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Determinação da densidade do solo: métodos convencionais, por atenuação e retroespalhamento de raios gama Osny Bacchi CENA/USP 04/05/2006.

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1 Determinação da densidade do solo: métodos convencionais, por atenuação e retroespalhamento de raios gama Osny Bacchi CENA/USP 04/05/2006

2 Literatura Recomendada : Klute, A Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods,2nd Edition. American Society of Agronomy, Inc.& Soil Science Society of America, Inc., Madison Wisconsin.USA. Agronomy Series, Number 9, 1188p. Baver,L.D.; Gardner,W.H. & Gardner, W.R Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 498p. Buckman, H.O. & Brady, N.N Natureza e Propriedades dos Solos. Livraria Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 594p. Libardi, P.L Dinâmica da água no solo. Piracicaba, SP., ESALQ/USP, Depto. Física e Meteorologia, 1 a Ed.,497p. Reichardt, K A água em sistemas agrícolas. Piracicaba, SP. Editora Manole Ltda., 188p. Reichardt, K Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba, SP., ESALQ/USP., Depto. Física e Meteorologia, 505p. Reichardt, K. Uso da radiação gama na determinação da umidade e densidade do solo. Piracicaba: Tese (Doutoramento). Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz. Bacchi, O.O.S.; Reichardt, K. Neutron and gamma probes:Their use in agronomy. FAO/IAEA Training courses series ( no prelo) CHASE, G.D. and RABINOWITZ, J.L. (1967). Principles of radioisotope methodology. Third edition. Burgess Publishing Company, Minneapolis, USA. Crestana, S., Mascarenhas, S, Pozzi-Mucelli, R.S Using a computed miniscanner in soil science. Soil Science, v.142, p Ferraz, E.S.B., Mansell, R.S Determining water content and bulk density of soil by gamma ray attenuation methods. Florida: IFAS, (Technical Bulletin, 807) GUZMÁN J., M.E. (1989). Nucleónica básica. Segunda edición. Centro de Documentación e Información Nuclear del Instituto de Asuntos Nucleares, Colombia. IAEA. (1967). Isotope and radiation techniques in soil physics and irrigation studies. Vienna. Austria IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training Course Series Nº 2. Vienna, Austria. IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training Course Series Nº 2. Vienna, Austria.

3 Determinação da densidade do solo: métodos convencionais, por atenuação e retroespalhamento de raios gama m p = massa de partículas V s = volume de solo V p = volume de partículas V v = volume de poros ou vazios Aplicações: Conversão da umidade a base de massa U em umidade volumétrica Estimativa da porosidade do solo conhecida a densidade de partículas Estimativa da massa de um grande volume de solo (no campo) Avaliação do estado de compactação do solo Métodos convencionais de medida da densidade 1) Anel (ou cilindro) volumétrico: vários sistemas de amostragem (preservação da estrutura natural do solo) V s = volume interno do anel (ou cilindro) amostrador Secagem em estufa a 105 o C até massa constante m p = massa de partículas Condições ótimas de amostragem: umidade adequada * verificar o nível interno e externo do solo após introdução do amostrador (compactação) - estrutura do solo

4 2) Método da escavação: Retirada de um volume de solo por escavação Secagem e pesagem do volume de solo extraído Preenchimento da cavidade aberta com material (areia) cuja densidade é conhecida, ou com água contida dentro de um balão de borracha que se amolde à cavidade 3) Método dos torrões: Retirada de torrões Pesagem do torrão seco ao ar = massa de solo úmido (m su ) Impermeabilização com parafina ou outro material Pesagem do torrão impermeabilizado: M 1 = (m su + m i ) Pesagem do torrão impermeabilizado mergulhado em água M 2 = (m su + m i ) - m ad (m su + m i ) - V ad (m su + m i ) - (V s +V i ) Diferença de peso: M 1 - M 2 = (V s +V i ) = volume do torrão parafinado Determinação da massa e volume do material impermeabilizante m i = M 1 - m su V i = m i / i Determinação do volume de solo: V s = (M 1 - M 2 )-(M 1 - m su )/ i Levar amostra do torrão para secagem em estufa até massa constante Calcular a umidade U da amostra e a massa de água contida no torrão Determinar a massa seca do torrão m p

5 Método por atenuação de feixe de raios gama 1) Radiação gama: onda eletromagnética produzida pelos núcleos excitados dos átomos após uma reação nuclear = emissão de energia para atingir um nível de energia mínimo mais estável. Luz vizível =10 4 A E = 0,00124 keV =1,24eV Radiação gama =10 -2 A E = 1240 keV =1,24Mev 1eV= 1, j = 1, erg

6 2) Principais interações dos raios gama com a matéria: Fóton incidente Átomo Fotoelétron A) Efeito fotoelétrico ou absorção fotoelétrica (gamas de baixa energia e alto número atômico Z do alvo) B) Efeito Çompton ou espalhamento Compton (gamas de energias mais altas) Fóton incidente Átomo Fóton espalhado Elétron de recuo Quando 180 o Backscattering (retroespalhamento) = máxima energia transferida ao elétron

7 C) Produção de par (gamas de energias E 1,02 MeV) (fóton é absorvido pelo núcleo e produz um par de elétrons ) Ráio gama de aniquilação e-e- e + +e - Aniquilação Ráio gama de aniquilação E=h.m o c 2 =1,02MeV 0,51Mev

8 Sistema de feixe colimado de raios gama e tomógrafo computadorizado de raios gama Computador Fonte Detetor NaI(Tl) Pré-amplificador Fonte de alimentação Amplificador e analisador Contador Temporizador Amostra Descrição de cada componente: colimação sistema de detecção fotomultiplicadora analisador de pulsos e espectro Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo T 1/2 = 458 anos T 1/2 = 30 anos

9 voltagem Intensidade (cps) Espectro do 137 Cs ganho =100x E 662Kev voltagem Intensidade (cps) Espectro do 241 Am ganho=800x E 60Kev Espectrometria gama

10 3) Atenuação de um feixe colimado de raios gama pelo solo: (Lei de Lambert-Beer) x IoIo I I oo IoIo

11 Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um solo úmido tem-se: Como os coeficientes de atenuação ( dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241 Am e 137 Cs, por exemplo, tem-se: Para solo seco: Determinação da densidade d s Conhecidos d s, p, w e X : Determinação de

12 Resolvendo o sistema para d s e tem-se: Determinação simultânea da umidade volumétrica e densidade do solo

13 Espessura ótima da amostra a) Diferença mínima detectável de densidade para cada energia: b) Espessura ótima de solo para cada energia: (Ferraz e Mansell, 1979) (método gravimétrico) (Ferraz e Mansell, 1979)

14 Determinação da densidade de torrões com formas irregulares X IoI x x = ? Método dos dois meios torrões secos em estufa IooIo X I1I1 x X Meio 1 = ar X (1) (2) Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo: Recipiente vazio IoI2I2 x Meio auxiliar (m)

15 (3) Da equação (1) tem-se que: (4) De (3) e (4) tem-se: Conhecidos: m, m, p X( interno do recipiente)

16 Tomógrafo de raios gama Computador Sistema movimentador da amostra com rotação e translação IoIo I (I o = atenuação nula) IoIo IoIo Atenuações proporcionais às diferentes densidades

17 Princípio da geração da imagem tomográfica pixel I I o =100 voxel

18 Exemplos de imagens tomográficas (tomógrafo do CENA/USP)

19 Sondas gama - Transmissão e retroespalhamento (fonte e detetor separados) Detetor gama Fonte gama Feixe não colimado: detetor recebe raios transmitidos e espalhados Geometria muda com a profundidade Calibração empírica para cada profundidade de medida. Feixe não colimado: detetor recebe raios transmitidos e espalhados Geometria única para todas profund. Densidade do solo úmido

20 Contagem padrão de densidade: 37426; data: 23/09/96 Data de calibração: 23/09/96 Contagens em:Parâmetros da Equação Prof.1,717 g/cm 3 2,14 g/cm 3 2,632 g/cm 3 ABC ,056621, , , ,874821, , , ,424081,2347-0, , ,980361, , , ,982280, , , ,696990,839820, , ,388960,71770, , ,475060,648570, , ,446280,602770, , ,570110,545580, , ,972850,526030,06478

21 Número de fótons retroespalhados Densidade do material Faixa útil Detetor recebe somente raios retroespalhados Calibração empirica com materiais de densidades conhecidas 1) Sondas gama de superfície (fonte e detetor separados) Sondas gama - por retroespalhamento Densidade do solo úmido

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23 Correção da densidade para solo seco

24 2) Sondas gama de profundidade (fonte e detetor juntos) tubo de acesso detetor gama fonte gama sistema eletrônico de contagem nível do solo blindagem Pode estar associada a uma sonda de nêutrons para avaliação da umidade e correção da densidade para solo seco sonda nêutrons/gama

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