Sonda nuclear para medida da densidade
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Sonda nuclear para medida da densidade da madeira por espalhamento Compton. P rograma de Pós-Graduação em C iências e T écnicas N ucleares ÁREA : Aplicações das Radiações, Radioproteção e Instrumentação Nuclear Orientador : Clemente José Gusmão Carneiro da Silva Aluno : Rodrigo Penna.

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P rograma de Pós-Graduação em C iências e T écnicas N ucleares

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Presentation Transcript


P rograma de p s gradua o em c i ncias e t cnicas n ucleares

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

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

[email protected]

[email protected]


Introdu o 1

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


V m paraopeba mg

V&M – Paraopeba/MG

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Introdu o 2

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

TRADICIONAL

3 – Atenuação devido

à interação com a

matéria.

2 – Atravessa a madeira.

1 - Radiação incidente.

4 – O detector

faz a leitura

e transforma

a medida

de radiação

em medida

de densidade.

Rodrigo Penna


Revis o bibliogr fica 1

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


Revis o bibliogr fica 2

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


M todo da imers o

Método da Imersão

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Revis o bibliogr fica 3

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


Revis o bibliogr fica 4

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

Trabalho de Marinho

Rodrigo Penna


Trabalho de s rgio

Trabalho de Sérgio

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Fundamentos te ricos 1

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


    Efeito fotoel trico

    EFEITO FOTOELÉTRICO

    (Tauhata, Salati et al., 2003)

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    Efeito compton

    EFEITO COMPTON

    (Tauhata, Salati et al., 2003)

    Rodrigo Penna


    Efeito compton coerente

    EFEITO COMPTON COERENTE

    (Bushberg, Seibert et al., 2002)

    Rodrigo Penna


    Forma o de pares

    FORMAÇÃO DE PARES

    (Tauhata, Salati et al., 2003)

    Rodrigo Penna


    Guia l quido

    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


    Funcionamento

    FUNCIONAMENTO

    Teflon AF

    Luz

    Líquido

    • Condições de funcionamento:

    • Meio interno mais refringente;

    •  maior que o ângulo limite.

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    Guia do experimento

    GUIA DO EXPERIMENTO

    Rodrigo Penna


    Fontes utilizadas

    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 amer cio

    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


    Esquema das fontes

    ESQUEMA DAS FONTES

    Fonte Interna

    518 MBq

    (14 mCi)

    3 mm externo

    2 mm ativo

    Fonte Externa

    7400 MBq

    (200 mCi)

    7 mm externo

    5 mm ativo

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    Fonte secund ria

    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


    Representa o da fonte secund ria

    REPRESENTAÇÃO DA FONTESECUNDÁRIA

    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

    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

    FOTOS DOS CINTILADORES

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    Funcionamento do cintilador

    FUNCIONAMENTO DO CINTILADOR

    Fótons

    Luz

    Rodrigo Penna


    Madeiras utilizadas

    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


    Prepara o das amostras

    PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS

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    Madeiras para a sonda

    MADEIRAS PARA A SONDA

    Rodrigo Penna


    Medida com fonte externa

    MEDIDA COM FONTE EXTERNA

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    Representa o

    REPRESENTAÇÃO

    Fótons originários

    da fonte de 241Am.

    Fótons oriundos

    das interações.

    C

    i

    n

    t

    i

    l

    a

    d

    o

    r

    Madeira

    Plástico

    Fonte

    Pb

    Rodrigo Penna


    Medida com a sonda

    MEDIDA COM A SONDA

    Rodrigo Penna


    Funcionamento da sonda

    FUNCIONAMENTO DA SONDA

    Fótons originários

    da fonte de 241Am.

    Guia líquido

    Fótons oriundos

    das interações.

    Fonte

    Madeira

    Rodrigo Penna


    Simula o no mcnp 4c

    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


    Resultados

    RESULTADOS

    • Medida da densidade pela relação massa/volume da madeira:

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    Medida com detector e fonte externos

    MEDIDA COM DETECTOR E FONTE EXTERNOS

    Rodrigo Penna


    Curva de calibra o

    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 sonda1

    MEDIDA COM A SONDA

    Rodrigo Penna


    Curva de calibra o1

    CURVA DE CALIBRAÇÃO

    • Coeficiente de correlação: 0,99.

    D = ( 1,28.10 – 5 5.10 – 7 ) . C + ( – 0,28  0,05 )

    Rodrigo Penna


    Compara o entre os m todos

    COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS

    Rodrigo Penna


    Programa es do monte carlo

    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


    Conclus es

    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

    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

    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

    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.

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    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.

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    ______. 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

    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

    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


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