Programa de Iniciação TecnológicaOrientador : Alexandre Soares Leal

Orientando : Frederico Vinícius de Souza Leite

Aplicações da técnica PGNAA

Frederico Vinícius de Souza Leite

Motivação

Longe de representar uma pesquisa exaustiva sobre o assunto, esse trabalho tem a intenção apenas de exemplificar algumas das aplicações atuais da técnica PGNAA.

Certamente encontrar-se-á diversas aplicações aqui não listadas, uma vez que a técnica em questão vem sendo amplamente aplicada nas mais diversas áreas.

Introdução

• Apesar de ser uma técnica relativamente nova, diversas variações da análise por ativação neutrônica vem sendo desenvolvidas ao longo dos anos

• Trataremos aqui da análise por raios gama “prontos”, ou Prompt Gamma Ray Neutron Activationa Analysis

• É farta a literatura que trata de todos esses métodos, sendo fácil encontrar mais informações sobre os mesmo

Base teórica

• A técnica é baseada em reações nucleares.

• Quando um nêutron colide com o núcleo de certo isótopo, este núcleo é excitado a um nível energético instável

• Esse núcleo decai naturalmente para um estado energético estável, emitindo , no processo, partículas sub-atômicas e energia – os raios gama

• Os raios gama emitidos no processo possuem espectro de energia característico para cada elemento

• Esse espectro pode ser reconhecido como a assinatura de cada elemento

Aplicações - exemplos

Detecção de agentes químicos e explosivos em armamento militar

• Armamentos antigos, armazenados, abandonados ou não detonados em campos de batalha podem ser de difícil identificação

• É preciso conhecer sua composição química para descartá-los de maneira segura

• Bombas e projéteis não detonados são envoltos por aço

• É preciso sondar o interior de maneira não intrusiva – grande risco de detonação ou vazamento de agente químico

• Nêutrons penetram facilmente o invólucro de aço de bombas e projéteis de artilharia.

• Raios gama emitidos também penetram o aço possuem espectro característico, detectado por um detector externo

• PGNAA é usada para vasculhar o interior de armamentos.

• Usa-se um detector de germânio de alta pureza para poder separar com precisão o sinal do conteúdo do armamento do ruído produzido pelo corpo (invólucro)

Projétil de artilharia sendo vistoriado usando-se a técnica PGNAA – Os resultados são obtidos em tempo real

Figura: "NONDESTRUCTIVE IDENTIFICATION OF CHEMICAL WARFARE AGENTS AND EXPLOSIVES BY NEUTRON GENERATOR-DRIVEN PGNAA"T. R. TWOMEY , A.J. CAFFREY , D. L. CHICHESTER

• Técnica não detalha as ligações químicas, mas descreve a concentração da composição elementar, o que já o suficiente para diferenciar explosivos comuns de agentes químicos

Comparação da concentração elementar entre explosivos comuns (Table 2) e agentes químicos de guerra (Table 1). Essa diferença é suficiente para diferenciá-los

Tabelas: "NONDESTRUCTIVE IDENTIFICATION OF CHEMICAL WARFARE AGENTS AND EXPLOSIVES BY NEUTRON GENERATOR-DRIVEN PGNAA"T. R. TWOMEY , A.J. CAFFREY , D. L. CHICHESTER

Análise da composição elementar do corpo humano

• Quantificar a concentração de certos elementos no corpo humano pode ser de grande importância para a medicina

• Útil para pesquisas de fisiologia em geral : diagnóstico de várias doenças, principalmente câncer

• Baseando-se em padrões definidos empiricamente para normalidade, pode-se detectar alterações significativas para o diagnóstico e também para o tratamento

• Padrões tem de ser bastante detalhistas – diversas correções devem ser feitas relativas a idade, ao peso, ao sexo, à etnia

• Análise do espectro obtido pela PGNAA provê a concentração dos principais elementos no corpo humano

Espectro obtido da irradiação de um voluntário do sexo masculino, irradiado do ombro até os joelhos (hidrogênio é o elemento mais abundante)

"Body Composition Analyzer Based on PGNAA Method” , Hamed PANJEH , Reza IZADI-NAJAFABADI"

• Medição da quantidade total de nitrogênio possibilita estimar massa muscular, importante no acompanhamento de doenças degenerativas

• Nitrogênio é a emissão de maior energia - nitrogênio é usado para contagem de proteína, já que 16% delas é nitrogênio

• Combinando medição de nitrogênio com medição de potássio, pode-se determinar a massa de órgãos e tecido muscular

• Estimativa da concentração elementar pode auxiliar na determinação do melhor tratamento de diversas doenças

Esquemático do protótipo de uma máquina para análise de um corpo humano

"Body Composition Analyzer Based on PGNAA Method” , Hamed PANJEH , Reza IZADI-NAJAFABADI"

Caracterização química de material extraterrestre

• Missões espaciais

• Quando se tem amostras muito pequenas trazidas de outros planetas, não pode-se usar métodos químicos para analisá-las.

• Precisa-se de métodos não destrutivos

• PGNAA é um ótimo candidato

• Não se conhece a priori a composição do material

• Precisa-se de método analítico com sensibilidade para a maior quantidade possível de elementos

• A amostra deve permanecer o menos alterada possível

• PGNAA cumpre todos os requisitos

• Sensibilidade para os elementos de interesse

• Faz a análise sem destruir ou alterar a amostra

• Amostra permanece intacta, podendo ser posteriormente investigada por outros métodos - basta aguardar o tempo de decaimento - , como PAA (Photon Activation Analysis)

Análise de objetos de valor arqueológico

• Situação similar a do material extraterrestre

• Material escasso, delicado, de grande valor comercial e científico

• Conhecimento da composição molecular dá pistas sobre a origem geográfica do objeto, seu processo de fabricação, seu contexto histórico

• PGNAA usa nêutrons de baixa energia, que não danificam a amostra

• A amostra não tem q ser preparada, pode ser posicionada diretamente no sistema

• Dependendo do tamanho do objeto, ele não precisa nem mesmo ser amostrado – pode ser posicionado inteiramente no sistema

• Uma dificuldade: PGNAA não consegue diferenciar o que é do objeto, e o que está nele devido ao envelhecimento, corrosão etc.

Pedaço de uma moeda de prata Romana, de data estimada do ano de 141 D.C. investigada pela técnica PGNAA

Figura: “Non-destructive analysis of historical silver Coins” ,Z. KASZTOVSZKY, in “ANALYTICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR TECHNIQUES”, org. IAEA

Detecção de metais pesados misturados ao lixo comum

• Determinar o processo correto para processamento do lixo

• No processamento do lixo, grandes concentrações de mercúrio, cádmio ou chumbo podem resultar em emissão de gases

• Não apenas ocorre a poluição do ambiente, como atrapalha o próprio processo de processamento do lixo

• Os gases emitidos são extremamente tóxicos aos seres humanos também (não apenas ao ambiente)

• É preciso descartar corretamente o lixo, mas não é simples vasculhar a enorme quantidade de lixo produzida cotidianamente

• Usa-se PGNAA como uma técnica bastante confiável, que automatiza o processo de busca pelos materiais tóxicos

• Ao contrário dos métodos tradicionais, que usam química, PGNAA não gera lixo adicional

• Pode-se vasculhar latões inteiros de lixo em muito pouco tempo

• Análise garante que o lixo perigoso seja descartado da maneira correta- maior segurança

Protótipo de um sistema de análise de lixo. Um latão inteiro de lixo é colocado sobre as esteiras, e passa pela máquina sendo ele todo vasculhado em pouco tempo

Figura : “PGNAA System for the Assay of RCRA Metals in Mixed Waste: A Review”, Abdul R. Dulloo

Aplicações industriais

• Indústria de petroquímicos, extração e processamento de minerais, tratamento da água, indústria farmacêutica, etc.

• Possibilita análise em tempo real – monitoração de processos

Exemplo - mineração

• Aumenta a vida útil da mina pela otimização dos seus recursos

• Poupa tempo e dinheiro - faz a análise contínua em tempo real, sem a necessidade de amostragem para controle de qualidade do minério processado

• Qualquer alteração na linha produtiva é percebida e denunciada na hora - características da rocha são constantemente monitoradas

• Fornece informações seguras para a calibragem de processos industriais

Esquema de um analizador insdutrial que utiliza a técnica PGNAA

Figura: “CBX-M (CrossBelt Xpert-Minerals) Online PGNAA Elemental AnalyzerAssuring Consistent Raw Material Composition”, Thermo Scientific

Exemplo – produção de cimento

• PGNAA oferece medição rápida e precisa dos principais ingredientes do cimento cru

• Controle das concentrações desses ingredientes é essencial no processo de fabricação de cimento de alta qualidade

• Esse tipo de análise é muito mais rápida do que as análises químicas tradicionais, e possibilita a análise de grandes quantidades do material

• Os tempos de medição ficam abaixo de 15 minutos, enquanto os métodos químicos tradicionais consomem tempo acima de 8 horas

Esquema de montagem de um analisador industrial que usa a técnica PGNAA – no centro do sistema fica a caixa de cimento, logo acima do detector de raios gama.

Figura:"A Computerized Concrete Raw Meal Analyzer Using a D-D NeutronGenerator“, Xuesong ZHANG, Daowen CHENG, Deshan GU, Linmao LIU, Ming WANG

Conclusão

• São inúmeras as aplicações práticas da técnica PGNAA, em diversas áreas do conhecimento

• Como já dissemos, as aqui apresentadas estão estão longe de esgotar o longo rol de utilidades da técnica

• Aplicações comerciais tem sido cada vez mais desenvolvidas aproveitando as inúmeras vantagens que a PGNAA oferece

FIM