#161 - Detectando Radioatividade com Amplificador Operacional JFET

- fevereiro 12, 2021

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O objetivo desta postagem é mostrar uma forma diferente de detectar radioatividade usando um amplificador operacional com entrada JFET (Junction Field Efect Transistor).

Escrito e desenvolvido por Léo Corradini

Teoria do ensaio:

As junções semicondutores podem gerar pequenas diferenças de potencial quando expostas à radioatividade.
A sensibilidade depende da área e do volume da junção.

O diodo PIN (1) é muito usado para essa finalidade por ter uma região intermediária entre as regiões "P" e "N" chamada intrínseca, daí o nome "Diodo PIN", essa região de volume maior aumenta as chances de interação com os fótons Gama e também raios X.

Com um diodo PIN foi possível detectar a fraca radioatividade do potássio (2).

O uso de transistores de potência é muito popular entre os hobistas para detectar partículas Alfa, por eles possuírem um chip grande.

O 2N3055 é uma escolha comum, mas curiosamente os modelos de boa qualidade não funcionam porque tipicamente eles possuem uma camada de proteção de silicone sobre o chip que bloqueia as Alfas.

Então, devemos experimentar modelos de baixa qualidade ou outros transistores que são desprovidos de silicone.

O amplificador operacional com entrada JFET tem uma junção semicondutora relativamente grande no primeiro estágio diferencial.

Uma pulso de tensão, induzida por um fóton de radiação Gama ou partícula Alfa, poderá ser amplificado diretamente pelos estágios do operacional e teremos na saída um sinal com amplitude bem maior.

Assim, imaginei que seria possível fazer um detector de radioatividade usando um amplificador operacional dessa família do qual foi retirada a parte superior do invólucro metálico para permitir a entrada das partículas Alfa.
Naturalmente, esse pulso tem curta duração, então temos que adicionar um estágio detector de transientes na saída do amplificador.

O circuito:

O circuito é composto pelo amplificador operacional com entrada JFET modelo LF356BH cuja saída está ligada a um estágio monoastável feito com um temporizador 555.

O monoastável com o lendário circuito integrado 555 permite "esticar" a largura dos pulsos de curta duração oriundos da saída do amplificador operacional.
Dessa forma, um LED ligado na saída do 555 vai acender por um período de tempo de aproximadamente 50 ms, suficiente para que possamos perceber o lampejo de luz.

Se ligássemos o LED diretamente na saída do amplificador operacional não poderíamos ver a piscada de luz porque esta seria curta demais para estimular nossos olhos.

O valor da tensão de saída do amplificador operacional fica estabilizada na metade da tensão da bateria (4,5V) consequência da polarização produzida pelo divisor de tensão ligado a entrada não inversora através do resistor de 100k.
O ganho em corrente contínua é igual a um e aumenta em função da frequência do sinal de entrada devido a relação do resistor de realimentação (10M) e a reatância capacitiva do capacitor ligado a porta inversora (100nF).

Em condições normais o resistor ligado na entrada não inversora não afetaria o ganho uma vez que a impedância de entrada desse operacional é extremamente alta 10^12 ohms, porém observei na prática que ele interfere diretamente na sensibilidade do circuito.
O valor de 100k produziu a melhor relação ganho x interferência externa.

Temos que levar em consideração que o sinal não vem de fora, ele é produzido dentro da junção, trata-se de uma condição inusitada.

Resultado:

O LED começa a piscar quando uma fonte de partículas Alfa e fótons de radiação Gama (Amerício-241) é colocada próximo do chip do amplificador operacional.

A baixa frequência das piscadas mostra que a probabilidade de ocorrer uma interação que gera a tensão com a polaridade correta no FET correto é pequena.

Conclusão:

Certamente, é uma forma muito curiosa de detectar radiação, talvez outros tipos de operacionais também apresentem alguma sensibilidade.
Farei mais ensaios para determinar qual tipo de radiação é a mais prevalente nas detecções.

Acredito que o projetista desse amplificador operacional não imaginou que ele poderia servir para esse propósito.

Adendo:

Depois de mais alguns ensaios percebi que esse arranjo é sensível somente às partículas Alfa, um pedacinho de papel sulfite 75 g/m² na frente do chip fez cessar os lampejos do LED.

Coloquei um trimpot multivoltas de 20k no lugar dos dois resistores divisores de tensão de 10k.

Dessa forma, é possível aproximar o valor da tensão de saída do operacional ao ponto de disparo do pino 2 do temporizador 555 que é 1/3 da tensão de alimentação e aumentar a sensibilidade do detector.