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Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares ÁREA : Aplicações das Radiações, Radioproteção e Instrumentação Nuclear Orientador : Clemente.

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1 Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares ÁREA : Aplicações das Radiações, Radioproteção e Instrumentação Nuclear Orientador : Clemente José Gusmão Carneiro da Silva Aluno : Rodrigo Penna

2 Professor Rodrigo Penna Sítio na internet: Blog: Link para currículo no Sistema Lattes: s

3 Rodrigo Penna 3 INTRODUÇÃO – 1 Aplicações das radiações na indústria: medidas de umidade, densidade, espessura, nível, detector de fumaça entre outras. No PCTN: Marinho (2004) e Sérgio (2005). Dados sobre madeira no Brasil: maior área plantada de eucaliptos do mundo, maior produtor mundial da celulose, indústrias ligadas ao eucalipto representam 4% do nosso PIB, 8% das exportações e geram aproximadamente 150 mil empregos (Ministério da Ciência e Tecnologia).

4 4 V&M – Paraopeba/MG Professor Rodrigo Penna

5 Rodrigo Penna 5 INTRODUÇÃO – 2 Técnicas nucleares tradicionais para medida de densidade de madeira são baseadas na transmissão dependente da geometria. Uma alternativa vantajosa para esta medida seria uma técnica baseada no espalhamento Compton. Pode-se utilizar uma fonte de 241 Am, de energia 60 keV, que possibilita uma blindagem mais compacta em relação ao 137 Cs, por exemplo. Objetivo do trabalho: construir este densímetro.

6 Rodrigo Penna Radiação incidente. TRADICIONAL 2 – Atravessa a madeira. 3 – Atenuação devido à interação com a matéria. 4 – O detector faz a leitura e transforma a medida de radiação em medida de densidade.

7 Rodrigo Penna 7 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – 1 A densidade é uma das mais importantes características da madeira. Seu conhecimento permite fazer previsões com respeito às futuras propriedades da madeira e sobre a utilidade de seus produtos derivados (Zobel e Talbert, 1984; Bowyer e Smith, 1998). Muitas propriedades mecânicas dependem da densidade (Haygreen e Bowyer, 1996).

8 Rodrigo Penna 8 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – 2 O método tradicional de medida da densidade da madeira é pela razão m / v. A massa é obtida com balança. O volume, em geral, pelo deslocamento de água (Haygreen e Bowyer, 1996; ABNT, 2003 ). Se a amostra é regular, facilita a obtenção do volume, calculando-se geometricamente.

9 9 Método da Imersão Professor Rodrigo Penna

10 Rodrigo Penna 10 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – 3 Medida de densidade da madeira por transmissão é antiga: Loss, 1961; Reichardt e Ferreira, Utilizado até hoje, inclusive no Brasil (Winistorfer e Jr., 1994; Winistorfer e Moschler, 1996; Rezende, Severo et al., 1999; Palermo, Latorraca et al., 2003). Pode ser utilizado até para densidade do carvão vegetal (Coutinho e Ferraz, 1988).

11 Rodrigo Penna 11 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – 4 O PCTN/UFMG já vem desenvolvendo a tecnologia de medidas por técnicas nucleares. Mário (Marinho) mediu densidade de meios porosos com sonda gama e Cs-137 (Silva, 2004). Sérgio mediu umidade de solos por sonda de nêutrons (Teixeira, 2005). Nosso trabalho dá continuidade às pesquisas já realizadas, apresentando inovações.

12 Rodrigo Penna 12 Trabalho de Marinho

13 13 Trabalho de Sérgio Professor Rodrigo Penna

14 Rodrigo Penna 14 FUNDAMENTOS TEÓRICOS – 1 A atenuação da radiação pela matéria depende do número atômico e da densidade dos materiais (Knoll, 1989). Nessa interação, são 3 os fenômenos principais: »Efeito Fotoelétrico; »Efeito Compton; »Formação de Pares. Combinados os 3: I = I o. e – t. x

15 15 EFEITO FOTOELÉTRICO (Tauhata, Salati et al., 2003) Professor Rodrigo Penna

16 Rodrigo Penna 16 EFEITO COMPTON (Tauhata, Salati et al., 2003)

17 Rodrigo Penna 17 EFEITO COMPTON COERENTE (Bushberg, Seibert et al., 2002)

18 Rodrigo Penna 18 FORMAÇÃO DE PARES (Tauhata, Salati et al., 2003)

19 Rodrigo Penna 19 GUIA LÍQUIDO Seu funcionamento é semelhante ao de uma fibra óptica comum, baseado na reflexão total da luz. São de uso mais recente, com plásticos especiais como o Teflon AF ( n = 1,29 a 1,31) e podem ser preenchidos com água (n = 1,33). Menos eficientes que as fibras, mas possuem aplicações específicas (Dress e Franke, 1997).

20 20 FUNCIONAMENTO Teflon AF Luz Líquido Condições de funcionamento: a) Meio interno mais refringente; b) maior que o ângulo limite. Professor Rodrigo Penna

21 Rodrigo Penna 21 GUIA DO EXPERIMENTO

22 Rodrigo Penna 22 FONTES UTILIZADAS Amerício – 241 : energia de 60 keV. Vantagens: baixa energia quando comparada aos 662 keV do Césio – 137, possibilitando menores blindagens e maior segurança do operador; longa meia – vida (+ de 400 anos). Além da baixa (relativamente) energia de emissão, a própria fonte é de pequena dimensões, milímetros, facilitando a construção de equipamentos portáteis.

23 Rodrigo Penna 23 DECAIMENTO DO AMERÍCIO 84,2% dos decaimentos levam ao ao Neptúnio – 237 excitado, que decai emitindo um fóton de 60 keV. Fóton de 60 keV

24 24 ESQUEMA DAS FONTES Fonte Externa 7400 MBq (200 mCi) 7 mm externo 5 mm ativo Fonte Interna 518 MBq (14 mCi) 3 mm externo 2 mm ativo Professor Rodrigo Penna

25 Rodrigo Penna 25 FONTE SECUNDÁRIA Fótons originários da fonte interagem com o meio por efeito Compton espalhando fótons secundários. Estes podem gerar outras interações e produzir fótons terciários e assim por diante. Esta interação é função da densidade e servirá como parâmetro para medi-la. O número de fótons que irá atingir o detector depende da densidade.

26 Rodrigo Penna 26 REPRESENTAÇÃO DA FONTE SECUNDÁRIA A blindagem impede que a radiação direta, vinda da fonte, atinja o detector. Apenas fótons espalhados são contados. E este espalhamento depende da densidade.

27 Rodrigo Penna 27 CINTILADORES UTILIZADOS Neste trabalho, além do NaI(Tl) utilizou-se cintiladores plásticos do tipo NE-102A. Composição: PoliVinilTolueno, densidade igual a 1,032 g/cm 3 e deterioração a 70 o C. Tempo de decaimento: 2 ns, adequado às taxas de contagens do experimento, inferiores a cps. As peças precisaram ser cortadas e polidas para a sua utilização.

28 28 FOTOS DOS CINTILADORES Professor Rodrigo Penna

29 Rodrigo Penna 29 FUNCIONAMENTO DO CINTILADOR Fótons Luz

30 Rodrigo Penna 30 MADEIRAS UTILIZADAS Amostras das seguintes espécies foram utilizadas nos experimentos: –candeia de cerca, Eremanthus erythropappus (DC.) Macleish; –canela de velho, Cenostigma macrophyllum Tul; –sucupira preta, Bowdichia virgilioides; –canela, Ocotea spp; –pereira, Platycyamus regnelii. –eucalipto.

31 31 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS Professor Rodrigo Penna

32 Rodrigo Penna 32 MADEIRAS PARA A SONDA

33 33 MEDIDA COM FONTE EXTERNA Professor Rodrigo Penna

34 Rodrigo Penna 34 REPRESENTAÇÃO Fótons originários da fonte de 241 Am. Fótons oriundos das interações. Pb Plástico Madeira CintiladorCintilador Fonte

35 Rodrigo Penna 35 MEDIDA COM A SONDA

36 Rodrigo Penna 36 FUNCIONAMENTO DA SONDA Fonte Fótons originários da fonte de 241 Am. Fótons oriundos das interações. Madeira Guia líquido

37 Rodrigo Penna 37 SIMULAÇÃO NO MCNP – 4C O programa Monte Carlo foi utilizado para a otimização da sonda nos seguintes parâmetros: –Estudo da blindagem adequada ao Amerício-241; –Estudo da posição ideal da fonte; –Influência da geometria da amostra de madeira; –Simulação da funcionalidade dos densímetros.

38 38 RESULTADOS Medida da densidade pela relação massa/volume da madeira: Professor Rodrigo Penna

39 Rodrigo Penna 39 MEDIDA COM DETECTOR E FONTE EXTERNOS

40 Rodrigo Penna 40 CURVA DE CALIBRAÇÃO Coeficiente de correlação: 0,989. D = ( 1,40.10 – – 7 ). C + ( – 0,19 0,06 )

41 Rodrigo Penna 41 MEDIDA COM A SONDA

42 Rodrigo Penna 42 CURVA DE CALIBRAÇÃO Coeficiente de correlação: 0,99. D = ( 1,28.10 – – 7 ). C + ( – 0,28 0,05 )

43 Rodrigo Penna 43 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS

44 Rodrigo Penna 44 PROGRAMAÇÕES DO MONTE CARLO Espessura mínima da blindagem: 0,5 mm (na prática 1,0 mm); Posição da fonte em relação à blindagem da sonda: 0,38 cm (na prática 0,4 cm); Raio mínimo da amostra para a sonda: 5 cm (na prática > 5 cm); Funcionalidade: a previsão foi que os densímetros funcionariam. Resposta do MCNP-4C para variação do fluxo de fótons em função da distância entre a fonte de Amerício-241 e a blindagem de chumbo.

45 Rodrigo Penna 45 CONCLUSÕES Os dois sistemas são funcionais. O Amerício-241 é uma fonte eficiente neste caso. O código Monte Carlo é uma ferramenta útil na otimização de aplicações como estes densímetros, tornando-o mais eficiente. A sonda pode ser utilizada in situ, perfurando diretamente o tronco das árvores e é um método não destrutivo.

46 Rodrigo Penna 46 PERSPECTIVAS Otimizar a geometria do sistema com o uso do Monte Carlo. Pesquisar a utilização de técnica semelhante para medida de umidade da madeira e sua influência na densidade. Aumentar a sensibilidade minimizando a perda de fótons em todos os acoplamentos. Construir um densímetro mais compacto para uso in situ. Registrar uma patente do densímetro.

47 Rodrigo Penna 47 LITERATURA CONSULTADA – 1 Abnt, A. B. D. N. T.-. NBR Wood - Determination of basic density: ABNT–Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Altkorn, R., I. Koev, et al. Low-loss liquid-core optical fiber for low-refractive-index liquids: fbrication, characterizaation, and application in taman spectroscopy. Applied Optics, v.36, n.35, 1 December, p ______. Raman Performance Characteristics of Teflon AF 2400 Liquid-Core Optical-Fiber Sample Cells. Applied Spectroscopy, v.53, n.10, p Belcher, D. J., T. R. Cuykendll, et al. the measurement of soil moisture and density by neutron and gamma ray scattering. CAA Techn, v.127, ocotobre Beling, J. K., J. O. Newton, et al. The Decay of Am241. Atomic Energy Research Stablishment. Harewell, Berkshire, England, p. Bowyer, J. L. e R. L. Smith. The Nature of Wood and Wood Products. U. O. M. F. P. M. D. Institute Bushberg, J. T., J. A. Seibert, et al. The Essential Physics of Medical Imaging. Philadelphia, PA - USA: Lippincott Williams & Wilkins Coutinho, A. R. e E. S. B. Ferraz. Determinação da densidade do carvão vegetal por atenuação da radiação gama. IPEF. 39: p Cown, D. e B. Clement. A wood densitometer using direct scanning with x-rays. Wood Science and Technology. 17: p Dress, P. e H. Franke. Increasing the accuracy of liquid analysis and pH-value control using a liquid-core waveguide. Rev. Sci. Instrum, v.68, p Ferraz, E. S. D. B. Determinação da densidade de madeiras por atenuação de radiação gama de baixa energia. Boletim IPEF. 12: p Ferreira, C. A. e E. S. B. Ferraz. Relatório de pesquisas apresentado à Comissão Nacional de Energia Nuclear. Esalq-Usp 1969.

48 Rodrigo Penna 48 LITERATURA CONSULTADA – 2 F o, M. T., L. E. C. Barrichelo, et al. Análise da madeira de compressão em. Pinus oocarpa E Pinus strobus VAR. chiapensis. composição química. IPEF, v.31, 01/12/85, p Gigante, G. E. e S. Sciuti. A large-angle coherent/Compton scattering method for measurement in vitro of trabecular bone mineral concentration. Med Phys, v.12, n.3, p Haygreen, G. J. e J. L. Bowyer. Forest products and wood science: an introduction: Ames: Iowa State University Press Specific gravity. Chapter 9 p. Knoll, G. F. Radiation detection and measurement: John Wiley & Sons Laboratory, O. R. N. MCNP4C-Monte Carlo N-Particle Transport Code System. OAK RIDGE: RSICC-RADIATION SAFETY INFORMATION COMPUTATIONAL CENTER. 2000a. 898 p. ______. MCNPDATA-Standard Neutron, Photon, and Electron Data Libraries for MCNP4C. OAK RIDGE: RSICC-RADIATION SAFETY INFORMATION COMPUTATIONAL CENTER. 2000b. 238 p. Loss, W. E. Gamma ray absorption and wood moisture content and density. Forest Products Joumal, v.11, n.3, p Mcginley, P. H. e A. H. Dhaba'an. Evaluation of the contribution of capture gamma rays, x-ray leakage, and scatter to the photon dose at the maze door for a high energy medical electron accelerator using a Monte Carlo particle transport code. Medical Physics, v.27, n.1, p Mukhopadhyay, S. e B. Nevada. Plastic gamma sensors: an application in detection of radioisotopes. U. S. D. O. Energy: National Nuclear Security Administration Nevada Site Office: p Mct, M. D. C. E. T.-. Brasil: Campeão do Eucalipto 2005a. ______. Eucaliptos mais resistentes, indústrias menos poluentes 2005b. ______. Pesquisa de Campo: O Brasil tem hoje mais de três milhões de hectares de florestas de eucaliptos – a maior área do mundo. 2005c.

49 Rodrigo Penna 49 LITERATURA CONSULTADA – 3 Palermo, G. P. D. M., J. V. D. F. Latorraca, et al. Análise da densidade da madeira de Pinus elliottii Engelm. por meio de radiação gama de acordo com as direções estruturais (longitudinal e radial) e a idade de crescimento. Floresta e Ambiente. 10: p Rebourgeard, P., F. Rondeaux, et al. Fabrication and Measurements of Plastic Scintillating Fibers. Nuclear Instruments & Methods v.427, n.3, p Reichardt, K. e C. A. Ferreira. Relatório de pesquisas apresentado à Comissão Nacional de Energia Nuclear. Esalq-Usp Rezende, M. A. D., E. T. D. Severo, et al. Estudo das variações da massa específica em Pinus oocarpa através da técnica de atenuação da radiação gama. Floresta, v.29, n.1/2, p Silva, I. J. O. D. Desenvolvimento de Sonda Gama para Cirurgia Radioguiada. Departamento de Engenharia Nuclear, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Silva, M. R. D. S. Desenvolvimento de um Densímetro Nuclear por Difusão Compton utilizando um Guia Líquido de Luz. Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Speller, R. D., G. J. Royle, et al. Instrumentation and techniques in bone density measurement. J. Phys. E: Sci. Instrum., v.22, n.4, p Stalp, J. T. e R. B. Mazess. Determination of bone density by coherent-Compton scattering. Med Phys, v.7, n.6, p Tartari, A., C. Baraldi, et al. Compton scattering profile for in vivo XRF techniques. Phys Med. Biol., v.36, n.5, p Tauhata, L., I. P. A. Salati, et al. Radioproteção e Dosimetria: fundamentos: IRD - CNEN Teixeira, S. A. Medida da Umidade de Solos usando um cristal de LiI(Eu) Acoplado a um Guia Liquido de Luz. PCTN, UFMG, Belo Horizonte, 2005.

50 Rodrigo Penna 50 LITERATURA CONSULTADA – 4 Waterbuy, R. D., W. Yao, et al. Long Pathlength absorbance spectroscopy: trace analysis of Fr(II) using a 4.5m liquid core waveguide. Analytica chimica acta, v.357, p Winistorfer, P. M. e W. W. M. Jr. Measuring the Vertical Density Profile In-situ During Pressing. November 1994, p Winistorfer, P. M. e W. W. Moschler. Dynamics of Mat Consolidation During Pressing: What We've Learned With Our In-press Radiation System for Pressing Wood Composites. SPIE Proceedings Series "Nondestructive Evaluation of Materials and Composites". December 1996, p. Zobel, B. J. e J. B. Jett. Genetics of Wood Production. Berlin, Heidelberg, New York, p. Zobel, B. J. e J. Talbert. Applied Forest Tree Improvement. New York. USA: John Wiley & Sons. 1984


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