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Índice do Blog:

- Radioatividade do Canhão de Elétrons

- Fusível Químico

- Radioatividade do Tabaco

- Contador Geiger Clássico

- Flúor no Sal Rosa

- Potássio no Sal Rosa

- Capacitor Cerâmico Multicamada

- Radioatividade do Sal Rosa (Segundo Ensaio)

- Magnésio no Sal Rosa

- Magnésio no sal grosso

- Termopar Tipo K

Medidor de Umidade Relativa Eletrônico

- Cores de alguns íons metálicos

- Medindo a Umidade Relativa com o Cloreto de Cobalto

- Pilha com água destilada

- Soldador Portátil de 7W

- Novo ensaio do Sal Rosa

- Pilha com eletrólito Humano

- Heat Pipe

- Interface para o contador Geiger e o Smartphone

- Impressora Jato de Tinta

- Novo ensaio da Radioatividade da Castanha do Pará

- Radioatividade do Cimento Portland comum

- Quantificando a Vitamina C em comprimidos

- 10% Humano

- Radioatividade na lâmpada fluorescente 2

- Kit de Química

Radioatividade na lâmpada fluorescente 1

- Radioatividade do adubo NPK 04-14-08

- Radioatividade do granito com a válvula SI-3BG

- Radioatividade do filamento da Magnétron

- Uma panaceia chamada radium

- Potássio-40 - Ensaio com a válvula SI-3BG

- Ensaio da água destilada

- Chumbo na fumaça

- A radioatividade do Granito

- Análise semiquantitativa do iodo no sal comum

- Multímetro Digital

- Protótipo de uma pilha de gravidade

- Radioatividade na Castanha do Pará 1

- Contador Geiger-Müller

- Potássio-40 - Detectando a radioatividade com diodo PIN

- A pilha de Zamboni

- Antiumectante no sal comum

- Indicador universal de pH

- Depósito galvânico do Estanho

- Perda do iodato com o calor

- Pilha de gravidade

- Joule Thief 

- Ensaio em tubo de raios X

- Chumbo no sal rosa

- Formol no detergente

- Fosfato na água

- Polarímetro

- Umidade relativa

- Soldador com controle de temperatura

- Iodo no sal rosa

- Pilha de Daniell

- Radioatividade no sal rosa

- Ensaio da água destilada

- Granito radioativo

- Radônio e a poeira radioativa

- Estanhando PCI

- Chumbo na solda

- µA723

- Cianotipia

- Azul de Bromotimol

- Quantificando a Vitamina C

- Forno de Micro-ondas

- Potássio-40 - Câmara de ionização

- Potássio-40 - Filme Fotográfico

Ensaios com a radioatividade natural do Potássio.
Léo Corradini
 
Experimentos seguros e de baixo custo para a detecção da radioatividade natural do Potássio.
 
No Potássio existe 0,0118% (118 ppm) de um isótopo radioativo natural, o Potássio-40, sua meia vida é 1,26 bilhões de anos.

Um grama de Potássio produz  31,3 desintegrações por segundo.
Sendo 90% emissão de partículas Beta resultando em Cálcio-40 e 10% de emissão de radiação Gama resultando em Argônio-40.
O Potássio-40 é mais radioativo que o Urânio e o Tório.
 
Atividade específica (*):
 
K-40 = 262000 Bq/g
U-238 = 12348 Bq/g
Th-232 = 4057 Bq/g
 
No entanto, a quantidade de K-40 presente no Potássio é muito pequena, além de não produzir filhos radioativos como o U e Th.
 
Uma pessoa de 70kg tem aprox. 140 gramas de Potássio no corpo que produzem, por conta do K-40, aprox. 4500 desintegrações por segundo.
 
(*) Fonte: National Physical Laboratory - report IR6
 
Detecção com filme Fotográfico:

Como fonte de radiação foi usado cerca de 300g de Cloreto de Potássio.

Para detectar essa fraca radiação foram usados filmes para radiografias dos dentes.

Esse filme vem montado em um envelope de plástico com uma lingueta para facilitar a sua remoção no momento da revelação.

O conjunto tem  45 mm por 33 mm e 1,5 mm de espessura.

Dentro existe um "sanduíche" composto da seguinte forma:

Primeira camada - Plástico do envelope.
Segunda camada - Papel preto.
Terceira camada - Filme radiográfico.
Quarta camada - Papel preto.
Quinta camada - Folha de Chumbo. 
Sexta camada - Plástico branco do envelope com a lingueta.
Assim, em função da blindagem de Chumbo, esse conjunto é mais sensível à radiação em uma das faces.
No centro da face mais sensível foi colado, com fita adesiva, um pequeno quadrado de Chumbo retirado de outro envelope.
 
Esse pedaço de Chumbo foi colocado para criar uma sombra na impressão do filme.
Também serve para avaliar o grau de deterioração natural da emulsão do filme, por causa do longo tempo de ensaio.
 
 
 
Os envelopes com os filmes foram montados sobre uma caixa de plástico com o Cloreto de Potássio que foram retirados e revelados, usando revelador e fixador próprios para esse tipo de filme, em intervalos de um ano.
 
Revelador e fixador usados nos ensaios.
 
 Ensaios com um e dois anos de exposição.
 
A radiação do Potássio pode atravessar a lâmina de Chumbo?
 
Neste ensaio a lâmina de Chumbo foi dobrada até a metade do comprimento total.
 
Este filme foi exposto por um ano, pode-se ver que a radiação marcou mais a metade
inferior demonstrando que a radiação consegue atravessar a lâmina de Chumbo.
 
 
 
A lâmina da esquerda foi dobrada até o meio e sob a letra K tem também uma lâmina de Chumbo.
 
 
O filme da direita ficou exposto por cinco meses, as manchas são de natureza ainda desconhecida. 
O filme da esquerda foi revelado depois de três anos e meio de exposição, a radiação atravessou mais na metade de baixo como era de se esperar.
 
A falta de nitidez nas impressões estão relacionadas com a distância entre a placa de Chumbo e a emulsão do filme.
Se a radiação fosse sempre perpendicular ao filme, a imagem seria mais nítida.
Mas, as emissões são muito difusas gerando aquela região de penumbra bem acentuada.
 
A radiação Beta também está impressionando o filme?
 
É possível que alguma radiação Beta emitida pelo Potássio consiga atravessar o plástico e o papel que estão no caminho e impressionar o filme.
Montei um imã, retirado de um drive de DVD, na costa de um envelope de filme na esperança de detectar a presença dessa radiação.
 
 
O campo magnético do imã pode desviar os elétrons que conseguirem atravessar e causar manchas no filme mais acentuadas próximas à projeção da borda do imã.

Detecção com uma câmara de ionização:
 
A câmara de ionização é uma das formas tradicionais para detectar e medir a radioatividade

Então imaginei que poderia usá-la para detectar a radiação do Potássio-40.
A figura mostra o funcionamento básico de um dos modelos desse dispositivo.

Desenvolvi uma câmara usando um fio de Cobre estanhado montado isolado no centro de uma lata e fechando na face frontal com uma folha de Alumínio.
 
Esse esquema é mais 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.
Para medir a fraquíssima corrente produzida pelo fluxo dos íons gerados pela também fraquíssima radiação do Potássio-40, 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. 
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 amplificador é de uma simplicidade franciscana, mas tem uma altíssima sensibilidade.
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 tem ganho de 25000(*), 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. 
Antes das medidas temos que deixar os circuitos ligados por cerca de meia hora para que haja estabilização térmica.

Um pequeno valor de corrente é esperado no display, resultado de fuga no circuito integrado e também consequência da radiação de fundo.
Nas fotos, temos a radiação de fundo mais a fuga igual a 4,8mV ou 19,2fA -> (0,4fA x 48) e com o Cloreto de Potássio um valor de 5,4mV ou 21,6fA -> (0,4fA x 54) 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.
A radioatividade do Cloreto de Potássio, nesse experimento, causou a liberação de aprox. 15000 elétrons/segundo -> ((21,6fA-19,2fA)x6242) dentro da câmara.
 
(*) 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.
Assim, os valores calculados para as diversas correntes que dependem desse parâmetro, serão diferentes dos exibidos. 
 
Detecção com fotodiodo PIN:
 
Também é possível detectar a radioatividade do Potássio usando um componente eletrônico de baixo custo chamado diodo PIN.
 
 
Esse diodo foi projetado para funcionar na região visível e infravermelha do espectro.
 
Porém, ele também é capaz de produzir pulsos de tensão em seus terminais quando exposto à radiação Gama.
É sensível em menor grau, por conta do invólucro, às partículas Alfa e Beta.
O diodo que utilizaremos é o BPW34 (foto) ele tem uma área sensível à radiação relativamente grande (7,5 mm²) que o torna particularmente interessante nessa aplicação.
Para melhorar a sua sensibilidade temos que blindá-lo da luz ambiente e do ruído elétrico.
 
Esquema do detector eletrônico.

O circuito completo é composto por quatro estágios:

- Amplificador de alta impedância de entrada que polariza e pré-amplifica o fraco sinal produzido no diodo.
- Outro estágio amplificador que multiplica o nível dos pulsos por 1500.
- Comparador de tensão que melhora a rejeição à ruídos elétricos internos e externos ao circuito e também enquadra e aumenta a largura desses pulsos.
- Contador de pulsos com um display de quatro dígitos.
Como contador, usei um pedômetro com a entrada modificada para receber os pulsos de tensão provenientes do comparador.
A grande vantagem desse método é o tempo muito menor dos ensaios.
Neste protótipo, onde estão montados os estágios amplificador e comparador, foram ligados um LED e um buzzer piezoelétrico na saída do comparador.
 
 
Assim, é possível ver um lampejo e ouvir um estalo quando o sensor detecta um fóton de radiação Gama.
Eles também são úteis para proceder a calibração do circuito que é feita ajustando-se o nível de tensão no pino 5 do amplificador operacional.
O valor dessa tensão deve ser ligeiramente inferior a do pino 6, para tanto, atua-se no trimpot de 50k.
Na prática, é só cobrir o fotodiodo com uma folha de plástico e outra de Alumínio e ajustar o trimpot até que o LED apague e o buzzer pare de emitir estalos.
Esse ajuste é crítico e define a sensibilidade do conjunto.
 
 
Diodo montado no primeiro estágio sobre o Cloreto de Potássio.
 
Depois de calibrado podemos desligar o LED e o buzzer e conectar o contador digital na saída do comparador (pino 7). 

Portanto, existem duas formas de usar o detector, vendo e ouvindo a radiação detectada e/ou totalizando os pulsos na saída do circuito.
Primeiros testes feitos com um tempo de exposição de ~24horas.
Ensaio 01:
Com o Cloreto de Potássio (56g) -> 142,5 pulsos/hora
Sem o KCl (ensaio em branco)    -> 13,3 pulsos/hora
Ensaio 02:
Com o Cloreto de Potássio (56g) -> 143,2 pulsos/hora
Sem o KCl (ensaio em branco)    -> 15,8 pulsos/hora
 
O pulsos apresentados nos ensaios em branco podem ser devidos à radiação ambiente/raios cósmicos e/ou ruído elétrico no circuito e, embora a blindagem, o captado do ambiente.
 
A radiação Gama emitida pelo Potássio pode apagar uma memória EEPROM?

As memórias EEPROM "electrically erasable programmable read only memory" armazenam os uns e zeros como cargas elétricas em nanocapacitores integrados no Silício.
Mas, essa carga não é eterna, as informações binárias vão se perder com o tempo (~ 40anos) devido a fugas dentro do circuito integrado.
 
A ideia, com a gamagrafia da memória, é mostrar o interior desse componente e também tentar acelerar essa descarga.
 
Os fótons, de radiação Gama, podem fazer com que os elétrons presos nas armaduras dos capacitores saltem para fora, alterando o estado de carga deles.
 
Assim, gravei alguns dados em uma memória E²PROM (24C04) e coloquei entre o Cloreto de Potássio e o filme radiológico.
 
Depois de um ano de exposição vou revelar o filme e de seis em seis meses vou ler as informações gravadas na memória em busca de erros.
Memória E²PROM montada sobre o filme.
 
 
 
Esquema dos terminais da memória.
 
 
Interface para gravar ou ler a memória usando o porta serial do PC.
 
Esquema da interface serial.
 
Tela do programa PonyProg usado para gravar e ler as informações na memória 24C04.
 
 Conjunto da memória ligado na interface.
 
Passados seis meses de exposição os dados gravados na memória ainda não foram corrompidos.
 
 
Entendendo mais sobre a radioatividade do Potássio-40
 
Para entender um pouco mais sobre a radioatividade do Potássio-40 pedi ajuda para a Professora Doutora Emico Okuno do Departamento de Física Nuclear do Instituto de Física da Universidade de S. Paulo, autora do livro "Radiação Efeitos, Riscos e Benefícios" e coautora, junto com a Professora Elisabeth Mateus Yoshimura, do livro "Física das Radiações".
 
A figura ilustra o decaimento radioativo do Potássio.
 
Em 89,3% das desintegrações o K-40 decai para Ca-40 emitindo um elétron (radiação Beta) e em 10,7% das desintegrações decai para Ar-40 excitado pela captura eletrônica e depois emitindo um fóton de 1,5 MeV (radiação Gama).
 
O fenômeno da captura eletrônica tem início com um elétron da camada K sendo capturado pelo núcleo e em seguida combina-se com um próton e transformando-se em um nêutron e emitindo um neutrino que pouco interage com a matéria.
 
Porém, a falta de um elétron no orbital K força um elétron de maior energia do orbital L a ocupar o seu lugar ocorrendo a liberação de raios X.
 
Por sua vez a vaga no orbital L força o mesmo fenômeno no próximo orbital de maior energia e assim sucessivamente gerando uma cascata de emissões de raios X.  
 
Assim, o núcleo excitado pela captura de um elétron emite fóton Gama e o decaimento do elétron para um nível de energia menor emite fótons de raios X.
 
Nova forma de expor os filmes ao KCL
 

Com o intuito de aumentar o nível da radiação que chega até os filmes, deixei de usar a caixa de poliestireno.

Acredito que a parede dessa caixa, com espesura de ~ 0,5mm, formava uma grande barreira para a radiação principalmente a Beta.

Na nova montagem, o KCl ficou dentro de um saco de polietileno bem fino.
 
Usando um osciloscópio digital para observar os fracos pulsos gerados pelo diodo PIN.

Neste experimento, o objetivo é registrar os fracos pulsos de tensão gerados no diodo PIN em um osciloscópio digital, quando estimulado pela radiação do Potássio-40.

Montei dentro de uma lata, para reduzir a interferência, um amplificador com um ganho de ~400 ligado a um diodo PIN (BPW34) e este envolto por cerca de 30g de Cloreto de Potássio. O sinal amplificado é levado até o osciloscópio através de um cabo coaxial e um conector BNC.

Em uma varredura de 60 segundos podemos observar, em meio ao forte ruído de fundo, alguns pulsos que são fortes candidatos ao sinal por nós buscado.

 
 

 
 

 
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