DESENVOLVIMENTO DE UM DENSÍMETRO NUCLEAR POR DIFUSÃO COMPTON UTILIZANDO UM GUIA LÍQUIDO DE LUZ RESUMO

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1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, razil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO RASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - AEN ISN: DESENVOLVIMENTO DE UM DENSÍMETRO NUCLEAR POR DIFUSÃO COMPTON UTILIZANDO UM GUIA LÍQUIDO DE LUZ Mario Roberto e S. Silva 1, Clemente J. G. Carneiro a Silva 1 e Arno H. e Oliveira 1 1 Departamento e Engenharia Nuclear- Escola e Engenharia Universiae Feeral e Minas Gerais Av. Antonio Carlos, 6627-Pampulha- elo Horizonte- MG CEP Fone: mario@nuclear.ufmg.br, clemente@nuclear.ufmg.br, heeren@nuclear.ufmg.br RESUMO Um ensímetro nuclear baseao na ifusão Compton foi esenvolvio para meir a ensiae o solo em várias profuniaes. A etecção os fótons espalhaos no solo foi feita usano ois tipos e cintilaores. O ensímetro é constituío e três componentes: o etector a raiação gamma espalhaa, o guia líquio e luz e o tubo fotomultiplicaor (PMT). A ênfase maior foi aa ao sistema a etecção e fótons espalhaos. Ele é composto e uma fonte e 137 Cs, uma blinagem e chumbo e um cintilaor. A blinagem e chumbo é necessária para reuzir a raiação a fonte 137 Cs que atinge iretamente o cintilaor. Como o cristal e LiI(Eu) é altamente higroscópico, ele foi acoplao ao guia e luz antes e ser encapsulao no interior e um tubo e alumínio. Um cintilaor orgânico foi também usao para meir a raiação gamma ispersaa. Esse cintilaor tem uma importante vantagem quano comparao ao cristal e LiI(Eu). Ele poe ser facilmente usinao em qualquer iâmetro e comprimento. O seguno componente o ensímetro é o guia líquio a luz. Esse guia é um tubo e Teflon AF preenchio e água. O Teflon AF tem um ínice e refração e 1,29 enquanto esse ínice para a água é e 1,33. Em conseqüência, os fótons e luz são transmitios no guia e água por reflexão total. Assim, os pulsos e luz prouzios no cintilaor, transmitios através o guia e água, alcançam o catoo fotoemissivo e PMT sem peras. Esse catoo emite elétrons evio ao efeito fotoelétrico. A quantiae e elétrons é amplificaa nos inoos o PMT, coletaa no ânoo e enviaa ao sistema e aquisição e aos. O guia líquio e luz poe ar uma contribuição importante para melhorar o esempenho os ensímetros convencionais. Uma curva e calibração o ensímetro esenvolvio nesse trabalho foi eterminaa usano um conjunto e amostras e um solo arenoso, construío no laboratório, com ensiae variano e 0,7 g/cm3 até 1,6 g/cm3. 1. INTRODUÇÃO As sonas nucleares baseaas na ifusão Compton, para meir ensiae e solos foram introuzias pale primeira vez no final a écaa e 1940 [1]. Estas sonas têm os seus circuitos e alta-tensão e e pré-amplificação encapsulaos em um cilinro e aço inoxiável juntamente com a fonte raioativa. Estes circuitos estão sujeitos a freqüentes choques mecânicos quano introuzios no interior os tubos e acesso poeno assim prouzir ruíos eletrônicos. Além isso, os cabos que transportam os pulsos elétricos são também fontes e ruíos evios às interferências eletromagnéticas. Recentemente, surgiu no mercao uma resina fabricaa pela DUPONT [2], conhecia como Teflon AF 2400, cujo coeficiente e refração é e 1,29. A partir esta resina são fabricaos tubos e vários iâmetros e comprimentos. Este tubo preenchio com um líquio transparente é chamao e liqui core optical fiber (LCOF) [3,4]. Quano ele é acoplao a um cintilaor plático poe ser usao como um guia líquio e luz para transportar os fótons

2 prouzio no cintilaor para o fotocatoo o tubo fotomultiplicaor. A quantiae e elétrons coletaa no anoo este tubo prouz um pulso elétrico que é amplificao e enviao a uma placa e aquisição e aos. Este guia funciona, assim, como uma estensão o cintilaor. O objetivo este trabalho é construir um novo ensímetro baseao na ifusão Compton utilizano um cintilaor plástico acoplao a um guia líquio e luz, eixano essa maneira toos os circuitos eletrônicos na superfície o solo. 2. MATERIAL E METODOS Na construção a sona para meir ensiae e meio poroso foi utiliza uma fonte e 137 Cs com ativiae e 5mCi, esta escolha epene a isponibiliae a fonte, e eve atener as conições necessárias para proteger o operaor. A ativiae as fontes os ensímetros comerciais chegam a 7 mci. Os fótons emitios pela fonte e 137 Cs interagem com o meio poroso e prouzem fótons secunários em caa volume elementar esse meio. Estes fótons secunários poem e maneira similar prouzir fótons terciários, que por sua prouzem fótons quartenários e assim por iante. A intensiae esta fonte poe ser consieraa como seno o somatório as fontes situaas em volumes elementares o meio poroso. Poe-se observar que "a ativiae específica" e caa fonte elementar secunária, eve ser proporcional à intensiae os fótons incientes e iminui seguino uma lei exponencial. Assim a quantiae e fótons espalhaos que poe atingir o etector, iminui muito rapiamente quano a raiação penetra mais no material. É necessário observar que em caa ponto esta fonte secunária a emissão não é isotrópica. Com efeito, tanto a energia os fótons espalhaos bem como o número e fótons são funções o ângulo e espalhamento. Deve-se consierar que materiais que tenham uma fração significativa e elementos pesaos aumentam o efeito fotoelétrico, e em conseqüência reuz a intensiae a fonte secunaria. Para testar o funcionamento o ensímetro foi necessário a preparação e um meio poroso e ensiae variável. O solo utilizao no experimento foi peneirao para que toas as suas partículas tivessem iâmetros menores o 0,5 mm. Para simular variações e porosiae o solo, ele foi misturao a bolinhas e isopor com ensiae e 0,025 g.cm-3. Devio a sua baixa ensiae estas bolinhas foram consieraas como vazios. Isso permitiu a construção e corpos e prova e ensiaes e 0,7011g/cm3 até 1,6g/cm3. As equações a seguir mostram como foram simulaas as porções e vazios no solo. V V C S = S. (1) VC One S é a ensiae aparente o solo consierano as bolinhas e isopor como vazios. V C volume o cilinro; V volume e toas as bolinhas; S é a ensiae aparente o solo sem bolinhas. Consierano-se que as bolinhas são istribuías uniformemente no sistema o solo, poe-se escrever que: INAC 2005, Santos, SP, razil.

3 V = P. (2) One b é a ensiae méia as bolinhas e P é o peso e toas as bolinhas e isopor que se encontram uniformemente istribuías no interior o solo. Substituino V na equação [1], tem-se a relação entre S e P: S P = 1 S VC. (3) Para estuar o peso as bolinhas em função a ensiae aparente o solo (S), poe-se escrever a partir a equação [1]: P VC 1 = S S. (4) Os corpos e prova construíos apresentam ensiaes em g.cm-3 e 0,70; 0,88; 1,04; 1,24; 1,42; 1,60. A quantiae e fótons espalhaos que atingem o cintilaor plástico é uma função a ensiae e caa corpo e prova. O cintilaor é composto principalmente e PoliVinilTolueno, cuja ensiae é e 1,032g/cm3 e ínice e refração e 1,58. Os cintilaores plásticos têm uma boa eficiência e etecção, são e fácil manipulação, e e custo relativamente baixo [5]. No experimento o cintilaor foi torneao em forma e cilinro com iâmetro e 0.7mm e altura e 27mm, este passou por processos e polimentos minuciosos no qual ressaltamos as suas características e brilho e transparência. Durante estes processos são necessários cuiaos especiais para manter o cintilaor a uma temperatura abaixo e 70ºC para evitar que ele comece a perer as proprieaes estruturais. Esta parte é funamental para a obtenção e resultaos satisfatórios nas contagens após montagem o sistema. O ensímetro foi elaborao em ois móulos, o primeiro mostrao na Fig. 1, contem fonte, blinagem, espaçaores e nylon e cintilaor plástico encapsulaos num tubo e alumínio. A geometria foi bem estuaa a fim e maximizar a relação entre as contagens que sofrem ifusão no meio poroso e as contagens no ar variano-se a espessura a blinagem. As meias no ar foram realizaas posicionano-se o etector a 1,0 metro o chão, afixao por uma garra a um braço fixo. Depois e otimizar a istancia entre a fonte e etector (Fig. 1), foram realizaas contagens em um recipiente com água. Toas as meias as contagens realizaas nos iversos corpos e prova para as ensiaes estuaas foram normalizaas em relação a contagem na água. INAC 2005, Santos, SP, razil.

4 Figura 1. Moulo 1, constituío e fonte e 137 Cs, blinagem e chumbo e cintilaor plástico encapsulaos em um tubo e alumínio O acoplamento o sistema com o seguno moulo eletrônico conteno o tubo fotomultiplicaor, foi feito através o guia liquio e luz, com 3 metros e comprimento. O cintilaor plástico NE-102 apresenta o tempo e ecaímento o pulso e luz e alguns nanosegunos [6]. Os fótons e luz são transportaos com peras esprezíveis até o fotocatoo e um tubo fotomultiplicaor REXON type 800P-10HA, prouzino um pulso elétrico no anoo este tubo. Este pulso é então pré-amplificao, amplificao e contao em uma placa e aquisição e aos. O tempo morto o sistema eletrônico meio pela placa Accuspec NaI Plus foi em toas meias menor o que 1,67%. Em conseqüência, nenhuma as meias foi corrigia. Dois ensaios foram realizaos, o primeiro para verificar o comportamento as bolinhas e isopor quano ocupaos com o ar e o seguno para verificar a influência nas contagens quano o iâmetro o cilinro o porta amostras aumentou e 20 cm para 30 cm. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 mostra os resultaos os experimentos para otimizar a espessura a blinagem e chumbo o moulo 1, poe-se observar que a razão entre contribuição a fonte secunaria (FS) e contagem atenuaa pela blinagem e chumbo tene a crescer com a espessura e blinagem. Tabela 1. Meia as contagens no solo e no ar para o etector NE-102 Pb (mm) Contagens no Ar σ Contagens no Solo σ FS Razão 5, ,32 15, ,78 25, ,63 35, ,63 45, ,36 INAC 2005, Santos, SP, razil.

5 À meia que a espessura a blinagem e chumbo aumenta, as contagens no ar iminuem seguino a lei exponencial a atenuação. Foi utilizaa a máxima blinagem possível permitia no arranjo a Fig. 1. A função contagens normalizaas versus ensiae tem um valor máximo como é mostrao na Fig. 2. Uma análise esta figura permite observar que para os pontos 5,0 cm e 10,0 cm apresenta uma pequena variação na curva e ensiae. Poe-se verificar que para uma mesma relação e contagem a ensiae é maior quano a fonte esta situaa a 10 cm a base o corpo e prova. 1,1 Contagem normalizaa 0,9 0,7 NE102 5cm NE102 10cm 0,5 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Densiae o solo, g/cm3 Figura 2. Curva e calibração o etector NE-102 para as ensiaes nos pontos e 5,0 e 10cm a partir a base a amostra normalizaos na água. Na Fig. 2, observou-se que a partir a ensiae e 1,5g/cm 3 as contagens iminuem. Isto é evio ao efeito combinao a iminuição a fonte secunaria já que a atenuação os fótons primários aumenta, bem como o aumento a atenuação os fótons secunários que se irigem apara o cintilaor plástico [1]. As contagens com um cilinro vazio e outro cheio e bolinhas e isopor estão entro a flutuação estatística as contagens. Isto permite utilizar as bolinhas e isopor como se fossem vazios nos corpos e provas utilizaos. A curva e calibração acima se refere a uma amostra e iâmetro 20 cm, o aumento e 20 cm para 30 cm não mostrou variações significativas nas contagens obtias para ensiaes e 1,6 g/cm CONCLUSÕES O cintilaor NE-102 plástico é bastante versátil para a construção e ensímetros nucleares. Por não ser higroscópico ele poe ser facilmente usinao, aaptano-se seu iâmetro e comprimento para otimizar seu acoplamento ao guia liquio e luz. O ensímetro apresenta uma boa sensibiliae para meir ensiaes e materiais porosos na faixa e 0,8 a 1,5 g/cm 3. INAC 2005, Santos, SP, razil.

6 AGRADECIMENTOS Este trabalho foi realizao com o apoio o CNPq. CDTN, UFMG e UFPE. REFERÊNCIAS 1. Durrieu, T. Raioisotopes ulletin e Liaisons es Laboratoires Routiers, Ponts et Chaussés. Special. Paris - França DuPont (04/06/2005) 3. Altkorn, R., I. Koev, et al. Low-loss liqui-core optical fiber for low-refractive-inex liquis: fbrication, characterizaation, an application in taman spectroscopy. Applie Optics, v.36, n.35, 1 December, p Altkorn, R., I. Koev, et al. Raman Performance Characteristics of Teflon AF 2400 Liqui-Core Optical-Fiber Sample Cells. Applie Spectroscopy, v.53, n.10, p REXON, Components, Inc. Plastic Scintillators. (04/06/2005) 6. Knoll, G. F. Raiations Detections an Measurement. USA INAC 2005, Santos, SP, razil.