Anais do 15O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XV ENCITA / 2009
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 19 a 22, 2009.
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)
João Paulo Moradei de Gouvêa Santos
Universidade de Taubaté – Taubaté, SP
Bolsista PIBIC-CNPq
[email protected]
Inácio Malmonge Martin
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos, SP
[email protected]
Resumo. Os estudos foram iniciados em julho de 2008 com a
importação dos detectores de Nêutrons de He-3, Geiger Muller
RM-60 e NaI(TI) e os softwares específicos para aquisição de dados(Aware Electronics Inc, USA). Foram feitas calibrações com o
apoio do laboratório do IEAv no CTA e realizando medições diárias das radiações ionizantes presentes no ar em diversas condições
climáticas entre 0,03 eV a 10 Mev para nêutron e 50 KeV a 10 MeV para gama e partículas carregadas. Com as comparações feitas
através de gráficos, obteve-se os níveis de radiação no Vale do Paraíba, SP. Com os resultados observa-se que entre o mês de
agosto até o mês de dezembro os níveis de nêutron (contagem/min), gama (contagem/10segundos) e partículas carregadas dose
(microRöntgen/hora) em períodos de dias chuvosos e nublados possuem um aumento de ~15% em relação aos dias ensolarados.
Com isso o sistema mostrou que em dias ensolarados ocorre uma queda das contagens e nos dias mais nublados e úmidos ficou
demonstrado a sua elevação, os dias de chuvas intensas se conseguiu os maiores níveis de contagens, confirmando que a chuva
acarreta maior massa local, e relâmpagos, assim produzindo maior radiação na baixa atmosfera.
Palavras chave: monitoramento, clima, radiação ionizante, nêutrons, gama.
1. Introdução
Radiações ionizante, por definição, são todas aquelas partículas e fótons com energia superior a 12,4 eV e que
são capazes de ionizar átomos. Durante toda a vida, os seres humanos estão expostos diariamente aos efeitos das
radiações ionizantes. Estas radiações podem ser de origem natural ou artificial. As fontes naturais representam cerca de
70% da exposição, sendo o restante, devido a fontes artificiais. Quanto à proteção radiológica, pouco pode fazer para
reduzir os efeitos das radiações de origem natural. No entanto, no que diz respeito às fontes artificiais, todo esforço
deve ser direcionado a fim de controlar seus efeitos nocivos. É neste aspecto, que a proteção radiológica pode ter um
papel importante.
Fontes Naturais: Na categoria de fontes naturais encontram-se os produtos de decaimento do urânio e tório,
que são o radônio e o torônio. Estes elementos são encontrados em cidades e sítios através das rochas, solos, sedimentos
e minérios que contém concentrações significativas destes elementos e que com o decaimento radioativo transformamse em radionuclídeos pertencentes à estas famílias radioativas. São gasosos e depositam-se nas partes mais baixas dos
ambientes devido a seu alto peso atômico. São sensíveis a ventos e regimes de chuvas e umidade relativa do ar.
Representam cerca de 80% da dose total recebida pelo homem devido a radiação natural.
Outra fonte de origem natural é a radiação cósmica, proveniente do espaço sideral, como resultante de
explosões solares e estelares. Grande parte dela é freada pela atmosfera da Terra, produzindo a radiação cósmica
secundária onde uma porcentagem importante atinge os seres vivos e humanos.
Fontes Artificiais: Pode-se observar que a maior contribuição deve-se às irradiações médicas e, dentro desta
categoria, o radiodiagnóstico é o que detém a maior porcentagem. Devido a esta constatação, todo esforço deve ser
direcionado no sentido de controlar e reduzir estes valores, o que pode ser atingido através da aplicação efetiva dos
preceitos de proteção radiológica. Maiores detalhes sobre as radiações ionizantes e o conjunto experimental que se
propõe neste trabalho para monitoramento dessa radiação, pode ser visto no projeto proposta.
2. Atividades Realizadas
Com o auxilio dos computadores portáteis Dell D620 acoplamos três detectores (Nêutrons Térmicos He-3,
raios gama NaI(TI) e radiação geral Geiger Muller RM-60) com saída de dados através da porta serial e com softwares
específicos.
O detector de raios X e gama foi calibrado para coletar fótons com energia entre 30 KeV até 10 MeV. A
calibração dos detectores e eletrônica foi realizada no Laboratório de Medidas Ambientais da Divisão de Física
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Aplicada (EFA) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do CTA (SP). Foram utilizadas as seguintes fontes de
radiação para a calibração:
60
Co para energias de 1,17 e 1,33 MeV com resolução em energia nesses picos de energia,
1.
137
Ce na energia de 661 KeV com resolução em energia nesse pico de energia,
2.
3. 241 Am na energia de 59 KeV com resolução em energia nesse pico de energia,Na energia de 511 KeV e
1,274 MeV resolução em energia nesses picos de energia.
O detector de nêutrons térmicos também foi calibrado no ENU na janela de energia de 0,03 eV a 10 MeV. Para
isso foi utilizada uma fonte Am-Be com espectro médio de energia em 4,45 MeV. Foram utilizados moderadores de
parafina com várias dimensões para atenuar os nêutrons e aumentar a eficiência de detecção dos mesmos. Para facilitar
o processo de medidas tanto dos nêutrons térmicos como da radiação X e gama ambiental na interface solo-ar foram
usadas somente contagens/unidade de tempo.
Após as calibrações iniciamos as medidas diárias a partir de setembro de 2008, onde os aparelhos eram
posicionados em locais idênticos, isto, para dias ensolarados, chuvosos e nublados realizando medidas em intervalo de
tempo específico de cada detetor, em geral variando 36 horas ininterruptas. Na Figura 1 mostra-se os detectores
acoplados ao computador portátil através do cabo serial.
Figura 1. Tubo de nêutrons (a), detector de raios gama e raios X (b), e sistema de aquisição de dados (c). Note que os
computadores registram contagens reais.
Os resultados obtidos foram analisados e armazenados no banco de dados, subdividindo em dias ensolarados,
nublados e chuvosos. Com os resultados obtidos das medidas, foram feitos gráficos dos dados dos três detectores, para
assim facilitar nossos estudos. Na Figura 2 mostra-se a localização de São José dos Campos
(23° 11′ 11″S, 45° 52′ 43″ W) a 600m do nível do mar onde foram adquiridos os dados. A Tabela 1 mostra todas as
datas e os tipos de radiações medidas no período do relatório.
Figura 2. Localização de São José dos Campos (SJC), Brasil.
Nesta Tabela inserimos algumas datas aleatórias e tipo de radiação que foram realizadas durante o ano de 2008
e 2009 e que devido a lista ser extensa não foi possível demonstra-la completamente. De todos os dias de contagens
apresentados na Tabela foi feito gráfico para cada radiação.
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Data
Radiação
Data
Radiação
Data
Rad(dose)
6/9/2008
5/10/2008
6/11/2008
9/12/2008
05/01/2009
02/02/2009
12/03/2009
06/04/2009
05/05/2009
11/06/2009
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
Nêutron
7/9/2008
1/10/2008
7/11/2008
26/12/2008
25/01/2009
26/02/2009
31/03/2009
29/04/2009
30/05/2009
30/06/2009
Gama
Gama
Gama
Gama
Gama
Gama
Gama
Gama
Gama
Gama
9/10/2008
6/11/2008
22/11/2008
5/12/2008
14/01/2009
17/02/2009
28/03/2009
18/04/2009
01/05/2009
22/06/2009
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
µR/h
Tabela 1. Data e tipo de radiação medida.
3. Descrição do Problema
O objetivo do trabalho envolvendo as quatro estações (primavera, verão, outono e inverno) era de obter o nível
médio para cada radiação, ou seja, nêutrons térmicos, gama e partículas carregadas em pressão atmosférica e
temperaturas variadas. Porém os detectores ficaram no mesmo local (ITA-IEF) com interface solo-ar e mesmo processo
de análise dos dados. O processo iniciava a partir do acoplamento dos detectores ao computador portátil através da
porta serial, assim iniciando a contagem das medidas. No término das medições eram feitos gráficos com os dados e
salvo no banco de dados subdivididos pelo clima (ensolarado, chuvoso e nublado). A Figura 3 mostra alguns dados
recebidos enquanto que a Figura 4 seus respectivos gráficos. Estes últimos são guardados.
Figura 3. Exemplo de dados colhidos após medição.
Figura 4. Gráficos típicos feitos a partir dos dados da Figura 3.
Baseado nesses dados diários no período de agosto de 2008 a julho de 2009 fez-se a média mensal e outros
gráficos necessários para conseguirmos fazer comparações e estudos com eles.
4. Resultados Obtidos
Baseado na descrição do problema os gráficos abaixo mostram-se os resultados das medidas realizadas no
período de setembro de 2008 a junho de 2009 com os detetores colocados no campus do ITA (IEF) na região de São
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José dos Campos. As Figuras 5,6 e 7 mostram os gráfico aleatórios feitos diariamente a partir da aquisição de dados
durante o ano dos detectores Gama, Geiger e Nêutron. Destes gráficos são tiradas as médias diárias para assim
conseguirmos a média mensal.
Figura 5. Gráfico diário de nêutron do dia 01 de Janeiro de 2009.
Figura 6. Gráfico diário do geiger do dia 07 de dezembro de 2008.
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Figura 7. Gráfico diário de gama do dia 24 de Abril de 2009.
As curvas dos gráficos mostram médias diárias durante os meses de medições e com elas obtivemos as médias
dos meses. Os dados afetados ou contaminados pela rede elétrica foram excluídos da análise.
Figura 8. Gráfico da Variação de Nêutrons no Período de Setembro/2008 a Junho/2009.
Na Figura 8 mostra o nível de contagens de nêutrons. Nota-se claramente que os meses entre dezembro a
março os níveis de radiação é maior em comparação com os meses anteriores e restantes, isto se deve ao fato das
relações climáticas, pois com o clima mais úmido faz com que os níveis de radiação sejam maiores e com a diminuição
das chuvas e da umidade faz-se o nível Diminuir. Este fato está sendo revelado experimentalmente neste projeto, para o
caso das medidas de nêutrons térmicos na região.
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Figura 9. Gráfico da Variação de dose µR/h no Período de Setembro/2008 a Junho/2009.
A Figura 9 mostra-se os níveis de dose (microRöntgen/hora) durante os últimos dez meses. Nota-se que em
todos os meses os níveis de dose são praticamente os mesmos. No entanto houve maior dispersão dos sinais no período
de dezembro até fevereiro em razão da alta umidade e maior freqüência das chuvas neste período.
Figura 10. Gráfico da Variação de Radiação Gama no Período de Setembro/2008 a Junho/2009.
A Figura 10 mostra os níveis de variação da radiação gama dos meses de setembro/2008 a junho/2009 e como
se pode observar, o gráfico segue as mesmas características dos gráficos anteriores, devido ao clima nos meses entre
dezembro a fevereiro serem mais úmido e com maior freqüência das chuvas, oque explica o aumento das radiações
ionizantes.
Nota-se que no período de dezembro a março onde começou o período com maior umidade do ar e chuvas
mais freqüentes ocorreu um aumento significativo de radiações. Os demais meses que foram com dias mais ensolarados
e umidade baixa ocorreu uma diminuição de contagens.
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Obtivemos nesse período, precisamente no dia 09 de janeiro de 2009 em São José dos Campos a detecção da
presença de nêutrons durante fortes relâmpagos próximo a região do detector, esse evento durou cerca de 2 minutos e o
valor de pico foi de 690 n/min, como mostra a Figura 11.
Figura 11. Gráfico de nêutrons no instante do relâmpago.
Com os detetores atuando simultaneamente, foi possível verificar nos três tipos de radiação que houve
aumento da radiação devido à umidade do ar, demonstrando que as chuvas e tempestades trazem com elas radiações
ionizantes. Os desvios de cada tipo de medidas estão relatados na conclusão.Uma grande quantidade de medidas
continuará sendo processada e armazenada no banco de dados, para assim melhorar nossos estudos e posteriormente
publicar os níveis de radiação ionizante na região de São José dos Campos/SP.
5. Conclusão
No período de setembro/2008 a Junho/2009 foi elaborado um banco de dados constituído de medidas da
radiação ionizante na região de São José dos Campos. Com isso conseguiu-se medir durante todo ano o nível médio das
radiações gama, nêutrons térmicos e partículas carregadas(GM), nesta região. As medidas foram separadas conforme o
clima local (ensolarado, chuvoso e nublado). Alguns dados contaminados ou afetados pela rede elétrica local (variações
e interrupções) ou mesmo por trovoadas e relâmpagos foram eliminados para não danificar todo trabalho. Com estas
medidas foram feitos gráficos de minuto em minuto, por hora e diários e obtidos as médias diárias, mostradas nas
figuras anteriores. Pode-se notar nos gráficos mensais que no período de setembro a novembro e março a junho as
contagens são menores e mais estáveis, no entanto nos meses de dezembro a fevereiro as contagens foram maiores e
mais variáveis. Com a presença da umidade e chuvas mais freqüentes a média das contagens é aumentada de ~15%,
mostrando-se que a radiação ionizante em baixa energia é muito dependente da pressão e da umidade relativa do ar e do
volume de gotículas de água na baixa atmosfera. A média de contagem de nêutrons foi de 1.5 contagens/minuto, a de
radiação gama foi de 8750 contagens/10segundos e o geiger foi dose de 30 µR/h, sendo maior a média em todas as
radiações, durante o verão devido a freqüentes chuvas e relâmpagos na região.
Durante esse período a densidade do ar por gotículas de água suspensa (vapor) é grande e provoca maior
interação de raios cósmicos com a atmosfera produzindo a radiação que mediu-se na interface solo-ar. Os relâmpagos
são outra possível fonte de produção de nêutrons térmicos nessa interface. Embora seja extremamente difícil detectá-los
atribuiu-se a eles o pico de contagem observado. Este resultado embora preliminar, já foi apresentado em duas
Conferencias Internacionais, este ano, sendo uma em Moscou na Rússia e outra em Pennsylvania State College (AGU)
nos Estados Unidos em março e maio de 2009 respectivamente.
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A contagem elevada atribuída aos relâmpagos abriram novas frentes de pesquisas sobre esse fenômeno que
continuará sendo estudado, analisado em seus aspectos teóricos e publicado posteriormente. Atualmente nota-se que
nuvens cumulunimbus atingem altitudes elevadas ~15 km, e os intensos relâmpagos indicam ser fontes importantes de
radiação X e gama e neutrons que escapam para a ionosfera da Terra. Tanto a parte teórica como experimental desse
fato é de interesse atual.
6. Agradecimentos
Agradeço a Deus por me ajudar a seguir minha vida, a minha família que me ajuda em todos os momentos.
Agradeço ao Prof. Dr. Inácio Malmonge Martin, pois me ajuda desde o início da minha faculdade me orientando nos
estudos, agradeço ao IEAv (Dr. Odair Lélis Gonçales) que ajudou com as calibrações dos detetores, agradeço ao
ITA/CTA pelo apoio as pesquisas e ao CNPq que tanto ajuda nós estudantes e que possam utilizar nossos trabalhos para
algo benéfico a todos no Brasil.
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