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Março, 2017
Mariana Freire Torres de Eloy Cruz
[Nome completo do autor]
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[Nome completo do autor]
Licenciada em Ciências da Engenharia Física
[Habilitações Académicas]
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[Habilitações Académicas]
[Habilitações Académicas]
Desenvolvimento de uma fonte de raios-X baseada
no princípio da triboluminescência
[Título da Tese]
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Física
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
[Engenharia Informática]
Orientador: Mauro António Moreira Guerra,
Professor Auxiliar convidado,
Universidade Nova de Lisboa
Co-orientador: José Paulo Moreira dos Santos,
Professor Associado com Agregação,
Universidade Nova de Lisboa
Júri:
Presidente: Doutor Filipe Alexandre Ferreira Tiago de Oliveria,
Professor Auxiliar,
Universidade Nova de Lisboa
Vogais: Doutor Mauro António Moreira Guerra,
Professor Auxiliar convidado,
Universidade Nova de Lisboa
Doutora Ana Cristina Gomes da Silva,
Professora Auxiliar,
Universidade Nova de Lisboa
Desenvolvimento de uma fonte de raios-X baseada no princípio da
triboluminescência
Copyright © Mariana Freire Torres de Eloy Cruz, Faculdade de Ciências e
Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa.
A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o
direito, perpétuo e s1em limites geográficos, de arquivar e publicar esta
dissertação através de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma
digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e
de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e
distribuição com objetivos educacionais ou de investigação, não comerciais,
desde que seja dado crédito ao autor e editor.
À minha Mãe, Rita, e ao meu Pai, José.
Parece sempre impossível até ser feito
“It always seems impossible until it’s done”
Nelson Mandela
vii
Agradecimentos
Gostaria de agradecer aos meus orientadores, o Professor Mauro Guerra e
o Professor José Paulo Santos, pela dedicação, disponibilidade, orientação e
colaboração ao longo deste trabalho.
Agradeço à FCT – UNL por todo o conhecimento académico que recebi.
Agradeço ao LIBPhys por me ter recebido e por toda a disponibilidade.
Quero também agradecer à minha Mãe, Rita, e ao meu Pai, José, por terem
tido um papel tão grande na insistência da finalização desta etapa, por me terem
dado todo o apoio, por me terem permitido estudar, por serem os melhores do
mundo e por me deixarem todos os dias ser filha.
Agradeço aos meus irmãos Frederico, Maria e Madalena por toda a
paciência e orgulho que demonstram ter em mim, por serem ao mesmo tempo o
meu apoio, o meu ponto de referência e o meu caos.
Agradeço a minha mais que amiga, mais que irmã, uma parte mim, a Maria
Inês, por existir, por ter sido sempre um exemplo tão grande e por nunca me
deixar sozinha.
Agradeço aos meus amigos que têm um papel tão importante na minha
vida, que me acompanham nas minhas conquistas e que as tornam muito maiores
porque as festejam sempre comigo: Bárbara, Constança, Bernardo.
Agradeço ao meus colegas e amigos, Catarina, António, Matilde, Isabel,
Guilherme e Diogo, por terem tornado a minha jornada académica tão especial.
Agradeço a todos o que não referenciei, mas que influenciaram de uma
forma direta ou indireta a minha vida e que me levaram onde estou e onde sou
hoje.
ix
Resumo
As fontes de raios-X são hoje um instrumento de elevada importância, não
só pelo uso em aplicações médicas como também na industria e na arte. Por
serem sistemas complexos e dispendiosos, a necessidade de encontrar fontes de
raios-X alternativas, com menor dimensão e custo, tem vindo a aumentar.
Foi o estudo efetuado por Camara et al na UCLA e publicado na revista
Nature em 2008, que serviu como base desta dissertação. Este estudo consistiu
em verificar a possibilidade de produzir raios-X, através do fenómeno da
triboluminescência, desenrolando um rolo de fita-cola. Os resultados do estudo
foram bastante positivos, não só concluíram que através da separação da fita-cola
em vácuo era possível produzir raios-X suficientes para fazer uma radiografia a
um dedo, como também verificaram que a radiação libertada tinha um
comportamento semelhante a uma fonte de raios-X pulsada [1].
Nesta dissertação será desenvolvida e estudada uma fonte de raios-X, de
baixo-custo, baseada no fenómeno da triboluminescência. Ao contrário dos
sistemas de raios-X convencionais, compostos por um tubo de raios-X e uma
fonte de alta tensão, a fonte de raios-X do sistema montado será um rolo de fita-
cola, que ao ser desenrolado com ajuda de um motor elétrico irá emitir radiação
eletromagnética na gama dos raios-X.
Palavras Chave: Triboluminescência, fonte de raios-X, raios-X, baixo-custo.
xi
Abstract
X-ray sources are now a very important instrument, not only in medical ap-
plications but also in industry and art. Because they are complex and costly sys-
tems, the need to find alternative sources of X-rays with smaller size and cost has
been increasing.
It was the study carried out by Camara et al at UCLA and published in Na-
ture in 2008, which served as the basis of this dissertation. This study consisted
in verifying the possibility of producing X-rays through the phenomenon of tri-
boluminescence, unrolling a roll of adhesive tape. The results of the study were
quite positive. Not only did they conclude that by separating the adhesive tape
in a vacuum it was possible to produce enough X-rays to make a radiograph of a
finger, but also found that the radiation released had a similar behaviour to a
source X-ray pulsed [1].
In this dissertation, a low-cost X-ray source based on the phenomenon of
triboluminescence will be developed and studied. Unlike conventional X-ray sys-
tems, systems composed of an X-ray tube and a high-voltage source, the x-ray
source of the mounted system will be a roll of tape, which when unwound with
the help of an electric motor will emit electromagnetic radiation in the range of
X-rays.
Keywords: Triboluminescence, X-rays source, X-rays, low-cost.
xiii
Índice
Lista de Figuras .................................................................................................. xv
Lista de Tabelas ................................................................................................ xvi
Glossário ........................................................................................................ xvii
1. Introdução ............................................................................................ - 1 -
2. Princípios Físicos ................................................................................... - 7 -
1.1 Raios-X ................................................................................................... - 8 -
1.2 Produção de raios-X ................................................................................ - 9 -
1.3 Gerador de Van der Graaff e descargas elétricas .................................... - 10 -
1.4 Vácuo ................................................................................................... - 13 -
1.5 Velocidade linear e velocidade angular .................................................. - 14 -
3. Montagem Experimental ..................................................................... - 15 -
1.6 Montagem da Fonte de raios-X ............................................................. - 15 -
1.7 Motor Passo a Passo e Controlo de velocidade de desenrolamento ........ - 18 -
4. Resultados e Discussão ........................................................................ - 20 -
5. Conclusão e Prespectivas Futuras ........................................................ - 25 -
Bibliografia .................................................................................................. - 29 -
6. Anexos ................................................................................................ - 32 -
7. Apêndice – Desenhos técnicos ............................................................. - 33 -
xv
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Relação entre a radiação X obtida, a força aplicada ao motor de desenrolamento e a radio
frequência [1]. ................................................................................................................................ - 3 -
Figura 1.2 - Espectro das energias de raios-X obtido com o desenrolamento de um rolo de fita-cola [1]…..
........................................................................................................................................................ - 4 -
Figura 2.1 – Espectro eletromagnético [15]............................................................................................. - 7 -
Figura 2.2 – Diagrama de um tubo de raios-X convencional e fonte de alta tensão [13]. ....................... - 9 -
Figura 2.3 – Representação do funcionamento do gerador de Van der Graaff [18]. ............................ - 11 -
Figura 2.4 - Diagrama do comportamento dos eletrões ao desenrolar a fita-cola em vácuo. .............. - 12 -
Figura 2.5 – Representação dos vetores velocidade linear, v, e velocidade angular, ω. ....................... - 14 -
Figura 3.1 - Esquema referência de montagem dos motores de desenrolamento da fita-cola [1]. ...... - 15 -
Figura 3.2 – Montagem experimental da fonte de raios-X, vista de cima. ............................................ - 17 -
Figura 3.3 - Montagem experimental da fonte de raios-X, vista de frente. .......................................... - 18 -
Figura 3.4 – Placa de arduíno UNO. ....................................................................................................... - 19 -
Figura 4.1 – Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 2,0x10-2 mbar, um rolo de fita-cola da
marca Scotch. ............................................................................................................................... - 22 -
Figura 4.2 - Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 4,5x10-2 mbar, um rolo de fita-cola da
marca Staples. .............................................................................................................................. - 22 -
Figura 4.3 – Sobreposição dos espectros obtidos, ao desenrolar fita-cola de marcas diferentes em
diferentes condições de pressão. ................................................................................................. - 23 -
Figura 7.1 – Desenho Técnico para fabrico da câmara de vácuo. .......................................................... - 34 -
Figura 7.2 – Desenho técnico para fabrico da tampa da câmara de vácuo. .......................................... - 34 -
xvi
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Intervalos de valores aproximados de pressões das diferentes zonas de vácuo [14]. ...... - 13 -
Tabela 4.1 – Resultados Obtidos ao fazer desenrolar diferentes tipos de fita-cola, em diferentes
condições pressão de trabalho. .................................................................................................... - 21 -
xvii
Glossário TL - Triboluminescência
FRX – Fluorescência de raios-X
CCD – Dispositivo de carga acoplada
xviii
- 1 -
1. Introdução
A etimologia do termo triboluminescência vem do grego tribo (fricção) e
luminescência (luz). Triboluminescência é o nome que designa o fenómeno de
libertação de energia sob a forma de radiação eletromagnética como
consequência do movimento entre duas superfícies que se encontram em
contacto [2].
Este fenómeno foi observado pela primeira vez no Colorado, EUA, por
tribos indígenas durante os seus rituais de dança, aquando da utilização de
maracas – instrumento musical – feitas de pele de búfalo com cristais de quartzo
no seu interior. Estes cristais emitiam luz ao serem friccionados uns contra os
outros [2].
Em 1602, este fenómeno foi documentado pela primeira vez por Francis
Bacon quando ao moer açúcar no escuro observou a emissão de radiação. Já em
meados de 1930, na Rússia, foi observado que ao separar duas folhas de mica é
emitida luz. A emissão de raios-X devido à separação de fita-cola, foi observada
pela primeira vez em 1953 por um grupo de cientistas soviéticos [2].
Hoje já estão documentadas diversas observações do comportamento e dos
mecanismos físicos do fenómeno da TL. Sabe-se que é possível observar a TL em
diferentes circunstâncias, como por exemplo: ao friccionar ou fraturar cristais, o
1
- 2 -
que incluí moer açúcar; ou separar duas superfícies em contacto, como duas
folhas de mica ou como a fita-cola [2-10].
A TL tem sido alvo de vários estudos com diferentes propósitos. Exemplos
destes estudos são: o uso deste fenómeno para monitorizar falhas em materiais
na industria da aviação; e a produção de fontes de raios-X portáteis de baixo-
custo [1,11-12].
Segundo o estudo realizado por Tarik J.Dickens, é possível conseguir
monitorizar a qualidade dos materiais, isto é, verificar se os materiais ainda se
encontram em condições para a função a que estão destinados ou se têm de ser
substituídos devido a pequenas fraturas. Esta monitorização é realizada através
da introdução nos materiais de fibras óticas e de cristais, que ao fraturarem
emitem radiação [11].
No estudo efetuado por Camara et al a fita-cola é desenrolada dentro de
uma câmara de vácuo com uma velocidade de 3 cm.s-1 a uma pressão de 10-3 torr.
Este estudo concluí que, nas condições descritas em cima, é possível produzir
uma fonte de raios-X pulsada com energias de pulso que podem ir até aos 10
GeV.
Os resultados obtidos, no estudo referido anteriormente, e descritos no
gráfico da Figura 1.1 demonstram que a uma pressão de 10-3 torr são observadas
emissões de raios-X, representados pelos picos a azul, com um intervalo temporal
médio de 300 ms que podem ir até 400 keV de energia por pulso. Estes picos estão
relacionados com as variações do momento da força aplicada pelo motor ao rolo
de fita-cola, o que é indicativo que a emissão de raios-X ocorre essencialmente
aquando do deslizamento da fita.
O eixo esquerdo representa a força aplicada para o desenrolamento da fita-
cola a uma velocidade de 3 cm.s-1 com uma pressão de 10-3 torr, linha preta, e
com 1 atm, linha verde. O eixo direito representa o sinal da emissão de raios-X,
linha azul. A linha vermelha representa o sinal da antena de radio frequência. A
uma pressão de 1 atm não foi observada emissão de radiação raios-X [1].
- 3 -
Figura 1.1 - Relação entre a radiação X obtida, a força aplicada ao motor de
desenrolamento e a radio frequência [1].
Através do espectro de raios-X obtido podemos observar que ao desenrolar
um rolo de fita-cola é possível gerar raios-X com energias até aos 100 keV e com
energias de pulso que podem ir até aos 10 GeV, Figura 1.2. Este espectro foi
obtido com uma velocidade de desenrolamento que variou entre 3 e 3,6 cm.s-1 a
10-3 torr [1].
Ao analisar o inset, Figura 1.2 canto superior direito, os resultados mostram
que esta técnica é bastante promissora uma vez que apesar de cada um dos fotões
só poder ter no máximo 100 keV de energia, o conjunto de fotões criados em cada
pulso tem uma energia total que pode ir até aos 10 GeV.
- 4 -
Figura 1.2 - Espectro das energias de raios-X obtido com o desenrolamento de um rolo
de fita-cola [1].
As fontes portáteis de raios-X desempenham um papel de elevada
importância em áreas tão distintas como arte, medicina, ciências forenses, bem
como em investigação nas áreas de possíveis tratamentos de cancro, imagem
raios-X, análise e caracterização de superfícies que contenham na sua composição
química metais pesados [2, 11]. Existem inúmeras vantagens na utilização de um
sistema portátil como a facilidade da sua utilização e por não implicar o
transporte do material que se quer analisar. Este sistema poderá ser acoplado a
vários tipos de detetores de raios-X, como os que compõem um espectrómetro de
fluorescência de raios-X (FRX), ou um CCD para imagiologia, aumentando
grandemente as suas potencialidades.
Atualmente, existem alguns fabricantes de sistemas de raios-X portáteis,
como a Bruker e a Aribex, no entanto, o seu custo monetário é bastante elevado.
Por esta razão é importante o estudo e o desenvolvimento de sistemas
semelhantes mas de baixo custo.
Este projeto pretende demonstrar que é possível construir um sistema
portátil de raios-X de baixa potência e de baixo-custo [1], apesar se existirem
custos adicionais à construção deste sistema, tais como o sistema de vácuo.
- 5 -
Para se obter o vácuo necessário ao funcionamento do sistema basta
recorrer ao uso de uma bomba de vácuo rotatória, ou a um sistema de
bombeamento relativamente simples e barato, uma vez que os valores de vácuo
necessário rondam o vácuo primário, entre 1 mbar e 10-3 mbar [14].
Os sistemas portáteis comerciais são sistemas muito sensíveis devido à
enorme fragilidade do filamento do tubo de raios-X. Caso o estabelecimento da
alta tensão não for efetuado corretamente o risco de o filamento fundir aumenta
drasticamente, deixando o sistema inutilizável. É por isso importante sublinhar
que este sistema que propomos desenvolver tem uma enorme vantagem
relativamente a outros sistemas portáteis: caso haja algum problema com a fonte
de raios-X, a fita adesiva, não é dispendioso nem complexo proceder de forma
rápida à sua troca por outra fita adesiva.
- 7 -
2. Princípios Físicos
Uma vez que o objetivo deste trabalho é conseguir observar radiação x
produzida através do fenómeno da triboluminescência, é importante
compreender como a mesma é caracterizada e originada.
A radiação eletromagnética encontra-se dividida em várias classes:
radiação rádio, micro-ondas, infravermelhos, visível, ultravioleta, raios-X e raios
gama. Os limites da divisão desta classificação encontram-se representados na
Figura 2.1.
Figura 2.1 – Espectro eletromagnético [15].
2
- 8 -
1.1 Raios-X
A radiação x foi descoberta acidentalmente, em 1895, por Wilhelm Conrad
Röntgen aquando do seu estudo do fenómeno de luminescência no tubo de
descarga, ou tubo de Crookes. Röntgen observou que os cristais de platinocianeto
de bário, que componham uma placa negra que se encontrava perto do tubo de
Crookes, se tornavam luminescentes no momento em que a descarga se dava. Ao
estudar este fenómeno Röntgen verificou que o os raios que provocavam a
luminescência dos cristais tinham origem nas paredes do tubo de Crookes. Foi
por ter associado esta consequência aos raios-X que, em 1901, ganhou o prémio
Nobel da Física [16].
Os raios-X são radiação eletromagnética com comprimentos de onda que
pode variar entre os 0,01 nm e os 10 nm e a sua gama de energia pode variar entre
os 100 eV e os 100 keV. Consoante a energia que possuem os raios-X são
classificados em duas categorias: raios-X leves, que podem chegar até aos 5 keV;
raios-X duros, que variam entra 5 keV até 100 keV. A radiação x é também
distinguida pelas seguintes características [16]:
❖ É invisível;
❖ Propaga-se à velocidade da luz, 3x10-8 ms-1, e em linha recta;
❖ Pode sofrer reflexão, refracção, difracção e polarização;
❖ Pode ser absorvida de diferentes formas ao atravessar matéria,
dependo da composição, espessura e densidade da mesma;
❖ Pode ionizar gases;
❖ Pode produzir reações biológicas, como provocar danos em células
vivas ou produzir mutações genéticas;
❖ Consegue escurecer uma placa fotográfica;
❖ Não pode ser afetada por campos magnéticos ou elétricos.
- 9 -
1.2 Produção de raios-X
A produção de raios-X pode ocorrer através do processo: de desaceleração
de partículas carregadas; de transições eletrónicas nas camadas internas do
átomo; de decaimento de fontes radioativas.
Os principais métodos considerados para produção de raios-X são a
utilização de radiação de ciclotrão ou a aceleração de eletrões, com elevadas
diferenças de potencial, contra materiais com elevado numero atómico, Z, em
câmaras de vácuo [13].
Os sistemas de produção de raios-X mais utilizados são complexos e
dispendiosos. Os sistemas mais comercializados são compostos principalmente
por um tubo de raios-X e uma fonte de alta tensão, componentes semelhantes aos
representados na Figura 2.2.
O tubo de raios-X é composto por uma câmara de vácuo que contem um
cátodo e um ânodo separados por uma zona de vácuo. O cátodo, fonte de
eletrões, é composto por um filamento que ao ser aquecido liberta eletrões. O
ânodo é um alvo tipicamente composto por um metal pesado para que seja
maximizada a produção de raios-X. Quando é aquecido o filamento, são
Figura 2.2 – Diagrama de um tubo de raios-X convencional e fonte de alta tensão [13].
- 10 -
libertados eletrões que ao sofrerem uma diferença de potencial são acelerados em
direção ao alvo, ânodo [13].
Quando o feixe eletrões chega ao ânodo, os eletrões sofrem uma travagem
repentina e perdem energia cinética devido à interação com o campo de Coulomb
dos núcleos que constituem o alvo. Esta perda de energia traduz-se na emissão
de fotões com energia igual à energia cinética perdida pelos eletrões. A energia
libertada devido a esta interação é denominada de radiação contínua ou de
Bremsstrahlung.
No trabalho desenvolvido a fonte de raios-X não será um sistema
semelhante ao descrito neste subcapítulo. A radiação X será libertada através do
desenrolamento da fita-cola.
1.3 Gerador de Van der Graaff e descargas elétricas
Robert J. Van der Graaff, em 1931, criou o primeiro gerador electroestático,
conhecido por gerador de Van der Graaff, com o objetivo de gerar elevadas
diferenças de potencial [17].
Este gerador é composto por uma coluna vertical, que no seu interior
contem uma correia de um material isolante. Com a ajuda de um motor esta
correia roda em torno de duas roldanas, uma no topo e outra na base da coluna
vertical. Na base da coluna existe um elétrodo, que está ligado a Terra, e no topo
da coluna existe outro elétrodo que está em contato com a esfera oca metálica de
grande dimensão que se encontra no topo da coluna. Tal como se pode observar
na Figura 2.3, o gerador de Van der Graaff é também composto por uma esfera
metálica menor dimensão, que está ligada à Terra [17].
- 11 -
Ao ligar o motor, é iniciado o movimento da correia. As cargas negativas
são transportas da esfera de maior dimensão para a esfera de menor dimensão,
através do movimento da correia e do fio que liga a esfera metálica de menor
dimensão à base da coluna vertical, tal como representado na Figura 3.1 . Desta
forma a esfera de maior dimensão fica carregada positivamente e a esfera de
menor dimensão fica carregada negativamente. Para se dar uma descarga elétrica
a diferença de cargas, ou diferença de potencial, criada entre as duas esferas tem
de ser suficientemente elevada. Este fenómeno é semelhante ao fenómeno dos
relâmpagos. No caso dos relâmpagos, a esfera de grande dimensão é a Terra e a
de menor dimensão são as nuvens.
Figura 2.3 – Representação do funcionamento do gerador de Van der Graaff [18].
- 12 -
Neste trabalho é importante entender o fenómeno de descargas elétricas,
causado por uma diferença de potencial, para entender o fenómeno que acontece
ao desenrolar a fita-cola.
Ao desenrolar fita-cola é criada uma zona localizada de cargas, no ponto de
contacto entre as duas faces da fita, sendo que uma das faces fica carregada
positivamente e a outra fica carregada negativamente. Aquando desta diferença
de densidade de cargas entre as duas faces, passa a existir uma diferença de
potencial que provoca uma descarga elétrica que pode chegar a valores de
energia na gama dos raios-X [1], fenómeno semelhante ao explicado no
subcapítulo anterior; os eletrões viajam da zona que se encontra carregada
negativamente para a zona menos carregada, fenómeno ilustrado na Figura 2.4.
O movimento dos eletrões é diferente consoante as condições do ambiente
envolvente, sendo que se não existir vácuo os eletrões colidem com as partículas
existentes na atmosfera transferindo a sua energia para as respetivas partículas.
Se a fita-cola for desenrolada em vácuo, à medida que as duas faces da fita são
separadas a diferença de potencial criada pode até atingir valores
suficientemente elevados para se dê uma descarga com emissão de raios-X.
Figura 2.4 - Diagrama do comportamento dos eletrões ao desenrolar a fita-cola em vácuo.
- 13 -
1.4 Vácuo
Um volume encontra-se em vácuo, quando a densidade de partículas do
mesmo é inferior à densidade de partículas existentes no ar, em condições de
pressão e temperatura normais. Para saber o grau de vácuo de um dado volume,
é necessário conhecer a pressão do mesmo [14]. A relação entre o valor de pressão
de um determinado volume e o seu grau de vácuo encontra-se descrita na Tabela
2.1.
Tabela 2.1 – Intervalos de valores aproximados de pressões das diferentes zonas de vácuo [14].
Pressões (mbar) Zonas de Vácuo
103 – 1 Pressão atmosférica
1 - 10-3 Vácuo primário
10-4 – 10-6 Alto vácuo
10-7 – 10-9 Vácuo muito alto
10-10 – 10-15 Ultra alto vácuo
Tal como já referido no capítulo 1, estudos anteriores demonstram para se
observar emissão de raios-X, como consequência do fenómeno de TL, pressões
na ordem de grandeza dos 10-3 mbar são suficientes, vácuo primário [1].
- 14 -
1.5 Velocidade linear e velocidade angular
Para garantir que à medida que a fita-cola é desenrolada, as duas faces da
fita-cola são separadas a uma velocidade constante, é necessário compreender de
que forma a velocidade linear da fita-cola se relaciona com a velocidade de
rotação do motor responsável pelo desenrolamento da mesma.
A velocidade linear, 𝑣, depende da a velocidade angular, 𝜔, e da distância
ao eixo de rotação, 𝑟, tal como indicado na equação 1 [19].
𝑣 = 𝜔𝑟 (2.1)
A velocidade a que as duas faces da fita se vão separando, velocidade linear,
pode ser relacionada com a velocidade de rotação do motor, velocidade angular
e com a distância entre o ponto de separação e o eixo de rotação, r, de acordo com
a equação 2.1.
Durante o desenrolamento da fita-cola, a distância entre o eixo de rotação
do motor e ponto onde se dá a separação das duas faces da fita vai diminuindo.
Por outra palavras, considerando o esquema da Figura 2.5, durante o
desenrolamento da fita-cola o raio R1 vai diminuindo e o raio R2 vai aumentando.
Para garantir que a velocidade linear de desenrolamento se mantem
constante, é necessário fazer variar a velocidade angular, considerando as
pequenas variações de R1 e a dependência descrita na equação 2.1.
Figura 2.5 – Representação dos vetores velocidade linear, v, e velocidade angular, ω.
- 15 -
3. Montagem Experimental
1.6 Montagem da Fonte de raios-X
A montagem da fonte raios-X, realizada neste trabalho, foi semelhante a
montagem representada na Figura 3.1.
3
Figura 3.1 - Esquema referência de montagem dos motores de desenrolamento da fita-
cola [1].
- 16 -
A fonte de raios-X, desenvolvida neste trabalho, é composta por:
• Uma câmara de vácuo;
• Bomba de vácuo rotatória;
• Medidor de pressão;
• Leitor de pressão;
• Um motor elétrico do tipo passo a passo;
• Fonte de tensão 0-30 V, 2,5 A;
• Um suporte para o motor;
• Um suporte de rotação e respetivos eixos;
• Um sistema de controlo de velocidade – Arduíno UNO e montagem
eletrónica auxiliar;
• Um sistema de vácuo primário;
• Um detetor de radiação x – XR-100SDD da Amptek;
• Rolo de fita-cola – marca Staples e Scotch;
• 3 flanges;
• 1 fit-through elétrico;
Para que fosse possível observar o comportamento do sistema
desenvolvido, dentro da câmara de vácuo, e detetar a emissão de raios-X fora da
mesma com a ajuda de cintiladores ou placas de raios-X, optamos por construir
uma câmara de vácuo em acrílico.
Foi também necessário construir à medida, para os furos feitos na caixa e
na tampa, as flanges utilizadas para a ligação do sistema de vácuo, do detetor e
do fit-through elétrico.
A caixa e a tampa de acrílico foram encomendas à empresa Acrifiller, e
tiveram um custo aproximado de 200euros. As flanges foram construídas na
FCT-UNL nas oficinas do Departamento de Física.
A câmara de vácuo foi dimensionada de forma a minimizar o volume do
sistema. Os desenhos técnicos utilizados no fabrico da caixa e da tampa de
acrílico que formam a câmara de vácuo, encontram-se no Apêndice 1 e 2.
- 17 -
As Figuras 3.2 e 3.3 correspondem a fotografias tiradas à montagem
experimental realizada neste trabalho. Nestas figuras podemos observar no
interior das circunferências coloridas:
• Figura 3.2 circunferência a cor-de-laranja – Motor Passo-a-passo;
• Figura 3.2 circunferência a roxo – Flange construída com rosca para
o detetor de radição;
• Figura 3.3 circunferência a encarnado – Detetor XR 100SDD Amptek;
• Figura 3.3 circunferência a azul – Leitor de Pressão;
• Figura 3.3 circunferência a verde – eletrónica auxiliar do motor
passo-a-passo;
• Figura 3.3 circunferência a amarelo – Fonte de tensão 0-30 V, 2,5 A.
Figura 3.2 – Montagem experimental da fonte de raios-X, vista de cima.
- 18 -
1.7 Motor Passo a Passo e Controlo de velocidade de desenrolamento
Existem diversos tipos de funcionamento de motores elétricos como os de
corrente contínua, corrente alternada, passo a passo, etc.
O motor utilizado na montagem deste sistema é um motor passo a passo.
Este tipo de motor é um dispositivo que converte impulsos elétricos em
deslocamentos mecânicos angulares.
Ao aplicar sucessivos impulsos elétricos, o motor roda com uma velocidade
proporcional à frequência desses impulsos. Por esta razão, o movimento deste
tipo de motores pode ser controlado com precisão por sistemas digitais [20].
No sistema desenvolvido neste trabalho o motor passo a passo é controlado
por um microcontrolador, sistema digital.
O microcontrolador utilizado foi uma placa Arduíno, Figura 3.3. O
ambiente de programação deste microcontrolador contem uma vasta biblioteca
Figura 3.3 - Montagem experimental da fonte de raios-X, vista de frente.
- 19 -
de funções, incluindo uma função de controlo para motores passo a passo [21]
[22], função utilizada como base para o controlo do motor responsável pela
velocidade de desenrolamento da fita-cola.
Figura 3.4 – Placa de arduíno UNO.
O código da função utilizado para controlar o motor, foi alterado de forma
a que a velocidade de desenrolamento da fita-cola se mantivesse constante,
relação descrita no subcapítulo 2.5.
O código utilizado na programação da placa Arduíno, para o
funcionamento do motor encontra-se descrito no Anexo 1.
- 20 -
4. Resultados e Discussão
As fita-colas utilizadas neste trabalho, são da marca Staples e da marca
Scotch. Inicialmente apenas tinha sido utilizada a fita-cola da marca Staples, no
entanto depois de diversas tentativas, os resultados obtidos não foram
satisfatórios. Por esta razão optou-se por utilizar uma fita-cola da mesma marca
da fita utilizada no trabalho efetuado por Camara et al [1], fita-cola da marca
Scotch.
Infelizmente por falta de acesso ao sistema de leitura do sensor de
velocidade, não foi possível monitorizar a velocidade de rotação do motor
responsável pela velocidade de desenrolamento da fita-cola.
Á medida que um rolo de fita-cola é desenrolado dentro da câmara de
vácuo, são libertadas pequenas quantidades de ar o que resulta numa variação
da pressão inicial obtida, pressão mínima, uma vez que a velocidade de
bombeamento da bomba rotária utilizada não é suficiente para suprimir a
desgaseificação. Esta variação não ultrapassou os 1,0x10-2 mbar. Por esta razão
foram considerados os valores de pressão mínimos atingidos em cada
desenrolamento.
4
- 21 -
Os resultados obtidos ao desenrolar fita-cola da marca Scotch, com
diferentes condições de pressão, estão descritos na Tabela 4.1, Scotch 1 e 2.
Apesar de os resultados obtidos com a fita-cola da marca Staples não terem
sido satisfatórios, foi ainda assim possível observar emissão de raios-X. Os
resultados obtidos ao desenrolar a fita-cola Staples estão descritos na Tabela 4.1,
Staples 3.
Tabela 4.1 – Resultados Obtidos ao fazer desenrolar diferentes tipos de fita-cola, em
diferentes condições pressão de trabalho.
Na Figura 4.1 está representado o espectro obtido no desenrolamento da
fita-cola da marca Scotch a uma pressão de 2,0x10-2 mbar. Como é possível
observar o maior número de contagens de emissão de radiação x deu-se para
energias inferiores a 5 keV.
Na Figura 4.2 está representado o espectro obtido no desenrolamento da
fita-cola da marca Staples a uma pressão de 4,5x10-2 mbar. Como é possível
observar o maior número de contagens de emissão de radiação x deu-se para
energias inferiores a 1 keV.
Espectro Scotch 1 Scotch 2 Staples 3
Min. Pressão (mbar)
7,7x10-3 2,0x10-2 4,5x10-3
Fita-cola Scotch Scotch Staples
Calibração a+bx
A -0,0223
B 0,0139
Contagens E (keV) Contagens E (keV) Contagens E (keV)
Max 27 1,245 17 1,048 3 0,228
- 22 -
Figura 4.1 – Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 2,0x10-2 mbar, um rolo de
fita-cola da marca Scotch.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 5 10 15 20 25 30
Co
nta
gen
s
Energia (keV)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 5 10 15 20 25 30
Co
nta
gen
s
Energia (keV)
Figura 4.2 - Espectro obtido ao desenrolar, a uma pressão de 4,5x10-2 mbar, um rolo de
fita-cola da marca Staples.
- 23 -
Na Figura 4.3 podemos observar a sobreposição de três espectros
obtidos, com diferentes tipos de fita-cola e em diferentes condições de pressão
de trabalho. Na mesma figura estão os espectros: de cor preta, correspondente
ao desenrolar da fita-cola Scotch a um valor de pressão mínimo de 7,7x10-3
mbar; cor azul correspondente ao desenrolar da fita-cola Scotch a um valor de
pressão mínimo de 2,0x10-3 mbar; e de cor encarnada, correspondente ao
desenrolar da fita-cola Staples a um valor de pressão mínimo de 4,5x10-2 mbar.
O número de contagens obtidas para o mesmo valor de energia, é
superior quando é desenrolada a fita-cola da marca Scotch, comparativa com a
fita-cola da marca Staples. É também mais elevado o número de contagens
obtidas para o mesmo valor de energia, quando o valor de pressão é menor, isto
é quando o nível de vácuo aumenta.
Durante o trabalho realizado, foi possível observar, que para valores de
pressão inferiores a 5,0x10-3 mbar o número de contagens obtidas para o mesmo
valor de energia diminui. Em suma, o intervalo de valores de pressão, P, para
os quais foram obtidos um maior de contagens para o mesmo valor de energia
foi entre 5,0x10-3 mbar > P > 2,0x10-2 mbar.
Figura 4.3 – Sobreposição dos espectros obtidos, ao desenrolar fita-cola de marcas
diferentes em diferentes condições de pressão.
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- 25 -
5. Conclusão e Prespectivas Futuras
O principal objetivo do trabalho desenvolvido foi atingido. Verificou-se que
é possível construir uma fonte de raios-X, baseada no fenómeno de
triboluminescência, através do desenrolamento de um rolo de fita-cola em vácuo.
As experiências realizadas demonstraram que, comparando o número de
contagens obtidas para o mesmo valor de energia de emissão, a quantidade de
raios-X emitidos, depende não só do valor de pressão a que a fita-cola é
desenrolada como também do tipo de fita-cola que é utilizada.
Não foram verificados melhores resultados com o desenrolamento da fita-
cola da marca Staples. No entanto, os resultados obtidos com a fita-cola da marca
Scotch foram satisfatórios, i.e., houve emissão de radiação x com um maior
número de contagens. Podemos concluir que para que a descarga elétrica entre
as duas faces da fita-cola ser superior é necessária a utilização de uma fita-cola
mais resistente.
Não foi possível analisar e otimizar todas as condições de trabalho definidas
como objetivos, e.g.:
- Possibilidade de desenrolar vezes sucessivas o mesmo rolo de fita-cola,
uma vez que o motor utilizado só permitia o desenrolamento de um rolo por
operação;
5
- 26 -
- Estudar o impacto de variações da velocidade de rotação do motor nos
resultados, dado que não foi possível medir a velocidade de rotação do motor.
Ainda assim foi possível observar que nem sempre se dá emissão de
radiação x para determinados valores de pressão. Não se observou emissão para
valores de pressão inferiores a 5,0x10-3 nem para valores superiores a 2,0x10-3.
Estes resultados levam a crer que para se dar o fenómeno da
triboluminescência é necessário que o valor de pressão não seja nem muito
elevado nem muito baixo, caso contrário a descarga elétrica não suficiente para
se dar a emissão de raios-X. Contudo não possível aferir com maior precisão, a
partir dos resultados obtidos, o comportamento desta dependência.
De modo a prosseguir com a investigação desenvolvida, é vantajoso
otimizar a montagem experimental de forma a que seja possível o
desenrolamento sucessivo do mesmo rolo de fita-cola, eliminando a necessidade
de colocar a câmara de vácuo à pressão atmosférica para trocar o rolo de fita-cola.
A alteração do processo de desenrolamento colocando dois motores responsáveis
pelo desenrolamento, a funcionar de forma alternada, é uma solução plausível
para esta melhoria. Ainda assim, teríamos de ter em consideração diminuir a
dimensão dos motores utilizados, para que a dimensão total da montagem
experimental não fosse demasiado ampliada.
A otimização das dimensões da fonte de raios-X, criando uma montagem
de menores dimensões, pode permitir o fabrico de uma máquina que seja
facilmente transportada. Para isso, basta minimizar as dimensões de alguns
componentes, como por exemplo: o motor passo a passo e a eletrónica associada;
os suportes de rotação dos rolos de fita-cola; e a câmara de vácuo.
Adicionalmente, deve dar-se continuidade ao desenvolvimento desta
investigação explorando com maior precisão o comportamento da
triboluminescência, através da sua experiência com um conjunto alargado de
variáveis de condições de trabalho:
- Diferentes intervalos de valores de pressão;
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- Diferentes velocidades de desenrolamento;
- Diferentes tipos de fita adesiva (e.g. material constituinte), ou comparação
entre fita-cola transparente (utilizada nesta investigação) e fita-cola isolante.
- 28 -
- 29 -
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[19] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamentals of Physics, 9th
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[20] Identificação dos principais tipos de motores eléctricos. URL:
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http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/7/10/C10004.
- 32 -
6. Anexos
Código implementado na placa Arduíno UNO para variar a velocidade de
rotação do motor:
A
- 33 -
7. Apêndice – Desenhos técnicos
B
- 34 -
Figura 7.1 – Desenho Técnico para fabrico da câmara de vácuo.
- 35 -
Figura 7.2 – Desenho técnico para fabrico da tampa da câmara de vácuo.
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