Sonda nuclear para medida da densidade da madeira por espalhamento Compton 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

Professor Rodrigo Penna Sítio na internet: www.fisicanovestibular.com.br Blog: www.quantizado.blogspot.com Link para currículo no Sistema Lattes: http://lattes.cnpq.br/6150368513460565 EMAILs professorrodrigopenna@yahoo.com.br penna@nuclear.ufmg.br

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). Rodrigo Penna

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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 241Am, de energia 60 keV, que possibilita uma blindagem mais compacta em relação ao 137Cs, por exemplo. Objetivo do trabalho: construir este densímetro. Rodrigo Penna

TRADICIONAL Rodrigo Penna 2 – Atravessa a madeira. 1 - Radiação incidente. 4 – O detector faz a leitura e transforma a medida de radiação em medida de densidade. 3 – Atenuação devido à interação com a matéria. Rodrigo Penna

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). Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – 3 Medida de densidade da madeira por transmissão é antiga: Loss, 1961; Reichardt e Ferreira, 1966. 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). Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

Trabalho de Marinho Rodrigo Penna

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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 Rodrigo Penna

Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘ EFEITO FOTOELÉTRICO (Tauhata, Salati et al., 2003) Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘

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

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

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

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). Rodrigo Penna

Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘ FUNCIONAMENTO Teflon AF Luz Líquido Condições de funcionamento: Meio interno mais refringente;  maior que o ângulo limite. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘

GUIA DO EXPERIMENTO Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

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 Rodrigo Penna

Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘ 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 www.fisicanovestibular.com.br ‘

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. Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

CINTILADORES UTILIZADOS Neste trabalho, além do NaI(Tl) utilizou-se cintiladores plásticos do tipo NE-102A. Composição: PoliVinilTolueno, densidade igual a 1,032 g/cm3 e deterioração a 70 oC. Tempo de decaimento: 2 ns, adequado às taxas de contagens do experimento, inferiores a 3.000 cps. As peças precisaram ser cortadas e polidas para a sua utilização. Rodrigo Penna

FOTOS DOS CINTILADORES Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘

FUNCIONAMENTO DO CINTILADOR Fótons Luz Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘

MADEIRAS PARA A SONDA Rodrigo Penna

MEDIDA COM FONTE EXTERNA Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘

REPRESENTAÇÃO Rodrigo Penna Fótons originários da fonte de 241Am. Fótons oriundos das interações. C i n t l a d o r Madeira Plástico Fonte Pb Rodrigo Penna

MEDIDA COM A SONDA Rodrigo Penna

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

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. Rodrigo Penna

Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘ RESULTADOS Medida da densidade pela relação massa/volume da madeira: Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br ‘

MEDIDA COM DETECTOR E FONTE EXTERNOS Rodrigo Penna

CURVA DE CALIBRAÇÃO Coeficiente de correlação: 0,989. D = ( 1,40 .10 – 5  8.10 – 7 ) . C + ( – 0,19  0,06 ) Rodrigo Penna

MEDIDA COM A SONDA Rodrigo Penna

CURVA DE CALIBRAÇÃO Coeficiente de correlação: 0,99. D = ( 1,28.10 – 5  5.10 – 7 ) . C + ( – 0,28  0,05 ) Rodrigo Penna

COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

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. Rodrigo Penna

LITERATURA CONSULTADA – 1 Abnt, A. B. D. N. T.-. NBR 11941 - Wood - Determination of basic density: ABNT–Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 11941 2003. 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.8992-8998. 1997. ______. Raman Performance Characteristics of Teflon AF 2400 Liquid-Core Optical-Fiber Sample Cells. Applied Spectroscopy, v.53, n.10, p.1169-1176. 1999. 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 1950. 1950. Beling, J. K., J. O. Newton, et al. The Decay of Am241. Atomic Energy Research Stablishment. Harewell, Berkshire, England, 1952. p. Bowyer, J. L. e R. L. Smith. The Nature of Wood and Wood Products. U. O. M. F. P. M. D. Institute 1998. Bushberg, J. T., J. A. Seibert, et al. The Essential Physics of Medical Imaging. Philadelphia, PA - USA: Lippincott Williams & Wilkins. 2002 Coutinho, A. R. e E. S. B. Ferraz. Determinação da densidade do carvão vegetal por atenuação da radiação gama. IPEF. 39: 17-20 p. 1988. Cown, D. e B. Clement. A wood densitometer using direct scanning with x-rays. Wood Science and Technology. 17: 91-99 p. 1983. 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.3167-2171. 1997. Ferraz, E. S. D. B. Determinação da densidade de madeiras por atenuação de radiação gama de baixa energia. Boletim IPEF. 12: 61-68 p. 1976. Ferreira, C. A. e E. S. B. Ferraz. Relatório de pesquisas apresentado à Comissão Nacional de Energia Nuclear. Esalq-Usp 1969. Rodrigo Penna

LITERATURA CONSULTADA – 2 Fo, 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.69-73. 1985. 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.321-326. 1985. Haygreen, G. J. e J. L. Bowyer. Forest products and wood science: an introduction: Ames: Iowa State University Press. 1996. Specific gravity. Chapter 9 p. Knoll, G. F. Radiation detection and measurement: John Wiley & Sons. 1989. 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.145-149. 1961. 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.225-230. 2000. 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: 11718-774 p. 1996. 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. Rodrigo Penna

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: 47-57 p. 2003. Rebourgeard, P., F. Rondeaux, et al. Fabrication and Measurements of Plastic Scintillating Fibers. Nuclear Instruments & Methods v.427, n.3, p.543-567. 1999. Reichardt, K. e C. A. Ferreira. Relatório de pesquisas apresentado à Comissão Nacional de Energia Nuclear. Esalq-Usp 1966. 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.67-84. 1999. Silva, I. J. O. D. Desenvolvimento de Sonda Gama para Cirurgia Radioguiada. Departamento de Engenharia Nuclear, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2005. 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, 2004. 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.202-214. 1989. Stalp, J. T. e R. B. Mazess. Determination of bone density by coherent-Compton scattering. Med Phys, v.7, n.6, p.723-726. 1980. Tartari, A., C. Baraldi, et al. Compton scattering profile for in vivo XRF techniques. Phys Med. Biol., v.36, n.5, p.567-578. 1991. Tauhata, L., I. P. A. Salati, et al. Radioproteção e Dosimetria: fundamentos: IRD - CNEN. 2003 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. Rodrigo Penna

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.99-102. 1997. Winistorfer, P. M. e W. W. M. Jr. Measuring the Vertical Density Profile In-situ During Pressing. November 1994, p.25. 1994. 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, 1996. 324-334 p. Www.Rofin.Com . Zobel, B. J. e J. B. Jett. Genetics of Wood Production. Berlin, Heidelberg, New York, 1985. 337 p. Zobel, B. J. e J. Talbert. Applied Forest Tree Improvement. New York. USA: John Wiley & Sons. 1984 Rodrigo Penna