Cláudio Domienikan

INSTRUMENTAÇÃO NUCLEAR

ESPECTRO OBTIDO COM UM SISTEMA DE MEDIDAS TÍPICO

Co60

(Nuclear Instrumentation Modules)

Cabos Coaxiais

Pulsos NIM

Pré-Amplificadores

Amplificadores

Analisador Monocanal

Módulos Lógicos

Contadores e Medidores de Taxa

Geradores de Marca de Tempo

Conversor Tempo-Amplitude

Aquisição de Dados

ELETRÔNICA NIM

Cabos coaxiais são caracterizados pela impedância característica e pela velocidade de propagação. Em física nuclear são utilizados cabos de 50 W e de 93 W.

1. Cabos de 50 W: pulsos rápidos

2. Cabos de 93 W: pulsos lentos (a tendência atual é utilizar-se cabos de 50 ohms para todos os tipos de sinais NIM)

3. Um pulso é rápido se o seu tempo característico de subida ou descida multiplicado pela velocidade de propagação for

menor que o comprimento do cabo.

CABOS COAXIAIS

A: revestimento de plástico

B: tela de cobre

C: isolador dielétrico interno

D: núcleo de cobre

ESTRUTURA DO CABO COAXIAL

Impedância

V ~ 0.65c c = 300.000 km/s (20 cm=1 ns)

Velocidade de Propagação

OSCILOSCÓPIO

Instrumento utilizado para visualizar e analisar sinais elétricos.

MULTÍMETRO

Instrumento utilizado para medir as principais grandezas elétricas: tensão, corrente elétrica e resistência.

V = R.I

Lei de Ohm

A integração é necessária para coletar toda a carga elétrica produzida no detector pela incidência da radiação (V = Q/C).

A diferenciação pode ser utilizada para eliminar a parte lenta do pulso, produzindo um pulso rápido, capaz de caracterizar melhor o instante de chegada da partícula no detector.

INTEGRAÇÃO E DIFERENCIAÇÃO

PULSOS NIM

Analógicos: de 0 a 10V

Saída de amplificadores, TAC. Podem ser

positivos ou negativos (em geral positivos)

Lógicos:

NIM Lento ou NIM velho: Falso 0V

Verdadeiro 5V

NIM Rápido ou NIM novo: Falso 0V,

Verdadeiro -0.7V

BASTIDOR NIM

• Módulos eletrônicos padrão NIM se alojam em um bastidor (BIN) que fornece as tensões necessárias para o funcionamento dos módulos. Estes bastidores fornecem +/- 12V, +/- 24V e +/- 6V.

PRÉ - AMPLIFICADOR

O pré-amplificador deve transformar a quantidade de carga coletada pelo detector de radiação em um pulso, cuja altura é proporcional à energia da radiação.

𝑉 = 𝑄

𝐶 𝑉 PULSO

FONTES DE ALTA-TENSÃO

As fontes de alta-tensão (H.V.) são utilizadas para alimentar a válvula fotomultiplicadora e, ou, polarizar um detector semicondutor.

AMPLIFCADORES PARA

ESPECTROSCOPIA

São utilizados em circuitos de medição de energia.

O sinal do pré-amplificador é transformado em um pulso gaussiano, de altura ajustável entre 0 e 10V.

As constantes de tempo de integração e diferenciação denominam-se “tempo de conformação” (shaping time). Variam entre 0.5 a 10 ms.

FORMA DOS PULSOS DE SAÍDA DO

AMPLIFICADOR

UNIPOLAR

BIPOLAR

AMPLIFICADORES RÁPIDOS (FAST

AMPLIFIER)

Amplificadores com pequenas cons-tantes de tempo de diferenciação e integração (de dezenas a algumas centenas de ns) são utilizados para filtrar somente os componentes rápidos dos pulsos produzidos pelos detectores, para serem posteriormente utilizados em circuitos geradores de marca de tempo. (São chamados Timing Filter Amplifiers).

DISCRIMINADORES DE FRAÇÃO

CONSTANTE (CFD)

São módulos utilizados para

registrar com precisão o

instante da detecção da

radiação. Produz um pulso

lógico para caracterizar este

instante.

DISCRIMINADORES DE FRAÇÃO

CONSTANTE – LÓGICA

delay

t

t

t

t

t

sinal de entrada

atenuação e

inversão

atraso

soma

saída

A

B

B

A

B

A

B

Adelay

t

t

t

t

t

sinal de entrada

atenuação e

inversão

atraso

soma

saída

A

B

B

A

B

A

B

A

ANALISADOR MONOCANAL (SCA)

Analisador Monocanal: Módulo com entrada analógica e saída digital. Operação:

Modo Normal: Pulso lógico de saída quando na entrada Vi estiver com sua altura máxima entre dois valores V1 e V2.

Modo Integral: Saída lógica quando Vi>V1.

V1

V2

V1

tempo

start

stop sinais de

entrada

sinal de

saída amplitude

CONVERSOR TEMPO-

AMPLITUDE (TAC)

Gera um sinal linear com amplitude proporcional a diferença de tempo de chegada de dois pulsos, “start” e “stop”.

CIRCUITOS LÓGICOS (E, OU)

inversor

ou (soma)

e (coincidência)

S = A’

S = A + B

S = A . B

MEDIDOR DE TAXA DE

RADIAÇÃO

São instrumentos utilizados para caracterizar a detecção de radiação e avaliar o nível da mesma do ambiente. Um exemplo muito comum é o contador Geiger, utilizados com o detector Geiger-Müeller.

ANALISADOR MULTICANAL (MCA)

Instrumento que registra e armazena pulsos lineares de acordo com suas amplitudes. Gera um espectro de amplitudes (eixo x) por número de pulsos (eixo y). O número de diferentes valores de amplitude (canais) é um número binário, por exemplo, 1024.

Espectro Típico

NaI(Tl)

Cristal detector

cintilador

tubo

fotomultiplicador

fonte de

alta-tensão

pré-amplificador

amplificador

linear

analisador

multicanal

computador

EXEMPLO DE SISTEMA DE

MEDIDAS

Esquema de um típico espectrômetro gama, utilizado para gerar espectros de energias.

QUEM NÃO GOSTA?

Espectro típico de raios gama obtido a partir da irradiação de batatas “chips” utilizando um espectrômetro gama.

ESPECTRO DE RAIOS GAMA

FIM

Referências para consulta:

Roberto Vicençotto Ribas

Apostila do Mini Curso de Pós Graduação “Instrumentação Nuclear”

http://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download.html

Luiz Tauhata

Apostila de Radioproteção e Fundamentos

http://ird.gov.br/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=

45&Itemid=64

Contato: Eng. Cláudio Domienikan

Centro do Reator de Pesquisas - CRPq

Email: clanikan@ipen.br

Fone: 3133-9988