Projeto e caracterização de um medidor de corrente logarítmico para as estações experimentais do acelerador de partículas Sirius - Oliveira, Bruno Gomes de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), localizado no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) é uma infraestrutura científica de última geração que abriga o Sirius, um equipamento de grande porte utilizado para gerar luz sincrotron. Essa luz é uma forma especial de radiação eletromagnética que abrange uma ampla faixa espectral, oferecendo versatilidade para análises em diversas áreas do conhecimento. No entanto, a medição precisa e estável das correntes elétricas geradas pelos fótons nas linhas de luz é essencial para o bom funcionamento dos experimentos. Atualmente, o LNLS utiliza um amperímetro de precisão com troca de escalas para realizar as medidas de corrente. No entanto, essa abordagem apresenta desvantagens, como a modificação brusca da relação sinal-ruído com a mudança do resistor de realimentação, comprometendo a qualidade das medidas. Para contornar esse problema, propõe-se o desenvolvimento de um picoamperímetro baseado em amplificador logarítmico para medir correntes de diferentes magnitudes sem a necessidade de troca de escalas. O amplificador logarítmico selecionado para o projeto é o ADL5304, conhecido por sua ampla faixa de medida, abrangendo correntes que variam de 1pA a 10mA. Esse dispositivo possui dois canais, permitindo não apenas a medição de uma corrente singular, mas também o cálculo do logaritmo da razão entre duas correntes, o que é útil em experimentos de absorção de raios-X. O trabalho consistiu na caracterização e prototipagem do picoamperímetro baseado no ADL5304, garantindo sua precisão, estabilidade e adequação às necessidades das linhas de luz do LNLS. Foram realizados testes de desempenho, análise de ruído e comparações com os amperímetros atualmente utilizados. Também foram exploradas soluções para contornar o problema da característica unipolar em medições de corrente. Ao longo do desenvolvimento são abordadas diferentes técnicas para mitigação de perdas na medição e redução de sensibilidade ao ruído, apresentando o projeto de hardware que atenda tais requisitos. O picoamperímetro baseado em amplificador logarítmico projetado neste trabalho é uma alternativa viável e de baixo custo em comparação com as soluções comerciais atualmente utilizadas. A sua implementação nas linhas de luz do LNLS poderá melhorar a precisão e estabilidade das medidas de corrente, contribuindo para o avanço da pesquisa científica.

The National Synchrotron Light Laboratory (LNLS), located at the National Center for Energy and Materials Research (CNPEM), is a state-of-the-art scientific infrastructure housing Sirius, a large-scale equipment used to generate synchrotron light. This light is a special form of electromagnetic radiation that covers a wide spectral range, offering versatility for analysis in various fields of knowledge. However, precise and stable measurement of the electric currents generated by photons in the beamlines is essential for the proper functioning of experiments. Currently, LNLS uses a precision ammeter with scale switching to perform current measurements. However, this approach has disadvantages, such as abrupt changes in the signal- to-noise ratio with the change of the feedback resistor, compromising measurement quality. To overcome this problem, the development of a picoammeter based on a logarithmic amplifier is proposed to measure currents of different magnitudes without the need for scale switching. The selected logarithmic amplifier for the project is the ADL5304, known for its wide measurement range, covering currents ranging from 1pA to 10mA. This device has two channels, allowing not only the measurement of a single current but also the calculation of the logarithm of the ratio between two currents, which is useful in X-ray absorption experiments. The work consists of characterizing and prototyping the picoammeter based on the ADL5304, ensuring its precision, stability, and suitability for the needs of LNLS beamlines. Performance tests, noise analysis, and comparisons with the currently used ammeters will be carried out. Solutions will also be explored to overcome the unipolar characteristic issue in current measurements. Throughout the development, different techniques for loss mitigation in measurement and reduction of noise sensitivity are addressed, presenting a hardware project that meets these requirements. It is expected that the picoammeter based on the logarithmic amplifier designed in this work will be a viable and cost-effective alternative compared to the currently used commercial solutions. Its implementation in LNLS beamlines could improve the precision and stability of current measurements, contributing to the advancement of scientific research.
Design and characterization of a logarithmic current meter for the experimental stations of the Sirius particle accelerator
Keywords: Eletronica; Correntes elétricas; Circuitos eletrônicos Projetos; Amplificadores operacionais; Radiação sincrotrônica