Monitoramento de gases : estudo comparativo das principais tecnologias de sensores e aspectos relacionados

O presente trabalho objetiva disponibilizar informações claras e ordenadas aos leitores em língua portuguesa acerca do vasto campo que é o monitoramento de espécies gasosas tóxicas ou perigosas em distintos ambientes. Também esclarece alguns termos técnicos comumente usados nesta área e tece comentários sobre a legislação e as normas brasileiras relativas ao assunto monitoramento de gases tóxicos ou perigosos, sempre buscando um paralelo com publicações técnicas de organizações internacionais de amplo conhecimento dos profissionais da área. Segue com uma elucidação dos princípios de funcionamento dos sensores de gases, componentes básicos das tecnologias mais extensivamente usadas, bem como as vantagens e desvantagens dos equipamentos deles decorrentes com vistas a permitir uma escolha acertada de tecnologias e equipamentos para uma resposta otimizada e eficiente envolvendo monitoramento de gases em situações rotineiras e especiais. Objetiva também prover uma exemplificação prática envolvendo o uso de equipamento de sensoriamento. Para tanto, finaliza com um exemplo de monitoramento de emissões poluentes, avalia comparativamente a performance de queima e tira conclusões acerca das emissões poluentes decorrentes da queima de gás liquefeito de petróleo (GLP) e gás natural (GN) comerciais em um forno.

MPGDs based radiation imaging devices and applications

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de sistemas baseados em detetores gasosos microestruturados, para imagiologia de fluorescência de raios-X por dispersão em energia (EDXRF). A técnica de imagiologia por fluorescência de raios-X assume-se como uma técnica poderosa, não-destrutiva, em análises da distribuição espacial de elementos em materiais. Os sistemas para imagiologia de EDXRF desenvolvidos são constituídos por: um tubo de raios-X, usado para excitar os elementos da amostra; um detetor gasoso microestruturado; e uma lente pinhole que foca a radiação de fluorescência no plano do detetor formando assim a imagem e permitindo a sua ampliação. Por outro lado é estudada a influência do diâmetro da abertura do pinhole bem como do fator de ampliação obtido para a imagem, na resolução em posição do sistema. Foram usados dois conceitos diferentes de detetores gasosos microestruturados. O primeiro, baseado na microestrutura designada por 2D-Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) com uma área ativa de 3 3 cm2, enquanto que o segundo, baseado na estrutura 2D-Thick-COBRA (2D-THCOBRA) apresenta uma área ativa de deteção de 10 10 cm2. Estes detetores de raios-X de baixo custo têm a particularidade de funcionar em regime de fotão único permitindo a determinação da energia e posição de interação de cada fotão que chega ao detetor. Deste modo permitem detetar a energia dos fotões X de fluorescência, bem como obter imagens 2D da distribuição desses fotões X para o intervalo de energias desejado. São por isso adequados a aplicações de imagiologia de EDXRF. Os detetores desenvolvidos mostraram resoluções em energia de 17% e 22% para fotões incidentes com uma energia de 5.9 keV, respectivamente para o detetor 2D-MHSP e 2D-THCOBRA e resoluções em posição adequadas para um vasto número de aplicações. Ao longo deste trabalho é detalhado o desenvolvimento, o estudo das características e do desempenho de cada um dos detetores, e sua influência na performance final de cada sistema proposto. Numa fase mais avançada apresentam-se os resultados correspondentes à aplicação dos dois sistemas a diversas amostras, incluindo algumas do nosso património cultural e também uma amostra biológica.

Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

Development of a single photon counting computed tomography system using MPGDs

The development of computed tomography systems with energy resolving detectors is a current challenge in medical physics and biomedical engineering. A computed tomography system of this kind allows getting complementary informations relatively to conventional systems, that can help the medical diagnosis, being of great interest in medicine. The work described in this thesis is related to the development of a computed tomography system using micropattern gaseous detectors, which allow storing, simultaneously, information about the interaction position and the energy of each single photon that interacts with the detector. This kind of detectors has other advantages concerning the cost and characteristics of operation when compared with solid state detectors. Tomographic acquisitions were performed using a MicroHole & Strip Plate based detector, which allowed reconstructing cross-sectional images using energy windows, applying the energy weighting technique and performing multi-slice and tri-dimensional reconstructions. The contrast-to-noise ratio was improved by 31% by applying the energy weighting technique, comparing with the corresponding image obtained with the current medical systems. A prototype of a computed tomography with flexibility to change the detector was developed, making it possible to apply different detectors based on Thick-COBRA. Several images acquired with these detectors are presented and demonstrate their applicability in X-ray imaging. When operating in NeCH4, the detector allowed a charge gain of 8 104, an energy resolution of 20% (full width at half maximum at 8 keV), a count rate of 1 106 Hz/mm2, a very stable operation (gain fluctuations below 5%) and a spacial resolution of 1.2 mm for an energy photon of 3.6 keV. Operating the detector in pure Kr allowed increasing the detection efficiency and achieving a charge gain of 2 104, an energy resolution of 32% (full width at half maximum at 22 keV), a count rate of 1 105 Hz/mm2, very stable operation and a spatial resolution of 500 m. The software already existing in the group was improved and tools to correct geometric misalignments of the system were also developed. The reconstructions obtained after geometrical correction are free of artefacts due to the referred misalignments.

Estudo e desenvolvimento de um sensor de CO2 de baixo custo

Este trabalho descreve um estudo e desenvolvimento de um sensor de dióxido de carbono (CO2), de baixo custo, para monitoramento da qualidade do ar em ambientes climatizados. O sensor aqui proposto baseia-se na técnica de absorção em infravermelho não dispersivo (NDIR). Este trabalho avalia alguns métodos já empregados e propõe um modelo alternativo visando uma solução de baixo custo que possa ser incorporada a sistemas de monitoramento e/ou condicionamento existentes, permitindo o controle do teor de CO2. A metodologia inclui o estudo dos diferentes tipos de sensores de CO2, a seleção da técnica mais apropriada para medição, o estudo das alternativas para implementação da técnica selecionada, o desenvolvimento, testes e avaliações da solução. Especificamente desenvolveu-se uma solução em termos de sensor de CO2 que utiliza componentes comerciais, sendo facilmente reprodutível e de custo reduzido. O sensor desenvolvido tem faixa de medição entre 330 a mais de 10000 ppm, com resolução estimada em torno de 20 a 30 ppm, com erro em relação ao padrão menor que 10% da medição ou 150 ppm,o que for maior.

Influência do uso de combustíveis alternativos na síntese por combustão via microondas para a produção de materiais cerâmicos com estrutura espinélio

The development and study of detectors sensitive to flammable combustible and toxic gases at low cost is a crucial technology challenge to enable marketable versions to the market in general. Solid state sensors are attractive for commercial purposes by the strength and lifetime, because it isn t consumed in the reaction with the gas. In parallel, the use of synthesis techniques more viable for the applicability on an industrial scale are more attractive to produce commercial products. In this context ceramics with spinel structure were obtained by microwave-assisted combustion for application to flammable fuel gas detectors. Additionally, alternatives organic-reducers were employed to study the influence of those in the synthesis process and the differences in performance and properties of the powders obtained. The organic- reducers were characterized by Thermogravimetry (TG) and Derivative Thermogravimetry (DTG). After synthesis, the samples were heat treated and characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), analysis by specific area by BET Method and Scanning Electron Microscopy (SEM). Quantification of phases and structural parameters were carried through Rietveld method. The methodology was effective to obtain Ni-Mn mixed oxides. The fuels influenced in obtaining spinel phase and morphology of the samples, however samples calcined at 950 °C there is just the spinel phase in the material regardless of the organic-reducer. Therefore, differences in performance are expected in technological applications when sample equal in phase but with different morphologies are tested

Study and development of UV photodetectors envisaging COMPASS RICH-1 upgrade and applications

COMPASS is an experiment at CERN’s SPS whose goal is to study hadron structure and spectroscopy. The experiment includes a wide acceptance RICH detector, operating since 2001 and subject to a major upgrade of the central region of its photodetectors in 2006. The remaining 75% of the photodetection area are still using MWPCs from the original design, who suffer from limitations in gain due to aging of the photocathodes from ion bombardment and due to ion-induced instabilities. Besides the mentioned limitations, the increased luminosity conditions expected for the upcoming years of the experiment make an upgrade to the remaining detectors pertinent. This upgrade should be accomplished in 2016, using hybrid detectors composed of ThGEMs and MICROMEGAS. This work presents the study, development and characterization of gaseous photon detectors envisaging the foreseen upgrade, and the progress in production and evaluation techniques necessary to reach increasingly larger area detectors with the performances required. It includes reports on the studies performed under particle beam environment of such detectors. MPGD structures can also be used in a variety of other applications, of which nuclear medical imaging is a notorious example. This work includes, additionally, the initial steps in simulating, assembling and characterizing a prototype of a gaseous detector for application as a Compton Camera.

Influência do uso de combustíveis alternativos na síntese por combustão via microondas para a produção de materiais cerâmicos com estrutura espinélio

The development and study of detectors sensitive to flammable combustible and toxic gases at low cost is a crucial technology challenge to enable marketable versions to the market in general. Solid state sensors are attractive for commercial purposes by the strength and lifetime, because it isn t consumed in the reaction with the gas. In parallel, the use of synthesis techniques more viable for the applicability on an industrial scale are more attractive to produce commercial products. In this context ceramics with spinel structure were obtained by microwave-assisted combustion for application to flammable fuel gas detectors. Additionally, alternatives organic-reducers were employed to study the influence of those in the synthesis process and the differences in performance and properties of the powders obtained. The organic- reducers were characterized by Thermogravimetry (TG) and Derivative Thermogravimetry (DTG). After synthesis, the samples were heat treated and characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), analysis by specific area by BET Method and Scanning Electron Microscopy (SEM). Quantification of phases and structural parameters were carried through Rietveld method. The methodology was effective to obtain Ni-Mn mixed oxides. The fuels influenced in obtaining spinel phase and morphology of the samples, however samples calcined at 950 °C there is just the spinel phase in the material regardless of the organic-reducer. Therefore, differences in performance are expected in technological applications when sample equal in phase but with different morphologies are tested

Avaliação de gases efeito estufa na cidade do Rio de Janeiro

O presente trabalho teve como objetivo a validação de uma metodologia de amostragem para GEE Gases do Efeito Estufa, com a utilização de seringas e análise por cromatografia de fase gasosa com múltiplos detectores. O trabalho se dividiu em duas etapas. A primeira etapa consistiu em um teste de estabilidade avaliando o meio de amostragem proposto, a seringa, e comparando-o a dois meios de amostragem convencionais canister e bolsa de teflon -, utilizando uma amostra padrão de GEE. A segunda etapa foi a aplicação desta nova metodologia de amostragem na cidade do Rio de Janeiro, buscando a avaliação da concentração dos GEE em diferentes bairros da cidade e a correlação destas com dados meteorológicos e características da localização dos pontos amostrados. Nestas amostragens realizadas na cidade do Rio de Janeiro obteve-se uma média de 536 ppmv, 2,04 ppmv e 274 ppbv, para o CO2, CH4 e N2O, respectivamente, que foram os GEE analisados. Foi possível neste trabalho verificar o grau de correlação dos GEE estudados com variáveis meteorológicas, bem como com outros poluentes já legislados e participantes de monitoramento contínuo. As conclusões alcançadas foram que a nova metodologia proposta para amostragem de GEE é viável devido ao seu bom desempenho no teste de estabilidade, ao baixo custo do material empregado e à praticidade do mesmo, e que as concentrações dos GEE avaliados na cidade do Rio de Janeiro encontram-se superiores às concentrações indicadas como médias globais para os mesmos. Apontando desta forma, a necessidade de um monitoramento contínuo destes de forma a contribuir para a tomada de ações de mitigação dos GEE

Estudo de Monte Carlo da electroluminescência em detectores gasosos

Uma descrição detalhada do processo de electroluminescência é um prérequisito na optimização de detectores gasosos para sistemas de imagiologia, astrofísica, física de altas energias e experiências de eventos raros. Neste trabalho, é apresentada e caracterizada uma nova e versátil plataforma de simulação da emissão de luz durante a deriva de electrões em gases nobres, desenvolvida usando os programas Magboltz e Garfield. Propriedades intrínsecas da electroluminescência em gases nobres são calculadas e apresentadas em função do campo eléctrico aplicado, nomeadamente eficiências, rendimento e flutuações estatísticas associadas. São obtidos resultados em grande concordância com dados experimentais e simulações Monte Carlo anteriores. A plataforma é usada para determinar as condições óptimas de funcionamento de detectores como o NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) e outros baseados nas micro-estruturas GEM (Gas Electron Multiplier) e MHSP (Micro- Hole & Strip Plate).

Estimação da porcentagem de flúor em alumina fluoretada proveniente de uma planta de tratamento de gases por meio de um sensor virtual neural

As indústrias têm buscado constantemente reduzir gastos operacionais, visando o aumento do lucro e da competitividade. Para alcançar essa meta, são necessários, dentre outros fatores, o projeto e a implantação de novas ferramentas que permitam o acesso às informações relevantes do processo de forma precisa, eficiente e barata. Os sensores virtuais têm sido aplicados cada vez mais nas indústrias. Por ser flexível, ele pode ser adaptado a qualquer tipo de medição, promovendo uma redução de custos operacionais sem comprometer, e em alguns casos até melhorar, a qualidade da informação gerada. Como estão totalmente baseados em software, não estão sujeitos a danos físicos como os sensores reais, além de permitirem uma melhor adaptação a ambientes hostis e de difícil acesso. A razão do sucesso destes tipos de sensores é a utilização de técnicas de inteligência computacional, as quais têm sido usadas na modelagem de vários processos não lineares altamente complexos. Este trabalho tem como objetivo estimar a qualidade da alumina fluoretada proveniente de uma Planta de Tratamento de Gases (PTG), a qual é resultado da adsorção de gases poluentes em alumina virgem, via sensor virtual. O modelo que emula o comportamento de um sensor de qualidade de alumina foi criado através da técnica de inteligência computacional conhecida como Rede Neural Artificial. As motivações deste trabalho consistem em: realizar simulações virtuais, sem comprometer o funcionamento da PTG; tomar decisões mais precisas e não baseada somente na experiência do operador; diagnosticar potenciais problemas, antes que esses interfiram na qualidade da alumina fluoretada; manter o funcionamento do forno de redução de alumínio dentro da normalidade, pois a produção de alumina de baixa qualidade afeta a reação de quebra da molécula que contém este metal. Os benefícios que este projeto trará consistem em: aumentar a eficiência da PTG, produzindo alumina fluoretada de alta qualidade e emitindo menos gases poluentes na atmosfera, além de aumentar o tempo de vida útil do forno de redução.

Caracterização de estruturas de óxido de estanho modificado como sensores de gases

Pós-graduação em Química - IQ