2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, razil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO RASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - AEN ISN: 85-99141-01-5 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 31270-901 Fone: +55 31 3499 6666 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
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.
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.
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 5,15 227772 1460 300305 370 72533 0,32 15,15 91438 274 162991 672 71553 0,78 25,15 42182 283 110938 2145 68756 1,63 35,15 20797 197 96253 264 75455 3,63 45,15 12259 121 77918 481 65659 5,36 INAC 2005, Santos, SP, razil.
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 3. 4. 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.
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 1967. 2. DuPont http://www1.upont.com/nasapp/upontglobal/corp/inex.jsp (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.8992-8998. 1997. 4. 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.1169-1176. 1999. 5. REXON, Components, Inc. Plastic Scintillators. http://www.rexon.com/plasticsinfo.htm (04/06/2005) 6. Knoll, G. F. Raiations Detections an Measurement. USA. 1989. INAC 2005, Santos, SP, razil.