Desenvolvimento de uma fonte de raios-X baseada no princípio da triboluminescência

Março, 2017

Mariana Freire Torres de Eloy Cruz

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Licenciada em Ciências da Engenharia Física

[Habilitações Académicas] [Habilitações Académicas] [Habilitações Académicas] [Habilitações Académicas] [Habilitações Académicas] [Habilitações Académicas] [Habilitações Académicas]

Desenvolvimento de uma fonte de raios-X baseada

no princípio da triboluminescência

[Título da Tese]

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Física

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em [Engenharia Informática]

Orientador: Mauro António Moreira Guerra, Professor Auxiliar convidado, Universidade Nova de Lisboa Co-orientador: José Paulo Moreira dos Santos,

Professor Associado com Agregação, Universidade Nova de Lisboa

Júri:

Presidente: Doutor Filipe Alexandre Ferreira Tiago de Oliveria, Professor Auxiliar,

Universidade Nova de Lisboa

Vogais: Doutor Mauro António Moreira Guerra, Professor Auxiliar convidado,

Universidade Nova de Lisboa

Doutora Ana Cristina Gomes da Silva, Professora Auxiliar,

Desenvolvimento de uma fonte de raios-X baseada no princípio da triboluminescência

Copyright © Mariana Freire Torres de Eloy Cruz, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa.

A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o direito, perpétuo e s1em limites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição com objetivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado crédito ao autor e editor.

À minha Mãe, Rita, e ao meu Pai, José.

Parece sempre impossível até ser feito

“It always seems impossible until it’s done” Nelson Mandela

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Agradecimentos

Gostaria de agradecer aos meus orientadores, o Professor Mauro Guerra e o Professor José Paulo Santos, pela dedicação, disponibilidade, orientação e colaboração ao longo deste trabalho.

Agradeço à FCT – UNL por todo o conhecimento académico que recebi. Agradeço ao LIBPhys por me ter recebido e por toda a disponibilidade. Quero também agradecer à minha Mãe, Rita, e ao meu Pai, José, por terem tido um papel tão grande na insistência da finalização desta etapa, por me terem dado todo o apoio, por me terem permitido estudar, por serem os melhores do mundo e por me deixarem todos os dias ser filha.

Agradeço aos meus irmãos Frederico, Maria e Madalena por toda a paciência e orgulho que demonstram ter em mim, por serem ao mesmo tempo o meu apoio, o meu ponto de referência e o meu caos.

Agradeço a minha mais que amiga, mais que irmã, uma parte mim, a Maria Inês, por existir, por ter sido sempre um exemplo tão grande e por nunca me deixar sozinha.

Agradeço aos meus amigos que têm um papel tão importante na minha vida, que me acompanham nas minhas conquistas e que as tornam muito maiores porque as festejam sempre comigo: Bárbara, Constança, Bernardo.

Agradeço ao meus colegas e amigos, Catarina, António, Matilde, Isabel, Guilherme e Diogo, por terem tornado a minha jornada académica tão especial.

Agradeço a todos o que não referenciei, mas que influenciaram de uma forma direta ou indireta a minha vida e que me levaram onde estou e onde sou hoje.

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Resumo

As fontes de raios-X são hoje um instrumento de elevada importância, não só pelo uso em aplicações médicas como também na industria e na arte. Por serem sistemas complexos e dispendiosos, a necessidade de encontrar fontes de raios-X alternativas, com menor dimensão e custo, tem vindo a aumentar.

Foi o estudo efetuado por Camara et al na UCLA e publicado na revista Nature em 2008, que serviu como base desta dissertação. Este estudo consistiu em verificar a possibilidade de produzir raios-X, através do fenómeno da triboluminescência, desenrolando um rolo de fita-cola. Os resultados do estudo foram bastante positivos, não só concluíram que através da separação da fita-cola em vácuo era possível produzir raios-X suficientes para fazer uma radiografia a um dedo, como também verificaram que a radiação libertada tinha um comportamento semelhante a uma fonte de raios-X pulsada [1].

Nesta dissertação será desenvolvida e estudada uma fonte de raios-X, de baixo-custo, baseada no fenómeno da triboluminescência. Ao contrário dos sistemas de raios-X convencionais, compostos por um tubo de raios-X e uma fonte de alta tensão, a fonte de raios-X do sistema montado será um rolo de fita-cola, que ao ser desenrolado com ajuda de um motor elétrico irá emitir radiação eletromagnética na gama dos raios-X.

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Abstract

X-ray sources are now a very important instrument, not only in medical ap-plications but also in industry and art. Because they are complex and costly sys-tems, the need to find alternative sources of X-rays with smaller size and cost has been increasing.

It was the study carried out by Camara et al at UCLA and published in Na-ture in 2008, which served as the basis of this dissertation. This study consisted in verifying the possibility of producing X-rays through the phenomenon of tri-boluminescence, unrolling a roll of adhesive tape. The results of the study were quite positive. Not only did they conclude that by separating the adhesive tape in a vacuum it was possible to produce enough X-rays to make a radiograph of a finger, but also found that the radiation released had a similar behaviour to a source X-ray pulsed [1].

In this dissertation, a low-cost X-ray source based on the phenomenon of triboluminescence will be developed and studied. Unlike conventional X-ray sys-tems, systems composed of an X-ray tube and a high-voltage source, the x-ray source of the mounted system will be a roll of tape, which when unwound with the help of an electric motor will emit electromagnetic radiation in the range of X-rays.

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Índice

Lista de Figuras ... xv

Lista de Tabelas ... xvi

Glossário ... xvii

1. Introdução ... 1

-2. Princípios Físicos ... 7

-1.1 Raios-X ... - 8 -

1.2 Produção de raios-X ... - 9 -

1.3 Gerador de Van der Graaff e descargas elétricas ... - 10 -

1.4 Vácuo ... - 13 -

1.5 Velocidade linear e velocidade angular ... - 14 -

3. Montagem Experimental ... 15

-1.6 Montagem da Fonte de raios-X ... - 15 -

1.7 Motor Passo a Passo e Controlo de velocidade de desenrolamento ... - 18 -

4. Resultados e Discussão ... 20

-5. Conclusão e Prespectivas Futuras ... 25

Bibliografia ... 29

-6. Anexos ... 32

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Lista de Figuras

Figura 1.1 - Relação entre a radiação X obtida, a força aplicada ao motor de desenrolamento e a radio

frequência [1]. ... 3

-Figura 1.2 - Espectro das energias de raios-X obtido com o desenrolamento de um rolo de fita-cola [1]….. ... 4

Figura 2.1 – Espectro eletromagnético [15]... 7

Figura 2.2 – Diagrama de um tubo de raiosX convencional e fonte de alta tensão [13]. ... 9

Figura 2.3 – Representação do funcionamento do gerador de Van der Graaff [18]. ... 11

Figura 2.4 Diagrama do comportamento dos eletrões ao desenrolar a fitacola em vácuo. ... 12

Figura 2.5 – Representação dos vetores velocidade linear, v, e velocidade angular, ω. ... 14

Figura 3.1 Esquema referência de montagem dos motores de desenrolamento da fitacola [1]. ... 15

Figura 3.2 – Montagem experimental da fonte de raiosX, vista de cima. ... 17

Figura 3.3 Montagem experimental da fonte de raiosX, vista de frente. ... 18

Figura 3.4 – Placa de arduíno UNO. ... 19

-Figura 4.1 – Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 2,0x10-2 _{mbar, um rolo de fita-cola da} marca Scotch. ... 22

-Figura 4.2 - Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 4,5x10-2 _{mbar, um rolo de fita-cola da} marca Staples. ... 22

-Figura 4.3 – Sobreposição dos espectros obtidos, ao desenrolar fita-cola de marcas diferentes em diferentes condições de pressão. ... 23

Figura 7.1 – Desenho Técnico para fabrico da câmara de vácuo. ... 34

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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Intervalos de valores aproximados de pressões das diferentes zonas de vácuo [14]. ... 13 -Tabela 4.1 – Resultados Obtidos ao fazer desenrolar diferentes tipos de fita-cola, em diferentes

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Glossário

FRX – Fluorescência de raios-X

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1. Introdução

A etimologia do termo triboluminescência vem do grego tribo (fricção) e luminescência (luz). Triboluminescência é o nome que designa o fenómeno de libertação de energia sob a forma de radiação eletromagnética como consequência do movimento entre duas superfícies que se encontram em contacto [2].

Este fenómeno foi observado pela primeira vez no Colorado, EUA, por tribos indígenas durante os seus rituais de dança, aquando da utilização de maracas – instrumento musical – feitas de pele de búfalo com cristais de quartzo no seu interior. Estes cristais emitiam luz ao serem friccionados uns contra os outros [2].

Em 1602, este fenómeno foi documentado pela primeira vez por Francis Bacon quando ao moer açúcar no escuro observou a emissão de radiação. Já em meados de 1930, na Rússia, foi observado que ao separar duas folhas de mica é emitida luz. A emissão de raios-X devido à separação de fita-cola, foi observada pela primeira vez em 1953 por um grupo de cientistas soviéticos [2].

Hoje já estão documentadas diversas observações do comportamento e dos mecanismos físicos do fenómeno da TL. Sabe-se que é possível observar a TL em diferentes circunstâncias, como por exemplo: ao friccionar ou fraturar cristais, o

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que incluí moer açúcar; ou separar duas superfícies em contacto, como duas folhas de mica ou como a fita-cola [2-10].

A TL tem sido alvo de vários estudos com diferentes propósitos. Exemplos destes estudos são: o uso deste fenómeno para monitorizar falhas em materiais na industria da aviação; e a produção de fontes de raios-X portáteis de baixo-custo [1,11-12].

Segundo o estudo realizado por Tarik J.Dickens, é possível conseguir monitorizar a qualidade dos materiais, isto é, verificar se os materiais ainda se encontram em condições para a função a que estão destinados ou se têm de ser substituídos devido a pequenas fraturas. Esta monitorização é realizada através da introdução nos materiais de fibras óticas e de cristais, que ao fraturarem emitem radiação [11].

No estudo efetuado por Camara et al a fita-cola é desenrolada dentro de uma câmara de vácuo com uma velocidade de 3 cm.s-1 _{a uma pressão de 10}-3 _torr. Este estudo concluí que, nas condições descritas em cima, é possível produzir uma fonte de raios-X pulsada com energias de pulso que podem ir até aos 10 GeV.

Os resultados obtidos, no estudo referido anteriormente, e descritos no gráfico da Figura 1.1 demonstram que a uma pressão de 10-3 _{torr são observadas} emissões de raios-X, representados pelos picos a azul, com um intervalo temporal médio de 300 ms que podem ir até 400 keV de energia por pulso. Estes picos estão relacionados com as variações do momento da força aplicada pelo motor ao rolo de fita-cola, o que é indicativo que a emissão de raios-X ocorre essencialmente aquando do deslizamento da fita.

O eixo esquerdo representa a força aplicada para o desenrolamento da fita-cola a uma velocidade de 3 cm.s-1 com uma pressão de 10-3 torr, linha preta, e com 1 atm, linha verde. O eixo direito representa o sinal da emissão de raios-X, linha azul. A linha vermelha representa o sinal da antena de radio frequência. A uma pressão de 1 atm não foi observada emissão de radiação raios-X [1].

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Figura 1.1 - Relação entre a radiação X obtida, a força aplicada ao motor de desenrolamento e a radio frequência [1].

Através do espectro de raios-X obtido podemos observar que ao desenrolar um rolo de fita-cola é possível gerar raios-X com energias até aos 100 keV e com energias de pulso que podem ir até aos 10 GeV, Figura 1.2. Este espectro foi obtido com uma velocidade de desenrolamento que variou entre 3 e 3,6 cm.s-1 a 10-3 torr [1].

Ao analisar o inset, Figura 1.2 canto superior direito, os resultados mostram que esta técnica é bastante promissora uma vez que apesar de cada um dos fotões só poder ter no máximo 100 keV de energia, o conjunto de fotões criados em cada pulso tem uma energia total que pode ir até aos 10 GeV.

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Figura 1.2 - Espectro das energias de raios-X obtido com o desenrolamento de um rolo de fita-cola [1].

As fontes portáteis de raios-X desempenham um papel de elevada importância em áreas tão distintas como arte, medicina, ciências forenses, bem como em investigação nas áreas de possíveis tratamentos de cancro, imagem raios-X, análise e caracterização de superfícies que contenham na sua composição química metais pesados [2, 11]. Existem inúmeras vantagens na utilização de um sistema portátil como a facilidade da sua utilização e por não implicar o transporte do material que se quer analisar. Este sistema poderá ser acoplado a vários tipos de detetores de raios-X, como os que compõem um espectrómetro de fluorescência de raios-X (FRX), ou um CCD para imagiologia, aumentando grandemente as suas potencialidades.

Atualmente, existem alguns fabricantes de sistemas de raios-X portáteis, como a Bruker e a Aribex, no entanto, o seu custo monetário é bastante elevado. Por esta razão é importante o estudo e o desenvolvimento de sistemas semelhantes mas de baixo custo.

Este projeto pretende demonstrar que é possível construir um sistema portátil de raios-X de baixa potência e de baixo-custo [1], apesar se existirem custos adicionais à construção deste sistema, tais como o sistema de vácuo.

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Para se obter o vácuo necessário ao funcionamento do sistema basta recorrer ao uso de uma bomba de vácuo rotatória, ou a um sistema de bombeamento relativamente simples e barato, uma vez que os valores de vácuo necessário rondam o vácuo primário, entre 1 mbar e 10-3 _{mbar [14].}

Os sistemas portáteis comerciais são sistemas muito sensíveis devido à enorme fragilidade do filamento do tubo de raios-X. Caso o estabelecimento da alta tensão não for efetuado corretamente o risco de o filamento fundir aumenta drasticamente, deixando o sistema inutilizável. É por isso importante sublinhar que este sistema que propomos desenvolver tem uma enorme vantagem relativamente a outros sistemas portáteis: caso haja algum problema com a fonte de raios-X, a fita adesiva, não é dispendioso nem complexo proceder de forma rápida à sua troca por outra fita adesiva.

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2. Princípios Físicos

Uma vez que o objetivo deste trabalho é conseguir observar radiação x produzida através do fenómeno da triboluminescência, é importante compreender como a mesma é caracterizada e originada.

A radiação eletromagnética encontra-se dividida em várias classes: radiação rádio, micro-ondas, infravermelhos, visível, ultravioleta, raios-X e raios gama. Os limites da divisão desta classificação encontram-se representados na Figura 2.1.

Figura 2.1 – Espectro eletromagnético [15].

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1.1 Raios-X

A radiação x foi descoberta acidentalmente, em 1895, por Wilhelm Conrad Röntgen aquando do seu estudo do fenómeno de luminescência no tubo de descarga, ou tubo de Crookes. Röntgen observou que os cristais de platinocianeto de bário, que componham uma placa negra que se encontrava perto do tubo de Crookes, se tornavam luminescentes no momento em que a descarga se dava. Ao estudar este fenómeno Röntgen verificou que o os raios que provocavam a luminescência dos cristais tinham origem nas paredes do tubo de Crookes. Foi por ter associado esta consequência aos raios-X que, em 1901, ganhou o prémio Nobel da Física [16].

Os raios-X são radiação eletromagnética com comprimentos de onda que pode variar entre os 0,01 nm e os 10 nm e a sua gama de energia pode variar entre os 100 eV e os 100 keV. Consoante a energia que possuem os raios-X são classificados em duas categorias: raios-X leves, que podem chegar até aos 5 keV; raios-X duros, que variam entra 5 keV até 100 keV. A radiação x é também distinguida pelas seguintes características [16]:

❖ É invisível;

❖ Propaga-se à velocidade da luz, 3x10-8 _ms-1_{, e em linha recta;} ❖ Pode sofrer reflexão, refracção, difracção e polarização;

❖ Pode ser absorvida de diferentes formas ao atravessar matéria, dependo da composição, espessura e densidade da mesma;

❖ Pode ionizar gases;

❖ Pode produzir reações biológicas, como provocar danos em células vivas ou produzir mutações genéticas;

❖ Consegue escurecer uma placa fotográfica;

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1.2 Produção de raios-X

A produção de raios-X pode ocorrer através do processo: de desaceleração de partículas carregadas; de transições eletrónicas nas camadas internas do átomo; de decaimento de fontes radioativas.

Os principais métodos considerados para produção de raios-X são a utilização de radiação de ciclotrão ou a aceleração de eletrões, com elevadas diferenças de potencial, contra materiais com elevado numero atómico, Z, em câmaras de vácuo [13].

Os sistemas de produção de raios-X mais utilizados são complexos e dispendiosos. Os sistemas mais comercializados são compostos principalmente por um tubo de raios-X e uma fonte de alta tensão, componentes semelhantes aos representados na Figura 2.2.

O tubo de raios-X é composto por uma câmara de vácuo que contem um cátodo e um ânodo separados por uma zona de vácuo. O cátodo, fonte de eletrões, é composto por um filamento que ao ser aquecido liberta eletrões. O ânodo é um alvo tipicamente composto por um metal pesado para que seja maximizada a produção de raios-X. Quando é aquecido o filamento, são

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libertados eletrões que ao sofrerem uma diferença de potencial são acelerados em direção ao alvo, ânodo [13].

Quando o feixe eletrões chega ao ânodo, os eletrões sofrem uma travagem repentina e perdem energia cinética devido à interação com o campo de Coulomb dos núcleos que constituem o alvo. Esta perda de energia traduz-se na emissão de fotões com energia igual à energia cinética perdida pelos eletrões. A energia libertada devido a esta interação é denominada de radiação contínua ou de Bremsstrahlung.

No trabalho desenvolvido a fonte de raios-X não será um sistema semelhante ao descrito neste subcapítulo. A radiação X será libertada através do desenrolamento da fita-cola.

1.3 Gerador de Van der Graaff e descargas elétricas

Robert J. Van der Graaff, em 1931, criou o primeiro gerador electroestático, conhecido por gerador de Van der Graaff, com o objetivo de gerar elevadas diferenças de potencial [17].

Este gerador é composto por uma coluna vertical, que no seu interior contem uma correia de um material isolante. Com a ajuda de um motor esta correia roda em torno de duas roldanas, uma no topo e outra na base da coluna vertical. Na base da coluna existe um elétrodo, que está ligado a Terra, e no topo da coluna existe outro elétrodo que está em contato com a esfera oca metálica de grande dimensão que se encontra no topo da coluna. Tal como se pode observar na Figura 2.3, o gerador de Van der Graaff é também composto por uma esfera metálica menor dimensão, que está ligada à Terra [17].

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Ao ligar o motor, é iniciado o movimento da correia. As cargas negativas são transportas da esfera de maior dimensão para a esfera de menor dimensão, através do movimento da correia e do fio que liga a esfera metálica de menor dimensão à base da coluna vertical, tal como representado na Figura 3.1 . Desta forma a esfera de maior dimensão fica carregada positivamente e a esfera de menor dimensão fica carregada negativamente. Para se dar uma descarga elétrica a diferença de cargas, ou diferença de potencial, criada entre as duas esferas tem de ser suficientemente elevada. Este fenómeno é semelhante ao fenómeno dos relâmpagos. No caso dos relâmpagos, a esfera de grande dimensão é a Terra e a de menor dimensão são as nuvens.

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Neste trabalho é importante entender o fenómeno de descargas elétricas, causado por uma diferença de potencial, para entender o fenómeno que acontece ao desenrolar a fita-cola.

Ao desenrolar fita-cola é criada uma zona localizada de cargas, no ponto de contacto entre as duas faces da fita, sendo que uma das faces fica carregada positivamente e a outra fica carregada negativamente. Aquando desta diferença de densidade de cargas entre as duas faces, passa a existir uma diferença de potencial que provoca uma descarga elétrica que pode chegar a valores de energia na gama dos raios-X [1], fenómeno semelhante ao explicado no subcapítulo anterior; os eletrões viajam da zona que se encontra carregada negativamente para a zona menos carregada, fenómeno ilustrado na Figura 2.4.

O movimento dos eletrões é diferente consoante as condições do ambiente envolvente, sendo que se não existir vácuo os eletrões colidem com as partículas existentes na atmosfera transferindo a sua energia para as respetivas partículas. Se a fita-cola for desenrolada em vácuo, à medida que as duas faces da fita são separadas a diferença de potencial criada pode até atingir valores suficientemente elevados para se dê uma descarga com emissão de raios-X.

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1.4 Vácuo

Um volume encontra-se em vácuo, quando a densidade de partículas do mesmo é inferior à densidade de partículas existentes no ar, em condições de pressão e temperatura normais. Para saber o grau de vácuo de um dado volume, é necessário conhecer a pressão do mesmo [14]. A relação entre o valor de pressão de um determinado volume e o seu grau de vácuo encontra-se descrita na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Intervalos de valores aproximados de pressões das diferentes zonas de vácuo [14].

Pressões (mbar) Zonas de Vácuo

103 _{– 1} Pressão atmosférica 1 - 10-3 Vácuo primário 10-4 _{– 10}-6 Alto vácuo 10-7 _{– 10}-9 Vácuo muito alto 10-10 _{– 10}-15 Ultra alto vácuo

Tal como já referido no capítulo 1, estudos anteriores demonstram para se observar emissão de raios-X, como consequência do fenómeno de TL, pressões na ordem de grandeza dos 10-3 _{mbar são suficientes, vácuo primário [1].}

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1.5 Velocidade linear e velocidade angular

Para garantir que à medida que a fita-cola é desenrolada, as duas faces da fita-cola são separadas a uma velocidade constante, é necessário compreender de que forma a velocidade linear da fita-cola se relaciona com a velocidade de rotação do motor responsável pelo desenrolamento da mesma.

A velocidade linear, 𝑣, depende da a velocidade angular, 𝜔, e da distância ao eixo de rotação, 𝑟, tal como indicado na equação 1 [19].

𝑣 = 𝜔𝑟

A velocidade a que as duas faces da fita se vão separando, velocidade linear, pode ser relacionada com a velocidade de rotação do motor, velocidade angular e com a distância entre o ponto de separação e o eixo de rotação, r, de acordo com a equação 2.1.

Durante o desenrolamento da fita-cola, a distância entre o eixo de rotação do motor e ponto onde se dá a separação das duas faces da fita vai diminuindo. Por outra palavras, considerando o esquema da Figura 2.5, durante o desenrolamento da fita-cola o raio R1 vai diminuindo e o raio R2 vai aumentando.

Para garantir que a velocidade linear de desenrolamento se mantem constante, é necessário fazer variar a velocidade angular, considerando as pequenas variações de R1 e a dependência descrita na equação 2.1.

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3. Montagem Experimental

1.6 Montagem da Fonte de raios-X

A montagem da fonte raios-X, realizada neste trabalho, foi semelhante a montagem representada na Figura 3.1.

3

Figura 3.1 - Esquema referência de montagem dos motores de desenrolamento da fita-cola [1].

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A fonte de raios-X, desenvolvida neste trabalho, é composta por: • Uma câmara de vácuo;

• Bomba de vácuo rotatória; • Medidor de pressão; • Leitor de pressão;

• Um motor elétrico do tipo passo a passo; • Fonte de tensão 0-30 V, 2,5 A;

• Um suporte para o motor;

• Um suporte de rotação e respetivos eixos;

• Um sistema de controlo de velocidade – Arduíno UNO e montagem eletrónica auxiliar;

• Um sistema de vácuo primário;

• Um detetor de radiação x – XR-100SDD da Amptek; • Rolo de fita-cola – marca Staples e Scotch;

• 3 flanges;

• 1 fit-through elétrico;

Para que fosse possível observar o comportamento do sistema desenvolvido, dentro da câmara de vácuo, e detetar a emissão de raios-X fora da mesma com a ajuda de cintiladores ou placas de raios-X, optamos por construir uma câmara de vácuo em acrílico.

Foi também necessário construir à medida, para os furos feitos na caixa e na tampa, as flanges utilizadas para a ligação do sistema de vácuo, do detetor e do fit-through elétrico.

A caixa e a tampa de acrílico foram encomendas à empresa Acrifiller, e tiveram um custo aproximado de 200euros. As flanges foram construídas na FCT-UNL nas oficinas do Departamento de Física.

A câmara de vácuo foi dimensionada de forma a minimizar o volume do sistema. Os desenhos técnicos utilizados no fabrico da caixa e da tampa de acrílico que formam a câmara de vácuo, encontram-se no Apêndice 1 e 2.

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As Figuras 3.2 e 3.3 correspondem a fotografias tiradas à montagem experimental realizada neste trabalho. Nestas figuras podemos observar no interior das circunferências coloridas:

• Figura 3.2 circunferência a cor-de-laranja – Motor Passo-a-passo; • Figura 3.2 circunferência a roxo – Flange construída com rosca para

o detetor de radição;

• Figura 3.3 circunferência a encarnado – Detetor XR 100SDD Amptek; • Figura 3.3 circunferência a azul – Leitor de Pressão;

• Figura 3.3 circunferência a verde – eletrónica auxiliar do motor passo-a-passo;

• Figura 3.3 circunferência a amarelo – Fonte de tensão 0-30 V, 2,5 A.

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1.7 Motor Passo a Passo e Controlo de velocidade de desenrolamento

Existem diversos tipos de funcionamento de motores elétricos como os de corrente contínua, corrente alternada, passo a passo, etc.

O motor utilizado na montagem deste sistema é um motor passo a passo. Este tipo de motor é um dispositivo que converte impulsos elétricos em deslocamentos mecânicos angulares.

Ao aplicar sucessivos impulsos elétricos, o motor roda com uma velocidade proporcional à frequência desses impulsos. Por esta razão, o movimento deste tipo de motores pode ser controlado com precisão por sistemas digitais [20].

No sistema desenvolvido neste trabalho o motor passo a passo é controlado por um microcontrolador, sistema digital.

O microcontrolador utilizado foi uma placa Arduíno, Figura 3.3. O ambiente de programação deste microcontrolador contem uma vasta biblioteca

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de funções, incluindo uma função de controlo para motores passo a passo [21] [22], função utilizada como base para o controlo do motor responsável pela velocidade de desenrolamento da fita-cola.

Figura 3.4 – Placa de arduíno UNO.

O código da função utilizado para controlar o motor, foi alterado de forma a que a velocidade de desenrolamento da fita-cola se mantivesse constante, relação descrita no subcapítulo 2.5.

O código utilizado na programação da placa Arduíno, para o funcionamento do motor encontra-se descrito no Anexo 1.

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4. Resultados e Discussão

As fita-colas utilizadas neste trabalho, são da marca Staples e da marca Scotch. Inicialmente apenas tinha sido utilizada a fita-cola da marca Staples, no entanto depois de diversas tentativas, os resultados obtidos não foram satisfatórios. Por esta razão optou-se por utilizar uma fita-cola da mesma marca da fita utilizada no trabalho efetuado por Camara et al [1], fita-cola da marca Scotch.

Infelizmente por falta de acesso ao sistema de leitura do sensor de velocidade, não foi possível monitorizar a velocidade de rotação do motor responsável pela velocidade de desenrolamento da fita-cola.

Á medida que um rolo de fita-cola é desenrolado dentro da câmara de vácuo, são libertadas pequenas quantidades de ar o que resulta numa variação da pressão inicial obtida, pressão mínima, uma vez que a velocidade de bombeamento da bomba rotária utilizada não é suficiente para suprimir a desgaseificação. Esta variação não ultrapassou os 1,0x10-2 _{mbar.Por esta razão} foram considerados os valores de pressão mínimos atingidos em cada desenrolamento.

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Os resultados obtidos ao desenrolar fita-cola da marca Scotch, com diferentes condições de pressão, estão descritos na Tabela 4.1, Scotch 1 e 2.

Apesar de os resultados obtidos com a fita-cola da marca Staples não terem sido satisfatórios, foi ainda assim possível observar emissão de raios-X. Os resultados obtidos ao desenrolar a fita-cola Staples estão descritos na Tabela 4.1, Staples 3.

Tabela 4.1 – Resultados Obtidos ao fazer desenrolar diferentes tipos de fita-cola, em diferentes condições pressão de trabalho.

Na Figura 4.1 está representado o espectro obtido no desenrolamento da fita-cola da marca Scotch a uma pressão de 2,0x10-2 _{mbar. Como é possível} observar o maior número de contagens de emissão de radiação x deu-se para energias inferiores a 5 keV.

Na Figura 4.2 está representado o espectro obtido no desenrolamento da fita-cola da marca Staples a uma pressão de 4,5x10-2 _{mbar. Como é possível} observar o maior número de contagens de emissão de radiação x deu-se para energias inferiores a 1 keV.

Espectro Scotch 1 Scotch 2 Staples 3 Min. Pressão

(mbar) 7,7x10

-3 _2,0x10-2 _4,5x10-3

Fita-cola Scotch Scotch Staples

Calibração a+bx

A -0,0223

B 0,0139

Contagens E (keV) Contagens E (keV) Contagens E (keV)

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Figura 4.1 – Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 2,0x10-2 _{mbar, um rolo de}

fita-cola da marca Scotch. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 5 10 15 20 25 30 Con ta ge n s Energia (keV) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 5 10 15 20 25 30 Con ta ge n s Energia (keV)

Figura 4.2 - Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 4,5x10-2 _{mbar, um rolo de}

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Na Figura 4.3 podemos observar a sobreposição de três espectros obtidos, com diferentes tipos de fita-cola e em diferentes condições de pressão de trabalho. Na mesma figura estão os espectros: de cor preta, correspondente ao desenrolar da fita-cola Scotch a um valor de pressão mínimo de 7,7x10-3 mbar; cor azul correspondente ao desenrolar da fita-cola Scotch a um valor de pressão mínimo de 2,0x10-3 _{mbar; e de cor encarnada, correspondente ao} desenrolar da fita-cola Staples a um valor de pressão mínimo de 4,5x10-2 _mbar.

O número de contagens obtidas para o mesmo valor de energia, é superior quando é desenrolada a fita-cola da marca Scotch, comparativa com a fita-cola da marca Staples. É também mais elevado o número de contagens obtidas para o mesmo valor de energia, quando o valor de pressão é menor, isto é quando o nível de vácuo aumenta.

Durante o trabalho realizado, foi possível observar, que para valores de pressão inferiores a 5,0x10-3 _{mbar o número de contagens obtidas para o mesmo} valor de energia diminui. Em suma, o intervalo de valores de pressão, P, para os quais foram obtidos um maior de contagens para o mesmo valor de energia foi entre 5,0x10-3 _{mbar > P > 2,0x10}-2 _mbar.

Figura 4.3 – Sobreposição dos espectros obtidos, ao desenrolar fita-cola de marcas diferentes em diferentes condições de pressão.

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5. Conclusão e Prespectivas Futuras

O principal objetivo do trabalho desenvolvido foi atingido. Verificou-se que é possível construir uma fonte de raios-X, baseada no fenómeno de triboluminescência, através do desenrolamento de um rolo de fita-cola em vácuo. As experiências realizadas demonstraram que, comparando o número de contagens obtidas para o mesmo valor de energia de emissão, a quantidade de raios-X emitidos, depende não só do valor de pressão a que a fita-cola é desenrolada como também do tipo de fita-cola que é utilizada.

Não foram verificados melhores resultados com o desenrolamento da fita-cola da marca Staples. No entanto, os resultados obtidos com a fita-fita-cola da marca Scotch foram satisfatórios, i.e., houve emissão de radiação x com um maior número de contagens. Podemos concluir que para que a descarga elétrica entre as duas faces da fita-cola ser superior é necessária a utilização de uma fita-cola mais resistente.

Não foi possível analisar e otimizar todas as condições de trabalho definidas como objetivos, e.g.:

- Possibilidade de desenrolar vezes sucessivas o mesmo rolo de fita-cola, uma vez que o motor utilizado só permitia o desenrolamento de um rolo por operação;

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- Estudar o impacto de variações da velocidade de rotação do motor nos resultados, dado que não foi possível medir a velocidade de rotação do motor.

Ainda assim foi possível observar que nem sempre se dá emissão de radiação x para determinados valores de pressão. Não se observou emissão para valores de pressão inferiores a 5,0x10-3 _{nem para valores superiores a 2,0x10}-3_.

Estes resultados levam a crer que para se dar o fenómeno da triboluminescência é necessário que o valor de pressão não seja nem muito elevado nem muito baixo, caso contrário a descarga elétrica não suficiente para se dar a emissão de raios-X. Contudo não possível aferir com maior precisão, a partir dos resultados obtidos, o comportamento desta dependência.

De modo a prosseguir com a investigação desenvolvida, é vantajoso otimizar a montagem experimental de forma a que seja possível o desenrolamento sucessivo do mesmo rolo de fita-cola, eliminando a necessidade de colocar a câmara de vácuo à pressão atmosférica para trocar o rolo de fita-cola. A alteração do processo de desenrolamento colocando dois motores responsáveis pelo desenrolamento, a funcionar de forma alternada, é uma solução plausível para esta melhoria. Ainda assim, teríamos de ter em consideração diminuir a dimensão dos motores utilizados, para que a dimensão total da montagem experimental não fosse demasiado ampliada.

A otimização das dimensões da fonte de raios-X, criando uma montagem de menores dimensões, pode permitir o fabrico de uma máquina que seja facilmente transportada. Para isso, basta minimizar as dimensões de alguns componentes, como por exemplo: o motor passo a passo e a eletrónica associada; os suportes de rotação dos rolos de fita-cola; e a câmara de vácuo.

Adicionalmente, deve dar-se continuidade ao desenvolvimento desta investigação explorando com maior precisão o comportamento da triboluminescência, através da sua experiência com um conjunto alargado de variáveis de condições de trabalho:

- 27 - - Diferentes velocidades de desenrolamento;

- Diferentes tipos de fita adesiva (e.g. material constituinte), ou comparação entre fita-cola transparente (utilizada nesta investigação) e fita-cola isolante.

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6. Anexos

Código implementado na placa Arduíno UNO para variar a velocidade de rotação do motor:

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7. Apêndice – Desenhos técnicos

B

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