APLICABILIDADE DE UM SISTEMA PORTÁTIL DE ESPECTROMETRIA DE RAIOS-X E RAIOS GAMA IN SITU

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1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: APLICABILIDADE DE UM SISTEMA PORTÁTIL DE ESPECTROMETRIA DE RAIOS-X E RAIOS GAMA IN SITU Jaquiel S. Fernandes 1, Carlos R. Appoloni 1 e Avacir C. Andrello 1 1 Grupo de Física Nuclear Aplicada - Departamento de Física / CCE Universidade Estadual de Londrina Campus Universitário Caixa Postal Londrina, PR. RESUMO Neste trabalho foi estudada a aplicabilidade de um espectrômetro de raios-x e gama in situ (Rover) de Amptek Inc., composto por um detector de Telureto de Cádmio (CdTe) de 3 mm x 3 mm x 1 mm e um detector de Iodeto de Sódio dopado com Tálio [NaI (Tl)] de 30 mm x 30 mm. As fontes radioativas certificadas empregadas no trabalho foram tipo pastilha, seladas em alumínio e polietileno, de 241 Am, 133 Ba, 137 Cs, 152 Eu. Com estas fontes radioativas foi determinada a curva de eficiência e a Atividade Mínima Detectável (AMD) para os dois detectores. Para a linha de 32 kev do 137 Cs a 4,15 cm do detector de CdTe, a AMD é de 15 kbq. Para o detector de NaI (Tl), analisando a linha de 661,65 kev do 137 Cs a 0 cm de distância, a AMD é de 17,6 kbq. Em função das AMDs determinadas, concluiu-se que o espectrômetro utilizado possibilita a quantificação da atividade de fontes radioativas de 137 Cs com atividades iguais ou superiores a 15 kbq e 17,6 kbq, respectivamente para os detectores de CdTe e NaI (Tl), e analisando as curvas de eficiência, pode-se também determinar a AMD para outros radionuclídeos de interesse. 1. INTRODUÇÃO A realização de medidas no próprio local de estudo, denominadas "Técnicas de medida in situ", estão sendo incorporadas nas medidas da taxa de erosão e/ou deposição do solo com o uso da metodologia do 137 Cs, onde a comparação do valor do inventário de 137 Cs de um ponto amostrado com um valor de referência, que representa a quantidade de 137 Cs depositado pelo fallout na região estudada, fornece através de modelos, a taxa de erosão e/ou deposição do solo. Valores do inventário de 137 Cs menor do que o valor de referência é um indicativo de perda de solo, enquanto valores de inventário maior que o de referência é um indicativo de ganho de solo [1]. O 137 Cs é um radionuclídeo artificial e foi depositado na superfície terrestre devido aos testes nucleares atmosféricos, realizados principalmente na década de 60, quando ocorreu a maior deposição ou fallout [2]. O 137 Cs tem uma meia vida relativamente longa de 30,07 anos e em 95 % dos casos decai por β - para o 137m Ba, que possui meia vida de 2,55 minutos e em 85 % dos casos emite um gama com energia de 661,65 kev. Além da energia de 661,65 kev, o 137m Ba emite raios X de 31,81 kev, 32,19 kev e 36,4 kev, que também caracterizam o radionuclídeo 137 Cs.

2 Neste trabalho estudaremos a aplicabilidade de um espectrômetro in situ de CdTe e NaI (Tl) para medidas de 137 Cs e outros radionuclídeos de interesse, como é o caso do 7 Be, com o intuito de usá-los futuramente no processo da determinação da taxa de erosão e/ou deposição de solo. Desta forma, os principais objetivos deste trabalho foram explorar o uso do sistema Rover de espectrometria de raios-x e raios gama in situ de Amptek Inc., composto por um probe de CdTe e outro de NaI (Tl), determinando suas curvas de eficiência e medindo a atividade mínima detectável dos dois detectores para os radionuclídeos de interesse. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Sistema Rover O sistema Rover foi desenvolvido pela empresa Amptek Inc., possui avançada tecnologia em um único sistema portátil, com aproximadamente 2,0 kg de massa e dimensões de 21,59 cm x 5,08 cm x 7,62 cm. O sistema Rover é composto por dois detectores (probe), um de CdTe com 3 mm x 3 mm x 1 mm e outro de NaI (Tl) com 30 mm x 30 mm, palmtop, amplificador, rise time discrimination (RTD), multicanal, entrada para fonte externa de alimentação e bateria [3] Fontes Utilizadas Para a calibração em energia e determinação da eficiência de detecção dos detectores foram usadas fontes padrão de 241 Am, 133 Ba, 137 Cs, 152 Eu. A Tabela 1 apresenta as características das fontes usadas no trabalho. Tabela 1 Fontes utilizadas na calibração dos detectores e no cálculo da eficiência. Atividade Linha de energia Data de Fonte certificada utilizada (kev) referência 241 Am 361,1 kbq ± 1 % * 26 e 60 01/01/ Ba 376 kbq ± 3 % ** 31 e 53 01// Cs 519 kbq ± 3 % ** 32 e // Eu 613 kbq ± 3 % ** * Nível de confiança: 95 %. ** Nível de confiança: 68 %. 122, 245, 344, 411 e //03

3 2.3. Sistema de Detecção e Geometria Os detectores foram colocados na posição vertical, com o cristal voltado para baixo, sobre uma mesa de medidas, confeccionada especialmente para a realização de medidas in situ. As fontes foram colocadas a 0 cm e a 2,8 cm do cristal de NaI (Tl) e a 0 cm e 4,15 cm do cristal de CdTe. Ambos os detectores estavam envoltos por uma blindagem de chumbo com 5 cm de espessura e 37 cm de altura. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Eficiência de Detecção A curva de eficiência do detector de CdTe foi obtida através da Equação 1, com fontes padrão tipo pastilha, todas descritas na Tabela 1. As Figuras 1 e 2 apresentam, respectivamente, as curvas de eficiência para o detector de CdTe a uma distância de 0 cm e 4,15 cm das fontes de 152 Eu e 137 Cs, com o ganho 01. N ε ( E) = (1) A. P. t onde A é a atividade (Bq) do radionuclídeo que chega no detector correspondendo ao ângulo sólido de cada detector na geometria fonte-detector considerada, N representa a contagem líquida do fotopico de interesse, ε é a eficiência do detector para a linha de energia de interesse, P γ é a probabilidade de transição pelo decaimento gama e t é o tempo de contagem (s). γ Log Eficiência (% ) 0 1 y = 2,02E+07. x -2,7601 R 2 = 0, ,1 y = 7,74E+07. x -3,1263 R 2 = 0,9976 0, Figura 1 Curva da Eficiência do detector de CdTe a 0 cm da fonte com ganho 01 e tempo de medida de 76 horas Figura 2 - Curva da Eficiência do detector de CdTe a 4,15 cm da fonte com o ganho 01 e tempo de medida de 24 horas.

4 A Figura 3 apresenta a curva de eficiência para o detector de CdTe a uma distância de 4,15 cm das fontes de 241 Am, 152 Eu e 137 Cs, com o ganho 14 e tempo de medida de 15 minutos. Pode-se observar claramente que nesta faixa de energia, a eficiência do detector é consideravelmente melhor que para altas energias, como mostrado nas figuras 1 e 2, obtendo em média uma eficiência de 40%. 0 y = -0,11404.x + 45,0869 R 2 = 0,7912 Ba-133 Am Figura 3 - Curva da Eficiência do detector de CdTe a 4,15 cm da fonte com o ganho 14 e tempo de medida de 15 minutos. A curva de eficiência do detector de NaI (Tl) foi obtida através da Equação 1, com fontes padrão tipo pastilha de 137 Cs, 152 Eu. A Figura 4 apresenta a curva de eficiência para o detector de NaI (Tl) a uma distância de 0 cm das fontes de 152 Eu e 137 Cs e tempo de medida de 66 horas. A Figura 5 apresenta a curva de eficiência para o detector de NaI (Tl) a uma distância de 2,8 cm das fontes de 152 Eu e 137 Cs e tempo de medida de 1 hora. 0 y = x -1,2059 R 2 = 0, y = x -1,2768 R 2 = 0, Figura 4 - Curva da Eficiência do detector de NaI a 0 cm da fonte e tempo de medida de 66 horas Figura 5 - Curva da Eficiência do detector de NaI a 2,8 cm da fonte e tempo de medida de 1 hora.

5 3.2. Limite Mínimo de Detecção O limite mínimo de detecção de um espectrômetro é a medida de sua habilidade em detectar um pico de raios-x ou gama na presença de interferências da radioatividade natural e do espalhamento Compton de raios gama de alta energia originados na fonte. Quando uma amostra é introduzida no detector, o termo usualmente associado com o limite de detecção é a atividade mínima detectável (AMD), que é expressa pela Equação 2. AMD N Lmin = (2) ε. P. t γ onde N Lmín representa a área líquida mínima do espectro medido, com 95 % de confiabilidade [4], dada por: N Lmín = 4,66 F (3) L onde F L é o fundo líquido na região da linha gama ou X de interesse no espectro da amostra considerada. A Tabela 2 apresenta os valores da atividade mínima detectável (AMD) para a fonte de 137 Cs, localizadas a 4,15 cm e 0 cm de distância dos detectores. Tabela 2 Atividade mínima detectável para ambos os detectores. Detector Fonte/Amostra Distância Tempo de Energia (cm) medida (kev) AMD CdTe /pastilha 4, s Bq CdTe /pastilha 4,15 22 h Bq NaI (Tl) /pastilha s Bq 4. CONCLUSÕES Observamos que o detector de NaI (Tl) possui uma eficiência média em torno de 4 vezes melhor que o detector de CdTe, sendo em alguns casos, como na linha de 661,65 kev do 137 Cs a 0 cm do detector, cerca de 37 vezes melhor que o CdTe. Esta grande diferença é em grande parte devido as dimensões dos cristais. Constatamos que, quanto maior for a energia do feixe, menor será a eficiência para o detector de CdTe. Pode-se observar, porém, que para a energia de 121,78 kev do 152 Eu a 0 cm do detector, a eficiência do detector de NaI é apenas duas vezes melhor que a eficiência do CdTe. Analisando as AMDs dos detectores, podemos concluir que os detectores utilizados neste trabalho não são adequados para detectar fontes radioativas com baixas atividades. Desta

6 forma, estes detectores não são indicados para análise de amostras de solo ambientais, sendo portando inviável o seu uso na determinação da erosão e/ou deposição do solo, através da análise de 137 Cs no solo, devido à sua baixa concentração (cerca de 5 Bq.kg -1 ). Caso fiquem disponíveis detectores de CdTe com cristais de maior volume, então esta conclusão pode ser revista. Porém, para medidas in situ de contaminação ambiental por material radioativo, com atividades cerca de uma ou mais ordens de grandeza maior que as naturais, o sistema é plenamente utilizável, tanto com o detector de CdTe como com o de NaI. Com o auxílio dos gráficos da eficiência de detecção, para ambos os detectores, pode-se determinar a atividade mínima detectável para vários radionuclídeos de interesse, compreendidos na faixa de energia analisada. REFERÊNCIAS 1. WALLING, D.E.; HE, Q. Models for converting 137 Cs measurements to estimates of soil redistribution rates on cultivated and uncultivated soils. A contribution to IAEA., coordinated Research Programmes on Soil Erosion (D ) and Sedimentation (F3..01). University of Exeter, Exeter, UK, pp. 29, WALLING, D. E., QUINE, T. A. Calibration of Caesium-137 Measurements to Provide Quantitative Erosion Rate Data Land Degradation, Rehabilitation, Vol. 2, pp , AMPTEK. The Rover. User s Manual: Portable X-Ray and Gamma Ray Spectroscopy System. Revision 2.2, IAEA - International Atomic Energy Agency. Measurements of radionuclides in food and the environment, Technical Reports Series 295, Vienna, fev., 1989.

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