Componentes eletrônicos presentes num sistema com fotodiodo SiPIN…
- Fotodiodos
- Amplificadores operacionais
- JFETs
- Conversor analógico digital
Para a modelagem de um fotodiodo, ainda é interessante mencionar a existência de uma corrente ruidosa, do tipo shot noise (Apêndice A), em paralelo com a fonte de corrente ideal (que modela a fotocorrente). O circuito prático utiliza um capacitor de realimentação 𝐶𝐹 (para melhorar a relação sinal-ruído introduzindo um pólo em altas frequências) e um resistor 𝑅𝑖𝑛 em série com o capacitor de entrada 𝐶𝑖𝑛 (para tornar o ganho uma alta frequência constante também contribui para não comprometer a largura de banda da função de transferência em malha fechada), além de atuar junto ao capacitor de realimentação para reduzir o ruído de alta frequência, já que esta resistência representa a introdução de um pólo em frequências intermediárias da função de transferência. São circuitos responsáveis por captar o pico de um sinal de tensão e que utilizam amplificadores operacionais.
A equação mostra que para grandes valores de S a função de transferência é a de um integrador ideal (aquele sem a presença do resistor de realimentação de RF. A técnica de aumento da impedância de entrada de um estágio de amplificação (Bootstrapping) pode ser implementada com um JFET Representação de um circuito, suas fontes de corrente e tensão, inserção de componentes eletrônicos (como o LTC6244HV).
Na figura 47 é mostrada a corrente total consumida pelo detector de radiação desenvolvido neste trabalho, utilizando um multímetro, em sua função de medição de corrente, tendo como valor 180 mA a corrente total consumida pelo sistema.
Esquema geral de um sistema de espectrometria e análise de radiação
O pré-amplificador de carga
O circuito pré-amplificador de carga é um dispositivo eletrônico de integração de corrente e determina o ruído do sistema espectrométrico (RAMIREZ-JÍMENEZ, 2006). Produz um sinal de tensão (pulso) na saída, que é muito pequeno e proporcional à energia do fóton ionizante.
O circuito derivador analógico ativo
O detector de pico ativo
Operações com correntes de polarização muito baixas com JFETs ou MOSFETs de entrada são essenciais para não descarregar o capacitor, pois suas correntes de polarização podem consumir cargas capacitivas nesta topologia.
O circuito integrador ativo
Modelagem na frequência de um sistema de detecção
Equações na frequência de um pré-amplificador com JFET
A função de transferência entre o ruído de tensão do amplificador operacional (modelado como uma fonte de tensão na entrada positiva do componente) e sua saída para o circuito da Figura 17 é a equação 6. Legenda: Itn = ruído de corrente térmica do canal; Ifn = ruído atual de flicker no canal; Isn = ruído térmico e de corrente de inrush presente na junção PN existente entre a porta e a fonte deste transistor de efeito de campo. 𝐼𝑐𝑡𝑛(𝑗𝜔) um elemento de ruído RMS da soma (RMS) das correntes de ruído térmico e de oscilação no canal.
Para compreender a validade do uso de JFETs para reduzir o ruído do pré-amplificador, os efeitos cumulativos do ruído da corrente JFET e do ruído da tensão do amplificador operacional devem ser examinados, conforme afirmado anteriormente. É importante lembrar que: Em relação às fontes de ruído que alimentam o pré-amplificador, todo o seu comportamento na saída pode ser resumido através da fonte de ruído Vn já discutida na Equação 6. A cada etapa da análise, todas as outras fontes são de tensão e corrente constantes. ou ruído são cancelados e presume-se que as características do amplificador continuam válidas.
Continuando a relação entre a tensão de saída e o pulso de corrente dependendo apenas dos componentes de realimentação (Xcf e Rf), o segundo termo (entre colchetes) no lado esquerdo da equação 11 torna-se desprezível em relação ao primeiro.
A saturação em detectores como uma aplicação da distribuição de Poisson
Se o pulso for gaussiano, haverá uma relação direta entre sua banda e sua duração. Com a equação 11 e o conhecimento da duração do pulso, é possível estimar a influência (ou intervenção) do bootstrap na integração da corrente em relação ao que existia sem ele. A distribuição de Poisson é utilizada para entender o quão rápido um sistema eletrônico deve ser, uma vez que o problema de detecção de fótons dentro de um intervalo de tempo é um problema puramente estatístico que pode ser modelado pela distribuição de Poisson.
A distribuição de Poisson modela o número de ocorrências de eventos aleatórios dentro de um determinado intervalo de tempo (equação 12). Para evitar o fenômeno de agrupamento em detectores, a probabilidade de estritamente 1 ou 0 detecções em um intervalo de tempo de interesse λ deve ser maior que um limite mínimo aceitável.
A rede CR-RC formadora de pulsos como um filtro passa faixa
E a pequena janela cobre um menu de simulação, com diferentes opções como obtenção de funções de transferência (varredura CA), análise de sinais ao longo do tempo (transitório), cálculo de tensões e correntes de polarização (CC em pnt) e cálculo de polarizações múltiplas (varredura CC). Mostra a taxa de dose instantânea (µSv/h) e a dose média (desde o início da sequência de contagem pressionando um botão). Comparação da função de transferência obtida na simulação de papel e varredura AC entre a fonte de ruído Vn e a saída do mesmo Vo na figura 19.
Os gráficos 6 e 7 mostram excelente concordância de módulo de função de transferência até 1 MHz e excelente concordância de fase até 100 kHz. Comparação da função de transferência obtida na simulação de varredura em papel e AC entre o ruído atual do canal JFET e a saída operacional (Figura 20). Que também apresenta excelente concordância em baixas frequências, não apresenta tanta concordância em altas frequências pelos mesmos motivos apresentados na seção Comparação da função de transferência obtida no papel e na simulação de varredura CA entre o ruído de tensão Vin2 e a saída operacional (Figura 21).
Comparação da função de transferência obtida na simulação de papel e varredura AC entre o ruído de tensão Vin3 e a saída operacional (Figura 22). Comparação da função de transferência obtida na simulação de papel e varredura AC entre o ruído atual Isn e a saída operacional (Figura 23). Assumindo um fotodiodo com capacitância parasita de 560pF com tensão reversa zero volt, com essas novas informações sobre a redução da capacitância Cp da Figura 19 obtidas pela análise dos gráficos 6 e 7, é possível determinar que a banda plana do módulo da função de transferência em os gráficos 6 e 7 são coerentes pois representam um ganho de 31 V/V para o ruído de tensão do amplificador, que é justamente o ganho de tensão que a fonte Vn (na Figura 19) teria se Vg e Vs fossem os sinais mostrados na Figura 44 .
Cálculo das funções de transferência de ruído da tensão operacional para os circuitos das figuras 17 e 19 (eq 6). Consideremos a função de transferência em malha aberta do amplificador operacional da figura 17 e, para simplificar, tome-a como uma constante complexa.
Relação entre a taxa de exposição (X) e a atividade da fonte (A)
MATERIAIS E MÉTODOS
O software de simulação de circuitos - LTSPICE
Na figura 45 é possível observar os pulsos de saída do sensor RD2007 quando colocado próximo à fonte Cs-137. Assumindo que a atividade da fonte Cs-137 é de 13 µCi (esta atividade foi obtida licenciando as medidas de exposição obtidas com o Geiger-Muller, proporcionalmente ao inverso do quadrado da distância do detector à fonte). O procedimento de utilização de linha de calibração utilizando fonte Cs-137 foi eficaz e após calibrar o detector desenvolvido com base no sensor RD2007, medições de taxa de dose de cinco fontes de radiação puderam ser avaliadas com o detector.
Sua modelagem em circuitos elétricos é sempre a de uma fonte de corrente (que descreve a variação de uma determinada corrente devido a esse ruído em um nó ou ramo de circuito).
Montagem de aterramento na manipulação dos circuitos
O software EAGLE e o processo de desenho de um layout de PCB
EAGLE é um software comercial para projeto de PCB com detectores de radiação usando detector semicondutor integrado RD2007. A Figura 31 mostra um processo típico que existe no projeto de circuitos, que é a definição de sinais (as linhas amarelas conectando os chamados “pads”). Deve-se acrescentar que as restrições de distância mínima permitida entre muitos elementos do circuito podem ser definidas (antes do roteamento automático) no submenu DRC do menu de ferramentas mostrado na Figura 33.
A Figura 32 é o resultado da aplicação das regras e restrições de projeto à placa feita usando as opções ilustradas na Figura 33. O uso de um algoritmo de resolução automática auxilia muito na fabricação e no trabalho de projeto da placa. Ao clicar nas opções desta tabela (os campos de entrada formam uma tabela, observe) uma imagem explicativa é criada no canto superior esquerdo.
A distância também define a distância mínima entre os pads PTH, SMD e fios até as bordas da placa (limites da placa).
O circuito integrado detector, pré-amplificador e discriminador RD2007. 68
Se o LED estiver apagado, significa que a saída do IC1-A4001 será de 5V, o que fará com que a tensão nos terminais do capacitor seja igual a zero. Na presença de pulso, o terminal esquerdo do capacitor C2 vai para 0 V e a tensão entre seus dois terminais começa a subir. Enquanto o capacitor não está carregando, a saída do IC1-A4001 causa um potencial inferior a 5V no terminal direito do capacitor (inicialmente 0V).
Enquanto o terminal direito do capacitor não estiver carregado na tensão de entrada mínima para ser considerado lógico alto pelo IC1-B4001, o LED ficará aceso, mesmo que o pulso TTL em OUT com 5V não esteja mais presente e já esteja de volta. para 0 V. Quando o IC1-B4001 detecta um nível lógico alto em suas entradas, a saída desta porta deve retornar ao nível zero, configurando a saída do IC1-A4001 de volta para 5V, descarregando novamente a tensão entre os terminais C2. Uma placa perfurada com almofadas totalmente isoladas umas das outras foi usada para implementar o circuito final do medidor de dose (com nodemcu e LCD).
A Figura 37 mostra o diagrama do circuito na placa homologada, após testes e perfeito funcionamento em protoboard (boas práticas de implementação exigem testes em protoboard).
Montagem final do circuito e partes relevantes
Através do menu redes wifi, ao entrar na rede pré-configurada “ESP8266” com a senha “esp8266”, e digitar o endereço IPV em um navegador de Internet, é possível obter os resultados de um navegador. A interface wi-fi nodemcu permite ao usuário medir uma alta taxa de dose a uma distância segura.
Calibração e fontes de testes
- Arranjo experimental para as medidas de taxa de dose
O Gráfico 16 mostra a linha de calibração obtida variando a distância do monitor Geiger em relação à fonte Cs-137. Pode ser modelado em circuitos como uma fonte de ruído em paralelo com um determinado dispositivo semicondutor (ou outro).
