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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.85.2017.tde-05052017-152207
Documento
Autor
Nome completo
Anna Raquel Petri
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Bueno, Carmen Cecília (Presidente)
Koskinas, Marina Fallone
Macchione, Eduardo Luiz Augusto
Mangiarotti, Alessio
Moralles, Mauricio
Título em português
Medidas do primeiro coeficiente de Townsend de ionização em misturas gasosas utilizadas em microdosimetria
Palavras-chave em português
isobutano
metano
mistura gasosa equivalente ao tecido humano mole
n-butano
primeiro coeficiente de Townsend de ionização
Resumo em português
Microdosímetros gasosos geralmente empregam uma mistura gasosa equivalente ao tecido humano mole (Tissue-equivalent Gas TEG), composta de um hidrocarboneto, dióxido de carbono e nitrogênio, de forma que o poder de freamento na mistura e no tecido sejam semelhantes. Entretanto, independentemente do hidrocarboneto adotado, dados tanto teóricos como experimentais do primeiro coeficiente de Townsend de ionização (α) nestas misturas são raros, ainda que a primeira TEG, cujo metano é o gás majoritário, tenha sido proposta em 1956 por Rossi e Failla e continue sendo amplamente utilizada. Neste trabalho, dados do parâmetro α em TEGs baseadas no metano (CH4 64,4%, CO2 32,4% e N2 3,2%) e nos isômeros do butano (C4H10 51,4%, CO2 42,3% e N2 6,3%) são apresentados pela primeira vez em geometria planar para a faixa de campo elétrico normalizado pela densidade do gás (E/N) entre 100 290 Td (1 Td = 10-21 V.m2). O método de medidas adotado baseia-se na técnica de Townsend pulsada, onde o primeiro coeficiente de Townsend pode ser determinando comparando a corrente elétrica no regime de avalanche e a corrente de ionização primária gerada pela incidência de um feixe de laser de nitrogênio em um eletrodo metálico (catodo) de uma câmara de geometria planar, sendo o anodo um eletrodo de alta resistividade (ρ=2×1010Ω.m). O aparato experimental, até então operado apenas em pressão atmosférica, foi modificado para também trabalhar em baixa pressão (120 hPa), de modo a aumentar a faixa de E/N investigada. A validação do método e das alterações do sistema de detecção foi realizada utilizando os três gases componentes das TEGs cujos parâmetros de transporte são amplamente estudados: o nitrogênio, o dióxido de carbono e o metano. Observou-se que o parâmetro na TEG com metano assemelha-se com os valores determinados para o metano puro. Na TEG baseada no isobutano, ele é compatível com o primeiro coeficiente de Townsend do dióxido de carbono para campos acima de 170 Td. Já o parâmetro na mistura com n-butano é intermediário entre os valores obtidos para o dióxido de carbono e o nitrogênio. Os resultados experimentais, disponíveis em forma tabular, foram comparados com os simulados utilizando o programa Magboltz 2, evidenciando boa concordância dentro da incerteza experimental.
Título em inglês
Measurements of the first Townsend ionization coefficient in gaseous mixtures employed in microdosimetry
Palavras-chave em inglês
isobutane
methane
n-butane
tissue-equivalent gas mixture
Townsend first ionization coefficient
Resumo em inglês
Gaseous microdosimeters usually employ a Tissue-equivalent Gas (TEG), made of a hydrocarbon, carbon dioxide and nitrogen, in order to make similar the stopping power in this mixture and in the human soft tissue. Notwithstanding, regardless the chosen hydrocarbon, both theoretical and experimental data on the first Townsend ionization coefficient (α) in this mixtures are rare, even though the first TEG, which methane is the most abundant gas, was proposed in 1956 by Rossi and Failla and it has been widely employed since then. In this work, data on the parameter α in TEGs based on methane (CH4 64.4%, CO2 32.4%, and N2 3.2%) and butanes isomers (C4H10 51.4%, CO2 42.3% e N2 6.3%) are presented for the first time in planar geometry in the gas density-normalized electric field (E/N) range between 100 290 Td (1 Td = 10-21 V.m2). The adopted method is based on the Pulsed Townsend Technique, where the first Townsend coefficient can be determined by comparing the electric current in the avalanche mode and the primary ionization current, produced by an nitrogen laser beam incidence in a metallic electrode (cathode) of a parallel plate chamber, which the anode is a resistive electrode (ρ=2×1010Ω.m). The experimental setup, previously operated only at atmospheric pressure, was adapted to work also at low pressure (120 hPa), in order to increase the investigated E/N range. The validation of both method and detection system modifications was made by employing three TEGs components, nitrogen, carbon dioxide and methane, whose transport parameters are extensively studied. The parameter in the methane-based TEG follows the behavior observed in pure methane. In the isobutane-based TEG, it is compatible with the first Townsend coefficient in carbon dioxide for E/N above 170 Td. The parameter in the n-butane-based TEG lies between the obtained values of in carbon dioxide and nitrogen. The experimental results, included in tabular form, agree with those from Magboltz 2 simulations within the experimental uncertainties.
 
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2017PetriMedidas.pdf (3.03 Mbytes)
Data de Publicação
2017-06-05
 
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