Programa de Iniciação Tecnológica

Orientador : Alexandre Soares Leal

Orientando : Frederico Vinícius de Souza Leite

Detecção de material e armas nucleares

Tecnologia de ponta em desenvolvimento nos EUA

Frederico Vinícius de Souza Leite

Este trabalho faz um resumo das tecnologias apresentadas no documento “Detection of Nuclear Weapons and Materials: Science, Technologies, Observations”, de Jonathan Medalia, datado de quatro de junho de 2010

O crédito de todas as informações e imagens aqui expostas se deve ao autor do documento.

Motivação

• Alta demanda por métodos de detecção de armas nucleares e materiais usados para fabricar armas nucleares nos EUA

• Necessidade de se inspecionar vias de entrada no país - portos, aeroportos, fronteiras

• Trânsito muito intenso de mercadorias que, tem de ser controlado : evitar a entrada de material perigoso

• É preciso método de inspeção que seja rápido, não intrusivo e eficaz – não pode prejudicar o fluxo de mercadorias

Como detectar material nuclear?

• Armas e materiais nucleares emitem radiação específica , com traços característicos

• Identificação pode ser feita pela detecção de fótons e nêutrons emitidos pelo material usado para fabricar armas nucleares

• Técnicas de inspeção visual também podem ser usadas para vasculhar cargas - radiografias

Tecnologia usada atualmente(comercialmente disponível)

• Detectores individuais : do tamanho de pagers, detectam radiação apenas a curtas distâncias e não identificam o material

• Portais de monitoração de radiação : usam lâminas de material cintilante, como PVT, para inspecionar veículos. São baratos, mas não identificam a fonte de radiação e causam muitos alarmes falsos

• Dispositivos de identificação de isótopos radioativos: operados manualmente, possuem software que consegue identificar radioisótopo por seu espectro de raios gama. São caros, delicados, pesados e têm de ser refrigerados com nitrogênio líquido.

• Sistemas de obtenção de imagens por radiografia: usam raios gama ou raios-X. Operador humano detecta material como uma imagem mais clara ou mais escura. Sujeito a falhas humanas e pouco imune a blindagens

• Cada equipamento disponível tem consideráveis limitações, o que impulsiona o contínuo investimento em pesquisa e desenvolvimento de novos equipamentos, técnicas e materiais

• Listaremos, a seguir, frentes de pesquisa relativas a detecção de material nuclear apresentadas ao Congresso dos EUA como as mais promissoras da atualidade

1- Nanocomposite Scintillators

• Novo material cintilante baseado em nanotecnologia - mais barato, fácil de fabricar e mais resistente

• Material cintilante é usado para detectar radiação: emite fótons de baixa energia quando atingido por fótons de alta energia

• Busca-se produzir um material que une as qualidades dos já conhecidos cintilantes inorgânicos (cristais, como NaI) e orgânicos (de plástico, como PVT)

• Usa nanocristais (cintilantes inorgânicos), de 2 a 5 nano-metros de diâmetro, densamente encapsulados em plástico de material cintilante (orgânico)

• Material pode diferenciar nêutrons de raios gama, unindo num único dispositivo um detector duplo

• Material flexível e resistente, pode ser fabricado por processos industriais já existentes

2- Novos softwares para processamento de dados

• Em campo , fora de ambientes controlados, a detecção é sensível a uma grande quantidade de interferência do ambiente - é preciso filtrar ruídos

• São necessários algoritmos para tratamento dos dados obtidos

• Softwares têm de ser rápidos e eficientes

• GADRAS - Gamma Detector Response and Analysis Software - inclui seis algoritmos de análise de radiação

• Faz uma análise de todo o espectro, ao invés de analisar apenas os picos

• Faz análise do fluxo de nêutrons - usa dados de raios gama E de nêutrons

• Detecção suspeita obtida em campo pode ser enviada para laboratório especializado para análise detalhada usando GADRAS

3- Modelagem computacional para avaliar a capacidade de

detecção • É mais barato, mais fácil e mais rápido fazer

simulações computacionais do que testes físicos

• Vários programas têm sido desenvolvidos para testar computacionalmente o desempenho de detectores e de algoritmos de tratamento de dados

• É preciso simular as diversas variáveis que interferem numa detecção, criando um cenário virtual confiável, o mais próximo possível da realidade

• Está em desenvolvimento um programa especial:DMOA - Detection Modeling and Operational Analysis

• Programa permite realizar simulações de risco, impraticáveis fisicamente

• Permite realizar centenas de simulações por dia, a custos muito mais baixos, além de auxiliar na avaliação dos algoritmos de processamento de dados já existentes

• Auxilia nas decisões finais de investimento, poupando tempo e dinheiro

4- CAARS - Cargo Advanced Automated Radiography System

• Sistemas de radiografia de carga automatizado

• O próprio equipamento já detecta o material suspeito e indica sua posição na carga

• Reduz o fator humano da análise - redução de erros

• Baseiam-se na interação de fótons com a matéria

• Dual-energy: sistema que usa fótons de até 6 Mev e de até 9 Mev. A matéria interage de maneira diferente para fótons de cada uma dessas energias.

• Três grandes sistemas de CAARS são desenvolvidos paralelamente

4.1- L3 CAARS

• Usa um compartimento de concreto grande, que suporta até dois caminhões ao mesmo tempo

Esquemático do CAARS L3 e imagem obtida pelo sistema

• Dois aceleradores produzem raios-X de até 6 Mev e 9 Mev.

• Além de detectar material de alto número atômico, é capaz de criar imagens como radiografias, usando a relação dos fótons de 6 e 9 Mev com a matéria

Imagem de uma radiografia obtida com o sistema dual-energy. Aos materiais de número atômico mais alto, o algoritmo associa uma coloração mais escura

• Áreas suspeitas são destacadas automaticamente pelo algoritmo, o que diminui a dependência do fator humano

• Porém, o sistema não diferencia SNM (Special Nuclear Material) de qualquer material de alto número atômico

• Reduz, mas não elimina os alarmes falsos

• A montagem do sistema é muito grande (espaço é valioso em portos, fronteiras e entrepostos comerciais)

• Carga passa pelo compartimento puxada por caminhões

• O tempo de análise ainda é alto - operador tem que manobrar o caminhão, descer do caminhão, e, depois de feita a varredura, retirar o caminhão do compartimento

4.2 - SAIC CAARS

• Trabalha também com o sistema dual energy, mas usa apenas um acelerador, que gera elétrons de 6Mev e 9Mev, em pulsos alternados

• Elétrons atingem um alvo de cobre e geram fótons com espectro de até 6 Mev e 9 Mev. Fótons passam pelo contêiner e são detectados do outro lado.

• Trabalha com fluxo de fótons muito menor, o que possibilita um sistema muito mais compacto. Elimina a necessidade de grandes estruturas de concreto

Protótipo do SAIC CAARS - mais compacto que o L3 CAARS, pois não há necessidade de blindagem tão poderosa

• Consegue diferenciar até 15 bandas diferentes de número atômico, o que ajuda a detectar outros materiais ilícitos, como armas e drogas

Radiografia obtida pelo sistema SAIC CAARS - a cada banda de número atômico é artificialmente associada uma coloração diferente

4.3 - AS&E CAARS

• Baseado em outro princípio físico : “backscattered X-rays”

• Quanto projeta-se raios-X sobre um objeto, em trajetória linear, o número de fótons que são desviados para trás, na direção oposta do raio incidente, é altamente proporcional ao número atômico

• Usa tecnologia EZ-3D (effective Z- 3D)

• Raios-X são colimados, de modo que se cria um feixe de raios que viaja na mesma direção. Esse feixe é incidido sobre o objeto verticalmente, de cima para baixo.

• A carga vai sendo puxada por um caminhão, de maneira que toda ela seja vasculhada

• O sistema é desenvolvido para soar um alarme automaticamente

• Projetado para ser um sistema auxiliar: a carga primeiro passaria por uma radiografia para identificar áreas densas, que depois seriam examinadas em detalhe pela unidade EZ-3D.

• Forma-se imagens em três dimensões

• Raios-X são lançados ao chão, que absorve a maior parte deles, reduzindo necessidade de proteção radioativa

Diagrama esquemático da tecnologia EZ-3D. Raios-X incidem de cima para baixo, e forma-se imagens de “fatias” da carga, que, ao ser arrastada ao longo do sistema, é toda ela vasculhada

5 - Tomografia por meio de muons

• Muons são partículas subatômicas pesadas que ocorrem naturalmente quando raios cósmicos atingem átomos na atmosfera da Terra. São altamente energéticas (por volta de 3 bilhões de elétron-volts).

• Muons tem grande poder de penetração

• Muons são defletidos pela matéria, em quantidades determinadas estatisticamente pela densidade e pelo número atômico da mesma

• Tomografia muon mede a trajetória de cada muon antes de entrar na carga e depois que atravessa a carga. Do ângulo de deflexão se mede baixa, média,

ou alta densidade e/ou número atômico

• O quanto o muon se deslocou na sua trajetória de saída, em relação a trajetória de entrada indica a densidade, a localização e a espessura do material

• Um algoritmo processa os dados e cria uma imagem em 3 dimensões

Imagem tridimensional obtida usando-se a tomografia por meio de muons

• Trabalha-se com uma configuração “de cima para baixo” (top-bottom), para poupar espaço, elemento vital em portos e fronteiras

Esquema de montagem do sistema da tomografia muon - configuração “top-bottom”

• Muons ocorrem naturalmente - não necessita de fonte de radiação, não precisa de proteção (blindagem) nem de isolamento

• Pode ser usado em fronteiras terrestres para vasculhar até mesmo carros tripulados

• Como muons atravessam até 15 metros de água, pode ser feito um sistema para varrer pequenas embarcações sem retirá-las da água

• Apenas indica regiões de interesse nas cargas, não consegue identificar o material.

• Não diferencia um material de número atômico alto de outro material de número atômico alto

• Pode causar muitos alarmes falsos

6- NRF(Nuclear Resonance Fluorescence)

• Quando um núcleo é atingido por um fóton com a exata energia da frequência de ressonância, ele é induzido a um estado excitado.

• Ao decair, o núcleo libera fótons um pouco menos energéticos do que o absorvido. NRF gera um espectro único para cada isótopo

• Um acelerador gera um feixe de raios-X. Um detector grava o espectro de radiação gerado pelo material interrogado e um algoritmo compara os resultados com uma biblioteca de espectros conhecidos

Montagem para NRF. Detectores são colocados atrás do feixe e ao lado da amostra, para diferenciar os fótons emitidos pela amostra dos fótons incidentes do feixe.

• O sistema reconhece e identifica cada isótopo, e denuncia sua presença sem a necessidade de operador humano

• Pode identificar vários materiais, não apenas SNM

• Consegue caracterizar uma arma nuclear detectada - descreve sua composição

• Envolve alta emissão de radiação. Necessita de blindagem pesada, o que leva a montagens grandes e de alto custo

7 - Detecção de material nuclear a distância

• Pretende-se desenvolver sistemas de detecção com alcance de 1 km ou mais

• Metas: distância do acelerador até o alvo maior do que 100m, idealmente 1 km. Distância do alvo até o detector maior do que 50m, idealmente 500m. Tempo de detecção abaixo de 10 min, idealmente menor que 1 minuto. Peso máximo da carga de 8 toneladas

• PITAS (Photonuclear Inspections and Threat Assessment System)

• Usa um acelerador linear, que gera um raio de elétrons de 30 Mev, gerando raios-x direcionados ao alvo.

• Detector pode ser posicionado junto ao acelerador, mas tem mais eficiência se posicionado próximo ao alvo investigado

• Os equipamentos até então desenvolvidos permanecem ainda em fase estritamente experimental

Montagem esquemática experimental do PITAS. Detecção de material nuclear a distância

Conclusão

Despende-se grande esforço e muito dinheiro na intenção de se desenvolver métodos que possibilitem investigações confiáveis e ao mesmo tempo rápidas e compactas.

O esforço se divide em várias frentes de pesquisa, que tem obtido resultados mais ou menos satisfatórios.

Essas frentes não são necessariamente independentes: os resultados de uma podem ser de grande ajuda no desenvolvimento de outra, gerando um processo colaborativo de grande importância