ISSN 1983-1544 (impresso)
Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
São José dos Campos – SP
2014
Volume 7 – mai/2013-jun/2014
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
i
© 2014 Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Qualquer parte desta publicação pode ser reproduzida, desde que citada a fonte.
A publicação inclui os trabalhos apresentados no XIV Workshop Anual de Pesquisa e
Desenvolvimento do IEAv
Publicado por:
Instituto de Estudos Avançados
Endereço:
o
Trevo Coronel Aviador José Alberto Albano do Amarante, n 1, Putim
CEP - 12.228-001, São José dos Campos, São Paulo, Brasil
Tel. (12) 3947-5360
Fax. (12) 3944-1177
www.ieav.cta.br
Informações adicionais sobre o IEAv podem ser obtidas com a Coordenadoria de Comunicação Social –
CCS. Tel. (12) 3947-5360. [email protected]
Editores:
Giannino Ponchio Camillo
Dermeval Carinhana Junior
Angelo Passaro
João Marcos Salvi Sakamoto
Todas as imagens utilizadas na ilustração desta publicação foram gentilmente cedidas pelos seus autores.
Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento – Instituto de Estudos Avançados – IEAv.
-- vol.7 (mai/2013-jun/2014). -- São José dos Campos : IEAv, 2008-
Anual
ISSN 1983-1544
Inclui: Anais do XIV Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv
1. Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação. 2. Aerotermodinâmica e Hipersônica. 3. Geointeligência.
4. Lasers, Óptica e Aplicações. 5. Sensores e Atuadores. 6. Tecnologia Nuclear Aplicada. 7. Física Aplicada
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Direção
Cel Av Maurício Pozzobon Martins
Diretor
Ten Cel Av Roberto da Cunha Follador
Vice-Diretor
Ten Cel Av Marcelo José Perez Monteiro
Subdiretoria de Administração
Dr. Osvaldo Catsumi Imamura
Subdiretoria Técnica
Comissão Assessora de Pesquisa e Desenvolvimento – CAPD
Dr. João Marcos Salvi Sakamoto (EFO) - Presidente
Dr. Orlando Roberto Neto (EAH) - Relator
Me. Camila Souza dos Anjos (EGI)
Dr. Francisco Eduardo de Carvalho (EFA)
Giannino Ponchio Camillo, 1º Ten Eng (EAH)
Dr. Gustavo Soares Vieira (EFA)
Dr. Hugo Leonardo Rocha de Lira, Cap Eng (EFO)
Dr. Jaime Anaf (ENU)
Dr. João José de Farias Neto (EGI)
Dra. Raquel Martins Villela Nunes (ENU)
Comissão Organizadora do WAI
Giannino Ponchio Camillo - Coordenador
Dr. Orlando Roberto Neto
Dra. Raquel Martins Villela Nunes
Dr. Luis Carlos Ogando Dacal
Revisores Científicos
Dr. Alexandre David Caldeira
Dr. Dermeval Carinhana Junior
Dr. Luiz Gilberto Barreta
Dr. Marcelo Geraldo Destro
Dra. Maria Esther Sbampato
Dra. Maria José Pinto Lamosa
Dra. Mônica Maria De Marchi
Dra. Nancy Mieko Abe
Dra. Vera Lúcia Othero de Brito
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iv
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Sumário
Volume 7 – mai/2013 - jun/2014
Apresentação
Instituto de Estudos Avançados
9
11
Missão, Visão
12
Palavras do diretor
13
Organograma
14
Linhas de pesquisa do IEAv
15
Infraestrutura laboratorial
19
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica
20
Divisão de Física Aplicada
21
Divisão de Fotônica
23
Divisão de Geointeligência
26
Divisão de Energia Nuclear
28
Recursos Humanos
Quadro de funcionários
Grupos de Pesquisa certificados pelo IEAv junto ao CNPq
30
31
33
Aerotermodinâmica e Hipersônica
34
Apoio à Decisão
36
Efeitos da Radiação Ionizante em Dispositivos e Materiais de Uso Aeroespacial
38
Engenharia Virtual
40
Fotônica em Silício
42
Lasers e Aplicações
44
Óptica Aplicada
46
Sensores a Fibra Óptica
48
Sensoriamento Remoto
50
Sistemas Eletromagnéticos
52
Tecnologia Nuclear Espacial
54
Teoria de Transporte de Partículas
56
Termo-Hidráulica
58
Projetos do IEAv
61
Projetos estratégicos orçamentários do IEAv
62
Projetos estratégicos extra-orçamentários do IEAv
62
Projetos das Divisões do IEAv
62
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
v
Pós-graduação, Iniciação Científica e Tecnológica e Atividades de Extensão
Pós-Graduação no IEAv
66
Programas de Iniciação Científica e Tecnológica - PIBIC e PIBITI
69
Laboratório Interativo de Ciências (LIC)
70
Indicadores de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação
73
Introdução
74
Indicadores do WAI
75
Indicadores de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação
79
Artigos completos publicados em periódicos (janeiro a dezembro de 2013)
80
Artigos completos publicados em periódicos (janeiro a junho de 2014)
83
Patentes do IEAv
85
Anais do XIV WAI
vi
65
87
Pesquisa em “scramjet” no Instituto de Estudos Avançados
88
Projeto de Demonstradores Tecnológicos “scramjet” no IEAv
89
Método para obter soluções ópticas não lineares com simetria PT
90
Modelando redes de spins e agregados de alumínio
Análise computacional do escoamento na região de admissão de ar do motor scramjet
do veículo hipersônico aeroespacial 14-X
Estudo computacional de deposição de um pulso de energia em fluido estagnado e em
escoamentos de altas velocidades
91
Projeto HIPERVEL: medida de velocidade em escoamentos hipersônicos
Um estudo numérico de injeção de gás perpendicular a um escoamento supersônico
de ar para aplicação em motores SCRAMJET
94
Desenvolvimento de sensores de infravermelho nanoestruturados
Processamento e caracterização de compósitos cerâmicos e metal-cerâmicos à base
de ferritas
Caracterização de materiais e avaliação de sensores e filtros na faixa de frequência
Terahertz
96
Microscopia de Força Magnética de Amostra “Bulk” de Hexaferrita Co2Z
99
92
93
95
97
98
Capacitação em simulação de dispositivos e objetos em ambiente eletromagnético
Caracterização de microestrutura e propriedades locais de materiais por técnicas de
microscopia de sonda de varredura
Desenvolvimento de programa computacional para simulação de nanoestruturas
semicondutoras
Framework de otimização do Laboratório de Engenharia Virtual baseada em metaheurísticas
Desenvolvimentos recentes em técnicas de caracterização eletromagnética de
materiais para RADOME
100
Medida da variação de parâmetros elétricos de componentes analógicos irradiados
105
Avaliação dos efeitos da radiação cósmica em sistemas embarcados
Desenvolvimento de técnicas e dispositivos dosimétricos passivos para aplicação
aeroespacial
Referências de Tensão Bandgap Resistentes à Radiação Ionizante em Tecnologia
CMOS Convencional
Testes paramétricos e funcionais para sistemas e componentes digitais submetidos à
radiação ionizante
106
101
102
103
104
107
108
109
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Estudo das propriedades eletrônicas do GaAs biaxialmente tensionado empregando a
aproximação de quase-partícula LDA-1/2
Cerâmicas eletrônicas para encapsulamento de sensores e RADOME na faixa de RF e
Micro-ondas
110
111
Simulação computacional de ambientes radioativos de interesse aeroespacial
Contribuição das falhas de empilhamento para as propriedades ópticas de nanofios de
InP na fase wurtzita
112
PASIL – Processo atômico de separação isotópica via laser
114
Calibrações intermediárias: garantia da qualidade das medições do LMSO
115
Linhas de trabalho em óptica e eletromecânica integrada no IEAv
116
Estudo e produção de Carbono Vítreo
117
Desenvolvimentos recentes de sensores a fibra óptica
Espectrometria de Emissão Óptica em Descarga Luminescente – GDOES: Resultados
Preliminares
Desenvolvimento de um VANT do tipo asa fixa com sistema de navegação autônoma:
montagem
Robô para testes de algoritmos de planejamento automático de trajetórias e de
navegação autônoma
Estudo de modelo de avaliação de cobertura de sinal de um sistema de computação,
navegação e posicionamento por satélites
Análise de cobertura considerando a proteção de áreas sensíveis: novas abordagens
de resolução
118
Plataforma AEROGRAF – Um ambiente de integração
Sistemas de apoio à decisão para alocação de recursos de defesa baseados em
análises de risco inteligente
124
Avanços recentes em teoria dos jogos e árvores decisórias no IEAv
126
Alguns cálculos de criticalidade em geometria esférica
Determinação do equivalente de dose ambiente simulando a esfera ICRU com as
sugestões da ICRP 103 para cálculo do fator de ponderação para a radiação
Estudo de anomalias observadas no decaimento de alguns nuclídeos e possível
relação com solar radiações
127
Soluções aproximadas para o problema de transporte de partículas em dutos
130
Índice de Autores
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
113
119
120
121
122
123
125
128
129
131
vii
viii
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
APRESENTAÇÃO
O Caderno de Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv é editado anualmente
e está associado às atividades realizadas no Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento
do IEAv (WAI), que neste ano encontra-se em sua 14a edição. De maneira geral, o WAI possui
dois objetivos principais: o primeiro, de caráter técnico, é a apresentação de trabalhos
realizados no IEAv por meio de pôsteres e por meio impresso (Caderno); o segundo, de caráter
institucional, é a formação de um fórum de discussões em torno de um tema de importância
para o Instituto no momento. Em 2014, o WAI tem como tema: “Competências do IEAv em
pesquisa e formação de pessoal”. Serão fomentadas discussões em torno das qualidades que
marcam o IEAv, e como potencializar seus resultados, reforçando o IEAv em suas linhas de
ação.
O Caderno de Atividades do IEAv surgiu da iniciativa de pesquisadores interessados em
agrupar
e
registrar,
em
uma
única
publicação,
exemplos
das
pesquisas
e
dos
desenvolvimentos em andamento no Instituto. Também é objetivo deste Caderno contribuir
para a divulgação de informações sobre o IEAv e as suas atividades para o público externo,
aumentando a visibilidade do Instituto e facilitando futuras interações com outras instituições.
A abordagem de edição do Caderno adotada pela primeira vez no WAI anterior
permanece este ano. A primeira parte do Caderno visa fornecer uma visão geral do que é o
IEAv, o que se faz neste Instituto e quais são as características do seu efetivo. A segunda
parte, os anais do WAI, pretende mostrar de forma bastante compreensiva os avanços mais
recentes nas linhas de pesquisa apoiadas no Instituto, agrupando diversos trabalhos em um
único resumo, e listando as referências necessárias para subsidiar uma busca mais
aprofundada a quem interessar. Os trabalhos de conteúdo mais técnico e específico foram
direcionados ao Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv (SCTI).
O Caderno está dividido em seis seções: 1. Panorama geral do IEAv, com destaque para
as linhas de pesquisa do Instituto, sua capacidade laboratorial e seus recursos humanos;
2. Grupos de Pesquisa certificados pelo IEAv junto ao CNPq; 3. Projetos dos IEAv; 4. Pósgraduação, Iniciação Científica e Tecnológica e atividades de Extensão. 5. Indicadores de
Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação; e 6. Trabalhos técnico-científicos de uma página
submetidos ao XIV WAI.
Nosso sincero agradecimento a todos que colaboraram na produção desta sétima edição
do Caderno de Atividades do IEAv.
Os Editores
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9
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Vista do pátio central do IEAv
Instituto de Estudos Avançados - IEAv
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
11
MISSÃO DO IEAv
Ampliar o conhecimento científico e o domínio de tecnologias estratégicas para
fortalecer o Poder Aeroespacial Brasileiro.
VISÃO DO IEAv
Ser reconhecido como instituição de excelência e de referência internacional em
pesquisas de tecnologias avançadas no campo aeroespacial.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
PALAVRAS DO DIRETOR
É com grande satisfação que apresento este compêndio de informações acerca das
atividades de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação - PD&I do Instituto de Estudos
Avançados - IEAv. Resulta de grande esforço institucional que vem sendo aprimorado
continuamente, cujo objetivo é divulgar de que forma o IEAv organiza-se como Instituição
Científica e Tecnológica – ICT pertencente ao Comando da Aeronáutica, seus recursos
humanos, infraestrutura laboratorial, grupos de pesquisa, projetos e atividades de pósgraduação, além dos indicadores institucionais de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação.
Acrescentam-se às informações gerais os resumos técnico-científicos apresentados no
XIV Workshop Anual do IEAv – WAI, cujo tema é "Competências do IEAv em pesquisa e
formação de pessoal". O nível de maturidade dos integrantes desta organização e a dinâmica
da evolução tecnológica incentivam a promoção de discussões em alto nível sobre ajustes no
caminho traçado para o cumprimento da Missão Institucional.
Mais do que divulgar as atividades de PD&I, este caderno serve ao propósito de prestar
contas à sociedade brasileira da aplicação dos recursos públicos que sustentam a organização,
demonstrando que o IEAv segue o seu Plano de Desenvolvimento Institucional, alinhado às
diretrizes superiores da Estratégia Nacional de Defesa – END e do Plano Estratégico Militar da
Aeronáutica – PEMAER, contribuindo para o alcance da autonomia tecnológica do país em
temas relacionados ao conhecimento aeroespacial.
Espera-se, também, incentivar o surgimento de novas oportunidades de colaborações
técnico-científicas
com
organizações
públicas
e
privadas,
preferencialmente no interesse do desenvolvimento de produtos e
processos inovadores, com impacto na Indústria Nacional de
Defesa. Temos experiência para reconhecer o potencial sinérgico
dessas parcerias, pois somos criativos e capazes.
Caro leitor, encerro estas breves palavras na expectativa de
que este caderno possa abstrair a verdadeira imagem do IEAv,
uma organização onde pessoas comungam da mesma fonte de
motivação profissional: o Desafio Científico. Boa leitura.
Mauricio Pozzobon Martins – Cel Av
Diretor do IEAv
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
13
ORGANOGRAMA INSTITUCIONAL (simplificado)
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
LINHAS DE PESQUISA DO IEAv
As linhas de pesquisa do IEAv estão organizadas em cinco áreas de concentração:
1. Aerotermodinâmica e Hipersônica; 2. Geointeligência; 3. Lasers, Óptica e Aplicações; 4. Sensores e
Atuadores; e 5. Tecnologia Nuclear Aplicada. Além destas, também são apontadas uma série de linhas
evidenciadas em estudos prospectivos, realizados no Instituto. A Instituição deverá investir
consistentemente nestas novas linhas e também buscar alianças estratégicas que complementem a
capacitação já existente no IEAv para atuar em áreas de interesse estratégico. A execução continuada
de estudos prospectivos é adotada como um dos processos institucionais para a atualização e
priorização das atividades do Instituto.
1. Aerotermodinâmica e Hipersônica
• Aerotermodinâmica de Veículos Aeroespaciais em Velocidades Hipersônicas
Desenvolvimento de metodologias experimentais para aplicação em tecnologia aeroespacial.
• Propulsão Hipersônica Aspirada a Combustão Supersônica
Desenvolvimento de metodologias experimentais aplicadas a veículos aeroespaciais hipersônicos
com sistema de propulsão a combustão supersônica.
• Propulsão Hipersônica Aspirada a Laser
Desenvolvimento de metodologias experimentais aplicadas a veículos aeroespaciais hipersônicos
com sistema de propulsão a laser.
• Controle de Escoamento Aplicado em Veículos Aeroespaciais em Velocidades Hipersônicas
Desenvolvimento de metodologias experimentais aplicadas para controle de escoamento em
veículos aeroespaciais hipersônicos.
• Técnicas de Diagnóstico em Escoamento Reativo
Desenvolvimento de métodos de medidas de propriedades de escoamentos em alta velocidade.
• Mecânica dos Fluidos Computacional em Escoamento Hipersônico
Desenvolvimento e utilização de programas computacionais para o estudo de escoamentos em
alta velocidade.
2. Geointeligência
• Geomática
Sistemas de navegação automática por satélite, geoprocessamento e fotogrametria digital.
• Inteligência com Imagens
Imagem de radar de abertura sintética, imagem de sensores ópticos e interpretação automática de
imagens.
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• Radiometria e Caracterização de Sensores Eletroópticos
Metodologias para viabilizar a utilização de sensores eletroópticos imageadores para a obtenção
de informações de propriedades físicas de materiais na superfície terrestre: temperatura,
reflectância, transmitância e/ou emissividade.
• Sistemas Imageadores
Desenvolvimento e caracterização de sistemas sensores de imageamento e interferométricos.
• Sistemas Autônomos Aeroembarcados
Sistemas de navegação com estimação automática de posição baseada em imagens; sistemas de
reconhecimento automático de alvos; sistemas de processamento de imagens e sistemas de
estereoscopia.
• Capacidades e Métricas
Pesquisa, desenvolvimento e consolidação de metodologias de avaliação das capacidades de
defesa nacionais atuais e futuras.
• Comando, Controle, Comunicação e Computação (C4)
Estudo e desenvolvimento de arquitetura de sistemas de C4 nos quatro domínios-chave: físico, da
informação, cognitivo e social/organizacional e aplicação de concepção de sistemas para
tratamento de modelos complexos.
• Inteligência Artificial
Problemas computacionais de representação do conhecimento, planejamento automático,
classificação de padrões, aprendizagem de máquina, tomada de decisão e percepção de interesse
da Defesa.
• Pesquisa Operacional
Modelagem de problemas e de situações voltadas tanto para a formulação de propostas de
problemas (PO soft) como de uma solução específica (PO hard) que resolvam algumas classes de
problemas de interesse da Defesa e da Aeronáutica.
• Sistemas de Apoio à Decisão
Desenvolvimento de modelos e ferramentas para manipulação, tratamento e apresentação de
informações para suportar as atividades de análise, planejamento e tomada de decisão e
aplicação da metodologia em problemas de consciência situacional e defesa aeroespacial.
3. Lasers, Óptica e Aplicações
• Processamento de Materiais com Laser
Tratamentos de superfície com lasers, ablação a laser, solda a laser, usinagem a laser e
manufatura aditiva com laser.
• Separação Isotópica a Laser
Espectroscopia, espectroscopia a laser, espectroscopia de fotoionização, evaporação de metais,
coleta de íons e de partículas neutras.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
• Desenvolvimento de Lasers
Desenvolvimento de lasers; Desenvolvimento de dispositivos de caracterização e manipulação de
feixes de laser; Propagação de feixes de laser e interação de feixes de laser com a matéria.
• Óptica Aplicada e Não Linear
Desenvolvimento de componentes e dispositivos ópticos, filmes finos, metrologia óptica e
espalhamentos não lineares.
4. Sensores e Atuadores
• Materiais Avançados para Sensores
Desenvolvimento, processamento e caracterização de materiais.
• Sensores
Pesquisa, desenvolvimento e caracterização de sensores, componentes e sistemas a
semicondutores, a materiais cerâmicos e orgânicos, e biossensores. Pesquisa e desenvolvimento
de sensores, componentes e sistemas a fibra óptica e óptica integrada, utilizando efeitos lineares e
não lineares.
• Condicionamento de Sinais e Técnicas de Medição
Pesquisa e desenvolvimento de técnicas de processamento de sinais ópticos, elétricos, de RF,
micro-ondas e Terahertz.
• Nanotecnologia
Pesquisa e desenvolvimento de nanoestruturas.
• Modelagem Computacional de Fenômenos Físicos e Dispositivos
Aplicação de técnicas computacionais para o projeto e desenvolvimento de materiais avançados,
componentes, sensores e sistemas.
• Física de Dispositivos Semicondutores
Estudo de fenômenos físicos associados ao funcionamento de dispositivos que têm por base
semicondutores simples ou compostos, em especial os fenômenos quânticos associados à
estruturação desses materiais em camadas, linhas ou ilhas de dimensões nanométricas.
5. Tecnologia Nuclear Aplicada
• Neutronica, Blindagem e Efeitos da Radiação Ionizante
Cálculos computacionais para projeto conceitual de elementos combustíveis e arranjos de núcleos
para microrreatores, cálculos de blindagem das radiações, geração de dados nucleares e análise
e medição de efeitos da radiação espacial e a atmosfera terrestre.
• Termo-Hidráulica de Reatores e Transferência de Calor
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
17
Simulação computacional de micro-usinas nucleares para aplicação espacial e locais de difícil
acesso, desenvolvimento de ciclos térmicos (Brayton, Stirling e Rankine) para conversão núcleoelétrica de microrreatores espaciais, simulação computacional de ciclos térmicos, desenvolvimento
de tubos de calor e seus sistemas para rejeição passiva de calor, simulação computacional de
sistemas nucleares espaciais (propulsão nuclear espacial), análise de segurança de reatores
nucleares, CFD, controle térmico de satélites e utilização de paradigmas de inteligência artificial
em aplicações espaciais e nucleares.
• Análise e Medição de Efeitos da Radiação Espacial e a Atmosfera Terrestre
Estudo da interação e efeitos da radiação ionizante sobre indivíduos, materiais, componentes,
sistemas expostos à radiação nas aplicações aeroespaciais.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Sistema oscilador/amplificador de Lasers de corante de alta potencia
Infraestrutura Laboratorial do IEAv
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DIVISÃO DE AEROTERMODINÂMICA E HIPERSÔNICA (EAH)
Realiza pesquisas e desenvolvimento em escoamentos com velocidades hipersônicas, para
aplicação ao voo de veículos aeroespaciais. As linhas de P&D compreendem: o projeto de veículos
hipersônicos impulsionados a combustão supersônica e a laser; a pesquisa em motores a detonação
pulsada; o estudo de escoamentos hipersônicos em túneis de vento hipersônicos e lançadores
hipersônicos de massa; o desenvolvimento de técnicas de diagnóstico aplicadas a escoamentos de alta
velocidade; e a utilização de métodos computacionais no cálculo de propriedades dinâmicas de fluidos. A
EAH tem sua infraestrutura compartilhada nos seguintes laboratórios:
Laboratório de Espectroscopia Molecular (LEM) - Este laboratório tem por
atribuição a pesquisa e o desenvolvimento de técnicas de medições de
parâmetros de interesse em escoamentos reativos através da aplicação da
Espectroscopia Molecular. Destacam-se a espectroscopia de absorção com
lasers de diodo e técnicas de espectroscopia de emissão. Todas estas técnicas
visam a utilização em experimentos nos túneis de vento hipersônicos da Divisão.
Contato: Dr. Dermeval Carinhana Júnior, 12-3947-5420, [email protected].
Laboratório de Cromatografia e Espectrometria de Massa (LCEM) - Este
laboratório tem por atribuição o apoio técnico e a realização de serviços
especializados para projetos e atividades em análises por cromatografia de gás
e espectrometria de massa. Dispõe de equipamento para cromatografia com
detecção por meio de condutividade térmica ou de ionização por chama, um
cromatógrafo acoplado a um detector por espectrometria de massa e um espectrômetro de massa por
tempo de voo para análises de substâncias de interesse para a Divisão.
Contato: Téc. Carla Silva Bordim, 12-3947-5449, [email protected].
Laboratório de Aplicações de Química (LAQ) - Este laboratório tem por
atribuição o apoio técnico e a realização de serviços especializados para
projetos e atividades em análises químicas e aplicações de operações químicas
em geral. Dispõe de equipamentos (medidores de pH, condutividade, destilador
etc.), vidraria e reagentes para atender às necessidades da Divisão.
Contato: Téc. Carla Silva Bordim, 12-3947-5449, [email protected].
Laboratório de Aplicações de Tecnologia de Vácuo (LATV) - Este
laboratório apóia os projetos e atividades da Divisão relacionados à tecnologia
de vácuo. Tem como atribuição a manutenção de equipamentos de vácuo e a
montagem de sistemas de vácuo. Dispõe de medidores para vácuo em faixa
larga de pressões, detectores de vazamento e dá apoio, também, a outras
Divisões do IEAv.
Contato: Téc. Elenias de Oliveira Ferraz, 12-3947-5443, [email protected].
20
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Laboratório de Técnicas de Diagnóstico de Escoamentos Reativos (LTD) - Este
laboratório tem por finalidade desenvolver técnicas de análise de propriedades de
escoamentos super e hipersônicos de modo a apoiar os projetos e atividades da
EAH. São estudadas técnicas que envolvem a aplicação de lasers, como a
fluorescência induzida por lasers, o espalhamento Rayleigh, e técnicas de Schlieren,
todas elas não intrusivas, isto é, não perturbadoras do escoamento. Todas estas técnicas visam a
utilização em experimentos nos túneis de vento hipersônicos da Divisão.
Contato: Dr. Luiz Gilberto Barreta, 12-3947-5423, [email protected].
Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Prof. Henry
T. Nagamatsu - Este laboratório presta apoio técnico a projetos
de sistemas e subsistemas aeroespaciais, às atividades na
aplicação e adaptação de técnicas laboratoriais de simulação de
voo de veículos aeroespaciais e em experimentos envolvendo
escoamentos reativos de altas velocidades. Possui, atualmente, três túneis de vento hipersônicos
pulsados para testes em solo do voo hipersônico de modelos projetados pela Subdivisão de Hipersônica
Experimental, destacando-se o desenvolvimento do veículo hipersônico 14-X e do veículo de propulsão a
laser.
Contato: Dr. Paulo Gilberto de Paula Toro, 12-3947-5543,[email protected].
DIVISÃO DE FÍSICA APLICADA (EFA)
Realiza o estudo de fenômenos físicos complexos e a pesquisa e desenvolvimento de sistemas
eletromagnéticos, materiais e dispositivos de uso aeroespacial. A EFA tem sua infraestrutura
compartilhada nos seguintes laboratórios:
Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) - Esse laboratório apóia as
atividades de P&D na área de projeto, desenvolvimento e caracterização
eletromagnética de materiais e sistemas, sob o efeito de radiação nãoionizante. A infraestrutura deste laboratório vem apoiando pesquisas de
sistemas eletromagnéticos embarcados – circuitos miniaturizados e sensores.
São estudados os efeitos de um ambiente eletromagnético (E3) sobre equipamentos, sistemas e
plataformas. Entre outras, as seguintes áreas do conhecimento são consideradas: compatibilidade
eletromagnética (EMC), interferência eletromagnética (EMI), vulnerabilidade eletromagnética (EMV) e
danos da radiação em humanos (HERP).
Contato: Dr. Antonio Carlos da Cunha Migliano, 12-3947-5515, [email protected]
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Laboratório de Materiais Eletromagnéticos (LME) - A função deste
laboratório é apoiar as pesquisas da Divisão de Física Aplicada em materiais
para aplicações em dispositivos eletromagnéticos. O LME atualmente dispõe
de infraestrutura para processamento cerâmico, incluindo moinhos, fornos de
tratamento térmico e equipamentos para a conformação de pós-cerâmicos.
Contato: Dra. Vera Lucia Othero de Brito, 12-3947-5519, [email protected]
Laboratório de Eletromagnetismo Computacional (LEC) - Apóia atividades
de P&D nas áreas de projeto computacional e caracterização de desempenho
de dispositivos fotônicos, nanofotônicos e aplicações nas faixas de ondas
milimétricas, terahertz e micro-ondas. As principais aplicações estão
relacionadas a: sensores ópticos baseados em fibras ópticas especiais ou
micro-estruturadas ("Photonic Crystal Fibers"), sensores ópticos baseados em ressoadores em anel e
microesferas, sensores ópticos distribuídos, projeto de fibras ópticas polarizadoras e mantenedoras de
polarização, guiagem e sensoriamento em terahertz utilizando fibras ópticas poliméricas, filtros e
polarizadores terahertz.
Contato: Dr. Marcos Antonio Ruggieri Franco, 12-3947-5522, [email protected]
Laboratório de Engenharia Virtual (LEV) - Laboratório dedicado à realização
de simulações computacionais e ao desenvolvimento de ferramentas de
simulação computacional, otimização computacional, processamento paralelo e
distribuído, e resolução de problemas inversos. O LEV participa de projetos de
desenvolvimento tecnológico de sensores de infravermelho, sensores MEMS e
métodos não intrusivos para determinação de temperatura com o auxílio de métodos computacionais. O
LEV é um dos laboratórios envolvidos no Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias
Espaciais, PG-CTE, nas áreas de concentração “Física e Matemática Aplicadas” e “Sensores e
Atuadores Espaciais”.
Contato: Dr. Angelo Passaro, 12-3947-5563, [email protected]
Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA) - A este laboratório, vinculado ao
Serviço de Proteção Radiológica do IEAv, compete implementar e realizar medições
de dose de radiação ionizante em aplicações e ambientes de interesse aeronáutico
ou espacial, por meio da utilização de técnicas dosimétricas específicas. Seu
escopo de aplicação abrange áreas críticas e altamente especializadas, tais como
dosimetria de tripulações de aeronaves, medição de fluxos e campos de radiação em vôo, medição e
padronização de campos de radiação utilizados em testes de irradiação de circuitos e componentes,
medida da distribuição de dose em objetos irradiados, avaliação de blindagens à radiação cósmica e
técnicas de simulação computacional no transporte de radiação ionizante.
Contato: Dr. Claudio Antonio Federico, 12-3947-5493, [email protected]
22
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Laboratório de Medidas de Radioatividade Ambiental (LMRA) - Neste
laboratório, por meio dos sistemas de espectroscopia alfa e gama em câmaras
de baixo fundo, são realizadas medidas de amostras radioativas de baixa
atividade na forma sólida, líquida ou aerodispersóides. Este laboratório apóia as
aulas práticas de disciplinas do Programa de Pós-graduação em Ciências e
Tecnologias Espaciais, o sistema de contabilidade e controle de material nuclear do Serviço de
Salvaguardas, as avaliações ambientais do Serviço de Proteção Radiológica do IEAv e a Equipe de
Controle Radiológico do DCTA no atendimento a situações de emergência.
Contato: Dr. Odair Lelis Gonçalez, 12-3947-5501, [email protected]
Laboratório de Radiação Ionizante (LRI) - Este é um laboratório multi-usuário
que apóia as atividades de P,D&I na área de avaliação dos efeitos da radiação
ionizante de origem cósmica em materiais e componentes de uso aeroespacial e
realiza testes de qualificação quanto à tolerância a estes efeitos segundo normas
internacionais. A principal ferramenta experimental é um irradiador de
60
Co para
experimentos de efeitos de TID ("Total Ionizing Dose"). Estão sendo
disponibilizadas também para testes de SEE ("Single Event Effects") uma fonte de fragmentos de fissão
em vácuo (
252
Cf ) e fontes de nêutrons (
241
Am-Be e gerador D-T).
Contato: Me. Wagner Aguiar de Oliveira, 12-3947-5494, [email protected]
Laboratório de Caracterização de Dispositivos Semicondutores (LCDS) Destina-se à caracterização elétrica de dispositivos semicondutores. Possuí
infraestrutura para caracterização de dispositivos, tanto analógicos quanto
digitais, operando à temperatura ambiente ou a temperaturas criogênicas. Tem
apoiado tanto o estudo de efeitos da radiação ionizante em dispositivos
semicondutores analógicos e digitais para uso aeroespacial, quanto o desenvolvimento de sensores de
infravermelho para uso espacial e terrestre.
Contato: Dr. Gustavo Soares Vieira, 12-3947-5516, [email protected]
DIVISÃO DE FOTÔNICA (EFO)
Realiza a pesquisa e o desenvolvimento de lasers e aplicações como soldagem a laser,
tratamento de superfície a laser, separação isotópica e espectroscopia. Atua também na realização de
pesquisa e desenvolvimento de materiais para substratos ópticos em aplicações aeroespaciais, como
carbono vítreo e carbeto de silício. Outra área de atuação é na pesquisa e desenvolvimento de sensores
a fibra óptica e óptica volumétrica, além de componentes, dispositivos e sistemas ópticos e
optoeletrônicos. A EFO tem sua infraestrutura compartilhada nos seguintes laboratórios:
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
23
Laboratório de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica
(Dédalo) - Dedicado à pesquisa e desenvolvimento de tecnologias de
processamento de materiais com lasers, o laboratório conta com várias fontes
de laser de média e alta potência com comprimentos de onda de emissão na
região espectral do ultravioleta ao infra-vermelho. Além destas fontes, estão
instalados neste laboratório sistemas de movimentação controlados por computador e todos os
acessórios e equipamentos de caracterização de processos a laser. As principais linhas de pesquisa em
desenvolvimento são: processos de soldagem de ligas aeronáuticas e aços especiais, tratamento de
superfícies por aquecimento, texturização e deposição de materiais a laser, sinterização de cerâmicas e
metais por laser e desenvolvimento de técnicas de controle e monitoração de processamento de
materiais por laser.
Contato: Dr. Milton S F Lima, 12-3947-5464, [email protected].
Laboratório de Evaporação e Fotoionização (LEF) - Neste laboratório são
realizados experimentos de evaporação em metais por ablação laser e de
espectroscopia atômica dos elementos terras-raras e do molibdênio com a
finalidade de desenvolver o processo atômico de separação isotópica a laser
desses elementos. O LEF dispõe de infraestrutura adequada para a geração de
vapor metálico por ablação a laser em vácuo, fontes laser contínuas e sintonizáveis com alta resolução,
além das pulsadas de alta potência, emitindo radiação laser em uma larga faixa do espectro, desde o
infra-vermelho próximo até o ultra-violeta.
Contato: Dr. Marcelo G Destro, 12-3947-5462, [email protected].
Laboratório de Geração de Radiação Laser (LGRL) - Esse laboratório
desenvolve o processo de Separação Isotópica por Lasers em Vapor Atômico
de Urânio. O LGRL está equipado com sistemas de lasers sintonizáveis e
amplificadores de alta potência que permitem a fotoionização seletiva dos
isótopos de Urânio utilizando até três fótons de comprimentos de ondas
distintos. O vapor de Urânio é produzido por um canhão de feixe de elétrons de alta potência em uma
câmara de alto vácuo que contém toda a instrumentação necessária para acompanhamento do processo
de separação do Urânio.
Contato: Dr. Marcelo G Destro, 12-3947-5462, [email protected].
Laboratório de Filmes Finos (LFF) - Realiza estudos e desenvolve processos de
deposição de filmes finos ópticos para aplicações em óptica, de maneira especial em
óptica para lasers. Atua também na recuperação de espelhos e outras superfícies
ópticas, para aplicações aeroembarcadas e terrestres. Faz deposições de filmes finos em
fibras ópticas e em sistemas de fibras ópticas. Dispõe de quatro sistemas de evaporação,
que utilizam os métodos tradicionais de deposição física de vapor (PVD).
Contato: Dr. Alvaro José Damião, 12-3947-5412, [email protected].
24
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Laboratório de Manufatura de Componentes Ópticos (LMCO) - Desenvolve
processos de polimento de superfícies ópticas de precisão, tais como: lentes,
espelhos, prismas, filtros, dentre outros. Além de vidros ópticos, trabalha a
conformação, esmerilhamento e polimento de materiais como vitrocerâmicos,
Carbono Vítreo e Carbeto de Silício. Utiliza ferramental diamantado e processos
de usinagem HS.
Contato: Dr. Alvaro José Damião, 12-3947-5412, [email protected].
Laboratório de Medição de Superfícies Ópticas (LMSO) Este laboratório é dedicado à caracterização do acabamento
superficial de materiais, de maneira especial em superfícies
ópticas. É acreditado pela Rede Brasileira de Calibração
o
(RBC), do INMETRO, sob n . 178, desde o ano 2001. Presta
serviços de calibração de padrões de rugosidade e de planeza, provendo também rastreabilidade à FAB
por meio do Sistema de Metrologia Aeroespacial (SISMETRA).
Contato: MSc. Márcia A. F. Destro, 12-3947-5414, [email protected].
Laboratório de Optoeletrônica (LOE) - Neste laboratório fabricam-se
grades de Bragg em fibras ópticas, que podem ser utilizadas como
elemento sensor ou como filtro reflexivo para óptica guiada. Pode-se
também produzir grades de longo período utilizadas na estabilização de
fontes ópticas, como elemento sensor ou filtro por transmissão. Realizamse pesquisa e desenvolvimento de fontes ópticas baseadas em fibras dopadas com elementos terrasraras (Nd, Er e Yb) para aplicações em sensores. Além disso, também são projetados e desenvolvidos
circuitos eletrônicos e optoeletrônicos para apoio às demais atividades do laboratório.
Contato: Dr. Germano Woehl Jr., 12-3947-5427, [email protected].
Laboratório de Óptica Integrada (LOI) - Neste laboratório são realizadas a
pesquisa e desenvolvimento de dispositivos de óptica integrada em diferentes
tipos de substratos dielétricos e topologias. Ele dispõe de uma sala-limpa com
ambientes classe 100.000 e 10.000, além de bancadas classe 100 onde se
realizam os processos mais críticos, contando com equipamentos necessários
para a fabricação dos dispositivos (evaporadora de filmes PVD, aplicador de fotoresiste tipo spinner,
alinhadora de máscaras, forno de difusão) e caracterização (microscópios, câmeras IR, fontes luminosas
e detetores). Os pesquisadores deste laboratório também desenvolvem e testam dispositivos de óptica
integrada em substrato de silício sobre isolante (SOI) em colaboração com laboratórios externos.
Contato: Dr. Hugo Leonardo Rocha de Lira, Cap Eng, 12-3947-5428, [email protected].
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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Laboratório de Sensores a Fibra Óptica (LSFO) - Neste laboratório realizam-se
pesquisa e desenvolvimento de sensores a fibra óptica baseados em modulação de
fase, polarização, intensidade ou comprimento de onda da radiação luminosa guiada
pela fibra. Sensores de ondas acústica (utilizados em inspeção não destrutiva de
estruturas aeronáuticas), acelerômetros e giroscópios (utilizados em unidades de
medidas inerciais –IMU– responsáveis pela navegação, controle de atitude ou estabilização de veículos)
são alguns dos sensores a fibra óptica recentemente desenvolvidos no LSFO.
Contato: Dr. Rogério Moreira Cazo, Maj Eng, 12-3947-5421, [email protected].
DIVISÃO DE GEOINTELIGÊNCIA (EGI)
Realiza pesquisa, desenvolvimento e capacitação em sensoriamento remoto e apoio à decisão. A
Subdivisão de Sistemas de Apoio à Decisão (EGI-A) pesquisa e desenvolve metodologias de análise e
modelamento de informações e cenários para suporte às atividades de planejamento e tomada de
decisão no nível estratégico, operacional e tático. A Subdivisão de Sensoriamento Remoto (EGI-S)
desenvolve atividades de pesquisa básica e aplicada em sensoriamento remoto, produzindo
conhecimento científico e tecnológico nos campos de sensores, processamento de imagens e
geoprocessamento. A EGI tem sua infraestrutura compartilhada nos seguintes laboratórios:
Laboratório de Inteligência de Imagens (LabIntI) - Este laboratório apóia
atividades de P&D nas áreas de projeto e desenvolvimento de Inteligência de
Imagens. Nele são processadas imagens de diferentes sensores, dados
cartográficos, informações de fotogrametria entre outras para desenvolvimento
de técnicas, métodos e ferramentas para geração de conhecimento a partir de
imagens. No momento, os estudos se concretizam no software de Inteligência de Imagens, onde são
desenvolvidas aplicações relacionadas com o apoio à manipulação de imagens, classificação de alvos e
geração de relatórios.
Contato: Maj Eng Julio Mendes de Albuquerque Maranhão, 12-3947-5318, [email protected]
Laboratório de Comando e Controle (LabC2) - Este laboratório tem o propósito
de apoiar a realização de atividades de pesquisa e estudos relacionados à
concepção ou desenvolvimento de sistemas de comando e controle de grande
porte, de modo a assessorar a organização ou planejamento de sistemas de
aplicação em defesa. A infraestrutura computacional e as ferramentas de
modelagem, de simulação e de análise disponíveis no LabC2 possibilitam a realização de estudos e
avaliações envolvendo cenários estratégicos e operacionais mais complexos, nos quais se possa
proceder à análise operacional de sistemas e de alternativas de alto valor agregado.
Contato: Maj Eng Nilton de Oliveira Lessa, 12-3947-5338, [email protected]
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Laboratório de Radiometria e Caracterização de Sensores Eletroópticos
(LaRaC) - Esse laboratório desenvolve atividades de caracterização de
sensores eletroópticos na faixa de 350 nm até 20 µm. Também são realizados
estudos do comportamento espectral de alvos e de parâmetros atmosféricos
que auxiliem na caracterização de sistemas sensores em campo. Além disso,
o laboratório é utilizado no desenvolvimento de projetos da Divisão bem como nas atividades de P&D do
Instituto e de instituições externas.
Contato: Dr. Ruy Morgado de Castro, 12-3947-5350, [email protected]
Laboratório de Geomática (LabGeo) - Este laboratório apóia atividades de P&D
nas áreas de projeto e desenvolvimento de Sensoriamento Remoto, abrangendo as
áreas de Cartografia, Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), Sistemas
de Informações Geográficas (SIG) e Fotogrametria Digital. Nele são processados
dados cartográficos necessários à avaliação de imagens e sensores, armazenadas
informações cartográficas para uso em SIGs e Fotogrametria.
Contato: Cap Eng Leandro Roberto, 12-3947-5312, [email protected]
Laboratório de Análises Operacionais (LAOp) - Nesse laboratório são
desenvolvidos
modelos e ferramentas para manipulação, tratamento e
apresentação de informações para suportar as atividades de análise,
planejamento e tomada de decisão. São realizados estudos nas áreas de
cartografia, sensoriamento, meteorologia, simulação e análise operacional. No
momento, esses estudos se concretizam na Plataforma AEROGRAF, ambiente de informações
geográficas que permite a contínua incorporação de módulos com diferentes finalidades, e no software
de planejamento de missão PMA II, no qual são desenvolvidas aplicações relacionadas com o apoio ao
planejamento, debriefing e análise de missões de todas as Unidades Aéreas subordinadas ao COMGAR
(Comando-Geral de Operações Aéreas).
Contato: Ten Cel Av Flavio Petersen Júnior, 12-3947-5335, [email protected]
Laboratório de Visão Computacional e Sistemas Embarcados (LVCSE) Este laboratório apoia atividades de P&D nas áreas de projeto e
desenvolvimento de sistemas de visão computacional e processamento de
imagens para aplicações em sistemas embarcados e de tempo real. São
desenvolvidas e testadas metodologias de navegação autônoma por
imagens para Veículos Terrestres e Aéreos Não-Tripulados. Dentre as atividades em andamento
destaca-se o desenvolvimento de sistemas para: processamento de imagens; reconhecimento de
padrões em imagens aéreas e de satélites; modelagem computacional de ambientes para navegação
aérea; planejamento automático de rotas e trajetórias de navegação; e navegação aérea autônoma.
Contato: Dr. Élcio Hideiti Shiguemori, 12-3947-5356, [email protected]
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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DIVISÃO DE ENERGIA NUCLEAR (ENU)
A ENU realiza pesquisa e desenvovimento de microrreatores nucleares para a geração de calor e
energia elétrica com a finalidade de aplicar a tecnologia nuclear no espaço, em locais de difícil acesso
(leito oceânico, Antártica etc.) e em situações de catástrofes ambientais. Está dividida em três áreas
fundamentais: 1. Blindagem e Neutrônica, 2. Dados Nucleares e 3. Transferência de Calor e Materiais. A
ENU tem sua infraestrutura compartilhada nos seguintes laboratórios:
Laboratório de Análise dos Efeitos da Radiação (LAER) - Presta apoio
técnico a projetos e atividades relacionadas com os efeitos produzidos pela
radiação. Dentre as atividades básicas a que se dedica, se destacam os
estudos e análises de experimentos envolvendo danos de radiação em
componentes eletrônicos. Além destes, o laboratório realiza estudos na área
dos efeitos da radiação nas propriedades físicas dos materiais tal como variação da resistividade em
filmes depositados sobre materiais empregados nos sistemas eletrônicos espaciais e sistemas
termoelétricos.
Contato: Dr. Luiz Henrique Claro, 12-3947-5481, [email protected].
Laboratório Computacional de Tecnologia Nuclear (LCTN) - Realiza
pesquisa e desenvolvimento conceitual do elemento combustível e do
núcleo do microrreator rápido espacial do projeto TERRA. Possui 02
estações de trabalho de grande porte com processador dual quad core e
mais 05 estações de médio porte. São, ainda, realizadas simulações
numérico-computacionais utilizando os programas MATLAB, LABVIEW, ANSYS FLUENT, RELAP5-3D,
CATIA, NALAP, ANISN-BR, MCNP, CITATION, entre outros. São simulados problemas de conversão de
energia térmica em elétrica em ciclos térmicos do tipo Brayton e Stirling, condução de calor em tubos de
calor, simulação de elementos combustíveis e núcleos de microrreatores nucleares.
Contato: Dr. Lamartine Nogueira Frutuoso Guimarães, 12-3947-5474, [email protected].
Laboratório de Sistemas Térmicos (LST) - Realiza pesquisa e
desenvolvimento de ciclos térmicos para conversão de energia
térmica em energia elétrica em aplicações nucleares no espaço. O
interesse concentra-se na parte experimental dos ciclos Brayton e
Stirling e na turbina passiva multi fluido (de Tesla). Há grande
interesse no desenvolvimento de fornos à gás, elétricos dissipativos e indutivos utilizados como fonte de
calor. A produção de energia elétrica utilizará uma turbina aeronáutica, a qual será testada em conjunto
com a turbina passiva multi fluido. Todas estas tecnologias possuem potencial de uso em sistemas
nucleares espaciais.
Contato: Dr. Lamartine Nogueira Frutuoso Guimarães, 12-3947-5474, [email protected].
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Laboratório de Tubos de Calor Viviane R.T.R. Hirdes (LTC) - Realiza
pesquisa e desenvolvimento para a capacitação na produção de tubos de calor,
para serem utilizados como sistema passivo de rejeição de calor em usinas
nucleares operando no espaço, o uso de Gerador Termoelétrico a
Radioisótopos para aplicações espaciais, e tecnologias com potencial de uso
no espaço em sistemas nucleares. Os tubos de calor e seus sistemas produzidos serão testados nos
ciclos térmicos construídos no Laboratório de Sistemas Térmicos.
Contato: Dr. Lamartine Nogueira Frutuoso Guimarães, 12-3947-5474, [email protected].
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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Vista do pátio central do IEAv a partir do prédio da Divisão de Fotônica
Recursos Humanos
30
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
QUADRO DE FUNCIONÁRIOS
O IEAv conta atualmente com um total de 298 funcionários efetivos, indicando aumento de
aproximadamente 2,8% em relação a 2013. Deste total, 210 são civis (aumento de aproximadamente 2%
em relação a 2013) e 88 são militares (aumento de aproximadamente 7% em relação a 2013). Além
disso, 64 funcionários possuem a titulação de doutor (61 civis e 3 militares), representando 21% do
efetivo, enquanto que 35 funcionários são mestres (26 civis e 8 militares), 12% do efetivo.
Entre 2013 e 2014, 11 funcionários do IEAv se aposentaram, dentre eles 3 doutores, 2 mestres e 3
técnicos. No entanto, em 2014 foram realizadas 16 novas contratações, entre elas 5 mestres e 5
técnicos, amenizando as perdas de recursos humanos e capacitação.
Além de seu quadro efetivo, as atividades de pesquisa e desenvolvimento no IEAv contam com a
participação direta de colaboradores de diferentes níveis de especialização, desde alunos de iniciação
científica a pós-doutores. Em 2014 o número de colaboradores chegou a 238, o que equivale a quase
80% do quadro de funcionários efetivos, e representa um aumento de 28% em relação a 2013. Estes
números destacam a sinergia entre pesquisa e docência no IEAv, e constatam não somente o pleno
crescimento do programa de Pós-Graduação recentemente elaborado no Instituto, mas também sua
capacidade em atrair novos alunos.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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32
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Grupos de Pesquisa certificados pelo
Plataformas de testes para desenvolvimento de sistemas autônomos
IEAv junto ao CNPq
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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AEROTERMODINÂMICA E HIPERSÔNICA
O Grupo de Pesquisa Aerotermodinâmica e Hipersônica, criado em 2006, tem por objetivo realizar
Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação nas áreas estratégicas de Hipervelocidade, Dinâmica dos
Fluidos Computacional e Propulsão com Ar Aspirado, em consonância com as Linhas de Pesquisa e
Desenvolvimento com aplicação no projeto de Demonstradores Tecnológicos para acesso ao Espaço.
Análise Teórico-Analítica, Simulação Teórico-Numérica e Investigação Experimental em
Dispositivos Laboratoriais com utilização de Técnicas Intrusivas e não Intrusivas de Diagnóstico são as
metodologias utilizadas, em combinação, para desenvolver projeto de demonstradores tecnológicos,
antes de realizar vôo na atmosférica terrestre.
A Análise Teórico-Analítica aplica as teorias unidimensionais de ondas de choque (normal, cônica
oblíqua), ondas de expansão de Prandtl-Meyer e escoamento unidimensional com adição de calor nos
projetos preliminares de demonstradores tecnológicos.
A Simulação Teórico-Numérica utiliza licenças acadêmicas do software comercial “Fluent” para o
estudo da dinâmica do fluido em demonstradores tecnológicos.
A Simulação Experimental é desenvolvida nos dispositivos laboratoriais da Divisão de
Aerotermodinâmica e Hipersônica, a qual dispõe de um Túnel de Detonação Pulsado, um gerador de Ar
Viciado e três Túneis de Choque Hipersônicos de Reflexão.
O Túnel T3, financiado pela FAPESP, em operação desde 2006, é utilizado em pesquisa de
sistema de propulsão hipersônica aspirada (laser e combustão supersônica) com capacidade de produzir
pulsos, com a duração de até 10 milésimos do segundo, de escoamentos de ar com números de Mach
o
o
25 e velocidade de 7 km/s. O Túnel T2 (1 em operação na América Latina desde 1992, 1 na
investigação e operação da técnica de Pistão Gasoso, 1
o
na simulação da redução de arrasto
aerodinâmico utilizando radiação eletromagnética por Laser) produz pulsos, em média de 1 milésimo do
segundo, de escoamentos de ar com números de Mach 15 e velocidade de 5 km/s. O Túnel T1 (utilizado
para a calibração de transdutores de pressão e sensores de fluxo de calor), foi utilizado, com sucesso,
em 1982, na investigação de lasers de Dinâmica dos Gases gerando radiação no comprimento de onda
de 16 micrômetros e da técnica do Pistão Gasoso. O Laboratório Nagamatsu dispõe também de um
compressor de pistão livre capaz de produzir pulsos de alta pressão, 1.000 atm, e alta temperatura,
3.000 K, com duração de 20 milésimos de segundo em hélio.
As linhas de pesquisa e desenvolvimento incluem:
- Aerotermodinâmica de veículos aeroespaciais em reentrada atmosférica;
34
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
- Controle de escoamento utilizando radiação eletromagnética (laser);
- Sistema de Propulsão Hipersônica Aspirada baseada em Radiação Eletromagnética (Laser); e
- Sistema de Propulsão Hipersônica Aspirada baseada em Combustão Supersônica.
Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X “waverider.
Análise Estrutural Estática.
Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X B.
Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X S.
Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X SA.
Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X T.
Voo atmosférico do Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X
“waverider”.
Veículo Acelerador Hipersônico para voo atmosférico do
demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X “waverider”.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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APOIO À DECISÃO
Atuando há aproximadamente 10 anos, o Grupo de Apoio à Decisão, formado pelos
pesquisadores e colaboradores da Subdivisão de Sistemas de Apoio à Decisão - EGI-A, Divisão de
Geointeligência - EGI, dedica-se à pesquisa e desenvolvimento de métodos e técnicas, de análise e
modelamento de informações e cenários, para apoiar as atividades de planejamento e de tomada de
decisão nos diversos níveis decisórios.
Os cenários, caracterizados por conflitos sociais, políticos ou econômicos, têm sido marcados pela
imprevisibilidade, tais como: inicio do evento, duração e envolvidos. Estes conflitos enfatizam a
necessidade de uma ampla interoperabilidade tanto entre os meios empregados quanto entre os
integrantes de forma a permitir pronta resposta.
Os trabalhos deste grupo buscam, por meio de emprego de técnicas de mapeamento e simulação,
possibilitar o exercício de cenários estratégicos e operacionais e a avaliação prévia de prontidão e
gerenciamento do uso de recursos humanos, materiais e financeiros em decorrência da tomada de
decisão assumida.
As linhas de pesquisa deste grupo abrangem:
Arquitetura de Sistemas - esta linha de pesquisa objetiva o desenvolvimento de modelos de
arquiteturas para a representação de sistemas complexos. São realizados estudos de estrutura de
sistemas complexos e suas interfaces para possibilitar segmentações e componentização para reduzir o
grau de complexidade de subsistemas identificados, tornando-os tratáveis.
Capacidades e Métricas - Esta linha de
pesquisa tem dois propósitos inter-relacionados: a)
o desenvolvimento de modelos de capacidades, os
quais possibilitem a simulação e avaliação, com
abordagem sistêmica, dos diversos aspectos
(sejam
materiais
determinam
as
ou
não-materiais)
capacidades
de
uma
que
Força
Armada para o cumprimento de suas missões nos
diferentes cenários de emprego, em especial do
poder
aeroespacial;
e
b)
a
pesquisa
e
desenvolvimento de métricas que possibilitem uma
avaliação objetiva de capacidades, de forma a
subsidiar os processos decisórios voltados a obtenção dos meios e ao preparo de uma Força no
contexto de Comando e Controle; ou apoiar o processo de concepção ou desenvolvimento de sistemas
de elevada complexidade.
36
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Comando e Controle - Esta linha de pesquisa visa ao domínio do conhecimento para o
desenvolvimento de tecnologias e metodologias para assistência a sistemas de interesse estratégico ou
operacional, em especial na área de Comando e Controle. As pesquisas nesta linha têm por foco o
estudo da arquitetura e da dinâmica de sistemas, em diferentes domínios - o físico, o da informação, o
cognitivo e o organizacional - com o objetivo de fornecer análises de alto nível e avaliações de
alternativas segundo seu valor estratégico-operacional.
Inteligência
Artificial
-
as
pesquisas
abrangem
técnicas que possam ser aplicadas à solução de diversos
problemas
computacionais
relacionados
a
sistemas
aeroespaciais, tais como planejamento automático de rotas,
classificação de padrões, representação computacional de
ambientes de navegação, aprendizagem de máquina e
tomada de decisão.
Modelagem
e
Simulação
de
Cenários
Operacionais - Pesquisar, projetar e desenvolver
sistemas de apoio aos processos decisórios para
ampliar o nível de consciência situacional do decisor
no
cenário
de
desenvolvimento
interesse.
fazem
As
uso
pesquisas
da
em
Plataforma
AEROGRAF como um ambiente de integração e de
visualização.
Pesquisa Operacional - as pesquisas realizadas nesta
área buscam tratar problemas de otimização relacionados à
eficiência da cobertura gerada por sensores operando de
forma geograficamente distribuída e a geração de métricas
de avaliação. Os resultados destas pesquisas objetivam
ganhos efetivos de consciência situacional em um processo
de tomada de decisão.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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EFEITOS DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM DISPOSITIVOS E MATERIAIS DE USO
AEROESPACIAL
O desenvolvimento de qualquer projeto visando aplicações espaciais ou aplicações aeronáuticas
em vôos de grande altitude deve considerar os efeitos que a contínua ação da radiação cósmica provoca
em materiais, componentes e tripulações.
Os sistemas espaciais estão sujeitos diretamente à radiação cósmica primária de origem solar e
galáctica, cuja composição, energia e fluxo de partículas variam fortemente com o tipo de órbita
percorrida (órbita baixa, geoestacionária, etc), de forma que a composição do campo de radiação e os
seus efeitos devem ser conhecidos para que medidas corretivas possam ser consideradas no projeto de
equipamentos que deverão operar por tempo prolongado imersos em um ambiente com radiação
ionizante permanente.
Já o ambiente de radiação ionizante aeronáutico é
caracterizado pela radiação cósmica que atinge a Terra e
interage com a atmosfera terrestre. Parte destas partículas é
defletida pelo campo magnético terrestre, enquanto, outra
parte, dependendo da energia da partícula, do ângulo de
incidência e da latitude geomagnética, atravessa o mesmo.
Quando isto ocorre, as partículas primárias da radiação
cósmica interagem com os átomos da atmosfera formando
chuveiros secundários de radiação que impactam a Terra, principalmente a troposfera e a baixa
estratosfera.Tanto o ser humano quanto a aeronave e os seus dispositivos eletrônicos estão inseridos
neste ambiente, sendo, desta forma, expostos continuamente à radiação ionizante de origem cósmica,
causando preocupações nas áreas de saúde ocupacional, proteção radiológica e segurança de vôo. Esta
necessidade motivou diversos estudos sobre este assunto publicados na literatura internacional
especializada nas duas últimas décadas, bem como estudos mais recentes para a proposição de normas
para a certificação de equipamentos eletrônicos embarcados em sistemas críticos para a segurança da
aeronave, quanto à sua tolerância à radiação ionizante.
De uma maneira genérica, quando instrumentos eletrônicos são operados sob radiação ionizante,
estes sofrem efeitos adversos no seu desempenho, resultantes da interação da radiação com seus
componentes básicos. Em circuitos eletrônicos estes efeitos aparecem como uma mudança transitória
ou permanente dos parâmetros elétricos dos componentes do circuito, seu mau funcionamento ou, até
mesmo, sua falha completa e inoperacionalidade. Estes efeitos podem ser classificados como
transientes ou acumulativos, podendo, também, ser reversíveis ou não reversíveis.
Os efeitos transientes (SEE, do inglês "Single Event Effects") estão geralmente associados à
coleta rápida de cargas elétricas liberadas em uma região sensível do dispositivo pela passagem de uma
partícula muito ionizante, causando um pulso elétrico espúrio no circuito atingido.
Os efeitos acumulativos são devidos a dois mecanismos diferentes: (i) aprisionamento das cargas
liberadas pela radiação nos óxidos ou nas interfaces de semicondutores e (ii) formação de defeitos na
rede cristalina do semicondutor. O primeiro é causado por toda radiação direta ou indiretamente
38
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
ionizante (Dose Ionizante Total ou TID, do inglês, "Total Ionizing Dose") e o segundo é causado pelo
deslocamento de átomos da rede cristalina (Dano por Deslocamento ou DD, do inglês, "Displacement
Damage"). Os efeitos de TID dependem da dose total acumulada ao longo do tempo de exposição do
componente à radiação.
Para emprego em missões espaciais os componentes eletrônicos devem ser previamente
qualificados quanto à sua tolerância à radiação, tanto para TID, quanto para os SEE, e, quando
adquiridos, devem ser submetidos a testes de aceitação de lote.
As condições de teste e critérios de aceitação são estabelecidos
em normas internacionalmente empregadas no setor espacial,
como as normas americanas MIL e européias ESA/SCC.
As pesquisas nestes temas citados são conduzidas com
apoio do Laboratório de Radiação Ionizante (LRI), Laboratório de
Caracterização
de
Dispositivos
Semicondutores
(LCDS)
e
Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA). No LRI são
realizadas as irradiações de dispositivos e circuitos com radiação gama e nêutrons, no LCDS são
montados os arranjos experimentais, sistemas de aquisição de dados e realizadas as medidas elétricas
e no LDA são desenvolvidas técnicas e sistemas dosimétricos específicos para aplicações aeroespaciais
e são realizadas as medidas dosimétricas destes campos específicos de radiação, seja em laboratório
ou em vôo de aeronaves.
Os objetivos da linha de pesquisa são o estudo experimental dos efeitos da radiação ionizante em
componentes eletrônicos analógicos e digitais e sistemas de emprego aeronáutico e espacial, o
desenvolvimento de dosímetros para uso em aeronaves e simulação computacional e dosimetria de
campos mistos de radiação no ambiente aeronáutico e espacial.
O grupo de pesquisa está consolidado desde o ano de 2010, está registrado no diretório de grupos
de pesquisa do CNPq e conta com a participação de professores e alunos da UFRGS e do INPE.
Existem colaborações estabelecidas com a ONERA (França) e estão sendo firmadas também
colaborações com a Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC) e Empresa Brasileira da Aeronáutica
(EMBRAER).
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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ENGENHARIA VIRTUAL (LEV)
As principais atividades do grupo de pesquisa de engenharia virtual encontram-se na aplicação de
métodos numéricos, de meta-heurísticas e de processamento paralelo para solução de problemas
complexos em Ciências e Engenharia e na validação experimental dos códigos desenvolvidos.
Atualmente, grande parte das ações do grupo estão voltadas para o desenvolvimento de programas
computacionais para análise e auxílio ao projeto otimizado de dispositivos semicondutores que utilizam
nanoestruturas baseadas em pontos e poços quânticos. Além disso, o LEV atua no desenvolvimento de
ferramentas computacionais para simulação de plasmas, resolução de problemas inversos e simulação
de espectros de emissão de moléculas diatômicas. Frameworks para implementação de metaheurísticas e sistema de gerenciamento robusto de clusters heterogêneos e não dedicados também
fazem parte dos trabalhos desenvolvidos no laboratório. O sistema de gerenciamento de clusters permite
que computadores com um ou múltiplos núcleos de processamento, executando sistemas operacionais
Windows e/ou Linux sejam agregadas dinamicamente a um processamento paralelo. Com esse sistema,
é possível agregar de forma rápida e fácil, independentemente da localização física, todos os recursos
computacionais do laboratório e utilizá-los como um supercomputador que pode conter, atualmente, mais
de 100 unidades de processamento. Esse sistema vem sendo utilizado na otimização computacional de
dispositivos semicondutores.
Participação em Projetos de Interesse Estratégico
 Sensores de infravermelho baseados em nanoestruturas semicondutoras
Objetivo: desenvolvimento de fotodetectores de
infravermelho baseados na tecnologia de poços e pontos
quânticos
(nanotecnologia)
caracterizados
por
alta
detectividade e alta seletividade. Espera-se abordar
integralmente no País todo o ciclo de desenvolvimento, do
projeto à produção dos dispositivos.
Detalhe do posicionamento das agulhas da
estação de prova em uma amostra de
QWIP
Colaborações: colabora com várias universidades
e institutos de pesquisa do Brasil, no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em
Nanodispositivos Semicondutores (INCT-DISSE) tais como USP, UFMG, PUC-RJ, UFSCar, UFAM, UFU,
dentre outras.
Financiamento de projetos: CNPq, FINEP, AEB.
Atuação: desenvolvimento de ferramentas computacionais para o auxílio ao projeto e análise de
dispositivos semicondutores nanoestruturados, caracterização experimental elétrica e óptica. Análises de
estruturas e dispositivos envolvem interação contínua com o grupo experimental que atua nos
Laboratórios de Caracterização de Dispositivos Semicondutores, LCDS, e Laboratório de Radiometria e
Caracterização de Sensores Eletro-ópticos, LaRaC. Essa interação permite avaliar e validar os modelos
matemáticos e computacionais desenvolvidos e reforça o uso dos programas computacionais para a
otimização de projetos e para o estudo de novas configurações.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Pós-Graduação: sete projetos de pós-graduação voltados para o desenvolvimento de modelos
computacionais, de métodos numéricos e de desenvolvimento e caracterização experimental estão em
andamento.
 Acelerômetros MEMS
Objetivo: desenvolvimento de acelerômetros de estado sólido.
O objetivo principal é a fabricação de dispositivos MEMS projetados no
Brasil, com aplicações civis e militares.
Colaborações: EPUSP (Laboratório de Sistemas Integráveis LSI), CSEM (Brasil/Suíça).
Financiamento: CNPq/AEB, FINEP.
Atuação: O Grupo desenvolve modelos analíticos e realiza
simulações computacionais para a análise de desempenho e
otimização dos dispositivos. O desenvolvimento experimental é
realizado no LSI e a caracterização elétrica em outros laboratórios do
IEAv e do IAE.
Imagem de dispositivos desenvolvidos no LSI/EPUSP.
Pós-Graduação: dois projetos de pós-graduação estão em andamento
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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FOTÔNICA EM SILÍCIO
Acompanhando desenvolvimentos tecnológicos emergentes, o Grupo de Fotônica em Silício
realiza estudos, projetos, simulações e caracterização de dispositivos de Óptica Integrada em Silício e
prospecta trabalhos de cooperação com Centros que fabricam e estudam dispositivos nesta plataforma.
O interesse nesse campo de pesquisa acompanha o maciço investimento de grandes empresas
de microeletrônica, como IBM, Intel e NTT, em busca de utilizar para a fotônica integrada a mesma
plataforma utilizada em chips de microeletrônica. Assim, agregam a seus componentes potencialidades
como comunicação óptica intra- e inter-chips, e, ao mesmo tempo, se beneficiam da utilização de
processos de fabricação consagrados e equipamentos já presentes na multibilionária indústria eletrônica.
Esses investimentos são guiados por roadmaps que analisam o futuro da microfabricação, onde se prevê
que a Lei de Moore (Figura 1) da microeletrônica deverá continuar atual, o que requer formas de
comunicação que não padeçam das limitações intrínsecas a condutores metálicos (conhecidas como
electronic bottleneck) em que o aumento do clock é acompanhado de forte atenuação do sinal
propagante.
Figura 1. “Lei de Moore”: Número de transistores nos microprocessadores dobra a cada 2 anos.
A possibilidade de substituição de elétrons por fótons, em algumas funcionalidades, como
portadores básicos de informação em micro e nanodispositivos mais rápidos e eficientes, deu origem à
Fotônica Integrada em Silício. A convergência com a Nanotecnologia foi uma conseqüência evolutiva
natural, gerando a terminologia Nanofotônica. As propriedades físicas (ópticas, eletrônicas e
mecânicas) de estruturas nanométricas em silício podem diferir significativamente daquelas em
estruturas macroscópicas ou mesmo em escalas micrométricas, dependendo do formato, dimensões,
orientação cristalina, relação superfície/volume, etc.
42
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Além da aplicação direta da Fotônica Integrada em Silício na área da micro/nanoeletrônica, como
ilustrado na Figura 2, descortina-se uma infinidade de aplicações emergentes que podem tomar
dimensões tão relevantes quanto a da micro/nanoeletrônica. Exemplos típicos são aplicações em
telecomunicações, em sistemas sensores e bio-sensores altamente integrados, em estudos recentes de
criptografia quântica utilizando efeitos de Four-Wave Mixing, e em aplicações que envolvem
micromáquinas optoeletromecânicas e suas variações. Em virtude de suas propriedades ópticas,
mecânicas e eletrônicas, o leque de aplicações do silício abrange promissoramente todas essas áreas e
suas respectivas interseções. Portanto, o silício continua a desfrutar de posição privilegiada para
inovação tecnológica neste alvorecer do século XXI, e a Fotônica Integrada em Silício tem o potencial de
prover novo impulso à micro/nanoeletrônica em geral.
Recentes avanços em modulação óptica e/ou eletroóptica em silício, ou em dispositivo
assimétricos como ilustrado na Figura 2, bem como em amplificação óptica usando o efeito Raman e o
efeito Four-Wave Mixing, além de demonstrações de fontes ópticas laser, ampliaram ainda mais o leque
de aplicações da Fotônica Integrada em Silício, ratificando sua relevância estratégica em diversas áreas
da ciência e da tecnologia.
Figura 2. À esquerda, resultado de trabalho de pesquisadores do IEAv em parceria com pesquisadores do Caltech,
ilustrada na capa da edição de fevereiro de 2013 da revista Nature Materials®. À direita, imagem por Microscópio de
Varredura Eletrônica de um acoplador direcional feito em Fotônica Integrada em Silício.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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LASERS E APLICAÇÕES
O Grupo de Pesquisa foi criado com o objetivo de desenvolver tecnologias nacionais de lasers e
sistemas de espectroscopia com lasers para suportar o programa de enriquecimento de urânio via lasers
iniciado em 1978 no CTA. O Grupo desenvolveu as tecnologias de lasers de vapor de cobre e ouro, de
Cu-HBr, sistemas de lasers e amplificadores de corante de alta potência, lasers de CO 2 contínuos e
pulsados. O enriquecimento de urânio metálico com lasers foi obtido em laboratório, com a identificação
das linhas de transição apropriadas para a fotoionização seletiva de isótopos e a implementação de uma
câmera de evaporação instrumentada para detectar e coletar o vapor de Uranio metálico. A experiência
de mais de trinta anos em desenvolvimento de lasers, processos de interação laser-matéria e
espectroscopia levaram a diversificação das linhas de pesquisa do Grupo: aplicações industriais de
lasers para o setor aeroespacial e metalomecânico e pesquisa básica em separação isotópica de outros
materiais. Estas atividades são desenvolvidas em dois laboratórios principais:
Laboratório de Espectroscopia e Fotoionização Seletiva
Neste laboratório se investiga o processo de separação isotópica via laser de Terras Raras (Nd, Er
e Dy) e de Molibdênio. O laboratório está equipado com 3 sistemas de lasers de corante pulsados de
alta potência, um laser de corante contínuo em anel de alta resolução com dobrador de frequência, um
laser de Ti-Safira e sistemas completos de espectrometria óptica e de massa.
Em 2014 obteve-se o primeiro resultado de medição precisa de desvio isotópico de Nd por meio
de espectroscopia opto-galvânica intermodulada. O estudo do processo de ablação a laser é outra tema
de interesse do Grupo. A fotoionização seletiva por laser aplicada em um jato de vapor neutro gerado
por meio de ablação a laser é uma alternativa inovadora e mais eficiente para se obter isótopos de terras
raras com redução de custo.
Nesta aplicação, são utilizados lasers pulsados de Nd-YAG (532 nm e 355 nm) de alta taxa de
repetição (20 kHz) e recentemente foi instalado um laser de Nd-YAG UV (355 nm) que emite pulsos com
energia de 300 mJ. Com isto será possível gerar um maior volume de vapor por pulso e estudar
plasmas com temperaturas mais elevadas. Uma câmera de ablação em vácuo, muito compacta e
acoplada a um sistema de movimentação controlado por computador se encontra operacional e permite
medir por espectroscopia a taxa de expansão e a temperatura do vapor gerado pelo laser.
Sistema oscilador/amplificador de
Lasers de corante de alta potencia
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Espectroscopia Optogalvânica
Intermoduladada de Nd e Dy
Sistema compacto de ablação a
laser em vácuo
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Laboratório de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica (Dedalo)
Criado para fomentar o uso das tecnologias de processamento a laser nas indústrias e
desenvolver inovações em setores estratégicos o Dedalo possui diversas fontes de laser: lasers de
Nd:YAG pulsados, lasers de Yb:fibra pulsado (20 W) e contínuo (2 KW) e lasers de CO2 RF de 100 W.
Os desenvolvimentos das aplicações industriais e avançadas das tecnologias de laser são conduzidas
com o apoio de sistemas de movimentação de peças automatizados de padrão industrial, como mesas
CNC e cabeçotes de gravação além de equipamentos para análise e ensaio dos materiais tratados com
laser, como : DRX, micro-durômetro, máquinas de ensaios mecânicos, microscópios óticos e de
varredura de elétrons. Esta infraestrutura única no país é utilizada no desenvolvimento de aplicações
industriais e científicas de lasers em parceria com diversas empresas e instituições de pesquisa do país
e do exterior.
As aplicações de laser em curso no laboratório são: soldagem de estruturas e componentes
aeronáuticos e espaciais, tratamento térmico, texturização e estruturação de superfícies com lasers e
aplicação de revestimentos cerâmicos por laser.
Neste ano, foi instalada uma nova mesa de processo CNC de 4 eixos com área útil de 1,20 m x
1,80 m o que permitiu a soldagem de um painel estrutural de alumínio, com dimensão similar ao de
estruturas aeronáuticas reais. A união de chapas de titânio classe 5 (Ti-Al-V) com uso de laser, seguido
de tratamento térmico em câmara a plasma, foi outro destaque neste ano. Os resultados obtidos na
resistência em tração e fadiga rotativa são semelhantes ao material de base sem solda. O processo de
união deste material é complexo e o sucesso obtido no domínio desta tecnologia deve aprimorar seu uso
na área aeroespacial. Da mesma forma, os primeiros resultados de soldagem a laser entre dois materiais
dissimilares, Ti6Al4V e alumínio aeronáutico AA6013, oferecem uma nova alternativa de união de
componentes de aeronaves com maior resistência a corrosão.
Na área de revestimentos e sinterização a laser, destacam-se dois importantes resultados
recentes: a demonstração da viabilidade dos processos de deposição via laser em metal de
revestimentos de ligação de MCrAlY e de sinterização a laser de Inconel e Stellite. O domínio destes
processos é fundamental para estabelecer uma tecnologia nacional de fabricação de componentes e de
revestimentos de barreira térmica utilizados em turbinas.
Soldagem de um painel estrutural na
Aplicação de revestimentos em
Sinterização de Stellite com laser de
mesa CNC de 4 eixos
metais com laser de CO2
baixa potência
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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ÓPTICA APLICADA
Atuando há mais de 25 anos, o Grupo de Óptica Aplicada dedica-se ao projeto, desenvolvimento e
avaliação de componentes ópticos de precisão. A obtenção destes componentes envolve um conjunto de
atividades seqüenciais e interdependentes, que devem resultar em superfícies com a geometria
desejada e com baixíssima rugosidade, obtidas por sucessivos processos de esmerilhamento e de
polimento. Tipicamente, para um componente óptico que vá atuar na faixa do visível, rugosidades da
ordem de poucos nanometros são esperadas. Após esta etapa, chamada de produção do substrato, há o
revestimento da(s) superfície(s) com filmes finos e a sua caracterização. Estes revestimentos podem
atuar como camadas refletoras, anti-refletoras ou parcialmente refletoras.
Fazem parte das atividades desenvolvidas: o estudo de técnicas de usinagem, esmerilhamento
e polimento, utilizando equipamentos de alta rotação e ferramentas diamantadas; avaliação da
qualidade superficial, por perfilômetro, rugosímetro e interferômetro; deposição de filmes finos antirefletores ou refletores e a avaliação da transmitância ou refletância dos mesmos; estudo das
propriedades ópticas dos filmes finos, como função dos parâmetros e técnicas de deposição
utilizadas. Há ênfase também na formação de Recursos Humanos, com especial participação de
alunos de Iniciação Científica de IES da região, tais como: UNIFESP, UNIVAP, UNIP, UNICAMP,
USP – Lorena, FEG-UNESP, dentre outras.
Ajuste mecânico de prato de trabalho e resultado de calibração intermediária semanal do padrão de plano.
Nos últimos cinco anos tem atuado mais especificamente no desenvolvimento de Substratos de
Carbono Vítreo e de Carbeto de Silício. O objetivo destes estudos é o desenvolvimento de substratos de
baixa massa específica para a utilização em óptica de imageamento para satélites, que já resultaram no
depósito de patentes. Estes trabalhos são financiados por projetos da FINEP e do CNPq, visando
também à formação de RH para o setor aeroespacial.
46
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Rota de produção de substratos de SiC para aplicações aeroembarcadas.
Presta-se também serviços de fabricação de componentes ópticos, medição e calibração para o
DCTA e outras instituições ligadas ao ensino, à pesquisa e ao desenvolvimento, tais como: USP,
UNICAMP, UNESP, INPE, INMETRO. Dá assistência a empresas na área de medição de rugosidade e
planeza. O Grupo de Óptica Aplicada é composto de cinco doutores, três mestres, dois técnicos e quatro
alunos de mestrado, 14 de IC e um estagiário.
3,04
Ra (micrometros)
2013
3,03
3,02
3,01
17/3
6/5
25/6
14/8
3/10
22/11
11/1
Data da medição
Resultado de calibrações intermediárias semanais do padrão de rugosidade e o rugosímetro utilizado.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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SENSORES A FIBRA ÓPTICA
O Grupo de Pesquisas do CNPq/IEAv Sensores a Fibra Óptica foi criado em 1985 e é constituído
por 14 pesquisadores de diversas áreas e, neste momento, colaboram com as pesquisas 2 estudantes
em programas de iniciação científica e pós-graduação e 4 técnicos para apoio em eletrônica. As
principais linhas de pesquisa são sensores a fibra óptica, interferometria, processamento de sinais,
óptica Integrada, optoeletrônica e nanofotônica.
Atualmente a equipe realiza pesquisas em sensores inerciais a fibras ópticas (giroscópios e
acelerômetros), sensor de deslocamento angular a fibra óptica aplicado à inspeção não-destrutiva,
estabilização de fontes superfluorescentes em fibras dopadas com érbio para aplicações em giroscópios
de alta performance, grades de Bragg em fibra (FBG), grades de Bragg de longo período em fibras
(LPG), óptica integrada em substratos de vidro, niobato de lítio e em silício.
O Grupo conta com as facilidades laboratoriais do IEAv e em especial o Laboratório de Sensores a
Fibra Óptica (LSFO), o Laboratório de Optoeletrônica (LOE) e o Laboratório de Óptica Integrada (LOI).
Parte dos equipamentos da sala limpa do Laboratório de Óptica Integrada (LOI): Microscópio confocal e evaporadora para
deposição de filmes finos
Resumo dos trabalhos desenvolvidos pelo do grupo:
1) Junho de 1998: ensaio em vôo de helicóptero de um protótipo de um Giroscópio a Fibra Óptica
(GFO), para caracterização de seu funcionamento em ambiente aeronáutico;
2) Março de 1999: ensaio em vôo de foguete VS-30 de GFO totalmente desenvolvido pelo grupo;
demonstrou funcionamento em ambientes de fortes acelerações, de microgravidade e espacial. O bemsucedido experimento foi divulgado nos meios científicos e na sociedade;
48
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
3) Sensor de corrente elétrica a fibra óptica: construído em 1999 um protótipo de laboratório,
demonstrando-se a viabilidade técnica de um subproduto da pesquisa em GFO;
4) Sistema de aquisição e processamento de sinais interferométricos: construído em 1999, permite
a caracterização de parâmetros de sensores interferométricos a fibra óptica com grande precisão;
5) Grades de difração em fibras ópticas: sistema de fabricação encontra-se operacional desde
1999;
6) Iniciado em 2000 o projeto “Desenvolvimento de fontes superfluorescentes para giroscópios de
alta performance”, financiado pela FAPESP - Processo 99/10403-6;
7) Sensores distribuídos: pesquisa realizada em 1999, utilizando o efeito Brillouin estimulado em
fibra óptica, ganha o segundo lugar do Prêmio Petrobrás de Tecnologia em Dutos do ano 2000;
8) Construção de bloco girométrico a fibra óptica (três GFO) para a Marinha do Brasil, entregue
em 2001;
9) Iniciado em 2004, o projeto "Acelerômetro Opto-Mecânico Baseado em Grades de Bragg em
Fibras Ópticas" (AOM), financiado pela FINEP;
10) Iniciado em 2004, o projeto "Bloco Girométrico Miniaturizado a Fibra Óptica para utilização no
Míssil MAR-1" (GIROMAR);
11) Iniciado em 2006, o projeto de "Sistemas Inerciais para Aplicação Aeroespacial" (SIA), para
satélites e veículos lançadores, financiado pela FINEP;
12) Iniciado em 2006 e concluído em 2011, projeto de "Chip Optoeletrônico para Giroscópios e
Acelerômetros a Fibra Óptica" (CHIPOPTO), financiado pela FINEP;
13) Concluído com sucesso, em 2008, o projeto (GIROMAR); e
14) Iniciada em 2008, fase operacional do Laboratório de Óptica Integrada (LOI).
Giroscópios a fibra óptica com eletrônica para o VLS.
Projeto FINEP-SIA.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Girômetros a fibra óptica com eletrônica para o
MAR. Projeto FINEP-GIROMAR.
49
SENSORIAMENTO REMOTO
A Subdivisão de Sensoriamento Remoto do IEAv tem por missão desenvolver o conhecimento
científico e tecnológico nos campos de sensores, processamento de imagens, sensoriamento remoto e
geoprocessamento para a Força Aérea Brasileira.
A Subdivisão de Sensoriamento Remoto também ministra cursos básicos, avançados e de
reciclagem, desenvolve atividades de pesquisa básica e aplicada nos campos do sensoriamento remoto
e do processamento de imagens digitais, bem como presta serviços de consultoria técnico-especializada
ao governo e à iniciativa privada.
Fazem parte das atividades desenvolvidas:
- Geomática: a equipe em Geomática desenvolve pesquisas e trabalhos de engenharia nas áreas
de GNSS (Global Navigation Satellite System), Geoprocessamento e Fotogrametria Digital;
- Inteligência com Imagens: desenvolve técnicas para extração de informações a partir imagens, e
pesquisa técnicas para tratamento e realce de imagens a fim de detectar objetivos de interesse;
Laboratório de IMINT e uso do programa Aerograf INT nas atividades de extração de informações.
- Radiometria e Caracterização de Sensores Eletroópticos: desenvolve metodologias para
viabilizar a utilização de sensores eletroópticos imageadores para a obtenção de informações de
propriedades físicas de materiais da superfície terrestre: temperatura, reflectância, transmitância e/ou
emissividade;
Esfera Integradora do Lab. de Calibração de sensores
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
- Sistemas Autônomos Aeroembarcados: desenvolve pesquisas em sistemas autônomos
aeroembarcados, tais como: sistemas de navegação com estimação automática de posição baseada em
imagens; sistemas de reconhecimento automático de alvos; sistemas de processamento de imagens;
sistemas de estereoscopia; e
Plataformas de testes e Lab. de desenvolvimento de sistemas autônomos
- Sistemas Imageadores: desenvolvimento e caracterização de sistemas sensores de
imageamento.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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SISTEMAS ELETROMAGNÉTICOS
O Grupo de Pesquisas do CNPq/IEAv de Sistemas Eletromagnéticos foi criado em 2006 e é
constituído por 12 pesquisadores doutores de diversas áreas e, neste momento, colaboram com as
pesquisas 19 estudantes em programas de Iniciação Científica, Mestrado e Doutorado.
A equipe de pesquisadores realiza pesquisas sobre os efeitos de um ambiente eletromagnético
3
(E ) sobre as pessoas, equipamentos e/ou sistemas. Também desenvolve tecnologias necessárias para
a avaliação eletromagnética do ambiente, tais como sensores de corrente, de presença de RF,
magnetoelásticos, de campos eletromagnéticos (DC/AC, RF), magnetômetros, supressores de RF,
blindagens etc. Para o desenvolvimento dessas tecnologias avançadas são consideradas as áreas de
micro-ondas, materiais e biomédicas. O grupo dispõe de infraestrutura para:
i. caracterizações eletromagnéticas (DC - 40 GHz) e térmica (-40 graus até 120 graus) de
materiais e sistemas;
ii. avaliações de ambientes eletromagnéticos (DC - 26,5 GHz);
iii. metalurgia de cerâmicas;
iv. ensaios de sensores magnéticos - calibração;
v. desenvolvimento de projetos eletromagnético e térmico de sistemas, utilizando ferramentas
CAE/CAD comerciais e rotinas computacionais desenvolvidas pelo grupo;
vi. análise de espalhamento eletromagnético e RCS, utilizando-se ferramentas CAE/CAD
comerciais e rotinas computacionais desenvolvidas pelo grupo;
vii. caracterização estrutural de materiais em escala micro- e nanométrica; e
viii. análise eletromagnética em micro e nano regiões (AFM e MO).
Os Laboratórios de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) e Materiais Eletromagnéticos (LME) são
credenciados junto à Agência Nacional de Petróleo para P&D e serviços nas áreas de caracterização
eletromagnética de materiais, EMC/EMI e projeto de dispositivos e estruturas com ferramentas CAE/CAD
eletromagnéticas.
Os
profissionais
também
desenvolvem
atividades
para
atender
objetivos
exclusivamente sociais e garantir a melhoria da qualidade de vida do cidadão, oferecendo estágios nos
Laboratórios para especialistas da área de sensores aeroespaciais, ministrando palestras sobre os
efeitos da radiação eletromagnética em seres vivos e auxiliando o poder público em normas e leis de
regulamentação ambiental. O grupo, desde 1992, já conta com 12 depósitos de patentes e 6 patentes
concedidas.
Figura 1. (a) Ambiente multidisciplinar para a pesquisa inovadora e (b) treinamento especializado: Físicos, Químicos,
Engenheiros Eletricistas, Mecânicos, de Materiais, de Computação, Ambiental e de Controle e Automação.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Figura 2. Instrumentação Científica atualizada na área de caracterização eletromagnética de materiais e ferramentas
CAE/CAD eletromagnéticas.
As principais linhas de pesquisas do grupo são:
a.
Ambiente eletromagnético;
b.
Sensores eletromagnéticos com aplicações aeroespaciais;
c.
Calibração de sensores;
d.
Caracterização eletromagnética de materiais;
e.
Efeitos da Radiação Não-Ionizante (RNI) em tecidos biológicos;
f.
Ferramentas CAE/CAD eletromagnéticas;
g.
Materiais magnéticos e dielétricos;
h.
Processamento e caracterização de materiais cerâmicos; e
i.
Radar Cross Section (RCS).
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TECNOLOGIA NUCLEAR ESPACIAL
O Grupo de Tecnologia Nuclear Espacial foi criado no ano de 2009. A finalidade do grupo é olhar
os múltiplos aspectos da tecnologia nuclear aplicada na geração de potência elétrica, calor e efeitos
propulsivo em sistemas espaciais. Neste aspecto estão incluídos como sistemas espaciais, os seguintes:
satélites, naves espaciais, e sistemas de superfície, entre outros. Pode-se entender como sistemas
nucleares os microrreatores nucleares (com potência térmica no núcleo no entorno ou inferior a 1 MW),
Geradores Termoelétricos a Radioisótopos (GTR, ou da sigla Inglesa RTG) e os sistemas de engenharia
associados que auxiliem ou estejam relacionados aos mencionados anteriormente, tais como, reatores
rápidos, novos combustíveis, ciclos térmicos (Brayton e Stirling), turbina passiva multifluido ou de Tesla,
tubos de calor e seus sistemas, motores iônicos e a plasma, propulsores nucleares térmicos, dentre
outros. Uma semente do grupo já existia desde 2003 no Instituto de Estudos Avançados, OM do
Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial do Comando da Aeronáutica, como pode ser
atestado pelas publicações Lattes dos pesquisadores constituintes do Grupo. A experiência do Grupo foi
construída ao longo de pelo menos duas décadas. Os principais projetos Institucionais aos quais os
membros do grupo estiveram envolvidos foram: o projeto AMAZONAS (1984-1988) que tratou do
desenvolvimento conceitual de um reator rápido de potência para o cenário elétrico Nacional; o projeto
RESPA (1988-1992) que acompanhou o desenvolvimento da tecnologia de reatores espaciais da época;
e o projeto REARA (1992-1999) que propôs o desenvolvimento conceitual de um reator rápido
experimental. Atualmente, o grupo está envolvido com o projeto TERRA - TEcnologia de Reatores
Rápidos Avançados. O projeto TERRA classifica-se como de P&D e enfatiza a comprovação
experimental e a formação de RH. O sistema nuclear que se deseja desenvolver deverá ser aplicado em
veículos espaciais brasileiros. No entanto, vislumbra-se sua utilização, com modificações adequadas, em
locais inóspitos, a exemplo do leito oceânico, gerando energia elétrica e/ou calor para sistemas de
extração de petróleo, podendo incluir seqüestro de carbono. Devido ao seu tamanho reduzido a micro
usina nuclear poderia ser utilizada em locais não servidos pela malha elétrica Nacional em situações
especiais.
Curso de micro processador Arduino, sendo ministrado no Laboratório Computacional de Tecnologia Nuclear. Este tipo
de micro processador será usado para controlar e realizar aquisição de dados nos experimentos de Laboratórios.
54
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Primeira concepção do combustível nuclear na forma esferas e sua agregação dentro de tubos hexagonais formando o
núcleo do microrreator rápido brasileiro.
Primeira turbina passiva multifluido gerando 55 W e produzindo energia elétrica para acender uma lâmpada de farol de
automóvel. Fotografia Schlieren do jato de air comprimido da segunda turbina passiva multifluido produzida no IEAv.
Máquina Stirling doada pela EMBRAPA desmontada. Maquina Stirling desmontada, produzida no IEAv, baseada na
máquina doada pela EMBRAPA.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
55
TEORIA DE TRANSPORTE DE PARTÍCULAS
O Grupo de Pesquisa em Teoria de Transporte de Partículas foi criado no Instituto de Estudos
Avançados (IEAv) em 1984 e, desde então, vem realizando pesquisas em métodos analíticos e
numéricos para a solução da equação de Boltzmann. As áreas de aplicação predominantes são a
Nuclear e a Espacial.
O grupo se dedica a três linhas de pesquisa: Transporte de Nêutrons, Transferência Radiativa e
Dinâmica dos Gases Rarefeitos.
Na linha de pesquisa “Transporte de
Nêutrons”, o objetivo é o desenvolvimento de
métodos
de
solução
para
a
equação
de
transporte de nêutrons em Física de Reatores,
tanto para problemas de criticalidade como para
problemas de fonte fixa e fonte externa. Ao longo
dos anos, os trabalhos do grupo abordaram os
seguintes métodos: harmônicos esféricos (PN),
ordenadas discretas, facile (FN) e probabilidades
de colisão.
Na
linha
de
pesquisa
“Transferência
Radiativa”, o grupo visa o desenvolvimento de
métodos
de
transferência
solução
radiativa,
para
a
incluindo
equação
efeitos
de
como
polarização e mudança no índice de refração. Os
trabalhos nesta linha são baseados nos métodos
PN, FN e ordenadas discretas.
Finalmente, na linha de pesquisa “Dinâmica
dos Gases Rarefeitos”, o grupo desenvolve trabalhos
sobre a equação de Boltzmann linearizada e modelos
cinéticos para gases simples e misturas, utilizando o
método de ordenadas discretas.
56
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Alguns trabalhos publicados nos últimos cinco anos:
Garcia, R. D. M.; Siewert, C. E., On the dispersion function for complex values of the parameter c,
Annals of Nuclear Energy, Volume: 69, Pages: 203 - 204, Published: JUL 2014.
Garcia, R. D. M., The analytical discrete ordinates method for a one-dimensional model of neutral
particle transport in ducts, Nuclear Science and Engineering, Volume: 177, Pages: 35 - 51, Published:
MAY 2014.
Garcia, R. D. M., Radiative transfer with polarization in a multi-layer medium subject to Fresnel
boundary and interface conditions, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume:
115, Pages: 28 - 45, Published: JAN 2013.
Garcia, R. D. M.; Siewert, C. E., A simplified implementation of the discrete-ordinates method for a
class of problems in radiative transfer with polarization, Journal of Quantitative Spectroscopy and
Radiative Transfer, Volume: 112, Pages: 2801 - 2813, Published: DEC 2011.
Garcia, R. D. M.; Siewert, C. E., Viscous-slip, thermal-slip, and temperature-jump coefficients
based on the linearized Boltzmann equation (and five kinetic models) with the Cercignani-Lampis
boundary condition, European Journal of Mechanics BFluids, Volume: 29, Pages: 181 - 191, Published:
MAY - JUN 2010.
Garcia, R. D. M.; Siewert, C. E., On the use of a nascent delta function in radiative-transfer
calculations for multi-layer media subject to Fresnel boundary and interface conditions, Journal of
Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume: 111, Pages: 128 - 133, Published: JAN 2010.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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TERMO-HIDRÁULICA
O Grupo de Pesquisa de Termo-hidráulica atua há mais de 29 anos em pesquisa e
desenvolvimento nas áreas de transferência de calor e mecânica dos fluidos, com aplicação em reatores
nucleares e sistemas aeroespaciais.
As Figuras 1 e 2 apresentam a malha computacional e a distribuição de temperatura obtidas com
o software FLUENT para o núcleo do microrreator nuclear do projeto TERRA, respectivamente.
Figura 1. Malha computacional para o elemento combustível do reator.
Figura 2. Distribuição de temperatura no elemento combustível.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
As principais áreas de atuação são:
1. Estudos de núcleos de reatores nucleares, trocadores de calor, geradores de vapor e circuitos
primário e secundário de sistemas de transporte de calor em reatores nucleares;
2. Análises de acidentes em reatores nucleares considerando a atuação de sistemas de
segurança ativos e passivos;
2. Os seguintes softwares são utilizados para análises termo-hidráulicas e estudos de acidentes
em reatores nucleares: FLUENT, RELAP5, COBRA-4/COBRA-EN e COTHA;
3. Estudos experimentais de tubos de calor, sistemas de transporte de calor, bombas
eletromagnéticas, circuitos experimentais a mercúrio e circuito monofásico à água para ensaios de
circulação natural;
4. Solução de equações diferenciais por métodos numéricos (volumes finitos, diferenças finitas,
elementos finitos, coordenadas generalizadas, etc); e
5. Desenvolvimento de softwares para simulação computacional de fenômenos físicos nas
linguagens C, C++ e FORTRAN.
O grupo participou ou ainda atua nos seguintes projetos institucionais: AMAZONAS - Análise
temo-hidráulica e de segurança de reatores rápidos refrigerados a sódio - IEAv (1984-1988); RESPA Análise termo-hidráulica de reator espacial refrigerado a lítio - IEAv (1988-1992); REARA - Análise
termo-hidráulica de reator rápido experimental refrigerado a sódio - IEAv (1992-1999); SARA - Análise
térmica do satélite durante a fase de reentrada - IEAv e AEB (2000-2001); SATER - Controle térmico do
satélite durante a fase orbital - IEAv e IAE (2002-2010); LABGENE - Análise termo-hidráulica do núcleo
de um reator tipo PWR - IEAv e CTMSP (2001-2007); TERRA - Tecnologia de Reatores Rápidos
Avançados - IEAv (desde 2008); JA1 - Análise termo-hidráulica de fusão de metais com o FLUENT IEAv (desde 2008).
O grupo conta com os seguintes alunos: Rodolfo Jordão e Rafael Eugênio Borges.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Concepção artística de um rebocador espacial nuclear
Projetos do IEAv
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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PROJETOS ESTRATÉGICOS ORÇAMENTÁRIOS DO IEAv
Projeto:
Processo Atômico de Separação Isotópica a Laser - Terras Raras (PASIL)
Projeto:
Processamento de Imagens em Tempo Real (PITER)
Projeto:
Tecnologia de Reatores Rápidos Avançados (TERRA)
Projeto:
Desenvolver Demonstradores Tecnológicos em Propulsão Hipersônica Aspirada Utilizando Combustão
Supersônica
Projeto:
Sistema Tático de Enlace de Dados (SISTED)
PROJETOS ESTRATÉGICOS EXTRA-ORÇAMENTÁRIOS DO IEAv
Projeto:
Financiador:
Desenvolver Acelerômetros Opto-Mecânico e a Semicondutor Tipo MEMS (AcelerAD)
FINEP
Projeto:
Desenvolver Demonstradores Tecnológicos em Propulsão Hipersônica Aspirada Utlizando Combustão
Supersônica
FINEP/CNPq/AEB
Financiador:
PROJETOS DAS DIVISÕES DO IEAv
Projeto:
Financiador:
Análise Estrutural e Configuração Interna do Veículo Hipersônico 14-X
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Análise Numérica da Aerotermodinâmica do Veículo Aeroespacial 14-X
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Aplicação de Simulação Monte Carlo na Reentrada de Veículos Espaciais
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Assinaturas Espectrais na Região do Infravermelho-Termal para Caracterização de Sensores Eletroópticos a
Bordo de Satélites
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Avaliação da Detonação Pulsada por Imagens de Emissão
CNPq
Projeto:
Financiador:
Avaliação de Técnicas de Correção de Trajetória de Veículos Aéreos Não Tripulados por Imagens
CNPq
Projeto:
Financiador:
Cálculos "ab initio" do Alinhamento de Bandas em Nanofios de InP
FAPESP
Projeto:
Financiador:
Caracterização da Combustão Supersônica em Túneis de Choque Pulsados
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Caracterização da Combustão Supersônica em Túnel de Choque Hipersônico
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Caracterização da Magnetostricção de Ferritas de Cobalto
FAPESP
Projeto:
Financiador:
Combustão Supersônica Assistida por Laser
FINEP
Projeto:
Financiador:
Demonstrador de Veículo a Propulsão a Laser
FINEP
Projeto:
Financiador:
Demonstrador Tecnológico de Estato-Reator a Combustão Supersônica
FINEP
Projeto:
Financiador:
Desenvolver Pesquisas em Acelerômetros (ACELERAD)
FINEP
62
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento da Tecnologia de Aplicação de Revestimentos Cerâmicos Micro e Nano-particulados via Laser
de CO2
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento de Dispositivos Semicondutores para Aplicações Aeroespaciais
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento de Ferritas de Cobalto para Aplicações no Encapsulamento de Sensores de RF e MicroOndas.
FAPESP/CAPES
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento de Microssoldagem a Laser
CAPES
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento de Plataformas para Testes de Efeitos da Radiação Ionizante em Componentes Eletrônicos de
Uso Aeroespacial (TESTRAD)
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento de Sistemas Tolerantes à Radiação e Qualificação para Uso Aeroespacial
CAPES
Projeto:
Desenvolvimento de Técnicas Não-Intrusivas de Medição de Temperatura em Escoamentos Reativos de Alta
Velocidade
CNPq
Financiador:
Projeto:
Financiador:
Desenvolvimento de Tubos de Calor para Rejeição Passiva de Elevadas Taxas de Transferência de Calor com
Aplicação Principal em Ciclos Brayton Fechados
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Detecção de Alvos em Imagens Orbitais
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Dosimetria da Radiação Ionizante de Origem Cósmica no Espaço Aéreo Brasileiro (DRIEAB)
CNPq
Projeto:
Financiador:
Efeitos das Radiações Ionizantes em Sistemas Aeronáuticos (ERISA)
CNPq
Projeto:
Financiador:
Estudo da Detonação Pulsada por Técnicas de Diagnóstico
FAPESP/CNPq
Projeto:
Financiador:
Estudo da Soldabilidade a Laser em Aços de Alta Resistência
USIMINAS
Projeto:
Financiador:
Estudo de Modelo de Avaliação de Cobertura de Sinal de um Sistema de Comunicação, Navegação e
Posicionamento por Satélites
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Fibras Micro-Estruturadas para Sensoriamento Óptico de Parâmetros Elétricos
FINEP
Projeto:
Financiador:
Fotônica Integrada em Silício
CNPq
Projeto:
Financiador:
Funcionalização de Nanofilmes de Carbono por Enxertia Induzida via Radiação Ionizante
FAPESP
Projeto:
Financiador:
Infraestrutura de Laboratórios do IEAv
FINEP
Projeto:
Financiador:
Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Nano-Dispositivos Semicondutores
CNPq/FAPERJ
Projeto:
Financiador:
Instituto Nacional de Fotônica para Comunicações Ópticas (FOTONICOM)
CNPq/FAPESP
Projeto:
Financiador:
Lançamento para Voo Cativo do Veículo Aeroespacial Hipersônico 14-X
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Materiais Estratégicos (MATEST)
FINEP
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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Projeto:
Financiador:
Medida de Velocidade em Escoamentos Hipersônicos (HIPERVEL)
FINEP
Projeto:
Modernização e Adequação dos Laboratórios de Ensino, Pesquisa, Desenvolvimento e Caracterização de
Dispositivos Sensores para Uso Aeroespacial
FINEP
Financiador:
Projeto:
Financiador:
Otimização de Tratamentos Térmicos e Termoquímicos e Aplicação de Processos a Laser e a Plasma em Aços
Aeronáuticos
CAPES
Projeto:
Financiador:
Planejador de Missões Aéreas (PMA II)
EMAER
Projeto:
Problemas de Corte, Empacotamento, Dimensionamento de Lotes e Programação da Produção, e suas
Integrações em Contextos industriais e Logísticos"
FAPESP
Financiador:
Projeto:
Financiador:
Projeto e Aplicação de Fibras Ópticas Microestruturadas como Material Estratégico para Sensores Avançados e
Telecomunicações
CAPES
Projeto:
Financiador:
Projeto e Qualificação de Circuitos Integrados para Aplicações Aeroespaciais (CITAR)
FINEP
Projeto:
Financiador:
Radiation Processing of Nanocomposites for Enhancing Their Functionality and Utility in Health Care and
Industry
AIEA
Projeto:
Financiador:
Recarbonização de Carbono Vítreo para Aplicações Embarcadas
CNPq/AEB
Projeto:
Financiador:
Sensor de Deslocamento Angular a Fibra Óptica Aplicado à Inspeção Não-Destrutiva de Soldas a Laser
CNPq
Projeto:
Financiador:
Sensores a Fibra Óptica Micro-estruturada, Taper e Nanofibra
CNPq
Projeto:
Financiador:
Sensores de Infravermelho Nanoestruturados. Programa de Desenvolvimento de Sensores para Defesa
FINEP
Projeto:
Financiador:
Sensoriamento de Pressão Baseado em Fibras de Cristal Fotônico para Poços de Petróleo
FINEP
Projeto:
Financiador:
Sistema Embarcado para Processamento de Vídeos Obtidos por Veículos Aéreos Não Tripulados para
Aplicação em Navegação Autônoma
CNPq
Projeto:
Financiador:
Tecnologias Inovadoras para Aplicação da Energia Nuclear no Espaço
CNPq
Projeto:
Teoria Variacional do Estado de Transição Multi-Estrutural com Aplicações na Cinética Química de Reações
Complexas.
CNPq
Financiador:
64
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Pós-graduação, Iniciação Científica e
Espalhamento eletromagnético obtido por simulação computacional
Tecnológica e Atividades de Extensão
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
65
PÓS-GRADUAÇÃO NO IEAv
Criada em fins de 2009, a Coordenadoria de Programa de Pós-Graduação do IEAv (CPPG) é o
órgão assessor da Direção nas ações ligadas às atividades de Pós-Graduação desenvolvidas no
Instituto. Sua atribuição consiste na coordenação geral das atividades de pós-graduação realizadas no
Instituto, com destaque para o acompanhamento acadêmico do PG-CTE, Programa de Pós-Graduação
em Ciências e Tecnologias Espaciais.
Aprovado em 2011 para os níveis de mestrado e doutorado, o PG-CTE consiste em um programa
por Associação Parcial de Instituições de Ensino Superior, IES, fruto da parceria entre as seguintes
unidades de ensino e pesquisa do Departamento de Ciência e Tecnologia Espacial, DCTA: o Instituto
Tecnológico de Aeronáutica, ITA, que consiste na IES principal, o Instituto de Aeronáutica e Espaço, IAE,
e o IEAv. Neste modelo de programa, a IES principal é responsável por todo o suporte administrativo,
cabendo às demais, além dela própria, a cessão de recursos humanos (quadro de professores) e
materiais (laboratórios e salas de aulas) para o desenvolvimento das atividades de Pós-Graduação
ligadas ao Programa.
O PG-CTE é um Programa ligado à Área de Avaliação Engenharias III, pertencente à Grande Área
das Engenharias, de acordo com a classificação da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de
Nível Superior, CAPES, a qual engloba subáreas como a Engenharia Mecânica, Engenharia de
Produção, Engenharia Naval e Oceânica e a Engenharia Aeroespacial. Em sua avaliação inicial, o
Programa obteve nota 4, em um máximo de 7. Para o triênio de 2015-2017, a meta é alcançar a nota 5 o
que, além de conferir uma maior visibilidade da qualidade técnico-científica do Programa, possibilitará ao
Programa a solicitação de novas bolsas de estudo institucionais, atualmente em número de 8 para o
mestrado e 5 para o doutorado.
As linhas de pesquisas do PG-CTE estão distribuídas em cinco áreas de concentração:
i) Física e Matemática Aplicadas (CTE-F)
Plasmas e Aplicações
Lasers e Aplicações
Matemática Aplicada e Modelagem Computacional
Efeitos da Radiação Ionizante
ii) Química dos Materiais (CTE-Q)
Eletroquímica e Corrosão
Espectroscopia
Síntese, Caracterização e Avaliação de Materiais e Nanomateriais
Materiais Energéticos
Química Teórica
iii) Propulsão Espacial e Hipersônica (CTE-P)
Aerotermodinâmica e Hipersônica
Adição de Energia por Radiação Eletromagnética
Propulsão Hipersônica
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Técnicas de Diagnóstico em Escoamento Reativo
Propulsão Nuclear
Propulsão Aeroespacial
iv) Sensores e Atuadores Espaciais (CTE-S)
Materiais Avançados para Sensores e Metamateriais
Sensores à Fibra Óptica, a Óptica-Integrada, de Infravermelho, Magnéticos, Magneto-Mecânicos
Condicionamento de Sinais e Técnicas de Medição
Nanotecnologia e MEMS
Física de Dispositivos Semicondutores
v) Sistemas Espaciais, Ensaios e Lançamentos (CTE-E)
Ensaios Dinâmicos e Estáticos
Sistemas Elétricos e Eletrônicos
Sistemas Mecânicos
Materiais e Processos
Navegação e Controle
Engenharia de Sistemas
Estruturas e Aeroelasticidade
Computação Aplicada
Aerodinâmica Aplicada
Ensaios e Lançamentos
Confiabilidade e Certificação
No primeiro semestre de 2014, o corpo docente do PG-CTE é formado por 47 professores
pertencentes ao quadro permanente e 6 ao de colaboradores. Dentre os docentes do quadro
permanente 25 são bolsistas de produtividade do CNPq (16 bolsistas em Desenvolvimento Tecnológico
e 9 em Pesquisa), ou seja 53% do quadro. Seu corpo discente conta com 113 alunos, sendo 77 em nível
de mestrado e 36 de doutorado. O gráfico a seguir mostra a distribuição de professores e alunos em
cada uma das Áreas de Concentração.
10
13
8
17
14
14
CTE-F
CTE-Q
Professores
4
7
7
18
17
12
6
6
8
CTE-P
CTE-S
CTE-E
Mestrado
Doutorado
Distribuição de alunos e professores nas áreas do PG-CTE.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
67
A evolução do quadro discente, a partir do segundo semestre de 2012 é ilustrada na figura abaixo.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
mestrado
doutorado
2012-2 2013-1 2013-2 2014-1
Evolução do quadro discente do PG-CTE.
Um número considerável de alunos recebe bolsas de estudo de diferentes origens, algumas das
quais associadas a projetos de pesquisa. A distribuição de bolsas de estudo é apresentada no gráfico de
pizza a seguir.
Origem do apoio, incluindo bolsas, dos alunos do PG-CTE.
Nota-se que 51 alunos estão associados a empresas. Destes, 35 são funcionários do Ministério da
Defesa e 13 são oriundos de empresas do setor aeroespacial brasileiro, indicando que o programa
segue cumprindo sua premissa original de contribuir para a capacitação nas áreas Espacial e de Defesa
e para o setor produtivo do complexo aeroespacial brasileiro.
Além de toda a sua infraestrutura de pesquisa, o IEAv contribui para o PG-CTE com 24 docentes
(15 bolsistas produtividade) que orientam 57 alunos, distribuídos como segue:
68
Área de Concentração
Número de alunos
Física e Matemática Aplicadas
22
Propulsão Espacial e Hipersônica
16
Sensores e Atuadores Espaciais
19
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
PROGRAMAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA - PIBIC E PIBITI
O IEAv possui dois Programas de Iniciação: Científica e Tecnológica - PIBIC e PIBITI financiados
pelo CNPq. O objetivo é que os alunos tenham contato direto com atividades científicas e tecnológicas
em desenvolvimento no Instituto. Atualmente, estes programas contam com um total de 29 bolsas de
estudo, distribuídas da seguinte forma, 26 de Iniciação Científica (PIBIC) e 03 de Iniciação Tecnológica e
Inovação (PIBITI). Como o Programa PIBITI no IEAv é recente, atualmente em seu terceiro ano, o
número de bolsas permanece reduzido. Este ano, contudo, espera-se novo crescimento no número das
bolsas, o que já vem acontecendo desde a sua fundação, quando tínhamos apenas 10 bolsas.
Os alunos de Iniciação participam ativamente dos trabalhos de pesquisa no Instituto e ao final de
cada período de 12 meses apresentam seus trabalhos tanto na forma oral, quanto na forma de pôster no
Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv (SCTI). Redigem também um artigo científico, que inclui a
avaliação e correção por pesquisadores das áreas correlatas e finalmente é publicado nos Anais do
Simpósio. Anualmente, os melhores trabalhos de cada modalidade de apresentação são premiados no
evento, com direito a certificados.
O Programa contempla alunos das universidades da região, a saber: ITA, UNIFESP, UNICAMP,
UNESP, UNIVAP, UNITAU, UNIP, UMC, UBC, ETEP, FATESF, ANHANGUERA, dentre outras.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
69
LABORATÓRIO INTERATIVO DE CIÊNCIAS (LIC)
O Laboratório Interativo de Ciências (LIC) é um projeto idealizado por servidores do Instituto de
Estudos Avançados (IEAv) e que tem como objetivo a divulgação e a popularização de Ciência e
Tecnologia (C&T), principalmente naquelas relacionadas ao setor aeroespacial. Historicamente, a
popularização dos avanços em Ciência sempre foi um empreendimento importante, principalmente em
épocas quando não existiam agências de fomento e os cientistas e inventores tinham que contar com a
iniciativa pessoal e a criatividade para buscar apoio para os seus projetos. Nos tempos modernos,
agências de fomento como o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq),
consideram que a popularização do conhecimento científico é uma forma de contribuir para o
desenvolvimento social e a ampliação da cidadania. Neste sentido, o LIC se apresenta como uma
ferramenta de inserção social em harmonia com uma das missões exercidas há décadas pelas Forças
Armadas no Brasil, ou seja, a ação cívico-social (ACISO). Neste sentido, as atividades do LIC são
fortemente apoiadas pela Coordenadoria de Comunicação Social (CCS) e pelos laboratórios das
Divisões do IEAv.
O LIC é conduzido por servidores das Divisões que compõem o IEAv, tendo sido contemplado
com três projetos do CNPq para a aquisição de experimentos interativos e de multimídia. Dentre as
atividades realizadas em 2013-2014, descritas publicação interna [1], podem ser mencionadas as
seguintes: discussões junto à Direção da proposta de organização e funcionamento do LIC, bem como
seu posicionamento junto ao organograma administrativo do IEAv; acompanhamento de escolas de
ensino fundamental e médio da região de São José dos Campos em visitas aos laboratórios do IEAv;
manutenção da dinâmica das visitas programadas das escolas aos laboratórios de pesquisa do IEAv,
atuando em estreita parceria com a CCS; um dos colegas, pesquisador Vladimir Scheid, teve uma bolsa
de PIBIC aprovada [2] para a estudante de Engenharia da UNIFESP-São José dos Campos Catharina
Maria Carvalho Scassola, que desenvolveu um vídeo sobre os experimentos de Mendel com objetivo de
transformá-lo em material didático para estudantes do ensino fundamental e médio; participação, através
de pôsters, da Semana Nacional de Ciência e Tecnologia de Brasília (2013); e participação das
comemorações do aniversário do IEAv em 2014 com a apresentação de experimentos interativos. Dentre
os objetivos essenciais do LIC estão a sua oficialização no organograma administrativo do IEAv e a
criação de uma sede com infraestrutura adequada para o seu funcionamento. Neste aspecto há uma
NPA em processamento que deverá ser aprovada neste ano.
Os experimentos interativos têm sido utilizados como um dos meios de inserção social dos
conhecimentos científicos e o LIC têm potencial para: preparar experimentos disponíveis em seu acervo,
para serem apresentados e trabalhados com os estudantes e professores; coordenar visitas de
professores e alunos ao IEAv, onde serão apresentados alguns demonstradores de conceito de projetos
de pesquisa, dentre os quais podem ser citados robôs e Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs),
equipamentos
de
proteção
radiológica,
modelos
de
propulsão,
lasers,
e
experimentos
de
eletromagnetismo; proferir palestras com conteúdo científico ou motivacional; estimular atividades lúdicopedagógicas através de cooperação com o grupo de teatro do IEAv; desenvolver vídeos de curta
duração com temas ligados à Ciência; a criação de pequenas histórias em quadrinhos com A Turma do
70
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Fabinho; e estimular professores e alunos a desenvolverem projetos de Ciência do estilo mão na massa,
que possam ser realizados com material de baixo custo e/ou reciclável.
Em resumo, nossas iniciativas visam estimular o ensino de Ciências, a observação crítica da
natureza, com reflexos no cotidiano social dos jovens e aumentar a auto-estima de estudantes, muitas
vezes de origem simples, com carências de natureza sócio-econômica. Por isso nosso slogan, ou lema
é Divulgar e Popularizar a Ciência e Tecnologia Para Jovens de 7 a 77 anos.
“Educai as crianças e não precisareis punir os adultos” (Pitágoras)
Referências
[1] Orlando Roberto Neto, Alexandre David Caldeira, Kam Kwai Yum, Vladimir Henrique Baggio Scheid,
Luiz Fernando Bernabe, Claudio José Rocha e Catharina Maria Carvalho Scasolla, Relatório de
Atividades do LIC em 2013, Pub-IEAv-EAH/001/2014.
[2] Bolsa PIBIC do IEAv (2013-2014).
Agradecimentos: à Direção do IEAv, ao CNPq e aos demais colegas pelo apoio e cooperação.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
71
72
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Indicadores de Pesquisa,
Medição de rugosidade com Microscópio Interferométrico, grupo de Óptica Aplicada
Desenvolvimento e Inovação
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
73
INTRODUÇÃO
A coleta de indicadores técnico-científicos no IEAv iniciou-se originalmente em 2001, por meio de
formulários endereçados aos pesquisadores. A partir de 2008, a principal forma de coleta destes
indicadores tem sido por meio da submissão de trabalhos para o WAI (Workshop Anual de Pesquisa e
Desenvolvimento do IEAv), por parte da comunidade cientifica do IEAv. Até 2011, os resumos de uma
página seguiam a mesma proposta de qualquer evento científico, isto é, um conjunto de informações
capazes de ilustrar os principais aspectos de um determinado estudo em andamento. Com isso,
esperava-se obter um instantâneo do estado-da-arte das atividades de pesquisa e desenvolvimento
(P&D) no Instituto ao longo dos 12 meses anteriores ao WAI. O sucesso dessa inciativa junto ao corpo
de pesquisadores do IEAv pode ser ilustrado por meio do número de submissões, que saltou de 94 em
2008 para 123 em 2011, um aumento de cerca de 30%. Durante o biênio de 2012-2013, a chamada dos
resumos mudou significativamente seu foco: a visão detalhada e pulverizada foi substituída por uma
visão mais geral e compacta das atividades de P&D. Tal mudança se deu em boa parte em função da
migração dos trabalhos envolvendo alunos de iniciação científica e pós-graduação para os anais do
SCTI, Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv. O resultado dessa mudança foi uma importante
redução do número de trabalhos submetidos ao WAI, em um total de 67 resumos em 2012, 40 em 2013.
Em 2014, foram 43 trabalhos, o que sugere o término da fase de transição entre o modelo antigo, de
caráter mais detalhado, e o início da fase de maturação do modelo atual, de caráter mais geral. Essa
tendência pode ser observada no gráfico a seguir, conhecido como “nuvem de palavras”, elaborado a
partir dos títulos nos trabalhos enviados ao WAI de 2014. Nele, o tamanho das letras expressa a
frequência relativa de uma determinada palavra considerando o universo analisado.
Gráfico de nuvem de palavras elaborado a partir dos títulos dos trabalhos enviados ao WAI
(foram considerados apenas substantivos).
Pode-se observar, por exemplo, um importante destaque para os termos “Desenvolvimento” e
“Estudo”, o que é bastante razoável, senão esperado, para um instituto de pesquisa que trabalha com
aplicações associadas a cenários de médio e longo prazo. Na sequência, despontam termos como
“Óptica”, “Sensores”, “Escoamento” e “Simulação” que, em certo sentido, poderiam ser tomadas a conta
de palavras-chave das linhas de pesquisa atualmente ativas no IEAv.
74
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INDICADORES DO WAI
A migração dos trabalhos de caráter mais detalhado, em particular aqueles associados às
atividades envolvendo alunos de Iniciação Científica e de Pós-Graduação, não impediu que a
participação destes fosse retratada no XIV WAI. De fato, em cerca de 60% dos resumos, alunos dos três
níveis aparecem como seus autores, o que demonstra que uma perfeita consonância entre as atividades
de pesquisa e docência do IEAv. O gráfico abaixo mostra o quadro completo da participação dos alunos
nos trabalhos do WAI.
Participação dos alunos (iniciação científica, mestrado e doutorado) nos trabalhos submetidos ao XIV WAI. O somatório
dos trabalhos com detalhamento de participação de alunos (quadro menor) é superior a 20 pois há trabalhos em que foi
registrada a participação de mais de um aluno.
A despeito da elevada participação dos alunos na autoria dos trabalhos, somente em 10
submissões houve a indicação de que um trabalho correlato fora enviado para os anais do SCTI. Isso
sugere a existência de uma demanda reprimida no que diz respeito à utilização do SCTI, particularmente
por parte dos alunos de pós-graduação, responsáveis pela ampla maioria da participação.
A distribuição de resumos pelos grupos de pesquisa informados pelos próprios autores é mostrada
no próximo gráfico. Porém, uma consulta à página de Diretórios dos Grupos de Pesquisa do CNPq,
mostra um quadro ligeiramente diferente: enquanto que três dos grupos indicados pelos autores não
encontram-se ativos no CNPq, dois outros associados ao IEAv não tiveram resumos submetidos ao WAI.
Esse fato é decorrente de uma possível desatualização dos dados que compõem os indicadores do
grupo, o que sugere a necessidade de um processo de revisão/atualização por parte da Instituição.
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75
Distribuição de resumos segundo os grupos de pesquisa informados pelos próprios autores.
Tal interpretação é suportada pela relação entre o número médio de autores por resumo (AR) do
WAI e o número médio de membros do grupo por resumo (MR), mostrado no gráfico a seguir. No
primeiro caso, em um grupo em que essa relação se aproxime da unidade, é razoável inferir que há um
equilíbrio do número de membros listados como pertencentes ao grupo e o número de participantes
efetivos dos trabalhos desenvolvidos por ele. No caso dessa relação ser muito superior a um, há um
indício de que há uma subnotificação dos membros do grupo, enquanto que no outro extremo, nos
grupos em que ela for menor do um, há um excesso do número de membros quando comparados aos
autores listados nos resumos do WAI.
Relação entre o número médio de autores por resumo do WAI (AR) e o número médio de membros do grupo por resumo
(MR), considerando os grupos registrados no CNPq.
76
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O raciocínio anterior é semelhante para as linhas de pesquisa de cada grupo indicadas no CNPq:
quanto mais próxima à unidade, maior o indício que os resumos submetidos retratem as linhas de
pesquisa apontadas como ativas, enquanto que valores maiores e menores que um representariam,
respectivamente, uma subnotificação e uma hipernotificação das linhas. A relação entre o número de
resumos submetidos (RS) associados a um dado e as linhas de pesquisa do grupo (LP) é mostrada no
gráfico abaixo.
Relação entre o número de resumos submetidos (RS) e as linhas de pesquisa do grupo indicado, considerando apenas os
grupos registrados no CNPq.
Importa ressaltar que tais indicações não podem ser tomadas como definitivas, dado que elas se
limitam a análise qualitativa dos dados disponíveis. No entanto, elas podem servir como um indicador
para que uma avaliação mais criteriosa possa ser levada adiante pelos líderes dos grupos com o apoio
dos setores responsáveis do IEAv.
Em 44% dos trabalhos houve a participação de autores externos ao IEAv, distribuídos de modo
relativamente homogêneo entre alunos, pesquisadores e outros colaboradores, o que indica a vocação
do IEAv em estabelecer parcerias institucionais. Essa tendência também é observada na captação de
recursos para os projetos em andamento no Instituto: de cada quatro resumos, três indicaram possuir
financiamento de agências de fomento com destaque para o CNPq (44% dos trabalhos), FINEP (40%),
FAPESP (28%), CAPES (30%) e AEB (14%). A soma das porcentagens ultrapassa o valor de 100% uma
vez que há trabalhos que contam com o apoio de mais de uma agência de fomento.
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77
Análise comparativa entre os projetos com e sem fomento e a proporção entre o
financiamento externo e orçamentário.
Participação de cada agência de fomento no número total de resumos do WAI. O somatório é superior a 100% dado que há
trabalhos em que mais de uma agência foi apontada como fonte de financiamento.
É interessante notar que em cerca de 1/3 dos trabalhos a CAPES foi apontada como fonte de
recursos. Dado que a única modalidade de fomento dessa agência é na forma de bolsas de estudo, esse
indicador sinaliza uma vez mais a importância das atividades de pós-graduação para o desenvolvimento
dos projetos no IEAv.
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INDICADORES DE PESQUISA, DESENVOLVIMENTO E INOVAÇÃO
A análise dos indicadores do biênio 2012-2013 mostra uma expressiva contribuição dos
pesquisadores do IEAv credenciados no PG-CTE, responsáveis em média por cerca de 70% de toda
publicação do Instituto. Neste mesmo período, houve uma diminuição nas publicações envolvendo os
pesquisadores do IEAv, seja no número de artigos em periódicos (diminuição de 30%), seja nas
participações em congressos (diminuição de 40%). O mesmo comportamento é observado se forem
considerados apenas os pesquisadores que fazem parte do PG-CTE, com ligeiras alterações nos
valores, de 20% e 46%, respectivamente.
Participação do PG-CTE no total de publicações do IEAv no biênio 2012-2013.
Duas razões podem ser apontadas como possíveis causas para esse recuo. Em primeiro lugar,
no que diz respeito à pós-graduação, uma vez que as primeiras matrículas no PG-CTE ocorreram no
primeiro semestre de 2012, é razoável inferir que as primeiras publicações ocorram após o interstício de
24 meses, o que corresponde às defesas de dissertações de mestrado e à metade dos trabalhos de
doutorado. Ao mesmo tempo, a consulta à carteira ativa de projetos do IEAv mostrou que o ano de 2013
correspondeu a um pico de término de projetos, o que muito certamente contribui para a diminuição do
tempo dedicado a publicação de resultados. É, pois, esperado, um aumento das publicações para o
biênio 2014-2015.
A seguir são apresentadas as listas de trabalhos publicados em periódicos e patentes
depositadas. Os trabalhos referem-se ao período de janeiro de 2013 a junho de 2014.
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79
ARTIGOS COMPLETOS PUBLICADOS EM PERIÓDICOS
Período: janeiro a dezembro de 2013
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2.
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Mode Partition Noise Converted into Intensity Noise in Unbalanced Interferometers Fed by a
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3.
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BAPTISTA, C. A. R. P.; BAPTISTA, C. A. R. P.; FANTON, L. Study of Laser welding and herat
treatments done in different high strength steels: 4340, 300M, Maraging 300. SAE Technical Paper
Series. v. 36, p. 01-05, 2013.
4.
DACAL, LUIS C. O.; IIKAWA, F.; BRASIL, M. J. S. P. Excitonic wavefunction engineering based on
type II quantum dots. Physica Status Solidi. B, Basic Research. v. *, p. n/a-n/a, 2013.
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for oxidizing Vapor Grown Carbon Nanofibers using electron beam accelerators. Radiation Physics
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6.
FEDERICO, CLAUDIO ANTONIO; GONC'ALEZ, ODAIR LELIS; FONSECA, EVALDO SIMÕES DA;
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7.
FEGADOLLI, WILLIAM S.; ALMEIDA, VILSON R.; OLIVEIRA, JOSÉ E. B.; SCHERER,
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8.
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9.
FERRÃO, LUIZ F. A.; SPADA, RENE F. K.; ROBERTO-NETO, ORLANDO; MACHADO,
FRANCISCO B. C. A multireference configuration interaction study of CuB and CuAl molecular
constants and photoionization spectra. The Journal of Chemical Physics. v. 139, p. 124316, 2013.
10. FERREIRA JÚNIOR, ANTONIO ALVES; COUTINHO, OLYMPIO LUCCHINI; MARTINS, CARLA DE
SOUSA; FEGADOLLI, WILLIAM DOS SANTOS; RIBEIRO, JOSÉ ANTÔNIO JUSTINO; ALMEIDA,
VILSON ROSA DE; OLIVEIRA, JOSÉ EDIMAR BARBOSA. Effect of Fiber Optic Chromatic
Dispersion on the Performance of Analog Optical Link with External Modulation Aiming at
Aerospace Applications.Journal of Aerospace Technology and Management (Online). v. 5, p. 205216, 2013.
11. FERREIRA JÚNIOR, ANTONIO ALVES; COUTINHO, OLYMPIO LUCCHINI; MARTINS, CARLA DE
SOUSA; RIBEIRO, JOSÉ ANTÔNIO JUSTINO; ALMEIDA, VILSON R.; OLIVEIRA, JOSÉ E.
B. Analytical model of chromatic dispersion effect in an analog fiber link with RF upconversion. Telecomunicações (Santa Rita do Sapucaí). v. 15, p. 55-64, 2013.
12. FOGAGNOLO, J.B.; RODRIGUES, A.V.; LIMA, M.S.F.; AMIGÓ, V.; CARAM, R. A novel proposal to
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13. FRAILE JR., ANDRÉ CARLOS; ROSA, M. A. P. A Numerical Investigation of Localized and Steady
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(Impresso). v. 5, p. 169-180, 2013.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
14. FREITAS, C. A. R.; ORLANDO, ALBERTO JOSÉ FARO DE. Aplicação do Método da Cavidade
Ressonante na Análise da Eficiência da Absorção Eletromagnética em Blindagens de
Equipamentos Eletrônicos Aeronáuticos e Espaciais a Base dos Aditivos de Ferritas MnZn. Revista da UNIFA. v. V26, p. 34-40, 2013.
15. GARCIA, R.D.M. Radiative transfer with polarization in a multi-layer medium subject to Fresnel
boundary and interface conditions. Journal of Quantitative Spectroscopy Radiative Transfer. v. 115,
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16. HUBERT, G.; VELAZCO, RAOUL; FEDERICO, C. A.; CHEMINET, A.; SILVA-CARDENAS, C.;
CALDAS, L. V. E.; PANCHER, F.; LACOSTE, V.; PALUMBO, F.; MANSOUR, W.; ARTOLA, L.;
PINEDA, F.; DUZELLIER, S. Continuous High-Altitude Measurements of Cosmic Ray Neutrons and
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aluminum clusters: Alnx (n=1-9, x=0, 1). Chemical Physics Letters (Print). v. 568-569, p. 42-48,
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Stripline Structure. Broadband Characterization Using Stripline Structure. v. 1, p. 736-738, 2013.
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25. PAZIANOTTO, M. T.; GONÇALEZ, O. L.; FEDERICO, C. A.; CARLSON, B. V. Study of a Long
Counter Neutron Detector for the Cosmic-Ray-Induced Neutron Spectrum. IEEE Transactions on
Nuclear Science. v. 60, p. 897-902, 2013.
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
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Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
ARTIGOS COMPLETOS PUBLICADOS EM PERIÓDICOS
Período: janeiro a junho de 2014
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2014.
2.
ARAUJO BARROS, RENATO; ABDALLA, ANTONIO JORGE; RODRIGUES, HUMBERTO LOPES;
DOS SANTOS PEREIRA, MARCELO. Characterization of a AISI/SAE 4340 Steel in Different
Microstructural Conditions. Materials Science Forum (Online). v. 775-776, p. 136-140, 2014.
3.
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(Online). v. 891-892, p. 1507-1512, 2014.
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structural, electronic and optical properties. Materials Research Express. v. 1, p. 015702, 2014.
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DE SIQUEIRA, RAFAEL HUMBERTO MOTA; DE OLIVEIRA, ALINE C.; RIVA, RUDIMAR;
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8.
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Journal of Applied Science Technology. v. 4, p. 387-398, 2014.
14. OSORIO, J. H.; HAYASHI J.G.; YOVANNY A. V. ESPINEL; FRANCO, M.A.R.; ANDRES, M. V.;
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16. SIQUEIRA, R.H.M.; DE OLIVEIRA, ALINE C.; RIVA, RUDIMAR; ABDALLA, ANTONIO JORGE;
LIMA, M. S. F. Comparação das propriedades mecânicas de juntas de alumínio obtidas por
soldagem a laser (LBW), por friction stir welding (FSW) e rebitadas para aplicação em estruturas
aeronáuticas.Revista Soldagem e Inspeção. v. 19, p. 145-151, 2014.
17. STERNBERG, E. M. A.; RODRIGUES, N. A. S.; SBAMPATO, M. E.; AMORIM, J.; SILVEIRA, C. A.
B. Excited states time evolution on a laser-ablated molybdenum plume. Applied Physics. B, Lasers
and Optics (Print). v. 1, p. 1, 2014.
18. TIAGO V. ALVES; MARCEL M ALVES; ROBERTO-NETO, ORLANDO; ORNELLAS, FERNANDO
REI. Direct dynamics investigation of the reaction S (3P) + CH4 → CH3 + SH (2Π). Chemical
Physics Letters (Print). v. 591, p. 103-108, 2014.
84
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
PATENTES DO IEAv
Período: de 1983 a junho de 2014
No do processo: BR 10 2013 012273 4
Data de depósito: 17/05/2013
Status: Requerida
Título:
Sensor de Deslocamento angular a fibra óptica baseado em modulação de intensidade óptica em configuração com
lente convergente e duas fibras ópticas paralelas com extremidades clivadas e alinhadas, seu método de medição e
seu processo de obtenção
Autores:
João Marcos Salvi Sakamoto, Gefeson Mendes Pacheco
ICT:
Multi-institucional IEAv-ITA
No do processo: BR 10 2012 025302 0
Data de depósito: 4/10/2012
Status: Requerida
Título:
Porta-amostra coaxial hemisférico acêntrico com impedância casada e método de caracterização eletromagnética
Autores:
Marcelo Robert Fonseca Gontijo, Antonio Carlos da Cunha Migliano, André Luiz Côrtes
ICT:
Multi-Institucional IEAv-ITA
No do processo: BR 10 2012 016704 2
Data de depósito: 6/7/2012
Status: Requerida
Título:
Acelerômetro angular e linear opto-mecânico baseado em grades de Bragg em fibras ópticas
Autores:
Rogério Moreira Cazo Matheus Minelli de Carvalho, Carmem Lucia Barbosa Jorge Luis de Siqueira Ferreira, Vilson
Rosa de Almeida
ICT:
Multi-institucional IEAv-ITA
No do processo: BR 10 2012 011453 4
Data de depósito: 15/5/2012
Status: Requerida
Título:
Processo de texturização a laser para a preparação de superfície de trabalho de ferramentas de conformação
Autores:
Milton Sérgio Fernandes de Lima
ICT:
IEAv
No do processo: BR 10 2012 008326 4
Data de depósito: 10/4/2012
Status: Requerida
Título:
Processo de obtenção de carbono vítreo monolítico a partir do pó de resina parcialmente carbonizada, carbono vítreo
monolítico obtido a partir do pó de resina parcialmente carbonizada e revestimento em carbono vítreo monolítico
obtido a partir do pó de resina parcialmente carbonizada
Autores:
Álvaro José Damião, Fábio Dondeo Origo
ICT:
IEAv
No do processo: PI 1002803-0
Data de depósito: 26/8/2010
Status: Requerida
Título:
Cerâmicas nanoestruturadas à base do óxido niobato de estrôncio e potássio com inserção de íons cobre e processo
otimizado de fabricação de cerâmicas nanoestruturadas à base do óxido niobato de estrôncio e potássio com inserção
de íons cobre via sinterização aditivada com óxido de cobre
Autores:
Delia do Carmo Vieira, Antonio Carlos da Cunha Migliano
ICT:
IEAv - UNESP - FAPESP
No do processo: PI 1003038-7
Data de depósito: 26/8/2010
Status: Requerida
Título:
Cerâmicas nanoestruturadas à base do óxido niobato de estrôncio e potássio com inserção de íons cobre e de íons
boro e processo otimizado de fabricação de cerâmicas nanoestruturadas à base do óxido niobato de estrôncio e
potássio com inserção de íons cobre e de íons boro via sinterização aditivada com óxido de cobre e óxido de boro
Autores:
Delia do Carmo Vieira, Antonio Carlos da Cunha Migliano
ICT:
IEAv - UNESP - FAPESP
No do processo: PI 1002867-6
Data de depósito: 3/8/2010
Status: Requerida
Título:
Processo de obtenção de transdutor cerâmico com ajuste de sensibilidade de sua permeabilidade magnética
complexa à temperatura ambiente por meio de controle de parâmetros no processamento cerâmico
Autores:
Vera Lúcia Othéro de Brito, Antônio Carlos da Cunha Migliano
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0706015-7
Data de depósito: 26/10/2007
Status: Requerida
Título:
Processo e dispositivo para sensor óptico com transdução elétrica utilizando redes de Bragg e fonte óptica
sintonizável
Autores:
Carlos Fernando Rodina Mateus, Carmem Lúcia Barbosa
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0705155-7
Data de depósito: 25/7/2007
Status: Requerida
Título:
Processo de fabricação de padrões de rugosidade em carbono vítreo por laser pulsado e o padrão de rugosidade
obtido a partir desse processo
Autores:
Fábio Dondeo Origo, Álvaro José Damião, Rozeli Filomena de Oliveira
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0613177-8
Data de depósito: 23/11/2006
Status: Requerida
Título:
Processo para fabricação de ferritas nanoestruturadas cerâmicas caracterizadas por moagem por laser CuHBr para
uso em microondas nas faixas de frequência de 8 a 12 GHz
Autores:
Carlos Alberto Reis de Freitas
ICT:
IEAv
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
85
No do processo: PI 0606094-3
Data de depósito: 23/11/2006
Status: Requerida
Título:
Processo para fabricação de ferritas nano estruturadas MnO-MgO-Fe2O3 caracterizadas por moagem por laser
CuHBr
Autores:
Carlos Alberto Reis, Francisco Cristóvão e Getúlio de Vasconcelos
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0605598-2
Data de depósito: 23/11/2006
Status: Requerida
Título:
Processo de fabricação de ferritas nanoestruturadas MnO-ZnO-Fe2O3, caracterizadas por moagem por laser CuHBr
Autores:
Carlos Alberto Reis, Francisco Cristóvão e Getúlio de Vasconcelos
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0605596-6
Data de depósito: 23/11/2006
Status: Requerida
Título:
Dispositivo e método para a caracterização de feixes de laser de baixa e alta potência baseado no espalhamento de
luz
Autores:
Kelly Cristina Jorge, Rudimar Riva, Nicolau André Silveira Rodrigues
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0501896-0
Data de depósito: 28/4/2005
Status: Requerida
Título:
Processo de soldagem a laser entre aço e titânio
Autores:
Milton Sérgio Fernandes de Lima, José Roberto Berretta, Wagner De Rossi
ICT:
IEAv- CTMSP - CNEN - IPEN
No do processo: PI 0501895-1
Data de depósito: 01/04/2005
Status: Requerida
Título:
Fabricação de nanopartículas com laser
Autores:
Milton Sérgio Fernandes de Lima, Rudimar Riva, José Guilherme Alvarenga Batista Simões, Jaime Tsutomu Watanuki
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0206083-3
Data de depósito: 9/5/2002
Status: Concedida
Título:
Composição e fabricação da ferrita MnO-MgO-Fe2O3
Autores:
Francisco Cristóvão Lourenço de Melo, Antônio Carlos Cunha Migliano, Alberto José de Faro Orlando, Carlos Alberto
Reis de Freitas
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0203563-4
Data de depósito: 9/5/2002
Status: Concedida
Título:
Processo de fabricação da manta absorvedora de microondas com resina epóxi usando o aditivo MnO-MgO-Fe2O3
Autores:
Francisco Cristóvão Lourenço de Melo, Antônio Carlos Cunha Migliano, Alberto José de Faro Orlando, Carlos Alberto
Reis de Freitas
ICT:
IEAv
No do processo: PI 0001209-2
Data de depósito: 28/3/2000
Status: Requerida
Título:
Pinça de fixação de fibra óptica em conectores comerciais de fibras
Autores:
Marcelo Geraldo Destro, Getúlio de Vasconcelos, Carlos Schwab, José Wilson Neri, Nicolau André Silveira Rodrigues,
Rudimar Riva
ICT:
IEAv
No do processo: PI 9902434-9
Data de depósito: 7/6/1999
Status: Concedida
Título:
Processo para fabricação de monitor de corrente de elétrons não interceptante
Autores:
Antonio Carlos da Cunha Migliano, Yasmara Conceição de Polli Migliano, Carlos Rodolfo Silveira Stopa, Francisco
Sircilli Neto, Ângelo Pássaro
ICT:
IEAv
No do processo: PI 9806680-3
Data de depósito: 29/12/1998
Status: Concedida
Título:
Processo para obtenção de manta flexível para absorção de radiação eletromagnética na faixa de 2-20 GHz à base
de poliuretanos aditados com ferritas, fibras e/ou partículas de carbono
Autores:
Mirabel Cerqueira Rezende, Antônio Carlos da Cunha Migliano, Josiane de Castro Dias, Fábio Santos Da Silva, Inácio
Malmonge Martin
ICT:
IEAv
No do processo: PI 9715390-7
Data de depósito: 10/7/1997
Título:
Rugosímetro óptico, para efetuar medidas entre 50 nm a 0,5 nm, rms
Autores:
Laurentino Corrêa de Vasconcellos Neto
ICT:
IEAv
Status: Requerida
No do processo: PI 9104599-1
Data de depósito: 21/10/1991
Título:
Sensor por deformação de fibra óptica bimodal
Autores:
Osni Lisboa, Sidney Luiz Alessi Carrara
ICT:
IEAv
Status: Extinta
86
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Fotografia schlieren de experimento realizado no Laboratório de
Aerotermodinâmica e Hipersônica Henry T. Nagamatsu
Anais do XIV WAI
Resumos apresentados no XIV Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento
do Instituto de Estudos Avançados (WAI 2014)
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
87
Pesquisa em “scramjet” no Instituto de Estudos Avançados
Paulo Gilberto de Paula Toro1,*, Alberto Monteiro dos Santos1, Tiago Cavalcanti Rolim1, Roberto da Cunha Follador1,
Israel da Silveira Rêgo1, Bruno Ferreira Porto1, Giannino Ponchio Camillo1, Thiago Lima de Assunção1,
Matheus Torres Alvarenga Silva1, Norton Demeterco Veras de Assis1, Marco Antonio Sala Minucci2
1
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Coronel da Reserva, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: 14-X, scramjet, demonstrador tecnológico.
I. Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X “waverider”
A Subdivisão de Hipersônica Experimental, da Divisão de
Aerotermodinâmica e Hipersônica, do Instituto de Estudos
Avançados (IEAv), do Departamento de Ciência e Tecnologia
Aeroespacial (DCTA), está desenvolvendo, desde 2007,
demonstradores de tecnologia “scramjet”, o qual proporciona um
sistema de propulsão aspirada baseada na combustão supersônica
aplicada a veículos aeroespaciais em velocidade de vôo atmosférico
terrestre correspondente a número de Mach hipersônico.
O Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X com configuração
de sustentação “waverider” [1-2], foi concebido pelo então Ten Cel
Eng Marco Antonio Sala Minucci e projetado pelo então 1º Ten Eng
Tiago Cavalcanti Rolim, Fig. 1, para demonstrar, em vôo atmosférico
a 30 km de altitude e com velocidade de 3 km/s, correspondente a
número de Mach 10, tanto a tecnologia de sustentação “waverider”,
quanto a tecnologia “scramjet”.
III. Ensaio em voo
Estão planejados quatro tipos de vôos, cativos e livres, com e sem
queima de combustível H2 [7], para obtenção de dados
aerodinâmicos, de estabilidade e de combustão durante o vôo
atmosférico, Fig. 4, dos Demonstradores Tecnológicos “scramjet”.
Os Demonstradores serão levados à condição de testes por veículos
aceleradores. Pretende-se utilizar inicialmente os motores foguete
S31 e S30 para as primeiras versões e posteriormente os motores S40
e S44, todos do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE/DCTA), para
a versão “waverider”.
Fig. 4. Visão do vôo atmosférico do 14-X em trajetória balística.
IV. Referências
Fig.1. Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X “waverider”.
[1]
II. Etapas de projeto
Em 2010, o DCTA definiu o 14-X como projeto estratégico e em
Março de 2012, a Coordenadoria do projeto 14-X propôs duas
versões baseadas no Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X
“waverider”, Fig. 2, os Demonstradores Tecnológicos “scramjet” 14X B [3] e 14-X S [4]. Em 2013, dois novos demonstradores
tecnológicos foram incorporados no projeto 14-X, Fig. 3, os
Demonstradores Tecnológicos 14-X T [5] e 14-X SA [6]. A novas
versões foram projetados para vôo atmosférico a 30km de altitude em
velocidade correspondente a número de Mach 7.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
(a)
(b)
Fig.2. Demonstradores Tecnológicos “scramjet” (a)14-X B e (b) 14-X S.
(a)
(b)
Fig.3. Demonstradores Tecnológicos “scramjet” (a)14-X T e (b) 14-X SA.
88
[7]
T. C. Rolim, A Experimental Analysis of a Hypersonic Waverider,
Dissertação de Mestrado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, ITA.
2009.
F. J. Costa, Projeto Dimensional para Manufatura do Veículo
Hipersônico Aeroespacial 14-X, Trabalho de Graduação, FATEC de São
José dos Campos: Professor Jessen Vidal, 2011.
V. A. B. Galvão, Análise Teórico-Analítica da Aerodinâmica do
Demonstrador Tecnológico scramjet VHA 14-X B à 30km de altitude em
númwro de Mach 7, Trabalho de Graduação, UNIVAP, 2013.
R. L. Cardoso, Estudo Aerodinâmico e Dimensional para Manufatura
do Veículo Hipersônico Aeroespacial 14-X BS, Trabalho de Graduação,
FATEC de São José dos Campos: Professor Jessen Vidal, 2012.
R. R. S. Vilela, Projeto Aerodinâmico do Demonstrador scramjet de
Admissão Interna para vôo atmosférico em 30km de altitude em
velocidade correspondente à Mach 7, Trabalho de Graduação,
UNIVAP, 2013
A. Mariano, A. K. Carvalhal, P. G. P. Toro, Brazilian 14-X SA
Hypersonic Axisymmetrical Scramjet Aerospace Vehicle Analytical and
Numerical Analysis at Mach Number 7, 22nd Brazilian Congress of
Mechanical Engineering, November 3-7, 2013, Ribeirão Preto, SP,
Brazil
P. G. P. Toro, M. A. S. Minucci, T. C. Rolim, R. C. Follador, A. M.
Santos, G. P. Camillo, L. G. Barreta, “Brazilian 14-X Hypersonic
Aerospace Vehicle Project”. 18th AIAA International Space Planes and
Hypersonic Systems and Technologies Conference, 22-28 Set,Tours,
France 2012.
Agradecimentos: às agências de fomentos “FINEP” convênio nº
01.08.0365.00, “CNPq” projeto nº 471345/2007-5 e “AEB” projetos nº
25/2009-1 e nº 30/2009-1 pelos financiamentos das pesquisas relacionadas.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Projeto de Demonstradores Tecnológicos “scramjet” no IEAv
Paulo Gilberto de Paula Toro1,*, Israel da Silveira Rêgo1, Bruno Ferreira Porto1, Giannino Ponchio Camillo1,
Thiago Lima de Assunção1, Matheus Torres Alvarenga Silva1, Norton Demeterco Veras de Assis1, Felipe Jean da Costa2,
Victor Alves Barros Galvão1, Jayme Rodrigues Teixeira da Silva2, Ronaldo de Lima Cardoso2, Alexandre Kazuo Carvalhal2,
João Felipe de Araújo Martos3, Iván Felipe Rodríguez Barón2, Sergio Nicolás Pachón Laitón2 e
Jocasta Aparecida Ferreira Lemes4
1
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Universidade Federal do ABC, Santo André, SP, Brasil
4
ETEP Faculdades, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: 14-X B, scramjet, análise teórica.
I. Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X S
Em Março de 2012, a Coordenadoria do projeto 14-X, visando a
utilização dos motores foguetes S31 e S30, de fabricação do
IAE/DCTA, propôs o Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X S,
Fig. 1a,para realizar vôo atmosférico a 30km de altitude em
velocidade correspondente a número de Mach 7 [1]. A geometria
denominada 14-X B é uma representação de um dos lados
(simétricos) do 14-X S, sendo utilizada para realizar os estudos
aerodinâmicos teóricos e em túnel de choque desta configuração,
Fig 1b.
(a)
(b)
Fig. 1. Demonstradores Tecnológicos “scramjet” (a) 14-X S como carga útil a
ser acoplada ao 2º estágio do veículo acelerador, (b) 14-X B para ensaio em
túnel de choque.
II. Projeto do Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X S
A geometria denominada 14-X B foi utilizada para realizar os
cálculos aerodinâmicos teóricos [2-7] e experimentais [8]. Os
cálculos teóricos buscaram avaliar efeitos de viscosidade, variação de
número de Mach e ângulo de ataque na distribuição de pressões e
temperaturas ao longo da geometria, por meio de estudos analíticos e
CFD. Experimentalmente, buscou-se validar os cálculos teóricos pela
comparação dos resultados em condições nominais de projeto. A
Fig. 2 mostra uma fotografia schlieren obtida no Túnel de Choque
Hipersônico T3 do Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica
Henry T. Nagamatsu.
Fig. 2. Fotografia schlieren em regime de Mach 7.
Os resultados obtidos foram utilizados para determinar o
carregamento aerodinâmico imposto à estrutura do Demonstrador
Tecnológico “scramjet” 14-X S, e o software comercial Ansys foi
utilizado para realizar os cálculos estruturais necessários ao
dimensionamento deste demonstrador [9,10], Fig 3. Estudos
semelhantes já foram realizados para o 14-X “waverider” [1,11].
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Fig. 3. Detalhamento do Demonstrador Tecnológico “scramjet” 14-X S.
III. Referências
[1]
P. G. P Toro, A. M. Santos, T. C. Rolim, R. C. Follador, I. S. Rego, B.
F. Porto, G. P. Camillo, T. L. Assunção, M. T. A. Silva, N. D. V. Assis,
M. A. S. Minucci Pesquisa em “scramjet” no Instituto de Estudos
Avançados, WAI 2014.
[2] V. A. B. Galvão, P. G. P. Toro, Brazilian 14-X B Hypersonic scramjet
Aerospace Vehicle Analytical Theoretical Analysis at Mach Number 7,
22nd Brazilian Congress of Mechanical Engineering, November 3-7,
2013, Ribeirão Preto, SP, Brazil.
[3] I. F. R. Barón e P. G. P. Toro, Theoretical Analysis of the Hypersonic
Aerospace Vehicle 14-X B at Mach numbers 6 to 12, VIII Congresso
Nacional de Engenharia Mecânica, 10-15 Agosto 2014, Urbelândia, SP,
Brazil.
[4] S. N. P. Laitón e P. G. P. Toro, Theoretical Analysis of the Brazilian 14X B Hypersonic Scramjet Aerospace Vehicle at Angles of Attack, 15th
Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, November
10-13, 2014, Belém, PA, Brazil.
[5] A. K. Carvalhal, F. J. Costa, G. P. Camillo, I. S. Rêgo, P. G. P. Toro,
Brazilian 14-X B Hypersonic Scramjet Aerospace Vehicle Numerical
Analysis at Mach Number 7, VIII Congresso Nacional de Engenharia
Mecânica, 10-15 Agosto 2014, Urbelândia, SP, Brazil.
[6] J. A. F. Lemes, Trabalho de Graduação, ETEP Faculdades, 2014.
[7] J. R. T. Silva, P. G. P. Toro, Brazilian 14-X B Hypersonic scramjet
Aerospace Vehicle Aerothermodynamic Code, 22nd Brazilian Congress
of Mechanical Engineering, November 3-7, 2013, Rib. Preto, SP, Brazil
[8] J. F. A. Martos, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do
ABC, UFABC, 2014.
[9] A. F. S. Pivetta, D. Romanelli Pinto, G. P. Camillo, F. J. Costa, P. G. P.
Toro, Brazilian 14-X S Hypersonic unpowered scramjet Aerospace
Vehicle Structural Analysis at Mach Number 7, 22nd Brazilian Congress
of Mechanical Engineering, November 3-7, 2013, Rib Preto, SP, Brazil.
[10] R. L. Cardoso, M. S. Souza, P. G. P. Toro, Brazilian 14-X S Hypersonic
scramjet Aerospace Vehicle Dimensional Design at Mach Number 7,
22nd Brazilian Congress of Mechanical Engineering, November 3-7,
2013, Rib. Preto, SP, Brazil.
[11] F. J. Costa, P. G. P. Toro, T. C. Rolim, G. C. Camilo, Brazilian 14-X
Hypersonic waverider scramjet Aerospace Vehicle Dimensional design
at Mach number 10, 22nd Brazilian Congress of Mechanical
Engineering, November 3-7, 2013, Ribeirão Preto, SP, Brazil.
[12] F. J. Costa, P. G. P. Toro, G. C. Camilo, A. F. S. Pivetta, Structural
Analysis of waverider hypersonic aerospace vehicle unpowered
scramjet at Mach number 7, 22nd Brazilian Congress of Mechanical
Engineering, November 3-7, 2013, Ribeirão Preto, SP, Brazil.
Agradecimentos: às agências de fomentos “FINEP” convênio nº
01.08.0365.00, “CNPq” projeto nº 471345/2007-5 e “AEB” projetos nº
25/2009-1 e nº 30/2009-1 pelos financiamentos das pesquisas relacionadas.
89
Método para obter soluções ópticas não lineares com simetria PT
A. C. Amaro de Faria Jr (CO)*, Orlando Roberto Neto (PQ)
1
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
A. Soluções generalizadas
Palavras Chave: pulso óptico, sólitons ópticos, cristal fotônico.
I. Introdução
É possível descrever a propagação de um pulso não linear em um
cristal fotônico através de potenciais com simetria paridade-tempo
(PT). O cristal fotônico pode ser descrito por potenciais com esta
simetria considerando a interação do feixe com o cristal e a sua
simetria.
Considerando (4), é possível demonstrar que existem, em potencial,
inúmeras outras soluções ao menos analíticas que descrevem o
mesmo cenário da solução dada por (5). Para ver isso observe que ao
se escrever os potenciais V(x) e W(x) dependentes agora do campo 
2
explicitamente (4) pode ser reescrita da seguinte forma: d   dV ,
dx 2 d
cuja ordem pode ser reduzida da seguinte forma:
1  d 
,
   V ( )
2  dx 
2
II. Simetria PT
Considere o operador Hamiltoniano:
Hˆ  pˆ 2  V ( x) ,
(1)
que pode ser agora resolvida diretamente, ou seja:

o qual está associado aos autovalores de energia. O operador
hamiltoniano terá simetria PT se:
V ( x)  V (  x) .
(2)
Alguns trabalhos [1,2] mostraram que o operador Hamiltoniano
mesmo não sendo hermitiano pode ter espectro real. Este fato é
importante na modelagem de cristais fotônicos pois na equação de
Hemholtz o índice de refração efetivo, n(I), depende explicitamente
da intensidade do feixe e implicitamente da posição x, o que sugere
sua descrição por funções pares na direção em que o pulso auto
difrata-se. Assim, funções potenciais com simetria PT, em geral não
lineares, podem descrever a propagação de um pulso não linear por
um determinado cristal.
III. Dinâmica
A análise da dinâmica do pulso não linear no cristal fotônico
parte de um potencial efetivo com simetria (PT) que o descreve.
Neste caso a evolução do feixe é descrita pela equação de
Schroendinger não linear
i
  2
 2  [V ( x)  iW ( x)]  |  |2   0.
z
z
(6)
d
2V ( )
  dx  x  x0 ,
(7)
onde x0 é uma constante.
A principal característica de (7) é que ela fornece para um
determinado automodo () uma solução de (4) de forma fechada
ou,em outras palavras, se formos capazes de invertê-la teremos uma
solução, ao menos numericamente.
V. Conclusões
O trabalho descreve a modelagem de um cristal fotônico através
de um potencial efetivo que apresenta simetria PT e estende o
método de solução para uma classe de modelos exatamente solúveis.
Cenários mais complexos podem ser numericamente considerados e
implementados.
VI. Referências
[1]
[2]
(3)
Como foi explanado na seção II, as funções obedecem as
seguintes relações: V ( x)  V ( x) e W ( x)  W ( x) . Esta última
relação provém do fato que na simetria PT i  - i.
Um solução da forma  ( x, z)   ( x) exp(iz ) descreverá o
[3]
C. M. Bender e S. Boettcher, Phys. R. Lett. 80, 5243 (1998).
C. M. Bender, D. C. Brody e H. F. Jones, Phys. R. Lett. 89, 270401
(2002)
Z. H. Musslimani, K. G. Makris, R. El-Ganainy, e D. N.
Christodoulides, Phys. R. Lett. 100, 030402 (2008).
Agradecimentos: o autor ACAF agradece ao IEAv pelo apoio parcial e pela
hospitalidade.
campo não linear estacionário (x) e os autovalores permitidos .
Neste caso, o campo (x) obedece a seguinte equação:
d 2
 [V ( x)  iW ( x)]  |  |2    .
dx 2
(4)
IV. Solução para o Potencial Scarf II
Como exemplo da aplicação considere os potenciais
V ( x)  V0 sec h 2 ( x) e W ( x)  W0 sec h( x) tanh( x) ,
(5)
tratados na literatura [3]. Uma solução para (4), correspondendo a um
modo não linear do potencial considerado e  = 0,98, V0 = 1,
W0 = 0,5,
é
  0 sec h( x) exp{i tan 1[sinh( x)]} , onde
0 
90
2
W0 e
W
0  2  V0  0 .
3
9
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Modelando redes de spins e agregados de alumínio
Antônio Carlos Amaro de Faria Jr*, Orlando Roberto Neto
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: spintrônica, modelo de Heisenberg, agregados de
alumínio.
I. Introdução
Uma partícula massiva pode girar em torno de um eixo e,
portanto, possui momento angular. Se a partícula for portadora de
carga elétrica, a mesma também terá momento magnético,
correspondendo ao spin. Algumas experiências como a experiência
de Stern-Gerlach e do efeito Einstein-deHass confirmam a realidade
do spin [1,2]. Uma rede de spin unidimensional é um conjunto de
spins alinhados que interagem com seus vizinhos mais próximos.
Assim podemos tratar este sistema pelo método que mostramos neste
trabalho. Basicamente consideramos a energia da rede e então
obtemos a equação de movimento. O modelo de nosso estudo é uma
espira com uma fina espessura feita de uma liga específica de
alumínio e constituída de clusters (agregados) de átomos de alumínio
ao longo da linha. A distância característica entre cada cluster é a,
como mostra a Fig. 1.
J
Hˆ   3
a
d
3
x S ( x).S ( x  a) .
(2)
a
Expandindo o vetor S ( x  a) em torno de x em série de Taylor
e integrando por partes nós temos a seguinte densidade de
Hamiltoniana
Hˆ density 
J
2a 3
 2 a a  S
1
i
j
i
j
S.
(3)
a
B. O campo de spin
Partindo de (3) podemos escrever a equação de movimento de
Heisenberg

dS  ( x )
(4)
i
 Ô  [ S , Hˆ ],
dt
onde

zJ
S ( x) S ( x) 
Oˆ 
d 3 x S  ( x),
.
,
2a 
xi
xi 

e usando que
(5)
[S ( x), S ( y)]  i S ( x) ( x  y), podemos observar
que a dinâmica de spin é governada pela seguinte equação
i
Fig. 1: Clusters de átomos de Alumínio ao longo da espira.
II. O modelo
O modelo que queremos tratar é uma cadeia de spins
unidimensional que interage entre os vizinhos mais próximos.
Podemos considerar um campo elétrico que tem a direção do eixo da
espira de tal forma a criar uma campo magnético na direção de
alinhamento dos spins, como mostra a Fig. 2. O resultado é a
interação entre os spins e o campo magnético.


 
dS
zJ 
S   2 S  2 B S  B.

dt a
Considerando uma densidade macroscópica de mágnons com
energia  na presença de um campo magnético B podemos
considerar a seguinte equação
d
zJS 2
(7)
i

   2 B B0 ,
dt
a
cuja solução será S  u exp[i(ka  t )] e a energia de um modo com
1
2
frequência  k com nk magnons será  k  (nk  )k .
III.
Fig. 2: Clusters na liga de alumínio na presença de um campo magnético B.
O que se espera é a geração de ondas de spin que podem ser
modeladas pelo modelo de Heisenberg, isto é
1
Hˆ    J ij si ..s j  g B  si .B( xi )
2 ij
i
Conclusões
Equação (7) nos diz que a dinâmica quântica do sistema de spin
pode ser tratada por um campo escalar e sua solução prevê o
comportamento de domínios magnéticos no tempo e no espaço.
Podemos tratar ondas de spins dinamicamente considerando uma
equação do tipo da equação de Schoroendinger para descrever uma
densidade macroscópica de mágnons. Uma cadeia de spins pode ser
formada e tratada considerando um potencial apropriado na equação
dinâmica de campos.
(1)
IV. Referências
onde Jij representa a matriz de interação, si,j representa o campo de
spin,  B representa o momento de dipolo magnético, g representa o
raio giromagnético e B(xi) representa o campo magnético.
[1]
A. Dinâmica de spin
Considerando (1) no limite contínuo onde V >> a3, o que
corresponde ao número de íons na rede tendendo para o infinito,
N   , o Hamiltoniano se tranforma numa integral, sem
[3]
considerarmos o termo potencial g B
(6)
[2]
P. M. A. Dirac, The principle of Quantum Mechanics. 3ª ed. Oxford:
Claredon Press, 1947.
J. J. Sakurai, Modern Quantum Mechanics. Edição revisada: AddisonWesley, 1994.
Z. Qiu e S. D. Bader, Jounal of Magnetism and Magnetic Materials, 200,
664-678 (1999).
Agradecimentos: ao IEAv pelo suporte técnico e pela hospitalidade.
 s .B( x ),
i
i
i
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
91
Análise computacional do escoamento na região de admissão de ar do motor
scramjet do veículo hipersônico aeroespacial 14-X
Augusto Fontan Moura1*, Maurício Antoniazzi Pinheiro Rosa1
1
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: scramjet, CFD, hipersônica, veículo 14-X.
III. Análise computacional do escoamento
I. Introdução
O motor scramjet (Fig. 1) apresenta-se como uma alternativa ao
motor foguete para acesso ao espaço, uma vez que não necessita
carregar seu próprio oxidante, permitindo o transporte de mais carga
útil e reduzindo seu custo por tonelada [1]. Como parte do projeto do
veículo hipersônico aeroespacial 14-X, a análise do escoamento
utilizando dinâmica dos fluidos computacional fornece dados
importantes que contribuem com o projeto.
Fig. 1 – O motor scramjet
A admissão do motor, delineada na Fig. 1, é responsável por
garantir a compressão do ar até a pressão e temperatura adequadas
para a combustão. Seu projeto é de extrema importância já que sua
eficiência afeta a eficiência do motor como um todo. O trabalho foca
na análise em CFD da admissão do motor scramjet para a geometria
do 14-XB.
A análise do escoamento na admissão do motor scramjet foi
realizada com o software comercial ANSYS Fluent. Foi realizada
uma análise preliminar com escoamento não-viscoso que, embora
não represente completamente o escoamento hipersônico real,
fornece um entendimento das grandezas envolvidas e do
comportamento geral do escoamento.
A análise prosseguiu com a utilização de modelos viscosos de
turbulência e de transição, que permitiram visualizar os efeitos
viscosos. Para o cálculo de turbulência foi usado o modelo SpalartAllmaras, enquanto para o cálculo de transição foram utilizados os
modelos k-kl-ω (Fig. 3) e Transition SST. Foram analisadas
diferentes condições de contorno de parede, condição de parede
adiabática e com temperatura fixa Tw = 300 K; para as condições de
turbulência, foram testadas três intensidades de turbulência, I =
0.04%, I = 1% e I = 10%.
II. Admissão do motor
Na admissão de um motor scramjet ocorre uma série de efeitos
viscosos que afetam sua eficiência e as propriedades do escoamento
na entrada da câmara de combustão, como interações de pressão, em
que a camada-limite provoca uma deflexão do escoamento
hipersônico, gerando uma onda de choque que por sua vez afeta a
camada-limite [2]; e interações entre onda de choque incidente e a
camada-limite (SWBLI – shock wave/boundary-layer interaction) [24], que podem provocar o descolamento da camada-limite (Fig. 2),
gerando perdas viscosas e, em situações extremas, à obstrução parcial
da entrada do motor, além de favorecer a transição do escoamento
para turbulência. Essas interações reduzem a eficiência de energia
cinética e a recuperação de pressão total, parâmetros importantes para
medir a eficiência da admissão. Além disso, a formação da camadalimite afeta o escoamento, deslocando as ondas de choque e podendo
causar perda de vazão mássica devido ao escoamento que se desvia
para fora da entrada do combustor, passando abaixo da carenagem do
motor.
Fig. 3 – Escoamento viscoso na admissão do 14-XB com modelo de transição
k-kl-ω
IV. Comentários finais
Os resultados indicam uma grande influência da condição de
contorno de parede nos efeitos viscosos, sendo a condição de parede
adiabática a que causa as maiores perdas viscosas e maiores regiões
de separação da camada-limite. O impacto da intensidade de
turbulência é relativo ao modelo viscoso utilizado.
Os modelos de transição apresentam resultados diferentes. O
modelo k-kl-ω apresenta bons resultados para a região de separação,
que por sua vez afeta os choques e a estrutura do escoamento,
enquanto que o modelo Transition SST, por sua vez, mostrou-se
superior no cálculo da troca de calor na região de recolagem da
camada-limite.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
Fig. 2 – Separação da camada-limite devido a SWBLI na junção entre a placa
plana e a rampa de compressão
92
C. Segal; The Scramjet engine: Processes and Characteristics, 1ª ed.,
Cambridge University Press: Cambridge, 2009.
J. D. Anderson; Hypersonics and High Temperature Gas Dynamics, 1ª
ed., Mcgraw-Hill: New York, 1989
L. Brown et al.; AIAA 2009-7205, 1-17 (2009)
B. Reinartz et al.; 2nd European Conference for Aerospace Sciences, 1-8
(2007)
Agradecimentos: às agências CNPq e AEB pelo financiamento do projeto
560143/2010-9.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Estudo computacional de deposição de um pulso de energia em fluido
estagnado e em escoamentos de altas velocidades
André C. Fraile Jr., Mauricio A. P. Rosa
Instituto de Estudos Avançados, Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, [fraile, pinheiro]@ieav.cta.br
I. Introdução
A adição de energia a escoamentos de altas velocidades é
comumente estudada como uma forma de controle de escoamento,
permitindo reduzir o arrasto de corpos rombudos por meio da
modificação da geometria de ondas de choque, ajustar o fluxo de ar
em motores de combustão supersônica do tipo scramjet, efetuar o
controle de atitude de aeronaves hipersônicas, entre outras [1-2].
Em estudos anteriores conduzidos no IEAv, foi possível analisar
o efeito da adição de energia na forma contínua a escoamentos e
também verificar como ocorre a redução de arrasto em corpos
rombudos [3-4].
Este trabalho tem como objetivo estudar numericamente o caso
em que se adiciona um pulso de energia a um fluido estagnado ou a
um escoamento supersônico utilizando o software Fluent®.
II. Resultados e discussão
Um esquema do domínio físico axissimétrico (eixo de simetria
coincide com a fronteira inferior da figura) é mostrado na Fig. 1. As
condições de contorno empregadas no software Fluent® são
destacadas na figura. No caso em que o fluido é estagnado, a
velocidade do escoamento livre é definida como nula. No estudo em
que o escoamento é supersônico, o número de Mach do escoamento
não perturbado é M   4 e o fluido se desloca da esquerda para a
direita da Fig. 1. A fonte pulsada de energia com raio de 0,5 mm e
comprimento de 1,0 mm é implementada por meio de uma UDF
(user-defined function), que é um recurso do Fluent® que, neste
trabalho, permite adicionar, em uma região delimitada do domínio
numérico, uma potência de 141 W pelo período de 1 s ao se iniciar
a simulação. O escoamento é analisado após 7 s do início da
simulação.
porção externa, o que é seguido por uma redução de pressão em seu
interior. Devido ao menor tempo de trânsito dos elementos de fluido
na região de adição de energia no caso do escoamento supersônico, o
efeito da adição de energia na magnitude de variação da pressão é
inferior ao caso em que o fluido está inicialmente estagnado.
Fig. 2. Campo de pressão no instante de 7 s: (a) meio estagnado; (b) Mach 4.
1.04
Estagnado
M
1.02
1.00
p/p
Palavras Chave: adição pulsada de energia, escoamento hipersônico,
fluido estagnado, redução de arrasto.
0.98
0.96
-15
-12
-9
-6
-3
0
x (mm)
Fig. 3. Pressão do escoamento no eixo de simetria no instante de 7 s.
III. Comentários finais
Fig. 1. Domínio físico e computacional.
Efetuou-se inicialmente uma análise detalhada de resolução de
malha, de modelos e métodos e de passo de tempo de integração para
a solução deste problema. Como exemplo de resultados, a
distribuição espacial de pressão em ambos os casos é mostrada na
Fig. 2 para o instante de 7 s. Deve-se ressaltar que uma frente de
onda compressiva de formato circular se origina na região em que a
energia é depositada no fluido inicialmente estagnado. No caso do
escoamento supersônico, essa frente de onda tem menor magnitude
de pressão e é transportada pelo escoamento para a fronteira do
domínio.
A Fig. 3 mostra a distribuição de pressão ao longo do eixo de
simetria da fonte para os mesmos casos analisados anteriormente:
fluido estagnado e escoamento supersônico. Em ambos os casos, a
propagação da onda se manifesta por um pico de pressão em sua
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Resultados das análises já realizadas que incluem variação da
potência de deposição, formato geométrico da fonte e de velocidade
do escoamento livre permitem observar alguns aspectos da influência
da adição de um único pulso de energia em escoamentos que são
relevantes para estudos de redução de arrasto de corpos rombudos e
aplicações em scramjet. Além disso, já encontra-se em andamento
um estudo que considera uma sequência de pulsos, aonde serão
analisados a frequência, potência e largura dos pulsos para diferentes
velocidades do escoamento para, posteriormente, se analisar
numericamente a redução de arrasto de corpos rombudos por adição
pulsada de energia.
IV. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
D. Knight; AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 41 (2003).
M. N. Shneider et al; AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 41
(2003).
A. C. Fraile Jr., Um estudo numérico de adição da redução de arrasto
em corpos rombudos por adição de energia em escoamentos de altas
velocidades, Tese de Mestrado, ITA, São José dos Campos, 2011.
A. C. Fraile Jr, M. A. P. Rosa; J. Aerosp. Technol. Manag., 5, 169-180
(2013).
93
Projeto HIPERVEL: medida de velocidade em escoamentos hipersônicos
Dermeval Carinhana Jr.* 1, Alberto M. dos Santos1, Luiz G. Barreta1, Antônio C. de Oliveira1, Ana Paula L. Guimarães2, Danilo
Almeida Machado2, Pedro A. de Sousa Matos2, Lincoln Tolomelli e Tolomelli2.
1
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil.
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil.
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: velocimetria, hipervelocidade, diagnóstico.
B. Velocimetria por feixe de elétrons
I. Introdução
O desenvolvimento de veículos hipersônicos tem como objetivo
principal estabelecer um método mais barato de se atingir a órbita
terrestre do que os existentes atualmente. O estudo dessa classe de
veículos é realizado no interior de túneis de choque hipersônico,
dispositivos em que os veículos são atingidos por gases escoando a
velocidades de até Mach 25 Dada as características extremas do
ambiente, a seção de testes dos túneis hipersônicos configura-se
como um sistema típico em que é necessário o uso de técnicas nãointrusivas de diagnóstico. O objetivo desse projeto consiste, assim,
no estabelecimento de técnicas de velocimetria capazes de atender às
atuais necessidades de caracterização dos túneis hipersônicos.
A construção e caracterização do dispositivo para a produção do
feixe de elétrons utilizado na técnica de velocimetria foi concluída. A
Fig. 3 mostra a imagem do plasma produzido (no centro da janela)
pela descarga elétrica de 15 kV em uma atmosfera de ar sintético a
uma pressão de 0,1 Torr no interior da câmara.
II. Andamento do projeto
A. Velocimetria por imagens Schlieren
A técnica Schlieren baseia-se no destaque dos contornos das
heterogeneidades do meio investigado produzidas a partir de sua
densidade e, por consequência, do índice de refração [1]. A Fig. 1
mostra uma sequência de três imagens dos jatos supersônicos de SF6
produzidos no interior de câmara de expansão obtidas por esta
técnica. As imagens foram registradas utilizando-se uma câmera de
alta velocidade (Phantom v2010) a uma taxa de 36.000 quadros por
segundo. Os tempos têm como referência o início da expansão.
Fig. 3. Fluorescência do plasma de N2/O2 produzida pelo feixe de elétrons.
C. Velocimetria por vaporização de partículas
Em substituição à velocimetria Doppler de espalhamento
Rayleigh, optou-se pela técnica de vaporização de partículas, devido
à sua menor complexidade experimental. Adicionalmente, o método
é baseado na incandescência induzida por laser, cujo
desenvolvimento e aplicação tem sido motivo de diversos estudos no
IEAv [2]. Inicialmente, a velocimetria será desenvolvida em chamas
de biodiesel (Fig. 4), sendo posteriormente adaptada para as
condições dos túneis de choque hipersônicos.
Fig. 1. Imagens típicas do jato supersônico obtidas pela técnica Schlieren. Os
tempos assinalados tem como referência o início da expansão.
A Fig. 2 mostra os valores de velocidade para diferentes pressões
da câmera de expansão.
200
30 mbar
20 mbar
15 mbar
175
Velocity (m/s)
Fig. 4. Esquema simplificado da velocimetria por vaporização de partículas.
150
III. Referências
125
[1]
[2]
100
5
10
15
20
25
30
Distance (mm)
E. D. Iffa, R. A. Aziz e AQ. S. Malik. Appl. Opt., 50, 618-625 (2011).
L. Tolomelli e Tolomelli, Estudo da presença de fuligem em chamas de
misturas diesel/biodiesel, Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos
Campos, 2012.
Agradecimentos: FINEP, convênio 01.11.0069.00 pelo financiamento do
projeto e pelas bolsas de mestrado dos alunos envolvidos.
Fig. 2. Velocidades do jato obtidas em diferentes pressões da câmara i)
30 (quadrado), ii) 20 (círculo) e iii) 15 mbar (triângulo).
94
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Um estudo numérico de injeção de gás perpendicular a um escoamento
supersônico de ar para aplicação em motores SCRAMJET
João Vitor M. B. Siqueira1*, Francisco D. Rocamora Jr.1, Mauricio A. P. Rosa1*
1
Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: injeção de gás, escoamento supersônico, eficiência
de mistura, simulação numérica.
calor pelas paredes; modelagem de turbulência e análises em
geometrias 3D, além de incluir o estudo de modelos para a
combustão supersônica do hidrogênio.
I. Introdução
O motor scramjet (supersonic combustion ramjet) é um dos
maiores candidatos a sistema propulsivo para futuros veículos
hipersônicos. Num motor scramjet o ar atmosférico é primeiramente
comprimido e desacelerado a velocidades supersônicas através de
ondas de choque e, posteriormente, combustível é injetado
imediatamente anterior à entrada da câmara de combustão para ser
misturado com oxigênio existente no ar atmosférico para promover o
que se denomina de combustão supersônica. Pesquisas em combustão
supersônica são de grande importância para o projeto de tais motores
aonde a mistura e a combustão do combustível com o ar supersônico
devem ocorrer simultaneamente no combustor. Devido à alta
velocidade do ar, o tempo de residência deste no interior do
combustor é apenas da ordem de um milissegundo fazendo que todo
o processo de combustão ocorra neste curto espaço de tempo, o que
impõe severas restrições ao projeto destes motores.
Os objetivos deste trabalho inicial do estudo da combustão
supersônica em motores scramjet são efetuar análises: de malha, de
validação de modelos e métodos disponíveis no programa Fluent e da
estrutura do escoamento para o problema de injeção de um gás inerte
perpendicularmente ao escoamento de ar supersônico confinado num
duto em geometria 2D.
Fig. 1. Campo de número de Mach com linhas de corrente.
II. Resultados e discussão
Para os estudos de refinamento de malha e de validação de
modelos considerou-se o problema 2D de injeção de gás hélio
perpendicularmente ao escoamento de ar supersônico (Mach 2,9)
apresentado em [1]. A geometria 2D considera que a injeção do gás é
efetuada através de uma ranhura perpendicular ao escoamento na
parede inferior do duto. Observa-se na Fig. 1, que apresenta o campo
de número de Mach com linhas de corrente do escoamento, que a
presença da injeção de gás gera uma estrutura de escoamento
bastante complexa com diversos choques e as interações destes com a
camada limite gerando regiões de recirculação antes e após o local da
injeção. Na Fig. 2 são mostrados os resultados da análise de malha
efetuada com o modelo de turbulência Transition SST do Fluent,
verificando-se que o refinamento da malha está conduzindo a
convergência entre as soluções. Como exemplo de resultados da
validação de modelos disponíveis no programa Fluent, a Fig. 3
mostra que o modelo de turbulência Transition SST é o que
apresentou melhor resultado dentre os modelos analisados,
principalmente a região de separação da camada limite que antecede
a injeção de gás.
Fig. 2. Análise de malha: Pressão na parede inferior do duto com o modelo
Transition SST.
Fig. 3: Pressão na parede inferior do duto
III. Comentários finais
Os passos a seguir incluem cálculos de parâmetros importantes de
injeção para a combustão tal como a eficiência de mistura de
combustível e oxigênio e a penetração do combustível no
escoamento, considerando-se: efeitos das condições do escoamento
de ar e da injeção de combustível (Mach, razão de pressão dinâmica,
ângulo e local de injeção, múltiplas injeções, etc); geometrias para
ancoragem e estabilização de chama (degraus, cavidades, etc);
elementos que acentuam a mistura ar-combustível; transferência de
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
IV. Referências
[1]
W. Huang; Fuel Injection, Intech, Chapter 9, 2010.
Agradecimentos: às agências CNPq e AEB pelo financiamento do projeto
560143/2010-9.
95
Desenvolvimento de sensores de infravermelho nanoestruturados
Gustavo Soares Vieira1,2*, Roberto Yuji Tanaka1,2, Nancy Mieko Abe1, Ruy Morgado de Castro3 e Angelo Passaro1,2
2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*
E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: sensores de infravermelho, nanotecnologia.
I. Introdução
Sensores de infravermelho são de grande interesse estratégico em
diversas áreas relevantes para o país. O agronegócio beneficia-se da
detecção prematura de ação de pragas e/ou deficiência de irrigação
em grandes áreas plantadas. No monitoramento ambiental, imagens
no infravermelho são usadas, por exemplo, para avaliação da saúde
de coberturas vegetais e localização de focos de incêndio. A
segurança do tráfego aéreo é melhorada com a utilização de câmeras
operando no infravermelho, visto que é possível obter as imagens
através da neblina ou fumaça. A utilização dos sensores para a
detecção de componentes tóxicos em misturas gasosas é de grande
valia para o monitoramento de instalações industriais, petrolíferas e
de mineração. Imagens térmicas facilitam a identificação de
necessidade de manutenção em instalações industriais e de problemas
em linhas de transmissão de energia elétrica. Sistemas de visão
noturna são de grande importância para nossas forças armadas e para
segurança civil. A geração de imagens no infravermelho também tem
importante papel na área de saúde. Por exemplo, com uma imagem
no infravermelho é possível avaliar problemas de lubrificação nos
olhos ou identificar a ocorrência de câncer de pele.
II. Infraestrutura
Na Divisão de Física Aplicada do Instituto de Estudos
Avançados (IEAv), efetua-se o desenvolvimento de sensores de
infravermelho a poços quânticos, QWIPs [1], a pontos quânticos,
QDIPs [2], e fotodiodos convencionais (transições interbandas). Esse
desenvolvimento é realizado em parceria com outras instituições de
ensino e pesquisa do Brasil, que estão reunidas no Instituto Nacional
de Ciência e Tecnologia em Nanodispositivos Semicondutores,
DISSE. O IEAv atua, nessa parceria, principalmente, no projeto e
caracterização das nanoestruturas semicondutoras geradas.
O IEAv conta com a infraestrutura de três laboratórios para
desempenhar suas atividades no desenvolvimento de sensores de
infravermelho: o LCDS (Laboratório de Caracterização de
Semicondutores, Fig. 1), o LaRaC (Laboratório de Radiometria e
Caracterização de Sensores Ópticos, Fig. 2) e o LEV (Laboratório de
Engenharia Virtual).
No LCDS [3] foi estabelecida uma infraestrutura destinada à
caracterização de propriedades elétricas de dispositivos
semicondutores diversos, encapsulados ou não, tanto a temperatura
ambiente quanto a temperaturas criogênicas. Dentre as medidas de
interesse na caracterização elétrica de sensores de infravermelho
estão as medidas de corrente de escuro, as de características de
capacitância com e sem tensão aplicada, e as de figura de ruído.
O LaRaC possui infraestrutura para realizar a caracterização
elétro-óptica dos sensores através de medidas de responsividade, que
quantifica eficiência de conversão da potência da radiação incidente
no sensor em sinal elétrico. Estas medidas são feitas tanto em sua
forma integral (luz branca) quanto espectral. Os aparatos de medida
são automatizados, permitindo medidas com maior grau de
complexidade e melhorando a precisão e confiabilidade das medidas.
96
Fig. 1. Sistema completo para caracterização elétrica de dispositivos
semicondutores disponível no LCDS.
Fig. 2: Aparato experimental disponível no LaRaC utilizado para a
caracterização elétro-óptica dos sensores.
No LEV são desenvolvidas ferramentas computacionais para
projeto e análise de estruturas nanométricas de semicondutores
(CAE). Essas ferramentas permitem o cálculo da estrutura de bandas
de heteroestruturas propostas (em uma aproximação de massa
efetiva) e auxilia no projeto de estruturas com características prédeterminadas. As ferramentas permitem o cálculo de estruturas com
variação da composição do material semicondutor em uma, duas ou
três dimensões. No último caso o cálculo é feito para estruturas que
apresentam simetria cilíndrica. As ferramentas contemplam o cálculo
das estruturas com cargas livres. A busca pela melhor solução para
determinada característica desejada é feita por algoritmo genético.
III. Referências
[1] A. Passaro, R. Y. Tanaka, A. Muraro, Jr, G. S. Vieira, and N. M. Abe,
IEEE Trans. on Magnetics, 46, 2759-2762 (2010).
[2] D. R. Alvarenga, C. A. Parra-Murillo, R. M. S. Kawabata, P. S. S.
Guimarães, K. Unterrainer, M. P. Pires, G. S. Vieira, J. M. Villas-Boas,
M. Z. Maialle, M. H. Degani, P. F. Farinas, N. Studart and P. L. Souza,
IEEE J. of Quantum Electronics, 48, 1360-1366 (2012).
[3] Página do LCDS <www.ieav.cta.br/efa/sdiv/efae/lcds/index.html>.
Agradecimentos:
ao
apoio
financeiro
da
FINEP,
projeto
PDSENDN/01.10.0624.00; do CNPq, projetos
INCT–DISSE
e
AEB559908/2010-5, e bolsas 310509/2012-2, 310578/2012-4, 384646/20123, 380343/2013-4, 381329/2011-9 e 180248/2012-0; da FAPESP e da
CAPES.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Processamento e caracterização de compósitos cerâmicos e metal-cerâmicos à
base de ferritas
Vera Lúcia O. de Brito1,2*, Rosana S. Xavier1, Mônica S. Hieda2, Francisco E. de Carvalho1,2, João Paulo B. Machado3, Antonio
Carlos C. Migliano1,2
2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Laboratório Associado de Materiais e Sensores, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: ferritas, compósitos magnetoelétricos, cermets,
processamento de materiais.
I. Introdução
Os projetos mais recentes do Grupo de Sistemas
Eletromagnéticos (GSE) do IEAv têm focalizado nas pesquisas em
ferritas com Co e Ba na composição, devido ao seu potencial de
aplicação em transdutores magnetoelásticos e no encapsulamento de
sensores para aplicações aeroespaciais [1-2]. Tais projetos
demonstraram que as propriedades magnetostrictivas das ferritas de
cobalto são bastante interessantes para aplicações em sensores de
tensões mecânicas, no entanto a baixa resistência mecânica destes
materiais é um empecilho para este tipo de aplicação. Neste sentido,
a tecnologia de cermets (compósitos metal-cerâmica) é uma
alternativa para contornar este problema.
Associadas a materiais piezoelétricos, as ferritas de alta
magnetostricção formam compósitos capazes de gerar sinais elétricos
na presença de campos magnéticos, tendo portanto grande potencial
de aplicação em sensores de campo magnético. Além disso, tais
compósitos magnetoelétricos (ME) podem ter as suas propriedades
eletromagnéticas ajustadas por meio de campos elétricos, o que os
tornam aplicáveis em dispositivos eletrônicos sintonizáveis.
Atualmente, existem em andamento no GSE duas linhas de
pesquisa em compósitos à base de ferritas: uma com foco no
desenvolvimento de cermets de ferritas e outra com foco no
desenvolvimento de compósitos cerâmicos à base de ferritas e
BaTiO3. Neste trabalho, serão resumidas as atividades realizadas
nestas pesquisas entre 2013/2014.
II. Atividades em andamento na área de compósitos cerâmicos
magnetoelétricos
A ferrita CoFe2O4 é conhecida pelos seus altos valores de
magnetostricção em relação às ferritas sem cobalto na composição.
Quando associadas a materiais piezoelétricos, este tipo de ferrita
pode formar compósitos ME com elevado coeficiente
magnetoelétrico, adequado para aplicações em sensores. A literatura
aponta uma tendência da substituição dos piezoelétricos do tipo PZT
por outros isentos de chumbo, devido a questões ambientais. Por este
motivo, o BaTiO3 foi inicialmente selecionado como fase
piezoelétrica nas primeiras pesquisas do GSE em compósitos ME
cerâmicos. O tipo de compósito ME estudado no grupo tem sido o de
CoFe2O4/BaTiO3 (compósito por nós denominado de F-TB).
Inicialmente foram estudadas as características microestruturais dos
compósitos F-TB tendo as partículas de ferrita dispersas em uma
matriz de BaTiO3, na forma de partículas finas. Posteriormente,
foram fabricadas amostras para estudos da interação entre as duas
fases, sendo elas dispostas em uma das seguintes formas: em
camadas e com partículas relativamente grandes de ferrita (com
tamanho variando entre 200 e 1000 µm, aproximadamente) em uma
matriz de BaTiO3. Nos compósitos com partículas finas de ferrita não
foram observadas trincas nem indícios de reação entre as fases. Já na
amostra com partículas grandes de ferrita e na constituída de duas
camadas, observou-se a presença de trincas nas interfaces entre as
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
fases, causadas pela diferença entre os coeficientes de expansão
térmica do CoFe2O4 e do BaTiO3.
A próxima etapa da pesquisa sobre compósitos ME é o
refinamento do método de processamento cerâmico, de modo a obter
partículas finas e dispersas de ferritas, com percolação reduzida entre
elas.
III. Atividades em andamento na área de cermets de ferrita
Atualmente o GSE possui um trabalho de mestrado em
andamento no ITA/PG-CTE no qual estão sendo processados e
caracterizados cermets de ferrita do tipo Ni-Co. Esta ferrita possui
sensibilidade magnetoelástica similar à do CoFe2O4, com menor
histerese magnética, sendo por isso um material interessante para
aplicações em sensores magnetomecânicos. O propósito deste
trabalho é processar cermets de ferrita Ni-Co com ligas Ag-Ni e CuNi e estudar a microestrutura e as propriedades mecânicas destes
compósitos. Trabalhos anteriores [3] já demonstraram que o uso de
uma liga Ag-Ni com a cerâmica CoFe2O4 foi eficiente para aumentar
a resistência mecânica desta ferrita, contribuindo também para o
aumento da sensibilidade magnetoelástica do material. As ligas do
sistema Cu-Ni possuem alta resistência à corrosão e boas
propriedades mecânicas, razão pela qual foram escolhidas para esta
pesquisa.
A ferrita Ni-Co a ser utilizada no projeto está sendo processada
no Laboratório de Materiais Eletromagnéticos (LME) do IEAv.
Atualmente estão sendo definidos os parâmetros de processamento e
sinterização para a obtenção de amostras de ferrita Ni-Co com baixa
porosidade.
IV. Perspectivas
Além dos recursos institucionais que estão sendo recebidos pelo
LME/IEAv para a sua ampliação, planeja-se buscar financiamento
externo para as atividades de pesquisa descritas neste trabalho, por
meio de projetos a serem submetidos às agências de fomento
nacionais.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
V. L. O. de Brito; Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento – Instituto
de Estudos Avançados, 6, 91, (2013).
A. C. C. Migliano, C. A. R. de Freitas, F. E. Carvalho, V. L. O. de Brito,
Y. C. de Polli, A. F. N. Boss, A. K. Hirata, B. A. Cunha, F. F. Araújo,
G. P. Zanella, L. V. Lemos, M. R. F. Gontijo, M. S. Amarante, R. G. A.
Lima, R. Y. Nagata e R. S. Xavier; Atividades de Pesquisa e
Desenvolvimento – Instituto de Estudos Avançados, 6, 93, (2013).
R. W. McCallum, K. W. Dennis, D. C. Jiles, J. E. Snyder e T. H. Chen;
Low Temperature Physics, 27 (4), 266-271, (2001).
Agradecimentos: à FAPESP, pelo financiamento do projeto 2012/01448-2; à
CAPES pelo financiamento do projeto 2236/2012 e ao CNPq pela bolsa
PIBIC-IEAv.
97
Caracterização de materiais e avaliação de sensores e filtros na faixa de
frequência Terahertz
Antonio C. C. Migliano1,2,3,*, Carlos A. R. de Freitas1, Vera L. O. de Brito1,2, Yasmara C. De Polli1, Francisco E. Carvalho1,2,
Alan F. N. Boss1,2, Fabiana F. de Araújo1,3, Fábio R. Daró1,2, Glauco P. Zanella1,2, Leonardo V. Lemos1,3, Marcelo R. F.
Gontijo1,3, Rodrigo G. A. de Lima1,2, Anderson K. Hirata1,2, Mayara dos S. Amarante1,2, Stéphanie A. Cunha1,2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
2
Palavras Chave: materiais, sensores, filtros, terahertz.
I. O que é Terahertz?
Radiação Terahertz (THz) é uma região do espectro
eletromagnético localizada entre as regiões de micro-ondas e
infravermelho. Apesar da discussão de onde começa e termina esta
região, uma boa abordagem é apresentada na Fig. 1. Nela, a
delimitação é feita com base na tecnologia das regiões de microondas e infravermelho. Apesar de alguns equipamentos de microondas atingirem 300 GHz, a tecnologia de micro-ondas é bem
estabelecida até 100 GHz, enquanto a de infravermelho é bem
Em relação à caracterização de materiais, muito se estuda sobre
materiais dielétricos e biológicos. Poucos trabalhos exploram a
permeabilidade dos materiais, sendo esses poucos trabalhos voltados
à metamateriais [2]. Um banco de dados de domínio público [4]
exemplifica como a permeabilidade é desconsiderada, além de
mostrar que materiais como ferrita de cobalto ainda não foram
caracterizados nesta região do espectro.
estabelecida a partir de 10 THz [1].
Fig. 1. Regiões do espectro eletromagnético.
Esta região THz tem sido bastante explorada principalmente nas
últimas duas décadas devido o fato que essas frequências são
altamente absorvidas pela atmosfera terrestre e que os emissores e
detectores de radiação THz ainda estão em evolução.
II. Sistemas THz
Ondas THz podem ser emitidas em frequências específicas por
sistema de onda contínua (Continuous Wave – CW). Elas também
podem ser emitidas em uma determinada largura de banda por
sistema que utiliza transformada de Fourier (Fourier Transform –
FT). Esses sistemas operam em uma faixa de frequência que pode
abranger quase toda a faixa do THz Amplo, porém com uma
resolução espectral baixa. Outros sistemas que emitem uma faixa de
frequência THz são os que operam no domínio do tempo (Time
Domain – TD). Esses sistemas operam em uma faixa de frequência
menor que os sistemas FT, porém com uma melhor resolução
espectral. O sistema TD, Fig. 2, é o mais indicado para caracterização
de materiais e avaliação de filtros e sensores, já que trabalha em uma
banda de frequência com resolução melhor que sistemas FT [2].
III. Pesquisas e Fronteira
Os primeiros estudos na região THz datam do final século XIX
com as pesquisas de Heinrich Rubens na região que viria a ser
chamado posteriormente de infravermelho longínquo. Entretanto, o
maior passo foi durante década de 90, com a chegada das antenas
fotocondutoras. Atualmente, muitas pesquisas giram em torno do
desenvolvimento de novos dispositivos para emissão e detecção de
radiações THz [3]. Pesquisas relacionadas à sensores e a
caracterização de materiais também têm recebido muita atenção [2].
98
Fig. 2. Esquema de um sistema THz-TD.
IV. Recurso no Brasil e Inovação na Área
A confecção e caracterização de ferritas em micro-ondas já são
bem estabelecidas. No Instituto de Estudos Avançados (IEAv), o
Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) possui ampla
experiência nesta área. Entretanto, a caracterização dessas ferritas em
frequências acima de micro-ondas não é explorada atualmente.
Hoje, na América Latina, um único sistema THZ-TD operante
está localizado no Instituto de Química da Unicamp. Este sistema é
utilizado principalmente para a investigação de materiais biológicos.
O grupo do LSE possui o conhecimento necessário para a
confecção e caracterização de ferritas em micro-ondas. Atualmente, o
grupo busca a inovação de caracterizar as ferritas na faixa de THz.
Para isto, é necessário o investimento em um sistema THz-TD, que
também seja facilmente adequado para avaliar sensores e filtros. Com
isto, a possibilidade de desenvolvimento de novas técnicas para
medir a permeabilidade de materiais torna-se real, o que colocaria o
IEAv em posição de destaque na comunidade científica internacional.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
Y.-S. Lee; Principles of terahertz Science and technology, Springer
Science: New York, 2009.
B. Son; X. Zhang; Nature Materials. 1, 26-33 (2002).
E. Bründermann; H.-W. Hübers; M. F. Kimmitt; Terahertz techniques,
Springer: Berlin, 2012.
T. Notake; R. Endo; K. Fukunaga; I. Hosako; C. Otani; H. Minamide;
IEEE Trans. on THz Science and Technology, 4, 110-115 (2014).
Agradecimentos: CAPES Pró-Estratégia nº 50/2011 - Proc. 2237; FAPESPProc. 01448-2/2012, FINEP proc. 01.12.0347.00(0479/11) e proc.
01.13.0402.00 (0606/13); COMAER .
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Microscopia de Força Magnética de Amostra “Bulk” de Hexaferrita Co2Z
Fábio R. Daró1,2,*, Antonio C. C. Migliano1,2,3, Glauco P. Zanella1,2, Anderson K. Hirata1,2, Yasmara C. De Polli1,
Maria C. Salvadori4
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
4
Laboratório de Filmes Finos, Instituto de Física da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
2
Palavras Chave: MFM, domínios magnéticos, Co2Z.
I. Introdução
A Microscopia de Força Magnética (MFM - Magnetic Force
Microscopy) de ferritas, geralmente, emprega amostras de filmes
finos. Porém, aqui foi analisada uma amostra “bulk” para análise de
domínios magnéticos.
II. Materiais e Métodos
Fig. 1. MFM de amostra de Co2Z: topografia (a) e domínios (b).
Foi utilizado equipamento Agilent 5420 SPM [1]. Na MFM, uma
sonda de dimensões nanométricas obtém dados da superfície da
amostra em duas etapas. Na primeira, enquanto oscila perto da sua
frequência de ressonância, a partir da variação da frequência, fase ou
amplitude da oscilação causada por contato intermitente (CI) com a
amostra, obtém-se a topografia. Na segunda, a sonda mantém uma
distancia vertical constante da amostra (pois a topografia é conhecida
pela etapa prévia de CI), de modo que os domínios magnéticos são
identificados pela perturbação que estes provocam na fase de
oscilação: avanço (atração) ou atraso (repulsão). Foi analisada uma
amostra “bulk” de Co2Z (Ba3Co2Fe24O41) [2] magnetizada.
Fig. 2. Topografia (a) e domínios (b) ao longo da linha 1 da Fig. 1.
III. Resultados
Foram encontrados domínios magnéticos de bandas paralelas
com largura D = 50..500 nm e comprimento d = 2..4 m. A Fig. 1 (a)
mostra a topografia (altura), obtida por CI, exibindo um contraste de
7 m. A Fig. 1 (b) mostra os domínios (fase) da mesma região. A
Fig. 2 compara topografia e domínios ao longo da linha 1 da Fig. 1.
Os menores valores de D foram obtidos na direção do eixo difícil
de magnetização, que nas condições de temperatura ambiente é
normal ao plano hexagonal cristalino e ao longo do qual os cristais se
empilham. Logo, a relutância magnética (R), dada por (1), determina
os domínios, uma vez que nesta direção é onde cada cristal tem
menor permeabilidade (), menor espessura (h) e maior área (A).
R  h A
Demonstrou-se a utilidade da MFM para ferritas “bulk”. Os
domínios magnéticos não observados antes por outros métodos
permitem cogitar o emprego deste material para gravação de dados.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
(1)
[4]
Na direção do eixo fácil, caso da Fig. 1, a anisotropia é o fator
determinante, e pode ser considerada uniaxial, que segundo [3], é
dada por (2). A ref. [4] encontrou o mesmo tipo de domínios num
mesmo tipo de amostra e com valores compatíveis com fórmulas de
[3], embora aquelas de energia magnetostática e não de anisotropia.
Sendo a constante de troca energética do material A = 0,5 E-11 J/m e
a constante uniaxial de anisotropia K = 1,8 E+5:
D  (64 A / K ) 0.25 d 0.5
IV. Conclusões
AGILENT TECHNOLOGIES Inc. Agilent Technologies 5420 SPM
Manual. Santa Clara. 2011.
G. P. Zanella, Síntese de hexaferrita de Co-Ba para aplicações no
encapsulamento de sensores e em RADOME na faixa de RF e microondas. Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos Campos, 2013.
G. Bertotti. Hysteresis in Magnetism: for physicists, material scientists
and engineers, 1º ed., San Diego: Academic Press, 1998.
L. Qin; H. Verweij, Magnetic force microscopy study of domain walls
in Co2Z ferrite, Materials Research Bulletin, 51, 109–111 (2014).
Agradecimentos: CAPES Pró-Estratégia 50/2011, proc. 2237; FAPESP proc.
01448-2/12, proc. 95/5651-0; FINEP proc. 01.12.0347.00 (0479/11), proc.
01.13.0402.00 (0606/13); Laboratório de Filmes Finos (IF-USP), COMAER.
(2)
Exemplificando aplicando (2) no caso da ilustração, com d ≈ 2,5
m, então D = 320 nm, o que é compatível com o experimento.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
99
Capacitação em simulação de dispositivos e objetos em ambiente
eletromagnético
Antonio C. C. Migliano1,2,3,*, Carlos A. R. de Freitas1, Vera L. O. de Brito1,2, Yasmara C. De Polli1, Francisco E. Carvalho1,2,
Alan F. N. Boss1,2, Fabiana F. de Araújo1,3, Fábio R. Daró1,2, Glauco P. Zanella1,2, Leonardo V. Lemos1,3, Marcelo R. F.
Gontijo1,3, Rodrigo G. A. de Lima1,2, Anderson K. Hirata1,2, Mayara dos S. Amarante1,2, Stéphanie A. Cunha1,2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
2
Palavras Chave: simulação eletromagnética, sensores, radar.
I. Introdução
A simulação de ambientes eletromagnéticos tornou-se uma
importante expertise para a avaliação de cenários onde a radiação
eletromagnética pode influenciar no comportamento de
equipamentos. Essa expertise também é importante para o
desenvolvimento de novos sensores e para a investigação do
espalhamento de ondas incidentes em objetos submetidos a radares.
Para simular esses ambientes eletromagnéticos existem diversos
métodos numéricos, como o método de difração geométrica, método
de elementos finitos, método de diferenças finitas e o método de
diferenças finitas no domínio do tempo. Esses métodos são bem
conhecidos e podem ser programados em qualquer linguagem de
programação. Entretanto, para fins de desenvolvimento, o uso de
softwares comerciais torna o processo mais rápido e dinâmico, visto
que os softwares já são previamente testados e geram resultados
confiáveis [1, 2].
Dentre diversos softwares comerciais desenvolvidos com base
nos mais variados métodos numéricos, os que trabalham no domínio
do tempo possuem a vantagem de gerar resultados que possibilitam a
investigação do comportamento eletromagnético em tempo real.
Além disto, estes softwares provêm resultados em uma ampla faixa
de frequência com a execução de apenas uma simulação.
Outros trabalhos do grupo como, análise de dispositivo de
cancelamento de RCS, filtro microstrip e um porta amostra recém
patenteado, também têm sido desenvolvidos com este software.
III. GTD
O LSE dispõe, também, de outra ferramenta computacional
estado-da-arte que utiliza o método de Difração Geométrica [4]. O
software GTD da Remcom, que simula uma câmera anecóica,
trabalha somente com frequências distintas, ao contrário do XFDTD.
Entretanto, o GTD provê resultado de espalhamento para cada
componente do objeto sob análise, Fig. 2. Em matéria de técnica de
redução de RCS, o método utilizado por este software é um dos mais
úteis, já que, para uma ampla faixa de frequência, a técnica mais
efetiva para redução de RCS é a geometria do objeto [5].
II. XFDTD
O LSE possui uma plataforma comercial baseada no método de
diferenças finitas no domínio do tempo (Finite Difference Time
Domain – FDTD) [3]. O software comercial XFDTD da Remcom é
uma plataforma para simulação de ambientes eletromagnéticos que
trabalha com o método de diferenças finitas no domínio do tempo.
Este software pode gerar tanto resultado em tempo real quanto
resultado em frequências distintas. Um exemplo de análise em
frequência distinta é a Fig. 1, que é o espalhamento eletromagnético
resultante quando uma onda de 1 GHz que incide em uma aeronave
Embraer AMX. Este é um exemplo de avaliação da seção reta radar
(Radar Cross Section – RCS) de objetos, que é de grande importância
na área de defesa.
Fig. 2. Vetores gerados pelo software GTD para componentes que compõem a
aeronave Embraer AMX.
O uso em conjunto desses dois softwares podem auxiliar na
evolução de técnicas para redução de RCS. Isto porque um pode ser
utilizado para investigar em qual frequência o objeto responde com
maior potência e o outro para melhorar a geometria do objeto.
Em locais onde a geometria não pode ser alterada, outro método
para redução de RCS pode ser utilizado, como, por exemplo, o de
materiais absorvedores. Este tipo de material pode ser configurado no
software operante no domínio do tempo, o que inclusive permite
observar o comportamento da radiação no interior do material.
IV.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Fig. 1. RCS tridimensional da aeronave Embraer AMX em 1 GHz.
100
Referências
M. N. O. Sadiku; Numerical techniques in electromagnetics, 2ª ed.,
Boca Raton: CRC Press, 2000.
R. Garg; Analytical and computational methods in electromagnetics,
Boston: Artec House, 2008.
K. S. Kunz e R. J. Luebbers. The finite difference time domain method
for electromagnetics, Boca Raton: CRC Press, 1993.
Remcom. The XGtd User’s Manual, State College, 2010.
D. C. Jenn; Radar and laser cross section engineering, 2ª ed., Reston,
Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005.
Agradecimentos: à CAPES Pró-Estratégia nº 50/2011 pelo financiamento do
projeto Proc. 2237; à FAPESP pelo financiamento do projeto Proc. 014482/2012 e à FINEP pelo financiamento do projeto 01.12.0347.00(0479/11).
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Caracterização de microestrutura e propriedades locais de materiais por
técnicas de microscopia de sonda de varredura
Antonio C. C. Migliano1,2,3,*, Vera L. O. de Brito1,2, Yasmara C. De Polli1, Fábio R. Daró1,2, Glauco P. Zanella1,2, Leonardo
V. Lemos1,3, Rodrigo G. A. de Lima1,2, Anderson K. Hirata1,2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
2
Palavras Chave: AFM, MFM, SMM, ferrita.
I. Introdução
Conhecer a resposta de materiais à ondas eletromagnéticas é
fundamental em projetos de pesquisa e desenvolvimento de
componentes eletrônicos, sensores, transdutores, absorvedores, entre
outros dispositivos que atuam na faixa de RF e micro-ondas. Para
classificar um material para tais aplicações é necessário entender a
relação entre a sua microestrutura juntamente com as suas
propriedades eletromagnéticas [1]. Com a recente aquisição de um
microscópio de sonda de varredura (SPM) e diferentes modos de
operação, o Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE)
ampliou a sua capacitação em caracterização de materiais, obtendo as
propriedades intrínsecas de materiais e caracterização microestrutural
de materiais "bulk" até filmes finos e nanomateriais.
Fig. 1. (a) Topografia obtida por AFM e (b) domínios magnéticos por
MFM de uma ferrita Co2Z (Ba3Co2Fe24O41).
II. Microscopia de Sonda de Varredura
A família de SPM utiliza um arranjo básico que é formado por
um sistema de atuação piezoelétrico que move, sobre a superfície da
amostra, uma haste terminada em uma ponta nanométrica. A
interação entre ponta e amostra é detectada por um sensor e, por meio
de um controlador, uma correção é feita para retornar à uma condição
inicial. Essa correção, juntamente com a posição em X e Y da
varredura, é usada para criar imagens que podem conter informações
da topografia, atrito, elasticidade, potencial elétrico, campo
magnético ou elétrico, entre outras características do material. A
seguir, são descritos alguns dos modos desse equipamento e
exemplos dos trabalhos que estão sendo desenvolvidos pelo grupo do
LSE.
A. Microscopia de Força Atômica (AFM)
A AFM é usada, principalmente, para obter informações de
topografia, atrito e elasticidade da amostra. A interação da ponta e
amostra é dada pelas forças de Van der Waals, o que permite o
estudo de amostras robustas ou frágeis, e até em meio líquido no caso
de amostras biológicas [2]. A Fig. 1a foi obtida por AFM de contato
intermitente, e a Fig. 2a mostra a força lateral (atrito) obtida por
AFM de contato. As imagens de AFM servem como referência
quando se deseja discutir a microestrutura com outra propriedade do
material.
B. Microscopia de Força Magnética (MFM)
As imagens de MFM contém informações da interação da ponta
magnética e os campos magnéticos presentes na amostra. Nesse
modo, a ponta oscila sobre a amostra para obter a topografia e as
propriedades magnéticas. A Fig. 1b mostra os domínios magnéticos
de uma ferrita Co2Z (Ba3Co2Fe24O41) [3].
Fig. 2. (a) LFM e (b) Amplitude de S11 por SMM Cu0,7Co0,3Fe2O4.
Existem outros modos que podem ser aplicados de acordo com a
conveniência para se obter a melhor resolução. O SPM possui modos
para caracterização de materiais cerâmicos, metálicos, polímeros e
até semicondutores, podendo também ser customizado para realizar
espectroscopias, além do software ser aberto para programação. Em
trabalhos futuros e, através de parcerias com outras instituições,
pretende-se ampliar as pesquisas para nanomateriais e filmes finos,
com aplicações de interesse do setor aeroespacial.
III. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
V. G. Harris, A. Geiler, Y. Chen,S. D. Yoon, M. Wu, A. Yang, Z. Chen
P. He, P. V. Parimi, X. Zuo,C.E. Patton, M. Abe, O. Acher,C. Vittoria,
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, 2035-2047 (2009).
N. Jalili, K. Laxminarayana; Mechatronics, 14, 907-945, (2004)
G. P. Zanella, Síntese de hexaferrita de Co-Ba para aplicações no
encapsulamento de sensores e em RADOME na faixa de RF e microondas. Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos Campos, 2013.
F. F. De Araújo, A. C. C. Migliano, A. K. Hirata, F. A. G. Oliveira, M.
R. Da Silva, Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências
dos Materiais, 245-252, (2012).
Agradecimentos: à agência de fomento CAPES pelo financiamento do projeto
Pró-Estratégia nº 50/2011 - Proc. 2237 e pelas bolsas (2,3); à FAPESP pelo
projeto nº Proc. 01448-2/2012; à FINEP pelo projeto nº proc. 01.12.0347.00
(0479/11) e nº proc. 01.13.0402.00 (0606/13), à COMAER pelo projeto
C. Microscopia de Escaneamento de Micro-ondas (SMM)
Na SMM, um analisador de redes vetorial (VNA) é acoplado ao
AFM para obter o parâmetro de reflexão (S11), que carrega
informação da impedância da amostra. A Fig. 2b mostra a
perturbação na amplitude de S11 de uma ferrita CuCo
(Cu0,7Co0,3Fe2O4) [4] para detecção de fases diferentes na amostra.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
101
Desenvolvimento de programa computacional para simulação de
nanoestruturas semicondutoras
Angelo Passaro1,2,*, Roberto Y. Tanaka1,2, Nancy M. Abe1, Lucas K. Sperotto1, Diogo de M. Pedroso1,2, Dárley D. de
Almeida1,2, André F. Pereira1,2 e Gustavo S. Vieira1,2
2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: nanotecnologia, método dos elementos finitos,
meios anisotrópicos, pontos quânticos, poços quânticos.
I. Motivação
Os avanços na tecnologia de crescimento epitaxial de materiais
semicondutores permitem que nanoestruturas, tais como poços, fios e
pontos quânticos, sejam utilizadas na confecção de diversos
dispositivos eletrônicos, tais como sensores de infravermelho, lasers
e células solares. A incorporação destas pequenas estruturas aos
dispositivos permite que os cientistas e engenheiros manipulem os
fenômenos quânticos que regem esta escala não apenas para melhorar
tais dispositivos, mas também para compreender melhor esses
fenômenos físicos. Programas computacionais para simulação de
dispositivos são ferramentas utilizadas para auxiliar no projeto,
desenvolvimento e no estudo de fenômenos físicos associados em
qualquer desenvolvimento tecnológico. Uma das atividades do
Laboratório de Engenharia Virtual (LEV) engloba o desenvolvimento
de ferramentas computacionais que permitem calcular propriedades
de dispositivos com nanoestruturas baseadas em poços, fios e pontos
quânticos [1]. O estágio atual das ferramentas desenvolvidas no LEV
para essa aplicação e os trabalhos futuros é apresentado a seguir.
II. Situação atual
Uma das principais ferramentas em desenvolvimento atualmente
no LEV é o software chamado QWS. Com o QWS pode-se calcular
os estados e energias confinados em nanoestruturas semicondutoras
baseadas em poços quânticos e fabricadas com ligas de elementos da
família III-V. Os parâmetros destes materiais e ligas são também
calculados pelo QWS. Com relação à versão anterior, descrita em [2],
a versão atual inclui a temperatura como parâmetro de cálculo da
massa efetiva e do “gap” de energia do material semicondutor.
Além do Método dos Elementos Finitos a nova versão conta
também com o Método Element-Free Galerkin (MEFG) para resolver
a Equação de Schrödinger que descreve os fenômenos físicos nas
nanoestruturas. A avaliação da aplicação do MEFG para o estudo de
estruturas a poços e pontos quânticos foi apresentada em [3]. A janela
principal do QWS e um exemplo do tutorial embutido são
apresentados na Fig. 1.
O módulo de cálculo do QWS permite também resolver a
Equação de Schrödinger para fios e pontos quânticos. Neste caso, os
modelos geométricos e de malha de Elementos Finitos, a atribuição
dos materiais e condições de contorno e a visualização dos resultados
são feitas no LEVSOFT, outra ferramenta desenvolvida no LEV.
O QWS está disponível aos integrantes do Instituto Nacional de
Ciência e Tecnologia em Nanodispositivos Semicondutores (INCTDISSE) [4], criado em 2008 com o objetivo de desenvolver novos
dispositivos optoeletrônicos com ênfase em fotodetectores de
infravermelho e outros dispositivos baseados em efeitos puramente
quânticos.
III. Trabalhos em andamento e futuros
Atualmente há três trabalhos em andamento envolvendo poços
quânticos. O primeiro está relacionado a um novo modelo físicomatemático para estimativa de corrente de escuro e fotocorrente. O
segundo trabalho está relacionado aos fotodetectores com múltiplos
poços quânticos e envolve a codificação computacional de um
modelo autoconsistente que leva em conta a corrente injetada nos
contatos e o balanceamento da corrente de captura e emissão de
elétrons de cada poço. O terceiro trabalho é o desenvolvimento de um
módulo de cálculo de estruturas de bandas e propriedades elétricas de
junções de materiais semicondutores.
Com relação aos fios e pontos quânticos, está em
desenvolvimento uma nova interface gráfica, multiplataforma, que
incluirá a possibilidade de modelar estes tipos de estruturas que
requerem modelos geométricos bidimensionais e tridimensionais,
respectivamente. Além disso, a massa efetiva anisotrópica,
característica de certos materiais semicondutores, tais como o
Arseneto de Índio (InAs), foi implementada e está sendo validada. O
código computacional para simulação do fenômeno da segregação de
átomos de In em pontos quânticos também está sendo validado. Estas
implementações serão importantes para os trabalhos futuros tais
como o estudo do efeito das diferentes formas de segregação de In no
ponto quântico, o acoplamento do ponto com poços quânticos e
estudo de estruturas envolvendo alinhamento de bandas tipo II.
IV. Referências
[1] R. Y. Tanaka, A. Passaro, N. M. Abe, L. K. Sperotto, D. de Moura
Pedroso, and G. S. Vieira, in 2013 SBMO/IEEE MTT-S International
Microwave & Optoelectronics Conference (IMOC), 2013, pp. 1–5.
[2] R. Y. Tanaka, A. Passaro, N. M. Abe, D. de M. Pedroso, L. K. Sperotto,
and G. S. Vieira, in Anais do XIII Workshop Anual de Pesquisa e
Desenvolvimento do IEAv, 2013, p. 98.
[3] L. K. Sperotto, O Método Element-Free Galerkin Interpolante: Aplicação
em Nano-dispositivos a Poços e Pontos Quânticos, Dissertação de
Mestrado, ITA, São José dos Campos, 2013.
[4] INCT-DISSE: Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em
Nanodispositivos
Semicondutores.
Disponível
em:
<http://www.disse.org.br/>. Acesso em: 25/06/2013.
(a)
(b)
Fig. 1. Ilustração da interface do QWS: (a) janela principal e
(b) tutorial.
102
Agradecimentos: ao CNPq pelos projetos INCT–DISSE e AEB 559908/20105, e pelas bolsas 310578/2012-4, 310509/2012-2, 381329/2011-9 e
380320/2014-2, e à CAPES.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Framework de otimização do Laboratório de Engenharia Virtual baseada em
meta-heurísticas
C. A. da Silva Junior1,2, W. B. Saba3, R. Tanaka3, A. Muraro3, N. M. Abe3 e A. Passaro3,*
1
Pós Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Departamento de Matemática, Universidade Federal de São João del Rei, São João del Rei, MG, Brasil
3
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: framework de otimização, meta-heurísticas.
I. Objetivo
Um dos objetivos do Laboratório de Engenharia Virtual – LEV é
“agregar tecnologias computacionais modernas que propiciam alta
produtividade no desenvolvimento de softwares e processamento
computacional distribuído de alto desempenho e baixo custo” para a
solução de problemas em Engenharias e Ciências.
Obter boas soluções para os mais diversos problemas de
engenharia é um desafio. À experiência empírica, muito utilizada no
passado para esse fim, foi adicionado nos últimos anos o recurso de
otimização computacional, foco de interesse de muitos grupos de
pesquisas pelo mundo. Nesse contexto, a otimização de dispositivos e
sistemas e para solução de problemas inversos em muito se
beneficiam de ferramentas computacionais gerais e adequadas.
Com este objetivo em mente, o grupo de estudo em otimização
do LEV está desenvolvendo um framework de otimização baseado
em meta-heurísticas com ferramentas que auxiliem a obtenção de
soluções ótimas para os mais diversos problemas. O framework já
vem sendo utilizado para aplicações com as quais o grupo está
envolvido: desenvolvimento de sensores nanoestruturados, e
acelerômetros micro-eletromecânicos (MEMS).
II. Meta-heurísticas
Meta-heurísticas são algoritmos que, de uma forma geral,
utilizam estratégias guiadas de heurísticas para otimizar um
determinado problema. Meta-heurísticas geralmente são inspiradas
em comportamentos sociais, ou em fenômenos físicos ou em
evolução genética.
Atualmente o grupo de otimização do LEV está trabalhando na
implementação e validação de quatro meta-heurísticas no framework:
Nuvem de Partículas – PSO [1], Black Hole – BH [2], Recozimento
Simulado – SA [3] e Algoritmos Genéticos – GA [4]. Os algoritmos
são avaliados e novas melhorias para a sua utilização são propostas.
Uma primeira proposta de escolha dos parâmetros do PSO já foi
aceita para apresentação [5]. Nesse trabalho foi proposta uma métrica
para avaliar a qualidade da solução obtida pelo algoritmo, com base
em alguns problemas padrões utilizados para validar software de
otimização.
Fig. 1. Diagrama de pacotes do framework.
IV. Considerações finais
O framework em desenvolvimento está em fase de testes e
avaliação das meta-heurísticas já implementadas. Nesta fase se inicia
a colaboração com outros grupos de pesquisa visando a solução de
problemas num escopo mais amplo do que o atual foco de pesquisa
em sensores do LEV, tais como problemas de roteamento. Metaheurísticas adicionais serão adicionadas ao framework de otimização
nos próximos desenvolvimentos: Busca Tabu, GRASP e metaheurísticas para otimização multiobjetivo. Também serão
implementadas outras variações do PSO e de busca de vizinhança no
método de recozimento simulado, SA.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
III. Framework de otimização
A definição e utilização de frameworks possibilita comparar
resultados de diferentes técnicas, aplicar várias técnicas de
otimização simultâneas, com redução do esforço de produção de
software, promovendo a exploração das melhores características de
cada técnica.
O desenvolvimento do framework do LEV segue diretrizes
propostas em [6] que considera estudos baseados na metodologia de
avaliação de tecnologia de software proposta em [7] e um método de
abordagem sistemático e estruturado, proposto em [8].
O framework é implementado na linguagem de programação
C++, com orientação a objeto, visando uma reutilização das classes
nas mais diversas meta-heurísticas implementadas. A Fig. 1 apresenta
o diagrama de pacotes da implementação atual.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
[6]
[7]
[8]
J. Kennedy, R. C. Eberhart and Y. SHI. Swarm Intelligence. Michigan:
Morgan Kaufmann, 2001.
J. Zhang, K. Liu, Y. Tan and X. He. “Random black hole particle swarm
optimization and its application,” Neural Networks and Signal
Processing, 2008 International Conference on, pp. 359-365, June 2008.
S. Kirkpatrick; C. D. Gelatt e M. P. VECCHI. Optimization by
simulated annealing. Science, v. 220, p. 671-680, 1983.
J. H. Holland. Adaptation in Natural and Artificial Systems. Michigan:
The University of Michigan Press, 1975.
C. A. da Silva Junior, W. B. Saba, N. M. Abe e A. Passaro. A metric to
assist the selection of the particle swarm optimization parameters,
accepted for presentation in "4th International Conference on
Engineering Optimization", to be held in Lisbon, 2014, September 8 11.
J. A. Parejo, A. R. Cortés, S. Lozano and P. Fernandez. Metaheuristic
optimization frameworks: a survey and benchmarking, Springer-Verlag,
Soft Comput, 2008.
A. W. Brown and K. C. Wallnau. A framework for evaluating software
technology. IEEE Softw, 1996.
B. A. Kitchenham. Procedures for undertaking systematic reviews.Tech.
rep., Computer Science Department, Keele University. 2004.
Agradecimentos: ao CNPq pelo projeto AEB 559908/2010-5, e pela bolsa
produtividade DT-310578/2012-4.
103
Desenvolvimentos recentes em técnicas de caracterização eletromagnética de
materiais para RADOME
Antonio C. C. Migliano1,2,3,*, Carlos A. R. de Freitas1, Francisco E. Carvalho1,2, Vera L. O. de Brito1,2, Yasmara C. de P.
Migliano1, Alan F. N. Boss1,2, Anderson K. Hirata1,2, Camila Bruni1,4, Fabiana F. de Araújo1,3, Fábio R. Daró1,2, Glauco P.
Zanella1,2, Leonardo V. Lemos1,3, Marcelo R. F. Gontijo1,3, Mayara dos S. Amarante1,2, Rodrigo G. A. de Lima1,2, Rosana S.
Xavier1,5 e Stéphanie A. Cunha1,2.
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
4
Universidade Federal do ABC, São Paulo, SP, Brasil
5
Universidade Federal de São Paulo, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
2
Palavras Chave: permissividade, permeabilidade, caracterização
eletromagnética.
I. Introdução
A resposta de materiais a ondas eletromagnéticas (EM) na faixa
de frequência de RF e micro-ondas possibilita diversas aplicações em
projetos de pesquisa e desenvolvimento de dispositivos eletrônicos,
tais como sensores de presença de RF, RADOME, absorvedores de
micro-ondas e transdutores de corrente. Parte das pesquisas
desenvolvidas no Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos tem
como objetivo o estudo e desenvolvimento das técnicas aplicadas
para se obter tais informações, tais como método da impedância e o
método de Transmissão/Reflexão (T/R).
Fig. 2.Conjunto de análise de impedância. (a) Analisador de impedância
E4991B. (b) Acessório para medição de materiais líquidos. (c) Acessório para
medição com variação de temperatura.
B. Método de T/R
II. Métodos de caracterização estudados
A. Método da impedância
Para realizar medidas das propriedades eletromagnéticas de
materiais em baixas frequências, pode ser aplicado o método de
impedância em uma porta, que utiliza um analisador de impedância,
mostrado na Fig. 1, para medir a resistência (R) e reatância (X) do
material em uma linha de transmissão coaxial. Essas medidas
fornecem dados relacionados à permissividade elétrica (εr*) e à
permeabilidade magnética (μr*) complexas relativas que são
parâmetros essenciais para o desenvolvimento de tais dispositivos.
A amostra a ser avaliada é inserida em um segmento de linha de
transmissão e equações de espalhamento são utilizadas para analisar
os campos elétricos nas interfaces da amostra para obter os
parâmetros de espalhamento (S11, S21, S12 e S22).
A técnica de Nicholson Ross e Weir (NRW) utiliza os parâmetros
de espalhamento medidos através de um analisador de redes vetorial
(VNA ou PNA), mostrados nas Figs. 3 e 4, para calcular os
coeficientes de transmissão e reflexão. A permissividade elétrica e a
permeabilidade magnética são calculadas diretamente desses dados.
Fig. 3. Analisador de redes vetorial VNA 8722 ES.
Fig. 1. Analisador de impedância.
Será adquirido um analisador de impedância E4991B, da Agilent
Co., com acessório de medição de constante dielétricas e impedância
de materiais líquidos e acessório de medição de impedância de
dispositivos e circuitos na faixa de temperatura de -55 °C até 200 °C.
As medidas de impedância de materiais líquidos empregam o
método das placas paralelas, no qual dois eletrodos são separados por
um dielétrico para formar um capacitor. O analisador de impedância
é então empregado para medir a capacitância criada no acessório.
Fig. 4. Analisador de redes vetorial PNA N5231A
Agradecimentos: CAPES Pró-Estratégia nº 50/2011 - Proc. 2237; FAPESPProc. 01448-2/2012, CNPq proc. 141780/2011-8, FINEP proc. 01.12.0347.00
(0479/11) e proc. 01.13.0402.00 (0606/13); COMAER .
104
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Medida da variação de parâmetros elétricos de componentes analógicos
irradiados
Rafael Galhardo Vaz1,2*, Odair Lelis Gonçalez1
1
Divisão de Física Aplicada,EFA-A, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
[email protected]
Palavras Chave: TID, transistores, MOSFET , BANDGAP.
[3,4,5] e, no segundo caso, aplicam-se estas normas (no que couber)
e os requisitos de teste do desenvolvedor do projeto.
I. Introdução
Instrumentos eletrônicos que operam sob radiação ionizante
podem sofrer efeitos adversos em seu desempenho, resultante da
interação da radiação com os seus componentes básicos. Em circuitos
eletrônicos, esses efeitos aparecem como desvios transitórios ou
permanentes de parâmetros elétricos do circuito, mau funcionamento
ou até mesmo a falha total do sistema. Os efeitos desta radiação
devem ser conhecidos, de forma que ações corretivas possam ser
consideradas no projeto de equipamentos que devem funcionar
durante longo tempo em um ambiente com radiação ionizante
permanente, como em aplicações espaciais.
Neste trabalho são apresentados os sistemas extração de
parâmetros de diodos e transistores empregados para a determinação
da variação destes parâmetros em função da dose de radiação
ionizante acumulada nestes dispositivos, visando a sua qualificação
para aplicações espaciais e outros ambientes de radiação ionizante.
III. Resultados e conclusão
Na Fig. 1, a titulo de ilustração, é apresentada a curva típica de
caracterização de um transistor MOS denominada curva Id-Vgs
(Corrente de dreno versus tensão porta-fonte), para várias doses
acumuladas, onde pode-se visualizar a variação da tensão limiar de
acordo com o aumento da dose. Na Fig. 2 é mostrada a degradação
do ganho do transistor 2N2905a de acordo com a dose acumulada
[6]. Estes são os dados básicos para a obtenção dos parâmetros que
caracterizam o funcionamento do dispositivo.
II. Procedimento Experimental
Os experimentos que visam as medidas de variações de
parâmetros elétricos de componentes analógicos irradiados são
realizados em dois laboratórios: Laboratório de Caracterização de
Dispositivos Semicondutores (LCDS) e Laboratório de Radiação
Ionizante (LRI) ambos do IEAv.
No LCDS são realizadas as medidas de parâmetros operacionais
e funcionalidades dos dispositivos básicos (diodos e transistores)
para a determinação da dependência destes parâmetros com a dose
acumulada, antes da irradiação e entre etapas pré-determinadas de
dose acumulada, bem como, após a irradiação para determinação de
efeitos de recozimento (annealing). Esta caracterização é feita
levantando-se as curvas características dos dispositivos com dois
equipamentos específicos: Sistema de Caracterização de Dispositivos
Semicondutores modelo 4200-SCS da Keithley e Analisador de
Dispositivos Semicondutores modelo B1500a da Agilent. A partir
destas curvas, são extraídos parâmetros funcionais do componente,
aplicando-se modelos semi-empíricos como EKV e BSIM3 [1,2].
Com o sistema PXI da National Instruments que integra módulos
diversos (multímetro, Data AQuisition (DAQ), Fonte de tensão e
corrente, Gerador de função, Source/Measure Units (SMU) e Field
Programmable Gate Array (FPGA) no bastidor modelo PXIe NI
1062Q são desenvolvidos sistemas para a aquisição dos dados para
diversos tipos de componentes, tanto em laboratório (medidas off
line) quanto no local e durante a irradiação (medidas on line).
As irradiações são realizadas no Laboratório de Radiação
Ionizante (LRI), utilizando uma fonte de radiação gama de 60Co do
equipamento de radioterapia modelo Eldorado 78 da Atomic Energy
of Canadian Limited, com os transistores polarizados ou não.
Os testes de qualificação são realizados em componentes
comerciais de prateleira (COTS) e componentes endurecidos (RadHard) antes de serem aplicados em um sistema espacial e em
componentes desenvolvidos ou em desenvolvimento para o
levantamento detalhado da sua resposta à radiação. No primeiro caso
são aplicadas as normas internacionais de teste de aceitação de lotes
para componentes adquiridos para emprego em sistemas espaciais
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Fig. 1.Alteração da tensão de limar (Vth) de um transistor MOS de acordo
com a dose acumulada.
Fig. 2 .Degradação do ganho do transistor 2N2905a de acordo com a dose
acumulada.
IV. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Enz, C. C.; Krummenacher, F.; Vittoz, E.A.,"An Analytical MOS
Transistor Model Valid in All Regions of Operation and Dedicated to
Low-Voltage and Low-Current Applications", Analog Integrated
Circuits and Signal Processing Journal on Low-Voltage and Low-Power
Design v.8,pp 83–114, July 1995.
Sheu, Scharfetter, Ko, and Jeng "BSIM: Berkeley Short-Channel IGFET
Model for MOS Transistors". IEEE Journal of Solid State Circuits.
ESCC, European Space Components Coordination, "Requirements for
qualification of standard electronic components for space application",
ESCC Basic Specification No. 20100, European Space Agency, 2005.
USA Department of Defense, "Test method standard: Test methods for
semiconductor devices", MIL-STD-750E, 2006
USA Department of Defense, "Test method standard: Microcircuits".
MIL-STD-883G, 2006.
R.G. Vaz, O. L. Gonçalez, G.I. Wirth, "A platform for TID testing of
diodes and transistors"INAC 2013.
Agradecimentos: à FINEP pelo financiamento do projeto CITAR.
105
Avaliação dos efeitos da radiação cósmica em sistemas embarcados
Adriane C. M. Prado1,2,*, Claudio A. Federico1, Odair L. Gonçalez1, Evaldo C. F. Pereira Júnior1,2 e Marco A. B. Fortes1
2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: radiação ionizante, single event effect, aviônicos.
I. Introdução
Devido ao aumento do fluxo aéreo e o desenvolvimento de
aeronaves com teto operacional mais alto e com maior autonomia, o
problema do controle do nível de dose de radiação ionizante recebida
pela tripulação e equipamentos eletrônicos embarcados, passou a ser
gradualmente mais importante, por um lado, para as áreas de saúde
ocupacional (proteção radiológica) e, por outro lado, para a
segurança de voo, no que se refere a falhas de sistemas críticos,
induzidas pela radiação. Isto porque, tanto o ser humano quanto a
aeronave e seus dispositivos estão inseridos em um ambiente de
radiação ionizante composta por diversas partículas e ondas de alta
energia oriundas do espaço e que atingem a Terra. Por estarem
expostos a este ambiente agressivo os dispositivos eletrônicos são
susceptíveis aos efeitos transientes denominados Single Event Effect
(SEE) produzidos principalmente por nêutrons, que ocorrem em
sistemas eletrônicos digitais de aeronaves. Com o avanço tecnológico
e a crescente miniaturização destes componentes, se tem observado
um aumento significativo na susceptibilidade aos efeitos da radiação.
Este é um assunto emergente, mas muito importante e discutido por
grupos da comunidade cientifica internacional, e tem ganhado
importância devido a acidentes atribuídos a SEE em aeronaves.
II. Atividades em desenvolvimento
As linhas de atividades em andamento são:
A. Estudo dos requisitos para testes em aviônicos
Este estudo é baseado em recomendações contidas na
especificação técnica da norma IEC 62396 (International
Electrotechnical Commission). Os efeitos da radiação em
microeletrônicos mais significativos para aviônicos são os SEEs.
Estudos nesta área, já realizados, permitiram a identificação dos tipos
de SEEs críticos que podem causar falhas nos sistemas aviônicos em
altitudes de voo, além de determinar os requisitos de engenharia
envolvidos na identificação e classificação de risco associado a estes
eventos em aviônicos, requisitos estes necessários para a avaliação de
segurança de voo.
B. Propor uma metodologia para testes em aviônicos
Uma metodologia específica para avaliar os efeitos da radiação
em aviônicos é necessária devido ao fato destes sistemas serem
complexos e altamente integrados.
A metodologia é baseada no estudo do dispositivo eletrônico de
interesse a fim de determinar quais dispositivos são mais sensíveis e
quais as funções que o dispositivo realiza num sistema aviônico em
sua operação normal. Além deste estudo, a metodologia abrange a
proposta de um setup experimental de testes com fontes
convencionais de nêutrons térmicos e nêutrons rápidos e a avaliação
de possíveis cenários de utilização real do dispositivo para
determinar a taxa esperada de SEE.
Esta metodologia permite obter as informações necessárias para
garantir a segurança de voo, com a implementação de medidas
mitigadoras e redundâncias nos sistemas aviônicos.
O desenvolvimento desta ferramenta experimental e de uma
metodologia especifica para avaliação de SEE em aviônicos é
importante devido ao Brasil possuir a terceira maior empresa
montadora de aeronaves no mundo, mas, antagonicamente a este fato,
106
não possuir nenhuma empresa que desenvolva nacionalmente
aviônicos avançados.
C. Setup para testes em dispositivos digitais com fontes
convencionais de laboratório
O desenvolvimento de uma plataforma para teste de dispositivos
digitais é outra atividade importante para a realização de testes, que
tem como intuito reproduzir o ambiente real de funcionamento do
dispositivo em um ambiente controlado (laboratório).
A plataforma de teste compreende a parte de aquisição
automatizada de dados e a confecção de placas de circuitos para a
fixação do dispositivo sob teste (DUT). Para o controle de
configuração do teste e acesso aos componentes via linguagem de
programação VHDL são utilizados FPGAs (Field Programmable
Gate Array) para os dispositivos digitais. Os testes terão como
principal finalidade obter as medidas de parâmetros operacionais e
funcionalidades do dispositivo a fim de determinar a dependência
destes parâmetros com o efeito causado na eletrônica quando exposta
à radiação ionizante.
III. Áreas a serem desenvolvidas
As atividades a serem desenvolvidas para esta linha de pesquisa são:
A. Instalações para testes
Estão previstas a implantação, no reator IEA-R1 (USP), de uma
linha de nêutrons térmicos, a implantação de uma fonte de nêutrons
rápidos no Laboratório de Radiação Ionizante (LRI) do IEAv e a
irradiação de um sistema aviônico em um campo de alta energia
conforme recomendações da IEC. Existem poucos campos com esta
faixa de energia, entre os possíveis pode-se citar o ISIS (UK), o
laboratório TRIUMF (Canadá) e Ice House (LANL – USA).
B. Determinação do ambiente de radiação em altitudes de voo
Uma medida da sensibilidade de um dispositivo digital à radiação
ionizante é a taxa (R) de SEE esperada quando um dispositivo
aviônico de seção de choque integrada (, dada em cm²/bit) é
submetido a um fluxo (, dado em part./cm2.s) de radiação incidente.
Esta taxa de SEE é descrita por (1):
(1)
R    .
Para determinar a seção de choque do dispositivo são necessários
testes específicos em laboratório com fontes caracterizadas. Esta
informação é obtida por meio de plataformas de testes digitais,
atividade que está em desenvolvimento no LRI/IEAv. A informação
do fluxo real ao qual o dispositivo é exposto durante a sua utilização
em voo pode ser obtida por meio de ferramentas computacionais ou
dados reais durante o voo. Para determinar este fluxo está em
elaboração um banco de dados com informações da incidência de
nêutrons de origem cósmica no espaço aéreo brasileiro e dados do
clima espacial.
Há em andamento um processo de importação de detectores de
raios cósmicos que serão embarcados em aeronaves para aquisição de
dados experimentais do fluxo de nêutrons na atmosfera, o que
proporcionará a construção deste banco de dados provendo suporte
aos estudos sobre a susceptibilidade dos dispositivos eletrônicos à
radiação ionizante em regime de voo.
Agradecimentos: à CAPES (Programa Pró-estratégia), ao CNPq pelas
bolsas e ao projeto CITAR (FINEP) pelo apoio parcial.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Desenvolvimento de técnicas e dispositivos dosimétricos passivos para
aplicação aeroespacial
Hanna F. S. Santos1,3,*, Heloísa H. C. Pereira1, Jéssica Cipeli1,2, Marlon A. Pereira1, Odair L. Gonçalez1 e Claudio A. Federico1,3
2
1
Divisão Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Departamento de Engenharia Química, Universidade do Vale do Paraíba, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Instituto de Ciências da Saúde, Universidade Paulista, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: dosimetria, termoluminescência, radiação cósmica.
Introdução
A grande vantagem da utilização de dosímetros passivos reside no
fato de que, usualmente, estes são sensores de pequeno volume, o que
torna possível utilizá-los para mapear o perfil de dose em uma
estrutura complexa como um circuito eletrônico ou internamente a
um equipamento montado, além de não emitem campos elétricos ou
magnéticos que possam causar interferências em outros sistemas.
O desenvolvimento de técnicas de utilização de dosímetros
passivos de radiação ionizante é realizado no Laboratório de
Dosimetria Aeroespacial do Instituto de Estudos Avançados
(LDA/IEAv). O LDA é o responsável pela realização de medições e
estimativas de dose de radiação gama e de campos mistos
nêutron/gama em apoio aos projetos relacionados à medição de
radiação em altitudes de interesse para aplicações aeronáuticas e
espaciais e também para ensaios e testes de irradiação de
componentes eletrônicos e fotônicos de uso aeroespacial.
II.
Técnica Dosimétrica
A principal técnica dosimétrica utilizada atualmente no LDA é a
dosimetria termoluminescente (DTL). Nesta técnica de avaliação, as
pastilhas dosimétricas irradiadas são submetidas a uma taxa de
aquecimento controlada, que libera os elétrons que foram excitados
pela radiação ionizante e aprisionados em armadilhas na rede
cristalina do dosímetro termoluminescente (TL), ocorrendo, neste
desarmadilhamento, a emissão de luz. Da curva de luz é extraído um
parâmetro (integral ou área, amplitude, FWHM de um pico, por
exemplo) que é relacionado com a dose acumulada na pastilha.
Na metodologia adotada para a análise das respostas dos
dosímetros TL, os dosímetros para a leitura são aquecidos a uma taxa
constante, e os picos de emissão termoluminescente são ajustados por
meio de um programa. Cada pico de emissão possui características
próprias de meia-vida à temperatura ambiente, que podem adequá-lo
ao uso para dosimetria [1].
III.
Aplicações
Os tipos de dosímetros utilizados pelo LDA/IEAv são baseados
no fluoreto de lítio e no sulfato de cálcio, os primeiros produzidos e
comercializados pela Harshaw (EUA) e o segundo produzido pelo
IPEN/CNEN-SP (Brasil). Os tipos de DTL e aplicações são listados
na Tab 1.
Tab. 1: Tipo de DTL utilizados no LDA/IEAv.
Tipo
Material
Radiação
Intervalo de uso
TLD100 LiF:Mg,Ti (Lítio natural)
Gama, Beta
10Gy-10Gy
TLD600
LiF:Mg,Ti (isótopo 6Li)
Nêutron
10Gy-10Gy
TLD600H LiF:Mg,Cu,P (isótopo 6Li)
Nêutron
1Gy-10Gy
TLD700
LiF:Mg,Ti (isótopo 7Li)
Gama, Beta
10Gy-10Gy
Gama, Beta,
TLD700H LiF:Mg,Cu,P (isótopo 7Li)
1Gy-10Gy
ambiental
--CaSO4:Dy
Ambiental
1Gy-100Gy
TLD800
Li2B4O7:Mn
Gama
0,5mGy-105Gy
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Equipamentos
O LDA possui um completo sistema dosimétrico que contempla
um conjunto de dosímetros, uma leitora termoluminescente, um
sistema de aquisição de dados, fornos para tratamento térmico e
demais instrumentações associadas.
V.
Resultados
Cada tipo de dosimetro possui características especificas e
através das técnicas dosimétricas é possível estabelecer uma
curva de calibração (Fig. 1) que relaciona a emissão
termoluminescente em função da dose total, obtendo assim a
resposta para cada tipo de dosímetro TL e para tipo de campo
de radiação (fótons e nêutrons).
Equation: y = A + B*x
Weighting:
y
Instrumental
400000
350000
Chi^2/DoF
= 0.75781
R^2
= 0.99964
300000
Intensidade [pC]
I.
IV.
250000
A
B
200000
10375.12393
330.1384
±368.5569
±3.19701
150000
100000
50000
0
0
200
400
600
800
1000
Dose [Gy/h]
Fig. 1. Curva de calibração do dosímetro TLD 600, para fótons.
VI.
Trabalhos em Desenvolvimento
O LDA é subordinado ao Serviço de Proteção Radiológica do
IEAv e realiza medições em apoio aos projetos do IEAv (Tab.2).
Tab. 2: Atividades e projetos em andamento com o apoio do LDA/IEAv.
Atividade/Projeto
Descrição
Desenvolvimento de circuitos integrados tolerantes à
CITAR
radiação.
Dosimetria em ensaios e testes de irradiação de
TESTRAD
componentes eletrônicos e fotônicos de uso
aeroespacial.
Efeitos das radiações ionizantes em sistemas
ERISA
aeronáuticos
Medidas dos efeitos da radiação cósmica em memórias
RCMA
embarcadas em equipamentos aviônicos
DRIEAB
Dosimetria da Radiação no Espaço Aéreo Brasileiro.
VII.
Referência
[1] H.H.C. Pereira et al. Laboratório de dosimetria termoluminescente do
IEAv. In: X Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv,
v.3, 2010, São José dos Campos. Anais... São José dos Campos: Instituto
de estudos Avançados, 2010, p. 154.
Agradecimentos: à FINEP e ao CNPq pela bolsa PIBIC e pelo financiamento
parcial das atividades relacionadas aos projetos CITAR, TESTRAD, ERISA,
DRIEAB e RCMA.
107
Referências de Tensão Bandgap Resistentes à Radiação Ionizante em
Tecnologia CMOS Convencional
Peterson Ribeiro Agostinho1,2, Odair Lelis Gonçalez 1, Gilson Inácio Wirth 3
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: BGR, efeitos da radiação, SEE, CMOS
I. Introdução
Um importante bloco de circuito analógico estável a variações de
temperatura são as referências de tensão e corrente de topologia BGR
(BandGap Reference). Esse circuito é um bloco crítico em SoCs e
também em sistemas mistos analógico-digital, como conversores AD,
DA e reguladores de tensão. Para aplicações aeroespaciais este
circuito precisa ser estável mesmo sob os efeitos das radiações
ionizantes de origem cósmica. O objetivo desse trabalho é
desenvolver circuitos BGR em tecnologia CMOS com tensão de
alimentação de até 1 V (denominada sub-1V), robustos e resistentes à
dose total ionizante (TID, do inglês, Total Ionizing Dose) durante
longo tempo de exposição no espaço e tolerantes aos efeitos
transientes de incidência de partículas ionizantes (SEE, do inglês,
Single Event Effects).
Além do efeito TID, outro efeito de grande relevância,
principalmente em tecnologias mais modernas, é o SET (Single Event
Transient), que é um SEE não destrutivo em dispositivos analógicos.
Como exemplo, considere que a partícula de radiação incidente em
um nó sensível do circuito gere um pulso transiente com duração de
600 µs e amplitude máxima de 400 mV na saída do circuito [3]. Se o
BGR for utilizado em um conversor AD com resolução de 14 bits e
taxa de amostragem 50 MSps, o SET irá corromper 30.000 ciclos
(600s/20ns) da aquisição. Considerando-se uma alimentação de
2.5V, isso equivale à um erro de conversão de até 16%, podendo
causar uma falha no sistema alimentado por este dado.
A Fig. 2 apresenta a simulação SPICE de um SET para o circuito
da Fig. 1. Foram aplicados pulsos de corrente duplo-exponencial nos
pontos sensíveis do circuito para emular o efeito do íons incidentes,
com amplitudes de 200µA, 400µA e 600µA. Pode-se observar nesta
figura, variações transitórias da tensão de saída de 13, 32 e 80 mV,
respectivamente.
II. Efeitos da Radiação em BGR
Pesquisas recentes mostram que as tecnologias CMOS atuais são
mais tolerantes a TID, devido à redução da espessura do óxido de
gate [1]. Entretanto, mesmo em tecnologias CMOS atuais,
conhecidas como deep-submicron, alguns circuitos BGR têm se
mostrado vulneráveis a TID devido a danos causados nos diodos [2].
A Fig. 1 apresenta o esquema elétrico de um circuito BGR
convencional projetado para tecnologia CMOS 0.18 µm da foundry
XFAB, para o qual foram realizadas simulações SPICE de efeitos de
TID e SEE. Essa tecnologia apresenta um óxido de gate fino, com
espessura na ordem de 4 nm, de forma que a variação da tensão de
limiar é pouco significativa, sendo, contudo, o aumento da corrente
de fuga o principal parâmetro de degradação no desempenho do
circuito quando submetido a radiação ionizante.
Fig. 1. Esquema elétrico do BGR
Para a simulação SPICE do efeito TID desse BGR foi colocada
uma fonte de corrente DC entre os terminais dreno-fonte de cada
transistor para simular o efeito da dose acumulada. Os valores de
corrente de fuga utilizados na simulação foram extraídos de [1], para
doses de até 500 krad. A Tabela 1 apresenta a variação da tensão de
saída VREF do circuito, simulando o efeitos para diversas doses
acumuladas.
Dose (krad)
0
100
300
500
108
Tab. 1. Simulação da resposta do BGR à TID
Corrente de Fuga (nA) VREF (mV) Variação de VREF (%)
568
0
0,0001
568
0
0,003
568
0
100
549
3,3
Fig. 2. Simulação de SET na saída da referência de tensão para picos de
corrente de 200, 400 e 600 A injetados nos nós críticos
III. Conclusão
Pode-se observar que o circuito é robusto a TID até 300 krad,
apresentando uma variação na tensão de saída de 3.3% para dose
acumulada de 500 krad. Por outro lado, em relação a efeitos
transientes decorrentes da incidência de íons pesados, é necessário
uma atenção especial dependendo da utilização do BGR. Em
aplicações criticas é necessário utilização de técnicas de projeto para
mitigar o efeito transiente.
IV. Referências
[1]
[2]
[3]
R. C. Lacoe, “Improving integrated circuit performance through the
application of hardness-by-design methodology,” IEEE Trans. on Nucl.
Sci., v. 55, n. 4, pp. 1903–1925, Aug. 2008.
Ying Cao, Wouter De Cock, Michiel Steyaert, Paul Leroux. "A 4.5 MGy
TID-Tolerant CMOS Bandgap Reference Circuit Using a Dynamic Base
Leakage Compensation Technique," IEEE Trans. on Nucl. Sci., v. 60, n.
4, pp. 2819 - 2824, Aug. 2013
Alfio Zanchi. "Investigation and Mitigation of Analog SET on a
Bandgap Reference in Triple-Well CMOS Using Pulsed Laser
Techniques," IEEE Trans. on Nucl. Sci., v. 58, n. 6, pp. 2570-2577, Dec.
2011.
Agradecimentos: à FINEP pelo financiamento do projeto CITAR pelo
Convênio 01.12.0224.00; ao CNPq pela bolsa EXP.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Testes paramétricos e funcionais para sistemas e componentes digitais
submetidos à radiação ionizante
1,2
1
Evaldo C. F. Pereira Júnior *, Odair L. Gonçalez
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologia Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
1
Palavras Chave: Radiação ionizante, Memória, TID, SEE.
I. Introdução
Para emprego em missões espaciais os componentes eletrônicos
devem ser previamente qualificados quanto à sua tolerância à
radiação, tanto para TID (“Total Ionizing Dose”), quanto para os SEE
("Single Event Effects"), e, quando adquiridos, devem ser
submetidos a testes de aceitação de lote. Para ambos os testes é
necessário um ambiente laboratorial que recrie as condições quanto à
radiação ionizante do ambiente onde o satélite irá operar e um
sistema capaz impor ao dispositivo em teste (DUT) os requisitos de
funcionamento no satélite [1], sistema este denominado plataforma
de teste. O objetivo desse trabalho é o projeto, montagem e
demonstração da operacionalidade de plataformas para medidas dos
efeitos de dose total ionizante (TID) e de mudanças de bits (SEU) de
dispositivos digitais discretos para aplicações aeroespaciais.
experimento consiste em medir a quantidade acumulada de mudança
do valor armazenado em cada bit da memória ("bit flip") durante a
irradiação, conforme mostrado na Fig. 2. A razão entre o número
total de "bit flip" e a fluência de nêutrons fornece o parâmetro
denominado secção de choque de SEU do dispositivo [2]. Demais
resultados de medidas de TID e SEU nesta memória são relatados em
[3].
Fig. 1. Plataforma microprocessada DSP (dir) e montagem do arranjo
experimental(esq).
II. Atividades em desenvolvimento
A. Plataformas de teste
As plataformas de testes são constituídas do hardware de teste
(placas de fixação dos dispositivos e de controle, fontes de
alimentação, geradores de sinais, medidores de tensão, temperatura,
corrente e de sinais elétricos, analisadores lógicos, etc) e do sistema
automatizado de aquisição e análise de dados. As medidas podem ser
realizadas durante a irradiação ("on-line") ou em intervalos entre
irradiações ("off-line").
Devido aos vários tipos de instalações ou ambientes onde se
pode realizar o teste, a proposta deste trabalho é desenvolver uma
plataforma que possa se basear em mais de um tipo de hardware,
onde o critério de escolha do hardware depende do tipo de teste,
complexidade da aquisição de dados, local de teste, etc. Para isso
estão sendo desenvolvidas três propostas hardware para teste:
a) "Kit" de desenvolvimento baseado em microcontrolador DSP, com
o qual é possível desenvolver testes de baixa complexidade em
menor tempo, fácil manuseio e transporte devido ao seu tamanho
reduzido e custo baixo de aquisição;
b) "Kit" de desenvolvimento baseado em FPGA, com o qual é
possível desenvolver testes de alta complexidade em maior tempo,
fácil manuseio e transporte devido ao seu tamanho reduzido e custo
baixo de aquisição; e
c) Plataforma de hardware padrão PXI, com a qual é possível
desenvolver testes de alta complexidade em menor tempo, fácil
manuseio e transporte devido ao seu tamanho reduzido e custo alto
de aquisição.
Em qualquer das propostas de hardware, haverá uma placa filha,
onde se encontra o dispositivo ou componente que será testado
(DUT), conectada à plataforma.
B. Testes realizados
O primeiro hardware construído e testado foi a plataforma
baseado em microcontrolador DSP.
Nesta plataforma foi realizada a medida de SEUs produzidos por
nêutrons rápidos provenientes de oito fontes de 241Am-Be em uma
memória SRAM de 4Mb da ISSI (PN: IS66WV25616BLL). A
plataforma e o arranjo de irradiação são mostrados na Fig. 1. O
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Fig. 2. Crescimento da contagem de bit-flip acumulado durante
irradiação.
III. Considerações sobre as atividades em andamento
Está em fase final de teste de simulação elétrica em bancada a
plataforma processada por meio do "kit" de desenvolvimento baseado
em FPGA. Estão em fase de prototipação as placas filhas para a
conexão a este kit das memórias a serem submetidas à radiação
ionizante. O sistema PXI recentemente adquirido da "National
Instruments" está em fase de avaliação.
IV. Referências
[1]
[2]
[3]
O. L. Gonçalez, E. C. F. Pereira. Junior, R. G. Vaz, M. A. Pereira, G. I.
Wirth, F. G. L. Kastensmidt, T. R. Balen, J. Tarrillo ; Qualification of
electronic components with respect to the cosmic radiation tolerance for
space applications. WERICE AEROESPACIAL, v. 1, pp. 51-56, Out
2012.
E. C. F. Pereira Junior O. L. Gonçalez, M. A. Cruz, A. C. M. Prado, C.
A. F. e F. B. Gaspar; The fast neutron SEU corss section of a 4 Mb
SRAM memory. 2013 International Nuclear Atlantic Conference - INAC
2013, Recife, PE, Brazil, November 24-29, 2013.
E. C. F. Pereira Junior, O. L. Gonçalez, R. G. Vaz, C. A., T. H. Both e
G. I. Wirth; ”The effects of total ionizing dose on the neutron SEU cross
section of a 130 nm 4 Mb SRAM memory". 15 th IEEE Latin-American
Test Workshop (LATW), Fortaleza, Brazil, 12 - 15th Mar 2014
Agradecimentos: à FINEP pelo financiamento do projeto CITAR pelo
Convênio 01.12.0224.00.
109
Estudo das propriedades eletrônicas do GaAs biaxialmente tensionado
empregando a aproximação de quase-partícula LDA-1/2
Octavio Pereira S. Filho1 e Marques Marques2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Departamento de Microondas e Optoeletrônica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
E-mail para correspondência: 1 [email protected], [email protected]
Tab. 1. Constantes de rede obtidas com o LDA e gap com o método LDA-1/2 . Ao lado, os respectivos valores experimentais.
Constante de rede (Å)
Gap (eV)
Semic.
LDA
Experim.
LDA-1/2
Experim.
GaAs
5,6105
5,653
1,44
1,51
Si
5,4028
5,431
1,09
1,17
Palavras Chave: ab initio, gap, tensionamento, LDA-1/2.
I. Introdução
Na integração Si/III-V, os semicondutores do grupo III-V são
crescidos sob um substrato de silício, produzindo tensionamento na
rede cristalina em função da diferença entre as constantes de rede
destes semicondutores. Este tensionamento pode ser usado para
otimizar alguns semicondutores para uma determinada aplicação, em
razão, por exemplo, do aumento da mobilidade de seus portadores
com o tensionamento [1]. As mudanças das propriedades eletrônicas
dos semicondutores em função do tensionamento podem ser
analisadas através de suas estruturas de bandas de energia.
Na Fig. 2 é apresentada a estrutura de bandas do GaAs sem
tensionamento (preto) e com tensionamento (vermelho) utilizando-se
o método LDA-1/2 para calcular os estados excitados. O
tensionamento das estruturas cristalinas resulta na quebra de simetria
do cristal, implicando na quebra de degenerescência dos extremos
das bandas de energia e mudanças nos níveis da energia de transição.
Isto pode ser visto pelo descasamento das curvas preta e vermelha.
II. Descrição do Método
As simulações foram realizadas através do método LDA-1/2 [2] e
um software de simulação baseado na teoria do funcional da
densidade [3], o código VASP. Foi desenvolvida uma metodologia de
cálculos para obter o tensionamento biaxial no plano de miller (100)
(Fig. 1) da estrutura cristalina de semicondutores do grupo III-V, com
célula convencional cúbica de face centrada (fcc-face centered
cubic), e utilizando-se do funcional LDA e o método LDA-1/2, para
calcular a constante de rede, o gap e a massa efetiva do GaAs.
4
Energia (eV)
2
0
-2
-4
-6
-8
K

L
W
Fig. 2. Estrutura de bandas do GaAs sem tensionamento (curva preta) e com
tensionamento (curva vermelha, calculada com o cr do Si).
Na fig. 3, é apresentado o resultado do cálculo da massa efetiva
do GaAs com o emprego de uma faixa de constantes de rede situadas
abaixo do Si e acima do GaAs. Como referência, encontra-se também
a massa efetiva experimental do GaAs, sem tensionamento.
a) direção (100) na célula fcc. b) plano superior do arranjo
atômico)
Primeiramente, o tensionamento biaxial do GaAs foi produzido,
empregando-se a constante de rede do silício (Tab. 1) na rede
cristalina do GaAs, formada por dois átomos por célula, e permitindo
que a direção perpendicular ao plano (100) fosse relaxada. Em todo o
cálculo não foi utilizado parâmetros empíricos. As constantes de rede
foram calculados com o funcional LDA e as estruturas de bandas
com o método LDA-1/2, obtendo-se delas o gap e a massa efetiva do
GaAs. O método LDA-1/2 tem a vantagem de ter um custo
computacional compatível com o do LDA, além de fornecer ótimos
resultados no cálculo dos gaps dos semicondutores. Em seguida, a
simulação foi realizada com uma faixa de constantes de rede.
0.105
Massa Efetiva (me/m0)
Fig. 1.
110
0.095
0.090
0.085
massa efet. exp. = 0,067
0.080
5.3
5.4
5.5
5.6
Constante de Rede (Å)
5.7
Fig. 3. Massa efetiva do GaAs em função da constante de rede empregada
para tensionar a sua rede cristalina.
III. Referências
VI. Resultados
Na Tab. 1, encontram-se as constantes de rede obtidas com o
funcional LDA e os gaps com o método LDA-1/2, exibindo um
ótimo acordo com os dados experimentais.
0.100
[1]
[2]
[3]
T. van Hemert et al, IEEE Trans. on electron devices 54, 2183 (2007)
L.G. Ferreira, M.Marques, L. K. Teles, Phys. Rev.B 78, 125116 (2008).
P. Hohenberg, W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864-B871 (1964).
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Cerâmicas eletrônicas para encapsulamento de sensores e RADOME na faixa
de RF e Micro-ondas
Antonio C. C. Migliano1,2,3,*, Carlos A. R. de Freitas1, Vera L. O. de Brito1,2, Yasmara C. De Polli1, Francisco E. Carvalho1,2,
Alan F. N. Boss1,2, Fabiana F. de Araújo1,3, Fábio R. Daró1,2, Glauco P. Zanella1,2, Leonardo V. Lemos1,3, Marcelo R. F.
Gontijo1,3, Rodrigo G. A. de Lima1,2, Anderson K. Hirata1,2, Mayara dos S. Amarante1,2, Stéphanie A. Cunha1,2
1
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Palavras Chave: cerâmicas magnéticas, permissividade complexa,
permeabilidade complexa, RADOME.
I. Introdução
O estudo das propriedades eletromagnéticas dos materiais nas
faixas de radiofrequência (RF) e de micro-ondas possui grande
importância acadêmica e tecnológica. As técnicas empregadas nas
medidas dessas propriedades, que podem ser macroscópicas ou
microscópicas, são importantes nas pesquisas de materiais,
principalmente no desenvolvimento de compósitos e estruturas
funcionais que absorvam o espalhamento eletromagnético ou que
promovam o isolamento térmico de sensores e dispositivos sob alta
temperatura, garantindo a integridade de suas propriedades
eletromagnéticas (RADOME) [1].
A fim de atender requisitos importantes para aplicações nos
setores civis e militares [2], o desenvolvimento de circuitos
eletrônicos requer o conhecimento preciso das propriedades
constitutivas dos materiais.
Um veículo espacial na reentrada atmosférica sofre variações
elevadas de temperatura e necessita de blindagem térmica, mantendo
as propriedades de transparência eletromagnética. Também são
consideradas as propriedades magnéticas e elétricas dos materiais
empregados, que dependem de sua microestrutura, ou seja, do
contorno de grão, do seu tamanho médio e de sua porosidade que
podem ser controlados com variações no processamento [3]. Tendo
em vista todas estas necessidades de propriedades dos materiais, o
objetivo do laboratório é desenvolver as cerâmicas eletrônicas,
caracterizar e extrair todas as propriedades necessárias para uma
determinada aplicação aeroespacial.
propriedades de refletividade e impedância que são de fundamental
importância para o estudo de aplicação em RADOME.
A análise microestrutural é de grande importância quando se
estuda as propriedades eletromagnéticas dos materiais, analisando
contornos de grão, tamanhos de grão, arranjo microestrutural e
porosidade entre outros. A Fig. 3 mostra microestruturas
diferenciadas que estão conectadas com as aplicações de cada ferrita
envolvida nos estudos do laboratório.
Fig. 2. Propriedades eletromagnéticas da ferrita Co2Z, Refletividade e
Impedância da amostra para aplicação em RADOME.
II. Atividades em desenvolvimento
As ferritas a serem estudadas para essa aplicação são as
hexagonais do tipo Z e espinélicas. O método utilizado para a
preparação das amostras segue as etapas envolvidas nas reações de
estado sólido como mostrado na Fig. 1.
Fig. 3. Microestrutura (a) Co2Z, (b) e (c) CuxCo1-xFe2O4 e (d) Ni0,3Zn0,7Fe2O4.
Atualmente o LSE conta com uma infraestrutura que envolve
analisadores na faixa de frequência de 40 Hz a 40 GHz, microscópio
ótico e um microscópio de força atômica (AFM).
IV. Referências
[1]
Fig. 1. Processamento Cerâmico
III. Adequação do Laboratório para caracterização de
Materiais
A caracterização eletromagnética mostra o comportamento do
material em relação à faixa de frequência analisada. A Fig. 2 mostra
a curva de espalhamento de ferritas desenvolvidas nos projetos do
Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) e também as
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
[2]
[3]
L. F. Chen; Microwave electronics: measurement and materials
characterization, John Wiley & Sons: New York, 2004.
C. F. Jefferson e D. M. Grimes; A study of the preparation of nichelzinc ferrites, Engineering Research Institute - University of Michigan
Technical Report No. 58, Ann Arbor, MI, pp. 1-67, 1956.
S. I. Pyun e J.T. Baek; American Ceramic Society Bulletin, 64, pp. 602605 (1985).
Agradecimentos: à agência de fomento CAPES pelo financiamento do projeto
Pró-Estratégia nº 50/2011 - Proc. 2237 e pelas bolsas (2,3); à FAPESP pelo
projeto nº Proc. 01448-2/2012; à FINEP pelo projeto nº proc. 01.12.0347.00
(0479/11) e nº proc. 01.13.0402.00 (0606/13) e à COMAER.
111
Simulação computacional de ambientes radioativos de interesse aeroespacial
José J. O. Pinto1*, Mauricio T. Pazianotto2, Leonardo de H. Mencarini3, Odair L. Gonçalez1, Ângelo Pássaro1 e Claudio A.
Federico1
1
2
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Departamento de Física, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Divisão de Energia Nuclear, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: radiação cósmica, método Monte Carlo, aplicações.
I. Introdução
O homem está continuamente exposto à radiação ionizante de
origem natural e artificial, sendo a radiação de origem cósmica uma
importante parcela da radiação natural. A radiação cósmica (RC) é
constituída de partículas nucleares de alta energia que atingem a
Terra, interagindo na atmosfera e assim gerando um chuveiro
secundário de radiação. A intensidade da RC na atmosfera varia em
função da altitude, latitude geomagnética e do ciclo de atividade
solar, sendo que a dose em altas altitudes chega a ser 300 vezes maior
do que ao nível do mar.
Com o desenvolvimento de aeronaves com teto de operação mais
alto e o aumento do fluxo aéreo, o problema do controle do nível de
dose de radiação ionizante recebida pelos pilotos e tripulação de
aeronaves, bem como pelos equipamentos sensíveis, os aviônicos,
passaram a ser mais importante nas áreas de proteção radiológica, e
segurança de vôo, motivando diversos estudos sobre esse assunto.
Atualmente, no Instituto de Estudos Avançados (IEAv), estão
sendo realizadas medidas de nêutrons na atmosfera dentro do espaço
aéreo brasileiro [1], assim como o modelamento computacional de
detectores para o espectro de RC [2] para uso em voo e em solo.
Essas medidas são de grande importância para o entendimento do
efeito da Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS) na dose em
tripulações de aeronaves. Dentro dessa linha de trabalho, vem sendo
desenvolvidos estudos utilizando o método de Monte Carlo.
Na fig. 1 são apresentados o arranjo experimental do detector LC
e uma resposta angular simulada do detector LC submetido à uma
fonte de 241Am-Be de nêutrons [2].
Fig. 1. Incidência de nêutrons no LC no solo (esq.) e a comparação entre os
dados experimentais e a simulação da eficiência angular do detector, em valor
absoluto (contagem/partícula-fonte) (dir.).
Também foi realizado um estudo para implementação de um
campo de nêutrons de alta energia para uma fonte do tipo DeutérioTrítio (DT), onde foi avaliada a influência da radiação espalhada,
realizando simulações englobando toda área do salão do LRI, interna
e externa, apresentadas na Fig. 2. [3].
II. Simulação computacional
São empregados os códigos MCNP5, MCNPX e GEANT4, que
simulam o transporte de radiação na matéria. Por meio destes códigos
é possível quantificar as reações induzidas por partículas primárias, a
produção de partículas secundárias, bem como determinar a energia
depositada no meio (dose). Para maior capacidade computacional,
estes estudos são realizados em colaboração com o Laboratório de
Engenharia Virtual (LEV), situado no IEAv, e com o Laboratório de
Computação Científica Avançada e de Modelamento, do
departamento de física do Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA.
As aplicações desenvolvidas e em andamento pelo grupo são:
- Determinação do espectro de energia das partículas secundárias
produzidas por interação da radiação cósmica na atmosfera;
- Determinação da taxa de equivalente de dose ambiente de
nêutrons, em altitude de voo;
- Efeito do campo magnético terrestre no aprisionamento da RC;
- Modelamento de detectores de nêutrons (Long Counter, estação
de monitoramento de nêutrons) para altas energias [2];
- Modelamento do Laboratório de Radiação Ionizante (LRI), para
implementação de um campo de nêutrons de altas energias [3];
- Determinação de energia depositada por nêutrons nos volumes
sensíveis de memória do tipo SRAM;
- Simulação da influência de uma aeronave no campo de RC na
atmosfera, e distribuição de dose de nêutrons no interior desta [4];
- Influencia de nuvens no espectro de nêutrons.
III. Principais Resultados
Para o modelamento de detectores de nêutrons LC, o espectro de
nêutrons induzidos por raios cósmicos foi medido e utilizado como
espectro de entrada nas simulações.
112
Fig. 2: Espectros de nêutrons simulados em diversos pontos do LRI, por meio
do código MCNP5, normalizados para fluência unitária.
IV. Conclusões
Devido à dificuldade de acesso á aceleradores de altas energias e
que reproduzam o campo de radiação cósmica para acessar as
respostas de detectores para altas energias, assim como a produção de
partículas secundárias nos volumes sensíveis em CIs, é de grande
importância a capacitação em simulações computacionais do
transporte de radiação ionizante para estes tipos de campos.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
Federico, C.A., et al. Onboard Measurements of Cosmic-Ray Induced
Dose on Aircraft in Brazilian Airspace. In: International Nuclear
Atlantic Conference - INAC 2011. ISBN: 978-85-99141-04-5. Belo
Horizonte, MG, Brazil, 2011.
Pazianotto, M.T., et al. Study of a Long Counter Neutron Detector for
the Cosmic-Ray-Induced Neutron Spectrum, IEEE Transactions on
Nuclear Science, vol. 60, pp. 897 – 902, 2013.
Pinto, J. J., et al. Estudo piloto para implantação de um campo de
nêutrons de alta energia. In: International Nuclear Atlantic Conference INAC 2013. ISBN: 978-85-99141-05-2. Recife, PE, Brazil, 2013.
Pazianotto, M. T., et al. Influence of clouds on the Cosmic Radiation
dose eate on Aircraft. Aceito para publicação em Radiation Protection
Dosimetry, 2014.
Agradecimentos: à agência de fomento CAPES pela bolsa 1*, à FAPESP pela
bolsa 2 e ao CNPq e FINEP pelo financiamento parcial dos projetos.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Contribuição das falhas de empilhamento para as propriedades ópticas de
nanofios de InP na fase wurtzita
Luis C. Ogando Dacal1,* e A. Cantarero2
1
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
ICMUV, Universidade de Valencia, Espanha
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: polimorfismo, função dielétrica, nanofios, InP.
I. Introdução
Fosfeto de índio (InP) é um material que cristaliza na fase blenda
de zinco quando amostras “bulk” são crescidas. No caso de nanofios,
tanto a fase wurtzita [1] quanto a blenda de zinco podem ser obtidas,
a depender das condições de crescimento da amostra.
Na prática, isto significa que as energias das duas simetrias são
muito próximas e geralmente ocorrem pequenas secções blenda de
zinco em um fio wurtzita e vice-versa.
Neste trabalho, calculamos a função dielétrica de um sistema InP
wurtzita com falhas de empilhamento tipo blenda de zinco.
Fig. 2. Componente xx da parte real da função dielétrica para a
supercélula e os sistemas wurtzita e blenda de zinco.
II. Método
Nosso cálculo será feito através do método “ab initio” tipo “all
electron” (LAPW) como implementado no “software” WIEN2k [2].
Aqui é importante ressaltar que o raio dos nanofios crescidos (da
ordem de dezenas de nm) permite o emprego de cálculos para
estruturas tipo “bulk”.
A célula empregada é formada por 15 camadas de InP na fase
wurtzita (alinhamento tipo AB) sobrepostas por 3 camadas de átomos
no arranjo blenda de zinco (alinhamento ABC) ao longo do eixo “c”
da célula hexagonal.
Esta célula é suficiente para isolar camadas blenda de zinco
vizinhas quando as condições de contorno periódicas são aplicadas.
Fig. 3. Componente zz da parte imaginária da função dielétrica para a
supercélula e os sistemas wurtzita e blenda de zinco.
III. Resultados.
A célula descrita acima teve seus parâmetros estruturais
otimizados de forma a se obter uma estrutura relaxada. Esta condição
pode ser comprovada através das forças sobre cada átomo que
sempre foram inferiores a 2 mRy/Bohr com exceção de três átomos
na interface entre as duas simetrias, onde as forças chegaram a 7
mRy/Bohr (um valor que ainda pode ser considerado baixo). Aqui
vale lembrar que a célula possui, ao todo, 78 átomos.
Os cálculos realizados empregaram o potencial mBJ [3] para se
obter uma melhor descrição do “gap” dos materiais. Os valores
padrão para os parâmetros de entrada foram empregados. Apenas o
fator de mistura das densidades foi reduzido em um primeiro
momento com o objetivo de se eliminar problemas numéricos
durante o ciclo autoconsistente.
Uma vez obtido o estado fundamental do sistema, a função
dielétrica foi calculada através do programa “OPTIC” [4] integrado
ao Wien2k.
Fig. 4. Componente xx da parte imaginária da função dielétrica para a
supercélula e os sistemas wurtzita e blenda de zinco.
As Figs. 1 – 4 mostram os resultados obtidos comparando os
valores correspondentes à supercélula aqui descrita com os
correspondentes aos “bulks” nas simetrias wurtzita e blenda de zinco.
Os resultados mostram que a maior influência da camada blenda de
zinco sobre as propriedades ópticas do sistema está na região entre
3 e 6 eV.
Vale ressaltar que estes resultados correspondem a um sistema
com uma proporção de 5 para 1 entre as camadas wurtzita e blenda
de zinco dispostas em uma forma e periodicidade específicas.
Valores diferentes para a função dielétrica devem ser obtidos quando
composições diferentes da supercélula forem consideradas.
IV. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
Fig. 1. Componente zz da parte real da função dielétrica para a
supercélula e os sistemas wurtzita e blenda de zinco.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Luis C. O. Dacal and A. Cantarero, Solid State Communications 2011,
151, 781-784.
P. Blaha, K. Schwarz, G. K. H. Madsen, D. Kvasnicka and J. Luitz,
“WIEN2k, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for
Calculating Crystal Properties” (Karlheinz Schwarz, Techn. Universität
Wien, Austria), 2001.
F. Tran and P. Blaha, Phys. Rev. Lett. 102, 226401 (2009).
Ambrosch-Draxl C. and Sofo J., Comp. Phys. Comm. 175, 1 (2006).
Agradecimentos: à agência de fomento FAPESP - Projeto 2011/08513-1.
Parte dos cálculos foram realizados no Centro Nacional de Processamento de
Alto Desempenho em São Paulo (CENAPAD-SP).
113
PASIL – Processo atômico de separação isotópica via laser
Marcelo G. Destro1,2,*, Nicolau A. S. Rodriques1,2, Maria Esther Sbampato1, José W. Neri1, Rudimar Riva1,2,
Jonas Jakutis Neto1, Benedito Christ1, Carlos A. B. da Silveira1, Kam K. Yum1, Alessandro R. Victor2,
Luiz F. N. Barreta2, Patricia Bueno2, Emmanuela M. A. Sternberg2 e Jhonatha R. dos Santos2
2
1
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Departamento de Física e Ciências e Tecnologias Espaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: separação isotópica, laser, terras-raras, molibdênio.
I. Introdução
Entre todas as aplicações dos elementos de terras-raras e seus
isótopos, o IEAv através do projeto PASIL, tem especial interesse
nos isótopos do Neodímio – Nd, do Itérbio – Yb, do Disprósio – Dy,
do Érbio – Er e do Molibdênio – Mo. Estes foram escolhidos
considerando suas aplicações específicas, a saber: (i) o Nd pode ser
usado tanto como meio laser como um forte ímã permanente e, por
outro lado, seu isótopo 146Nd, após colidir com um nêutron, resulta
no 147Pr (no isótopo 147 do promécio) que pode ser utilizado, como
já citado anteriormente, para produzir baterias nucleares auxiliares a
serem usadas em satélites; (ii) o Yb natural, por sua vez, pode ser
utilizado como meio laser e o 169Yb pode ser usado para produzir um
aparelho de raio X portátil, para ser utilizado em lugares remotos;
(iii) Dy e Er podem ser usados como meio laser, amplificadores
ópticos, guias de ondas e os isótopos 164Dy e 167Er como
absorvedores de nêutrons a serem usados nas barras de controle em
usinas nucleares; (iv) e, por solicitação do IPEN, estamos estudando
o desenvolvimento da separação de isótopos de Mo, para tentar
viabilizar um processo alternativo de produção do radio (fármaco
99
Tc, tecnécio 99) usado nas técnicas de cintilografia cardiovascular,
endocrinologia, traumatologia/ortopedia, nefrologia/urologia e
gastroenterologia [1]. Cabe ressaltar ainda que o PASIL oferece
grande oportunidade para que nosso país seja inserido como um
grande fornecedor de isótopos de terras-raras agregando, assim,
valores aos minérios de terras-raras disponíveis em nosso território.
destaques obtidos entre 2013 e 2014 foram a finalização das
instalações dos sistemas de lasers de corante pulsados e a realização
da espectroscopia optogalvânica intermodulada resultando, até o
momento, na observação e determinação preliminar do desvio
isotópico do Nd para a transição em 587,125 nm.
IV. Considerações finais e novos desafios
O PASIL tem como metas para o próximo ano concluir a
instalação de um espectrômetro de massa para análise de isótopos.
Além disso, pretende-se concluir com êxito quatro doutorados, sendo
três voltados para a determinação de desvio isotópicos do Nd, Dy e
Er e um para a produção de feixes de molibdênio por ablação a laser.
Neste último, pretende-se explorar a possibilidade de utilizar o
princípio de um dispositivo semelhante a um Calutron, para obter a
separação de isótopos contidos em plumas de materiais, a altíssimas
temperaturas geradas no processo de ablação de alvos sólidos, por
pulsos curtos ou ultracurtos de laser. Também será desenvolvida uma
dissertação de mestrado de espectroscopia do Dy. Ainda neste ano
serão iniciados os trabalhos de ablação a laser associada com
espectroscopia por fluorescência induzida por laser – LIF para o Nd.
Embora alguns dos desafios científicos e tecnológicos tenham
sido vencidos e solucionados ao longo dos últimos anos, aliados à
grande importância estratégica dos elementos das terras-raras e do
molibdênio para o país, o maior desafio que deve ser resolvido, em
curto prazo, é o de agregar e/ou contratar recursos humanos
qualificados. Uma vez que muitos destes estão sendo formados
dentro do próprio PASIL, uma vez que a maioria dos pesquisadores
desse projeto se aposenta num horizonte de quatro anos.
II. Metodologia
Em linhas gerais, a metodologia a ser empregada no processo de
fotoionização seletiva a laser em isótopos de terras-raras será a
mesma que já foi empregada nos experimentos de separação
isotópica de urânio via lasers no IEAv e, portanto, a maioria das
etapas a serem vencidas já é de amplo conhecimento da nossa equipe
de pesquisa e desenvolvimento. Entretanto, novos estudos de
processos também estão sendo conduzidos com a finalidade de obter
a separação isotópica de terras-raras e do molibdênio, a partir de
evaporação a laser combinada com separação isotópica a laser. Estes
estudos compreendem: estudar a ablação a laser para a produção de
vapor atômico a partir de alvos complexos; estudar a fotoionização
seletiva em vapor produzido por ablação a laser; e estudar a extração
de íons por campos eletromagnéticos para a separação isotópica de
terras raras.
III. Principais resultados alcançados
Os resultados alcançados vão desde a conclusão e viabilização
dos laboratórios do Prédio C da EFO (em particular, a montagem dos
Laboratórios de evaporação e fotoionização - LEF) até a condução de
vários estudos desenvolvidos por alunos de iniciação científica e de
pós-graduação, sob orientação dos pesquisadores do Grupo de Laser
e Aplicação do IEAv, frutos dos trabalhos conjuntos dos Projetos
Javari 1 – Fase III e PASIL. Entretanto, devido ao número reduzido
de pesquisadores, os trabalhos concentraram-se nos estudos
espectroscópicos de Nd [2], Dy [3] e Er [4]; no desenvolvimento de
lâmpadas de catodo oco [5] desses elementos e no processo de
evaporação e ablação a laser de Cu [6] e Mo [7]. Os principais
114
V. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Cintilografia - Wikipédia, a enciclopédia livre. Disponível em:
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Cintilografia>. Acesso em: 22/04/2013
A. R. Victor, Espectroscopia optogalvânica de neodímio em lâmpada
de catodo oco, Dissertação de Mestrado em Física, ITA, São José dos
Campos, 2010.
J. R. Santos, Desenvolvimento de um código computacional para
simulação e análise de espectros atômicos, Trabalho de Graduação em
Bacharelado em Física, Unesp Guaratinguetá, 2012.
P. Bueno, Espectroscopia optogalvânica utilizando lâmpada de catodo
oco de érbio, Dissertação Mestrado em Física, ITA, São José dos
Campos, 2012.
C. A. B. Silveira, José W Neri, M. Esther Sbampato, Marcelo G. Destro,
Nicolau A. S. Rodrigues, Sistema de descarga em catodo oco para
aplicação em espectroscopia, 9º WAI, IEAv, 2009.
J. B. Matos, Geração de um jato metálico neutro por ablação a laser,
Tese de Doutorado em Física, ITA , São José dos Campos, 2012.
E. M. A. Sternberg, Estudo espectroscópico de um plasma gerado
por ablação a laser em alvo metálico, Dissertação de Mestrado em
Física, ITA, São José dos Campos, 2010.
Agradecimentos: os autores agradecem o suporte financeiro parcial dado pelo
CNPq (1,2) Projetos Nº 310358/2012-4 e 135860/2008-3, respectivamente, e
CAPES (2).
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Calibrações intermediárias: garantia da
qualidade das medições do LMSO
Márcia A. F Destro, Francklim Barbosa, Fábio Dondeo Origo, Alvaro José Damião *
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
* [email protected]
Palavras Chave: Acreditação, calibração, medição.
2013
80
I. Introdução
75
PV (nm)
Semanalmente, tem sido realizada calibração de um padrão de
plano e de um padrão de rugosidade, no Laboratório de Medição de
Superfícies Ópticas (LMSO), do IEAv-DCTA. O objetivo é o de
avaliar o desempenho dos instrumentos utilizados, como função do
tempo, permitindo observar se há discrepâncias entre os resultados, o
que sinalizaria possíveis problemas no processo de medição. São aqui
apresentados os resultados das medições dos últimos cinco anos.
70
65
26/1
6/5
Data
14/8
22/11
Fig. 2. Calibrações intermediárias de PV durante o ano de 2013.
II. Materiais e Métodos
3,04
III. Principais resultados
A Fig. 1 apresenta um resultado da medição de PV.
2013
Ra (micrometros)
O Laboratório de Medição de Superfícies Ópticas (LM-SO), do
IEAv-DCTA, é um laboratório Acreditado pelo CGCRE/INMETRO
há mais de dez anos. A fim de garantir a qualidade das medições e
calibrações, são realizadas intercomparações laboratoriais.
Os equipamentos utilizados são: um interferômetro de fase Zygo
GPI Mark IV, calibrados pelo “Three Flat Method” [1], para as
calibrações de planeza; e um rugosímetro Taylor Hobson PGI 1000,
calibrado com uma semiesfera de vidro da Taylor-Hobson, de 80
mm, TH1108, para as calibrações de rugosidade. Os procedimentos
de calibração passam por análise crítica interna do LMSO a cada dois
anos e pelo CGCRE/INMETRO, nas suas visitas de avaliação. O
parâmetro de planeza avaliado é à distância Pico-Vale (PV) e os
parâmetros da rugosidade são Ra, Rz e RZmax.
3,03
3,02
3,01
17/3
6/5
25/6
14/8
3/10
22/11
11/1
Data da medição
Fig. 3. Calibrações intermediárias de Ra durante o ano de 2013
Observa-se nas Tabelas 1 e 2 que há grande estabilidade nos
resultados obtidos, de maneira especial para as medições de planeza,
cuja escala é apresentada em nanometros.
Tab. 1. Valores de PV obtidos nos últimos 5 anos
Ano
Média
Maior valor
Menor valor
2009
75,1 nm
79,6 nm
69,4 nm
2010
72,6 nm
78, 5 nm
67,0 nm
2011
73,0 nm
78,5 nm
67,4 nm
2012
73,0 nm
77,9 nm
68,3 nm
2013
72,0 nm
78,7 nm
68,8 nm
Tab.2 Valores de Ra obtidos nos últimos 5 anos
Ano
Ra
Rz
Rzmax
2010
3,02 nm
9,84 nm
9,90 nm
2011
3,02 nm
9,83 nm
9,89 nm
2012
3,02 nm
9,79 nm
9,84 nm
2013
3,02 nm
9,81 nm
9,86 nm
2014
3,03 nm
9,72 nm
9,77 nm
IV. Conclusão
As calibrações intermediárias são fator primordial para a
avaliação do desempenho das calibrações e medições realizadas no
IEAv. Os resultados encontrados demonstram a estabilidade dos
equipamentos e a correta aplicação dos procedimentos.
Fig. 1. Resultado de uma calibração do plano óptico.
As Figs. 2 e 3 trazem os resultados das medições do ano de 2014.
Não são apresentados os valores das incertezas das medições nas
figuras, para facilitar a visualização dos resultados. Os CMC
(capacidade de medição e calibração,) são de 10 nm, para os
resultados de PV e de 4%, para os resultados da rugosidade.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
V. Referências
[1] Zygo, OMP-0387B, “Three Flat MetroPro Application”, rev. B, 8 de
março de 2003.
[2] Kjell J. Gasvik, Optical Metrology, p. 254 – 263, John Willey & Sons,
West Sussex, England, 1995.
115
Linhas de trabalho em óptica e eletromecânica integrada no IEAv
Rafael C. Louzada1*, Hugo L. R. Lira1*, Rogério M. Cazo1*, Jorge L. S. Ferreira1*,
Renato C. Rabelo1*, Vilson R. Almeida2,*
1
2
Divisão de Fotônica, EFO-S, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Departamento de Física, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: louzada,lira,rogerio,jorge,rcrabelo,[email protected]
Palavras Chave: óptica integrada, giroscópio a fibra óptica, difusão
de titânio, guias ópticos, niobato de lítio, silício, nanofotônica,
acelerômetro microeletromecânico
I. Motivação
A evolução dos componentes ópticos e eletromecânicos para
estruturas cada vez mais compactas, rápidas e eficientes tem na micro
e nanofabricação um de seus pilares. Suas aplicações no setor
aeroespacial abrangem desde conversão e tratamento óptico de sinais
de radar, no campo conhecido como fotônica de rádio-frequência,
componentes integrantes de sensores inerciais de alto desempenho,
como giroscópios ópticos e acelerômetros, e até os próprios sensores
inerciais em aplicações específicas.
temperatura. A deposição do polímero Ormocomp® e a
caracterização foram realizadas no VTT. No lado esquerdo da Fig. 2
mostramos a seção transversal de guias de onda retangulares em
silício de um dispositivo fabricado, cobertos por polímero, em que
aproximamos um guia de onda de 265 nm de largura por 192 nm de
altura (esquerda) de um guia com ranhura (direita), que possui a
mesma altura, mas com largura total de aproximadamente 465 nm
com uma ranhura com 62,5 nm de largura, preenchida por polímero.
O material abaixo dos guias de onda de silício é dióxido de silício
(SiO2). Os resultados obtidos mostraram que foi possível compensar
completamente o coeficiente termo-óptico do silício a ponto de não
se observar variação dos comprimentos de onda de ressonância numa
faixa de temperatura de 15ºC a 45ºC.
II. Atividades em desenvolvimento
O IEAv realiza estudos, projetos, simulações e caracterização de
dispositivos de óptica integrada nas plataformas de niobato de lítio
(LiNbO3) e de silício (Si), além de fabricar dispositivos em LiNbO 3 e
prospectar trabalhos em cooperação com centros que fabricam
dispositivos em Si.
Uma das aplicações de maior relevância para a óptica integrada
em LiNbO3 no IEAv é a substituição de componentes discretos de
fibra óptica que realizam divisão, polarização e modulação do sinal
óptico num Giroscópio a Fibra Óptica (GFO), Fig. 1(b), por um
único chip de óptica integrada (Fig. 1(a)). Essa substituição reduz as
dimensões físicas e o peso do GFO, diminui a suscetibilidade a
ruídos externos, inibe a formação de interferômetros espúrios, devido
à diminuição do número de emendas de trechos de fibra óptica e,
principalmente, permite que a modulação seja eletro-óptica e trabalhe
em malha fechada, com consequente aumento de faixa dinâmica e de
linearidade do GFO.
(a)
(b)
Fig. 1. Circuitos ópticos do GFO: versão em óptica integrada
(a) destacando os dispositivos que são equivalentes ao da versão com fibra
óptica (b).
Os trabalhos envolvendo fabricação em Si desenvolvidos
atualmente no IEAv envolvem colaborações importantes, das quais
destacamos uma que envolve óptica integrada e uma que, utilizando
os processos de fabricação comuns à óptica integrada, obtém como
produto acelerômetros em mecânica integrada.
A primeira colaboração envolve IEAv e VTT Technical Research
Centre, da Finlândia, também por intermédio do CTI Renato Archer,
em projeto denominado BraFin. Nela projetamos cavidades com
ranhura (slot waveguides), que foram fabricadas na sala-limpa do
Kavli Nanoscience Institute, no Caltech, EUA, para deposição de
polímero com coeficiente termo-óptico contrário ao do silício,
visando reduzir ou até compensar a variação do comprimento de
onda de ressonâncias de cavidades em silício expostas a variações de
116
Fig. 2. À esquerda, imagem obtida por varredura de feixe de elétrons da
seção transversal da região de acoplamento entre guia normal em Si e guia
com ranhura. À direita, imagem obtida por microscópio óptico do
acelerômetro microeletromecânico.
A segunda colaboração, liderada pelo IEAv através do projeto
ACELERAD, envolve o Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI)
da Universidade de São Paulo (USP), o Centre Suisse d’Electronique
et de Microtechnique (CSEM - Suíça), o CTI Renato Archer, e a
empresa Navegação e Controle (NavCon). Nela utilizamos a
plataforma de silício para a confecção de acelerômetros
microeletromecânicos, que foram fabricados e previamente
caracterizados no CSEM (Fig. 2 à direita). O objetivo final é que,
conhecidos os parâmetros de projetos e os passos de fabricação,
possamos
desenvolver
nossos
próprios
acelerômetros
microeletromecânicos, aprimorá-los e conquistar autonomia com
relação a esta tecnologia crucial para navegação. O processo de
produção e caracterização está sendo replicado no Brasil, envolvendo
as instituições e a empresa nacionais listadas acima. A caracterização
dos acelerômetros, com eletrônica de aquisição desenvolvida pelo
IEAv, aponta para medidas de aceleração com precisão da ordem de
0,05 g.
Agradecimentos: Os autores agradecem à FINEP pela estrutura laboratorial
instalada através do projeto ChipOpto, ao CNPq pelos recursos para o Projeto
BraFin, e à FUNDEP pelos recursos que tornaram possível o projeto
ACELERAD.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Estudo e produção de Carbono Vítreo
1*
Álvaro J. Damiao , Fábio Dondeo1, Márcia Destro1, Luiz Lavras1, Joely Ferraz1, Francklim Barbosa1, Marcos Santos1, Júlia
Arisseto2, Alexandre Aumiller.2 , André Garagorry2, Edgar Macedo2, Fernando Souza1, Janaina Reis1,Fernanda do
Nascimento1, Diego Llopis1, Jéssica Baesso3, Ana Gaspar3, Luíza Trevenzolli4,
2
1
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Universidade Federal de São Paulo, São José dos Campos, SP, Brasil. 3 Escola de Engenharia de Lorena - USP, Lorena, SP, Brasil
4
Engenharia Química – Unicamp, Campinas, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: damiã[email protected]
Palavras Chave: carbono vítreo, otimização, porosidade, tecnologia
do pó.
I. Motivação
A Subdivisão de Óptica tem se dedicado à produção e à pesquisa
de Carbono Vítreo [1,2] (CV) e também à sua aplicação. A proposta
principal é a de produzir substratos leves para espelhos, pois esse é
um material carbonoso, com baixa densidade, boa resistência a
ataques químicos e boa condutividade. O CV tem diversas aplicações
possíveis, desde válvulas de coração até eletrodos e substratos para
medições de raio X.
O carbono vítreo é obtido a partir da polimerização (Fig. 1) de
uma resina muito rica em carbono, que é lentamente carbonizada
num forno até pelo menos 1000ºC. Durante a carbonização, o
material perde água, metano, oxigênio e hidrogênio, restando mais de
99% de carbono, daí o termo “carbonização”
O CV apresenta certas barreiras para a sua produção como: a
lentidão para se produzir as amostras, cujo prazo é de uma semana; o
fato que uma fração das peças trincarem durante sua produção; e
também na limitação de sua espessura, dado que peças com mais de
10 mm quebram. A maior causa das quebras é a existência de
macroporosidade indesejada no material, cujas microbolhas podem
originar trincas. No IEAv têm sido estudadas formas para se produzir
o CV com maior eficiência, permitindo que este material possa
efetivamente ser aplicado. Este trabalho envolveu pesquisadores do
IEAv, do IAE-DCTA e da Unesp de Guaratinguetá. Além, disso,
cerca de 20 bolsistas de iniciação científica e bolsa DTI foram ou
estão sendo formados neste projeto.
Carbono Vítreo a partir do Pó de CV
No método tradicional de produção de CV, a espessura das peças é
limitada a 7 mm e o tempo de produção delas é de uma semana. Foi
desenvolvido um novo método para produzir peças de CV usando pó
de carbono vítreo prensado, no qual não aparece essa restrição de
espessura (Fig. 2). Nesse método, o tempo de produção foi reduzido
pela metade e a espessura permitida dobrou. Foram usadas técnicas
de compressão uniaxial e também de compressão isostática.
Fig. 2. Esquerda: peça de carbono vítreo obtido a partir do pó; direita: peças
com diferentes concentrações de catalisador.
As peças produzidas no IEAv tem aplicação para aplicação como
substratos leves para espelhos (Fig.3) e para a produção de padrões
de rugosidade irradiados a laser pulsado.
II. Atividades em desenvolvimento
Redução de porosidade peças de CVM.
A redução da porosidade do carbono vítreo monolítico implica numa
melhor qualidade da superfície das peças e na diminuição de perdas
de peças por stress. Diversas linhas foram investigadas:
* Influência dos parâmetros da resina furfurílica [3,4];
* influência do tipo de resina;
* influência do ácido catalisador;
* influência do solvente do catalisador;
Fig. 3. Esquerda: espelho com substrato de carbono vítreo; direita: ranhuras
paralelas irradiadas a laser (quadrados escuros).
III. REFERÊNCIAS
[1]
[2]
[3]
Fig. 1. Esquerda: polimerização de resina furfurílica no molde de borracha;
direita: peças de carbono vítreo produzidas no IEAv.
Os resultados desse trabalho levaram a uma redução significativa da
porosidade e também a uma maior eficiência na produção de peças
de carbono vítreo.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
[4]
G. M. Jenkins and K. Kawamura, Polymeric carbons – carbon fibre,
glass and char, Cambridge, New York, Cambridge Universtiy Press,
1976.
Jerzy Zarzycki, Materials Science and Technology – a Comprehensive
Treatment – Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn,
P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge,
1991.
Oishi SS, Rezende MC ; Dondeo FD, Damião AJ, Botelho EC.
Viscosity, pH, and moisture effect in the porosity of poly(furfuryl
alcohol). Journal of Applied Polymer Science, v. 1, 2012, p. 1680-6.
Dondeo F, Damiao AJ, Miyakawa W, Nascimento F, Fernandes L, Oishi
SS, Botelho EC. Surface Study of Vitreous Carbon Obtained from
Glassy Carbon Powder. MRS Proceedings, 2012, p. 1373-5.
Agradecimentos: Ao CNPq pelos processos 380335/2013-1 e 559925/2010-7
e também pelas bolsas PIBIC.
117
Desenvolvimentos recentes de sensores a fibra óptica
João M. S. Sakamoto*, Rogério M. Cazo, Matheus M. de Carvalho, Carmem L. Barbosa
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: sensor a fibra óptica, acelerômetro a fibras ópticas
de 6 (seis) graus de liberdade, grades de Bragg, deslocamento
angular.
I. Introdução
Sensores a fibra óptica caracterizam-se pela utilização de fibras
ópticas para modulação de uma grandeza óptica (como intensidade,
fase, frequência ou polarização) em função da grandeza física a ser
medida. Sensores a fibra óptica podem ser desenvolvidos para a
medição de deslocamento, aceleração, pressão, temperatura, força e
torque, por exemplo. Esse tipo de sensor apresenta vantagens sobre
sensores comuns, como imunidade a interferência eletromagnética,
alta precisão e sensibilidade, massa e tamanho reduzidos e, por estes
motivos, é objeto de pesquisa na Divisão de Fotônica do IEAv.
Os sensores desenvolvidos pelo grupo estão sendo aprimorados
visando à miniaturização, redução de peso e automatização para
viabilizar inovação tecnológica nas áreas de aeronáutica, aeroespaço,
petrolífera, mecânica, instrumentação e inspeção não destrutiva,
dentre outras áreas estratégicas.
II. Sensores a fibra óptica desenvolvidos
A. Acelerômetro linear a fibra óptica
Medições de aceleração linear (de um, dois ou três eixos
triortogonais) podem ser realizadas por meio do uso de uma massa
sísmica sustentada por fibras ópticas inscritas com grades de Bragg
(do inglês, Fiber Bragg Gratings – FBGs). Na Fig. 1 ilustra-se uma
montagem capaz de realizar essa medição (para o caso uniaxial) e o
respectivo eixo a ser medido.
como uma Unidade de Medidas Inerciais (UMI), desde que projetada
dentro das condições de projeto do veículo a que se destina..
Acelerômetros a grades de Bragg abrangem aplicações
aeronáuticas e aeroespaciais (em plataformas inerciais ou em
medições de micro-gravidade), aplicações de análise física (como a
detecção eventos sísmicos) e também para medições de vibrações em
ampla faixa de frequência, por exemplo.
D. Sensor de deslocamento angular a fibra óptica
No IEAv também desenvolve-se um sensor de deslocamento
angular a fibra óptica de alta sensibilidade, capaz de detectar
deslocamentos angulares da ordem de 1 μrad, na faixa de frequências
de DC até 85 MHz [3]. Na Fig. 3, ilustra-se o sensor e seus
componentes. O princípio de funcionamento baseia-se em modulação
de intensidade óptica em função do ângulo de inclinação da
superfície reflexiva. Este sensor, configurado adequadamente, serve
de base para a construção de microfones ópticos, hidrofones ópticos,
e também detectores de ultrassom.
Considerando-se aplicações aeronáuticas e aeroespaciais, o
sensor é capaz de detectar ondas ultrassônicas volumétricas e/ou
superficiais para a realização de inspeção não destrutiva [4], pode ser
também utilizado para detecção de áudio [5], emissão acústica,
inspeção de vazamentos em tubulações, caracterização de
transdutores piezoelétricos e como detector em um microscópio de
força atômica (AFM) [6].
Os desenvolvimentos recentes deste sensor envolvem sua
aplicação para inspeção de soldagem a laser, durante o processo.
Dessa forma, tornar-se-á possível a detecção de defeitos no momento
em que são gerados. À partir dos sinais obtidos com o sensor, será
possível realimentar o sistema de controle do laser de soldagem de
maneira a se obter uma solda com qualidade dentro dos parâmetros
especificados.
Fig. 1. Esquema de montagem para medição de acelerações lineares (ax)
uniaxiais.
A interrogação óptica das grades de Bragg e o processamento
eletrônico, juntamente com a digitalização dos sinais envolvidos
podem ser encontradas nas referências [1-2].
B. Acelerômetro angular a fibra óptica
Esquema similar ao apresentado para medição de acelerações
lineares pode ser desenvolvido para o caso em que se objetiva medir
acelerações angulares (de um, dois ou três eixos triortogonais). Na
Fig. 2, ilustra-se a respectiva montagem para medições em um eixo.
Fig. 3. Sensor de deslocamento angular a fibra óptica.
III. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
Fig. 2. Esquema de montagem para medida de acelerações angulares (  )
uniaxiais.
C. Acelerômetro a fibras-ópticas de 6 (seis) graus de
liberdade
Partindo-se das topologias apresentadas na Fig. 1 e na Fig. 2, é
possível conceber um sensor capaz de realizar, simultaneamente,
medições de 3 (três) acelerações lineares em eixos tri-ortogonais, e
medições de 3 (três) acelerações angulares em eixos tri-ortogonais.
Tal sensor pode então ser referenciado como um acelerômetro a
fibras ópticas de 6 (seis) graus de liberdade, podendo-se constituir
118
[5]
[6]
R. M. Cazo, Acelerômetro opto-mecânico baseado em grades de Bragg
a fibra óptica, Tese de doutorado, ITA, São José dos Campos, 2011.
INPI, Revista da propriedade industrial, n. 2174, 04 set 2012, Depósito
de patente sob n. BR 10 2012 016704-2.
J. M. S. Sakamoto, C. Kitano, G. M. Pacheco e B. R. Tittmann, Appl.
Opt, 51, 4841-4851 (2012).
J. M. S. Sakamoto, Laser ultrasonics system with a fiber optic angular
displacement sensor, Tese de doutorado, ITA, São José dos Campos,
2012.
J. M. S. Sakamoto, G. M. Pacheco, Physics Procedia, 3, 651–658
(2010).
INPI, Revista da propriedade industrial, n.2266, 17 mai 2013, Depósito
de patente sob n. BR 10 2013 012273 4.
Agradecimentos: às agências de fomento CNPq, CAPES, FAPESP, FINEP e
Fundep pelo suporte financeiro para o desenvolvimento das pesquisas aqui
apresentadas.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Espectrometria de Emissão Óptica em Descarga Luminescente – GDOES:
Resultados Preliminares
Vladimir H. Baggio-Scheid1*, Lucas T. Pedrosa2
1
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
UNIFESP, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: GDOES, espectroscopia de emissão, descarga
luminescente, análise de superfícies.
Espectrometria atômica é a técnica mais antiga utilizada
para análise de elementos químicos. Trabalhos pioneiros como o de
Kirchhoff e Bunsen [1], publicado em meados do século 19, atestam
para isto. Ela se baseia no fato de que todo elemento químico, quando
excitado, emite um espectro de linhas único. Outro ponto importante
está no fato de que a intensidade das linhas emitidas está relacionada
com a densidade de átomos, que por sua vez, também, pode ser
relacionada com a concentração desses átomos em uma amostra.
Várias técnicas são utilizadas para a produção do espectro de
emissão: chama, e plasma acoplado indutivamente para análise de
amostras líquidas, arcos e descargas luminescentes para amostras
sólidas. A utilização de descargas luninescentes para está finalidade é
denominada de “espectrometria de emissão óptica em descarga
luminescente” (glow discharge optical emission spectrometry –
GDOES). O tipo descarga mais utilizado é a fonte Grimm de anodo
oco [2]. Esta fonte de plasma é utilizada tanto para análise
composicional, como para obtenção de perfis de profundidade [3].
Nesse trabalho são apresentados resultados preliminares de
espectrometria de emissão óptica obtidos em uma descarga de catodo
oco.
II. Experimental
Na Fig. 1 é mostrado o equipamento GDOES, utilizado para
análise composicional. As medidas podem ser realizadas em catodos
com geometria plana ou oca. A pressão de base, obtida por um
sistema de vácuo turbomolecular, é inferior a 10-5 mbar. A descarga
foi operada com gás argônio com um grau de pureza de 99,999 %. O
fluxo de gás foi medido por um fluxímetro e regulado por meio de
uma válvula agulha. A pressão foi medida com um sensor capacitivo
e controlada por meio de uma válvula borboleta autorregulada. A
tensão da fonte de potência foi conectada ao catodo.
Intensidade (u.a)
I. Introdução
III. Resultados e discussão
A Fig. 2 mostra o espectro obtido para um catodo oco de titânio.
Várias linhas emitidas pelo titânio podem ser facilmente identificas
na região entre 300 e 550 nm.
18
0
2
38
0
48
58
68
78
88
98
108
0
0
0
0
0
0
0
Comprimento
de
onda
Fig. 2: Espectro de emissão
(nm) de uma descarga de catodo oco de titânio.
8
Na Fig. 3 é mostrada a intensidade da linha do titânio emitida em
543,3 nm em 0
função da potência da descarga. Observa-se que,
embora, o aumento da intensidade com a potência da descarga não
seja linear, é possível ajustar uma curva para fitar os pontos
experimentais. Esse comportamento é apropriado para os
experimentos de espectrometria.
Fig. 3: Intensidade luminosa em função da potência em uma descarga de
catodo oco de titânio.
IV. Conclusão
Foram obtidos espectros emitidos por um catodo oco de titânio, a
partir dos quais estão sendo selecionadas as linhas mais apropriadas
para serem usadas nos cálculos de concentração.
Fig. 1: Equipamento de espectrometria de emissão óptica em descarga
luminescente.
Para realizar as medidas espectroscópicas, a luz emitida pelo
catodo foi focalizada por meio de uma lente (f/ 1,8) em uma fibra
óptica de quartzo (NA 0,22). A luz foi então levada até um
espectrômetro Czemy-Turner assimétrico (f/ 1/4, 600 linhas/mm,
blaze em 300 nm e resolução de 1,4 nm) acoplado a um PC.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
V. Referências
[1] G.R. Kirchhoff, R. Bunsen; Chemical analysis by spectrum-observation,
Philos. Mag. 1860, 20, 89-98
[2] W. Grimm; Naturwiss. 1967, 54, 586
[3] R. Payling, D. Jones, A. Bengtson; Glow discharge Optical Emission
Spectrometry, John Wiley & Sons 1997
Agradecimentos: CNPq – processo no. 553930/2006-0
119
Desenvolvimento de um VANT do tipo asa fixa com sistema de navegação
autônoma: montagem
Felipe Leonardo Lôbo Medeiros1*
1
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: VANT, navegação autônoma, piloto automático,
montagem.
I. Introdução
Algoritmos para o planejamento automático de trajetórias
compostas por posições geográficas, destinados à navegação
autônoma de veículos não tripulados e ao processamento
computacional de dados obtidos por diferentes sensores têm sido
estudados e testados em laboratório na Divisão de Geointeligência
[1], [2]. A necessidade de diferentes plataformas para testar alguns
destes algoritmos em algumas situações reais motivou o
desenvolvimento de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) do
tipo asa fixa. A fase atual deste trabalho é a de montagem do VANT
(Fig. 1), que possui a interface da estação de controle ilustrada na
Fig. 2.
O piloto automático do VANT permitirá a navegação autônoma
através de uma trajetória composta por posições geográficas. O piloto
automático utilizará os seguintes sensores e sistemas para estimação
de posicionamento e de atitude do VANT: sistema receptor para
Global Positioning System (GPS); magnetômetro; sistema inercial
composto por um acelerômetro e um giroscópio; e, barômetro.
A Fig. 3 apresenta um diagrama simplificado da conexão entre
alguns componentes do VANT. Como apresentado neste diagrama, à
priori, o sistema FPV e o sistema de aquisição de imagens serão
independentes, isto é, não possuirão conexões com outros
componentes. Entretanto, futuramente, o sistema de aquisição de
imagens poderá ser conectado ao piloto automático e fornecer dados
para correção de vôo.
Fig. 1. VANT em desenvolvimento neste trabalho.
Fig. 3. Diagrama simplificado da conexão entre alguns componentes do
VANT.
III. Conclusões
Fig. 2. Interface da estação de controle do VANT.
II. Plataforma VANT
O VANT está sendo desenvolvido sobre a plataforma de um
aeromodelo rádio controlado com 91 cm de comprimento, 128 cm de
envergadura, 24,8 cm de altura e, aproximadamente, 800 gramas. O
VANT poderá ser controlado remotamente por um usuário via
telemetria ou poderá operar de modo autônomo através de um piloto
automático.
O VANT terá um sistema eletrônico First Person Vision (FPV)
que possuirá uma câmera embarcada na cabine para captura, em
tempo real, de imagens que serão enviadas para auxiliar o usuário no
controle do veículo. O VANT também terá um sistema para
aquisição e armazenamento de vídeos, que poderá ser instalado em
algumas das diferentes estruturas do veículo.
120
Neste trabalho, foi apresentada a fase inicial de montagem do
VANT. Também foram mencionados alguns dos principais
sistemas/módulos do veículo. As próximas fases do desenvolvimento
deste veículo são: embarque do sistema computacional do piloto
automático e ajustes; experimentos com o sistema de telemetria; série
de vôos no modo manual de operação; e série de vôos no modo
autônomo de operação.
IV. Referências
[1]
[2]
F. L. L. Medeiros, Planejamento de trajetórias para veículos aéreos não
tripulados usando modelagem computacional de ambientes de
navegação através de grafos de visibilidade e modelos digitais de
elevação, Tese de Doutorado, INPE, São José dos Campos, 2012.
F. L. L. Medeiros, Utilização de correspondências entre histogramas
normalizados de imagens para a estimação automática de algumas
informações de vôo, Symposium of Operational Applications in Areas
of Defense (SIGE), ITA, São José dos Campos, 286-290, 2012.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Robô para testes de algoritmos de planejamento automático de trajetórias e
de navegação autônoma
Felipe Leonardo Lôbo Medeiros1*
1
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: robô, navegação autônoma, planejamento de
trajetórias, piloto automático.
III. Conjunto de experimentos
I. Introdução
Algoritmos destinados ao planejamento automático de trajetórias
compostas por posições geográficas, destinados à navegação
autônoma de veículos não tripulados e ao processamento
computacional de dados obtidos por diferentes sensores têm sido
estudados e testados em laboratório na Divisão de Geointeligência
[1]. A necessidade de diferentes plataformas para testar alguns destes
algoritmos em algumas situações reais motivou o desenvolvimento
de um robô neste trabalho. O robô é apresentado na Fig. 1.
Experimentos com o sistema de telemetria e o sistema de
navegação autônoma do robô foram realizados através do sistema
Mission Planner. Apesar da denominação, este sistema não é um
planejador de missão. O Mission Planner é um sistema
computacional gratuito com algumas funcionalidades de uma estação
de solo usada para o controle e monitoramento de veículos não
tripulados [2]. Através deste sistema, trajetórias de navegação foram
usadas como referência para o piloto automático do robô. A Fig. 3
apresenta alguns resultados obtidos com experimentos realizados
com o robô através do sistema Mission Planner.
Fig. 1. Robô desenvolvido neste trabalho.
II. Plataforma robótica
O robô foi desenvolvido sobre a plataforma de um automodelo
rádio controlado do tipo off-road com 41.3 cm de comprimento, 32.4
cm de largura e 28.2 cm de altura. O robô pode ser controlado
remotamente por um usuário via telemetria ou operar de modo
autônomo através de um piloto automático. O piloto automático do
robô permite a navegação autônoma através de uma trajetória
composta por posições geográficas. O piloto automático utiliza os
seguintes sensores e sistemas para estimação de posicionamento e de
atitude do robô: um sistema receptor para Global Positioning System
(GPS); um magnetômetro; um sistema inercial composto por um
acelerômetro e um giroscópio; e um barômetro. A Fig. 2 apresenta
um diagrama simplificado dos componentes do robô e suas
respectivas conexões.
Fig. 3. Experimentos com o robô via sistema Mission Planner.
IV. Conclusões
O robô desenvolvido neste trabalho permite testar, em situações
reais, alguns algoritmos de planejamento automático de trajetórias e
de navegação autônoma. Por questões de segurança, o robô pode ser
usado para testar alguns sensores e alguns sistemas computacionais
antes de serem embarcados em um veículo aéreo não tripulado.
V. Referências
[1]
[2]
Fig. 2. Diagrama simplificado das conexões entre componentes do robô.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
F. L. L. Medeiros, Planejamento de trajetórias para veículos aéreos não
tripulados usando modelagem computacional de ambientes de
navegação através de grafos de visibilidade e modelos digitais de
elevação, Tese de Doutorado, INPE, São José dos Campos, 2012.
M. Oborne, Mission planner, http://planner.ardupilot.com/. Último
acesso em 12/05/2014.
121
Estudo de modelo de avaliação de cobertura de sinal de um sistema de
computação, navegação e posicionamento por satélites
Diogo Maciel Almeida*, Maria José P. Lamosa, Mônica M. De Marchi e Oswaldo Catsumi Imamura
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: cobertura por satélites, STK, otimização de
cobertura.
I. Introdução
O objetivo deste trabalho é descrever o desenvolvimento de um
modelo que permita fazer análises da cobertura gerada por sensores
(por exemplo, radares ou satélites), considerando suas características
e alvos de interesse. Este modelo deverá ser empregado
posteriormente em processos de apoio à tomada de decisão na
escolha do sensor e da metodologia de análise da performance da
cobertura de áreas ou alvos de interesse em um cenário.
II. Visão geral
V.Identificação de um alvo
Os estudos realizados sobre este tema resultaram em informações
relevantes com respeito às características que possibilitam que o
sensor perceba e identifique um alvo. As simulações com o STK
indicaram que o IFOV (Instantaneous Field of View) tem importante
papel na cobertura dos alvos pois determina o que é visto a partir de
um satélite. Para determinar se um alvo será percebido pelo sensor,
deve-se calcular o menor diâmetro (D) detectável por este sensor,
conforme (1) utilizando a altura do sistema óptico (H) e o IFOV
angular (θ) em milirradianos, calculado em (2) [2]. É possível
também determinar a largura da faixa de cobertura (β) perpendicular
à trajetória do sensor, ou GIFOV (Ground-projected Instant Field of
View) através de (3) [2, 3].
Neste estudo, a performance da cobertura gerada por sensores
espaciais embarcados tem sido avaliada utilizando-se os parâmetros
espaciais e temporais destes sensores. Processos de tomada de
decisão geralmente necessitam de dados associados aos alvos
monitorados e suas características, juntamente com o controle da
atitude (direcionamento) de um satélite e do seu controle otimizado
por meio de sensores de posicionamento. O modelo proposto neste
trabalho combina a capacidade do sensor com as características do
alvo no cenário avaliado para o planejamento e análise de
desempenho da cobertura. Características técnicas e operacionais dos
sensores e suas limitações são avaliadas através de simulações.
D = Hθ
(1)
d
θ = /f
(2)
θ
β = 2H tan( /2)
(3)
III. Simulação da cobertura por satélite
Para a simulação e análise da órbita e cobertura de um satélite
está sendo utilizado o software Systems Tool Kit (STK), versão 10, da
empresa Analytical Graphics Inc. (AGI). Este software utiliza
modelos físico-geométricos para exibir e analisar com precisão a
cobertura de um sensor embarcado em diferentes plataformas 0. A
licença free trial do software permite a modelagem de cenários para
um estudo simples da cobertura.
IV. Classificação dos sensores
Os estudos realizados até o momento permitiram coletar
informações importantes com respeito às características essenciais
para a classificação de sensores. Para a otimização da cobertura dos
sensores é fundamental que estas informações sejam conhecidas pois
possibilitam a tomada de decisão de forma mais consistente com
respeito a qual sensor atende aos requisitos tanto para detectar
determinado alvo quanto para realizar a cobertura de uma área. Ou
seja, a escolha por um sensor deverá considerar o trade off entre as
características de sua cobertura e o resultado desejado do
monitoramento. A Fig. 1 ilustra algumas das principais características
que devem ser levadas em consideração ao se fazer uma escolha por
um determinado sensor.
Fig. 2. Características do GIFOV.
A partir dos elementos que determinam a visão do sensor, como
o GIFOV, estão sendo realizados estudos que possibilitarão a análise
eficiente da utilização dos sensores embarcados de forma a auxiliar
na escolha daquele que obtém o melhor resultado em relação à
cobertura, como por exemplo na definição da freqüência de
imageamento necessária para a cobertura de um alvo ou área.
VI. Considerações finais
Estudos realizados até o momento mostraram que o STK é uma
ferramenta poderosa que permite a visualização e até mesmo a
análise da cobertura dos sensores embarcados em satélites e
aeronaves. Concluída a etapa atual do projeto de relacionar as
características presentes nos sensores aos requisitos de cobertura,
será possível desenvolver um modelo de otimização de cobertura, no
qual o STK poderá ser utilizado como ferramenta de análise e
visualização dos resultados.
VII. Referências
[1]
[2]
[3]
Fig. 1. Principais características de um sensor.
122
AGI; Help STK 10.1. Disponível em:
<www.agi.com/resources/help/online/stk/10>, Acesso em: 05/06/2014.
J. R. Jensen; Sensoriamento remoto do ambiente - Uma perspectiva em
recursos terrestres, 2a ed., Editora Parêntese:São José dos Campos, 2009.
R. A. Schowengerdt; Remote sensing - Models and methods for image
processing, 3a ed., Editora Elsevier:San Diego, 2007.
Agradecimentos: à agência de fomento CNPq pelo financiamento do projeto
560305/2010-9 e da bolsa DTI-B do colaborador Diogo Maciel Almeida.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Análise de cobertura considerando a proteção de áreas sensíveis: novas
abordagens de resolução
Maria José Pinto Lamosa* e Mônica Maria De Marchi
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: problema de roteamento e cobertura, multiobjetivo,
GRASP, análise de decisão.
I. Introdução
O processo de tomada de decisão em cenários complexos
envolvendo incertezas e uma grande variedade de informações e de
entidades responsáveis pela tomada de decisão é extremamente
desafiador. Neste contexto, é fundamental o domínio de
metodologias de otimização capazes de oferecer uma visão global do
cenário e alternativas que auxiliem a tomada de decisão.
Neste trabalho, pretende-se apoiar este processo de tomada de
decisão aplicando conceitos da Pesquisa Operacional para tratar um
problema de roteamento específico onde o objetivo é determinar uma
rota eficiente para cobrir (monitorar) um conjunto de áreas em uma
determinada região onde algumas destas áreas, denominadas
sensíveis, precisam ser revisitadas o mais breve possível. Neste caso,
a rota gerada poderia ser utilizada para monitoramento da região e
geração de informações. Como aplicação, o problema tem sido
considerado em cenários de gerenciamento de crises, vigilância do
espaço aéreo e busca e salvamento.
CRPMRCA pode ser abordado como um problema de decisão, onde
dadas inúmeras configurações de rotas possíveis e os respectivos
retornos às áreas sensíveis, a questão de interesse será definir a
solução com maior valor de utilidade possível. Ou seja, além do
custo e do número de retornos, podem ser considerados fatores como
risco ou a probabilidade de se encontrar o que se está buscando ao
realizar uma determinada rota com um determinado número de
retornos em uma área (por exemplo, a probabilidade de encontrar um
sobrevivente em um cenário de busca e salvamento). Para auxiliar
neste tipo de decisão, propusemos em [4] uma nova abordagem
utilizando conceitos da teoria de Análise Estatística da Decisão onde
foram incorporados conceitos da Teoria de Utilidade para considerar
o risco inerente a este tipo de cenário [5]. Nos testes computacionais
realizados a solução sugerida pela metodologia mostrou um
comportamento esperado em relação ao perfil de exposição ao risco
do decisor, representado pelas diferentes curvas de utilidade.
No momento, encontra-se em desenvolvimento uma nova
abordagem utilizando um algoritmo GRASP multiobjetivo onde
foram feitas as adaptações necessárias para tratar o CRPMRCA.
Foram realizados alguns testes e os resultados obtidos até o
momento, apesar de limitados, parecem promissores. Entretanto,
mais testes deverão ser realizados para validar a metodologia.
II. Contextualização
Para garantir que as áreas sensíveis permaneçam descobertas o
mínimo de tempo possível é interessante buscar a maximização dos
retornos a estas áreas. Por outro lado, a rota pode resultar em um
custo muito alto. Assim, o problema é multiobjetivo devido ao tradeoff entre a maximização de retornos às áreas sensíveis e a
minimização dos custos. Em [1], o problema foi denominado
CRPMRCA (do inglês, Covering-Routing Problem with Maximum
Returns to Critical Areas) e proposta uma formulação matemática.
Em [2] utilizamos o método -restrito para resolver o
CRPMRCA, que consiste de um procedimento clássico da literatura
para tratar problemas multiobjetivos onde o problema é reformulado
considerando somente um dos objetivos e incluindo os demais como
restrições do problema limitados a um valor específico, o qual é
atualizado iterativamente de forma a gerar a curva de trade-off.
Em [3] foram apresentadas outras duas tentativas para tratar o
problema, utilizando ainda a formulação proposta em [2]. A primeira
consistiu em reduzir o custo dos arcos que passam por uma área
sensível de forma a permitir um número maior de retornos a estas
áreas. Esta redução foi feita utilizando uma porcentagem fixa dos
valores originais. Em seguida, a formulação matemática foi utilizada
e, no final, o custo original restaurado para mostrar o aumento
resultante no custo final da rota. A segunda tentativa consistiu em
manter no grafo somente os nós referentes às áreas sensíveis e
utilizar como custo dos arcos o valor do caminho mínimo entre estas
áreas. Em seguida, as áreas não sensíveis, ainda não consideradas na
geração dos caminhos mínimos, são incluídas. A formulação é então
utilizada considerando os nós do novo grafo. Em ambas as tentativas,
a formulação matemática considerou somente o objetivo de
minimização do custo e o retorno às áreas sensíveis foi permitido.
III. Novas abordagens de resolução
Nos trabalhos anteriores, buscava-se rotas otimizadas em relação
ao custo e ao número de retornos. Entretanto, considerando os
cenários de aplicação e da forma como o problema foi definido, o
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
IV. Considerações finais
Como continuidade do trabalho, pretende-se utilizar outras
metodologias multiobjetivo para comparação de resultados. Além
disso, melhorias serão propostas na metodologia utilizada em [4]
pois, apesar de ter mostrado coerência nos resultados considerando os
parâmetros estabelecidos, a metodologia ainda necessita de uma
calibração estatística dos parâmetros da função utilidade para que
estes sejam representativos em relação à prescrição do
comportamento dos decisores face ao risco para uma aplicação real.
Por fim, um novo modelo está sendo desenvolvido para incluir
limitações e características ao problema que até o momento não
estavam sendo consideradas como, por exemplo, o tempo associado e
a autonomia/capacidade da entidade que realizará o roteamento.
V. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
M. J. P. Lamosa, D. M. Lamosa e M. M. De Marchi; Heurística
modificada para um problema de roteamento e cobertura com
maximização de retornos às áreas sensíveis – resultados
computacionais, In: XLIII SBPO, Ubatuba, SP, 1535-1546, 2012.
M. J. P. Lamosa, M. M. De Marchi e D. M. Lamosa; O problema de
roteamento e cobertura num contexto de gerenciamento de crise, In:
XLIV SBPO, Rio de Janeiro, RJ, 2012.
M. J. P. Lamosa, M. M. De Marchi e D. M. Lamosa; Resolução do
problema multiobjetivo de roteamento e cobertura com retorno às áreas
sensíveis, In: XLV SBPO, Natal, RN, 2013.
M. J. Pinto, M. M. De Marchi, C. A. L. Araújo Júnior e R. A. Scarpel;
Análise estatística de decisão para tratar o problema de roteamento e
cobertura com máximo retorno às áreas sensíveis, In: XVI ONPCE, São
Carlos, SP, 2014.
O. R. Bekman e P. L. Costa Neto; Análise Estatística de Decisão,
Editora Edgard Blucher: São Paulo, 1980.
Agradecimentos: à FAPESP, pelo financiamento do Projeto Temático n o
2010/10133-0.
123
Plataforma AEROGRAF – Um ambiente de integração
Márcia Rodrigues Campos de Aquino1 , *, Ten Cel Av Flavio Petersen Júnior1, João Camilo da Silva1, José Paulo Breda Destro1,
Airton Prati1, Cap Av Diego Bonato Langer1, Cap Av Diego Geraldo1 e Ten QOENG Davison Silva Santos1
1
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: planejamento de missão, PMA, planejamento de
defesa, PDA, AEROGRAF, SIG.
I. Introdução
Na década de 90 o IEAv desenvolveu o Projeto AEROGRAF,
cujo objetivo foi a criação de módulos (softwares) que pudessem
atender as várias necessidades operacionais da FAB. Foram
desenvolvidos
quatro
módulos:
Inteligência
(INT),
Geoprocessamento (GEO), Planejamento de Defesa Aérea (PDA) e
Planejamento de Missão Aérea (PMA).
No início de 2003, foram iniciados estudos objetivando a
atualização destes módulos, começando pelo PMA e pelo PDA,
ambos com várias funcionalidades básicas em comum, mas
completamente independentes. Optou-se por desenvolver um sistema
único, onde as funcionalidades pudessem ser implementadas
isoladamente, mas visualizadas no mesmo ambiente e onde elas
pudessem trocar informações entre si através de interfaces bem
definidas, sem necessidade de conhecimento completo umas das
outras. Surgiu, então, a Plataforma AEROGRAF, que passou a ser
utilizada como ambiente de integração dos projetos do IEAv que
necessitam de um ambiente georreferenciado, notadamente para os
estudos de caso das tecnologias de auxílio à decisão e avaliação de
cenários táticos.
II. Plataforma AEROGRAF
A Plataforma AEROGRAF, Fig. 1, consiste de um Sistema de
Informações Geográficas básico com visualização georreferenciada
em 2D e 3D, animações em função do tempo e interface para o
desenvolvimento de aplicações garantindo a modularidade e a
integração entre quaisquer componentes desenvolvidos [1].
de posicionamento global; reconstituição, análise de vôos e análise de
parâmetros de combate das aeronaves. O impacto operacional do
PMA é muito significativo, permitindo, por exemplo, melhorar o
desempenho das missões aéreas, economia de meios e
aperfeiçoamento da instrução operacional de combate.
A Fig. 2 apresenta exemplos de funcionalidades do PMA.
Fig. 2. Exemplos de funcionalidades do PMA.
IV. PDA
O objetivo principal do PDA é facilitar ao planejador de defesa
aeroespacial fazer seu planejamento baseado em um ponto sensível a
ser defendido contra aeronaves incursoras hostis.
O PDA simula coberturas de radares e de artilharia antiaérea,
bem como a ação de interceptação das aeronaves de caça da FAB e
calcula as linhas de defesa e as eventuais regiões de vulnerabilidade
da Defesa Aérea. Na versão atual, em desenvolvimento, o PDA
também disponibiliza a funcionalidade de planejamento de defesa
aeroespacial focado na aeronave incursora, calculando e desenhando
a região de combate provável entre a aeronave incursora e as
aeronaves interceptadoras.
O PDA é utilizado pelo COMDABRA (Comando de Defesa
Aeroespacial Brasileiro) desde a década de 90 e atualmente foi
atualizado e passou a ter novas funcionalidades utilizando a
Plataforma AEROGRAF.
A Fig. 3 apresenta os seguintes exemplos de funcionalidades do
PDA: um cenário composto de três objetos, incursor, radar e
artilharia (3 lóbulos menores), com as linhas de cobertura geradas e
visualizadas em 3D; e a integração da cobertura de 6 radares de
detecção 25.000 pés.
Fig. 1. Plataforma AEROGRAF.
III. PMA
O PMA em sua versão atual utiliza a Plataforma AEROGRAF e
consiste no desenvolvimento de componentes com funcionalidades
de planejamento, análise e debriefing de missão. O PMA tem por
objetivo ser o programa padrão em todas as Unidades Aéreas (UAE)
do Comando-Geral de Operações Aéreas (COMGAR), considerando
a doutrina operacional das aviações de Asas Rotativas, Busca e
Resgate, Caça, Patrulha, Reconhecimento e Transporte.
Atualmente, o PMA permite o planejamento, análise e debriefing
de missões aéreas, com funcionalidades como: compilação de
cenários táticos em duas e três dimensões; criação de rotas de
navegação com suporte a órbitas, reabastecimento em vôo,
navegação por contato, dispersão da formação e padrões de busca;
análise de separação entre trajetórias; integração com equipamentos
124
Fig. 3. Exemplos de funcionalidades do PDA.
V. Referências
[1]
M. R. C. de Aquino, F. Petersen Júnior. e D. Bonato, Spectrum, 11, 2628 (2008).
Agradecimentos: ao
062/COMAER/2008.
EMAER,
pelo
financiamento
do
projeto
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Sistemas de apoio à decisão para alocação de recursos de defesa baseados em
análises de risco inteligente
Marcelo Zawadzki1,2*, Mischel Carmen Neyra Belderrain2, Gilberto Montibeller3, João J. Farias Neto1
2
1
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Divisão de Engenharia Mecânica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil
3
London School of Economics, Londres, Reino Unido, UK
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: alocação de recursos de defesa, teoria dos jogos,
oponentes inteligentes, simulação.
I. Motivação
Decidir sobre a melhor forma de alocar recursos de defesa,
especialmente quando se lida com um oponente inteligente e
adaptável, é uma tarefa extremamente desafiadora. Visto como um
jogo, neste escopo, cada parte envolvida age de acordo com suas
crenças e de acordo com as antecipações que podem ser feitas sobre o
adversário. Sendo capaz de lidar com interações estratégicas entre os
lados envolvidos no jogo e considerar as ações que podem ser
escolhidas como interdependentes, a teoria dos jogos fornece
algoritmos e critérios para a obtenção de estratégias ótimas para
atores racionais que podem influenciar o resultado de processos e têm
interesses diferentes sobre as possíveis soluções finais.
II. Atividades em desenvolvimento
Decisões sobre a alocação de recursos de defesa para fazer frente
a um oponente inteligente, como por exemplo, estados hostis
organizados (casos de conflitos armados clássicos) ou organizações
assimétricas como terroristas ou o crime organizado, exigem que se
considere que, ao contrário de eventos naturais ou sistemas de
engenharia, adversários inteligentes se adaptam a diferentes medidas
defensivas que possam ser tomadas para combatê-los. Nesses casos,
as perdas, ao invés de serem regidas pelo acaso, são proporcionadas
por um oponente que tem como objetivo causar prejuízos [1]. Por
hora investiga-se a adequação dos jogos de Stackelberg ao estudo da
alocação de recursos de defesa.
A Fig. 1 exibe um exemplo de um jogo de Stackelberg genérico
que representa as diversas ações possíveis de serem escolhidas pela
defesa (N_1, N_2, ..., N_y) e pelo ataque (s_0, s_1, ..., s_k). Ainda
percebem-se as chances que o atacante possui de obter sucesso (v=1)
ou fracasso (v=0) em suas investidas. Qual ação que a defesa deveria
adotar?
III. Áreas a serem desenvolvidas
Um dos desafios que se enfatiza para a solução de problemas
através dos jogos de Stackelberg é o problema da escalabilidade.
Nestes tipos de jogos, o espaço de estratégias tanto da defesa quanto
do atacante pode aumentar exponencialmente com o número de
possibilidades de ataques e com o número maneiras de se alocar o
recurso disponível para a defesa. Essa questão que pode vir a exigir
um esforço computacional extremamente elevado.
O que se vislumbra é um algoritmo que permita a analise de
diversos problemas de decisão que representem a maneira como o
atacante se adapta e se comporta a cada nova alocação de recurso que
a defesa realiza (Fig. 2). Ao invés de se considerar todas as
combinações possíveis de medidas de defesa, o algoritmo leva em
conta apenas um subconjunto, evitando-se assim a explosão
combinatória [2], [3]. Por meio de simulações de Monte Carlo podese obter a distribuição de probabilidade preditiva de do
comportamento do atacante.
Fig. 2. Problema de decisão
Ainda existe a necessidade de se aprofundar na forma como as
funções de utilidade associadas ao atacante devem ser construídas e,
da mesma forma, existe a intenção de se explorar o modo como as
probabilidades subjetivas de sucesso e fracasso para as investidas
adversárias podem ser obtidas (análise de vulnerabilidades).
Essa linha de pesquisa contribui para a determinação racional da
alocação de recursos de defesa em situações nas quais se enfrenta um
oponente inteligente o que, se enxergado a luz do teatro operacional
da guerra aérea, é a missão precípua da Força Aérea Brasileira.
IV. Referências
Fig. 1. Jogo de Stackelberg genérico
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
[1] L. A. Cox; Risk analysis: an official publication of the Society for Risk
Analysis, 29, 336–41 (2009).
[2] M. Zawadzki e M. N. C. Belderrain; Adversarial risk analysis in defense
resource allocation for sports mega-events. Apresentado em Dealing
with disasters (DWD 2013) together with the 4th conference of the
IDRIM, 2013.
[3] M. Zawadzki; G. Montibeller e M. N. C. Belderrain; Adversarial Risk
Analysis in Defense Resource Allocation: Discouraging a Terrorist
Attack. Apresentado em INFORMS, 2013.
125
Avanços recentes em teoria dos jogos e árvores decisórias no IEAv
João J. Farias Neto1*, Luísa A. de Almeida2, Heitor A. Vieira3
1
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
2
Centro de Computação da Aeronáutica CCA/DECEA, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Centro de Inteligência da Aeronáutica CIAER, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: árvores decisórias, teoria dos jogos, opções reais,
valor da informação.
I. Motivação
A solução de problemas que envolvam decisões em ambientes
sujeitos a incertezas frequentemente se beneficia da explicitação das
árvores decisórias subjacentes a eles. A análise de riscos em
operações complexas - sejam eles devidos a falhas de organização, a
eventos naturais ou a inimigos maliciosos - é um desses problemas;
nesse caso, redes bayesianas e teoria dos jogos são de grande ajuda
para o seu equacionamento e solução. A priorização de atividades e a
avaliação de empreendimentos se beneficiam do cálculo do chamado
valor esperado da informação, que, ao ser levado em conta, pode
mudar substancialmente o rumo daquelas e as decisões de
investimento naqueles (opções reais).
II. Avanços em 2013
No campo teórico, concluímos [1] que o algoritmo usado nos
modelos ARA (Adversarial Risk Analysis) (ver, por exemplo, [2])
nem sempre converge. Exibimos casos em que a convergência ocorre
e casos em que não. A simples mudança de ponto inicial pode alterar
esse comportamento. Argumentamos que, quando o algoritmo não
converge, o enfoque ARA é inútil, por não resultar na recomendação
de uma estratégia bem definida. No caso de convergência,
concluímos que o equilíbrio ARA é um refinamento do equilíbrio
bayesiano.
No campo prático, concluímos o desenvolvimento de um pacote
computacional, denominado por nós VIPDecisions , para cálculo do
valor da informação em árvores decisórias [3][4][5]. O IEAv entrou
com pedido de registro junto ao INPI (protocolo número
018130041084) Ao contrário dos pacotes comerciais disponíveis, que
só automatizam esse cálculo para diagramas de influência, o nosso o
faz para árvores detalhadas e permite que se associe uma rede
bayesiana a cada nó aleatório, de modo a se relacionar as
probabilidades dos seus ramos a outras variáveis. Permite também a
elaboração descentralizada da árvore: ramos da mesma organização
elaboram suas sub-árvores decisórias e a direção geral as acopla
facilmente à árvore global. Um algoritmo de reorganização da árvore
em formato circular é outra característica inovadora. A possibilidade
de se calcular, com alguns cliques de “mouse”, o valor da informação
perfeita ou imperfeita de um subconjunto qualquer de nós aleatórios
da árvore é a principal funcionalidade desse “software”.
III. Áreas a serem desenvolvidas
Estamos tentando atualmente estabelecer as condições que
determinam a convergência ou não do algoritmo ARA e buscando
aplicações para o VIPDecisions.
A integração de modelos de dissuasão baseados em teoria dos
jogos com o cálculo automatizado do valor da informação e o
conceito de risco de Aumann e Serrano [6] deverá possibilitar
análises mais precisas dos riscos e oportunidades em cenários que
requeiram o uso da Força Aérea e em grandes empreendimentos de
expansão do domínio do espaço aéreo e acesso ao orbital. O
acoplamento a mercados de predição permitirá a diminuição da
incerteza quanto a vários parâmetros desses modelos.
126
Essa linha de pesquisa contribuirá para a determinação racional
do orçamento ótimo para a Aeronáutica, bem como de um plano
diretor que priorize suas atividades de pesquisa e desenvolvimento.
IV. Aplicações
O equilíbrio ARA, se bem estabelecido e delimitado, facilitará a
obtenção de estratégias ótimas em jogos complexos de ataque e
defesa.
A avaliação de projetos de pesquisa científica e tecnológica terá
mais rigor, se usado o “software” desenvolvido. Parte-se do modelo
básico (caso mais simples não degenerado) da Fig. 1, em que o
governo tem duas possibilidades: apostar em desenvolvimento
dependente (que não necessitará, mais adiante, de tecnologia
nacional) ou independente (que só funcionará, se mais adiante o país
dispuser das informações que seriam levantadas pelo projeto). O
valor das informações obtidas com a pesquisa pode ser calculado
com o pacote; de posse dele, ficará claro se vale a pena investir na
pesquisa e, em caso afirmativo, quanto. O modelo básico é tão
simples que pode ser calculado a mão; porém, para se obter seus
parâmetros, será necessário subdividir seus ramos em vários níveis de
sub-ramos, podendo a árvore resultante ser muito grande.
Fig. 1: Valor da informação perfeita sobre o nó aleatório: 0,5 (=1,5-1).
V. Referências
[1] J.J. Farias Neto; INFORMS Annual Meeting, Minneapolis, EUA, p. 304304 (2013).
[2] L. McLay; C. Rothschild; S. Guikema; Decision Analysis, Vol. 9, No. 1,
pp. 41–54 (2012).
[3] J. J. Farias Neto; L. A. de Almeida; H. A. Vieira; Anais Eletrônicos (CDROM) do XV SIGE - Simpósio de Aplicações Operacionais em Áreas de
Defesa. São José dos Campos, ITA, p. 37-41 (2013).
[4] L. A. de Almeida; H. A. Vieira ; J. J. Farias Neto; Anais do Simpósio de
Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados (SCTI). São José
dos Campos, Instituto de Estudos Avançados, pp. 168-172 (2013).
[5] J. J. Farias Neto; M. Zawadski.; L. A. de Almeida; H. A. Vieira;
Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento - IEAv. São José dos Campos,
Instituto de Estudos Avançados, v. 6. p. 119-119 (2013).
[6] R. J. Aumann e R. Serrano, An Economic Index of Riskiness, working
paper n. 20, Dept. of Economics, Brown University. 2006.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Alguns cálculos de criticalidade em geometria esférica
Alexandre D. Caldeira
Divisão de Energia Nuclear, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: criticalidade, geometria esférica, transporte,
difusão, nêutrons, métodos determinísticos.
I. Introdução
28
f
Nos processos de verificação e validação de um procedimento ou
programa computacional, os resultados obtidos são comparados,
respectivamente, com valores calculados com procedimentos ou
programas diferentes e valores experimentais.
Neste trabalho, são reproduzidos alguns resultados de cálculos de
criticalidade realizados para os problemas-padrão Godiva [1] e
Jezebel [1], que são, respectivamente, esferas de urânio enriquecido e
plutônio metálicos. Inicialmente, são comentados uma Dissertação de
Mestrado [2] e um Relatório Interno [3], que utilizaram a Teoria de
Transporte de Nêutrons. Posteriormente, é abordada uma
metodologia descrita na literatura [4], que utiliza a Teoria de Difusão
de Nêutrons.
II. Estudo comparativo entre conjuntos de seções de choque
Naquele estudo comparativo [2], os resultados obtidos com o
programa computacional DTF-IV, usando uma biblioteca de dados
nucleares multigrupo gerada pelo sistema NJOY a partir da biblioteca
de dados nucleares avaliados ENDF/B-IV, foram muito bons para
sistemas rápidos e os piores para sistema epitérmicos e térmicos,
quando comparados com valores recomendados e experimentais.
Tanto para sistemas rápidos quanto para sistemas epitérmicos e
térmicos, um conjunto de seções de choque foi gerado usando os
módulos MODER / RECONR / BROADR / UNRESR / GROUPR /
DTFR e função de ponderação Maxwelliana, para a faixa térmica;
1/E, para a faixa epitérmica; e espectro de fissão, para a faixa rápida.
Na Tab. 1 são apresentados os valores experimental e calculados dos
raios críticos para os sistemas rápidos.
Problema-padrão
Godiva
Jezebel
Tab. 1. Raio crítico (cm).
Recomendado [1]
Estudo [2]
8,741
8,863
6,385
6,331
espectro de fissão teórico e ajustado de Watt como função de
ponderação. Na Tab. 2 são apresentados os valores experimental e
calculados do fator de multiplicação efetivo, k eff , e de um índice
espectral, a razão   .
Literatura [4]
8,370
6,346
Embora a seqüência de módulos seja a indicada para sistemas
rápidos, a função de ponderação usada é característica de sistemas
térmicos, como os reatores de Angra.
Em outras palavras, naquele estudo, para sistemas rápidos a
seqüência de módulos estava apropriada, mas a função de ponderação
não era a mais indicada. Por outro lado, para sistemas epitérmicos e
térmicos, a seqüência de módulos não era a mais apropriada, mas a
função de ponderação era a mais indicada.
Assim sendo, acredita-se que deveriam ter sido gerados dois
conjuntos de seções de choque: um para sistemas rápidos e outro para
sistemas epitérmicos e térmicos. O conjunto para sistemas rápidos
com a seqüência de módulos MODER / RECONR / BROADR /
UNRESR / GROUPR / DTFR e um espectro de fissão como função
de ponderação. O conjunto para sistemas epitérmicos e térmicos com
a seqüência de módulos MODER / RECONR / BROADR / UNRESR
/ THERMR / GROUPR / DTFR e a função Maxwelliana + 1/E +
espectro de fissão como função de ponderação.
Tab. 2. k eff e f28 f25 .
Parâmetro
k eff
f28 f25
Naquele relatório [3], os resultados obtidos com o programa
computacional ANISN, usando uma biblioteca de dados nucleares
multigrupo gerada pelo sistema NJOY a partir da biblioteca de dados
nucleares avaliados ENDF/B-IV, foram muito bons para sistemas
rápidos quando comparados com valores experimentais. Dois
conjuntos de seções de choque foram gerados com os módulos
MODER / RECONR / BROADR / UNRESR / GROUPR / DTFR e o
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Experimento [1]
1,000  0,001
0,1647  0,0018
Teórico [3]
1,00081
0,17139
Ajustado[3]
1,00085
0,17139
Apesar do espectro do problema-padrão Godiva não ser o
espectro de fissão puro do 235U, o objetivo principal daquele relatório
era avaliar a influência da escolha da função de ponderação na
geração das seções de choque multigrupo.
IV. Outro olhar sobre criticalidade sem confinamento: apenas
um número
Na literatura [4], é descrito um procedimento para o cálculo do
raio crítico, tendo como base a solução da Equação de Difusão em
geometria esférica, descrito, resumidamente, a seguir.
Inicialmente, é calculado o parâmetro adimensional  , definido
como
2 
f (  1)
el  f
, onde f , el e  representam, respectivamente, as
seções de choque médias microscópicas de fissão, de espalhamento
elástico e o número de nêutrons emitidos por fissão. A seguir, são
calculadas as quantidades
d

1 1
  1
3   2

e
γ

3 1
  1
4  2

. Posteriormente, a
quantidade x é obtida através da solução da Equação Transcendental
x cotan(x)   x  1  0 , resultante da aplicação da condição de
contorno à solução da Equação de Difusão. Finalmente, o raio crítico,
1
em m, é determinado por rc  x d  tr , sendo   n  , tr  f  el e n
tr
tr
a densidade atômica do nuclídeo físsil. Os valores calculados [4]
utilizando este procedimento estão mostrados na Tab. 1.
V. Comentários finais
Analisando-se os comentários realizados para aquele estudo
comparativo, Seção II, observa-se que a influência da escolha dos
módulos do sistema NJOY na qualidade dos resultados produzidos é
muito maior do que a escolha da função de ponderação utilizada,
como era esperado.
A escolha da função de ponderação é o ponto-chave no processo
de geração de seções de choque multigrupo. Entretanto, nos cálculos
realizados naquele relatório, Seção III, observou-se que a mudança
na forma do espectro influenciou levemente as seções de choque
calculadas não provocando variações significativas nos parâmetros
integrais.
A simplicidade e a qualidade dos resultados obtidos com o
procedimento descrito na literatura, Seção IV, se apresentam como
pontos importantes a serem considerados no processo de verificação.
VI. Referências
[1]
III. Parâmetros integrais para a Lady Godiva calculados com
os espectros de fissão teórico e ajustado do 235U
25
f
[2]
[3]
[4]
Cross Section Evaluation Working Group Benchmark Specifications,
ENDF-202, Brookhaven National Laboratory, BNL-19302 (1974).
Alexandre D. Caldeira; Estudo Comparativo entre Conjuntos de
Seções de Choque, Dissertação de Mestrado, Instituto Militar de
Engenharia, Rio de Janeiro, RJ (1983).
Alexandre D. Caldeira; Parâmetros Integrais para o Problema-padrão
Godiva Calculados com os Espectros de Fissão Teórico e Ajustado do
235
U, Relatório Interno IEAv-03/87, Instituto de Estudos Avançados,
São José dos Campos, SP (1987).
B. Cameron Reed; The Physics of the Manhattan Project, 2nd Edition,
Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2011).
127
Determinação do equivalente de dose ambiente simulando a esfera ICRU com
as sugestões da ICRP 103 para cálculo do fator de ponderação para a radiação
Leonardo de Holanda Mencarini1*, Claudio Antonio Federico2 e Linda V. E. Caldas3
1
Divisão de Energia Nuclear, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
Divisão de Física Aplicada, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
3
Gerência de Metrologia das Radiações, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, São Paulo, SP, Brasil
*E-mail para correspondência: [email protected]
2
Palavras Chave: equivalente de dose ambiente, MCNPX, esfera
ICRU.
I. Breve histórico
O fator de ponderação para a radiação, WR, foi definido para as
grandezas dosimétricas de proteção relacionado com o fator de
qualidade, Q, em função da transferência linear de energia (L). No
relatório ICRP 60 [1], o método de cálculo do fator de ponderação
para a radiação foi modificado nos cálculos das grandezas dose
equivalente e dose efetiva. Este fator WR deveria ser considerado
nas aplicações envolvendo a área de proteção radiológica. Uma
reavaliação dos valores de WR foi disponibilizado pelo relatório
ICRP 103 [2], onde os valores de WR para prótons e nêutrons
diferem do relatório ICRP 60 [1]. Os valores de WR passam a ser
especificados em função do tipo e, no caso dos nêutrons, em termos
da energia da radiação incidente.
II. Metodologia
Empregando o código computacional MCNPX 2.7.0 [3], com a
finalidade de estimar as alterações nos valores de equivalente de dose
ambiente por unidade de fluência na esfera ICRU, utilizando os
valores de WR sugeridos pelo relatório ICRP 103 [2], que consiste do
emprego das equações apresentadas a seguir para cálculo do WR em
função da energia do nêutron incidente ( ):
)
[
[
,
)
[
e
)
.
(1)
(2)
(3)
As alterações mais significantes em comparação com o relatório
ICRP 60 [2] ocorrem na faixa de energia abaixo de 1 MeV, que leva
em conta a maior contribuição de fótons secundários na dose
absorvida, e o decréscimo do fator de ponderação para nêutrons
acima de 100 MeV [2]. Os resultados são apresentados na Fig. 1 e
Tab. 1.
Tab. 1. Comparação dos valores da grandeza dosimétrica equivalente de dose
ambiente utilizando os valores de WR apresentados na ICRP 74 e ICRP 103.
A
B
C
D
E
F
1,00×10−5
2,03
3,20 ± 0,60
11,3
7,76 ± 1,46
6,48 ± 1,22
1,00×10−4
2,07
2,69 ± 0,07
9,40
6,58 ± 0,18
5,55 ± 0,15
1,00×10−3
1,77
3,63 ± 1,06
7,90
7,25 ± 2,00
6,41 ± 1,88
1,00×10−2
2,60
2,76 ± 0,07
10,5
9.61 ± 0,25
7,18 ± 0,18
3,00×10−2
3,07
3,92 ± 0,80
23,7
20,2 ± 4,10
12 ± 2,44
5,00×10−2
4,00
5,71 ± 1,20
41,1
38,9 ± 5,81
22,9 ± 4,81
1,00×10−1
6,62
8,65 ± 1,68
88,0
88,5 ± 17,2
57,2 ± 11,1
2,00×10−1
11,2
11,2 ± 0,60
170
178 ± 9,77
126 ± 6,91
3,00×10−1
13,4
14,6 ± 0,60
233
253 ± 11,2
195 ± 8,66
5,00×10−1
18,5
18,5 ± 0,10
322
328 ± 1,83
342 ± 1,92
7,00×10−1
17,7
23,1 ± 1,49
375
445 ± 28,8
409 ± 26,4
1,00×100
17,5
29,6 ± 0,66
416
537 ± 12,0
520 ± 11,6
2,00×100
15,4
35,5 ± 0,70
420
557 ± 11,7
548 ± 11,6
5,00×100
6,42
54,7 ± 3,70
405
354 ± 24,0
352 ± 23,8
1,00×101
6,40
67,9 ± 3,24
440
437 ± 20,8
434 ± 20,7
1,60×101
7,09
76,3 ± 3,64
555
543 ± 25,9
541 ± 25,8
2,00×101
7,41
81,8 ± 8,23
600
607 ± 61,0
606 ± 61,0
3,00×101
4,89
81 ± 13,3
515
453 ± 74,1
452 ± 74
1,00×102
3,74
76,7 ± 5,91
285
307 ± 23,7
287 ± 22,1
2,01×102
4,34
35,5 ± 5,48
260
190 ± 29,3
154 ± 23,8
onde: A representa a energia do nêutron incidente em MeV; B
representa o fator de qualidade efetivo (Qeff) em Sv/Gy obtido neste
trabalho; C representa a dose absorvida pela unidade de fluência
(D*(10)/Φ) obtida neste trabalho em pGy×cm2; D representa o
equivalente de dose ambiente pela unidade de fluência (H*(10)/Φ)
em pSv×cm2 [4]; E representa o equivalente de dose ambiente pela
unidade de fluência (H*(10)/Φ) obtido neste trabalho segundo as
recomendações do relatório ICRP 74 [4] em pSv×cm2; F representa o
equivalente de dose ambiente pela unidade de fluência (H*(10)/Φ)
obtido neste trabalho segundo as recomendações do relatório ICRP
103 [2] em pSv×cm2.
III. Considerações finais
Conforme mencionado anteriormente, as alterações mais
significantes ocorreram nos nêutrons incidentes com energias abaixo
de 1 MeV, onde os valores obtidos de H*(10) apresentaram na faixa
de energia de 5,00×10−2 MeV sua maior variação (69,87%) em
relação aos valores calculados com as orientações da ICRP 74 [4].
IV. Referências
Fig. 1. Curvas do equivalente de dose ambiente por unidade de fluência
do feixe de nêutrons (H*(10)/Φ) na esfera ICRU em função da energia de
radiação incidente, empregando-se os valores de fator de ponderação para
nêutrons da ICRP 74 [4] e ICRP 103 [2].
[1] ICRP. International Commission on Radiological Protection.
Recommendations of the International Commission on Radiological
Protection. Publication 60. Annals of the ICRP, v. 21, n. 1-3, 1991.
[2] ICRP. International Commission on Radiological Protection. The 2007
Recommendations of the international commission on radiological
protection. Publication 103, Annals of the ICRP, v. 37, n. 2-4, 2007.
[3] Pelowitz, D. MCNPX user‘s manual version 2.7.0. Los Alamos: National
Laboratory. Report LA-CP-11-00438, 2011.
[4] ICRP. International Commission on Radiological Protection. Conversion
coefficients for use in radiological protection against external radiation.
Publication 74. Annals of the ICRP, v. 26, n. 3, 1997.
Agradecimento: Um dos autores (LVEC) agradece ao CNPq pelo suporte
financeiro parcial.
128
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Estudo de anomalias observadas no decaimento de alguns nuclídeos e possível
relação com solar radiações
Francisco B. Guimaraes
Divisão de Energia Nuclear, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*E-mail para correspondência : [email protected]
Palavras Chave: decaimento nuclear, radiações solares, dark matter,
mecanismo de Higgs.
I. Introdução
Um fenômeno não usual tem sido observado com as taxas de
decaimento de alguns nuclídeos, por exemplo. 32Si, 54Mn e 226Ra,
como reportado por Jenkins et al. [1] e Jenkins e Fischbach [2],
mostrando variações sazonais e uma possível conexão com as
radiações solares. Tal fenômeno está em clara contradição com o
approach usual do Modelo Padrão da física de particulas elementares
que prediz meias-vidas constantes para todos os processos de
decaimento como uma função dos parâmetros de acoplamento das
partículas interagentes. Neste projeto, nós pretendemos analizar o
fenômeno teóricamente, usando a teoria eletro-fraca atual (EW) e
uma possível reinterpretação do mecanismo de Higgs, para
determinar a sua compatibilidade com o presente paradígma ou
sugerir uma extensão da teoria atual.
A importância de uma possível variabilidade das taxas
decaimento é difícil de ser exagerada. Isótopos radioativos como 125I
e 103Pd (captura-e-) e 90Y (decaimento-β) são usados em imaging em
medicina nuclear e em brachyterapia; 14C (decaimento-β) tem
aplicações em geologia e paleontologia para estimar a idade de
objectos e sistemas; a própria estabilidade dos núcleos depende das
interações fracas para determinar quais isótopos de um determinado
elemento são radioativos ou não, com aplicações práticas em
generação de energia e física de reatores, controle de dejetos
nucleares, viagens spaciais, física solar e outras areas estratégicas.
Portanto, é de extremamente importante determinar se o decaimentoβ, a captura-e- e outras reações nucleares EW podem ser
influenciadas ou não por agentes não-locais.
II. Previos modelos teoricos
O approach tradicional [1,4] sugeriria que possivelmente "novas
partículas" originadas no Sol ou variações do fluxo de neutrinos
solares poderiam estar afetando as taxas de decaimento na Terra e,
como a potência das radiações na Terra depende da distância TerraSol, RES, da mesma forma haveria uma influência sobre o decaimento
radioativo, como indicado na Fig. 1.
radiações solares e não consideraram a observada existência de uma
defasagem entre as variações dos parâmetros orbitais e as taxas de
decaimento.
De fato, as Figs. 1, 3 da Ref.[3] mostram variações sazonais para
as taxas de decaimento 22Na/44Ti e 133Ba/108Ag, e a Fig.3 da Ref.[4]
mostra dependência temporal na potência de um reator nuclear a
bordo da espaçonave Cassini, gerada por decaimento-. Nesse
sentido, as Refs. [3,4] corroboram a tese principal das Refs. [1,2], ou
seja, a da variação sazonal das taxas de decaimento.
Uma teoria de gravitação baseada na existência de um "campo
escalar"[5] e um modelo baseado em “dark energy” [6] também
foram sugeridos para explicar o fenômeno, mas as resultantes
mudanças esperadas na constante de estrutura fina, EM, seriam
observáveis apenas em períodos da ordem de bilhões de anos.
III. Nossa proposta
Se considerarmos o sistema solar como em estado de equilibrio
auto-consistente, um approach mais apropriado, do que
simplesmente correlacionar as taxas de decaimento com RES, seria
centrar a descrição na dependência temporal dos decaimentos e supor
que uma força externa age simultaneamente na Terra e no Sol e não
necessariamente se origina no Sol.
Neste caso, essa força poderia ser conectada com “dark matter”
(DM) e EW devido à variação sazonal da velocidade da Terra em
relação ao halo de DM da Via Láctea. Esta variação foi observada
por Barnabei et al.[7], com máximos em Junho e mínimos em
Dezembro, e a análise da Ref.[1] mostra máximos e mínimos das
taxas de decaimento com uma defasagem aproximadamente
constante de 6 meses em relação ao fluxo de DM.
A idéia deste projeto é investigar uma possível conexão da
variação sazonal de DM que poderia produzir alterações na própria
constante EM. Isto é possível se as massas dos bosons da força fraca
não forem constantes.
Outro problema é que as interações fracas são supostas ter curto
alcance e, de acordo com o paradígma aceito presentemente, uma
enorme densidade de DM seria necessária para produzir a observada
alteração das taxas de decaimento. Portanto, nosso estudo está
centrado na descoberta de modos do campo fraco com massas
menores do que os valores presentemente aceitos.
Nós propomos uma reavaliação da definição de DM, usando
diretamente os bosons da interação fraca e uma reinterpretação do
mecanismo Higgs para generação de massa, para definir as forças
fracas de maneira mais semelhante às forças eletromagnéticas do que
a aceita no paradígma atual.
Se este estudo for bem sucedido, uma intensificação das
pesquisas experimentais nessa direção seria justificável.
IV. Referências
[1]
[2]
Fig.1 Correlação entre decaimento do 32Si e Terra-Sol distance.
Esta explicação encontrou forte oposição nas análises das Refs.
[3,4], centradas na correlação com RES. Entretanto, as Refs. [3,4]
usaram períodos de observação não tão longos como os da Ref.[1],
não apresentaram qualquer comparação com intensidade das
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
J. H. Jenkins et al. [1, 2]; Astropart. Phys., 32, Issue 1, 42–46 (2009).
J. H. Jenkins e E. Fischbach Astropart. Phys., 31, Issue 6, 407–411
(2009).
[3] E. B. Norman et al.; Astropart. Phys., 31, Issue 2, 135–137 (2009).
[4] P. S. Cooper; Astropart. Phys., 31,Issue 4, 267–269(2009).
[5] J. D. Barrow e D. J. Shaw, Phys. Rev. D 78, 067304 (2008).
[6] C. Wetterich, Phys. Rev. D 67, 043513 (2003).
[7] R. Barnabei et al. arXiv:1301.6243 [astro-ph.GA] (2013).
129
Soluções aproximadas para o problema de transporte de partículas em dutos
Roberto D. M. Garcia
Divisão de Energia Nuclear, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
E-mail para correspondência: [email protected]
Palavras Chave: transporte de partículas, dutos, método de
ordenadas discretas, modelo aproximado.
I. Introdução
O transporte de partículas em dutos é um tema extensivamente
estudado desde o início do século passado. O interesse inicial no
assunto surgiu em estudos fundamentais de cinética dos gases, em
particular no escoamento de gases em regime molecular livre [1],
onde as colisões entre as partículas do gás podem ser negligenciadas.
Na década de 80, foi retomado o interesse no assunto, agora sob a
perspectiva da pesquisa em fusão termonuclear controlada, com
interesse especifico no estudo de esquemas de remoção de partículas
neutras do plasma de um tokamak [2].
Em virtude do problema de transporte de partículas em dutos ser
tridimensional no espaço, cálculos realísticos são realizados em geral
com o método Monte Carlo ou com um método conhecido como
“view factor”. Entretanto, tais métodos demandam tempos
computacionais elevados, o que motivou a busca de modelos
aproximados que permitissem a obtenção de resultados a um custo
computacional menor, ainda que com alguma perda em acurácia.
II. Modelos unidimensionais aproximados
Em um trabalho publicado em 1984, Prinja e Pomraning [2]
propuseram um modelo unidimensional aproximado de transporte em
dutos. O modelo destes autores é baseado em calcular a média da
distância entre colisões partícula-parede sobre a seção transversal do
duto e uma das variáveis angulares que especificam a direção de
movimento da partícula (o ângulo azimutal) e tomar o resultado
obtido como um livre caminho médio. Conforme a prática usual, o
inverso do livre caminho médio foi identificado como uma seção de
choque macroscópica e utilizado em uma equação de transporte
dependente de apenas uma variável espacial (a distância ao longo do
eixo do duto) e uma variável angular (o cosseno do ângulo polar).
Uma característica desta equação que foge do padrão é o fato da
seção de choque macroscópica possuir dependência angular.
Ao mesmo tempo, Larsen [3] demonstrou com rigor matemático
que a aproximação proposta por Prinja e Pomraning corresponde à
ordem mais baixa em uma hierarquia de aproximações obtida a partir
de um procedimento baseado em resíduos ponderados, onde a
distribuição de partículas no duto é aproximada em termos de
funções de base. O trabalho de Larsen foi importante, pois abriu a
possibilidade de desenvolver modelos unidimensionais melhorados,
usando ordens de aproximação mais elevadas. O modelo de Prinja e
Pomraning corresponde à utilização de apenas uma função de base
(constante) na hierarquia de Larsen e, infelizmente, não fornece bons
resultados para a probabilidade de transmissão de dutos longos. Para
mitigar esta dificuldade, Larsen, Malvagi e Pomraning [4]
desenvolveram um modelo unidimensional aproximado com duas
funções de base, que teve sucesso na redução do erro inerente ao
modelo aproximado com uma função de base. O modelo da Ref. [4]
resulta em duas equações de transporte acopladas, como no modelo
de dois grupos de energia em transporte de nêutrons [5], mas com
seções de choque macroscópicas dependentes do cosseno do ângulo
polar. Vários anos depois, Garcia, Ono e Vieira [6] desenvolveram o
modelo de três funções de base, onde o erro foi reduzido mais ainda.
III. Método de ordenadas discretas numérico
Na Ref. [4], as equações de transporte para os modelos de uma e
de duas funções de base foram resolvidas com uma versão numérica
do método de ordenadas discretas. Basicamente, esta versão do
130
método consiste em aproximar a integral na equação de transporte
com uma quadratura e a derivada espacial por diferenças [5]. O
conjunto resultante de equações algébricas é resolvido por iteração. A
solução obtida na Ref. [4] foi aperfeiçoada por Garcia e Ono [7],
através da utilização de uma decomposição do problema em: (a) um
problema sem colisão, que tem solução analítica, e (b) um problema
colidido, onde a solução é mais suave que a solução do problema
original e, portanto, pode ser obtida com uma ordem de quadratura
mais baixa. Além disso, Garcia e Ono desenvolveram um novo
esquema de quadraturas mais adequado para o problema [7].
O ganho em tempo computacional das soluções em ordenadas
discretas numéricas dos modelos aproximados com duas ou três
funções de base sobre simulações Monte Carlo do problema original
foi avaliado como sendo de tipicamente uma ordem de grandeza
[4,6]. Os erros máximos observados na probabilidade de reflexão
para dutos de seção circular com razões entre comprimento e raio
variando entre 0,1 e 10,0 foram de 9,1% para o modelo com duas
funções de base e 5,0% para o modelo de três funções de base [6].
Para a probabilidade de transmissão, os erros máximos observados
foram de 0,44% e 0,27%, respectivamente [6].
IV. Método de ordenadas discretas analítico
Apesar do bom desempenho computacional do método de
ordenadas discretas numérico, quando comparado ao método Monte
Carlo, foi possível melhorar ainda mais esse desempenho, utilizando
o método de ordenadas discretas analítico proposto por Barichello e
Siewert [8]. A diferença fundamental deste método para o método
numérico é que a variável espacial não é discretizada. O sistema de
equações diferenciais obtido ao se aproximar a integral da equação de
transporte por quadraturas é resolvido por expansão em soluções
elementares, que, no caso, são funções exponenciais.
Esta idéia foi testada com sucesso para o modelo de uma função
de base [9]. Observou-se uma redução substancial na ordem da
quadratura necessária para uma dada precisão nos resultados, o que
reduziu, tipicamente, em uma ordem de grandeza o tempo de CPU,
em comparação com o método de ordenadas discretas numérico.
V. Comentários finais
Encontra-se em fase final de implementação o método de
ordenadas discretas analítico para o modelo de duas funções de base.
Resultados preliminares são promissores e indicam um ganho de
tempo computacional similar ao obtido para o modelo de uma função
de base em relação ao método de ordenadas discretas numérico.
VI. Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
L. B. Loeb; Kinetic Theory of Gases, McGraw-Hill, New York, 1934.
A. K. Prinja e G. C. Pomraning; Transp. Theory Stat. Phys., 13,
567−598 (1984).
E. W. Larsen; Transp. Theory Stat. Phys., 13, 599−614 (1984).
E. W. Larsen, F. Malvagi e G. C. Pomraning; Nucl. Sci. Eng., 93,
13−30 (1986).
G. I. Bell e S. Glasstone; Nuclear Reactor Theory, Van Nostrand
Reinhold, New York, 1970.
R. D. M. Garcia, S. Ono e W. J. Vieira; Nucl. Sci. Eng., 136, 388−398
(2000).
R. D. M. Garcia e S. Ono; Nucl. Sci. Eng., 133, 40−54 (1999).
L. B. Barichello e C. E. Siewert; J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer,
62, 665−675 (1999).
R. D. M. Garcia; Nucl. Sci. Eng., 177, 35−51 (2014).
Agradecimentos: ao CNPq, pelo apoio a este projeto de pesquisa.
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
ÍNDICE DE AUTORES
Abe, N.: 96, 102, 103
Almeida, D. D.: 102
Almeida, D.: 122
Almeida, L.: 126
Almeida, V.: 116
Alvarenga, M.: 89
Amarante, M. d.: 111
Aquino, M. R.: 124
Arisseto, J.: 117
Assis, N.: 89
Assunção, T. L.: 88, 89
Aumiller, A.: 117
Barbosa, C.: 118
Barbosa-Neto, F.: 115
Barreta, L.: 94
Belderrain, M. C.: 125
Bonato, D.: 124
Boss, A.: 98, 100
Brito, V.: 97, 98, 100, 101, 104, 111
Caldas, L.: 128
Caldeira, A. D.: 127
Camillo, G. P.: 88, 89
Cantarero, A.: 113
Carinhana Junior, D.: 94
Carlos, A. F.: 90, 91
Carvalho, F. E.: 98, 100, 111
Carvalho, M.: 118
Castro, R. M.: 96
Cazo, R. M.: 118
Christ, B.: 114
Cipeli, J. F.: 107
Cunha, S.: 111
da Silva Junior, C.: 103
Dacal, L.: 113
Damião, A. J.: 115, 117
Daro, F. R.: 99
Daro, F.: 101
de Farias Neto, J. J.: 125, 126
de Lima, R. G.: 101, 104
De Marchi, M. M.: 122, 123
De Polli Migliano, Y.: 98, 99, 100,
101, 104, 111
Destro, J.: 124
Destro, M.: 117
Destro, M. A.: 115
Dondeo, F.: 115, 117
Federico, C.: 107
Federico, C. A.: 106, 112, 128
Ferraz, J.: 117
Filho, O. P.: 110
Follador, R.: 88
Fortes, M.: 106
Ativ. P&D IEAv, v.7, mai/2013-jun/2014
Fraile Jr., A. C.: 93
Freitas, C. R.: 98, 100
Porto, B.: 88, 89
Prati, A.: 124
Garcia, R.: 130
Geraldo, D.: 124
Geraldo Destro, M.: 114
Gonçalez, O. L.: 105, 106, 108,
109, 112
Gontijo, M. R.: 104
Guimaraes, F. B.: 129
Rabelo, R.: 116
Rêgo, I.: 88, 89
Ribeiro, P.: 108
Riva, R.: 114
Roberto-Neto, O.: 90, 91
Rocamora Jr., F. D.: 95
Rodrigues, N.: 114
Rolim, T.: 88
Rosa, M.: 92, 93, 95
Hieda, M.: 97
Hirata, A.: 99, 101
Hirata, A. K.: 104
Imamura, O.: 122
Jakutis, J.: 114
Lamosa, M.: 122, 123
Lasmar Guimarães, A.: 94
Lavras, L.: 117
Lelis, O.: 107
Lemos, L. V.: 104
Lira, H. L.: 116
Louzada, R.: 116
Luis de Siqueira Ferreira, J.: 116
Machado, D.: 94
Machado, J.: 97
Marques, M.: 110
Matos, P.: 94
Medeiros, F. L.: 120, 121
Mencarini, L.: 112, 128
Mendes, A.: 106
Migliano, A. C.: 97, 98, 99, 100,
101, 104, 111
Montibeller, G.: 125
Moura, A. F.: 92
Muraro Jr, A.: 103
Neri, J.: 114
Saba, W.: 103
Sakamoto, J. M.: 118
Salvadori, M.: 99
Santos, A.: 88, 94
Santos, D.: 124
Santos, H.: 107
Santos, M.: 117
Sbampato, M.: 114
Scheid, V.: 119
Silva, J.: 124
Silveira, C.: 114
Siqueira, J.: 95
Sperotto, L. K.: 102
Tanaka, R. Y.: 96, 102, 103
Tolomelli, L.: 94
Toro, P. G.: 88, 89
Vaz, R.: 105
Vieira, G. S.: 96, 102
Vieira, H.: 126
Violim, L.: 101, 111
Wirth, G. I.: 108
Xavier, R.: 97
Zanella, G.: 101
Zanella, G. P.: 99, 104, 111
Zawadzki, M.: 125
Oliveira, A.: 94
Passaro, A.: 96, 102, 103, 112
Pazianotto, M. T.: 112
Pedrosa, L.: 119
Pedroso, D. d.: 102
Pereira, A. F.: 102
Pereira, H.: 107
Pereira, M.: 107
Pereira Junior, E.: 106, 109
Petersen, F.: 124
Pinto, J. d.: 112
131