Simulador de detectores de centelleo y Geiger-Müller de bajo costo basado en microcontrolador

SIMULADOR DE DETECTORES DE CENTELLEO Y GEIGER-MÜLLER DE BAJO COSTO BASADO EN MICROCONTROLADOR

Lucianna F. A. y Carrillo M. A.

Laboratorio de Transductores y Física Nuclear - Universidad Nacional de Tucumán

facundolucianna@gmail.com ; mcarrillo@herrera.unt.edu.ar

Resumen

El presente trabajo describe el desarrollo de un equipo generador de señal capaz de emitir pulsos similares a los que emitiría un detector de centelleo basado en tubo fotomultiplicador o un tubo Geiger-Müller cuando le incide radiación ionizante, pero de manera predecible. Se trata de una implementación de bajo costo para la puesta a punto y calibración, dentro de sus limitaciones, de instrumental de medición nuclear.

Este diseño es una mejora a un desarrollo anterior basado en electrónica discreta. Debido al uso de un microcontrolador, ofrece una mayor posibilidad de configuración por parte del usuario, y una mayor facilidad para mejorar el diseño en el futuro.

Introducción

Dentro del Laboratorio de Transductores y Física Nuclear (LTFN) de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, se sigue aplicando la política de desarrollar instrumental básico de bajo costo para su uso en docencia e investigación, con el objetivo de equipar, con poco dinero, su laboratorio experimental. En ese contexto, se cuenta con distintos equipos para la detección y medición de radiación ionizante. Entre ellos se pueden destacar, tanto aquellos que funcionan con tubos fotomultiplicadores con cristal de centelleo (DTFCC), como los basados en tubos Geiger-Müller (DTGM) [1] como detector.

Como se sabe, cuando se realizan distintas mediciones, es necesario conocer las limitaciones de los equipos, entre ellas, las resoluciones, eficiencia, tiempos muertos y vida útil; tanto de los detectores como de los dispositivos registradores asociados [1]. Conocer tales parámetros, permite encuadrar los resultados obtenidos con esos equipos dentro de una exactitud y precisión dada. Cuando tales equipos son desarrollados dentro del LTFN deben relevarse sus características en el mismo laboratorio para poder documentarlo. Además, cada vez que el LTFN recibe un nuevo dispositivo o detector provenientes de donaciones, necesita de alguna forma, cuantificar esos parámetros para poder darle el aprovechamiento adecuado.

Por todo esto, se hace evidente que el LTFN necesita equipamiento para pruebas y calibraciones como así también, estandarizar un sistema de registro de sus equipos. Tal como se explica en [1], un equipo indispensable en la puesta a punto y calibración de casi cualquier instrumental nuclear, es el simulador de pulsos (SP). Este genera pulsos, que dependiendo del detector que se quiera simular, será similar a este pero abstrayéndose de la variabilidad implícita de utilizar detectores con fuentes radioactivas; ya que provee una amplitud, ancho de pulso y frecuencia fija. Este se conecta tanto a la entrada de la electrónica asociada a los detectores, como a etapas intermedias, para poder evaluarlas.

Un SP típico posee las siguientes posibilidades de ajuste:

Parámetros temporales (frecuencia, ancho de pulso, tiempo de subida y tiempo de caída)

Previamente el LTFN desarrolló un SP basado en electrónica discreta [2], este equipo cumplió un primer objetivo, que era simular sólo un DTFCC y poner énfasis en la utilidad de calibración de sistemas de espectrometría dotando al equipo de la posibilidad de generar varias amplitudes simultáneas (equivalentes a varios picos de un espectro real). Al usar electrónica discreta, el implementar mejoras significa cambiar gran parte de los circuitos electrónicos con todas las complicaciones que esto conlleva. Por ello en el LTFN se decidió desarrollar un nuevo equipo tomando como punto de partida al anterior, pero en base a un microcontrolador para permitir así, que las futuras mejoras sean simplemente cambios en su software. El nuevo equipo, entre otras mejoras, debía contemplar ciertos parámetros no previstos en el SP anterior y agregar la simulación del pulso de DTGM.

Descripción del equipo

El SP se diseñó con las siguientes características:

Dos formas de pulso seleccionables equivalentes a DTFM y DTGM con posibilidad de ajuste fino de sus flancos mediante resistencias variables. Frecuencia variable a elección del usuario

Amplitud variable a elección del usuario Polaridad seleccionable.

Tres modos de funcionamiento, a elección del usuario:

o Emisión continua de pulsos de amplitud constante.

o Emisión de N pulsos de la misma amplitud, donde N es un valor que elige el usuario.

o Igual al modo anterior, pero con N trenes de 4 pulsos en escalera cuyas amplitudes se pueden predefinir.

Para realizar el diseño de la forma de un pulso equivalente al generado por un DTFCC, se tomó como referencia la señal de salida, preamplificada y filtrada convenientemente, de un fotomultiplicador RCA 6655, adosado a un cristal de ioduro de sodio activado con talio estimulando con una fuente de cesio-137 (Figura 1 Izquierda).

Para el pulso típico de un DTGM, se usó el generado por un tubo Geiger-Müller Philips 18504 estimulado con una fuente de cesio-137 (Figura 1 derecha).

En la figura 2 se observa un diagrama de bloques del equipo desarrollado, cuyas etapas se describen a continuación:

Fig. 2. Diagrama de bloques del simulador de pulsos.

1. Etapa digital: Esta etapa está implementada mediante un microcontrolador de la línea PIC de Microchip®, el PIC16F877. Se encarga tanto, de generar la frecuencia de emisión de pulsos pudiendo variar desde 1 [Hz] hasta 50 [kHz], como de controlar la parte analógica, permitiendo configurar los parámetros elegidos por el usuario. Se utilizó este dispositivo por sus especiales características que son suficientes para el dispositivo diseñado y brinda soporte extra para futuras mejoras previstas. Sus principales características son:

Estructura RISC

5 Puertos de entradas analógicas y salidas digitales 1 Modulo de comunicación serie

3 Timers / contadores Memoria EEPROM:

Programa: 14,3 Kbyte (flash) Datos: 256 Bytes

Memoria RAM: 368 Bytes 1 Conversor AD de 10 bits

El software implementado realiza, al inicio, una rutina de verificación de funcionamiento de los distintos circuitos. Una vez terminada esta comprobación, ingresa al menú para que el usuario configure los parámetros que necesite. Cuando el SP, está emitiendo pulsos, el microcontrolador, realiza varias tareas al mismo tiempo. Valiéndose de interrupciones y de un temporizador interno, genera los pulsos y actualiza constantemente la etapa de visualización y comando.

2. Etapa analógica: En esta etapa se encuentran todos los circuitos encargados de dotar al pulso de las características requeridas.

a. Etapa de entrada: Los pulsos provenientes de la etapa digital, pasan por un relé que, permite seleccionar el tipo de detector a simular.

luego de pasar por la etapa de entrada, ingresan a un amplificador con ganancia ajustable digitalmente en base a un conversor digital-analógico de 8 bits (DAC0808) y amplificadores operacionales (LF356). De esta manera, se puede elegir una amplitud de pulso en el rango de 50 [mV] a 10 [V].

c. Etapa Forma de pulso: Consiste en una serie de circuitos pasa-bajos RC [5] que filtran el pulso proveniente de la etapa anterior para darle la pendiente exponencial de subida y de bajada, (figura 1).

d. Etapa polaridad del pulso: Es la etapa final que permite, mediante un relé, cambiar la polaridad del pulso generado. El circuito es un amplificador inversor de ganancia unitaria a base de amplificadores operacionales (LF356).

3. Visualización y comandos: La interfaz del equipo con el usuario se realiza mediante un display de cristal líquido (LCD) y un teclado de control.

El manejo, muy simple e intuitivo, se efectúa mediante tres teclas (Figura 3) Dos de ellas están destinadas a la navegación de los distintos menús y selección de valores a ingresar y la tercera, a validar los datos ingresados e iniciar o detener la simulación.

Fig. 3. Visualización y comando.

El display muestra en su pantalla:

Antes de la simulación: Los menús para ingresar a uno de los tres modos de simulación. Una vez elegido uno de esto modos, van a ir apareciendo las distintas configuraciones a elegir, hasta que finalmente muestra todas las opciones elegidas y pregunta si está todo bien para iniciar la simulación.

Durante la medición: Una vez iniciada la simulación, en la pantalla aparece el tiempo transcurrido en horas, minutos y segundos. Además el modo de simulación, la amplitud, polaridad y que tipo de detector se está simulando. Si está elegido el modo de cuentas finitas de pulsos, aparece la información de cuantos pulsos se están emitiendo.

Mediciones realizadas

Se hicieron diferentes pruebas del SP para poder analizar su funcionamiento. Se usaron los siguientes equipos:

Osciloscopio analógico Leader® LBO-520. Osciloscopio digital Protomax® SMN-JC-1022M.

En la figura 4 semuestran los pulsos obtenidos a diferentes amplitudes y polaridades cuando se simulaba pulsos de DTFCC. Se observa que a baja amplitud (≈ 200 [mV]) el ruido se hace apreciable. Los flancos de subida y bajada de los pulsos son de 180 [ns] y 1,6 [µs], estando dentro del orden de los reales.

Fig. 4. Pulsos a la salida del SP en distintas polaridades y amplitudes en modo simulación de DTFCC.

En la figura 5 se observa el pulso generado en modo Geiger-Müller a máxima amplitud y polaridad positiva, aquí los flancos son de 220 [µs] y 1,2 [ms], también son aproximados a los reales.

Fig. 5. Pulsos a la salida del SP en distintas amplitudes polaridad positiva en modo DTGM.

En la figura 6, se puede apreciar la similitud entre los pulsos del SP (trazo grueso) y los de un DTFCC real conectado al analizador multicanal estimulado por una fuente radioactiva de cesio-137

En la figura 7, se presenta un espectro obtenido mediante el analizador multicanal.

Fig. 7. Espectro obtenido en el detector multicanal con el SP a una frecuencia de 1 [kHz] durante 60 segundos.

El pulso era de 125 [mV] polaridad negativa, amplificado e invertido en el equipo multicanal para lograr un pico de 2 [V] positivo. La resolución [1] obtenida fue de 0,04 y el ancho del espectro a la mitad del valor máximo (FWHM), de 0.08 [V].

Conclusiones

Este diseño e implementación cumple el objetivo de crear un equipo de bajo costo que genere pulsos similares a detectores de radiación para análisis de funcionamiento y calibración de equipos de medición.

A pesar de su bajo costo, las características del equipo permiten una gran versatilidad y facilidad de uso.

Se está trabajando en mejorar el software, ya que se considera que el hardware desarrollado es suficiente para los requerimientos actuales y de un futuro próximo. Las mejoras, a nivel software, con las que se están trabajando, entre otras, son:

Un nuevo modo de trabajo que permita emitir más de 4 amplitudes diferentes.

Generación de pulsos aleatorios.

Simulación de espectros de emisión de distintas fuentes radioactivas

Referencias

[1] Knoll, G. F., Radiation detection and measurement, Wiley, Estados Unidos, 2000 [2] Lucianna, F. A. & M. A. Carrillo, Simulador de pulsos de detector de centelleo de

bajo costo, VII Jornada de Ciencia y Tecnología de Facultades de Ingeniería del NOA, 2011.

[3] Stein, J. Isótopos radioactivos, Alhambra, Madrid – Buenos Aires, 1973 [4] Wakerly, J. F., Diseño digital: principios y prácticas, Pearson, México, 2001 [5] Dorf, R. C. & J. A. Svboda, Circuitos eléctricos, Alfaomega, México, 2003

[6] Carrillo, M. A. & P. B. Aramayo, Espectrómetro nuclear de bajo costo basado en microcontrolador, XXXVI Reunión Anual de la Asociación Argentina de Tecnología Nuclear, 2009.

LOW COST SIMULATOR OF SCINTILLATIONAND GEIGER-MÜLLER DETECTOR BASED ON MICROCONTROLLER DEVICE

Lucianna F. A. y Carrillo M. A.

Laboratorio de Transductores y Física Nuclear - Universidad Nacional de Tucumán

facundolucianna@gmail.com ; mcarrillo@herrera.unt.edu.ar

Abstract

The present work describes the development of a generator device that can send pulses like the kind that emits a scintillation detector or Geiger-Müller tube when impact ionizing radiation, but in a predictable way. It is a low cost implementation for the setup or calibration of nuclear equipment.