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Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010 MEDIDA DA RADIAÇÃO X, GAMA E NÊUTRONS TÉRMICOS NA INTERFACE SOLO-AR Douglas de Castro Rodrigues Sousa Universidade de Taubaté – UNITAU - Rua Expedicionário Ernesto Pereira, 99 – Centro – Taubaté/SP Bolsista PIBIC-CNPq [email protected] Inacio Malmonge Martin Instituto Tecnológico e Aeronáutico – ITA – Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – São José dos Campos/SP; Universidade de Taubaté – UNITAU, Taubaté, SP. [email protected] Resumo. O objetivo principal deste projeto foi a observação da radiação X e radiação gama entre 50 KeV e 10 MeV e nêutrons térmicos de 0,100 eV a 10 MeV, no período compreendido entre agosto de 2009 a julho de 2010, no campus do ITA em São José dos Campos, SP. Para isso foram utilizados três detectores – Detector Gama-Scout (Geiger), Nêutrons e Gama - além de eletrônica associada, que funcionaram como conjunto portátil, permitindo a obtenção e leitura de tais medições em condições ambientais diferentes. Foram realizadas medições diárias, em intervalos de tempo pré-estabelecidos, da radiação ionizante presente no ar em dias chuvosos, ensolarados e nublados. A calibração dos detectores com respeito a faixas de energia e ao fluxo medido, foi realizada no laboratório ENU do IEAv do CTA( Dr. Odair e Ms. Claudio). O monitoramento dessas radiações ionizantes no período de um ano serviu para determinação do ruído de fundo (background) dessas radiações na região. Nos períodos de chuvas intensas e de relâmpagos foi detectado uma variação nas medidas dos raios gama e nêutrons térmicos. Palavras chave: Raios X. Raios Gama. Nêutrons Térmicos. Detectores. Relâmpagos. 1. Introdução A radiação X e gama próximo ao solo são produzidas pelas interações secundárias da radiação cósmica na superfície e na baixa atmosfera da Terra. No solo existem os radionuclideos como tório, potássio e urânio que emitem raios X e gama em energias específicas bem conhecidas. Essa radiação chamada telúrica é bem variável em função do local de medidas. Em épocas de chuvas intensas e relâmpagos estes produzem radiação X e gama por efeito de frenamento de elétrons e prótons acelerados por enormes campos elétricos formados no plasma do relâmpago. Esses raios gama por interação foto nuclear podem produzir nêutrons térmicos com uma intensidade de até 10 15 nêutrons/relâmpago (Babich et al 2009). Embora seja bastante difícil medir essas radiações (raios X, gama e nêutrons) durante relâmpagos, na região de São José dos Campos, essa probabilidade é maior. A incidência de relâmpagos no Vale do Paraíba é monitorada diariamente por uma rede mundial onde o INPE é responsável no Brasil. Os nêutrons produzidos em relâmpagos se comprovados experimentalmente, podem ser uma fonte mais importante que até agora prevista de partículas carregadas que povoam os cinturões interno de radiação da Terra (magnetosfera). Radiações ionizante, por definição, são todas aquelas partículas e fótons com energia superior a 12,4 eV e que são capazes de ionizar átomos. Durante toda a vida, os seres humanos estão expostos diariamente aos efeitos das radiações ionizantes. Estas radiações podem ser de origem natural ou artificial. As fontes naturais representam cerca de 70% da exposição, sendo o restante, devido a fontes artificiais. Quanto à proteção radiológica, pouco se pode fazer para reduzir os efeitos das radiações de origem natural. No entanto, no que diz respeito às fontes artificiais, todo esforço deve ser direcionado a fim de controlar seus efeitos nocivos. É neste aspecto, que a proteção radiológica pode ter um papel importante. 2. Material e Método Com o auxilio de três computadores portáteis - Dell D620 – acopla-se três detectores - Detector Gama-Scout (Geiger), Nêutrons e Gama - com saída de dados através da porta serial e com softwares específicos, iniciamos as medidas a partir de agosto de 2009. Estes aparelhos foram posicionados em locais expostos em dias ensolarados, chuvosos e nublados, realizando medidas em intervalo de tempo que pode ser escolhida, sempre na mesma escala. Os resultados assim obtidos foram analisados e armazenados num banco de dados, subdividindo em dias ensolarados, nublados e chuvosos. Os sensores que registram as radiações devem ser protegidos de Sol e chuvas diretas neles. Para isso utiliza-se uma sala num prédio ou uma pequena construção protetora isto no próprio campo aberto. É preciso sempre providenciar a energia necessária a alimentar os detectores e os laptops.
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Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010
MEDIDA DA RADIAÇÃO X, GAMA E NÊUTRONS TÉRMICOS NA INTERFACE SOLO-AR
Douglas de Castro Rodrigues Sousa Universidade de Taubaté – UNITAU - Rua Expedicionário Ernesto Pereira, 99 – Centro – Taubaté/SP Bolsista PIBIC-CNPq [email protected] Inacio Malmonge Martin Instituto Tecnológico e Aeronáutico – ITA – Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – São José dos Campos/SP; Universidade de Taubaté – UNITAU, Taubaté, SP. [email protected] Resumo. O objetivo principal deste projeto foi a observação da radiação X e radiação gama entre 50 KeV e 10 MeV e nêutrons térmicos de 0,100 eV a 10 MeV, no período compreendido entre agosto de 2009 a julho de 2010, no campus do ITA em São José dos Campos, SP. Para isso foram utilizados três detectores – Detector Gama-Scout (Geiger), Nêutrons e Gama - além de eletrônica associada, que funcionaram como conjunto portátil, permitindo a obtenção e leitura de tais medições em condições ambientais diferentes. Foram realizadas medições diárias, em intervalos de tempo pré-estabelecidos, da radiação ionizante presente no ar em dias chuvosos, ensolarados e nublados. A calibração dos detectores com respeito a faixas de energia e ao fluxo medido, foi realizada no laboratório ENU do IEAv do CTA( Dr. Odair e Ms. Claudio). O monitoramento dessas radiações ionizantes no período de um ano serviu para determinação do ruído de fundo (background) dessas radiações na região. Nos períodos de chuvas intensas e de relâmpagos foi detectado uma variação nas medidas dos raios gama e nêutrons térmicos.
Palavras chave: Raios X. Raios Gama. Nêutrons Térmicos. Detectores. Relâmpagos.
1. Introdução
A radiação X e gama próximo ao solo são produzidas pelas interações secundárias da radiação cósmica na
superfície e na baixa atmosfera da Terra. No solo existem os radionuclideos como tório, potássio e urânio que emitem raios X e gama em energias específicas bem conhecidas. Essa radiação chamada telúrica é bem variável em função do local de medidas. Em épocas de chuvas intensas e relâmpagos estes produzem radiação X e gama por efeito de frenamento de elétrons e prótons acelerados por enormes campos elétricos formados no plasma do relâmpago. Esses raios gama por interação foto nuclear podem produzir nêutrons térmicos com uma intensidade de até 10 15
nêutrons/relâmpago (Babich et al 2009). Embora seja bastante difícil medir essas radiações (raios X, gama e nêutrons) durante relâmpagos, na região de São José dos Campos, essa probabilidade é maior. A incidência de relâmpagos no Vale do Paraíba é monitorada diariamente por uma rede mundial onde o INPE é responsável no Brasil. Os nêutrons produzidos em relâmpagos se comprovados experimentalmente, podem ser uma fonte mais importante que até agora prevista de partículas carregadas que povoam os cinturões interno de radiação da Terra (magnetosfera).
Radiações ionizante, por definição, são todas aquelas partículas e fótons com energia superior a 12,4 eV e que são capazes de ionizar átomos. Durante toda a vida, os seres humanos estão expostos diariamente aos efeitos das radiações ionizantes. Estas radiações podem ser de origem natural ou artificial. As fontes naturais representam cerca de 70% da exposição, sendo o restante, devido a fontes artificiais. Quanto à proteção radiológica, pouco se pode fazer para reduzir os efeitos das radiações de origem natural. No entanto, no que diz respeito às fontes artificiais, todo esforço deve ser direcionado a fim de controlar seus efeitos nocivos. É neste aspecto, que a proteção radiológica pode ter um papel importante. 2. Material e Método
Com o auxilio de três computadores portáteis - Dell D620 – acopla-se três detectores - Detector Gama-Scout (Geiger), Nêutrons e Gama - com saída de dados através da porta serial e com softwares específicos, iniciamos as medidas a partir de agosto de 2009. Estes aparelhos foram posicionados em locais expostos em dias ensolarados, chuvosos e nublados, realizando medidas em intervalo de tempo que pode ser escolhida, sempre na mesma escala. Os resultados assim obtidos foram analisados e armazenados num banco de dados, subdividindo em dias ensolarados, nublados e chuvosos. Os sensores que registram as radiações devem ser protegidos de Sol e chuvas diretas neles. Para isso utiliza-se uma sala num prédio ou uma pequena construção protetora isto no próprio campo aberto. É preciso sempre providenciar a energia necessária a alimentar os detectores e os laptops.
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Figura 1 A imagem acima ilustra o funcionamento dos detectores (1. Gama e X; 2. Nêutrons térmicos; 3. Geiger – Gama-Scout), associados aos computadores Dell D620 (4) e (5) PMI.
As duas caixas brancas pequenas (5) chamada de PMI, ligados ao detector 1 e 2 fornecem a alta tensão e o circuito ADC (conversor analógico digital). Essa eletrônica foi desenvolvida pela AWARE ELECTRONICS, USA. 2.1. Detector Geiger (Gama-Scout) O detector Geiger (Gama-Scout) é de fabricação alemã com software de registros russo, possui uma bateria que funciona sem parar durante 10 anos; mede raios x, gama e partículas carregadas energia máxima 0.5 a 10 MeV, com maior eficiência com energia abaixo de 1 MeV ≈ 90%.
Figura 2. As duas imagens acima ilustram de forma mais detalhada o detetor Geiger (Gama-Scout)
O detector tem seu funcionamento baseado na criação de cascatas eletrônicas no interior de um gás, o qual preenche um capacitor cilíndrico(veja foto acima).
Um único fóton de raio-X ou gama pode gerar várias cascatas e a carga produzida através das ionizações das moléculas do gás é recolhida pelo campo elétrico no interior do capacitor cilíndrico formando um sinal elétrico. O campo elétrico que recolhe a carga é proporcional à tensão, VG, aplicada ao seu eletrodo central, onde b1 e b2 são dimensões (raio interno e externo do cilindro), do capacitor empregado. Então o campo elétrico numa distancia r do centro do cilindro, será:
Assim, o potencial VG deve ser ajustado de forma que toda a carga seja recolhida. Quando isso acontece diz-se que
o contador Geiger encontra-se em seu ponto de operação. O capacitor C tem a função de filtrar a componente DC do sinal gerado pelo contador enquanto o resistor R faz com que a maior parte do sinal elétrico seja fornecida ao contador que registra a chegada dos fótons ou partículas.
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Durante o tempo do processamento do sinal pelo contador Geiger a chegada de outros fótons ou partículas pode não ser registrada. Este tempo, aqui denominado τ, é chamado de tempo morto do detetor. Este tempo morto pode ser determinado variando-se a taxa com que os fótons de raio-X ou gama chegam ao detetor.
O número real de fótons que atinge o contador Geiger durante um determinado intervalo de tempo D T >D t é dado
por Nr = D T /D t. Se D t >> τ, o contador registrará cr = Nr / D T = 1 / D t fótons por unidade de tempo. Caso
contrário ele medirá um número inferior de fótons Nm =D T / (τ +D t) correspondendo à uma taxa de contagem cm =
Nm / D T contagens por unidade de tempo. Dessas relações pode-se escrever uma equação para a taxa de contagem real, cr, em função da taxa de contagem medida, cm, no contador Geiger.
Esta fórmula é usada para obter a contagem real partindo-se da contagem medida. 2.2. Detector de Nêutrons Térmicos
Nêutrons são partículas neutras do ponto de vista elétrico. Como eles interagem hadrônicamente com a matéria, eles são extremamente penetrantes. Para se detectar nêutrons tem-se que convertê-los em partículas carregadas (prótons). Essas partículas irão produzir sinais elétricos no interior do detector. Os nêutrons são produzidos em reações em aceleradores ou por fissão nuclear e outros processos físicos. Algumas fontes radioativas como o Am-Be e Cf-252 emitem nêutrons com energias características.
Alguns dos processos físicos que convertem nêutrons em partículas carregadas só funcionam em baixas energias. A reação mais usada é a de captura de nêutrons pelo gás He-3:
n + He3 = H3 + p + 764 keV A reação de captura acima converte um nêutron em um trítio e um próton onde a soma da energia dos dois é 764
keV. Para reduzir a energia dos nêutrons até nêutrons térmicos tem-se que aplicar um elemento moderador constituído de
bastantes prótons, como parafina, polietileno, grafite e plásticos. A moderação da energia se faz pelas colisões de nêutrons com esses materiais através de transferência de energia por colisões múltiplas. Após varias interações com materiais como água, polietileno, parafina, grafite esses nêutrons incidentes de energias altas15 MeV, são termalizados a energias inferiores à 1.0 MeV. Com isso usa-se a reação de captura para medi-los.
2.3. Detector de Raios X e Gama com cristal de NaI(TI)
A medida de raios X e Gama baseiam-se nos efeitos fotoelétricos, efeito Compton e produção de pares. Em geral o
fóton chega num cristal cintilador como Iodeto de Sódio ativado a Tálio e produz elétrons que em movimento no cristal produz luz que será detectado por uma fotomultiplicadora. Através de fontes radioativas como o Cobalto-60 e o Césio-137 e outras, com linhas de emissão conhecidas, pode-se construir um analisador de pulso e observar o espectro em energia da radiação medida.
Em geral utiliza-se um detector de NaI(Tl) para medir a radiação X e Gama desde 30 KeV até 10 MeV. Neste experimento calibramos o detector para as energias dessa radiação, no intervalo de 50 KeV até 10 MeV.
Deve-se lembrar que estes detectores recebem e medem sempre fótons vindos de todas as direções, isto é, são detectores omnidirecionais.
3. Resultados Obtidos
Nos gráficos abaixo se mostra os resultados obtidos através das medidas realizadas com os detectores colocados no campus do ITA (IEF) e na região de São José dos Campos, entre o período de agosto de 2009 a julho de 2010.
Através destes gráficos, podemos notar que no período de setembro de 2009 até o fim de abril de 2010, com dias mais chuvosos e umidade do ar alta, ocorreu um aumento das contagens dos três detectores. Porém, entre o período de maio a julho de 2010, com dias mais ensolarados e umidade do ar baixa, ocorreu uma diminuição de contagens. Isso nos mostra que as chuvas e tempestades trazem com elas radiações ionizantes.
Uma grande quantidade de medidas ainda está em execução para assim melhorarmos nossos estudos e posteriormente divulgar em relatórios os níveis de radiação ionizante na região de São José dos Campos/SP.
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Figura 3. Medida de Raios Gama natural observado no campus do ITA
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Figura 4. Medida de Raios Gama no campus do ITA em dias chuvosos.
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Figura 5. Medida de Nêutrons Térmicos com tubo grande g1 – Tempo seco e umidade relativa do ar ≈ 30%
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Figura 6. Medida de Nêutrons Térmicos com variação moderada no campus do ITA
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Figura 7. Comparação de medidas de Raios Gama com Nêutrons no campus do ITA
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Figura 8. Curva típica de medidas da radiação integrada com Geiger dose (microSievert/hora)
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Figura 9. Curva típica de medidas da radiação integrada com Geiger (Gama-Scout) por hora
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Figura 10 – Medidas de raios X e particulas carregadas (Geiger) em São Jo´se dos Campos e Caraguatatuba, e dentroa da viatura na ida e na volta. 4. Conclusões
No período de agosto de 2009 a julho de 2010 foi elaborado um banco de dados constituído de medidas da radiação ionizante na região de São José dos Campos e Caraguatatuba, SP. As medidas foram separadas conforme o clima (ensolarado chuvoso e nublado). Não foram computadas todas as medidas no período, pois são muitas.
Com base nestas medidas foram elaborados gráficos diários onde podemos notar que no período de setembro a abril as contagens são maiores e mais instáveis. No entanto, nos meses compreendidos entre maio e julho as doses de contagens foram menores e mais estáveis. Este fato ainda está sendo trabalhado com maior numero de dados.
Com a presença de chuvas mais freqüentes a média das contagens é aumentada, mostrando-nos que a radiação ionizante em baixa energia é muito dependente da pressão e da umidade do ar no local. Em tempo chuvoso com a presença de relâmpagos foi observado um pulso de nêutrons, 694 n/m, isto no dia 09 de janeiro de 2009. Este resultado muito importante foi publicado em 2010 no Journal Geophysical Research, JGR, dói 10.1029/2009JA014498. 5. Agradecimentos
Agradeço a Deus, a minha namorada Suelen que muito me ajudou em todos os momentos, a minha família que sempre me apoiou. Agradeço ao Prof. Dr. Inácio Malmonge Martin, pois foi quem me orientou desde inicio de minha faculdade, acreditando em meu potencial e me guiando em todos meus estudos de uma forma incomparável.
Agradeço também ao ITA/CTA e a UNITAU, pelo apoio as pesquisas e ao CNPq que tanto nos ajuda. E que nossos estudos possam ser usados para algo que seja do benefício de todos. 6. Referências
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No.15, p. 2215-2221, 1974 L P Babich; A Y kudryavtsev; I M Kutsyk (Russian Federal Nuclear Center - VNIIEF, Mir av., 37, Sarov, 607188,
RF; ph. + 7-83130-65092; fax +7-83130-45738; [email protected]; [email protected]; Chapman Conference, agu chapman conference on the effects of thunderstorms and lightning in the upper atmosphere,penn State University State College, PA, USA,10-14May 2009.
Dwyer J. R., H.K. Rassoul, M. Al-Dayeh, L Caraway, B Wright, a. Chrest, M.A. Uman, V.A. Rakov, K.J. Rambo, D.M. Jordan, J. Jerauld, and Smyth, A ground level gamma-ray burst observed with rocket-triggered lightning, Geophysical Research Letters, v. 31, L05119, doi:10.1029/2003GL018771 - 2004
Gamma Scout Detector, http://www.gammascout.com/ - 26/052008 Geiger-Müiler, http;//www.blackcatssystem.com/fdsf/ - 26/05/2008.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,
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Martin, I. M., Dissertação de Tese de doutorado de Especialidade, Medidas de raios gamma e neutrons rapidos de 1-20 MeV, na baixa atmosfera na latitude de 12O S.Universidade de Toulouse, 1970, França.
Martin, I. M., Dissertação de Tese de Mestrado, Medidas de raios X na baixa atmosfera na região da anomalia magnética brasileira, ITA/CTA, 1968.
Martin, I. M., N. A. Buivan and A Turtelli Jr; Measurements of natural radioactivity at different atmospheric depths, Revista Geofísica, n.28, pag. 179-191, janeiro-junho 1988, México.
Moradei, R. L., Martin, I.M., Medidas e estudos da radiação ionizante durante tempestades intensas. Relatório técnico de bolsista IC, Departamento de Engenharia de Telecomunições/UNITAU – 2006
Pedrosa, A.C., Programa de radioproteção e dosimetria “ Radioproteção em serviço da saúde”, Escola nacional de saúde pública/FIOCRUZ – 2003.
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