DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO DE MASSA DE AMOSTRAS DA SUPERFÍCIE DE MARTE, DA LUA E DA TERRA, NO INTERVALO DE 1 kev A 100 GeV

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1 25 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 25 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 25 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO DE MASSA DE AMOSTRAS DA SUPERFÍCIE DE MARTE, DA LUA E DA TERRA, NO INTERVALO DE 1 kev A 1 GeV Anderson Camargo Moreira 1 e Carlos Roberto Appoloni 2 Universidade Estadual de Londrina / Departamento de Física / Centro de Ciências Exatas Caixa postal 61, CEP / Londrina PR 1 acamargo@uel.br 2 appoloni@uel.br Com o uso do software WinXCOM foram calculados os coeficientes de atenuação de massa (µ) de amostras das superfícies da Lua, da Terra e de Marte, com base em suas composições químicas na faixa de 1 kev a 1 GeV. As composições químicas, obtidas da literatura, foram determinadas in situ pela técnica de espalhamento de partículas alfa e prótons, e pelo sistema APXS que usa também a fluorescência de raios-x. Os valores obtidos para os µ s mostraram-se praticamente os mesmos para energias acima de 1 kev, com marcantes diferenças observadas para a faixa de energia abaixo de 25 kev, que é a região de interesse para XRF, sistema de análise correntemente usado em sondas espaciais. 1.INTRODUÇÃO Com o aumento do envio de missões espaciais para planetas, luas e asteróides para pesquisa, cresceu também o estudo de técnicas de determinação da composição química de amostras para medidas in situ. As primeiras missões espaciais enviadas à Lua em 1967 e 1968 (Surveyor V e VI) continham um equipamento com uma técnica de espalhamento de partículas alfa, que determinou a composição química de amostras da superfície lunar [11] e [3]. Tal técnica teve sua eficiência comprovada em estudos de rochas terrestres de composições químicas conhecidas [2]. Em 1997 foi enviada uma missão a Marte (Mars Pathfinder) que continha a técnica mais sofisticada, o Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) [1]. O APXS pode detectar quase todos os elementos existentes na tabela periódica, com exceção apenas para o Hidrogênio e Helio, e usa em conjunto a fluorescência de raio-x e o espalhamento de partículas alfa e próton. Este trabalho tem o objetivo de calcular o coeficiente de atenuação de massa (µ) com o software WinXCOM, a partir das composições químicas de solos e rochas de Marte, Lua e Terra, para energias na faixa de 1 kev a 1 GeV. Os dados de µ calculados para várias energias, de solos e rochas marcianos, poderão ser usados em cálculos ou modelagens relacionadas a novas missões enviadas a Marte para mais estudos sobre o planeta, em especial estes resultados são também de interesse para medidas de XRF envolvendo os tipos de amostras consideradas. 2.TEORIA O coeficiente de atenuação de massa µ, é definido pela equação da absorção exponencial, que caracteriza a passagem da radiação eletromagnética através da matéria, conhecida como a Lei de Lambert Beer dada por [8]:

2 Ι = Ι e µρx (1) onde x representa a espessura do material usado como amostra, µ o coeficiente de atenuação de massa, ρ é a densidade da amostra, I é a intensidade do feixe incidente na amostra e I é a intensidade do feixe emergente da amostra. A dependência de µ com as propriedades atômicas da amostras é dada pela seguinte relação: ( A) µ= σ tot ZN A (2) onde Z é o número atômico, N A é o número de Avogrado, A é a massa atômica da amostra e σ tot é soma das contribuições das seções de choques das fotointerações da radiação com a matéria. A soma das seções de choque dos principais processos é dada por[5]: σ = σ + σ + σ + σ (3) tot F R C P onde os índices F, R, C e P designam respectivamente o Efeito Fotoelétrico, Espalhamento Rayleigh, Espalhamento Compton, Formação de Pares e Espalhamento Thomson. 3.CÁLCULOS Os cálculos dos coeficientes de atenuação de massa das diversas amostras foram realizados pelo programa WinXCOM [4]. O software pode gerar seções de choque e coeficientes de atenuação para elementos, combinações ou misturas na faixa de energia entre 1 kev e 1 GeV na forma de seções de choque totais, ou seções parciais para os seguintes processos: espalhamento incoerente, espalhamento coerente, efeito fotoelétrico e produção de pares no núcleo atômico e na eletrosfera. Para combinações de elementos, as quantidades tabeladas são os coeficientes de atenuação de massa parciais e totais. O programa possui um banco de dados para todos os elementos com uma gama extensa de energias, que foi construído para a combinação de seções de choque de espalhamentos incoerentes e coerentes de HUBBELL et al. (1977), efeito fotoelétrico de SCOFIELD (1973), e produção de pares de HUBBELL et al. (1982). As mesmas seções de choque são usadas como em recentes tabelas de HUBBELL (1977), HUBBELL et al. (198) e HUBBELL (1982). 4.DADOS EXPERIMENTAIS A Tabela 1 apresenta as composições químicas de algumas das amostras de solos e rochas da Terra, e de três amostras da Lua, na forma de porcentagem (por peso) dos elementos. Mostramos ainda, na Tabela 2, as amostras da superfície de Marte na forma de porcentagem de oxidos determinadas. INAC 25, Santos, SP, Brazil.

3 As técnicas de determinação de composição química usadas na Terra e nas missões enviadas à Lua e Marte, assim como os aparatos eletrônico e nuclear estão descritos em PATTERSON et al., 1965, e em ECONOMOU et al., RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 3 apresenta os valores do coeficiente de atenuação de massa (µ), para as amostras terrestres, lunares e marcianas, para algumas energias. A Figura 1 mostra os coeficientes de atenuação de massa, para quatro amostras da Terra no intervalo de energia entre 1 e 5 kev, no gráfico de µ (cm 2 g -1 ) versus para alguns valores de µ encontrados. O mesmo tipo de gráfico pode ser observado nas Figuras 2 e 3 para algumas amostras da Lua e Marte respectivamente. Tabela 1. Composições químicas percentuais das amostras da Terra [2] e da Lua [11] e [3]. El. Terra 1 Terra 2 Terra 3 Terra 4 Lua 1 Lua 2 Lua 3 Quim. C O F Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe Sr <.7 <.6 <.13 Ba Zn <.16 <.9 <.13 Zr-In <.5 <.6 <.16 Sn-U <.7 <.7 <.1 E finalmente, apresentamos no gráfico da Figura 4, dados de duas amostras de cada astro, do coeficiente de atenuação de massa versus energia, no intervalo de 1 a 65 kev. Foram realizados cálculos levando em conta os desvios experimentais nas composições químicas apresentadas nos artigos da literatura [11], [3] e [9]. No entanto estes desvios não influenciaram significativamente os valores de µ, uma vez que os desvios propagados ficaram no intervalo entre.2 e.9 %, apenas para os dados das missões Surveyor V e VI (Lua 1, 2 e 3) o intervalo foi entre 1 e 3 %. INAC 25, Santos, SP, Brazil.

4 Tabela 2. Composições químicas na forma de óxidos, de amostras da superfície de Marte [1]. El. Quím. Marte 2 Marte 3 Marte 4 Marte 5 Na 2 O MgO Al 2 O SiO P 2 O SO Cl K 2 O CaO TiO Cr 2 O MnO FeO Tabela 3. Valores de µ para as energias de 1 kev, 1 kev, 1 MeV, 1 MeV, 1 GeV e 1 GeV para as amostras lunares e terrestrese marcianas. Amostra 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 1 GeV 1 GeV Terra Terra Terra Terra Lua Lua Lua Marte Marte Marte Marte A maior concentração de Silício (Z=14) e Ferro (Z=26) encontrada nas composições químicas da superfície de Marte em relação às encontradas na Lua e na Terra, e a maior concentração de Ferro encontrada na superfície lunar em relação à encontrada na Terrestre, observadas nas tabelas 1 e 2, explicam os maiores valores de µ das amostras marcianas em relação às lunares e em relação às terrestres, para energias menores que 25 kev observada na Figura 4. O que está de acordo com a Eq. 2, que mostra que o coeficiente de atenuação de massa é diretamente proporcional ao numero atômico Z. INAC 25, Santos, SP, Brazil.

5 Terra 2 Terra Terra 3 Terra Figura 1. Coeficiente de atenuação de massa versus energia para 4 amostras terrestres, intervalo de 1 a 5 kev Lua 1 Lua 2 Lua Figura 2. Coeficiente de atenuação de massa versus energia para as amostras da superfície lunar, intervalo de 1 a 5 kev Marte 2 Marte 5 4 Marte 4 Marte Figura 3. Coeficiente de atenuação de massa versus energia para quatro amostras de Marte analisadas pela missão Mars Pathfinder no intervalo de 1 a 5 kev. Observando a Tabela 3, e as Figuras 1, 2 e 3, podemos notar que os valores de µ das amostras terrestres, lunares e marcianas, para energias maiores que 5 kev são praticamente iguais, apresentando diferenças significativas para energias menores que 25 kev, que é exatamente a faixa de operação dos sistemas de fluorescência de raios X utilizados nas sondas espaciais para o estudo de composições químicas dos materiais. INAC 25, Santos, SP, Brazil.

6 Marte 15 Marte Lua 3 Lua 2 Terra 4 Terra Figura 4. Coeficiente de atenuação de massa versus energia para as amostras das superfícies terrestres, lunares e marcianas, no intervalo de 1 a 5 kev. 6.REFERÊNCIAS 1. Economou, T. - Chemical Analyses of Martian Soil and Rocks Obtained by the Pathfinder Alpha Proton X-Ray Spectrometer Radiation Physics and Chemistry, v. 61, p , (21). 2. Economou, T.; Turkevich, A.L.; T.E.; Sowinski, K.P.; Paterson, J.H; Franzgrote, E.J.; The Alpha-Scattering Techinique of Chemical Analysis J. Geophys. Res., v. 75, p , (197). 3. Franzgrote, E.J.; Paterson, J.H; Turkevich, A.L.; Economou, T.E; Sowinski, K.P. Chemical Composition of the Lunar Surface in Sinus Medii Science, v. 167, p , (197). 4. Gerward, N. Gerward, N. Guilbert, K. B. Jensen And H. Levring - X/ray absorption in matter. Reenginnering XCOM - Radiation Phys. And Chem. 6, 23-24(21). 5. Hubbell, J.H. - Photon Mass Attenuation and Energy Absorption Coefficients from 1 kev to 2 MeV - Int. J. Appl. RadiatIsotopes, 33, , (1982). 6. Hubbell, J.H. - Photon Mass Attenuation and Mass Energy-Absorption Coefficients for H,C,N,O,Ar and Seven Mixtures from.1 kev to 2 MeV - Radiat. Res. 7, 58-81, (1977). 7. Hubbell, J.H., Veigele, W.J., Briggs, E.A., Brown, R.T., Cromer, D.T., And Howerton - R.J.,Atomic Form Factors, Incoherent Scattering Functions, and Photon Scattering Cross Sections - J. Phys. Chem. Ref. Data 4, , 1975; erratum in 6, , (1977). 8. Leighton, R. B. Principles of Modern Physics McGraw Hill, (1959). 9. Paterson, J.H; Franzgrote, E.J.; Turkevich, A.L.; Anderson, W.A.; Economou, T.E; Griffin, H.E.; Crotch, S.L.; Sowinski, K.P. Alpha-Scattering Experiment on Surveyor 7: Comparison with Surveyor 5 and 6 J. Geophys. Res., v. 74, p , (1969) Scofield, J.H. - Theoretical Photoionization Cross Sections from 1 to 15 kev - Lawrence Livermore National Laboratory Rep. UCRL-51326, (1973) Turkevich, A.L.; Franzgrote, E.J.; Paterson, J.H. Chemical Composition of the Lunar Surface in Mare Tranquillitatis Science, v. 165, p , (1969). INAC 25, Santos, SP, Brazil.