Determinação da influência da rastreabilidade da grandeza tempo nas medidas em radiações ionizantes.

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1 Determinação da influência da rastreabilidade da grandeza tempo nas medidas em radiações ionizantes. Bruno Jordão 1,2, José Guilherme P. Peixoto 2. 1 Laboratório Primário em Tempo e Frequência (LPTF) do Observatório Nacional (ON) - Rio de Janeiro, Brasil. 2 Laboratório Nacional em Metrologia das Radiações Ionizantes (LNMRI) do Instituto das Radioproteção e Dosimetria (IRD) - Rio de Janeiro, Brasil. bjordan@on.br Resumo: Nos laboratórios de metrologia, sistemas e metodologias são desenvolvidos a fim de fornecer ao cliente resultados confiáveis nos serviços prestados. Isso obriga o laboratório a caracterizar as fontes de incerteza presente em seu sistema. Uma das fontes que influenciam na medição é o tempo. Programas desenvolvidos para serem utilizados em calibrações de câmaras de ionizações necessitam do tempo para realizarem coletas de carga em intervalos de tempo preestabelecidos. Para isso, o computador deve ser calibrado. Propomos apresentar neste trabalho o desenvolvimento de um dispositivo utilizado na calibração e a calibração do computador utilizando o método totalizador e diferença de PPS. Palavras-chave: Calibração; Base de tempo do computador; Dispositivo; Laboratório; Grandeza tempo. Abstract: In metrology laboratories, systems and methodologies are developed in order to provide the client with reliable results in the services provided. This forces the laboratory to characterize the sources of uncertainty present in your system. One of the sources that influence measurement is time. Programs developed to be used in ionization chamber calibrations need time to perform load collections at preestablished time intervals. To do this, the computer must be calibrated. We propose to present in this work the development of a device used in the calibration and calibration of the computer using the totalizer method and PPS difference. Keywords: Calibration; Computer time base; Device; Laboratory; Greatness time. 1

2 1. INTRODUÇÃO A dosimetria de referência da radiação ionizante é baseada na calibração de instrumentos de medida utilizados em laboratórios, hospitais, clínicas, inspeções entre outros. [1] A calibração desses instrumentos deve ser realizada de modo apresentar resultados com sua incerteza associada. Tempo e frequência sempre foi uma das grandezas utilizadas em laboratório de metrologia. Os relógios dos computadores normalmente são utilizados como referência a medidas que necessitam do tempo. Para Lombardi [2], computadores possuem dois relógios que trabalham independentes que são chamados de relógios operacionais (software) e relógio do sistema (hardware). Relógio operacional é responsável pela manutenção da informação temporal durante o funcionamento normal do computador. Quando o computador é desligado, o relógio do sistema passa a ser responsável pela manutenção das horas. Quando o computador é inicializado, o sistema operacional ajusta a hora do relógio operacional tomando como base o tempo atual do relógio do sistema. [3] O oscilador que quartzo é o componente responsável pela base de tempo do relógio de sistema. Sua frequência nominal de oscilação é de KHz. Programas desenvolvidos para serem utilizados em laboratórios de metrologia, como no caso das radiações ionizantes, são empregados em sistemas automáticos de medição. Coletas de dados, abertura e fechamento de obturadores em equipamentos de raios-x, etc. necessitam que o tempo seja preciso. O intervalo de tempo ao coletar a carga elétrica da câmara de ionização em uma calibração deve ser invariável, ou seja, caso se decida em estipular o intervalo de 10 s, todos os dados devem ter esse mesmo intervalo. Mas como a base de tempo do computador não é muito preciso, deve-se estimar a sua incerteza. Isso garantirá que, laboratório de metrologia das radiações ionizantes forneça resultados confiáveis e reprodutíveis [4] assegurando a rastreabilidade. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Grandeza tempo nas radiações ionizantes Corrente de fuga Na ausência da radiação, a câmara de ionização junto com eletrômetro produz uma corrente elétrica que chamamos de corrente de fuga. Essa corrente é produzida devido a vários fatores, entre eles estão à alta umidade ambiental, problemas na haste ou no eletrômetro. Para determinação dessa corrente, realizam-se medidas antes e após a radiação da câmara de ionização. [5] A equação matemática para determinação da corrente de fuga é: (1) 2

3 onde o é a corrente elétrica gerada a partir da taxa de variação da carga em relação a taxa de variação do tempo. Sua unidade de medida é o Tempo de abertura e fechamento do obturador A norma ISO : 1997 diz que o tempo total do mecanismo que faz o obturador abrir e fechar em geradores de raio X constitui uma fonte de incerteza que não pode ser desprezada [6] e propõe uma correção através da equação 2. (2) onde temos o como sendo o tempo perdido a cada ciclo de abertura / fechamento do obturador, o que é o tempo total de irradiação única, a leitura após irradiação única de duração nominal, o número de irradiação fracionada, e o que é a somatória de leituras de duração nominal ; 2.2. Caracterização de um padrão de referência Em se tratando de padrão de referência, duas principais características devem ser observadas: exatidão e precisão. Essas características demostrarão o desempenho do padrão. [7] A exatidão, segundo o VIM, é o grau de concordância entre o valor medido e um valor verdadeiro do mensurando [8], ou seja, para o valor de frequência, é o quão bem a frequência medida corresponde à frequência do padrão de referência. A precisão, que se refere a estabilidade está relacionada a reprodutibilidade da frequência medida em um determinado intervalo de tempo. O sinal senoidal fornecido pela saída de um gerador apresenta forma senoidal e variação de tensão ao longo do tempo. A tensão instantânea do sinal do gerador pode ser descrita como na equação 3. [9] ( ) ( ( )) ( ( )) (3) onde se refere ao valor nominal de amplitude e é o valor nominal da frequência Desvio de frequência e estabilidade Desvio de frequência (offset) Em uma calibração de frequência, teoricamente o padrão deve fornecer a frequência para qual foi projetado. Por exemplo, um padrão foi projetado para fornecer um sinal a uma frequência de 10 MHz. Espera-se que em sua saída seja verificada o sinal com essa frequência, mas na prática observa-se valor de frequência um pouco diferente em relação ao indicado pelo fabricante. Após a calibração desse padrão, poderemos declarar seu valor de offset de frequência e, associado a esse valo, a sua incerteza. [10] Para obter o valor de offset do sinal de frequência de um padrão deve-se compará-lo ao sinal de frequência de um padrão de referência, ou seja, comparam as fases entre as duas frequências. Atualmente, vários métodos são utilizados para essa comparação. 3

4 No momento em que se conhece o desvio de fase e o período utilizado para a medição da comparação, é possível estimar o offset (desvio) da frequência do equipamento. Isso se dá a partir da equação 4. [10] ( ) (4) onde é a quantidade de desvio de fase e T é o período de medição: Estabilidade de frequência Estimar a estabilidade de um sinal no domínio do tempo é obter as medidas de offset de frequência de um conjunto de dados. Através dos dados obtidos, determina-se a dispersão. Como os dados não são estacionários, não deve ser utilizado à estatística clássica como desvio padrão (ou variância, o quadrado do desvio padrão). [11] É por isso que a estatística não clássica é utilizada para estimar a estabilidade. Chamamos esta estatística de Variância de Allan ou Desvio de Allan. O desvio de Allan é utilizado pelos fabricantes de padrões de frequência como uma especificação padrão para estabilidade. A equação 5 representa o desvio de Allan. [12,13] ( ) ( ) ( ) (5) onde é o número de valores na série e os dados são igualmente espaçados em segmentos τ segundos de duração. 3. MATERIAIS E MÉTODOS - Padrão de Frequência Primário de Césio: Marca Agilent Technologies, modelo HP5071A que possui, na parte posterior, duas saídas denominadas de Port 1 e Port 2 que podem ser configuradas, via comando no terminal IHM na parte frontal, as frequências de 5 MHz ou 10 MHz, duas saídas de frequência, uma de 1 MHz e outra de 100 KHz, duas saídas de 1 PPS com nível TTL de aproximadamente 5 Volts e uma saída de Status. Possui uma entrada de sincronismo. - Contador Universal: Marca Hewlett Packard, modelo 5335A que possui dois canais de entrada CANAL A e CANAL B, um ranger para acoplamento DC de 0 a 100 MHz, 1 M ohms de 30 Hz a 100 MHz e 50 ohms de 200 Hz a 100 MHz. Resolução de 1 ns. - Dispositivo de PPS: Utilizando microcontrolador ATMEGA 328P fabricado pela ATMEL embarcado na placa Arduíno, foi desenvolvido um dispositivo eletrônico, conhecido com dispositivo de PPS DPPS. 4

5 - Dispositivo de Intervalo de Tempo: Utilizando microcontrolador ATMEGA 328P fabricado pela ATMEL embarcado na placa Arduíno, foi desenvolvido um segundo dispositivo eletrônico, conhecido com dispositivo de intervalo de tempo DIT 4. RESULTADOS 4.1. Calibração do computador pelo método Diferença de PPS O gráfico 1 se refere à estabilidade da frequência do computador ao longo de 5 dias de aquisição quando comparados com um padrão de referência. O gráfico foi plotado no Stable 32. Gráfico 1 - Estabilidade de frequência dos dados obtidos pelo método de Diferença de PPS para o computador. Os desvios de Allan ( ( )) com seus respectivos intervalos de tempo ( ) para os dados do computador são exibidos no próprio gráfico. 5

6 Também foram plotados, no Excel, os gráficos 2, 3 e 4, de diferença de PPS ( ), fase e frequência, respectivamente. Gráfico 2 - Diferença de PPS entre o padrão de referência T130 e o PC com a taxa de amostragem de 1 amostra por minuto ( ). Gráfico 3 - Desvio de fase obtidos através do método de diferença de PPS com os dados de fase de 1 PPS. 6

7 Gráfico 4 - Desvio de frequência obtidos através do método diferença de PPS com os dados de fase de 1 PPS. A tabela 2 mostra o valor final de offset do computador com sua incerteza associada utilizando os dois métodos. Tabela 1 - Offset do tempo do computador com sua incerteza associada. Método Média Graus de lib. Fator de Incerteza (s.s -1 ) Efetiva ( ) Abrangência (k) Expandida (u) Totalizador 10,91 E ,0 0,11E-06 Diferença de PPS 10,98 E-06 >1000 2,0 0,06E CONCLUSÃO Esse trabalho apresentou uma metodologia para avaliação da incerteza da base de tempo de computadores utilizados em laboratórios de metrologia das radiações ionizantes e o desenvolvimento do dispositivo microcontrolado utilizado no método de diferença de PPS. A rastreabilidade nesse sistema de medição foi assegurada, uma vez que o tempo transcorrido do computador foi comparado com o tempo transcorrido em um contador referenciado a um padrão. De acordo com a tabela 2, o offset do computador utilizando os dois métodos são (10,91±0,11) E- 06 e (10,98±0,06) E-06, considerando o fator de abrangência k=2,0, ou seja, em média, (0,95±0,01) s por dia. Portanto, esse trabalho de pesquisa mostrou que existe a possibilidade de se utilizar a grandeza tempo, obtida pela base de tempo do computador, como uma referência de medição caso não necessite de uma referência muito precisa. 7

8 7. REFERÊNCIAS [1] Jordão, B. O.; Quaresma, D. S.; Peixoto, J. G. P. The quantity time relation in the ionizing radiations. In: Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, p [2] Lombardi, M. A. Computer time synchronization. National Institute of Standards and Technology, p. 1-2, [3] Dias, J. S.; Custódio, R. F.; Demétrio, D. B. Sincronização Segura de Relógio para Documentos Eletrônicos., In: Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, 2003, Natal - RN. SBRC 2003, v.2. p [4] Peixoto, J. G. P. et al Ionizing Radiatio Metrology, CBMRI, Instituto de Radioproteção e Dosimetria, 2016, Rio de Janeiro, RJ; [5] Costa, A. M.; Caldas, L. V. E. Desempenho de uma câmara de ionização especial para controle da qualidade em radioterapia. In: Encontro Nacional de Aplicações Nucleares, , Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro : ABEN, CD-ROM. [6] Betti, F. Desenvolvimento e Implantação de um Programa de Controle e Aquisição de Dados na Calibração de Instrumentos em Radiodiagnóstico Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo. [7] Muller, S. T.. Padrão de frequência compacto Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo. [8] Filipe, E. et al. Vocabulário Internacional de Metrologia - Conceitos fundamentais e gerais e termos associados (VIM 2012) - 1ª edição luso-brasileira, autorizada pelo BIPM, da 3ª edição internacional do VIM-International Vocabulary of Metrology. Rio de Janeiro, [9] Magalhães, D. V. Desenvolvimento de uma fountain atômica para utilização como padrão primário de tempo Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo. [10] Lombardi, M. A. An introduction to frequency calibrations. Cal Lab Int. J. Metrology, p , [11] Lombardi, M. A. NIST Frequency Measurement and Analysis System: Operator's Manual. US Department of Commerce, Technology Administration, National Institute of Standards and Technology, [12] Kronenberg, J. L. M. Contribuições para o Fortalecimento do Laboratório Nacional Brasileiro de Metrologia de Tempo e Frequência - Dissertação de mestrado no Programa de Pósgraduação em Metrologia do Centro Técnico Científico da Pontifícia Universidade Católico PUC; Rio de Janeiro, [13] Marques, H. A.S. Modelo estocástico para dados GNSS e séries temporais de coordenadas GNSS