Campos/SP
Bolsista PIBIC-CNPq brunosk182@gmail.com
Inacio Malmonge Martin
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – São José dos Campos/SP
martin@ita.br
Resumo. Radiação ionizante é aquela capaz de iniciar o processo de ionização. Apresentam esta característica a
radiação gama, radiação X, nêutrons térmicos e partículas carregadas. No sentido de obter índices deste tipo de radiação, o projeto teve como propósito identificar características de sua emissão e relacionar tal fenômeno às chuvas e descargas elétricas, especificamente, aos relâmpagos. Para tanto, foi construído um sistema de aquisição de dados,
na interface solo-ar da cidade de São José dos Campos, composto por tubos detectores de radiação (geiger e NaI[T1]) e
detectores de pulsos de voltagem ou pulsadores (RM-60 e PMI-30 pro), além de um computador portátil contendo um software adequado para o processo de medição (Aw-Radw). Mediante a aquisição de informação, foi organizado um banco de dados com relatórios de medidas e gráficos de radiação gama, de modo a possibilitar a determinação do nível de radiação de fundo (background) e verificar a intensificação em sua emissão nos períodos chuvosos. Estes parâmetros são importantes no estudo das possíveis causas que acarretam o visível efeito climático do planeta Terra. Palavras chave: radiação ionizante, radiação gama, detectores de radiação, relâmpagos.
1. Introdução
A radiação ionizante presente no ar tem origem de causas naturais e artificiais. As fontes naturais representam, aproximadamente, 70% da emissão de radiação. Desta parcela, a presença do elemento rádio e de radionuclideos de potássio, tório e urânio encontrados no solo é responsável por cerca de 80% de seu total. A radiação cósmica oriunda do espaço é também responsável por uma fração, porém, pequena.
O processo de medição utiliza o princípio básico da transferência de energia da radiação incidente para o material do tubo detector. Esta transferência acontece através de processos de interação fundamentais: a ionização e a excitação dos átomos ou moléculas do detector. Para os diferentes tipos de radiação, detectores específicos devem ser empregados.
2. Materiais e metodologia
Figura 2.1 – Sistema de medição de radiação gama
Devidamente calibrado, o sistema foi instalado num laboratório da Divisão de Ciências Fundamentais, no Instituto Tecnológico de Aeronáutica, localizado na cidade de São José dos Campos, SP. Permaneceu em operação entre de junho de 2010 e agosto de 2011, chegando a coletar dados ininterruptamente por mais de 70 dias. Desta maneira, obtiveram-se relatórios de medidas em diferentes condições de temperatura, umidade, pressão, chuvas e relâmpagos. Os dados dos relatórios de texto foram, então, transferidos para o software Origin Pro 8 e plotaram-se gráficos do fluxo da radiação ionizante no intervalo de energia de 30 KeV a 10 MeV. Com o grande número de medidas, organizou-se um banco de dados, no qual constam os relatórios de textos, seus respectivos gráficos e observações a respeito das condições meteorológicas no momento da aquisição da informação.
2.1.Tubos detectores
Detectores gasosos operam pelo princípio da ionização. Este é um processo no qual a radiação possui energia suficiente para arrancar elétrons de um determinado átomo, resultando na formação de um elétron livre e um cátion. O detector Geiger-Müller – utilizado na detecção de raios gama, raios X e partículas carregadas – é um dispositivo que opera a uma tensão alta de ~ 1000 VDC, cuja estrutura básica consiste num tubo metálico com um fio central positivamente carregado, o ânodo, em relação à parede externa e o cátodo.
Figura 2.2 – Esquema básico do detector Geiger-Müller empregado neste trabalho.
Seu interior é preenchido com uma mistura de gases contendo xenônio ou argônio, a baixa pressão ~ 4 atmosferas. As partículas carregadas tendem a interagir diretamente com o gás, ionizando seus átomos. A radiação gama interage, através dos efeitos fotoelétrico, Compton e produção de pares, mais freqüentemente com átomos que possuem muitos elétrons, desta forma, com os átomos constituintes da parede externa do que com os átomos do gás. Tal interação separa elétrons daqueles átomos, os elétrons por sua vez, como partículas carregadas, ionizam o gás separando-o também em pares de íons. O cátion acaba atraído pelo cátodo, enquanto o elétron, atraído pelo ânodo, gera um sinal elétrico, pulso rápido, que deve ser trabalhado para análise na acquisição.
Os sinais elétricos provenientes dos tubos detectores passam por um resistor e são transformados em pulsos de voltagem sensíveis na faixa de 2mV a 60mV de pico e a seguir, transmitidos ao detector de pulsos. Os detectores de pulsos empregados são eletrônicas da Aware Eletrocnics Inc – USA, modelos PMI-30 pro. Nestes são quantificados os níveis de pulso (energia) e fluxo das radiações ionizantes. Os sinais analógicos são então convertidos em sinais digitais e, através de uma porta serial, transmitidos ao computador portátil.
2.3.Computador portátil
No computador portátil executa-se o software Aw-Radw, o qual registra os dados em relatórios de texto no formato .txt e em formato .rad, além de exibir gráficos em tempo real da radiação ionizante medida no momento. Nos relatórios, as medidas de intensidade são feitas em dose, na unidade µR/h (microRöntgen Equivalent Man por hora), ou em fluxo, em unidades ajustáveis (utiliza-se como padrão contagens por minuto). Os relatórios de ambos os detectores são, posteriormente, transformados em gráficos com auxílio do software Origin Pro 8. No caso acima é para as medidas efetuadas pelo Geiger RM-60. Para os detetores da radiação gama com o cristal de Iodeto de Sódio e para o detetor de nêutrons, o mesmo processo é empregado (PMI-30), porem agora com a intensidade dada em contagens/minuto em função do tempo (minutos, horas ou dias).
2.4.Calibração
Antes de iniciar a aquisição de dados, para assegurar a validade das medidas de radiação ionizante, foi preciso calibrar os detectores de pulsos, isto é, ajustar seus limiares de operação em termos de tensão (na ordem de grandeza de mV), proporcional a energia, e de fluxo incidente e da intensidade de chegada dos pulsos ou seja freqüência na aquisição.
Figura 2.3 – Calibração do pulsador PMI-30 pro
Figura 3.4 – Pulsador PMI-30 pro
Atuou-se ainda num segundo “trimpot” para possibilitar a leitura no pulsador de tensões na faixa de 2 a 60 mV. A seguir, conectou-se o sinal proveniente do gerador de funções HP33120A ao canal 1 do osciloscópio e à entrada do circuito divisor de tensão, cuja saída foi conectada ao canal 2 do osciloscópio e ao detector de pulsos PMI-30 pro.
Figura 5 – Circuito divisor de tensão
Na interface do software Aw-Radw, ajustou-se o período de exibição do relatório de medição para 1 segundo. Deste modo, foi possível verificar o funcionamento do sistema pela comparação direta entre o valor exibido pelo relatório e pelo mostrado no painel do gerador de funções. Trabalhando na faixa de 1,00 Hz a 100 Khz, verificou-se que ambos apresentavam o mesmo valor até 70 Khz, isto é, o pulsador foi calibrado para realizar até 70.000 contagens por segundo, valor bem superior aos picos de radiação encontrados durante segundos, minutos.
3. Resultados
A figura 3.1 exibe médias históricas de temperaturas e chuvas na cidade de São José dos Campos:
Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Temperatura Máxima Média (°C) 29,8 29,9 29,5 27,6 25,5 24,3 24,5 26,5 27,4 28,1 28,9 29,0
Temperatura Mínima Média (°C) 18,5 18,8 17,9 15,2 12,5 11,0 10,4 11,7 13,7 15,7 16,4 17,8
Chuvas (mm) 216,3 191,2 165,3 80,5 58,8 42,3 32,4 35,1 71,5 113,3 124,0 174,2 Figura 3.1 – Médias históricas de temperaturas e chuvas em São José dos Campos(Aeroporto SJC, CTA).
Figura 3.2 – Fluxo de radiação gama no período de março a julho de 2011, medidas no ITA, Depto de Física.
Pelo software Origin 8.0, verifica-se que a média do fluxo de radiação gama vale 31367. Pode-se ainda notar que nenhuma das medidas supera a casa das 34000 contagens por minuto. Nota-se uma variabilidade diurna ~ 1 dia de período, ocorrida pelo efeito noite dia, maior e menor densidade de ar na interface solo-ar local.
A figura 3.3 apresenta medidas realizadas durante o período de 14 de junho a julho de 2011:
Figura 3.3 – Fluxo de radiação gama de junho a julho de 2011, medidas no ITA, Depto.de Física. No gráfico acima, verifica-se que a média do fluxo de radiação gama vale 31775 contagens por minuto.
Figura 3.4 – Dose de radiação gama de junho a julho de 2011, medido no ITA, Depto. De Física. Verifica-se pelo próprio ajuste linear no gráfico acima que a média de dose de radiação vale 20 μREM/h.
Pela figura 3.1, pode-se observar que o período no qual as medidas anteriores foram realizadas, entre março e agosto, apresenta os menores índices de chuva de todo o ano. Deste modo, mediante análise destas e de outras medidas do banco de dados, estima-se que a intensidade de radiação de fundo (background) seja de, em unidades de fluxo, 31477 contagens por minuto e, em unidades de dose, de 20 μREM/h.
A figura 3.5 apresenta medidas de fluxo de radiação gama realizadas pelo tubo detector de NaI(T1) com pulsador PMI-30 pro durante os dias 22 e 23 de janeiro de 2011:
Figura 3.5 – Fluxo de radiação gama em janeiro 2010, medido no ITA, Depto. de Física.
Pelo software Origin 8.0, verifica-se que a média do fluxo de radiação gama vale 39274. Nota-se que a média é superior aquelas do período de baixo índice de chuvas.
Figura 3.6 – Fluxo de radiação gama em 23 de janeiro 2010, medido no ITA, Depto de Física.
Observa-se na figura 3.6 que a maior parte das medidas se comporta entre 39000 e 39500 contagens por minuto. Todavia, das 16:00 as 18:00 horas, verifica-se um aumento substancial na emissão de radiação, com medidas atingindo quase 41000 contagens por minuto. Durante este mesmo horário, no local da aquisição de dados, foram registradas chuvas intensas e relâmpagos(Aeroporto de SJC, CTA).
A figura 3.7 apresenta medidas de fluxo de radiação gama realizadas durante os dias 18 e 22 de agosto de 2011:
Figura 3.7 – Fluxo de radiação gama em agosto de 2011, medido no ITA, Departamento de Física.
Verifica-se que a média do fluxo de radiação vale 31501. Entretanto, existem dois picos nas medidas, o primeiro atingindo 34212 e o segundo, 33148 contagens por minuto. No momento do primeiro pico, foram registradas chuvas intensas, enquanto que, no momento do segundo, ocorreram chuvas mais amenas. Neste caso estas foram as primeiras chuvas vindas do Sul após um período de estiagem com umidades relativas do ar abaixo de 30%. Estas chuvas trazem grandes quantidades de gás radônio, vindas pelo vento e ar, sendo esse fenômeno o causador dos picos de radiação gama registrados na figura acima.
Figura 3.8 – Dose de radiação gama em novembro 2010, medido no ITA, Departamento de Física.
Pode-se verificar na figura acima que o valor médio de dose é 22,85 μREM/h. Novamente, nota-se que a média é superior aquela do período de baixo índice de chuvas.
Plotando o espectro de freqüência do gráfico da figura 3.2, obtém-se:
Figura 3.9 – Espectro de freqüência da radiação gama( Mauro A Alves e I M Martin, 2011, 63 a SBPC).
No gráfico anterior, verifica-se um pico diário na emissão de radiação gama. Este fenômeno está relacionado ao sol, especificamente, a sua emissão de radiação cósmica e a variação da pressão e densidade do dia para noite. Pela noite, há uma queda de temperatura e sua densidade torna-se maior se comparada pelo dia, período no qual há um aumento na temperatura da atmosfera. Desta forma, com uma quantidade de ar maior ou menor na interface solo-ar existe, respectivamente, aumento ou diminuição na emissão de radiação cósmica secundária, medidas pelos tubos detectores geiger e NaI(T1).
4.Conclusões
10% a mais na radiação de fundo do dia local. Vale ressaltar que a observação deste fenômeno com um dispositivo experimental pequeno e portátil aconteceu pela primeira vez no Brasil. Por fim, seria interessante realizar mais medidas, em diferentes lugares, por períodos mais longos, de forma a possibilitar conclusões mais precisas das características da radiação ionizante e de sua relação com a emissão de relâmpagos. O fluxo do ruído de fundo da radiação gama no local
entre 30KeV e 10 Mev, obtido através das contagens 31400 contagens/minuto é de 2 x 10-2
fotons/cm2 . s.
5. Agradecimentos
Agradeço ao Professor orientador Inácio Malmonge Martin, pela insistência em ensinar-me, apesar dos contínuos erros e repetidos enganos. Também ao ITA e ao CNPq, por suportarem a parte de infra-instrutora e financeira deste trabalho.
6. Referências
MARTIN, INACIO M., ALVES, MAURO A., Monitoração de Radiação Gama Ambiental: Observação de Variações Diurnas e Efeitos Atmosféricos em São José dos Campos, SP, 63a Reunião Anual da SBPC, 10-15 Julho de 2011, Goiânia, Brasil;
MARTIN, INACIO M., ALVES, MAURO A., 2010, Observation of a possible neutron burst associated with a lightning discharge, Brasil, Journal Geophysical Review, 2010, Volume 115, Issue 6, CiteID A00E11, JGR, USA, doi:10.1029/2009JA014498;
LEONID. P. BABICH, ROBERT A. ROUSSEL-DUPRÉ, 2007, The origin of neutron flux increases observed in correlation with lightning, Russian Federal Nuclear Center–VNIIEF, Sarov, Nizhegorodskaya oblast, Russia;
EROSHENKO E., VELINOV P., BELOV A., YANKE V., PLETNIKOV E., TASSEV Y., MISHEV A., MATEEV L., 2010, Relationships between neutron fluxes and rain flows, Russia/Bulgaria, doi:10.1016/j.asr.2010.04.016;
MARTIN, INACIO M., ALVES, MAURO A., MIGUEL ÂNGELO A. Jr., ALVES, TOBIAS E.,; Medidas da dose de radiação ionizante no período 2008 a 2011, em São José dos Campos, SP, Brasil., 63a Reunião Anual da SBPC, 10-15 julho de 2011, Goiânia/GO, Brasil;
LIMA, C. A., Dissertação Universidade Federal do Rio de Janeiro, Avaliação da performance dos detetores iodeto de sódio NaI(T1) em centrais nucleares, COPPE, 2006, Brasil;
SANTOS, R. L. M. G., Anais do 13º encontro de iniciação científica e pós-graduação do ITA, Medidas e estudos da radiação ionizante durante tempestades intensas (MERITI), Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2007, Brasil;
SANTOS, J. P. M. G., Anais do 15º encontro de iniciação científica e pós-graduação do ITA, Monitoramento da radiação ionizante entre 50 KeV e 5 MeV no solo e até 5 Km de altura no Vale do Paraíba com detetor GM, detetor de nêutron térmico e detetor NaI(Tl), Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2009, Brasil;
SOUSA, D. C. R., Anais do 16º encontro de iniciação científica e pós-graduação do ITA, Medida de radiação x, gama e nêutrons térmicos na interface solo-ar, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2010, Brasil;
SANCHES, M. P., IPEN, Fundamentos de radioproteção, http://www.direxlim.fm.usp.br/download/02-CB.pdf; Gamma Scout Detector, http://www.gammascout.com/geiger-counter-design.html;
