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ACUERDO REGIONAL DE COOPERACIÓN PARA LA PROMOCIÓN DE LA

CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA NUCLEARES EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE.

INFORME TÉCNICO

ELECTROMETRO

Ing. Antonio Ben Hur Pacheco Calcagno. En el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, ININ

México

Montevideo, Uruguay Año 2009

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CONTENIDO Página

0. Dedicatoria. 3 0. 0.

Agradecimientos. Resumen

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1. Prólogo

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2. Esquema de los bloques componentes de un electrómetro convencional.

4

3. Amplificador operacional. 5 3.1. Modo corriente. 5 3.2. Modo carga.

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4. Descripción de funciones del electrómetro CNMC, modelo 11.

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5. Verificación del electrómetros marca CMNC, modelo 11. 9 5.1 Desarrollo teórico y metodología de verificación del electrómetro

CMNC, modelo 11.

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6. Errores. 13 6.1 Exactitud, incertidumbre y resolución.

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7. Especificaciones generales del electrómetro CMNC, modelo 11.

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8. Bibliografía.

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9. Anexos. 18

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0. Dedicatoria. A mi esposa Susana Alicia, compañera de todas las horas. 0. Agradecimientos. Expreso mi reconocimiento al Ing. Pedro Cruz Estrada (ININ) por el estímulo permanente, las sugerencias técnicas y la corrección del trabajo original. Abstract: General considerations in the Calibration of an Electrometer. Key words : Calibration , Electrometer . Resumen: Consideraciones generales en la calibración de un Electrómetro. Palabras clave: Calibración , Electrómetro

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1. Prólogo Cuando estaba realizando estudios de perfeccionamiento en el Instituto Nacional de Investigación Nuclear (ININ, México), en mi pasantía, en el Centro de Metrología y de Radiaciones Ionizantes (CMRI), en el Laboratorio Secundario de Calibración Dosimétrica (LSCD); se me planteo la necesidad de profundizar mis conocimientos acerca de los electrómetros y permitir que la experiencia vivida sea compartida y ampliada por otros técnicos del campo nuclear. Comenté con mi supervisor el Ing. Pedro Cruz, la posibilidad de escribir un reporte del trabajo realizado en el Laboratorio de Electrónica con la Reparación y Calibración de un Electrómetro, quien me alentó a realizar tal objetivo. El desarrollo del presente trabajo es principalmente práctico, y pretende ser un primer vínculo con electrómetro marca CNMC, modelo 11. Además de ser un ejemplo práctico para que otros laboratorios de electrónica en otros países puedan basar sus reparaciones en las experiencias obtenidas en mi pasantía. 2. Esquema de los bloques componentes de un electrómetro convencional. ¿Qué es un electrómetro?. Es un instrumento para medir: corriente eléctrica, carga eléctrica y diferencia potencial. A diferencia de otros instrumentos, las cantidades que miden son muy pequeñas del orden de 1x10-9 a 1x10-12. Hay muchos tipos, abarcando desde los instrumentos hechos a mano (históricos), hasta los dispositivos electrónicos de alta exactitud. Los electrómetros modernos basados en circuito integrados con tecnología de estado sólido, se pueden utilizar para medir corrientes extremadamente pequeñas y en muchos casos por abajo de 1 femtoampere (fA). En la figura 1 se muestra un diagrama a bloques de las partes que integran este tipo de instrumentos.

Fig. 1. Diagrama a bloques de un electrómetro convencional.

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3. Amplificador operacional. El amplificador operacional es un dispositivo que tiene una alta impedancia de entrada y se utiliza en los electrómetros para convertir la corriente o carga eléctrica en una señal de tensión (V). Las corrientes que introducimos están comprendidas entre un 1 nA a 1 pA y las cargas pueden ser de 1nC a 1pC. La figura 2 muestra un ejemplo de un amplificador operacional para medir la corriente eléctrica.

Fig. 2. Amplificador operacional para medir la corriente eléctrica. 3.1. Modo corriente (Electrométrico). La primera pregunta que surge cuando uno utiliza estos instrumentos, es cómo convertir la corriente (I) y la carga (Q) en un voltaje (V). Para responder parcialmente a la pregunta, se emplea un amplificador operacional y se hace uso de la ley de Ohm. El modelo y marca del amplificador dependerá del fabricante del equipo, siendo diferentes las especificaciones para cada uno de ellos. R =? En el modo corriente el electrómetro lo que hace es conmutar una resistencia (R) de un valor muy elevado (1x106 Ω a 1x1012 Ω) y colocarla en la retroalimentación del amplificador operacional. Estas resistencias tienen una exactitud del 1% y son construidas de materiales especiales para alcanzar estos valores de resistencia. Los valores típicos empleadas son: 1MΩ, 100MΩ, 1GΩ, y 1TΩ. Ejemplos. a) Datos : V=1,5V ; I= 1nA R= V/I = 1,5/1*10-9 = 1,5 *109 = 1,5 GΩ b) Datos : V=1,5V ; I= 1pA R= V/I = 1,5/1*10-12 = 1,5 *1012 = 1,5 TΩ

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Otra característica muy importante de estos equipos, es que estas resistencias no se montan sobre el circuito impreso y normalmente se emplean postes de teflón para su conexión. El objetivo de esto, es evitar el contacto con materiales de menor resistencia que pueda afectar el valor original de la resistencia. ¿Donde están ubicadas por lo general estas resistencias?. La forma más práctica de individualizarlas, es desde la entrada del electrómetro, donde se conecta la cámara de ionización, es decir los conectores BNC. O bien, dentro de una caja de aluminio, para evitar su contaminación con polvo o pelusas del medio ambiente. Ver figura 3.

Fig. 3. Vista interna de un electrómetro. Estas resistencias no se deben tocar con las manos, pues la suciedad (grasa propia del curpo) puede alterar su valor real de resistencia y además puede dar un camino de pérdida por corrientes de fuga. Generalmente las resistencias y condensadores se encuentran alojadas dentro de una caja de aluminio (ver figura 3). La cual tiene varias funciones: evitar problemas de suciedad, oficiar como jaula de Faraday evitar corrientes parásitas producto del ruido electromagnético externo, etc. Las resistencias y condensadores se conectan automáticamente por relevadores, ubicados dentro de la caja de aluminio. 3.2. Modo carga (capacitor ). Modo carga Q. C ? En el modo carga el electrómetro lo que hace es conmutar un capacitor (C) y colocarlo en la retroalimentación del amplificador operacional, en la figura 4 se puede apreciar esta conexión. Estos condensadores son de poliéster, que tienen una corriente de fuga

Caja de aluminio

Conector triaxial

Fuente de alta tensión

Maxim 7663 Maxim 7663

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muy pequeña. Los condensadores de poliéster son ampliamente utilizados en los electrómetros, dado que entre sus características más importantes se encuentra una gran resistencia de aislamiento que le permite conservar la carga por largos periodos de tiempo, un volumen reducido y un excelente comportamiento frente a la humedad y a las variaciones de temperatura. Adicionalmente, en caso de que un exceso de tensión los perfore, el metal se vaporiza en una pequeña zona rodeando la perforación evitando el corto circuito, lo que permite seguir funcionando, fenómeno conocido como autoregeneración o autoreparación. Los materiales más utilizados en la construcción de estos condensadores son el poliestireno (stryroflex), el poliéster (mylar), el policarbonato (Macrofol) y el polietetrafluoretileno (conocido comercialmente como teflón). Se fabrican con capacidades desde 1 nF a 100 µF y tensiones desde 25 V a 4000 V. Fuente Ing. Ariel Palazzesi.

Fig. 4. Amplificador operacional para medir la carga eléctrica. Ejemplos. a) Datos : V=1,5V ; Q= 1nC Q = C*V C = Q/V = 1nC/1,5V = 0,66 *10-9 F = 0,66 nF Nota: los intervalos de medición que dispondrá cada equipo, determinarán los valores de los condensadores (C) y las resistencias (R).

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4. Descripción de funciones del electrómetro CMNC, modelo 11.

Fig. 5. Electrómetro marca CMNC, modelo 11. 4.1. Funciones del panel frontal y posterior. Las funciones de este electrómetro se muestran en la figura 5 y son descritas en detalle en los siguientes párrafos. 4.1.1 Salida analógica. Estas terminales están ubicadas en la parte posterior del equipo e identificados por los colores rojo y negro (Analog Out). La salida analógica, se toma directamente de la salida del amplificador y no sirve para chequear el voltaje de salida, el OFF-SET y el cero del amplificador. Normalmente el amplificador operacional debe dar una lectura de cero volts, lo que indica que el amplificador opera correctamente. 4.1.2. Zero. Es un potenciómetro que sirve para ajustar el cero del electrómetro, por lo que éste se tiene que ajustar antes de efectuar alguna medición. Cuando el equipo muestra ceros en el indicador, después de haberse ajustado, la salida analógica también debe indicar cero volts, este potenciómetro es externo a la circuitería del equipo 4.1.3. Hold. Este botón sirve para detener o fijar la lectura del electrómetro, normalmente se utiliza en modo carga y cuando se está haciendo una integración en un periodo de tiempo. Este tiempo puede ser determinado por un cronómetro. 4.1.4 Range. Este botón sirve para seleccionar el rango de medición. En modo corriente puede ser: 20 nA o 200 nA y en modo carga puede ser: 20 nC o 200 nC. En ambos casos, se puede observar el desplazamiento del punto decimal. 4.1.5. Perilla selectora.

a) Batt. Cuando se selecciona esta opción, el indicador muestra el valor del voltaje de las baterías o del eliminador de voltaje.

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b) Bias. Cuando se selecciona esta opción el indicador muestra el voltaje que se aplica a la cámara de ionización, a través del conector triaxial. La polaridad de esta fuente de alta tensión (AT), va a depender de la posición del selector que se encuentra en la parte posterior del electrómetro.

c) nC. Cuando se selecciona esta opción, el electrómetro se configura para medir

carga eléctrica (modo carga ointegración).

d) nA. Cuando se selecciona esta opción, el electrómetro se configura para medir corriente eléctrica, suministrada por la cámara de ionización.

4.1.6. Conector triaxial (INPUT TRIAXIAL). Es un conector tipo BNC que se encuentra en la parte posterior del electrómetro y sirve para conectar la cámara de ionización. A diferencia de los conectores normales, este conector triaxial tiene tres puntos de conexión: tierra, gurda y señal para medir la corriente eléctrica. 5. Verificación del electrómetro marca CMNC, modelo 11. En el Laboratorio de Electrónica del ININ, bajo la supervisión del Ing. Cruz Estrada, se desarrolló el esquema a bloques de las etapas que conforman un electrómetro convencional (ver figura 1). Además de estudiar las funciones de cada una de ellas y los circuitos más comúnmente utilizados. Esto con la finalidad de llevar a cabo el diagnóstico del electrómetro marca CMNC, modelo 11, el cual no enciende y se requiere verificar sus lecturas en modo carga y corriente 5.1. Desarrollo teórico y metodología de verificación del electrómetro CMNC, modelo 11. El instrumento ingresa al Laboratorio por no ofrecer lecturas en el display, por lo que se desarrollo la siguiente metodología de diagnóstico y basados en la forma de operar de un electrómetro convencional. Los trabajos de verificación del electrómetro comenzaron con lo siguiente:

1- Energización del electrómetro, sustituyendo la batería con una fuente de alimentación de 12 V. Esta conexión se hace en el compartimiento de las baterías.

2- Verificación de la salida de alimentación de los circuitos integrados que utiliza

como reguladores de voltaje de 5 V (Maxin 7663). En el primer circuito, este voltaje es muy importante porque alimenta a todos los circuitos TTL y el segundo circuito, alimenta el módulo de AT para polarizar la cámara de ionización.

3- Se encontró que los dos reguladores que entregan el voltaje de 5 V no dan el

voltaje correspondiente, por lo que se deduce que estos circuitos están dañados y es necesario cambiarlos para corregir el problema en el electrómetro.

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4- Se cambiaron los integrados Maxin 7663, pertenecientes al sistema regulador de voltaje TTL y AT.

5- Se probó el electrómetro y éste encendió correctamente. En el anexo 1, se

muestra el informe que se realizó para esta actividad. Trabajos adicionales una vez corregida la falla.

1. Verificación de la AT en el módulo mostrado en la figura 3. En la parte inferior del circuito impreso está indicada la salida de AT. Para llevar a cabo esta medición se recomienda hacer uso de una punta de alta tensión como la mostrada en la figura 6, con la finalidad de no dañar la fuente de AT por sobre carga.

Fig. 6. Punta de alta tensión.

En la parte posterior del electrómetro tenemos una llave selectora del “Thimble Bias”, que selecciona el voltaje de salida de la fuente de AT, de acuerdo a los esquemas mostrados en la figura 7.

Fig. 7. Alta tensión aplicada a la cámara de ionización.

Se midió con la punta de alto voltaje Fluke, en el conector “INPUT Triax” y los resultados obtenidos son los siguientes:

• + 50 % → 93 V • +100 % → 182 V • OFF → 0 V

PAT (Punta de alta tensión)

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• -100 % → -186 V • -50 % → - 93 V

Nota: Los fabricantes en algunos diseños no toman como tierra la masa del conector Triaxial, esto implica que los voltajes pueden ser inversos a los indicados en este reporte.

2. Mantenimiento preventivo.

Limpieza en el circuito impreso y sus componentes. Durante esta actividad es muy importante no mojar los relevadores que se encuentra en la parte del electrómetro (caja de aluminio), porque se puede dañar el barniz de la bobina y además borrar su identificación. Sopletear con aire limpio los circuitos impresos, para eliminar el alcohol y residuos de humedad.

3. Revisión de conector triaxial.

Revisar la conexión triaxial (INPUT) mediante un multímetro y haciendo uso de la opción de continuidad en su forma sonora. Así como el estado de limpieza interna del conector, ya que esto evitará que la corriente de fuga en el electrómetro sea grande.

4. Verificación con una fuente de corriente.

a) Cuando hacemos la verificación con fuente de corriente, la llave selectora de “Thimble BIAS”, es necesario colocarla en OFF, lo que implica que no hay tensión en el conector triaxial.

b) Con el capuchón colocado en el conector triaxial y seleccionado la función

corriente (nA), se ajusta el cero del electrómetro con la perilla “ZERO”.

c) Haciendo uso de un cable triaxial, se conectar el electrómetro y la fuente de

corriente como se muestra en la figura 8. En este caso no se puede utilizar la fuente de corriente ARCAL-01, porque la corriente que genera es muy pequeña (hasta 100 pA) y el electrómetro sólo mide corrientes del orden de nA. En este caso se utilizó la fuente de calibración marca Keithley, modelo 263. Los resultados obtenidos fueron los siguientes.

Fig. 8. Conexión del electrómetro con una fuente de corriente.

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d) Prueba para el modo corriente (nA).

A tales efectos confeccionamos planilla y realizamos dos lecturas de polaridad.

Intervalo Lectura patrón Lectura instrumento Error

0-20 nA 2,0000 nA 10,000 nA 18,000 nA

-1,725 nA -9,675 nA -17,352 nA

-0,275 -0,325 -0,648

20 – 200 nA 20,000 nA 100,00 nA 180,00 nA

-19,96 nA -99,96 nA -177,81 nA

-0,04 -0,04 -2,19

Intervalo Lectura patrón Lectura instrumento Error

0-20 nA -2,0000 nA -10,000 nA -18,000 nA

2,23 nA 10,340 nA 18,500 nA

0,23 0,34 0,5

20 – 200 nA -20,000 nA -100,00 nA -180,00 nA

20,04 nA 100,66 nA 181,18 nA

0,04 0,66 1,18

d) Prueba para el modo carga (nC). A tales efectos confeccionamos planilla y realizamos dos lecturas de polaridad.

Intervalo Lectura patrón Lectura instrumento Error

0-20 nC 2,000 nC 10,000 nC 18,000 nC

-1,739 nC -9,763 nC -17,748 nC

-0,261 -0,237 -0,252

20 – 200 nC 20,000 nC 100,000 nC 180,000 nC

-19,97 nC -100,03 nC -180,14 nC

-0,03 0,03 0,14

Intervalo Lectura patrón Lectura instrumento Error

0-20 nA -2,000 nC -10,000 nC -18,000 nC

2,248 nC 10,307 nC 18,352 nC

0,248 0,307 0,352

20 – 200 nA -20,000 nC -100,000 nC -180,000 nC

20,05 nC 100,52 nC 180,89 nC

0,05 0,52 0,89

El electrómetro tiene una indicación de polaridades positivas y negativas en su perilla selectora “THIMBLE BIAS”, por lo que debemos realizar ambas mediciones. Este fenómeno se puede apreciar en la figura 7.

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5. Prueba de fuga.

La corriente de fuga es una corriente no deseada, que se genera por suciedad o mala calidad en los aislantes utilizados, por lo que esta prueba significa medir la corriente de fuga no deseada en el instrumento. Para realizar la preba, se aplica el siguiente procedimiento:

a) Aplicar al electrómetro una carga eléctrica con la fuente de corriente o carga. b) Desconectar la fuente de corriente o carga y colocar el capuchón en el conector

BNC triaxial del electrómetro. c) Anotar la lectura mostrada en el display del electrómetro, este valor que

corresponde a Q1. Q1 = -100,47 nC, lectura inicial del display del electrómetro.

d) Activar el cronómetro para medir el tiempo que durará la prueba. e) Esperar cinco minutos y detener el cronómetro, el valor obtenido corresponde a

t. Cronometro, tiempo real t = 5.0034 minutos, debemos pasar esta unidad a segundos.

f) Tomar la lectura del display, una vez detenido el cronómetro, este valor corresponde a Q2. Q2 = -100,32 nC, lectura final del display del electrómetro.

g) Con los valores obtenidos realizar los siguientes cálculos para obtener la corriente de fuga (I fuga).

Cálculo de la I de fuga. I fuga = (Q1 – Q2)/t = [C] – [C] / [ S ] = (-100,47 nC- (-100,32 nC))/5,0034 *60 s = 0,15 nC/5,0034 *60 s = 4,99 *10 -13 A = 0,4 10 -12 A = 0,4pA Notas: 1. De acuerdo a una norma inglesa la fuga del electrómetro debe ser menor a

15x10-15 A (15 fA). 2. Debo aceptar el valor como aceptable, dada la calidad del instrumento y

además por no contar con sus especificaciones. 3. Normalmente el fabricante del electrómetro indica el valor de corriente de

fuga en las especificaciones técnicas. 6.Errores. Para conocer la desviación de un equipo de medición respecto a un valor de referencia, se utiliza el error y puede ser de dos tipos:

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Error absoluto = Lectura del instrumento-Lectura del patrón (valor de referencia)

Error relativo = (Lectura del instrumento-Lectura del patrón)/Lectura del patrón. Conceptos generales.

- Calibración es la comparación contra un equipo de referencia. - Verificación es la comprobación de funcionamiento. - Corrección es el ajuste del instrumento.

6.1- Exactitud, incertidumbre y resolución. La exactitud (accuracy), incertidumbre (uncertainty) y resolución, son datos que todos los instrumentos de medición muestran en sus especificaciones. Por esta razón es importante saber interpretar estos datos y aplicarlo a las mediciones que realizamos con el instrumento. Por ejemplo el fabricante nos dice en sus especificaciones que el equipo tiene la siguiente incertidumbre. Luego entonces, ¿cómo se interpreta esta expresión matemática?. U = ±(0,1% Lectura+ 1 dígito) La expresión nos muestra un dígito, cuyo valor para utilizarlo en unidades del instrumento (volts, ampere, etc.) es necesario convertirlo. Para realizar esto es necesario multiplicar 1 dígito por la resolución. La resolución del equipo es la mínima lectura que puede leer. Ejemplos de resolución: 127,23 V, 179,24 nC, 23,25 0C En los tres casos se miden diferentes magnitudes, pero los tres instrumentos tienen la misma resolución que es de 0,01 2,0000000 V, 1,9999999 V, 1,0000098 V En este caso es el mismo instrumento con diferentes valores de tensión, cuya resolución es de 0,0000001 V Ahora bien, si tenemos que el electrómetro tiene una resolución de 0,001 nA y vamos a trabajar en el intervalo de 20 nA. Calcular la incertidumbre para el punto de 2 nA. U = ±(0,1% Lectura + 1 dígito) U = ± ((0.1%*2nA/100%) + (1*0,001nA) = ± 0,003 nA Esto indicaría que la lectura sería:

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1,997 nA 2nA ± U = 2nA ± 0,003 nA 2,003 nA 7. Especificaciones generales del Electrómetro CMNC, modelo 11. Precision Dosimeter/Electrometer Radiation Physics Model 11 Precision Dosimeter/Electrometer • A superb performer - best value • 4½-digit LCD display • May be custom preset • Internal electronic bias: full, half & reverse polarity • Powered by rechargeable battery The CNMC Model 11 is a high quality, compact and affordable dosimeter/electrometer that can meet the needs of most mammography, radiology and therapy applications. The units of measurement can be preset at the factory to traditional (R, R/min), SI (cGy, cGy/min), and electrical (nC and nA). Input connector can be either BNC or TNC. A unique simple design eliminates many of the current leakage problems associated with complicated electrometers. Bias power supply is electronic, and the unit is powered by an internal rechargeable battery. cnmc company, inc. 2817-B Lebanon Rd., Nashville, TN 37214 tel. (615) 391-3076 fax (615) 885-0285 order desk: 800-635-2662 The CNMC Model 11 dosimeter/electrometer meets or exceeds recommendations of AAPM ADCL’s and possesses features found in electrometers cost- ing far more. The pricing of this electrometer is such that even when packaged with a Farmer ion chamber, it com- pares very favorably with the cost of a Sr-90 constancy check source. The added benefit of comparing your dosimetry system against a second electrometer/ chamber set is the convenience of having a back-up system. Leakage: < 5x10-14 A Temp. stability: 20ppm/°C Warm-up time: 15 minutes Input: triaxial BNC (TNC optional)

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Output: analog, 2V corresponds to full scale Bias: internal electronic bias supply 300V, -50%, -100%, off, +100%, +50% selectable on back panel. bias voltage may be read on display. 400V bias potential also available Power: internal rechargeable 12V gel-cell battery. voltage may be read on display. low battery indicator on front panel. 120VAC UL listed adapter provided. Dimensions: 21cm wide x 22.9cm deep x 8.25cm high (8.25 in x 9 in x 3.25 in) Weight: 1.7 kg (3.75 lb) Specifications Display: 4½-digit LCD Dual range: factory set for radiation therapy or diagnostic radiology Units: factory set for R and R/min, cGy and cGy/min, or nC and nA Accuracy: ±0.1% of reading, +1 digit Linearity: ±0.1%, +1 digit or precision of reading, whichever is greater Application Units Low High Therapy nC, nA 0.001 - 19.999 00.01 - 199.99 (optional) R, R/min 00.01 - 199.99 000.1 - 1999.9 LDR nC, nA .0001 - 1.9999 0.001 - 19.999 Diagnostic R, R/min .0001 - 1.9999 0.001 - 19.999

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8. Bibliografía. 1. User manual, calibration source Keithley model 263, Ed. 1997. 2. Guía BIMP/ISO para la expresión de incertidumbre de las mediciones, reporte técnico CNM-MED-PT-002, CENAM, Ed. 1994. 3. Guía para estimar la incertidumbre de la medición, Wolfgang A. Schimid, Ruben Lazos Martínez, CENAM, Ed. 2004. 4. Procedimiento: Mantenimiento correctivo a equipos medidores de radiación, Pedro Cruz E., ININ. 2000. 5. Procedimiento: Calibración de electrómetros, Pedro Cruz E., ININ, 2006.

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9. Anexos.

ANEXO 1 INFORME TÉCNICO DE LA REPARACIÓN DEL ELECTRÓMETRO CMNC,

MODELO 11

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ANEXO 2

INFORME DE CALIBRACIÓN DEL ELECTRÓMETRO CMNC, MODELO 11

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