GMT-01

GMT-01

Universidade Federal do Paraná

Departamento de Engenharia Elétrica

Disciplina Instrumentação Eletrônica – TE 149

Professor Eduardo Parente Ribeiro

Trabalho Sobre Sensor :

GMT-01

Tubo Geiger-Muller, detector de radiação ( contador de partículas ionizantes).

Nome : Franklin Lopes Klock

Introdução

Seu nome foi dado em homenagem a Johannes Wilhen Geiger, físico nuclear alemão , o qual confeccionou a primeira versão do contador em 1911. Posteriormente , em 1925, juntamente com o pesquisador Walter Muller, aumentou a sensibilidade e durabilidade do aparato . O sensor GMT-01 ( tubo do tipo Geiger) permite detectar radiações ionizantes fazendo uma contagem das partículas às quais tem acesso . Lembrando que a energia das partículas não é um parâmetro de medição. É constituído por um corpo cilíndrico metálico , geralmente aço inoxidável , fechado em ambas as extremidades e um eletrodo coaxial a este , isolado eletricamente, que se estende em seu interior , o qual está cheio de uma mistura gasosa de baixa pressão . Uma das extremidades é selada com Mica , consistindo na ‘ janela ’ coletora das partículas . Ao se aplicar uma diferença de potencial entre o cilindro ( cátodo ) e o eletrodo (ânodo), geralmente centenas de Volts , o corpo metálico torna-se negativo em relação a este , fazendo com que qualquer partícula radioativa que penetre no gás o ionize, criando pares íons-elétrons. O campo elétrico aplicado faz com que os íons sejam atraídos para o cátodo e os elétrons para o ânodo. Devido sua menor massa , os elétrons têm maior aceleração que íons . Neste processo , os portadores de carga negativa podem ganhar energia cinética suficiente para causarem ionizações secundárias, sendo que o número final destas é proporcional à energia da partícula incidente . Este processo de multiplicação de cargas causado pela colisão dos elétrons livres com as moléculas do gás é chamado de ‘ Avalanche de Townsend’, o qual é responsável por criar momentaneamente um caminho de condução entre o ânodo e o cátodo . Diz-se que o contador está operando na região proporcional. Se a tensão aumentar suficientemente , o campo elétrico causará um desvio na proporcionalidade, aumentando o número de elétrons livres e a probabilidade destes de se recombinarem com os íons . Raios X são emitidos por tais recombinações e reabsorvidos pelo tubo , desencadeando novas avalanches , aniquilando totalmente a proporcionalidade. A esta região de operação denominamos região Geiger-Muller, ou região de Plateau, que é o patamar de funcionamento . As contagens nesta faixa , de aproximadamente 200 V, são constantes . Quando é permitida, através das ionizações, uma momentânea condução , um pulso é gerado no circuito de leitura . Contar o número de pulsos é o mesmo que indicar o quão intensa é a fonte radioativa .

O desenvolvimento de novas avalanches cessa quando a densidade de íons é suficiente para blindar o campo elétrico aplicado, encerrando o processo . Todavia , existe a probabilidade de a energia cinética dos íons aumentar sobremaneira , de modo que ao chegarem ao cátodo , arranquem elétrons , reiniciando o processo . Por esta razão , ao gás do tubo é adicionada uma pequena quantidade de um segundo gás chamado de ‘ gás de quenching’, que neutraliza os íons em seu caminho para o cátodo e melhora a absorção de raios X. No caso do GTM-01, o tubo é evacuado primeiramente , sendo preenchido por Neônio e Argônio que faz o papel de ‘ gás de quenching’. Se se aumentar ainda mais a tensão aplicada, o tubo entrará numa região de descarga contínua e será danificado(http://www.lip.pt/~luis/fn1/geiger.pdf, fonte 1).

A figura abaixo mostra a curva de funcionamento de um tubo Geiger-Muller:

Fonte 2.Fig. 1. Gráfico da taxa de contagem pela tensão aplicada.

Caso uma partícula seja detectada, o sensor necessita de um pequeno tempo para recompor os íons formados. Este tempo chama-se tempo morto . Se chegar uma nova radiação no interior do tubo enquanto os átomos ainda não se recompuseram da perda de elétrons , ela não será detectada. Como nos casos de alta radioatividade a incidência de novas radiações é grande por unidade de tempo , estas sofrem mais freqüentemente o efeito do tempo morto .

O Tubo GMT-01 está disponível somente para importação , pois seu fabricante , a Images Scientific Instruments (www.imagesco. com ), não tem filial no Brasil. Sua unidade central está localizada nos Estados Unidos, mais precisamente em Staten Island, Nova York.

Especificações :

O preço no site da Images é de $74.95. Abaixo segue as especificações publicadas na página eletrônica , juntamente com uma figura do tubo.

Fig. 2

Fonte 3?.

Fig. 3. Dimensões?

Características Elétricas

Maximum Starting Voltage (volts)	325
Recommended Operating Voltage (volts)	500
Operating Voltage (volts)	450 - 650
Minimum Dead Time (u sec)	90
Maximum Plateau Slope (% / 100 volts)	6
Recommended Anode Resistor (M ohms)	10
Gamma Sensitivity Cs137 (cps / mR / hr)	18
Max. Background Shielded 50 mmpB = 3 mmAI (cpm)	10
Tube Capacitance (pF)	3
Weight (grams)	8.0

Características Mecânicas

Active Length (inch / mm)	1.53 / 39.0
Active Diameter (inch / mm)	0.354 / 9.0
Cathode Material	446 Stainless Steel
Cathode Wall Thickness (inch / mm)	0.010 / 0.25
Mica Window Areal Density (mg / cm2)	1.5-2.0
Effective Window Diameter (inch / mm)	0.354 / 9.0
Fill Gás	Ne / Ar + Halogen
Operating Temperature Range (ºC)	-40 to +75
Type of Connector	Pin

Fig. 4. Gráfico da Resposta em relação à energia para uma amostra de Césio-137.

Fig. 5. Gráfico da contagem pos segundo pela dose de radiação de Césio-137.

Fonte 4

A faixa de operação do GMT-01 é de 450V a 650V, que é sua tensão de Plateau. Recomenda-se, porém , utilizar na tensão de 500V. Seu tempo morto máximo é de 90us. Na figura 5 pode-se ter uma idéia da relação entre a contagem por segundo e a dose de radiação de Césio-137.

Cada pulso de saída é uma contagem da radiação . A contagem por segundo pode dar uma aproximação da força do campo radioativo .

Abaixo segue um esquema de montagem usando os resistores especificados pelo fabricante .

Fig. 6. Corte transversal de um típico tubo Geiger-Muller.

Fonte 5?

O sinal de saída consiste numa pequena tensão sobre o resistor de 470k ohm, a qual será amplificada e registrada por um circuito eletrônico simples .

Aplicações :

O tubo Geiger-Muller tem vastas aplicações na medicina , desde a mediação de uma possível contaminação até o rastreamento de um resíduo radioativo numa veia humana . É fundamental em equipamentos monitores de radiação que utilizam sensores gasosos . A aplicação mais simples é o contador Geiger propriamente dito . Neste link é possível visualizar o funcionamento de um contador (necessário Windows Media Player) :

mms://media.orau.gov/ptp/geiger/GM%20Detector.wmv

Fonte 6?

Conclusão :

O tubo Geiger foi idealizado nas primeiras décadas de 1900 e até hoje é largamente aplicado. O desenho original não se modificou muito , sendo que o funcionamento básico permanece o mesmo . É, desde que corretamente implementado, estável e confiável, sendo também o mais acessível no que se refere à relação custo / benefício . Barato e robusto de tal maneira que é possível encontrar tutorias na Internet de como montar seu próprio contador de partículas . O site do fabricante disponibiliza um exemplar .

Referências :

1 Página do professor Luiz Peralta , professor do departamento de física da faculdade de ciências da Univesidade de Lisboa, cuja url leva ao roteiro de um trabalho prático sobre contadores Geiger. http://www.lip.pt/~luis/fn1/geiger.pdf. Acesso em 09 de Agosto .

2 Página de Sérgio Ramos , professor do departamento de física do Instituto Superior Técnico em Lisboa, cuja url leva a um modelo de relatório de física moderna experimental. http://www.lip.pt/~sramos/ist/biom/guia-geiger.pdf. Acesso em 08 de Agosto .

3? http://www.imagesco.com/catalog/geiger/geiger.html. Página do fabricante na seção de sensores Geiger. Acesso em 08 de Agosto.

4 http://www.imagesco.com/catalog/geiger/spec.html. Página do fabricante cuja url leva ao catálogo do GTM-01, com todas as especificações. Acesso em 07 de Agosto.

5? http://www.imagesco.com/articles/geiger/02.html. Página do fabricante cuja url leva à segunda página do artigo que ensina como montar um contador Geiger. Acesso em 07 de Agosto.

6? mms://media.orau.gov/ptp/geiger/GM%20Detector.wmv. Vídeo hospedado na url http://www.orau.org/ptp/collection/GMs/GMs.htm, que é o diretório do museu de radiologia da ORAU, Oak Ridge Universidades associadas. Acesso em 08 de Agosto .