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Divisão de Física Aplicada

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Organização EFA• Subdivisão de Aplicações das Radiações – EFA-A

– LRI – Laboratório de Radiação Ionizante – LEN – Laboratório de Espectroscopia Nuclear e Radiometria– Laboratório de Eletrônica

• Subdivisão de Eletromagnetismo Aplicado – EFA-E– LSE - Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos– LEV - Laboratório de Engenharia Virtual – GEC - Grupo de Eletromagnetismo Computacional

- LEN – Laboratório de Espectroscopia Nuclear e Radiometria- Laboratório de Eletrônica

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Infra-estrutura Experimental• Bancada de ensaios de emissões conduzida e irradiada

(9 kHz até 30 MHz) – medidas de compatibilidade eletromagnética e

interferência eletromagnética.

• Avaliação de propriedades eletromagnéticas de materiais (sólidos e líquidos) : freqüências de 100 Hz até 12 GHZ.– Propriedades medidas podem ser utilizadas na

simulações, contribuindo para melhoria do projeto computacional de dispositivos

– Atualmente, podem ser avaliados os efeitos de temperatura e umidade

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Infra-estrutura Experimental

• Laboratório de Sinterização– Reforma de área de 40m2 no prédio da EAP (FINEP) – Forno para sinterização instalado e operacional

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Infra-estrutura Experimental• Projetos Pajé- LRI

(Acelerador – Laboratório de Radiação Ionizante)

– Unificação dos projetos (paralisação do Pajé e redirecionamento do LRI)

– Instalação para desenvolvimento de projetos voltados para o estudo dos efeitos da radiação ionizante em materiais, fibras ópticas, circuitos e componentes eletronicos e fotônicos, de interesse aeroespacial.

• Acelerador de elétrons

• Fontes de radiação gama (60Co)

• Fontes de partículas carregadas

• Instrumentação para medidas de parâmetros de circuitos analógicos e digitais e de semicondutores

- Gamma-cell

- Fonte direcionada

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Infra-estrutura - Acelerador

1 - electron gun2 - magnetic lenses3 - vaccum valves4 - pre buncher5 - buncher6 - accelerating structure7 - coil8 - klystron 20 MW peak9 - klystron 1 kW peak

MODULATOR

WAVEGUIDE

ACCELERATINGSTRUCTURE

INJECTOR

ANALYZINGSYSTEM

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Infra-estrutura - Acelerador

1 - electron gun2 - magnetic lenses3 - vaccum valves4 - pre buncher5 - buncher6 - accelerating structure7 - coil8 - klystron 20 MW peak9 - klystron 1 kW peak

MODULATOR

WAVEGUIDE

ACCELERATINGSTRUCTURE

INJECTOR

ANALYZINGSYSTEM

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Infra-estrutura - Fonte

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Infra-estrutura Computacional

• Sala de desenvolvimento de software e simulação - LEV– Inaugurada em agosto/2005 área de 78 m2 na EST-A (FINEP)– 11 estações de trabalho– 2 “servidores” - base de conhecimento (Nou-Rau), controle de

versões de software, servidor de ferramenta CASE, foruminterno

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Infra-estrutura Computacional• Cluster BELIEVe II

– Transferido para o subsolo do prédio da Direção– Oferta de serviços pela DMZ do IEAv (ITA, IPEN, UNESP, alunos)– 20 usuários cadastrados

• Cluster BELIEVe I - desativado

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Infra-estrutura ComputacionalSoftwares Comerciais

- XFDTD, HFSS, Femlab, GID, Matlab, Mathematica

Bibliotecas de código fonte aberto

Softwares desenvolvidos- Linguagens C++, Fortran, MATLAB- Orientação a objetos- Resolução de problemas 2D (e 3D com simetria axial) em eletromagnetismo, plasmas, condução de calor,otimização com algoritmos genéticos, nanotubos

- multiplataforma (Windows – Linux)- Processamento paralelo

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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIP• Sensores de Infravermelho (IV) nanoestruturados – poços

quânticos (QWIP)

Seletividade dos QWIPs

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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIPSensores de Infravermelho (IV) nanoestruturados – poços quânticos

– projeto em execução há um ano– crescimento de amostra de GaAs/AlGaAs e InGaAs/InAlAs para

detecção de infravermelho com centro da resposta em 4,1 e 9 µm– técnicas e ferramentas para caracterizações ópticas e eletro-ópticas

de amostra de GaAs/AlGaAs e InGaAs/InAlAs

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Pho

tocu

rren

t (A

U)

Wave Length (µm)

-1V

2 3 4 5 61E9

1E10

Det

ectiv

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mH

z1/2 /W

)

Wavelength (µm)2 4 6 8 10 12 14 16

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10

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)

Wavelength (µm)

Resposta espectral -seletividade

Detectividade espectral compará-vel ao de sistemas comerciais

2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

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(AU

))

Wave Length (µm)

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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIP

• Sensores de Infravermelho nanoestruturados – pontos quânticos

2 4 6 8 10 120

1

2

3

4 unpolarized

TE polarization

TM polarization

polarized at 45°

normal incidence

inte

nsity

(arb

. u.)

wavelength (µm)

Resposta Espectral de um Sensor a Pontos Quânticos não Otimizado

– Primeiros resultados experimentais – crescimento dos pontos quânticos

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Pesquisa e Desenvolvimento – QWIP/QDIP

CaracterizaçãoRaio-X

TEM

AFM

Participantes:IEAv, UFMG, PUC-RJ,INPE, UFSCar,

USP São Carlos

Financiamento : FINEP

VI WAI - 2006Sensor idealizado no LSE, empregando transdutores de ferrita.

Monitor de corrente pulsada.

Pesquisa e Desenvolvimento• Desenvolvimento de ferritas

As ferritas atualmente em estudo no LSE são do tipo Ni-Zn fabricadas pelo método cerâmico convencional. Tais materiais encontram aplicações diversas tais como:

•Transdutores de monitores de corrente pulsada

•Sensores de radiação eletromagnética

• Compósitos absorvedores de microondas

Mantas absorvedoras à base de ferrita Mg-Mn, desenvolvidas no LSE.

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Pesquisa e DesenvolvimentoDesenvolvimento de ferritas

Processamento IAE – Divisão de MateriaisLaboratório de Sinterização

10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Inte

nsid

ade

Rel

ativ

a (%

)

Ângulo (2 x theta)

Ferrita 3 Sinterizada a 1300 oCd = 8,43 Angstrons

Difração de raios x.0 5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Freq

üênc

ia

Comprimento do intercepto (micron)

Média: 7,9 micraModa: 5,9 micraDesv. padrão: 5,2

Caracterização microestrutural

Outros métodos empregados: picnometria,

porosimetria, determinação da densidade pelo método

de Arquimedes.

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Pesquisa e Desenvolvimento - FerritasCaracterização eletromagnética (LSE)

Medidas de permeabilidade magnética e permissividade, variando-se temperatura e umidade

100M 1G0

10

20

30

40

50

60 -40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oC +10 oC +25 oC +30 oC +40 oC +50 oC

MAG

NET

IC P

ERM

EABI

LITY

- R

EAL

PAR

T (µ

')

FREQUENCY (Hz)100M 1G

0

10

20

30

40

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-40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oC +10 oC +25 oC +30 oC +40 oC +50 oC

MAG

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- IM

AGIN

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PAR

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'')

FREQUENCY (Hz)

13.0

13.5

14.0

14.5

15.0

15.5

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16.5

900M400M

-40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oCP

ERM

ITTI

VIT

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AL

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')

FREQUENCY (Hz)1G

0

1

2

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-40 oC -30 oC -20 oC -10 oC 0 oC +10 oC +25 oC +30 oC +40 oC +50 oC

PER

MIT

TIV

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T (ε

'')FREQUENCY (Hz)

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Pesquisa e Desenvolvimento

• Desenvolvimento de nanoestruturas magnéticas

- Processo de moagem a laser em desenvolvimento- Definição de parâmetros, composição e avaliação de granulometria

- Colaboração: EFO, IAE (AMR)

• Desenvolvimento de materiais bio-magnéticos

- Iniciativa da EFO: - EFA – caracterização magnética

- Aplicação: sensores de radiação eletromagnética

• Projeto e confecção de cerâmicas magnéticas com absorção seletiva de radiação eletromagnética

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Pesquisa e Desenvolvimento• Caracterização eletromagnética de materiais biológicos e

aplicações computacionais

Objetivos :• Determinar as propriedades dielétricas de fêmur bovino de maneira

sistemática, na faixa de freqüência entre 50MHz e 40GHz, avaliando suas dependências com a temperatura, a umidade relativa e a orientação das amostras;

• Propor um padrão de metodologias para caracterização eletromagnética de materiais biológicos em RF & MW, cujas propriedades dependem do ambiente aos quais estão submetidos.

Colaborações: EPUSP, Rede TSQC (Anvisa)

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Pesquisa e Desenvolvimento

Caracterização eletromagnética de materiais biológicos e aplicações computacionais

1x107 1x108 1x109 1x1010

Frequency (Hz)

1

10

100

Rel

ativ

e P

erm

ittiv

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BONEOur ResultsRat (femur)Human (tibia) 37oCOvine (skull) 37oCBone (marrow) 37oCBone-cortical (compiled)

Resultados

International Conference on Electromagnetic Fields, Health and Environment – EHE’06, 27 a 29 de abril de 2006 – Ilha da Madeira – Portugal

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Pesquisa e DesenvolvimentoCaracterização eletromagnética de materiais biológicos e

aplicações computacionaisPerspectivas

• realizar medidas em materiais biológicos de animais com linhagemcontrolada e de seres humanos.

• Aplicar esses conhecimentos nos cálculos da Taxa de AbsorçãoEspecífica – SAR (Specific Absorption Rate) para avaliação dos efeitos da Radiação Eletromagnética Não-Ionizante em sereshumanos;

• Transferir esses conhecimentos para outras áreas de aplicações e/ou com diferentes materiais, tais como blindagens (uso militar, desenvolvimento de equipamentos de proteção individual no trabalho); crescimento ósseo e tratamento de câncer (na medicina); controle de pragas em plantações (na agronomia) .

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Pesquisa e Desenvolvimento• LEVSOFT– Software orientado a objetos

• Desenvolvimento em linguagem C++• Documentação em UML (Together, DOxygen)

– Estudos implementados• Eletrostáticos, magnetostáticos, eletrocinéticos• Condução de calor (regimes permanente e transitório) – fontes

volumétricas e pontuais• Escoamento de fluidos em meios porosos• Simulação de plasmas (colisional e não colisional) (em andamento)• Nanotubos (potencial de Lennard-Jones) (em andamento)• Semicondutores nanoestruturados (em andamento)• Magnetodinâmicos (problemas de corrente induzida) (em andamento)• Otimização com Algoritmos Genéticos – sensores eletroópticos

(em andamento)

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Pesquisa e Desenvolvimento• LEVSOFT

– Geradores de malha• Não estruturada (Delaunay – 2D)• Estruturada (elíptica)• Autoadaptativa (em manutenção)

– Resolução multiplataforma• Windows e Linux• Sequencial e paralelo

– Implementações previstas• Escoamentos hipersônicos• MHD e EHD• Novos métodos numéricos para resolução de sistemas e geração de

malhas• Novos tipos de elementos

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Pesquisa e Desenvolvimento• Bibliotecas de desenvolvimento SDK-LEVSOFT

– Classes Básicas• Primitivas geométricas• Elementos Finitos• Geração de malhas• Matrizes esparsas• Métodos de resolução de sistemas lineares de equações• EFG (“element-free Galerkin”) (em andamento)• Fenômenos (equações diferenciais) (em andamento)• Métodos de resolução de problemas de autovalores (em

andamento)– Auxilio a usuários programadores no desenvolvimento de novos

módulos do sistema LEVSOFT

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Pesquisa e Desenvolvimento - BRAFEL

• BRAFEL – projeto multi-institucional (CBPF, LNLS, IEAv, IFUSP, colaboradores internacionais)

- Laser de elétrons livres (sintonizável e potência média)

- Compr.onda = 100 micra (infravermelho)

- Energia do feixe de elétrons : 8,5 Mev

- Compr. Onda wiggler = 3 cm

- Simulações numéricas (projeto)

- Construção do ondulador magnético(wiggler) e medidas magnéticas

- Emax <= 20 MeV (proteção radiológica)

- Lmax = 10m (todo o sistema)

– Características:

– Restrições :

– Participação do IEAv:

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Pesquisa e Desenvolvimento - BRAFEL– Resultados preliminares

• Otimização de parâmetros de projeto (Comprimento, potência de saturação e eficiência)

– Financiamento – proposta de projeto para MCT

Resultados iniciais baseados em fórmulas analíticas e fenomenológicas

Resultados otimizados obtidos a partir de simulação numérica 3D

Ie = 700A Ie = 200A

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Pesquisa e Desenvolvimento• Projeto de fibras ópticas especiais para sensores de gás e

líquido.

Fibra Óptica

(Photonic Crystal Fiber)

Gases ou líquidos são inseridos nos furos. A absorção da luz é medida e calibrada para indicar a presença e concentração da substância a ser estudada

Fabricação : Austrália

Caracterização: Unicamp Financiamento : FAPESP

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Pesquisa e Desenvolvimento• Projeto de fibras ópticas com Alta Birrefringência

Fibra Óptica

(Photonic Crystal Fiber)

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Pesquisa e Desenvolvimento• Projeto de fibra óptica para Compensação da Dispersão

CromáticaFibra Óptica

(Photonic Crystal Fiber)

Colaboração: EFO, UNICAMP, USP Financiamento: FAPESP

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Pesquisa e Desenvolvimento• Processamento de Alto Desempenho e Técnicas Numéricas

– paralelização de métodos de resolução de sistemas lineares de equações

– otimização de dispositivos eletromagnéticos utilizando algoritmogenético (dispositivos eletroópticos: sensores de alta tensão e moduladores)

– Aplicação do método “element-free Galerkin” para o estudo de problemas eletromagnéticos não homogêneos

– Aplicação do método “element-free Galerkin” associado ao método “particle-in-cell” para a simulação de plasmas

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Pesquisa e Desenvolvimento• Avaliação de RCS

– Cooperação: Diretoria de Sistemas de Armas da Marinha do Brasil (DSAM), RJ.

• Aeronaves (Apache e A1) • Embarcações

– Antenas de microondas do tipo patch – Estruturas dielétricas bidimensionais

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Propostas de projetos

• Proposta aprovada : Edital Institutos do Milênio n. 01/2005.

• Proposta aprovada : Pró-Defesa – sensores infra-vermelho nanoestruturados (recursos para formação de pessoal) – (início: 2006 – duração 4 anos)

• Proposta para AEB: Sensores IV semicondutores na faixa de 1 a 1,7 µm de InGaAs (banda - banda) para utilização em imageadoresde satélite

– Cooperação com Universidades de SP, RJ e MG

• Proposta para Fundo Aeronáutico – LRI (SIA) – Proposta aprovada, mas sem recursos (2005)

• Proposta Fundo Setorial – ProInfra – Infra-estrutura para LRI –aguardando resposta (12/05/2006)

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Propostas de projetos

• Propostas no âmbito da Ação Transversal “Infra-estrutura dos ICT´s da Área de Defesa”– Sensor de presença de RF utilizando tecnologia de

metamateriais– Software multifísica LEVSOFT: módulos de plasma, otimização

e nanoestruturas semicondutoras– Ferramenta CAE/CAD para análise de seção reta radar de

estruturas complexas– Processador digital para sinais eletromagnéticos de baixa

intensidade – Detetor de artefatos não-metálicos subterrâneos utilizando

tecnologia Maser - HSM

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Propostas de projetos

• Proposta Fundo Setorial – Equipamento Multiusuário – Cluster dePCs de 64 unidades de processamento – aguardando resposta (06/2006)

• Apresentação de Projeto de calibração de sensores de RF a especialistas da ANVISA - REDE TSQC – Avaliação da exposição de seres humanos em ambientes eletro-

médicos

• Propostas submetidas no Edital Universal– Projeto de fibras ópticas para Sensores

• Possíveis aplicações: biosensor, sensor de temperatura e pressão, sensor para detecção de gases e líquidos e para medicina diagnóstica.

– Projeto de dispositivos fotônicos integrados em semicondutores.

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FIM