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A U T A R Q U I A A S S O C I A D A À U N I V E R S I D A D E D E S Ã O P A U L O
DESENVOLVIMENTO DE CONJUNTO DETECTOR CINTILADOR COM SISTEMA DE CONTAGENS E AQUISIÇÃO DE DADOS PARA MEDIDAS DE VAZÃO
UTILIZANDO TRAÇADORES RADIOATIVOS
FÁBIO EDUARDO DA COSTA
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear- Aplicações
Orientadora:
Dra. Margarida Mizue Hamada
0 7 4 . 3 :
São Paulo
2001
D E S E N V O L V I M E N T O D E C O N J U N T O D E T E C T O R C I N T I L A D O R C O M S I S T E M A D E C O N T A G E N S E A Q U I S I Ç Ã O D E D A D O S P A R A M E D I D A S D E
V A Z Ã O U T I L I Z A N D O T R A Ç A D O R E S R A D I O A T I V O S
F A B I O E D U A R D O D A C O S T A
D i s s e r t a ç ã o a p r e s e n t a d a c o m o p a r t e d o s r e q u i s i t o s p a r a o b t e n ç ã o d o G r a u d e M e s t r e em C i e n c i a s n a Á r e a d e T e c n o l o g i a N u c l e a r - A p l i c a ç õ e s
O r i e n t a d o r a :
D r a . M a r g a r i d a M i z u e H a m a d a
S ã o P a u l o 2001
mulheres.
A meu pai Américo " in memorian " que nas suas limitações ensinou-me a viver transpondo barreiras.
E a minha esposa Patrícia que é o meu presente e meu futuro.
Á Dra Margarida Mizue Hamada pela orientação, amizade e todo incentivo nesta empreitada.
Ao Eng. Paulo Roberto Rela por todo incentivo e amizade.
Ao Dr. Roberto Fúlfaro, ao Físico Wanderlei de Lima e ao Eng. José Mauro Vieira por todo apoio para que eu obtivesse meu título de mestre.
A Msc. Maria da Conceição Costa Pereira pelos cristais utilizados neste trabalho.
Ao grupo de hidrologia do Centro de Tecnologia das Radiações nas pessoas do Msc. Pedro Aoki, Edmilson Bambalas, Valdir Cosmos e Wilson Bruzinga cujo dedicação e
boa vontade permitiram a validação deste trabalho.
Ao Dr. Carlos Henrique de Mesquita pelo incentivo e discussões.
Ao Dr. Edy Segura Pino pelas sugestões e correções no trabalho.
Ao Msc. Héctor Carlos Camilo Rocca pelas sugestões e amizade.
A todos os amigos do Centro de Tecnologia das Radiações que direta ou indiretamente tornaram possível este trabalho.
Ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares pela oportunidade.
^.OMISSÃO ^ ' f l Q O N f . l r . F F N E R G I A N U C L E A R / S P i n t »
V A Z Ã O U T I L I Z A N D O T R A Ç A D O R E S R A D I O A T I V O S
F á b i o E d u a r d o d a C o s t a
R E S U M O
A metodologia do uso de radiotraçadores é indicada para m e d i d a s de vazão em líquidos ou gases em plantas de processos industriais, permitindo a avaliação sem c o m p r o m e t e r o sistema, interromper a p r o d u ç ã o ou introduzir derivações nos sistemas hidráulicos. A instrumentação nuclear oferece a v a n t a g e m de permitir que as investigações sejam feitas através das paredes das tubulações, sem contato físico e sem m o v i m e n t o s mecânicos. N e s t e trabalho foi desenvolvido u m conjunto de detectores e contador portátil c o m sistema de aquisição de dados para medidas de vazão usando a técnica de velocidade de pulso. E s t a técnica consiste em determinar o tempo de trânsito do traçador h o m o g e n e a m e n t e misturado ao liquido ou gás da tubulação. O conjunto compreende: a) dois cristais de CsI(Tl) constituindo os meios detectores, associados a fotodiodos de silicio tipo P I N ; b) unidade de amplificação e processamento de sinal; c) interface análogo digital, com contadores separados para os dois detectores mas c o m o m e s m o eixo temporal amostrando as contagens em t e m p o real na tela d o computador e d) disponibilidade de utilizar cabos coaxiais de 30 metros de c o m p r i m e n t o dos detectores à unidade de amplificação e processamento de sinal. O e q u i p a m e n t o preencheu a limitação existente principalmente em eventos de curta duração em processos com alta velocidade de trânsito.
E s t e trabalho deu especial atenção ao d e s e m p e n h o do cristal de CsI(Tl), fotodiodo e eletrônica associada, n o intuito de adequar o projeto às necessidades do trabalho.
R A D I O A C T T V E T R A C E R S
F á b i o E d u a r d o d a C o s t a
A B S T R A C T
The radiotracer methodology is suitable for flow measurements of liquids or gases in industrial plants process, since it enables the evaluation without compromising the system, interrupting the production or introducing derivations in the hydraulic systems.
The nuclear instrumentation offers the advantage of allowing the investigations to be done without physical contact, mechanical m o v e m e n t and even through pipeline walls. In this work, a portable counter with a data acquisition system for flow m e a s u r e m e n t s w a s developed, using the pulse velocity technique. This consists in determining the tracer transit time mixed h o m o g e n e o u s l y with the liquids or gases pipeline. The set comprises: a) t w o CsI(Tl) crystals as detection material , associated with Si P I N photodiodes, b) an amplification and pulse shaping unit; c) an analog-digital interface, which processes and displays the detectors counfing separately and in the real time, but in a same temporal axis, via a c o m p u t e r screen and d) 30-meter coaxial cables for signals transmission from each detector to the processing unit. T h e equipment overcame the existing limitation, mainly in events of a short duration, in high speed processes. This w o r k gave special attention to the crystal, photodiode and associated electronic characterizations.
l O M t S S f l O W f l C l G N f i l D f F N E R G I f l N U C L E A R / S P I P t *
Página
1 - I N T R O D U Ç Ã O 1
1.0- Aspectos gerais 1 1.1 - Medida de vazão por velocidade de pulso 5
1.2- Aplicabilidade 8 1.3- Objetivo do trabalho 9
1.4- Considerações prelimifiares na elaboração do trabalho 9 1.4.1 - Características d o conjunto de detectores para aquisição de dados em
pontos remotos 9 1.4.2 - Velocidade de p r o c e s s a m e n t o 12
1.4.3 - Tratamento de dados no próprio local dos ensaios 13
1.4.4 - Total portabilidade 13 1.4.5 - Distância entre detectores 14 2 - C O N S I D E R A Ç Õ E S T E Ó R I C A S 15
2.1 - A radiação gama 15 2.2 - Interação da radiação com a matéria 17
2.3 -Modelo de bandas de energia 21
2.4 - Cristais cintiladores 23 2.5 - Altura de pulso 24 2.6 - Fotodiodo 25 2.7 - Pré-amplificador 28 2.8 - Conformação do sinal, controle de stipressão, amplificação e acoplamento
óptico 33 2.8.1 - Conformação do sinal 33
2.8.2 - Controle de supressão 36 2.8.3 - Amplificação e a c o p l a m e n t o óptico 37
2.9- Contador de pulsos 39
i O M I S S A C N A C ; Ü N Í - L D E t r v i E K G I A N U C L E A R / S P I P t l
3 - M A T E R I A I S E M É T O D O S 41
3.1 - Introdução 41 3.2 - Crescimento dos cristais de Csl (Tl) 4 2
3.3 - Estudo das características espectroscópicas - Espectro de emissão 4 2 3.4- Estudo das características espectroscópicas - Altura de pulso 4 3 3.5 - Estudo das características espectroscópicas - Tempo de decaimento de
luminescência 45 3.6- Lapidação, polimento e montagem do conjunto fotodiodo e cristal de CsI(Tl)... 4 6
3.7 - Medida das capacitancias dos fotodiodos em função da tensão reversa 5 4
3.8- Pré-amplificadores 56 3.9 - Utilização de cabo coaxial convencional entre detectores e unidade de
amplificação e processamento 59 3.10 - Unidade de amplificação e processamento de sinal 60
3.11 - Programa de comunicação, contagem e construção do gráfico de contagens
pelo tempo 6 2 3.12 - Medida da dependência do número de contagens em função da largura de
pulso do sinal dos detectores 62 3.13 -Medidas de eficiência de contagens absoluta no fotopico e eficiência absoluta
total 6 4 3.14 - Obtenção do valor da mínima atividade detectável 65
3.15 - Utilização do equipamento desenvolvido em uma situação real na indústria. 6 7
4 - R E S U L T A D O S 6 9
4.1 Medidas do espectro de emissão luminosa 6 9
4.2 -Medidas de altura de pulso 7 0 4.3 Tempo de decaimento de luminescência 71
4.4 -Medida das capacitancias dos fotodiodos 7 2 4.5 - Características do conjunto detector 73
4.5.1 - Níveis de m í d o associados aos tipos de acoplamento e grupo de
fotodiodos utilizados 73
4.5.2 - Características do conjunto fotodiodo, pré-amplificador e unidade d e amplificação e processamento de sinal para a condição de melhor
relação sinal-ruido 75 4.5.3 - Características do conjunto detector utilizando u m cabo único para
alimentação e sinal 77 4.5.4 - Resultado das medidas de eficiências absolutas total e no fotopico 79
4.5.5 - M í n i m a atividade detectável 81 4.6- Unidade de amplificação e processamento de sinal 82
4.7 - Programa de comunicação, contagem e construção do gráfico de contagens em
função do tempo 84 4.8 - Resultados obtidos na validação do equipamento em uma situação real na
indústria 85
5 - D I S C U S S Ã O 88
6 - C O N C L U S Õ E S ' 101
A P Ê N D I C E 102
R E F E R Ê N C I A S B I B L I O G R Á F I C A S 107
rvAC;CNiL DE t N t f i G I A N U C L E A R / S P i P t l
1 - I N T R O D U Ç Ã O
1.0- Aspectos gerais
A aplicação de radioisótopos na indústria c o m o traçadores radioativos, teve seu início n o fim d a década de 4 0 , incentivada pela disponibilidade de radionuclídeos serem produzidos por reatores nucleares, o n d e a primeira aplicação de g r a n d e porte foi na indústria petrolífera, em estudos de produção de petróleo
A ferramenta oferecida pelos traçadores radioativos d e m o n s t r o u ter u m e n o r m e potencial n o s estudos das características operacionais e n o diagnóstico de processos, por diminuir o t e m p o de paralisação da produção para obter os resultados desejados, e n ã o alterar as condições de fiincionamento, fornecendo informações precisas de p a r â m e t r o s reais.
Paralelamente, c o m o característica fundamental, a radiação emitida p o r u m traçador radioativo, ou seja, pelo radioisótopo contido nele, não m u d a de c o m p o r t a m e n t o por temperatura, pressão, viscosidade ou qualquer outro agente que possa afetar o material ao qual o traçador radioativo foi adicionado
A t u a l m e n t e , a utilização de traçadores radioativos na solução de problemas d e engenharia é u m a técnica b e m estabelecida, mas em r a z ã o da sua versatilidade, t e m estimulado estudos e implementações de novas aplicações potenciais d e custo
relativamente baixo. Encontra-se na literatura u m a m p l o estudo da metodologia desenvolvida no u s o d e traçadores em diferentes c a m p o s de aplicação ^^''^'^'^\
D e v e ser observado primeiramente que a escolha de materiais radioativos c o m o traçadores em medidas de v a z ã o são indicadas somente quando outros m é t o d o s '^'^^ não forem satisfatórios. Estes outros m é t o d o s p o d e m ser fluxômetros convencionais c o m o t u b o s de Venturi, fluxômetros de palhetas o u fluxômetros por efeito Doppler entre algumas das possibilidades. N ã o sendo possível, existem m é t o d o s químicos c o m o descarregar n o fluxo a ser medido u m a solução concentrada de sal e a c o m p a n h a r sua concentração ou sua condutividade. Existem ainda m é t o d o s colorimétricos, o n d e u m corante é injetado n o fluxo e a c o m p a n h a d o para se inferir a v a z ã o . Finalmente, se a resposta desses m é t o d o s não atenderem as expectativas, a utilização d e radiotraçadores p o d e ser indicada.
Para implementação d o u s o de t r a ç a d o r e s radioativos nas m e d i d a s de vazão em tubulações, diversos fatores são fundamentais, desde a escolha d o traçador a d e q u a d o até o sistema de medição.
A s escolhas d o radiotraçador, b e m c o m o detectores apropriados para cada tipo de estudo devem ser baseadas nas c o n d i ç õ e s d a experiência e n o tipo de informação que se deseja obter A s principais variáveis que d e v e m ser consideradas são:
a) Tipo de radiação emitida, elemento e existência de carregador
O tipo de radiação mais a d e q u a d o para aplicações industriais de traçadores é a radiação g a m a , que p o r ser u m a radiação eletromagnética, t e m a v a n t a g e m de maior penetrabilidade. C o m o conseqüência, muitas m e d i ç õ e s p o d e m ser realizadas sem n e n h u m a
alteração das instalações e de forma contínua, u m a v e z q u e o detector p o d e ser colocado na parte externa da tubulação sem contato físico. Dessa forma o isótopo radioativo utilizado como radiotraçador deve ser u m emissor g a m a e c o m u m a energia suficiente para atravessar as paredes da tubulação e interagir c o m o detector.
P o r sua vez, deve haver u m a h o m o g e n e i z a ç ã o d o elemento ou c o m p o s t o químico que c o m p õ e o radiotraçador c o m o carregador, ou seja, o meio fluído n o qual são feitos os ensaios, para assegurar q u e as condições assumidas n o processo sejam verdadeiras
b) M e i a vida
Ao ser introduzido um traçador radioativo n o fluído de u m a linha industrial, s u a r e m o ç ã o é u m a condição necessária em razão da contaminação radioativa q u e p o d e gerar.
Diante desta circunstância, a escolha da meia vida d o radiotraçador leva e m conta o t e m p o gasto desde a produção do radiotraçador até sua utilização, procurando conciliar estes tempos de forma q u e a atividade incorporada ao sistema n o fínal d o ensaio j á esteja baixa e caminhe rapidamente para os valores encontrados n o ambiente.
c) Sensibilidade de detecção
A sensibilidade de detecção está relacionada c o m o tipo e atividade d o radiotraçador e c o m o detector utilizado. Vinculadas a esta condição d e detecção existem medições do tipo amostragem e d o tipo continuas ("on-line") ^^^\ N a s medições por amostragem , o sistema d e injeção do radiotraçador t e n d e a ser complexo, n o entanto a sua detecção é mais simples. As m e d i ç õ e s p o r amostragem são t a m b é m limitadas pelo t e m p o de aquisição da amostra e entre o intervalo de coleta das amostras, resultando em u m processo q u e n ã o é adequado para aplicar em eventos d e curta duração. Para eventos d e
;OM(SSA0 MfiCiONfci (JÉ e i V i t R G l í N U U L E A R / S P j j ' t B
curta duração, as medições contínuas são as mais indicadas e estas são utilizadas para m o n i t o r a r a resposta d e processos com injeções d o radiotraçador de forma rápida no fluxo a ser investigado. Necessita de u m sistema mais elaborado de medição, e m b o r a o dispositivo de injeção seja relativamente simples.
E m a m b o s o s casos, os detectores cintiladores são os mais a d e q u a d o s por atenderem os c o m p r o m i s s o s de maior eficiência de contagem e m e n o r " t e m p o m o r t o " , permitindo que a atividade do radioisótopo presente n o radiotraçador a ser injetado, possa ser escolhida sobre u m a a m p l a g a m a d e valores.
d) A s p e c t o s dosimétricos
A taxa de exposição ás radiações que o s trabalhadores irão receber durante as m e d i d a s que utilizam traçadores radioativos constitui u m fator limitante da quantidade de radiotraçador injetado na tubulação. D e s s a forma, devem ser observadas as condições e p r o c e d i m e n t o s durante as medidas para que não sejam ultrapassadas as doses estipuladas para trabalhadores e pessoas d o público. Estas condições d e v e m ser asseguradas pelo treinamento adequado d o s trabalhadores que manipulam radioisótopos de forma a minimizar o t e m p o de exposição ou evitar exposições desnecessárias e na medida d o possível utilizar detectores de alta sensibilidade, c o m o os detectores cintiladores, para que sejam utilizados radiotraçadores c o m baixas atividades.
P a r a trabalhadores, os limites d e dose m á x i m o s admissíveis conforme norma C N E N ''^^ são 50 m S v / a n o para o corpo inteiro e 500 m S v / a n o para as mãos. O valor m á x i m o permitido para as m ã o s foi citado por constituir a região d o corpo q u e estará mais exposta, principalmente durante o p r o c e d i m e n t o de injeção d o radiotraçador. A partir da
escolha adequada d o radiotraçador e da atividade necessária a o trabalho, deverão ser calculadas as taxas d e exposição que o trabalhador ficará sujeito desde a injeção do radiotraçador, assegurando q u e os valores da taxa de exposição estejam abaixo d o s valores m á x i m o s permitidos.
1.1 - Medida de vazão por velocidade de pulso
Para medidas de v a z ã o de líquidos ou gases nas plantas d e processos industriais, deve ser utilizada u m a metodologia que possibilite a avaliação destes valores sem comprometer o sistema, e m alguns casos sem interromper a p r o d u ç ã o ou introduzir derivações nos sistemas hidráulicos. D o ponto de vista comercial, o u s o mais freqüente d e radiotraçadores na indústria é n a medição de vazão. A técnica apresenta u m a exatidão que é independente d o perfil da velocidade d o fluido na tubulação, d e p e n d e n d o apenas da eficiência d a h o m o g e n e i z a ç ã o d o radioisótopo ao fluído
D e n t r e as diversas metodologias de traçadores existentes t'^''^''"*]^ a técnica da velocidade de pulso, apresenta u m a imediata aplicabilidade, utilizando o t e m p o de trânsito d o traçador misturado ao Hquido ou gás na tubulação. Este é inclusive, u m m é t o d o padrão utilizado para aferição de medidores d e fluxo [^^'"''^'^1 E s s e m é t o d o para realização de medidas de vazão, utilizando traçadores radioativos, consiste em instalar dois detectores sensíveis a radiação, separados p o r u m a distância adequada, na parte externa da tubulação que transporta o fluído de v a z ã o desconhecida. O traçador radioativo por sua vez é injetado rapidamente n o fluxo, n a forma de u m pulso curto. O primeiro detector deve estar localizado a u m a distância d o ponto d e injeção d e forma q u e a distância percorrida até ele
C O M I S S Ã O K t C i O N A i . ht t i \ í t h ( i l A W U L L t f l H / S P «l^CB
assegure a h o m o g e n e i z a ç ã o d o radiotraçador ao meio. N e s t a s condições, c o m o radiotraçador b e m m i s t u r a d o a o fluído e este preenchendo t o d a a seção da tubulação investigada, estará assegurado que sua velocidade será a m e s m a que a velocidade m é d i a d o fluído e m q u e foi adicionado
Seguindo o processo, o primeiro detector registrará a p a s s a g e m d o radiotraçador e m u m primeiro ponto da tubulação o n d e a h o m o g e n e i z a ç ã o obtida j á satisfaz as condições exigidas pela técnica utilizada e transcorrido o t e m p o de trânsito deste fluído na tubulação, o segundo detector registrará a passagem deste m e s m o radiotraçador em u m segundo ponto. C o n h e c e n d o - s e o intervalo de t e m p o da passagem d o radiotraçador entre o primeiro e o segundo detector e as características da tubulação obtêm-se a v a z ã o . E s t a técnica é exemplificada d e forma esquemática n a Figura 1.1.
Ponto de injeção do radiotraçador
Distância
<
•Vazão Detector I
Computador
Seção
Interface
-c
Detector 2
Figura 1.1 - M o d e l o esquemático para m e d i d a de v a z ã o utilizando a técnica de velocidade d e pulso c o m traçadores radioativos.
D a figura 1.1 t e m o s c o m o conhecidos os valores da distância entre detectores e a área da seção transversal da tubulação. C o m o t e m p o entre pulsos inferidos na m e d i ç ã o e o valor da distância t e r e m o s a velocidade do fluido e o produto desta pela seção n o s dará o valor p r o c u r a d o d a vazão, c o m o na equação:
distância
vazão = seção tempo de trânsito
O m é t o d o d e m e d i ç ã o de t e m p o de trânsito c o m t r a ç a d o r e s radioativos apresenta as seguintes vantagens ^'^^:
a) O sistema de injeção é relativamente simples, o n d e n ã o é necessário conhecer c o m precisão a atividade injetada;
b) Apresenta resultado imediato;
c) N ã o é necessária a manipulação d o traçador depois da injeção;
d) O s ensaios p o d e m ser repetitivos, dando origem a u m a b o a estatística d e m e d i ç ã o ; e) Somente u m p o n t o d e acesso ao sistema é necessário;
f) P o d e utilizar traçadores d e vida curta o que atende o s requisitos da proteção radiológica e d o meio ambiente e
g ) N ã o é necessário manipular líquidos tóxicos o u perigosos.
E m contrapartida, existem as seguintes desvantagens ''^':
a) Necessidade d e autorização para aquisição e m a n i p u l a ç ã o de materiais radioativos;
b) C o m radioisótopos de vida curta, sua utilização tem que ser p r o g r a m a d a p a r a serem adquiridos e transportados até o local dos ensaios em t e m p o s que não c o m p r o m e t a m a atividade inicial desejada;
c) O s equipamentos d e medida têm u m custo elevado quando comparados aos utilizados c o m traçadores não radioativos;
d) O preço do radiotraçador é elevado, e m b o r a em alguns casos acabam sendo mais baratos que determinados corantes ou m e s m o o preço não chega a ser relevante diante das vantagens d o p r o c e s s o ;
e) O radiotraçador utilizado deve ser adequado de forma a permitir sua mistura ao meio fluído, gasoso ou liquido, em que é desejado medir a v a z ã o e
f) O meio fluído deve preencher toda a seção da tubulação na qual estão sendo feitas as medidas de vazão.
1.2- Aplicabilidade
O I P E N , por meio d o Centro de Tecnologia das R a d i a ç õ e s v e m atendendo às solicitações das indústrias para controle e identificação de falhas operacionais. N o entanto, para atender estes serviços t e m se deparado com a necessidade do desenvolvimento de conjuntos detectores robustos, portáteis e que possibilitem o tratamento de dados com maiores velocidades d e p r o c e s s a m e n t o e facilidade na avaliação dos dados coletados n o próprio local da prestação de serviço. E s t e trabalho descreve o desenvolvimento, a construção e os resultados de um equipamento que visa atender estas necessidades.
. O M I S S Ã O NflC(ÜW/ii. OE E N E R G I A N U C L E A R / S P I P f c i
1.3- Objetivo do trabalho
O objetivo principal d o trabalho foi desenvolver e construir u m conjunto detector cintilador c o m sistema de contagens e aquisição de d a d o s para m e d i d a s de v a z ã o d e fluidos em tubulações, utilizando traçadores radioativos, pelo m é t o d o da velocidade de pulso.
1.4- Considerações preliminares na elaboração do trabalho
N a elaboração deste projeto, de forma a suprir as limitações apresentadas nos e q u i p a m e n t o s convencionais, foram necessários considerar alguns fatores, os quais serão discutidos separadamente, justificando o objetivo deste trabalho.
1.4.1 - Características do conjunto de detectores para aquisição de d a d o s em pontos remotos
P a r a a utilização d e radiotraçadores na determinação de vazão e m tubulações, os radioisótopos presentes n o traçador devem ser emissores de radiação g a m a por ser o tipo de radiação mais apropriada para atravessar as paredes das t u b u l a ç õ e s d o s sistemas. D e n t r e os equipamentos disponíveis para medidas da radiação g a m a , detectores construídos c o m fotomultiplicadoras acopladas a cristais de N a l ( T l ) são considerados c o m o u m d o s mais adequados
A s fotomultiplicadoras são conhecidas pelas suas excelentes características de baixo ruído interno e g r a n d e sinal de saída A o m e s m o t e m p o , u m a das desvantagens reside nas elevadas t e n s õ e s de polarização e m p r e g a d a s nas fotomuhiplicadoras. Q u a n d o utilizadas e m e q u i p a m e n t o s portáteis estes requerem inversores d e tensão para elevarem a tensão das baterias para as centenas ou milhares de v o h s necessários para a adequada polarização de seus d i n o d o s . A estabilidade d o processo de muhiplicação é muito influenciada pelo estado das baterias e a flutuação de tensão p o d e c o m p r o m e t e r os resultados ao longo d o t e m p o do ensaio. Existe ainda, os riscos de conduzir tensões elevadas n o s cabos, p o d e n d o sujeitar o operador a choques elétricos durante a utilização em medidas de c a m p o . Além disso, as fotomultiplicadoras sofrem a influência de c a m p o s magnéticos que afetam o seu d e s e m p e n h o e são muito sensíveis à choques mecânicos.
N e s t e trabalho foi proposto o desenvolvimento e construção de detectores utilizando cristais de CsI(Tl) acoplados a fotodiodos P I N [^''^^'^^1 , em substituição aos detectores de Nal(Tl) acoplados a fotomultiplicadoras. F o t o d i o d o s P I N de grande área são u m a resposta tecnológica m u i t o e n c i e n t e e m substituição às fotomultiplicadoras quando utilizados com cristais cintiladores de CsI(Tl). U m conjunto detector que utilize fotodiodo no lugar d a fotomultiplicadora e cristal de CsI(Tl) e m substituição d o cristal d e N a l ( T l ) apresenta as seguintes vantagens:
Vantagens dos fotodiodos de silício em relação a fotomultiplicadoras l^^'^'*'^^';
a) G r a n d e rigidez m e c â n i c a e p e q u e n a s d i m e n s õ e s devido as suas características construtivas;
b) Baixas tensões de polarização (menores que 100 V contra centenas ou milhares de v o h s para fotomultiplicadoras),
c) M e l h o r sobreposição do espectro de eficiência quântica do fotodiodo de silício c o m o espectro de emissão de luminescência do cristal de CsI(Tl);
d) Elevada eficiência quântica, de 60 a 8 0 % , em razão da não necessidade de escape das cargas da superficie c o m o ocorre em u m fotocatodo,
e) Ganho unitário;
f) Baixa influência de campos magnéticos e g) São de baixo custo.
Vantagens dos cristais de CsI(Tl) e m relação aos de Nal(Tl) P^'^*''^'']:
a) São mais resistentes e menos higroscópicos;
b) A p r e s e n t a m u m rendimento de luz de 51800 fótons/MeV, enquanto o N a l ( T l ) tem u m rendimento d e 3 7 7 0 0 fótons/MeV e
c) Aliadas a estas vantagens, os cristais de CsI(Tl) são produzidos rotineiramente no Centro de Tecnologia das Radiações do I P E N .
Dessa forma, serão construídos dois detectores constituídos de cristais de CsI(Tl) acoplados a fotodiodos PIN, que terão dimensões reduzidas, serão robustos e de boas condições de manuseio.
.owiss&o K&amn D E E M E N G I A N U C L E A H / S P ifts
1.4.2 - Velocidade de p r o c e s s a m e n t o
O s ensaios q u e d e m a n d a m t e m p o s longos de trânsito são realizados, rotineiramente, utilizando e q u i p a m e n t o s disponíveis no mercado. N e s s e s ensaios a coleta de d a d o s p o d e ser feita m a n u a l m e n t e . N o entanto, a realização d e m e d i d a s para eventos que ocorrem ou variam e m intervalos d a ordem d e segundos ou m e n o s são limitados pela velocidade de processamento d o e q u i p a m e n t o ou limitados pelo operador, que não consegue coletar dados na velocidade desejada. E s t a limitação p o d e ser superada com a aquisição simultânea d o s dados d o s dois detectores de forma automática e totalmente digital. C o m os pulsos de cada detector digitalizados, estes serão enviados a u m c o m p u t a d o r para posterior tratamento.
A s contagens de cada detector serão feitas separadamente, m a s c o m a m e s m a referência temporal, visando facilitar a determinação d o s centroides das formas d o pulso de trânsito adquiridos ^^^^ sem afetar a exatidão temporal de separação entre esses pulsos.
N o processo de aquisição de d a d o s , são limitantes na taxa de aquisição de dados, as velocidades de conversão e de c o m u n i c a ç ã o ^^^'^^^ e a largura temporal d o s pulsos detectados. Paralelamente, haverá o desenvolvimento de u m software q u e gerenciara a troca destas informações, b e m c o m o a automatização d o sistema.
I
1.4.3 - T r a t a m e n t o de d a d o s no próprio local dos ensaios
N o r m a l m e n t e , o s dados são coletados n o c a m p o e tratados n o laboratório. N e s t e desenvolvimento pretende-se avaliar os resultados das medidas no próprio local d o ensaio.
A partir d o m o m e n t o q u e t o d o s os dados coletados estão a r m a z e n a d o s n o computador, o seu processamento ocorre de forma rápida, obtendo resultados seguros, e possibilitando repetições e alterações d o s ensaios quando necessário n o próprio local.
1.4.4 - Total portabilidade
A aquisição de dados e placas conversoras analógico-digitais são de tecnologia conhecida. O mercado destas placas de interfaceamento é suprido por vários modelos.
Essas p o d e m ser facilmente alocadas em u m d o s b a r r a m e n t o s internos disponíveis e m qualquer c o m p u t a d o r de mesa.
U m e q u i p a m e n t o portátil, terá c o m o u m a melhor o p ç ã o o u s o de computadores do tipo " l a p - t o p " ou "note-book". Estes em sua maioria não permitem que sejam abertos ou m e s m o disponham de u m b a r r a m e n t o para u m a placa de interfaceamento. R e s t a m c o m o o p ç õ e s de comunicação, as portas de comunicação paralela ("Centronix") e a de c o m u n i c a ç ã o serial ( R S 2 3 2 ou PS2), sendo que a paralela admite simplificações no circuito eletrônico que propiciam u m custo m e n o r para a aplicação desejada.
O sistema de alimentação será provido por baterias recarregáveis para formar j u n t a m e n t e c o m u m c o m p u t a d o r portátil u m a unidade totalmente a u t ô n o m a para coleta,
tratamento e interpretação dos dados.
1.4.5 - Distância entre detectores
A distância m á x i m a q u e os detectores p o d e m ser posicionados u m d o outro p o d e ser u m fator limitante. E s t a s limitações p o d e m ser de cunho m e r a m e n t e prático c o m o a disposição física d o sistema, o n d e a posição de u m tanque ou parede entre o s dois p o n t o s da tubulação aumenta m u i t o a distância dos cabos d o s detectores à u n i d a d e de tratamento d o sinal. P o r outro lado, em v a z õ e s elevadas, distâncias maiores entre detectores irão minimizar proporcionalmente a incerteza na medida d o t e m p o de trânsito.
O desenvolvimento do e q u i p a m e n t o visando resolver este problema, prevê cabos de transferência de sinal d o s detectores para a unidade de amplificação e processamento d e sinal da ordem de 30 metros, possibilitando q u e se utilize d e até 60 metros de distância entre detetores. Para que esta necessidade seja atendida, dois fatores foram considerados e incorporados ao conjunto: desenvolvimento d e uma eletrônica que permita transmitir este sinal a distância de 30 m e t r o s sem g r a n d e s perdas, e u m a segunda, o acoplamento óptico d o sistema de comunicação entre o c o m p u t a d o r e o conjunto d e detectores. Distâncias c o m o estas em u m a tubulação, principalmente e m u m meio industrial, p o d e m propiciar q u e sejam encontradas diferenças consideráveis de potencial no conjunto provenientes de diferenças de aterramento. D e s t a forma o acoplamento óptico a ser utilizado ^^^^ suportará surtos de tensão de até 7.5 k V , p r o c u r a n d o proteger o computador ligado a ele.
2 - C O N S I D E R A Ç Õ E S T E Ó R I C A S
E s t e trabalho propõe a injeção de traçadores radioativos e m u m a tubulação e a detecção da radiação g a m a emitida para determinar a grandeza física vazão de um meio líquido ou gasoso. As considerações teóricas para o desenvolvimento desse sistema são iniciadas c o m a radiação gama e sua interação c o m a matéria para posterior detecção e segue descrevendo o conjunto detector até que o sinal possa ser processado pelo computador.
2.1 - A radiação gama
Para que a radiação emitida pelo radiotraçador possa ser detectada através das paredes das tubulações, o radiotraçador deve ser emissor de radiação gama, c o m o justificado na introdução deste trabalho.
A radiação g a m a é emitida por um núcleo na tentativa de diminuir seu estado energético excitado a um mais estável N a natureza existem muitos elementos q u í m i c o s que apresentam isótopos radioativos c o m a propriedade de emitir radiação gama.
Existe ainda a possibilidade destes radioisótopos serem produzidos artifícialmente. Esta condição é facilmente alcançada q u a n d o um radioisótopo artifícial é produzido a partir do b o m b a r d e a m e n t o de u m núcleo estável c o m neutrons. U m neutron excedente n o núcleo do á t o m o desintegra-se originando u m a partícula beta m e n o s ou elétron rápido, u m proton e um anti-neutrino. A p ó s essa desintegração, o núcleo do átomo p o d e apresentar um estado
energético q u e propicie a emissão d e u m ou mais fótons g a m a até que seja atingido u m estado relaxado ou de m e n o r d e energia.
P a r a efeitos de detecção da radiação através das paredes d a s tubulações, os elétrons seriam facilmente barrados e neutrinos por suas caracteristicas estruturais são muito difíceis de detectar. P a r a esses casos é a emissão de fótons g a m a que viabiliza a possibilidade de detecção, interagindo com o detector.
U m núcleo instável p o d e t a m b é m decair emitido u m a partícula P"^ ou positron e posteriormente emitir fótons g a m a n o processo para diminuir seu estado energético. O positron por sua vez p o d e participar de u m processo mais c o m p l e x o . E s t e , interagindo n o material q u e o c o m p õ e ou m e s m o n o encapsulamento da fonte q u e o constitui, p o d e perder energia cinética o suficiente para q u e possa combinar-se c o m u m elétron d o material. E s t e p r o c e s s o é conhecido por aniquilamento o n d e o positron e o elétron d ã o origem a dois fótons g a m a de 511 k e V , energia esta, equivalente a massa d e r e p o u s o do elétron. E s t e processo t a m b é m é de interesse para esse trabalho, devido ao valor de energia que emite.
Existe ainda a possibilidade d e irradiar núcleos c o m partículas a , mas a emissão de fótons g a m a destes núcleos g e r a l m e n t e têm energia muito alta o que acaba dificultado a sua detecção. Por outro lado, elétrons rápidos existentes e m alguns processos nucleares p o d e m ser freados ao interagirem c o m a matéria dando origem a radiação de freamento ou
"bremsstrahlung". E s t a radiação situada no espectro dos r a i o s - X possui baixa energia e p o u c a penetrabilidade, para a aplicação proposta, n ã o sendo indicada para u s o c o m esse trabalho.
2.2- Interação da radiação com a matéria
A interação da radiação com a matéria é resultado da transferência parcial ou total d a energia da radiação incidente a elétrons ou núcleos d o s á t o m o s q u e constituem o meio material que está sendo irradiado ^ ' ' l
A radiação que incide sobre o meio material p o d e estar manifestada na forma de u m elétron de alta velocidade, neutrons, partículas eletricamente carregadas, e na forma d e radiação eletromagnética c o m o raios g a m a e raios-X. Devido a o efeito de alta penetrabilidade desejado, os radioisótopos utilizados neste trabalho d e v e m emitir radiação gama. A s energias envolvidas nesta faixa d o espectro de energia fazem c o m que dentre os possíveis m e c a n i s m o s d e interação conhecidos, três processos sejam p r e d o m i n a n t e s d e ocorrer efeito fotoelétrico, espalhamento C o m p t o n e produção de pares.
A probabilidade de interação da radiação c o m o meio material que está sendo b o m b a r d e a d o é função da energia d o s fótons incidentes e d o n ú m e r o atômico do material que interage c o m a radiação incidente. E s t e c o m p o r t a m e n t o é visto na Figura 2 . 1 , o n d e as regiões da figura indicam a s dominancias de cada processo em função d o n ú m e r o atômico d o meio material e da energia d o fóton incidente.
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1 1 1 l l l l l l ! 1 ! m i l l 1 1 1 Mini i 1 l i l i l í
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Produção de_~ Fotoelétrico i i pares I dominante
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y dominante \ ^
— R - f n í i i i i 1 1 l i l i l í ! 1 1 i i i i i i i i V h w m
G,D1 D.D5 n.1 D.S 1 5 1 5D 1 0 0
Energia do fóton (MeV)
Figura 2.1 - D o m i n a n c i a d o s efeitos d e interação da radiação em função do n ú m e r o atômico d o meio material irradiado e da energia do fóton incidente (Figura d e Knoll '^^^^).
N o efeito fotoelétrico, u m raio g a m a que encontra u m material c o m n ú m e r o atómico elevado, pode interagir c o m u m á t o m o deste material e transferir t o d a sua energia, fazendo c o m que u m elétron d e u m a de suas camadas internas seja ejetado.
P r e d o m i n a n t e m e n t e o processo ocorre c o m elétrons da camada K, e o elétron ejetado passa a possuir u m a energia ( E e ) dada pela diferença entre a energia da radiação incidente e a energia de ligação ( E b ) da correspondente camada q u e o elétron pertencia naquele á t o m o , c o m o na equação:
Ec = / / V - Eh
X l M I S S A f l M û C I G N û l . DE E N t R G I f l ^ 3 U G L E A 8 / S P I P t *
Esse elétron com energia cinética ( E c ) , vai c e d e n d o energia a outros elétrons até retomar ao seu estado fimdamental, criando ao longo de seu caminho u m a série de á t o m o s ionizados.
Continuando esse processo, o átomo ionizado p o d e capturar elétrons livres d o meio e a rearranjo dos elétrons nas c a m a d a s emite raios-X que podem ser reabsorvidos n o v a m e n t e através do efeito fotoelétrico ou escaparem d o meio. D o ponto de vista estatístico o efeito fotoelétrico predomina para raios g a m a ou X de baixa energia e interações c o m materiais de alto n ú m e r o atômico.
N o espalhamento C o m p t o n , o fóton interage c o m o s elétrons livres do material.
C o m a interação o fóton incidente deposita parte de sua energia em u m elétron q u e p o d e ser deslocado de u m ângulo (<|)) em relação a trajetória d o fóton incidente, dependendo da energia que conseguiu absorver. S i m u h a n e a m e n t e , o fóton espalhado, c o m energia m e n o r que a do fóton incidente é deslocado de outro ângulo (9 ) em relação a trajetória inicial. O processo p o d e terminar caso este fóton saia d o material ou seja totalmente absorvido em interações sucessivas c o m outros elétrons.
A p r o d u ç ã o de pares ocorre quando a energia d o s raios g a m a excede no m í n i m o duas vezes a energia de r e p o u s o do elétron, o n d e esse fóton de a h a energia interage c o m o c a m p o coulombiano do á t o m o , produzindo u m par elétron-pósitron.
N o s diferentes processos de interação, a radiação g a m a sempre p r o d u z elétrons q u e m i g r a m pelo material e íons positivos. Alguns autores c h a m a m a excitação por raios g a m a de fonte de elétrons ou simplesmente excitação por elétrons ^^^'^^^ em virtude dessa
propriedade de produzir elétrons livres. O c o m p o r t a m e n t o destes elétrons e ions em u m meio cristalino, por exemplo no cristal de CsI(Tl), é que inicia o processo de detecção usado neste trabalho.
O cristal de CsI(Tl) é um cristal inorgânico, que apresenta alta densidade e u m n ú m e r o atômico efetivo de 54, sendo adequado para detecção de radiação gama '^^'^''l Por outro lado, os radioisótopos emissores gama, mais utilizados c o m o radiotraçadores emitem radiação g a m a c o m energias compreendidas, a p r o x i m a d a m e n t e , entre 300 e 1300 keV.
C o m o p o d e observado na Figura 2 . 1 , predominantemente ocorrerá o espalhamento Compton, e m b o r a dentro de suas probabilidades energéticas p o d e m t a m b é m produzir interações por efeito fotoelétrico e de produção de pares.
O sistema de medição de vazão com traçadores radioativos proposto neste trabalho independe do tipo de interação produzida, sendo assim, para a o efeito de contagens, não é importante saber a origem d o s elétrons livres produzidos no cristal, m a s apenas que estes ao retornarem ao estado fiandamental produzirão cintilações no cristal e que estas serão convertidas em sinais elétricos e contadas na forma c o m o é discutido na seção 2.4.
A premissa anterior é verdadeira desde que o conjunto detector e eletrônica associada apresente ao final d o processamento u m nivel de ruido baixo c o m p a r a d o ao sinal detectado. Para que isto seja possível, o sinal produzido após a detecção e processamento eletrônico deve apresentar b o a definição do espectro de energias para o patamar C o m p t o n e para o fotopico. E m caso contrário, o ruído do conjunto p o d e ter uma amplitude tão elevada que p o d e mascarar o sinal produzido e tornar indistinguível qualquer interação da radiação no cristal. O ruído eletrônico é discutido na seção 2.7 e os processos que
: ( l M t S S A O W f l C ' C N C l ÜE fcNtHGIfl N U C L t f l H / S P I P t «
implicam nas possíveis amplitudes obtidas d o sinal detectado, provenientes da interação da radiação com o cristal, são discutidos na seção 2.3
2.3 - Modelo de bandas de energia
A l g u n s materiais q u a n d o sofrem a incidência d e radiação ionizante p r o d u z e m cintilações, ou seja e m i s s ã o d e luz e m c o m p r i m e n t o s de onda que são definidos pela estrutura do material. N e s t e trabalho, no qual se busca u m a u n i d a d e c o m p a c t a aproveitou- se as caracteristicas favoráveis entre o espectro de emissão d o cristal d e CsI(Tl) e a elevada eficiência quântica dos fotodiodos de silício para esses c o m p r i m e n t o s de onda
A cintilação ou ainda a emissão de u m fóton de luz o c o r r e quando aquele elétron que por algum d o s processos de interação citados, fica livre dentro do material e r e t o m a a o estado fixndamental dentro de u m á t o m o liberando sua energia na forma de u m fóton d e luz. E s t á propriedade, j á conhecida desde os primeiros estudos c o m radiação consegue associar de forma eficiente a radiação incidente a u m efeito fisico mensurável.
A explicação d o fenômeno d e emissão de u m fóton de luz em u m meio cristalino utiliza o modelo d e bandas de energia. E m u m cristal p u r o d e Csl, u m elétron ligado a u m átomo está na banda d e valência. A o incidir radiação c o m energia suficiente para remover esse elétron, ele passará a ser u m elétron livre localizado na região do modelo d e n o m i n a d a d e b a n d a d e condução. E n t r e estas duas b a n d a s existe u m a b a n d a energética proibida o n d e o elétron não p o d e estar situado. Paralelamente, este elétron poderá r e t o m a r ao seu estado fiindamental emitindo u m fóton de luz. A diferença d o s estados energéticos entre a banda
d e condução e de valencia em u m cristal puro de Csl faz com que o fóton emitido esteja na região do ultra violeta ^^^\ q u e não é o espectro a d e q u a d o para a utilização c o m fotodiodos de silicio.
E m alguns cristais, e n o cristal de Csl, é possível adicionar u m a p e q u e n a quantidade de u m e l e m e n t o q u e passa a ser c h a m a d o de ativador e que cria u m estado quântico permitido dentro da b a n d a proibida. Desta forma os elétrons livres na banda d e condução ao perderem energia, encontram c o m maior facilidade este estado quântico intermediário. Este estado intermediário permite q u e estes elétrons r e t o m e m ao estado fundamental emitindo u m fóton e m u m c o m p r i m e n t o de onda maior q u e no cristal sem ativador. N o Csl dopado c o m Tálio, estes fótons emitidos t ê m u m c o m p r i m e n t o de onda mais a d e q u a d o s para serem detectados pelos fotodiodos de silício. A Figura 2.2 mostra o esquema do modelo de b a n d a s d e energia em u m m e i o cristalino.
Bm^ és condução
Região p ¿ ^ ^ „ proibida cintilação
E s t a d o excitado - do ativador
E s t a d o relaxado do ativador
Bãf^ de vtlêoda
Figura 2.2 - M o d e l o d e bandas de energia em u m meio cristalino c o m ativador.
2.4 - Cristais cintiladores
Para q u e um meio cristalino seja a d e q u a d o como cintilador algumas condições devem ser satisfeitas
a) O cristal d e v e converter a energia cinética das partículas carregadas que foram produzidas e m seu meio em luz detectável, no espectro de emissão desejável e c o m alta eficiência de cintilação. O c o m p r i m e n t o de onda de emissão adequado depende d o sensor óptico a ser utilizado, como por exemplo, no visível para detecção com u m a fotomultiplicadora com janela de vidro ou ainda com o espectro de luminescência deslocado em direção ao infravermelho para detecção com fotodiodos de silício.
Quanto a eficiência de cintilação, o desejado é que sejam produzidos o maior n ú m e r o de fótons de luz para cada fóton gama que incide no cristal;
b) A conversão em fótons de luz deve ser linear, ou ainda, o número de fótons produzidos na luminescência deve ser proporcional a energia dos fótons g a m a incidentes para u m a grande faixa de energias;
c) O meio cristalino deve apresentar baixa absorção no comprimento de onda dos fótons de luz produzidos;
d) O t e m p o de decaimento da cintilação deve ser o mais curto possível para que altas taxas de detecção possam ser obtidas,
e) O cristal d e v e ser de boa qualidade óptica e poder ser fabricado em t a m a n h o s práticos para o processo de detecção,
f) O índice de refração deve ser próximo ao do vidro para permitir u m eficiente acoplamento c o m a janela das fotomultiplicadoras ou do silício para a c o p l a m e n t o c o m fotodiodos.
. • Ü M I S S A O f ^ c a C N A L OE E N f c K G I f l f y J U C L E A H / S P I H t l
O s cristais de CsI(Tl) utilizados foram produzidos pelo m é t o d o de B r i d g m a n , nas instalações d o Centro de Tecnologia das R a d i a ç õ e s - I P E N - C N E N / S P ^^^\ O cristal de CsI(Tl) é u m d o s cristais c o m maior probabilidade de p r o d u ç ã o de luz produzindo cerca de 52000 fótons para I M e V d e energia efetivamente depositada em seu interior.
A p r e s e n t a ainda u m a baixa higroscopicidade ^^^^, permite u m b o m a c o p l a m e n t o óptico e relativa facilidade para corte, lapidação e polimento. O espectro de emissão d o cristal de CsI(Tl) apresenta uma b a n d a larga que inicia-se em 250 n m para cristais p u r o s e alcançando a p r o x i m a d a m e n t e 710 n m para cristais c o m alta concentração de Tálio
37,38]
2.5— Altura de pulso
C o m o descrito na seção 2 . 2 , a radiação interage c o m o cristal p o r diversos p r o c e s s o s e p r o d u z elétrons livres e íons positivos. Posteriormente, estes elétrons encontram os estados excitados do ativador e decaem emitindo fótons n o c o m p r i m e n t o de onda d e interesse. P o r sua vez, a quantidade de fótons produzidos é dependente da concentração d o ativador e do p r o c e s s o d e interação, e para u m a b o a relação sinal-ruído d o conjunto é desejável a p r o d u ç ã o d e u m g r a n d e n ú m e r o d e fótons para q u e sejam transformados p e l o fotodiodo em u m sinal de g r a n d e amplitude.
N o cristal de CsI(Tl) e para as energias entre 0,1 e 4 M e V , há o predomínio d o espalhamento C o m p t o n e portanto a maior parte dos fótons produzidos terá origem nos elétrons livres obtidos c o m esse tipo d e interação. O espalhamento C o m p t o n propicia n o seu processo d e interação, a p r o d u ç ã o de elétrons c o m os m a i s variados estados
energéticos, t a n t o que o espectro de energia o b s e r v a d o para este tipo de interação é u m espectro contínuo. Este espectro produzirá p u l s o s detectados desde valores abaixo d o nível m é d i o de ruído até valores p o u c o antes do valor do pico de energia. N o sistema detector, desenvolvido neste trabalho, a eletrônica p o d e suprimir o ruido eletrônico em u m a faixa q u e se estende d o zero até a p r o x i m a d a m e n t e 150keV, b e m c o m o todo o sinal detectado q u e possa estar compreendido dentro destes valores.
A p e s a r da supressão d o ruído ser importante para evitar contagens desnecessárias, parte do sinal originado de interações por espalhamento C o m p t o n são perdidas e não é possível recuperar estes sinais. E m razão disso, deve-se utilizar à m e d i d a d o possível, traçadores radioativos que emitam raios g a m a c o m energias que n ã o sejam baixas para serem encobertas pelo ruído, n e m elevadas em d e m a s i a p o r apresentarem baixa p r o b a b i ü d a d e de interação c o m o cristal de CsI(Tl) nas d i m e n s õ e s disponíveis. A escolha a d e q u a d a da faixa de energia d o fóton gama emitido pelo radioisótopo é a que propiciará u m a alta p r o d u ç ã o de luz p o r meio de interações sucessivas p o r efeito C o m p t o n ou diretamente pelo efeito fotoelétrico. Finalmente esta alta p r o d u ç ã o d e luz será responsável por u m n ú m e r o elevado de cargas produzidas n o fotodiodo e portanto u m a elevada altura de pulso.
2.6 - Fotodiodo
O fotodiodo é u m a j u n ç ã o de material semicondutor, neste trabalho e m particular o silício, o n d e e m u m m e s m o substrato são adicionadas impurezas trivalentes de u m lado e pentavalentes do outro, formando as c h a m a d a s regiões tipo pen da j u n ç ã o . N e s t a j u n ç ã o .
aparecerá u m potencial que se auto-ajusta para que a corrente resultante seja zero. E s t e potencial gera u m c a m p o elétrico dirigido de tal forma que repele os portadores de carga majoritários existentes em cada região impedindo a circulação de corrente através da j u n ç ã o . Esta situação é verdadeira desde que o fotodiodo esteja aberto e não iluminado.
C o m a incidência de luz sobre a superficie d o fotodiodo, a energia depositada p r o d u z portadores majoritários de carga, e c o m o a barreira de potencial permite a passagem destes portadores pela j u n ç ã o , os portadores minoritários a u m e n t a m a circulação d e corrente no sentido inverso tentando reduzir a corrente total sobre a j u n ç ã o . P a r a q u e a corrente de minoritários aumente, o campo elétrico sobre a j u n ç ã o deve ser reduzido e nos terminais d o fotodiodo aparece u m a tensão exatamente igual aquela que diminuiu na barreira de potencial ''^"l
A utilização do fotodiodo com cristais de CsI(Tl) no processo de conversão de fótons em sinais elétricos apresenta alta eficiência devido a b o a sobreposição do espectro de emissão do cristal c o m o de eficiencia quântica dos fotodiodos de silicio. N a Figura 2.3 p o d e m ser vistos esses espectros, t o m a n d o c o m o exemplo o fotodiodo S3590 que é u s a d o neste trabalho.
IDO - Nal(TI} Fotodiodo S3590 . «, ^
1DDD tZDD
Comprimento de onda (nm)
Figura 2.3 - Espectro de emissão n o r m a l i z a d o s d o s cristais d e N a l ( T l ) e CsI(Tl), eficiência quântica d o fotodiodo de silicio S 3 5 9 0 e de u m fotocatodo S20 em fimção do c o m p r i m e n t o de o n d a (Figura adaptada d e Knoll [^'^ e de H a m a m a t s u
O u s o de fotodiodos t a m b é m apresentam desvantagens t^''^^'*''^ que eventualmente p o d e m ser limitantes para a aplicação desejada. Estas desvantagens são descritas a seguir:
a) E m u m fotodiodo que está reversamente polarizado, u m a p e q u e n a quantidade d e corrente consegue fluir m e s m o na mais c o m p l e t a escuridão. Esta corrente, c h a m a d a de corrente de fuga, é uma das causas de ruido e p o d e limitar, em a l g u m a s aplicações, a energia m í n i m a a ser detectada e a resolução d o conjunto detector;
b) C o m o em t o d o semicondutor, a t e m p e r a t u r a diferente d o zero absoluto, são produzidas vibrações na rede gerando portadores d e carga livres o s quais são responsáveis t a m b é m na formação d o ruído;
c) A capacitancia existente em u m a j u n ç ã o é uma característica inerente, que p o d e ser reduzida c o m polarização reversa, mas não eliminada. E s t a capacitância será responsável pelo a u m e n t o d o ruído n o estágio pré-amplifícador c o m o será discutido na seção 2.7;
d) A s dimensões d o s fotodiodos comerciais encontram-se na faixa d e 1 a 4 cm^ de área ativa e os problemas citados n o s itens anteriores são proporcionais ao a u m e n t o desta área. A d e q u a n d o às d i m e n s õ e s d o s cristais crescidos e m n o s s o s laboratórios, foram utilizados os fotodiodos S 3 5 9 0 da H a m a m a t s u com Icm^ de área ativa.
N e s t e trabalho foram utilizados fotodiodos tipo PIN. A sigla P I N t e m origem no substrato de silício intrínseco (I), ou seja c o m u m baixo índice d e contaminantes e alta resistividade, no qual se inicia a construção do fotodiodo. A parte superior deste substrato que estará em contato c o m o cristal d e CsI(Tl) recebe eletrodos d e Alumínio, e m u m a disposição c o m formato de rede, q u e formarão a região tipo p (P) do fotodiodo. A extremidade oposta, por diftisão o u contato com u m material pentavalente, dará origem a região tipo n (N).
2.7- Pré-amplificador
As características e a configuração do pré-amplifícador são n i n ç õ e s diretas d o detector a ele associado. N o detector desenvolvido, o elemento q u e converte os fótons produzidos n o cristal de CsI(Tl) e m cargas elétricas é o fotodiodo e suas características são fiindamentais na elaboração do pré-amplifícador.
O fotodiodo como detector é um elemento p r e d o m i n a n t e m e n t e capacitivo de impedância muito alta Ele irá produzir a partir dos fótons que incidem sobre sua superfície u m pulso de cargas elétricas. Para u m a eficiente coleta destas cargas, o estágio pré-amplifícador deve estar ligado o mais p r ó x i m o possível do fotodiodo. A proximidade tem os seguintes objetivos:
a) Reduzir ao m á x i m o a capacidade elétrica associada aos terminais que ligam o fotodiodo ao pré-amplificador. C o m o o fotodiodo produz cargas elétricas e o valor equivalente em tensão é inversamente proporcional ao valor da capacidade, quanto m e n o r a capacidade, maior a tensão produzida;
b) O fotodiodo c o m o detector é u m e l e m e n t o de alta impedância e para u m a melhor transferência de energia, o pré-amplifícador t a m b é m deve ter alta impedância de entrada. Devido a esta impedância elevada, o pré-amplificador fica facilmente vulnerável a interferência eletromagnética e portanto é prudente utilizar a m e n o r distância possível entre as conexões;
c) Os pré-amplificadores utilizam transistores de efeito de c a m p o para o elemento de entrada por suas características de alta impedância. Estes transistores apresentam nível de ruído proporcional ao valor da capacidade de entrada, o que obriga que as conexões sejam as mais curtas possíveis para minimizar esta capacitância adicional.
Uma característica dos detectores semicondutores que apresentam j u n ç ã o , como o fotodiodo, é a variação de sua capacidade em função da tensão reversa de polarização.
C o m o a u m e n t o da tensão reversa sobre a j u n ç ã o , ocorre u m a u m e n t o da espessura da região de depleção, reduzindo a capacidade d o fotodiodo. C o m o descrito anteriormente, é condição determinante para a obtenção d e baixo ruido eletrônico que esta capacitância seja
^ I S S f i O N f i C t C N H DE E N E R G I A N U C L E f l R / S f IPfc»
baixa e portanto a polarização reversa sobre diodos detectores é u m a técnica a m p l a m e n t e utilizada.
A eletrônica do pré-amplifícador foi desenvolvida no m o d e l o d e amplificador sensível a carga ^'''"^^l N e s t a configuração, a realimentação para a entrada de u m amplificador de alto ganho é capacitiva e o sinal de saída é d a d o pela razão entre a carga produzida no fotodiodo e a capacitância de realimentação, sendo este sinal quase q u e totalmente insensível as variações d e capacitância d o detector. U m a representação esquemática desta configuração é m o s t r a d a na Figura 2.4.
Entrada
F i g u r a 2.4 - Configuração básica de u m amplificador sensível a carga.
Adicionalmente ao elo de realimentação existe u m resistor R de valor elevado. A finalidade deste resistor é prover a descarga do capacitor C que em condições ideais, o u seja sem correntes de fuga no circuito, iria se carregar indefinidamente levando o amplificador à saturação '^^l C o m o resistor R e o capacitor C, o pulso d e carga q produzido no fotodiodo, após a amplificação irá decair e x p o n e n c i a l m e n t e na forma e"*'**^.
S i m u l t a n e a m e n t e este resistor R t a m b é m produzirá ruído n o estágio de p r é - amplificação E s t e ruído varia conforme a curva d a Figura 2.5 ultrapassando o ponto
m á x i m o da curva e m direção a grandes valores d e R. Os valores práticos levando e m conta que o decaimento do pulso não deve ser longo para não c o m p r o m e t e r o d e s e m p e n h o d o detector, ficam situados na faixa de 50 a lOOMQ.
R
Figura 2.5 - Valor quadrático médio d o ruido gerado pelo resistor R na entrada d o pré-amplificador.
O ruido t a m b é m será incrementado pelo resistor (Ra) que conduz a polarização reversa a o fotodiodo e pelo capacitor de acoplamento (Ca) q u e isola a tensão de polarização d o sinal para a entrada d o pré-amplificador. Figura 2.6. D e s t a forma, sendo possível acoplar o fotodiodo diretamente ao pré-amplificador existe a possibilidade de se diminuir o ruido d o conjunto f^'-'*^''*^!. C o m o esta última configuração n e m s e m p r e é possível d e ser construída, pois a polarização reversa através d o fotodiodo p o d e r á afetar a polarização d e entrada d o pré-amplificador, neste trabalho foi e s t u d a d o o c o m p o r t a m e n t o d o fotodiodo c o m e sem polarização c o m o mostrado esquematicamente na Figura 2.7.
Saída
Figura 2.6 - E s q u e m a simplificado d o circuito de polarização reversa e acoplamento do sinal d o fotodiodo ao pré-amplificador.
Saída
t + V
Figura 2.7 - E s q u e m a simplificado d o fotodiodo acoplado diretamente a o p r é - amplificador. E m pontilhado são mostradas as ligações possíveis d o fotodiodo, diretamente a o terra ou c o m polarização reversa.
O pré-amplificador concluído teve c o m o objetivo final adequar a alta impedância d o fotodiodo e seu baixo sinal a u m a linha d e baixa i m p e d â n c i a que é a saída, apresentando u m g a n h o próximo de 1 (um), o n d e procurou-se m i n i m i z a r os ruídos produzidos neste cu-cuito.
2.8 - Conformação do sinal, controle de supressão, amplificação e acoplamento óptico
O sinal proveniente do pré-amplificador não tem ainda u m formato adequado para aplicações em detecção de radiação, n e m apresenta amplitude suficiente para o a p r o v e i t a m e n t o direto deste sinal. N e s t a seção serão abordados os circuitos que processam este sinal e o entregam em u m a forma adequada.
2.8.1 - C o n f o r m a ç ã o d o s i n a l
A conformação do sinal detectado t ê m os seguintes objetivos
a) Obter a melhor relação sinal ruido;
b) Permitir altas taxas de contagem sem degradar a resolução em energia e
c) Fazer c o m que o pulso de saída tenha u m a estabilidade temporal, m e s m o com as flutuações do t e m p o de subida do pulso d o detector.
E s t e s objetivos são obtidos da c o m b i n a ç ã o de circuitos diferenciadores que r e d u z e m a amplitude de sinais em baixa fi-eqüência e integradores que r e d u z e m os de alta freqüência. Estes circuitos consistem de circuitos R C (resistor-capacitor) que limitam a b a n d a p a s s a n t e do amplificador, reduzindo o ruído e limitando a largura temporal dos pulsos detectados. U m a configuração ideal de um circuito diferenciador, seguido de u m integrador é mostrado na Figura 2.8.
Figura 2.8 - M o d e l o de u m circuito diferenciador seguido u m circuito integrador isolado por u m amplificador.
O circuito da Figura 2.9 é u m a representação esquematizada de u m diferenciador constituido de Ci e Ri e de u m integrador R2 e C2. Este circuito é u m a consideração p u r a m e n t e teórica e só irá diferenciar e integrar c o m a constante de t e m p o dada pelo p r o d u t o R C se os pontos A e C forem p o n t o s de impedância nula e B e D de impedância infinita. N a prática diferenciadores ou integradores poderão ser u s a d o s em série até obter- se a forma d o pulso desejado.
A limitação da banda passante ou largura temporal c o m o circuito da Figura 2.9 sobre o pulso injetado em A proveniente do pré-amplificador p r o d u z u m p u l s o finito em D que r e d u z a probabilidade de sobreposição entre pulsos, ao m e s m o t e m p o que melhora a relação sinal ruido. Em amplificadores utilizados na área nuclear, as constantes de t e m p o dadas p e l o produto R C d o circuito diferenciador e integrador são g e r a l m e n t e da m e s m a ordem de grandeza e c o m u m a constante de t e m p o algumas vezes m a i o r q u e a utilizada n o pré-amplifícador.
A s características d o conjunto diferenciador e integrador são estudadas a s s u m i n d o que os pulsos provenientes d o pré-amplifícador são funções retangulares c o m o t e m p o . N a
situação real, o pulso a ser conformado apresenta t e m p o s de subida e descida finitos. E s t a condição faz c o m que, após o circuito da Figura 2.8, seja possível encontrar u m a forma d e o n d a distorcida d o pulso desejado, c o m o é visto na Figura 2.9.
Ponto D (W^a^
Inflexão do pulso (indesejada)
-P- t
Término do pulso (ideal)
Figura 2.9 - F o r m a de o n d a distorcida e m razão das características finitas d e subida e descida d o pulso efetivamente conformado.
O pulso ideal, a p ó s a diferenciação e integração, deveria terminar sem a inflexão sobre a linha de base. E s t e problema é particularmente prejudicial a o sistema detector, na eventual possibilidade d e ocorrer u m segundo pulso detectado n o instante desta inflexão.
N e s t a situação, este pulso teria sua amplitude subtraída d o valor d a amplitude da inflexão r e d u z i n d o a resolução em energia d o sistema. Considerando ainda u m a situação o n d e a radioatividade detectada produz u m a série d e pulsos, e a sobreposição sobre inflexões d o s pulsos anteriores t o m a - s e u m a regra, p o d e provocar no circuito o deslocamento da própria linha d e base que acaba n ã o alcançando seu valor fundamental. Estes p r o b l e m a s são de s u m a importância quando é exigido d o conjunto detector e amplificador a h a s taxas de c o n t a g e m e b o a resolução. N e s t a s situações, circuitos de c a n c e l a m e n t o de pólo zero e restauração de linha base d e v e m ser adicionados ao circuito
2.8.2 - Controle de supressão
C o m o neste trabalho, t e m o s p o r necessidade utilizar u m radiotraçador com a m e n o r atividade possível e portanto detectar u m a baixa taxa de pulsos, u m a eventual restauração da linha de b a s e ou a supressão da parte indesejada d o pulso são realizadas de m o d o satisfatório pelo circuito que controla a supressão. Este circuito de supressão é u m amplificador c o m ajuste de limiar q u e p e r m i t e escolher a partir de que tensão o circuito deixa o sinal passar e permite sua amplificação ^'^^\ Figura 2.10.
P o n t o D ( V , ^ d , )
A j u s t e d o l i m i a r d e a m p l i f i c a ç ã o
- > t
P o n t o d e l i m i a r
Figura 2.10 - Efeito do controle de supressão. A linha d e limiar permite a p e n a s q u e sinais acima deste valor sejam amplificados, r e m o v e n d o a parte indesejada.
A utilização de u m amplificador c o m controle de limiar permite t a m b é m r e m o v e r pulsos d e baixa amplitude c o m o o ruído gerado n o fotodiodo e pré-amplificador, contagens indesejadas c o m baixa amplitude de p u l s o e r e m o v e r u m eventual nível de tensão contínua presente n o sinal v i n d o d o pré-amplificador. O controle d e supressão é u m amplificador operacional c o m controle de limiar, o n d e sua entrada não inversora recebe u m a tensão de referência ajustável condicionando a este valor de tensão o ponto de limiar de amplificação. Figura 2 . 1 1 .
A o circuito
conformador X.
de pulso
A o p r ó x i m o circuito
+ V ( - • - V Controle d e limiar
Figura 2.11 - Amplificador operacional na configuração de amplificador d e limiar.
2.8.3 - Amplífícação e a c o p l a m e n t o óptico
A p ó s o controle de limiar, o sinal na forma desejada, p o d e n o v a m e n t e ser amplificado, obtendo j á na saída deste amplificador amplitude suficiente para fornecer sinal a u m analisador multicanal ou fazer a excitação de u m circuito que constitui o a c o p l a m e n t o entre o amplificador e o c o m p u t a d o r para efetuar a contagem d o s pulsos detectados.
A a m p l i t u d e dos sinais na saída deste último amplificador está entre valores de O a lOV, d e p e n d e n d o da energia d o fóton g a m a detectado e é entregue em baixa impedância facilitando a conexão com o multicanal. C o m o o intuito deste trabalho não é a espectroscopia g a m a , esta é u m a saída a p e n a s disponível para ser usada e o sinal efetivamente utilizado é dirigido ao circuito integrado que faz o a c o p l a m e n t o óptico entre o amplificador e o computador.
