#156 - Câmara de Ionização #2

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O objetivo desta postagem é mostrar uma sugestão de câmara de ionização com ajuste de zero.



Escrito e desenvolvido por Léo Corradini

A câmara de ionização é uma das formas tradicionais para detectar e medir a radioatividade.
O ajuste de zero não é essencial para o bom funcionamento dessa câmara, fiz essa modificação motivado mais como um desafio pessoal.

Teoria de funcionamento:

A radioatividade tem como uma de suas principais características ionizar a matéria.
Assim, ela é capaz de ionizar o ar e torná-lo condutor, então podemos usar essa propriedade para produzir um detector/medidor de radiação.
Que consiste em projetar um dispositivo que seja capaz de medir a condutividade elétrica do ar.

A figura mostra o funcionamento básico de uma câmara de ionização clássica.



Esse esquema é parecido com o de um contador Geiger–Müller, porém usei uma tensão de polarização dos eletrodos bem mais baixa (12V) e ar à pressão atmosférica.
Nessas condições, a câmara comporta-se como um medidor proporcional de radiação.

Montagem:

Como ânodo, usei um fio de cobre estanhado montado isolado no centro de uma lata e fechado na face frontal com uma folha de alumínio.



A janela de alumínio é importante porque blinda o ânodo dos campos eletrostáticos e melhora a sensibilidade para à radiação Gama, mas torna o dispositivo insensível às partículas Alfa.



O conjunto do medidor é composto por dois compartimentos eletricamente blindados. 



Em um deles fica a câmara de ionização, no outro, montei todo o circuito do femtoamperímetro. 



O uso de um voltímetro digital modular tornou a montagem bem compacta e mais imune a ruídos elétricos externos.

O circuito:

O circuito amplificador é de uma simplicidade franciscana, mas tem altíssima sensibilidade.



Para medir a corrente produzida pelo fluxo dos íons gerados pela radioatividade, usei um arranjo constituído por um voltímetro digital (funcionando aqui como um nanoamperímetro) ligado ao coletor de um transistor Darlington.

A configuração Darlington é composta por dois ou mais transistores comuns ligados em cascata em um circuito integrado, seu mérito é ter um altíssimo ganho de corrente.

Essa configuração foi inventada por Sidney Darlington em 1953.
O uso desse tipo de transistor junto com o nanoamperímetro permitiu medir correntes ainda menores, na casa dos femtoampères, sem a necessidade de usar um amplificador operacional.

A escala do voltímetro digital é de +/- 199,9mV, ele está ligado em paralelo com um resistor de 10Mohm que o transforma em um nanoamperímetro com faixa de +/- 19,99nA -> (0,1999V/10Mohm).



O transistor Darlington (MPSW45A) tem ganho de 25000 (1), então a escala do indicador corresponde a +/- 0,8pA -> (19,99nA/25000).
Assim, uma indicação de 199,9mV no display corresponde a 800fA na base do transistor.

A resolução do display corresponde a 0,4fA -> (800fA/1999), ou seja, cada contagem do display é igual a uma corrente de 0,4fA na câmara.

Como 1 ampère corresponde a um fluxo de 6,242 x 10^18 elétrons por segundo, então 1 femtoampère (10^-15 ampère) equivale a um fluxo de 6242 elétrons por segundo.

Dessa forma, a resolução do display em termos de fluxo elétrons é de:

1,0 femtoampère -> 6242 elétrons por segundo
0,4 femtoampère -> x

x = (0,4 x 6242) / 1  =  2497 elétrons por segundo

Antes das medidas temos que deixar os circuito ligado por cerca de meia hora para que haja estabilização térmica.

Um pequeno valor de corrente é esperado no display, resultado da fuga no transistor, fuga no isolante do ânodo (teflon) e também consequência da radiação de fundo que agora pode ser zerado pelo trimpot de 250k.

Esta câmara de ionização foi capaz de detectar a radioatividade de varetas de tungstênio toriadas, granito (3) e do potássio (2), como convém a este blog.
A radiação Gama do Am-241, facilmente colocou a leitura no fim de escala.
Acredito, que será possível detectar também a radioatividade de amostras de poeira (4) das proximidades do granito.

(1) O ganho de 25000 é o valor mínimo especificado para o Darlington utilizado neste experimento (MPSW45A), isso significa que valores de ganho maiores podem ocorrer.

(2) Potássio-40 - Câmara de ionização 
https://potassio-40.blogspot.com/2017/11/a-camara-de-ionizacao-e-uma-das-formas.html

(3) A radioatividade do Granito
https://potassio-40.blogspot.com/2017/11/a-radioatividade-do-granito.html

(4) Radônio e a poeira radioativa
https://potassio-40.blogspot.com/2017/11/este-e-um-dos-meus-experimentos.html

Comentários

  1. Parabens
    Li a respeito em 1 artigo de Popular Eletronics nos idos de 60 70 porem sem suas minuciosas explicacoes.
    Cheguei a fazer experiencias com starts de lampadas fluorescente como sensor
    Tambem que janelas do sensor dao melhor resultado com placa de mica

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