Programa de Iniciação Tecnológica

Orientador : Alexandre Soares Leal

Orientando : Frederico Vinícius de Souza Leite

Uso de tecnologia nuclear para

detecção de material

ilícito, potencialmente destrutivo e

radioativo

Frederico Vinícius de Souza Leite

1 - Motivação

• Aumento acentuado de atentados terroristas o crescimento

e enriquecimento de poderosos cartéis do tráfico de

drogas

• Herança de inúmeras guerras travadas ao longo do século

XX: vários países, inclusive da Europa, tem, até hoje,

minas terrestres espalhadas por seu território

• Tráfego intenso de pessoas e mercadorias – é preciso

controlar o que passa pelas fronteiras

Cresce a busca por garantias de segurança, para se evitar

novos desastres e impedir a entrada de

drogas, armamentos, e material radioativo pelas fronteiras

mais movimentadas do mundo.

• Torna-se cada vez mais necessário encontrar-se métodos

novos de inspeção, não destrutivos, rápidos e mais

eficazes, para assegurar as fronteiras em aeroportos e

portos

• É preciso conseguir superar a tecnologia e os métodos

usados pra disfarçar o material ilícito.

2 - Métodos de inspeção

• Diversos métodos vem sendo desenvolvidos. Resultados

bastante satisfatórios foram obtidos com o uso de

tecnologia nuclear – métodos baseados em reações

nucleares

2.1 - Uso da radiação para inspeção visual

• Amplamente utilizado e bem aceito já pela população em

geral

• Comercialmente estabelecido

• Tecnologia atual permite dispositivos fixos e até mesmo

portáteis

Radiografia por Raios - X

• Mais comum, muito presente em aeroportos.

Figuras: “Contraband detection with fast neutrons” - Andy BUFFLER

• Disponível comercialmente atualmente em dispositivos

portáteis, alguns até do tamanho de uma maleta, com

fonte própria de raios-X

Figuras retiradas de INSTRUMENTAL TECHNIQUEFOR THE DETECTION AND IDENTIFICATION OFRADIOACTIVE, FISSILE AND EXTRA HAZARDOUSSUBSTANCES - Nikolay R. KUZELEV, I.N. IVANOV,Vyacheslav M. YUMASHEV

Radiografia por Raios Gama (gamagrafia)

• Similar a conhecida radiografia por raios-X, usa fontes

radioativas, tais como o Cobalto - 60 (60Co) ou o Irídio -

192 (192Ir)

• Usa um detector de raios gama para gerar imagem a partir

da interação desses raios com a matéria.

• Precisão da imagem depende da fonte de raios gama

utilizada e das propriedades da matéria inspecionada

Imagem obtida da inspeção de automóveis utilizando raios gama . Osresultados obtidos são similares aos que usam raios-X parareconstruir a imagem.

Figura: “Contraband detection with fast neutrons” - Andy BUFFLER

2.1.2 - Limitações

• Inspeção meramente visual pode não ser suficiente. A

eficácia da investigação depende muito do fator humano

• No caso já citado das minas terrestres, não há como

utilizar mera inspeção visual

• Mesmo com a tecnologia mais desenvolvida, radiografias

são pouco sensíveis aos elementos mais leves, como

H, C, N, O – principais componentes de explosivos

2.2 – Técnicas Alternativas

• Uma possível solução é uma análise elementar da amostra

investigada, baseada nos produtos obtidos de reações

nucleares

• Obtém-se uma descrição qualitativa e quantitativa da

amostra, em termos de sua composição molecular

2.2.1 -Técnicas Passivas

• Ideais para detecção de elementos naturalmente

radioativos, como os chamados SNM (special nuclear

materials)

• Materiais radioativos emitem constantemente nêutrons

e/ou raios gama, em quantidades apreciáveis

• Para aumentar a eficácia, dispositivos possuem detectores

de nêutrons e de raios gama

• Tecnologia dos detectores continua em desenvolvimento -

atualmente utiliza semicondutores, capazes de detectar

traços cada vez menores de radiação

Detector de carboneto de silício sendo testado em laboratório nos EUA

Figura: “Fast Digitization and Discrimination of PromptNeutron and Photon Signals Using a Novel Silicon CarbideDetector” - Brandon W. Blackburn , James T. Johnson, Scott M. Watson , David L. Chichester, James L. Jones , Frank H. Ruddy, John G. Seidel , Robert W. Flammang

2.2.2 -Técnicas ativas

• No caso de materiais que não emitem naturalmente quantidades consideráveis de radiação, usa-se técnicas ativas

• A amostra é ativada – bombardeada por radiação direcionada, ela é “forçada” a emitir radiação, devido as reações nucleares impostas a ela

A colisão de um nêutron bombardeado com o núcleo de

um isótopo excita o mesmo a um estado energético

instável. O decaimento espontâneo de volta ao estado

inicial (estável) envolve a emissão de partículas sub-

atômicas e de energia – raios gama

• Os produtos dessas reações tem energias características

para átomos de cada elemento.

• A análise dessa energia permite a determinação

molecular quantitativa e qualitativa do material

inspecionado

• Resultados são obtidos pela análise de espectrogramas –

radiação emitida é detectada e quantificada

Espectrogramas característicos de alguns materiais e elementoscomumente encontrados nas investigações

Figura: “Contraband detection with fast neutrons” - Andy BUFFLER

2.2.3 -Variações

• Há técnicas diferentes baseadas nesse mesmo princípio –

algumas utilizam nêutrons térmicos (baixa energia),

outras usam nêutrons epitérmicos (média energia),

nêutrons rápidos (alta energia)

• Faltam ainda estudos eficazes para determinar qual delas

seria a mais eficiente

• O princípio de funcionamento é o mesmo : detecta-se a

radiação emitida pela amostra ativada, quando essa

“decai” para um nível energético mais estável

Esquema de montagem de umdetector por ativação neutrônicaa ser usado em aeroportos

Figura: “Contraband detection with fast neutrons” - Andy BUFFLER

• Técnica já disponível comercialmente, em diversas

montagens

Figura do caminhão : “Contrabanddetection with fast neutrons” -Andy BUFFLER

Essas duas máquinas sãoapresentadas num panfletovirtual de uma empresa russachamada Scientific andTechnical Center RATEC -“STC RATEC Security Systems”

Pode detectar até mesmo minas terrestres

• Recentes estudos tem conseguido bons resultados na

detecção de nêutrons epitérmicos refletidos, baseando-se

na determinação da concentração de

hidrogênio, tipicamente de 18 % em explosivos.

• Área ainda não consolidada – ainda é preciso mais

pesquisa para a determinação e o desenvolvimento de um

método definitivo

2.3 -Limitações dos métodos ativos e passivos

• É preciso diferenciar a radiação emitida que se quer medir

de radiação naturalmente presente, por vezes até de

material comum, como areia para gatos e fertilizantes

• Propõe-se que os métodos baseados em reações nucleares

sejam usados como suportes, para aferição precisa no

caso de detecção suspeita por métodos imagéticos

• Ainda são métodos caros comercialmente – faltadesenvolver a tecnologia afim de que seja financeiramenteviável sua implementação em larga escala

• Faltam estudos conclusivos a respeito do método que obtémos melhores resultados – qual fonte de nêutrons usar, qualtipo de nêutrons usar?

• O objetivo é um método que seja rápido e eficiente

3 - Conclusão

• Os métodos analíticos baseados em tecnologia nuclear

vem sendo empregados há algum tempo, mas ainda não

foram esgotadas suas potencialidades.

• O desenvolvimento tecnológico tem contribuído

significativamente para a obtenção de resultados cada vez

mais precisos e confiáveis.

• Tais técnicas já são reconhecidas como boas opções para

investigação não invasiva, e já são usadas em alguns

países

• O óbvio interesse econômico nessa área é um fator

crucial para o avanço da pesquisa e do desenvolvimento

FIM