#030 - Detectando a radioatividade do Potássio com diodo PIN

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Também é possível detectar a radioatividade do Potássio usando um componente eletrônico de baixo custo chamado diodo PIN.


Escrito e desenvolvido por Léo Corradini

 O fotodiodo PIN de Silício BPW34 tem uma área sensível relativamente grande (7,5 mm²) o que torna ele particularmente interessante para detectar radioatividade. 




Em função dessa grande área, a probabilidade de um fóton Gama estimular a junção PN aumenta bastante. 

Além disso, o diodo PIN tem uma região intermediária entre as regiões "P" e "N" chamada intrínseca, daí o nome "Diodo PIN", essa região de volume maior também aumenta as chances de interação com os fótons.

Esse diodo foi projetado para funcionar na região visível e infravermelha do espectro. 




Podemos observar no gráfico sensibilidade relativa/comprimento de onda, retirado do datasheet da Vishay, que o BPW34 é mais sensível na região do infravermelho. 

Mas, isso não impede de usá-lo para detectar fótons de frequência mais alta. 


Quanto à radiação Alfa e Beta, a embalagem de acrílico pode reduzir muito a sensibilidade, em particular a Alfa (núcleos de Hélio).





O circuito completo é composto por quatro estágios: 





- Amplificador de alta impedância de entrada que polariza e pré-amplifica o fraco sinal produzido no diodo. 

- Outro estágio amplificador que multiplica o nível dos pulsos por 1500.


- Comparador de tensão que melhora a rejeição à ruídos elétricos internos e externos ao circuito e também enquadra e aumenta a largura desses pulsos. 


- Contador de pulsos com um display de quatro dígitos.


Como contador de pulsos, usei um pedômetro com a entrada modificada para receber os pulsos de tensão provenientes do comparador.




Neste protótipo, onde estão montados os estágios amplificador e comparador, foram ligados um LED e um buzzer piezoelétrico na saída do comparador.


Assim, é possível ver um lampejo e ouvir um estalo quando o sensor detecta um fóton de radiação Gama.


Eles também são úteis para proceder a calibração do circuito que é feita ajustando-se o nível de tensão no pino 5 do amplificador operacional.


O valor dessa tensão deve ser ligeiramente inferior a do pino 6, para tanto, atua-se no trimpot de 50k.

Na prática, é só cobrir o fotodiodo com uma folha de plástico e outra de Alumínio e ajustar o trimpot até que o LED apague e o buzzer pare de emitir estalos.


Esse ajuste é crítico e define a sensibilidade do conjunto. 


Depois de calibrado podemos desligar o LED e o buzzer e conectar o contador digital na saída do comparador (pino 7).  


Portanto, existem duas formas de usar o detector, vendo e ouvindo a radiação detectada e/ou totalizando os pulsos na saída do circuito.

Primeiros testes feitos com um tempo de exposição de ~24horas.

Para melhorar a sua sensibilidade temos que blindá-lo da luz ambiente e do ruído elétrico.





Ensaio 1: 


Com o Cloreto de Potássio (56g) -> 142,5 pulsos/hora


Sem o KCl (ensaio em branco)    -> 13,3 pulsos/hora


Ensaio 2:


Com o Cloreto de Potássio (56g) -> 143,2 pulsos/hora


Sem o KCl (ensaio em branco)    -> 15,8 pulsos/hora





O pulsos apresentados nos ensaios em branco podem ser devidos à radiação ambiente/raios cósmicos e/ou ruído elétrico no circuito e, embora a blindagem, o captado do ambiente. 


Neste experimento, o objetivo é registrar os fracos pulsos de tensão gerados no diodo PIN em um osciloscópio digital, quando estimulado pela radiação do Potássio-40.





Montei dentro de uma lata, para reduzir a interferência, um amplificador com um ganho de ~400 ligado a um diodo PIN (BPW34) e este envolto por cerca de 30g de Cloreto de Potássio. O sinal amplificado é levado até o osciloscópio através de um cabo coaxial e um conector BNC.




Em uma varredura de 60 segundos podemos observar, em meio ao forte ruído de fundo, alguns pulsos que são fortes candidatos ao sinal por nós buscado. 

 
Ver também:
https://potassio-40.blogspot.com.br/2017/11/no-potassio-existe-um-isotopo-natural.html

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