( PDF ) Estudo da técnica de retroespalhamento de raios X e gama na inspeção de dutos compósitos

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ESTUDO DA TÉCNICA DE RETROESPALHAMENTO DE RAIOS X E GAMA NA

INSPEÇÃO DE DUTOS COMPÓSITOS

Cristyane Silva Santos de Oliveira

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa de Pós-graduação em Engenharia

Nuclear, COPPE, da Universidade Federal

do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de Mestre

em Ciências em Engenharia Nuclear.

Orientador: Ricardo Tadeu Lopes

Rio de Janeiro

Fevereiro de 2009

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ESTUDO DA TÉCNICA DE RETROESPALHAMENTO DE RAIOS X E GAMA NA

INSPEÇÃO DE DUTOS COMPÓSITOS

Cristyane Silva Santos de Oliveira

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ

COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE

EM CIÊNCIAS EM

ENGENHARIA NUCLEAR.

Aprovada por:

___________________________________

Prof. Ricardo Tadeu Lopes, D.Sc.

___________________________________

Prof. Marcelino José dos Anjos, D.Sc.

___________________________________

Prof. Delson Braz, D.Sc.

___________________________________

Prof. Henrique de Souza Rocha, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

FEVEREIRO DE 2009

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AGRADECIMENTOS

1. Retroespalhamento Compton. 2. Radiação X e

Gama. 3. Ensaios Não-Destrutivos. I. Lopes, Ricardo

Tadeu II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

COPPE, Programa de Engenharia Nuclear. III. Titulo.

Referências Bibliográficas: p. 66-70.

Dissertação (mestrado) - UFRJ/ COPPE/ Programa

de Engenharia Nuclear, 2009.

Orientador: Ricardo Tadeu Lopes

XIII, 72 p.: il.; 29,7 cm.

Estudo da Técnica de Retroespalhamento de Raios X

e Gama na Inspeção de Dutos Compósitos / Cristyane

Silva Santos de Oliveira – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,

2009.

Oliveira, Cristyane Silva Santos de

iii

Este trabalho é dedicado aos meus pais

À minha irmã Cristyne e ao meu namorado Denysson

AGRADECIMENTOS

À Deus, por iluminar meu caminho e dar força para percorrê-lo;

À minha família, pelo apoio, carinho, compreensão e incentivo constante;

Ao Programa de Engenharia Nuclear (PEN), pela confiança e oportunidade

concedida;

Ao professor e orientador Ricardo Tadeu Lopes, pela orientação, sugestões,

disponibilidade e paciência durante todo o desenvolvimento da Dissertação;

Ao professor Marcelino, pela dedicação e disponibilidade de compartilhar seus

conhecimentos, ajudando no desenvolvimento desta pesquisa;

Ao eng. Achilles Astuto e ao técnico José Marques pelo apoio recebido da oficina

mecânica;

Ao meu colega Davi, pela ajuda dada no decorrer do trabalho;

À toda equipe do LIN, sem a qual a realização deste trabalho seria inviável;

Aos amigos e amigas do LIN pela amizade, conversas, força e incentivos

indispensáveis à realização deste trabalho;

Aos colegas Dalton e Pedro, pela disponibilidade ajudando no desenvolvimento do

trabalho;

Ao meu namorado Denysson, o meu sincero agradecimento pela ajuda em cada

passo da Dissertação, pelo apoio e incentivo que me fizeram chegar até aqui;

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo

apoio financeiro.

À todo os professores que participaram da minha formação acadêmica;

À todas as pessoas que contribuíram de forma direta e indireta na realização deste

trabalho.

Resumo da Dissertação apresentada à COOPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ESTUDO DA TÉCNICA DE RETROESPALHAMENTO DE RAIOS X E GAMA NA

INSPEÇÃO DE DUTOS COMPÓSITOS

Cristyane Silva Santos de Oliveira

Fevereiro/2009

Orientador: Ricardo Tadeu Lopes

Programa: Engenharia Nuclear.

O uso de técnicas de inspeção de materiais para detecção de falhas tem sido de

grande importância na área industrial. A técnica de retroespalhamento de raios X ou γ tem

aplicações potenciais em quase toda situação na qual ensaios não-destrutivo são requeridos,

principalmente quando somente um lado da estrutura está disponível para exame. A

proposta deste trabalho foi realizar um estudo de viabilidade de um sistema de inspeção

para dutos compósitos por retroespalhamento Compton da radiação, tendo como objetivo a

detecção de defeitos nas junções das superfícies destes dutos, que são coladas com resina

epóxi. Foram usadas duas fontes, uma de raios X com tensão de 75 kVp e corrente máxima

de 250 µA, e de Amerício-241 com atividade de 7,4x10

Bq. Para isso foram obtidos

espectros de energias de pontos diferentes nas peças, posicionando o detector a

determinado ângulo da fonte e medindo o retroespalhamento de um volume pequeno ou

voxel. O detector utilizado foi de CdTe, modelo XR-100T, fabricado pela Amptek (USA).

Os espectros foram adquiridos através de um analisador multicanal, modelo Pocket

MCA8000A, também fabricado pela Amptek. A intensidade da radiação retroespalhada no

voxel é proporcional a densidade eletrônica no material. Então, através da varredura com as

fontes de raios X e γ foi possível fazer um estudo da intensidade dos fótons retroespalhados

nos dutos. Foram feitas medidas para analisar defeitos, como falta de adesão e falta de

adesivo, tendo como referência a análise de peças sem defeitos. Os experimentos

mostraram a viabilidade da técnica para a inspeção de juntas coladas de dutos compósitos

com resina epóxi.

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.)

STUDY OF THE TECHNIQUE OF BACKSCATERING OF X AND GAMMA RAYS

ON THE INSPECTION OF COMPOSITE PIPE

Cristyane Silva Santos de Oliveira

February/2009

Advisor: Ricardo Tadeu Lopes

Department: Nuclear Engineering

The inspection of materials for detection of internal failure is of great importance on

the industrial area. The γ-ray and X-ray backscatter technique has potential applications in

almost all cases in which the non-destructive essay are required, especially when only one

side of the structure is available for examination. The objective of this work was to perform

a feasibility study of an inspection system for composite pipes with Compton

backscattering of radiation, with the aim to detect defects in the joints of the areas of these

pipes, which are glued with epoxy resin. Were used two sources, an X-ray with tension of

75 kV and maximum current of 250 µA, and one of Americium-241 with 7,4x10

activity. For this purpose, spectra energy from different points of the pieces were obtained,

positioning the detector to certain angle of the source and measuring the backscatter of a

small volume or voxel. The detector used was of CdTe – model XR-100T, manufactured by

Amptek (USA). The spectra were obtained from a analyzer multi-channel – model Pocket

MCA8000A, manufactured by Amptek as well. The intensity of the backscattered radiation

from a voxel is proportional to electron density on the material. So, through scanning with

the sources of γ-ray and X-ray, was possible to study study the intensity of photons

backscattered in the pipes. Measures were made to analysis defects, as lack of adhesion or

lack of adhesive, using as reference non-defect pieces. The experiments showed the

feasibility of the technique for inspection of bonded joints of composite pipes with epoxy

resin.

vii

Sumário

CAPÍTULO I ..........................................................................................................................1

I.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................1

I.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...................................................................................... 4

CAPÍTULO II.........................................................................................................................7

FUNDAMENTOS TEÓRICOS .........................................................................................7

II.1 Interação da Radiação Eletromagnética com a Matéria ..........................................9

II.1.1 Efeito Fotoelétrico........................................................................................... 10

II.1.2 Efeito Compton...............................................................................................11

II.1.2.1 Equação Geral do Espalhamento Compton............................................14

II.2 Espectro de Energias..............................................................................................16

II.3 Espectro Eletromagnético......................................................................................17

II.3.1 Espectro de Raios X........................................................................................ 18

II.3.2 Espectros de Raios Gama................................................................................19

II.4 Geometria de Espalhamento ..................................................................................22

II.5 Detector CdTe........................................................................................................23

II.6 Eficiência do Detector............................................................................................24

II.7 Sinal de Detecção................................................................................................... 25

CAPÍTULO III .....................................................................................................................27

MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................................. 27

III.1 Fonte de Radiação X.............................................................................................27

III.2 Fonte de Radiação Gama...................................................................................... 27

III.3 Descrição do Sistema de Detecção....................................................................... 28

III.4 Descrição das Peças Analisadas ...........................................................................28

III.5 Metodologia.......................................................................................................... 30

III.5.1 Montagem do Arranjo Experimental.............................................................30

III.5.2 Dimensionamento do sistema........................................................................31

III.5.2.1 Sistema de Colimação............................................................................32

III.5.2.2 Ângulo de Espalhamento e Distância Fonte - Peça - Detector............36

III.5.3 Procedimento Experimental..........................................................................37

III.5.3.1 Calibração do sistema ...........................................................................37

III.5.3.2 Procedimento de Inspeção com Fonte de Raios X.................................39

III.5.3.3 Procedimentos de Inspeção com Fonte Gama de

241

Am .......................40

III.5.3.3.1 Estudo do Espalhamento na Peça..................................................40

III.5.3.3.2 Análise da Densidade Eletrônica...................................................41

III.5.3.3.3 Teste de Sensibilidade do Sistema..................................................42

III.5.3.3.4 Ensaio de Detectabilidade de Defeito...........................................43

CAPÍTULO IV .....................................................................................................................45

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS .................................................45

IV.1 Calibração em energia.......................................................................................... 45

viii

IV.2 Análise do Espalhamento de Raios X na Profundidade.......................................46

IV.3 Análise do Espalhamento de Raios Gama............................................................49

IV.4 Análise da Densidade Eletrônica..........................................................................54

IV.5 Sensibilidade do Sistema em Detectar Defeitos...................................................57

IV.6 Ensaio de Detectabilidade de Defeitos.................................................................62

CAPÍTULO V ......................................................................................................................63

CONCLUSÕES E SUGESTÕES..................................................................................... 64

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 66

APÊNDICE A ......................................................................................................................71

Lista de Figuras

Figura II.1- Fotopicos para diferentes ângulos de espalhamento dos fótons (JENKINS et al.,

1981).......................................................................................................................................8

Figura II.2 – Diagrama esquemático do efeito Fotoelétrico................................................. 11

Figura II.3 – Diagrama esquemático do efeito Compton. .................................................... 12

Figura II.4 – Espalhamento de um fóton em um ângulo, por unidade de ângulo sólido (dΩ)

(KNOLL,1989).....................................................................................................................13

Figura II.5- Distribuição espacial dos raios gama espalhados (Adaptada de GOUVEIA,

2000).....................................................................................................................................14

Figura II.6 - Esquema típico de um sistema de varredura utilizando a técnica de

espalhamento Compton (Adaptada de SILVA, 1997)..........................................................15

Figura II.7 - Espectro eletromagnético (MACEDO et al., 2000).........................................17

Figura II.8 – Esquema de ampola de raios X (ROCHA, 2001)............................................18

Figura II.9 - Espectro de radiação contínua (OLIVEIRA, 2007). ........................................19

Figura II.10 - Espectro teórico relativo a uma fonte gama monoenergética

(MONTANHEIRO, et al., 1977)..........................................................................................21

Figura II.11 - Espectro experimental do

137

Cs ao qual corresponde ao espectro teórico da

figura II.10 (MONTANHEIRO, et al., 1977).......................................................................21

Figura II.12 - Geometria de Espalhamento Compton. (MCFARLANE et al., 2003). .........22

Figura II.13- Esquema de um sistema de retroespalhamento a 90º...................................... 26

Figura III.1- Peça cortada de um duto compósito sem defeito em sua junção - visão frontal

(superfície) e visão lateral (profundidade)............................................................................29

Figura III.2- Dimensões e cortes dos dutos de 16 "..............................................................29

Figura III.3 – Peças montadas para ensaios simulando a originais; a) Ensaio para análise da

densidade eletrônica e b) Ensaio para o teste de detectabilidade de defeito. ....................... 30

Figura III.4 - Sistema de medidas utilizando a fonte gama de

241

Am. ................................. 31

Figura III.5 – Exemplo de disposição dos colimadores em um sistema fonte – detector

(Adaptada de Anjos, 1991)...................................................................................................33

Figura III.6 - Colimadores utilizados no sistema fonte-detector, com suas respectivas

dimensões. ............................................................................................................................ 35

Figura III.7 – Esquemas das inspeções e seus respectivos voxel.........................................36

Figura III.8 – Esquema do sistema de alinhamento dos colimadores para fonte gama........38

Figura III.9: Geometria de retroespalhamento de raios X, vista de cima.............................40

Figura III.10 – Arranjo experimental para análise da densidade eletrônica (visão lateral e

superior)................................................................................................................................42

Figura III.11 – Arranjo experimental para o teste da sensibilidade do sistema (visão lateral e

superior)................................................................................................................................ 43

Figura III.12 - Arranjo experimental para o ensaio de detectabilidade de defeitos (visão

lateral e superior)..................................................................................................................44

Figura IV.1 – Espectro de calibração do analisador multicanal –

241

Am.............................45

Figura IV.2 - Influência dos filtros nos espectros de feixes incidentes................................47

Figura IV.3 – Espectros da intensidade do feixe espalhado com relação a espessura em cada

ponto da peça com falta de adesivo...................................................................................... 47

Figura IV.4 - Espectros da intensidade do feixe espalhado com relação a espessura em cada

ponto da peça sem defeito. ...................................................................................................48

Figura IV.5 – Espectros de retroespalhamento da peça sem defeito em diferentes pontos na

região da resina.....................................................................................................................49

Figura IV.6 – Espectros de retroespalhamento da peça com falta de adesivo em diferentes

pontos na região da resina. ...................................................................................................49

Figura IV.7- Comparação entre os espectros de espalhamento de raios gama em relação a

profundidade na peça............................................................................................................ 50

Figura IV.8 – Curvas de calibração para as paredes 1 e 2 da peça.......................................52

Figura IV.10 - Comparação entre os espectros de espalhamento de raios gama da superfície

da peça e da resina num tempo de contagem de 5000 s. ......................................................54

Figura IV.11 – Contagens total com relação à profundidade de inspeção na peça.............. 55

Figura IV.12 – Gráfico da densidade eletrônica média em relação a espessura da peça. ....56

Figura IV.13 – Comparação entre as contagens da altura 1 das peças com falta de adesivo e

sem defeito............................................................................................................................57

Figura IV.14 – Comparação entre as contagens da altura 1 das peças com falta de adesão e

sem defeito............................................................................................................................58

Figura IV.15 – Comparação entre as contagens da altura 2 das peças com falta de adesivo e

sem defeito............................................................................................................................59

Figura IV.16 – Comparação entre as contagens da altura 2 das peças com falta de adesão e

sem defeito............................................................................................................................59

Figura IV.17 – Comparação entre as contagens da altura 3 das peças com falta de adesivo e

sem defeito............................................................................................................................60

Figura IV.18 - Comparação entre as contagens da altura 3 das peças com falta de adesão e

sem defeito............................................................................................................................60

Figura IV.19 - Comparação entre as contagens da altura 4 das peças com falta de adesivo e

sem defeito............................................................................................................................61

Figura IV.20 - Comparação entre as contagens da altura 3 das peças com falta de adesão e

sem defeito............................................................................................................................61

Figura IV.21 – Variação das contagens obtidas com a peça montada com relação à

profundidade na peça............................................................................................................ 62

Figura IV.22 – Variação das contagens com relação a largura do vazio..............................63

xii

Lista de Tabelas

Tabela IV.1 - Energias características da fonte gama de

241

Am com seus respectivos canais.

..............................................................................................................................................46

Tabela IV.2 – Contagens totais do fotopico principal de espalhamento nas partes da peça.50

Tabela IV.3 – Medidas de intensidades de fótons incidentes e transmitidos em cada material

da peça separadamente e suas espessuras.............................................................................51

Tabela IV.4 – Coeficientes de absorção linear dos feixes incidentes e espalhados nas partes

da peça.................................................................................................................................. 53

Tabela IV.5 – Total de contagens de toda região do fotopico principal de espalhamento na

superfície da resina e da peça. ..............................................................................................54

Tabela IV.6 – Coeficientes de Absorção Linear do ar para os feixes de raios γ incidentes e

espalhados............................................................................................................................. 56

xiii

CAPÍTULO I

I.1 INTRODUÇÃO

Os compósitos de polímeros termofixos reforçado com fibras, tipo fibra de vidro,

também conhecidos no Brasil como plásticos reforçados com fibra de vidro e materiais

compósitos, ou somente como fiberglass, consistem em materiais de moldagem estrutural,

formados por uma fase contínua polimérica (resina) e uma fase descontínua (fibra de

reforço), que se agregam físico-quimicamente após um processo de crosslinking polimérico

(cura) (JAIGOBIND et al., 2007).

Dutos compósitos de fibra de vidro reforçado com resina epóxi podem ser utilizados

numa vasta gama de aplicações, que vão desde a indústria química, serviços industriais

gerais e campo petrolífero, até plataforma off-shore e demais aplicações marítimas. Os

sistemas especiais de tubagens foram concebidos para proteção a incêndios e explosões

para as plataformas em alto mar. Eles são resistentes a corrosão interna provocada por

produtos químicos, petróleo bruto, injeção de água e bactérias. Do mesmo modo, eles são

resistentes a corrosão exterior o que torna uma excelente solução para os problemas

apresentados pelos altamente agressivos ambientes marinhos (AMERON INT., 2008).

Porém algumas falhas podem ocorrer após a instalação desses dutos na indústria, como por

exemplo: falta de adesão em alguns pontos, impossibilitando a perfeita junção das

superfícies dos dutos.

Os ensaios não-destrutivos (END) de objetos para detecção de falhas internas e

contaminantes são de importância vital para muitas indústrias. Estes ensaios investigam os

materiais sem destruí-los ou introduzir quaisquer alterações nas suas características e

podem ser aplicados na inspeção de matéria-prima, no controle de processos de fabricação

e inspeção final. Os ensaios não-destrutivos constituem uma das ferramentas indispensáveis

para o controle da qualidade dos produtos produzidos pela indústria moderna

(ANDREUCCI, 2003).

As radiações X e γ são radiações eletromagnéticas ionizantes de maior interesse

para aplicação na indústria, pois devido ao seu caráter ondulatório, ausência de carga e

massa de repouso, essas radiações podem penetrar em um material, percorrendo grandes

espessuras antes de sofrer uma interação. Este poder de penetração depende da

probabilidade ou secção de choque de interação para cada tipo de evento que pode absorver

ou espalhar a radiação incidente. A penetrabilidade dos raios X ou γ é muito maior que das

partículas carregadas, e a probabilidade de interação depende muito do valor de sua energia

(CARNEIRO, 2006).

Sistemas com fonte de raios X foram utilizados durante algum tempo como um

método barato e conveniente de inspeção em muitas aplicações, que vão desde aeronaves

até placas de circuito e cerâmicas (MCFARLANE et at., 2003). Este método é uma

tecnologia bem estabelecida com numerosas aplicações na indústria. Tem havido interesse

em pesquisas usando tecnologias alternativas de raios X, especialmente espalhamento de

raios X, como uma tentativa de obter melhores resultados na inspeção de diversos

materiais.

Nos últimos anos, a indústria do petróleo vem reconhecendo o grande valor das

técnicas que utilizam radioisótopos na solução de seus problemas tanto no processo de

extração como na investigação de suas instalações. O uso de radiação gama penetrante

emitida por materiais radioativos encontrados na natureza, como Rádio e o Radônio, em

substituição aos raios X obtidos através de máquinas, consagrou-se como técnica de

inspeção por volta de 1930, contudo, foi apenas por volta de 1948, com a obtenção de

radioisótopos artificiais através dos reatores nucleares, que as técnicas de inspeção baseadas

na utilização de radiação gama tornaram-se largamente difundidas (GOUVEIA, 2000).

As técnicas de detecção encontradas atualmente são inúmeras, apresentando cada

uma delas vantagens e desvantagens. Uma vantagem apresentada pela técnica de

espalhamento de radiação X ou gama, em comparação com as técnicas de transmissão mais

tradicionais como a radiografia e a tomografia, é a possibilidade de se obter informações de

corpos que possuem grandes dimensões, como por exemplo, tanques, tubulações de grande

diâmetro, estruturas off-shore etc. Tais corpos, impossibilitam a transmissão da radiação

devido a grande atenuação sofrida pelo feixe de radiação ao longo do corpo (SILVA, 1997).

O efeito de espalhamento primário é conhecido como "Espalhamento Compton".

Este é o espalhamento de um fóton por um único elétron. Houve muito interesse no uso de

espalhamento Compton como uma ferramenta de inspeção na indústria, porque é possível

posicionar um detector a qualquer ângulo com relação ao feixe, e contar o espalhamento de

um elemento de volume pequeno, ou voxel, no material ou alvo. A intensidade de radiação

espalhada de um voxel é proporcional à densidade do material, então através da varredura

do voxel espalhado, um mapa de densidade pode ser produzido (MCFARLANE et al.,

2003).

Há outras vantagens potenciais desta técnica sobre as imagens de transmissão

convencional: o contraste é maior porque o detector só vê fótons que interagiram de fato

com o alvo; possibilidade de projetar o sistema de modo a trabalhar com ângulos de

espalhamento grandes (retroespalhamento); obter informação diretamente proporcional à

densidade eletrônica no interior do voxel, sendo este formado pela interseção dos feixes de

radiação incidentes e espalhados; utilizar uma geometria que permita acessar somente um

dos lados do material sob inspeção, o que torna esta técnica de grande importância na

inspeção de estruturas onde o acesso a um dos lados é limitado (ANJOS, 1991).

A geometria de retroespalhamento na qual a fonte e o detector estão no mesmo lado

da peça, foi utilizada dentro de muitas aplicações industriais, tais como, inspecionar

superfícies como fuselagens de aeronave (LAWSON, 1993 e 1995), onde imagens de

transmissão não são possíveis. O objetivo desse trabalho foi estudar a técnica de

retroespalhamento Compton de raios X e Gama em peças cortadas de dutos compósitos de

fibra de vidro, além de detectar defeitos nas suas junções coladas com resina epóxi.

Este trabalho está organizado em capítulos, de forma a se manter a seqüência

cronológica do seu desenvolvimento, assim prosseguindo da seguinte maneira:

- no capítulo II, introduzem-se alguns fundamentos teóricos essenciais para um bom

entendimento da técnica;

- no capítulo III estão descritos o arranjo experimental e a metodologia empregada

na elaboração deste trabalho;

- no capítulo IV é feita a apresentação e análise dos resultados obtidos no estudo da

técnica;

- no capítulo V são feitos comentários conclusivos em relação à técnica proposta e

aos resultados obtidos, sendo feitas também recomendações e sugestões a trabalhos futuros.

O apêndice A apresenta o desenvolvimento da equação do espalhamento Compton.

I.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Dentre as técnicas de inspeção que se desenvolveram nos últimos anos, as técnicas

de ensaios não destrutivos (END) apresentam um papel de destaque, pois permitem

inspeções no interior de estruturas sem a necessidade de invadi-las. As técnicas de inspeção

que se constituem a partir da análise de radiação espalhada pelo objeto de estudo vêm se

desenvolvendo rapidamente na área industrial, acompanhando a evolução dos

equipamentos de detecção, que possibilitam a obtenção de sistemas com maior precisão e

eficiência.

Um dos primeiros sistemas que utilizou a técnica de espalhamento Compton, para

inspeção não destrutiva, foi proposto por STOKES et al. (1982). Neste sistema, conhecido

como AIDECS (“Automated Inspection Device for Explosive Charge in Shells”), são

utilizadas fontes de

Co com atividade de até 13,7x10

Bq (370 Ci) com a finalidade de

inspecionar artefatos de artilharia.

Várias possibilidades de aplicações da técnica de espalhamento Compton, em

tomografia, foram estudadas por HARDING et al. (1983 e 1989) que desenvolveram, em

conjunto com a PHILIPS Forschungslaboraturium (Alemanha), um sistema tomográfico

denominado de “Compton Scanner” (ComScan) que incorpora uma fonte e detector em um

único dispositivo de mão e foi usado na detecção de defeitos superficiais em componentes

metálicos.

BRIDGE et al. (1985 e 1987) desenvolveram um estudo teórico da viabilidade do

uso da técnica de espalhamento Compton em inspeções de estruturas “off-shore” montando

em seguida um sistema que utilizava uma fonte de

133

Ba, com atividade de 5,18x10

(1,4 mCi) e um detector de cintilação do tipo NaI(Tl) com a finalidade de inspecionar

pequenos componentes em monitoração contínua. Com seu sistema, Bridge conseguiu

detectar defeitos de 6 mm de diâmetro em materiais de vários tipos e formas.

ANJOS (1991) desenvolveu, em sua tese de mestrado, uma técnica para detectar

defeitos (vazios) em regiões próximas a superfície do corpo de prova, baseada no

retroespalhamento Compton. Para isso, ele utilizou um detector tipo NaI(Tl) posicionado de

forma a detectar a radiação espalhada em um ângulo de 110º. Os resultados obtidos

mostraram que a técnica tem um bom poder de análise de defeitos em regiões próximas à

superfície do corpo de prova.

CAMPBELL e JACOBS (1992) utilizaram a técnica de retroespalhamento Compton

na detecção de minas terrestres militares construídas com materiais plásticos. As medidas

foram feitas com a utilização de uma fonte de raios X e vários detectores. Foi necessária,

neste caso, a utilização de colimadores nos detectores, pois para se obter uma melhor

discriminação entre as contagens provenientes de espalhamentos sofridos pela radiação no

solo e nas minas, foi preciso eliminar os múltiplos espalhamentos.

ONG et al. (1994) inspecionaram corrosão em oleodutos de aço, que transportam

petróleo bruto, usando uma técnica chamada “tranespalhamento”. Esta técnica utiliza uma

geometria de retroespalhamento para obter uma medida de transmissão mediante o uso do

óleo, no interior do oleoduto, como meio uniforme de espalhamento. Ong e seus

colaboradores avaliaram a espessura do aço pelo estudo do perfil da densidade da

intensidade do retroespalhamento versus a localização da profundidade do voxel. Para isso,

eles utilizaram três técnicas, a “seqüencial”, a “duplo ângulo” e a de “referência”. As

equações matemáticas e resultados experimentais, relacionados com a esta técnica,

mostraram que a espessura pode ser medida com uma precisão superior a 10% para uma

espessura nominal de aço de 8 mm e com um tempo de medição de vários minutos.

YACOUT et al. (1997) estudaram uma técnica de fóton retroespalhado para

detecção de corrosão escondida sob uma camada superficial obstrutiva, como em

coberturas de aeronaves e outras estruturas críticas com corrosão oculta e inacessível.Com

a pesquisa, eles demonstraram que o fóton retroespalhado é sensível às mudanças de

composição e densidade, resultantes de corrosão em metais; que as pequenas regiões (com

dimensões inferiores a 1 mm

) são detectáveis através de camadas de 1 à 2 mm; que a

forma do perfil de varredura pode inferir informações sobre o tipo de corrosão; e que a

sensibilidade de algumas variáveis de sistema, para condições semelhantes a corrosão,

oferecem excelente oportunidade para a concepção de instrumentos de otimização de

detecção e caracterização da corrosão escondida.

Como um passo adiante na tecnologia, NIEMANN et al. (2002), através da YXON

Raio X Internacional GMBh, desenvolveu um protótico de um sistema de escaner móvel de

450kV, baseado nos princípios de tecnologia de raios X retroespalhados (XBT) para

detecção de minas terrestres. Com os resultados obtidos com este sistema, eles mostraram

que o escaner possui capacidades e vantagens como profundidade da informação suficiente

para detectar todas as minas colocadas regularmente, capacidade de detectá-las mesmo sem

metal e detecção dessas minas enterradas em uma variedade de condições de solo,

incluindo vários tipos de vegetação. Eles concluíram que com a tecnologia XBT, o feixe de

um tubo de raios X de 450kV tem uma profundidade de penetração suficiente para detectar

minas anti-pessoal e minas anti-tanques enterradas no solo sob condições práticas normais.

Raios X retroespalhados foram utilizados por MCFARLANE et al. (2003) para

detectar fragmentos de ossos da clavícula de frango, durante o processamento industrial da

carne. As amostras foram varridas com uma fonte de raios X de 140 KVp e os fótons

retroespalhados foram contados por um detector colimado, posicionado a 135º do feixe.

Três medidas foram extraídas das contagens dos fótons e plotadas versus a posição da

amostra: as contagens na janela de energia de 10-40 keV, as contagens na janela de energia

de 40-95 keV e a média espectral de energia sobre o pico de 10-95 keV. As contagens

detectadas na janela de energia de 40-95 keV mostraram picos no retroespalhamento

quando a varredura passou através de um fragmento ósseo. Eles concluíram que a utilização

de duas faixas de energias gera informações complementares sobre a amostra, e que pode

ser útil em espalhamento para amostras de espessura variável.

O retroespalhamento de raios gama é uma técnica que pode ser utilizado com

sucesso para medir corrosão em dutos sob isolamento. Isto é possível porque este método é

muito sensível a pequenas mudanças na espessura da parede do duto. ABDUL-MAJID e

TAYYEB (2005) simularam um caso real de corrosão de tubos de aço carbono de

diferentes diâmetros e espessuras da parede, e mediram o retroespalhamento de raios gama

através de um detector cintilador 2x2 NaI(Tl), localizado ao lado da fonte. Com esta

técnica, o isolador dos dutos não mostrou ser um fator de interferência, já que sua

atenuação é constante, e as mudanças nas contagens ocorreram na espessura da parede

quando estas apresentaram corrosão. Eles concluíram que as contagens nos dutos

aumentaram com a espessura da parede e se aproximaram da saturação a grandes

espessuras.

CAPÍTULO II

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Uma etapa crucial para o desenvolvimento de um conceito moderno para fótons

como uma partícula de radiação eletromagnética, foi dada por Arthur Holly Compton na

interpretação dos experimentos, que ele iniciou em 1920, para medir com precisão os

comprimentos de onda de raios X espalhados por elétrons em materiais de baixo número

atômico. Compton espalhou raios X em blocos de grafite e mediu o comprimento de onda

destes antes e depois que eles foram espalhados. Ele descobriu que os raios X espalhados

tinham um comprimento de onda mais longo do que o comprimento de onda da radiação

incidente. Os fenômenos de espalhamento de raios X já tinham sido estudados

intensamente. Era sabido que o poder de penetração dos raios X diminui com o aumento do

comprimento de onda e que raios X são menos penetrantes após serem espalhados, o que

indica que o processo de espalhamento aumenta o comprimento de onda (MIT, 2004).

Compton em 1923 mostrou que quando um feixe de raios X incidia sobre átomos de

carbono esses fótons sofriam espalhamento de modo a possuírem duas componentes após a

interação com o alvo de carbono. Uma das componentes possuía o mesmo comprimento de

onda do fóton incidente e a outra um comprimento de onda um pouco maior. Os

comprimentos de onda das duas linhas foram medidos através de um espectrômetro de raios

X de Bragg. Compton descobriu que a diferença entre os comprimentos de onda

Δλ

das

radiações espalhadas variava com o ângulo de espalhamento e crescia rapidamente para

grandes ângulos de espalhamento (Figura II.1).

Figura II.1- Fotopicos para diferentes ângulos de espalhamento dos fótons (JENKINS et al.,

1981).

A fim de explicar essa componente espalhada, Compton supôs uma colisão elástica

entre o fóton e o elétron dito livre, ou seja, tanto a energia quanto o momento deveriam ser

conservados. Como esses fótons são radiações eletromagnéticas e possuem energia h

junto com essa energia eles carregam também um momento h

/ c. Como o fóton espalhado

irá se deslocar em uma direção diferente do fóton primário então também possuirá um

momento diferente. A condição para que o momento seja conservado é que o elétron que

espalha o fóton deve absorver um momento igual à diferença vetorial entre o momento do

fóton incidente e o fóton espalhado. A energia do elétron espalhado é tirada do fóton

primário, deixando um fóton espalhado com menor energia do que o primário (JENKINS et

al., 1981).

II.1 Interação da Radiação Eletromagnética com a Matéria

O conceito de radiação eletromagnética é definido como sendo a energia que se

difunde de uma fonte, se propagando através do espaço sob forma de ondas. A princípio,

estas radiações são classificadas em grandes faixas de energias, sendo estas quantizadas por

Einstein em pequenos pacotes concentrados que mais tarde vieram a ser chamados de

“fótons”. Na área nuclear, trabalha-se basicamente com a faixa de energia em que estão

classificados os raios X e os raios γ, onde as radiações eletromagnéticas são classificadas

mais de acordo com suas origens que propriamente sua energia (VALENTE, 1994).

Em geral, quando um feixe de fótons atravessa a matéria tem-se um menor número

de fótons emergentes que de fótons incidentes. Essa absorção é causada pela interação dos

fótons com o campo eletromagnético, gerado pelas cargas elétricas internas ao material,

sejam elétrons ou prótons. Após a interação, os fótons emergentes poderão ter ou não

energia e fase diferentes dos fótons incidentes, podendo ocorrer ou não a emissão de

partículas durante a reação, como no efeito fotoelétrico, no espalhamento Compton e na

fluorescência.

A maneira como a radiação eletromagnética irá interagir com o meio dependerá da

energia desta radiação assim como, das características do meio. Quando um feixe de raios γ

penetra numa amostra, o efeito importante que acontece é a atenuação.

A atenuação é a

redução na intensidade de um feixe por absorção ou deflexão de fótons, à medida que ele

atravessa a matéria. Ela depende do número de fótons por centímetro quadrado por

segundos e da energia dos fótons que formam o feixe (MCFALARNE et al., 2003). Se um

feixe monoenergético de intensidade (I

), ao atravessar um objeto homogêneo de espessura

(x), sofrer uma atenuação, a intensidade (I) do feixe emergente é representada pela lei de

BEER-LAMBERT (equação II.1) (KNOLL, 1989):

)x(- exp . I I

(II.1)

onde μ é o coeficiente de atenuação total do material em cm

-1

Quatro fatores determinam o grau de atenuação de um feixe de radiação quando ele

passa através da matéria: a energia da radiação, a densidade do meio, o número atômico dos

elementos químicos que constituem o meio e a quantidade de elétrons por grama do meio.

Quanto maior for a energia da radiação, menor será a atenuação. O aumento da densidade,

do número atômico ou da quantidade de elétrons por grama do meio aumenta a absorção.

Neste trabalho, devido a faixa de energia utilizada, a atenuação dos fótons é causada

principalmente, por absorção fotoelétrica e espalhamento Compton. Uma introdução

completa para interações de raios X pode ser encontrada na referência ATTIX (1986).

A absorção fotoelétrica é a absorção completa de um fóton por um átomo. É

dominante a baixas energias (E<50 keV). O μ

de coeficiente de absorção fotoelétrica é

proporcional a densidade, diminui rapidamente com a energia, e aumenta fortemente com o

número atômico. O espalhamento Compton é o espalhamento de um fóton por um único

elétron. Para energias médias (60 ≤ E ≤ 200 keV), o espalhamento Compton torna-se mais

importante e o número de fótons retroespalhados (espalhamento com ângulos maiores que

90º) alcança o valor máximo. Para energias acima de 200 keV, o espalhamento incoerente

ainda é predominante, mas o retroespalhamento decresce devido a natureza da interação. O

coeficiente Compton μ

é proporcional à densidade eletrônica, mas varia muito pouco com

o número atômico (MCFARLANE et al., 2003; GOUVEIA, 2000).

O coeficiente de atenuação total μ, para a faixa de energia utilizada neste trabalho, é

dado pela soma dos coeficientes de absorção e Compton (equação II.2):

μ μ μ

(II.2)

II.1.1 Efeito Fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é uma interação entre um fóton e um elétron orbital de um

átomo da matéria. Como resultado desta interação, o fóton transfere sua energia para um

dos elétrons que será ejetado como um elétron livre, chamado fotoelétron, caso a energia do

fóton incidente seja maior que a energia de ligação do elétron no átomo (figura II.2).

Fóton incidente

.hE =

Átomo

Fotoelétron

Figura II.2 – Diagrama esquemático do efeito Fotoelétrico.

Quando um feixe de fótons de baixa energia atinge o material, há uma

probabilidade de que os fótons do feixe interajam com os elétrons mais externos do átomo.

A probabilidade de interação é dada pela seção de choque fotoelétrica (σ

), que apresenta

um valor considerável para energias abaixo de 100 keV e varia de material para material. O

efeito fotoelétrico é predominante para a radiação gama de baixa energia e com maior

probabilidade para elementos de elevado número atômico. Já para um feixe de fótons de

alta energia (raios X), a probabilidade de interação é maior com elétrons mais internos do

átomo.

No processo de interação fotoelétrico um fóton incidente de energia E é absorvido,

cedendo energia para um elétron que é então ejetado do átomo com uma energia cinética. A

partir da variação da energia e do momento do fóton, é possível calcular essa energia

cinética, que é representada pela letra K na equação II.3 (KNOLL, 1989):

w- E K

(II.3)

onde: w

é a energia mínima para um elétron atravessar a superfície do material e escapar

das forças atrativas que o ligam ao átomo, sendo que esta energia varia de material para

material.

II.1.2 Efeito Compton

O efeito Compton é um caso especial de espalhamento de fótons pela coroa de

elétrons, no qual o fóton incidente é absorvido, arrancando um elétron do átomo e gerando,

conseqüentemente, a emissão de outro fóton (figura II.3). A energia do fóton espalhado (E

’

)

dependerá somente do ângulo de espalhamento e não do material do alvo, que influenciará

apenas na intensidade do feixe espalhado.

Fóton incidente

.hE

Átomo

Fóton espalhado

′

= .

Elétron de recuo

Figura II.3 – Diagrama esquemático do efeito Compton.

Para as interações dos fótons por efeito Compton, as energias dos elétrons

espalhados podem variar segundo dois casos extremos:

i) um ângulo de espalhamento rasante do fóton (θ = 0°). Para este caso, a energia do

elétron espalhado é praticamente nula e o fóton gama espalhado apresenta quase a

mesma energia que possuía antes da incidência.

ii) uma colisão frontal do fóton (θ = 180°). Neste caso, o fóton é espalhado para trás na

mesma direção de incidência e o elétron na mesma direção só que em sentido

contrário. Este é o caso em que o máximo de energia pode ser transferido a um

elétron no espalhamento Compton.

Aplicando os conceitos de conservação de momento e energia, é possível calcular a

energia do fóton “espalhado” em um determinado ângulo através equação II.4:

()

θα

cos11

−+

(II.4)

onde: α =

;

= massa de repouso do elétron;

c = velocidade da luz no vácuo;

E = energia do fóton incidente;

’

= energia do fóton espalhado;

θ = ângulo de espalhamento.

Pela equivalência entre massa e energia, pode-se calcular que m

= 0,511 MeV.

A figura II.4 representa o modelo fenomenológico da interação de um fóton com um

elétron estacionário.

Figura II.4 – Espalhamento de um fóton em um ângulo, por unidade de ângulo sólido (dΩ)

(KNOLL, 1989).

A seção de choque de espalhamento Compton é bem descrita pela equação de Klein

Nishina (KNOLL, 1989), que é de suma importância no desenvolvimento das técnicas que

se utilizam do efeito Compton em seus princípios de funcionamento (equação II.5):

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+

−

−+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

)

)cos1(1

)cos1(

cos1.(

)]cos1(1[

),(

θα

(II.5)

onde:

Ωd

= seção de choque diferencial de espalhamento Compton para um elétron livre

e estacionário;

= 2,818 x 10

-13

cm;

α = E

/ m

A probabilidade total de espalhamento Compton, por unidade de ângulo sólido, será

a soma das probabilidades de espalhamento devidas a cada elétron isoladamente. A figura

II.5 apresenta as curvas de seção de choque diferencial de Klein e Nishina para fótons

incidentes de várias energias.

Figura II.5- Distribuição espacial dos raios gama espalhados (Adaptada de GOUVEIA,

2000).

Na realidade, os elétrons de um determinado material não são livres nem

estacionários. O movimento de elétrons introduz no material um deslocamento na energia

do fóton espalhado, gerando assim, uma faixa de energia ao invés de uma única energia de

espalhamento.

II.1.2.1 Equação Geral do Espalhamento Compton

Quando se incide um feixe colimado de radiação gama ou X sobre um determinado

material, pode-se calcular a sua densidade eletrônica na região de incidência do feixe. Para

isso, é necessário medir a quantidade de fótons, que ao sofrerem o espalhamento Compton,

são emitidos em um determinado ângulo θ (VALENTE, 1994).

A figura II.6 representa esquematicamente um sistema típico de inspeção baseado

na técnica de espalhamento Compton. Neste arranjo, uma fonte de raios X ou gama produz

um feixe colimado que incide sobre uma pequena região do material a ser inspecionado e,

em um determinado ângulo, é posicionado um detector colimado com o objetivo de medir a

fração de radiação que é espalhada nesta direção.

Figura II.6 - Esquema típico de um sistema de varredura utilizando a técnica de

espalhamento Compton (Adaptada de SILVA, 1997).

A região formada pela interseção dos ângulos sólidos gerados pelo colimador da

fonte e do detector é citada na literatura como volume de inspeção ou

voxel. A intensidade

dos fótons que sofrem espalhamento nesta pequena região e que são coletados pelo detector

é diretamente proporcional à densidade eletrônica média no interior do

voxel. Esta

intensidade pode ser calculada pela equação geral do espalhamento Compton descrita por

BATISTA

et at. (1977, 1978 e 1981), porém, pode-se usar uma forma simplificada desta

equação cujo desenvolvimento é apresentada no anexo A. Assim, a intensidade do feixe

espalhado pode ser expressa pela equação II.6:

]..[exp.D.K I

eeiiee

−

(II.6)

onde:

K é uma constante de proporcionalidade;

é a densidade eletrônica média no interior do voxel;

e p

são os caminhos percorridos pelos feixes incidentes e espalhados no material,

respectivamente;

e µ

são os coeficientes de absorção linear para os feixes incidentes e espalhados no

material, respectivamente.

Através dos deslocamentos do sistema nas direções X e Z (figura II.6), pode-se

realizar o mapeamento bidimensional do material sob inspeção. Um mapeamento completo

numa região de interesse num plano XZ produz um plano de inspeção que é formado pelas

sucessivas posições do

voxel no interior do material. Portanto, através de movimentos de

translação nesses eixos, pode-se caracterizar a presença de um defeito, a partir de um

mapeamento bidimensional das variações das densidades eletrônicas presentes neste

material. Pode-se obter um mapeamento tridimensional do corpo de prova, deslocando-se o

voxel na direção do eixo Y, após o mapeamento bidimensional no plano XZ.

Quando o

voxel é deslocado para uma posição onde há um defeito, ele o intercepta

provocando uma variação na intensidade do feixe de radiação espalhada, devido à variação

da densidade eletrônica no interior do

voxel. Se o defeito for um vazio (densidade

eletrônica aproximadamente zero), tem-se uma queda abrupta na intensidade do feixe

espalhado, caso contrário, se o defeito possui uma densidade eletrônica maior que o do

material sob inspeção, verifica-se um aumento na intensidade do feixe espalhado (ANJOS,

1991).

II.2 Espectro de Energias

O espectro de energia, para o espalhamento Compton, representa a probabilidade de

um fóton ser espalhado com uma energia específica, por unidade de energia. Ele pode ser

medido a um ângulo de espalhamento específico em vez de fazer isso em todos os ângulos

de retroespalhamento (DARLINGTON, 1975). Para ângulos de espalhamento próximos de

180º a seção de choque diferencial é maior que para ângulos próximos de 90º, de forma que

o espectro de ângulos próximos a 180º esta mais nitidamente acentuado e mais próximo a

energia do feixe que um espectro de ângulo próximo ao de 90º. A absorção para ângulos

próximos de 180º é considerável por causa do aumento do comprimento do caminho

percorrido no material antes de alcançar a superfície, de forma que o retroespalhamento a

esses ângulos não domina o espalhamento total apesar da alta seção de choque diferencial.

Atenuação também afeta o espectro de energias que chegam ao detector. Atenuação

causa o efeito conhecido como “endurecimento” de feixe no qual a maior atenuação dos

fótons de baixa energia causa o aumento da medida de energia do espectro. Os fótons

perdem energia quando eles são espalhados por efeito Compton (MCFARLANE

et al.,

2003). Dois fatores determinarão a quantidade de energia que permanece no fóton

emergente após o espalhamento: a energia inicial do fóton incidente e o ângulo com que o

fóton emergente se desviará da trajetória do fóton incidente (ângulo de desvio). Quanto

maior for o ângulo de desvio, maior será a energia transferida ao elétron e,

conseqüentemente, menos energético será o fóton emergente.

II.3 Espectro Eletromagnético

Quando um espectro eletromagnético é estudado observa-se que ele é constituído

por vários níveis de energia sendo que cada um deles é caracterizado por um determinado

comprimento de onda (λ) ou freqüência (ν). No espectro da figura II.7 encontram-se desde

ondas de rádio até os raios cósmicos; a luz visível também é uma onda eletromagnética.

Figura II.7 -

Espectro eletromagnético (MACEDO et al., 2000).

Dentro deste espectro existem radiações bastante energéticas, como por exemplo,

raios X ou gama, cujas energias podem ser obtidas através da relação de Planck para a

energia quantizada, definida como:

.h E

(II.7)

onde:

h = constante de Planck (6,626 x 10

-34

J.s)

ν (Hz) = freqüência.

II.3.1 Espectro de raios X

Os raios X podem ser produzidos em ampolas como a representada

esquematicamente na figura II.8, onde elétrons de um emissor (cátodo), que são formados a

partir de uma corrente de elétrons Ie, e são acelerados por uma tensão positiva (tensão de

aceleração Ue) formando um feixe colimado em direção a uma placa metálica (ânodo),

chocando-se contra um alvo de material compacto (ROCHA, 2001). Quando esses elétrons

são desacelerados repentinamente por meio de interação com os átomos do alvo, há uma

transformação da energia cinética, que foi ganha durante a aceleração, em radiação

eletromagnética (raios X).

Figura II.8 – Esquema de ampola de raios X (ROCHA, 2001).

Neste processo, os elétrons são defletidos pela carga elétrica positiva localizada no

núcleo dos átomos do alvo, devido à interação coulombiana. Sabe-se que uma partícula

livre carregada emite radiação eletromagnética quando tem sua trajetória alterada. Este

fenômeno é conhecido como “bremsstrahlung” ou radiação de freiamento. Aplicando o

princípio de conservação de energia, teremos:

'k -k .h

(II.8)

onde:

k é a energia cinética do elétron antes da interação;

k’ é a energia cinética do elétron após a interação;

hν é a energia do fóton emitido.

Logo, é possível observar que quanto maior a deflexão sofrida pelo elétron, maior

será a energia do fóton de raios X emitido. Assim, os comprimentos de onda dos fótons

emitidos podem variar de um máximo (k ≈ k’) e um mínimo (k’ = 0), originando um

espectro de radiação contínua, como pode ser visto na figura II.9 (OLIVEIRA, 2007).

Figura II.9 - Espectro de radiação contínua (OLIVEIRA, 2007).

II.3.2 Espectros de raios Gama

Quando se estuda os raios gama (γ) é possível obter uma série de informações, tais

como, os níveis de energias nucleares que estão associados aos decaimentos alfa e beta (α e

β). A emissão de radiação gama pelo núcleo sempre ocorre após este sofrer um decaimento

alfa ou um decaimento beta (que pode ser negativo ou positivo). Ou seja, quando os

decaimentos alfa ou beta não são puros, o núcleo, após essa emissão das partículas

radioativas, fica em um estado excitado semelhante aos elétrons das camadas eletrônicas

quando ocorre a emissão de Raios X destas camadas. Nesse caso, é preciso que o núcleo,

para chegar ao seu estado fundamental, emita esse excesso de energia, e isso é feito na

forma de radiação gama (MACEDO

et al., 2000).

Os picos do espectro gama podem ser caracterizados da seguinte forma:

Pelo fotopico:

O fotopico equivale a região em que toda a energia do raio gama que alcançou o

detector foi absorvida (máximo de energia transferida para o elétron).

Pelo decaimento β

Para radioisótopos que decaem por emissão de partículas β

, pode-se ter pico de

aniquilação (511 keV).

Pela região Compton:

A região Compton equivale as seguintes partes:

•

Pico de retroespalhamento: alguns fótons provenientes do decaimento da fonte

podem interagir com o material ou com a sua vizinhança (blindagem, por exemplo)

e sofrer um efeito Compton de até θ=180

, sendo retroespalhados e depois alcançam

o detector com uma energia E

•

Corte-compton: região que equivale ao máximo de energia cinética que pode ser

transferida ao elétron por efeito Compton.

O espectro teórico de uma radiação gama monoenergética E

é mostrado na figura

II.10, onde:

(1) - representa os raios gama absorvidos totalmente pelo cristal. Essa linha (ou

pico) é conhecida comumente por fotopico;

(2) - representa a região Compton;

(3) - representa o corte Compton;

(4) - representa o retroespalhamento

Figura II.10 - Espectro teórico relativo a uma fonte gama monoenergética

(MONTANHEIRO,

et al., 1977).

A figura II.11 dada abaixo é o espectro experimental obtido com um espectrômetro

gama monocanal.

Figura II.11 - Espectro experimental do

137

Cs ao qual corresponde ao espectro teórico da

figura II.10 (MONTANHEIRO,

et al., 1977).

II.4 Geometria de Espalhamento

Uma geometria simples para a detecção de fótons espalhados por Efeito Compton é

mostrada na figura II.12, na qual um feixe incidente e um detector é focalizado em um

ponto de espalhamento B em uma amostra. O feixe incidente é atenuado de A para B de

acordo com equação II.2, é espalhado no ponto B com uma probabilidade proporcional para

, e é atenuado novamente no caminho de saída de B para C, antes de alcançar o detector

em D. Conseqüentemente o número de fótons que alcançam o detector é proporcional à

densidade no ponto B, e à atenuação total ao longo dos caminhos AB e BC. Se os efeitos de

atenuação forem pequenos, é possível detectar intensidade dos fótons a cada ponto na

amostra por rastreamento mapeando o ponto B desta (MCFARLANE

et al., 2003).

Figura II.12 - Geometria de Espalhamento Compton. (MCFARLANE

et al., 2003).

O feixe retroespalhado irá sofrer divergência assim como atenuações no seu

caminho ao detector.

Portanto, a intensidade será submetida a dupla atenuação. Se a

geometria se fixa, a radiação retroespalhada irá mostrar um amplo espectro energético. É

esperado que a taxa de contagem no detector aumente com a espessura do objeto irradiado,

mas é importante ressaltar que deverá existir uma espessura para a qual o número de

contagens não irá mais aumentar devido à absorção do próprio material alvo (ABDUL-

MAJID

et al, 2005).

II.5 Detector CdTe

Detectores CdTe são muitas vezes utilizados para medir o espectro emitido a partir

de uma fonte gama ou tubo de raios X. O detector CdTe, com 1 mm de espessura, tem

excelente sensibilidade até 100 keV, com uma eficiência de fotopico maior que 90% a 65

keV(AMPTEK INC., 2009a). Raios X e gamas interagem com os átomos de CdTe para

criar, em média, um par de elétron para cada 4,43 eV de energia perdida no CdTe.

Dependendo da energia da radiação incidente, esta perda de energia é dominada de efeito

fotoelétrico ou espalhamento Compton. Em uma interação fotoelétrica, toda a energia

incidente da interação do fóton é depositada no detector, enquanto no espalhamento

Compton, só uma parcela da energia incidente geralmente será depositada no detector.

Interações fotoelétricas contribuem para a energia total, que normalmente é de interesse

primordial. A probabilidade ou eficiência do detector de absorver a radiação recebida e

criar pares de elétron aumenta com a espessura de CdTe.

O novo modelo XR-100T-CdTe da Amptek é um detector de raios X e gama de alta

performance. Ele possui um pré-amplificador, um sistema de refrigeração (cooler) e um

cristal de Telureto de Cádmio (CdTe) com dimensão 3x3x1 mm

, montado em um cooler

termoelétrico. O XR-100T-CdTe é capaz de detectar energias de alguns keV a várias

centenas de keV (AMPTEK INC., 2003). Seu padrão consiste de um detector CdTe com 1

mm de espessura localizado atrás de uma janela de Berílio (Be) com 250 µm de espessura.

A probabilidade de interação do fóton em qualquer lugar na espessura é o produto da

probabilidade de transmissão através da janela de Be e da probabilidade de interação no

material (AMPTEK INC., 2009b). Para facilitar a utilização do detector CdTe, o módulo

eletrônico modelo PX2T foi desenvolvido para fornecer a voltagem DC necessária para

operar o XR-100T-CdTe, e processar o sinal através do amplificador e do circuito de

aumento de discriminação de tempo (do inglês Rise Time Discrimination – RTD). O sinal

de saída a partir do módulo eletrônico PX2T pode ser conectado diretamente a um

analisador multicanal.

Pares de elétron criados pela radiação, que interagem com o CdTe próximo ao

fundo do detector, resultam em flutuações de tempo de coleta de carga. Estas flutuações são

observadas como aumento das variações de tempo do sinal de voltagem na saída do pré-

amplificador sensível a cargas. Como um resultado, os espectros adquiridos sofrem de

aumento na contagem de “background” (radiação de fundo) e degradação da resolução em

energia. Para reduzir este efeito um circuito de aumento de discriminação de tempo (RTD)

foi desenvolvido para o amplificador PX2T. Quando o RTD está ativo, os pulsos moldados

são internamente retidos e somente os pulsos correspondentes a eventos de coleção de

carga total são permitidos de ser enviados para o analisador multicanal (MCA) para análise

(AMPTEK INC., 2003).

II.6 Eficiência do Detector

A eficiência de detecção é definida como a probabilidade que uma partícula ou

fóton emitido por uma fonte ser detectado. Esta eficiência é controlada pelo tipo e

espessura das camadas presentes no detector, pelo tipo de janela (se existir), pela camada de

contato de ouro e pela camada de silício.

O material da janela do detector é o fator mais importante para a sua eficiência,

principalmente na detecção das radiações pouco energéticas, que é o caso dos elementos

leves. As janelas de Berílio têm sido usadas desde o início da fabricação dos detectores e

suas espessuras ficam, normalmente, entre 7 e 12 μm, sendo que as mais finas chegam a

alcançar 5 μm. Desta maneira somente raios X ou γ de elementos com número atômico

acima de Z=11 é que conseguem ser detectados. As janelas de polímero super-finas

permitem detectar elementos acima do B (Z=5) (AMPTEK INC., 2003).

A eficiência absoluta de um detector de radiação é definida como a razão entre a

taxa de contagens do fotopico (ou taxa de contagem total), registrada pelo detector e a taxa

de fótons com uma dada energia emitida pela fonte de radiação. Se ao invés de considerar o

número de fótons emitidos pela fonte, for considerado apenas o número de fótons que

alcança o detector, têm-se a chamada eficiência intrínseca. Dessa forma, fica claro que as

duas definições de eficiência se relacionam pelo ângulo sólido com que o detector avista a

fonte. Normalmente a eficiência intrínseca é a grandeza tabulada, uma vez que não inclui a

dependência geométrica, difícil de ser determinada. A eficiência intrínseca depende da

forma e do tamanho da fonte, da energia do fóton incidente e do tipo de cristal

semicondutor do detector (KNOLL, 1989; PRICE, 1989).

II.7 Sinal de Detecção

A análise da radiação espalhada pelo material é a base dos sistemas de detecção de

falhas que utilizam o técnicas de espalhamento Compton. Os sistemas convencionais

utilizam-se de colimadores tanto na fonte quanto nos detectores. Esse arranjo possibilita a

obtenção de um volume de varredura chamado de

voxel, que é definido como a interseção

entre o feixe primário proveniente da fonte e o campo de visão do detector colimado

(SILVA, 1997).

O espalhamento único de fótons, isto é, aquele que espalha somente uma vez,

somente pode alcançar o detector se eles se espalham dentro do

voxel, embora haja um

fluxo adicional causado por múltiplo espalhamento que pode alcançar o detector de uma

maior região do corpo de prova (MCFARLANE

et al., 2003). A varredura do voxel

permite, entre outras coisas, o controle desta varredura passo a passo, além de permitir um

maior controle sobre o número de fótons multiespalhados que chegam ao detector, através

do dimensionamento dos colimadores.

voxel desempenha um papel relevante na técnica de inspeção por espalhamento

Compton, a partir de sua caracterização, isto é, a partir de seu dimensionamento e de sua

localização no espaço é possível dimensionar o corpo de prova diretamente. O volume de

varredura permite saber exatamente de que parte do material analisado vem os fótons que

chegam ao detector. Dessa forma, o sistema de colimação pode ser dimensionado de modo

a possibilitar a obtenção de um volume de varredura que permite ao sistema de detecção

perceber defeitos de pequenas dimensões.

A desvantagem de utilizar a técnica tradicional é o fato de se ter um número

reduzido de fótons que chegam ao detector, aumentando assim, o tempo de aquisição dos

dados, para que seja possível se obter uma estatística de contagem adequada. Pode-se

otimizar o sistema de inspeção convencional retirando o colimador de foco do detector,

aumentando, dessa forma, o fluxo de fótons que incide no detector e possibilitando, por

conseguinte, um sinal mais intenso. Esse procedimento acarreta na perda de controle sobre

a varredura do sistema e o empobrecimento da resolução, uma vez que o detector passa a

receber fótons provenientes de todas as partes do corpo de prova “iluminadas” pelos feixes

incidentes. Esse fato pode ser melhor entendido a partir da figura II.13, que representa o

esquema gráfico da distribuição angular dos fótons retroespalhados a 90º. De acordo com

esse arranjo, não será possível distinguir entre um defeito de volume V e dez defeitos de

volumes V/10, se todos estiverem localizados dentro de V, por isso a perda da resolução do

sistema (SILVA 1997).

Figura II.13- Esquema de um sistema de retroespalhamento a 90º.

Embora o espalhamento possa ser o mais forte de todos os processos de atenuação

de energias de interesse típicas, os sinais de um único canal de detecção são fracos. Isto se

deve principalmente à abertura limitada do canal de detecção e dos processos de absorção

no corpo de prova. As maiores perdas ocorrem no modo de retorno do volume espalhado

para o detector porque, para o efeito Compton, os fótons espalhados têm mais baixa energia

que os fótons de entrada (NIEMANN

et al., 2002). O sinal espalhado por um objeto é

diretamente proporcional ao produto de vários fatores como: um fator que depende do

produto da densidade (ρ) e a espessura (x) do material no volume irradiado, a intensidade

do feixe emitido pela fonte de radiação, a atenuação da radiação antes do espalhamento e a

eficiência dos detectores de retroespalhamento (GRODZINS, 2007).

CAPÍTULO III

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo serão apresentados a metodologia e os equipamentos utilizados para

a elaboração deste estudo. Para isto, são tomados como base os fundamentos teóricos

apresentados no capítulo II.

III.1 Fonte de Radiação X

O equipamento de raios X utilizado é fabricado pela Oxford Instruments, com

tensão de 75 kV e corrente máxima de 250 μA. Este equipamento possui anodo de

tungstênio e janela de berílio de 1,6 mm de espessura. Para o feixe incidente, foram

utilizados filtros de cobre e alumínio, com espessuras de 150

μm e 0,5 mm,

respectivamente, posicionados na saída do colimador da fonte. A colimação primária foi

através de uma abertura circular no colimador do equipamento de raios X, com diâmetro de

5,20 mm.

III.2 Fonte de Radiação Gama

As características principais a serem levadas em conta na escolha da fonte são a

atividade específica, isto é, atividade por unidade de massa, o tempo de meia vida e a

energia da radiação emitida. A energia do fóton emitido deve localizar-se na faixa em que a

seção de choque de espalhamento Compton seja predominante, de modo que o processo de

espalhamento incoerente se destaque dos demais processos de interação. A faixa de

domínio do espalhamento incoerente localiza-se em torno do limite inferior de 60 keV e do

limite superior de 2 MeV.

Uma fonte com alta atividade é a mais indicada para os tipos de medidas que o

sistema deste trabalho propõe, de modo que possa incrementar a estatística de contagem. A

fonte utilizada neste trabalho foi a de maior atividade disponível no laboratório, sendo está

uma fonte gama de Amerício-241, com diâmetro ativo de 5 mm, atividade de 7,4 x 10

(20 mCi) e energia de 59,54 keV. Esta possui um tempo de meia vida de 432,6 anos,

decaindo através de emissão alfa seguida da emissão de raios gama. A fonte está colocada

em uma blindagem cilíndrica de chumbo de 7,2 mm de espessura.

III.3 Descrição do Sistema de Detecção

O detector de radiação utilizado nas medidas deve apresentar alta eficiência de

contagem para a faixa de energia do trabalho e uma resolução satisfatória. O detector

utilizado foi de CdTe modelo XR-100T, fabricado pela Amptek, que possui um diâmetro de

13,8 mm e uma janela de Berílio de 4,9 mm de diâmetro. Os espectros foram adquiridos

através de um analisador multicanal modelo Pocket MCA8000A e de um módulo eletrônico

modelo PX2T, também fabricados pela Amptek.

Para as contagens dos fótons de raios X foram utilizados no detector dois filtros de

Alumínio, cada um com espessura de 0,5 mm, e um colimador circular com 2,50 mm de

diâmetro. Já para as contagens dos fótons de raios gama, foi utilizado no detector um

colimador também circular com 1,50 mm de diâmetro. Para as medidas feitas com as duas

fontes, o ganho utilizado no amplificador do PX2T foi de 9, sendo que o RTD estava ativo

para os espectros adquiridos com o feixe de raios gama.

Ao incidirem no detector, cada fóton de raios γ retroespalhado registrado produz um

pulso eletrônico que foi contado e designado a um canal de espectro pelo analisador

multicanal. O MCA foi calibrado em energia através dos picos conhecido da fonte γ de

241

Am. Os picos principais do espectro foram usados para determinar a constante de

proporcionalidade entre os números de canais MCA e a energia do fóton.

III.4 Descrição das Peças Analisadas

O material analisado são peças cortadas de dutos compósitos de fibra de vidro/epóxi

(figura III.1), em que foram simulados dois possíveis defeitos para análise através do

retroespalhamento Compton, que são os seguintes:

•

Falta de adesão, que foi simulada através de uma fita adesiva colocada na superfície

da junta antes de aplicado o adesivo, gerando uma área onde o adesivo não irá aderir

a superfície a ser colada.

•

Falta de adesivo, que foi simulada colocando uma quantidade menor de adesivo

(30% menos que o procedimento indica) e não será homogeneizado por toda a

superfície gerando assim áreas onde o adesivo não irá preencher o espaço destinado

a ele para efetivar a colagem da junta.

Resina

epóxi

Figura III.1- Peça cortada de um duto compósito sem defeito em sua junção - visão frontal

(superfície) e visão lateral (profundidade).

As peças utilizadas para análise dos defeitos foram cortadas de dutos de 16” e suas

dimensões são mostradas na figura III.2. Sua espessura na região onde elas são coladas é de

26 mm, sendo 13 mm a parede 1 (superfície), 1 mm a cola e 12 mm (parede 2),

aproximadamente.

Figura III.2- Dimensões e cortes dos dutos de 16 ".

Para análise da densidade eletrônica foi montada uma peça com dois pedaços

pequenos cortados da peça original, um da superfície e outro da profundidade, e um pedaço

da resina epóxi de 12 mm, feita em laboratório. Após a montagem, pode-se perceber que

dois defeitos puderam ser simulados, sendo eles falta de adesivo com 2 mm de espessura e

falta de adesão com 1 mm de espessura. A espessura total da peça foi de aproximadamente

37 mm. (Figura III.3a). Para o ensaio da visualização de defeito foi utilizada essa mesma

peça montada, porém com dois pedaços de resina de espessura 1,2 mm e 1,3 mm, onde o

espaço entre eles foi variado simulando os diferentes tamanhos dos defeitos (vazios). A

espessura total desta peça foi de 27,5 mm (Figura III.3b).

Resina epóxi

vazio

Figura III.3 – Peças montadas para ensaios simulando as originais; a) Ensaio para análise

da densidade eletrônica e b) Ensaio para o teste de detectabilidade de defeito.

III.5 Metodologia

III.5.1 Montagem do Arranjo Experimental

O arranjo experimental utilizado na aquisição dos dados foi montado segundo o

sistema da figura III.4, mudando somente a fonte γ para raios X quando este foi utilizado. A

fonte e o detector são posicionados em um mesmo lado da peça e este é ligado ao módulo

PX2T e ao analisador multicanal. A peça para análise é apoiada sobre uma mesa dotada de

um sistema de rotação (mesmo raio do duto de 16”) e de dois sistemas de translação (X e

Z), acionados manualmente, onde X é perpendicular ao feixe incidente e Z é paralelo ao

feixe incidente. Para mudar a altura da peça, fez-se a variação da posição Y manualmente.

O feixe de laser ajudou na marcação de cada posição na peça.

Lase

Fonte

241

Detector

XR-100T

CdTe

MCA

Mesa de

rotação e

translação

PX2T

Figura III.4 - Sistema de medidas utilizando a fonte gama de

241

Am.

A técnica proposta neste trabalho apresenta uma dependência muito grande das

características geométricas do sistema. O arranjo utilizado e o tipo de equipamento são

fatores que influenciam, de maneira considerável, a qualidade do sinal obtido. É importante

salientar que o arranjo deve apresentar uma geometria que permita a utilização do sistema

acessando apenas um dos lados do corpo de prova.

III.5.2 Dimensionamento do sistema

O dimensionamento inicial para o sistema utilizando a fonte gama foi em função de

se obter uma melhor compreensão do comportamento deste, bem como definir as medidas

dos colimadores a fim de se reduzir o tempo de aquisição dos dados. O dimensionamento

foi feito a partir da análise do espectro diferencial da radiação espalhada pelo corpo de

prova, obtido com o auxílio de um analisador multicanal. A base do método proposto para

o dimensionamento da peça é a afirmação de que o valor total do fotopico principal do

espectro diferencial da radiação espalhada na peça corresponde aos fótons que são

espalhados no voxel.

Para o sistema que utilizou o aparelho de raios X, esse dimensionamento não

chegou a ser feito, devido a sua quebra que ocasionou a substituição deste pela fonte gama

241

Am. Esta, por ser de baixa energia (59,54 keV) e ser bastante atenuada no material

inspecionado, exigiu uma análise do dimensionamento do sistema para se ter uma boa

estatística de contagem. Já para o aparelho de raios X, o feixe não sofreu grandes

atenuações no material, o que deu uma estatística boa de contagem, bastando-se somente

fazer uma análise dos melhores parâmetros (tensão e corrente) a serem utilizados.

III.5.2.1 Sistema de Colimação

Os colimadores são responsáveis pela resolução do sistema, pois determinam a

forma e o tamanho do volume de inspeção. Além disso, são utilizados para manterem o

ângulo médio de espalhamento entre os feixes incidente e espalhado e reduzirem a radiação

de fundo, devido aos múltiplos espalhamentos da radiação. O colimador da fonte tem o

objetivo de orientar numa determinada direção a radiação proveniente da fonte e de

determinar a largura, a altura e a divergência do feixe incidente no corpo de teste. Estes

fatores são em função das dimensões da vazadura. Já os colimadores do detector têm o

objetivo de determinar o ângulo médio de espalhamento entre o feixe incidente e o feixe

espalhado no voxel e que alcançam o detector.

Existem quatro colimadores no sistema de medidas desse trabalho, sendo dois para

o sistema fonte de raios X – detector, e dois para o sistema fonte gama - detector. Um está

localizado na saída da blindagem da fonte e o outro na entrada da blindagem do detector,

sendo todos eles feitos de chumbo, com forma e vazadura cilíndrica em todo o seu

comprimento.

Os colimadores variam de acordo com o tipo e o interesse da inspeção que se deseja

realizar. Por exemplo, para inspecionar corpos de prova que possuam defeitos com

densidade eletrônica média maior que a do próprio corpo de prova, pode-se construir

colimadores que forneçam um volume de varredura próximo ao volume do defeito. Assim,

aumenta-se a taxa de contagem decorrente do defeito. Porém, para inspecionar defeitos que

possuam densidade eletrônica média próxima a do corpo de prova, o volume de varredura

tem que ser o menor possível para que se possa manter uma diferenciação entre a taxa de

contagem decorrente do defeito da taxa de contagem referente ao corpo.

A figura III. 5 abaixo mostra um exemplo de disposição do colimadores, sendo estes

com vazadura paralela e não paralela.

Figura III.5 – Exemplo de disposição dos colimadores em um sistema fonte – detector

(Adaptada de ANJOS, 1991).

Usando a proporcionalidade entre triângulos semelhantes, pode-se obter uma

relação para a divergência (DIV) produzida por um colimador de vazadura não paralela.

Assim, tem-se:

AG)AGAP(

DDC

DIV −+=

(III.1)

No caso de colimadores com vazaduras paralelas, tem-se: AG = AP. Usando-se esta relação

de igualdade na equação III.1, obtém a seguinte equação (ANJOS, 1991):

)CCDDC2(

DIV −=

(III.2)

Para o sistema que utilizou a fonte gama foi feito o cálculo da divergência dos

feixes no voxel com a equação III.2 para diferentes colimações, ângulos de espalhamento e

distância fonte - peça - detector. Com isso, pretendeu-se encontrar o menor volume possível

para o voxel, sem diminuir tanto o número de contagens e sem aumentar muito o tempo de

aquisição, já que a densidade eletrônica de cada material que compõe a peça é maior que a

do defeito e não se tem um conhecimento exato das dimensões e posições desses defeitos.

Os colimadores utilizados no sistema fonte-detector são apresentados na figura III.6,

com suas respectivas dimensões. O colimador utilizado na fonte gama possui vazadura

paralela e sua abertura foi definida de forma a otimizar a utilização da fonte como descrito

no trabalho de MATOS (1989), porém o colimador utilizado para os raios X, foi próprio do

aparelho, sendo ele com vazadura na forma de prisma regular. O colimador do detector,

utilizado no sistema com a fonte de raios X, também possui vazadura na forma de um

prisma regular. Isto torna o ângulo sólido subentendido entre o centro do voxel e o detector

maior do que um colimador com vazadura paralela e implica uma maior intensidade de

raios gama espalhados. Já o colimador utilizado no sistema com a fonte gama possui

vazadura paralela.

Figura III.6 - Colimadores utilizados no sistema fonte-detector, com suas respectivas

dimensões.

III.5.2.2 Ângulo de Espalhamento e Distância Fonte - Peça - Detector

A escolha do ângulo de espalhamento deve ser feita levando em conta dois fatores

principais: a disposição final do sistema e a qualidade do espectro obtido. O sistema foi

montado com o objetivo de verificar a intensidade dos fótons espalhados no voxel em

relação, tanto ao ângulo de espalhamento quanto a distância entre a fonte, o corpo de prova

e o detector. Para isso, foram analisados quais seriam os melhores valores para estas

grandezas, que para o nosso caso deve gerar um voxel com menor área possível, sem

reduzir tanto a intensidade do feixe.

A intensidade do feixe detectado depende do ângulo de espalhamento, sendo que,

para ângulos grandes o feixe espalhado sofre menor atenuação, pois atravessa uma menor

região do corpo de prova explicando assim o aumento da intensidade do feixe detectado. A

figura III.7 mostra os esquemas de inspeções utilizados no trabalho, no qual pode-se notar

que a forma do voxel foi diferente de acordo com o ângulo de espalhamento.

Figura III.7 – Esquemas das inspeções e seus respectivos voxel.

Em trabalhos anteriores, como os realizados por ANJOS

et al. (1989) e LOPES et

al. (1989), verificou-se que para inspeções na superfície de um material, o melhor ângulo

de espalhamento é 90º. Entretanto, em regiões logo abaixo da superfície este ângulo deixa

de ser mais favorável e passa a competir com outros ângulos. Isso acontece devido aos

termos de atenuação para os feixes incidente e espalhado. Estes termos devem ser levados

em consideração para inspeções logo abaixo da superfície.

A figura III.7 representa os esquemas de inspeções utilizados no trabalho e mostra

os termos de atenuações (Ta, Tb e Tc) em cada um deles. Para o sistema que utilizou o

aparelho de raios X não houve problemas consideráveis com atenuações do feixe ao se

fazer a análise na profundidade da peça. Sendo assim, foi utilizado um ângulo de

espalhamento de 90º (esquema

a da figura III.7). Para este sistema, a distância fonte-peça e

peça-detector foram de 45 mm e o passo entre as medidas foi de acordo com as dimensões

dos colimadores da fonte e do detector.

Já para o sistema que utilizou a fonte gama, o ângulo a 90º não foi viável devido à

grande atenuação do feixe espalhado na peça. Por isso, buscando uma geometria de feixe

que minimizasse esse problema, mudou-se a direção do feixe espalhado sem mudar a

direção do feixe incidente (esquema B da figura III.7), formando assim um ângulo de

espalhamento de 153º em uma analise e 144º em outra, que serão apresentados no decorrer

do trabalho. Isto permitiu a redução do termo de atenuação para o feixe espalhado.

Porém, após fazer algumas análises, decidiu-se buscar uma geometria que

permitisse aumentar ainda mais as contagens, reduzindo o tempo de aquisição das medidas

e dando um voxel menor para a detecção dos defeitos. Assim, a geometria foi alterada para

formar um ângulo de 125º (esquema c da figura III.7) e apesar de possuir o termo de

atenuação maior no feixe incidente, permitiu a análise da detecção de defeitos, já que o

voxel foi menor, sem diminuir as contagens em relação aos outros ângulos.

A vazadura dos colimadores e as distâncias fonte – peça – detector, para o sistema

com a fonte gama, também foram diferentes nas medidas realizadas com cada ângulo e

estas serão apresentadas nos procedimentos de cada análise.

III.5.3 Procedimento Experimental

III.5.3.1 Calibração do sistema

A calibração do sistema de inspeção consiste basicamente em preparar todo arranjo

experimental juntamente com o sistema eletrônico de contagens, de modo que os erros

sistemáticos sejam minimizados. Após a montagem do sistema, o alinhamento do

colimador das fontes de raios X e gama com o colimador do detector foi feito empregando

duas varetas pontiagudas, uma com diâmetro igual à vazadura do colimador da fonte e a

outra com diâmetro igual a vazadura do colimador do detector. Elas foram inseridas nas

vazaduras dos seus respectivos colimadores e o ponto de coincidência entre elas foi

marcado, com a ajuda de um feixe de laser, como sendo o centro do volume de inspeção. A

figura III.8 mostra um esquema do alinhamento, que demonstrou ser razoavelmente preciso

e rápido de ser executado, podendo ainda ser verificado a qualquer instante a qualquer

momento sem a necessidade de remoção da fonte.

Figura III.8 – Esquema do sistema de alinhamento dos colimadores para fonte gama.

Após o alinhamento dos colimadores, passou-se a fase da calibração em energia do

analisador multicanal, a fim de se obter uma janela para análise da radiação espalhada

dentro da faixa de energia de interesse. Esta calibração foi feita através dos picos

conhecidos de uma fonte gama de

241

Am. Os picos principais do espectro foram usados

para determinar a constante de proporcionalidade entre os números de canais MCA e a

energia do fóton. Na aquisição do espectro diferencial da radiação espalhada na peça, a

partir da calibração obtida com a fonte de Amerício, foi estabelecido no espectro um ROI

ou janela de energia (ΔE), que delimitará a região de interesse do fotopico principal para

inspeção. A análise do espectro neste trabalho consistirá basicamente em determinar como

a região do fotopico principal se comportará de acordo com a profundidade de inspeção na

peça.

III.5.3.2 Procedimento de Inspeção com Fonte de Raios X

Para análise, primeiramente foram obtidos os espectros do feixe incidente com e

sem a utilização dos filtros de Cobre e Alumínio no colimador da fonte de Raios X, para se

ter conhecimento da influência desses filtros nas medidas de contagens. Para isso o detector

foi alinhando em frente ao aparelho de Raios X a uma distância foco-detector de 440 mm

formando um ângulo de 180º com este. Na obtenção dos espectros incidente, o feixe foi

bem colimado na fonte e no detector através de colimadores cilíndricos. Os parâmetros

utilizados foram: tensão de 75 kV, corrente de 10 μA e tempo de contagem de 200

segundos.

Para os testes seguintes, procurou-se saber quais os melhores parâmetros a serem

utilizados no aparelho de raios X para uma posterior otimização destes nos testes seguintes.

Os parâmetros testados foram tensão de 75 kV para correntes de 200 μA e 250 μA e tensão

de 80 kV para corrente de 150 μA. Os parâmetros foram otimizados para tensão de 75 kV e

corrente de 250 µA, pois deram maior intensidade na contagem de fótons espalhados a 90º.

Com a escolha da tensão e corrente mais adequada, os testes foram divididos em

dois experimentos, sendo o tempo de aquisição das contagens de 1200 segundos e o ângulo

de espalhamento de 90º. No experimento 1 analisou-se a intensidade do feixe espalhado em

relação a profundidade na peça com falta de adesivo e sem defeito. Após o posicionamento

da peça em relação ao ponto de interseção dos feixes, as medidas foram efetuadas em uma

região na direção do eixo X. Nesta região, a peça foi varrida em três pontos na direção do

eixo Z, que foram a superfície, a região da resina e o fundo. Assim, fez-se a análise da

intensidade do feixe em função da profundidade do ponto de espalhamento.

No experimento 2 fez-se a análise do espalhamento somente na junção das peças

(região da resina), sendo este medido em vários pontos na direção X. Este experimento foi

realizado com o objetivo de comparar a intensidade dos feixes espalhados nas regiões das

peças com e sem falhas para uma análise da detecção destas. A figura III.9, mostra a

geometria do feixe retroespalhado utilizada nos dois experimentos. O colimador utilizado

no detector foi o de vazadura de 2,50 mm.

Figura III.9: Geometria de retroespalhamento de raios X, vista de cima.

III.5.3.3 Procedimentos de Inspeção com Fonte Gama de

241

III.5.3.3.1 Estudo do Espalhamento na Peça

Com a substituição do aparelho de raios X pela fonte gama de

241

Am devido a sua

quebra, novas análises foram feitas para o estudo do retroespalhamento de fótons na peças

cortadas do dutos compósitos. Para as análises, primeiramente foram feitas as contagens

dos fótons espalhados na superfície, na resina e no fundo da peça, com esta posicionada

perpendicularmente ao feixe incidente. As distâncias fonte – peça – detector foram de 44

mm e 57 mm, respectivamente. O ângulo de espalhamento (θ) utilizado foi de

aproximadamente 153º, calculado através da equação II.3, sendo a energia média dos feixes

espalhados de 49 keV. A colimação da fonte foi de 3 mm de diâmetro e do detector de 1,50

mm de diâmetro, sendo a divergência de feixe incidente e espalhado no voxel de 15,8 mm

e 11,6 mm, respectivamente. O tempo de contagem em cada medida foi de 5000 segundos,

devido ao baixo número de espalhamentos de fótons no pico de retroespalhamento. Para

uma melhor análise dos espectros foram tomadas as contagens totais na região do fotopico

principal em que foi selecionado um ROI.

Buscando um melhor entendimento do espalhamento do feixe de raios gama na

peça, foram calculados os coeficientes de absorção da parede 1 que forma a superfície, da

resina e da parede 2 que forma o fundo. Para isso, medidas de intensidade de fótons

incidentes e transmitidos foram obtidas e com estas calculou-se os coeficientes de

atenuação através da equação II.1. Em seguida, um gráfico dos coeficientes de atenuação

pela energia em keV, de cada parte da peça, foi traçado e a partir da equação da curva, os

coeficientes de absorção linear dos feixes incidentes e espalhados foram calculados. As

espessuras da parede 1 e 2 foram as mesmas das peças originais, mas da resina foi um

pouco maior, de 4 mm.

Após o cálculo do coeficiente de absorção, dois espectros foram obtidos, sendo um

da peça que compõe a superfície do duto e outro da resina de 12 mm de espessura, para

uma comparação da intensidade de fótons espalhados em cada uma. Os espectros foram da

superfície de cada material separadamente, sendo o tempo de aquisição das contagens de

5000 segundos.

III.5.3.3.2 Análise da Densidade Eletrônica

Como a intensidade do feixe de raios gama, que sofrem espalhamento em um

pequeno volume (voxel) e, consequentemente alcançam o detector, é proporcional a

densidade média de elétrons no interior deste volume, medidas de intensidade do feixe

retroespalhado em alguns pontos da peça foram obtidas para o cálculo da densidade

eletrônica. Para isso, foi utilizado o corpo de prova que simula as peças cortadas dos dutos,

sendo a resina de 12 mm de espessura para permitir uma melhor análise dos dados. Na

varredura, dois defeitos foram analisados como uma simulação de falta de adesivo e de

falta de adesão.

A fonte gama foi posicionada perpendicularmente a peça, sendo o trajeto do feixe

incidente representado pelo tracejado em preto na imagem da figura III.3a. A distância

entre a fonte e a peça foi de 40 mm e a distância entre a peça e o detector foi de 60 mm. A

divergência do feixe incidente e do espalhado no voxel foi de 14,4 mm e 12,0 mm,

respectivamente. As dimensões dos colimadores foram mantidas iguais as deste nas

análises anteriores. O ângulo de espalhamento (θ) utilizado foi de aproximadamente 144º,

calculado através da equação II.3, sendo a energia média dos feixes espalhados de 49,19

keV. A figura III.10 mostra o arranjo experimental utilizado para esta análise.

Peça

Y X

Detecto

Fonte

Z Y

Laser

Detector

Fonte

Figura III.10 – Arranjo experimental para análise da densidade eletrônica (visão lateral e

superior).

Inicialmente as contagens foram medidas num ponto externo a peça e depois foram

feitas variações de profundidade com passos de 3 e 4 mm na mesma direção Z, a partir do

ponto de maior contagem na superfície da peça. A marcação dos passos foi em papel

milimetrado adicionado na mesa junto a peça e a marcação da interseção dos feixes nesta

foi com a ajuda de um feixe de laser. O tempo de contagem utilizado foi de 5000 segundos

para se obter uma boa estatística de contagem. Através da equação II.6, pode-se obter a

densidade eletrônica, corrigida pelos coeficientes de absorção, em cada região da peça em

que o feixe espalhado atingiu o detector, a partir da intensidade deste.

III.5.3.3.3 Teste de Sensibilidade do Sistema

Para testar a sensibilidade do sistema em detectar os defeitos, foram utilizadas três

peças cortadas dos dutos de fibra de vidro/epóxi, uma delas sem defeito e as outras duas

com falta de adesivo e falta de adesão cada uma. Para se determinar um defeito,

estabeleceram-se como contagem padrão, aquelas obtidas nas regiões da peça que não

apresenta nenhum tipo de falha. As medidas foram feitas em diversos pontos da região da

cola (resina), que é onde possivelmente encontram-se defeitos. As contagens foram obtidas

dentro de um limite de energia do fotopico principal, sendo considerado defeito, uma

diminuição na contagem em relação à contagem padrão, superior as variações estatísticas.

Devido ao baixo espalhamento e ao alto tempo de contagem nas análises anteriores,

o dimensionamento do sistema, nesse teste, foi alterado para se obter melhores resultados.

A abertura do colimador do detector foi a mesma das análises anteriores, porém a abertura

do colimador da fonte foi aumentada para 5 mm, já que, para esta análise, a geometria do

feixe incidente foi alterada, aumentando com isso a absorção deste pelo material. As

distâncias fonte – peça – detector foram de 35 mm e 43 mm, respectivamente. A

divergência dos feixes incidentes e espalhados no voxel foi de 22,5 mm e 9,0 mm,

respectivamente. O ângulo de espalhamento foi de aproximadamente 125º, sendo a energia

média dos fótons espalhados de 50,35 keV. Em cada medida, foi usado um tempo de

aquisição de 2400 segundos.

As posições nominais das peças são determinadas, nas direções X e Z, alinhando a

peça com o feixe de laser. A peça foi varrida em vários pontos da cola deslocando o centro

do voxel na direção X e a altura de inspeção foi mudada variando este na direção Y.

Y X

Peça

Fonte

Laser

Detector

Z Y

Fonte

Peça

Detecto

Figura III.11 – Arranjo experimental para o teste da sensibilidade do sistema (visão lateral e

superior).

III.5.3.3.4 Ensaio de Detectabilidade de Defeito

Para ser perceptível ao sistema de detecção, o tamanho do defeito deve ser

suficiente para provocar uma variação na densidade eletrônica do volume inspecionado

(voxel). Entretanto, é importante se fazer uma análise do menor volume de defeito, para

produzir uma variação mínima na densidade eletrônica no interior do voxel, fora da

flutuação estatística das medidas.

Nesse teste da detectabilidade do defeito, primeiramente pretendeu-se observar a

variação da intensidade das contagens em função da posição Y na peça, identificando três

regiões: região da primeira parede ou superfície, região do vazio ou da cola e região da

segunda parede ou profundidade. Para isso foi utilizada a peça que é uma simulação da

peça original e é formada por pedaços cortados desta e dois pedaços de resina de 1,2 mm e

1,3 mm cada. A varredura em cada região foi feita em três pontos na direção X da peça,

sendo eles extremidades e centro da peça. Em cada extremidade foi colocado um pedaço de

resina e no centro da peça ficou um vazio de 12 mm de largura.

O segundo passo neste teste foi analisar a variação de intensidade das contagens a

partir da diminuição dos vazios no centro da peça. Essa diminuição foi feita aproximando

os pedaços de resina em direção ao centro da peça, variando assim o tamanho do vazio. O

dimensionamento do sistema e o tempo de aquisição das medidas foram os mesmos do

teste de sensibilidade e seu arranjo está mostrado na figura III.12.

X Y

Z Y

Detector

Fonte

Peça

Detector

Peça

Fonte

Figura III.12

- Arranjo experimental para o ensaio de detectabilidade de defeitos (visão

lateral e superior).

No próximo capítulo apresentam-se os resultados obtidos e suas análises nos diversos

procedimentos apresentados.

CAPÍTULO IV

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Este capítulo apresenta os resultados, bem como as análises dos estudos da técnica

de Retroespalhamento Compton na inspeção de dutos compósitos. Apresenta-se uma

seqüência de experimentos que foram importantes para o estudo da técnica.

IV.1 Calibração em energia

Como foi dito nos capítulos anteriores, o método proposto baseia-se no estudo do

espectro diferencial da radiação espalhada na peça, obtido com o auxílio do analisador

multicanal. Como um primeiro passo na obtenção dos dados foi feita a calibração em

energia do analisador multicanal na faixa de energia em que se espera trabalhar. Os limites

escolhidos foram 13,95 keV e 59,94 keV, que são os picos de energias características de

uma fonte gama de

241

Am, e estão marcados em azul na figura IV.1. Esses picos foram

escolhidos de modo a garantir a linearidade na relação entre canal e energia neste intervalo

de energia. Na figura IV.1 observa-se o espectro de calibração das contagens por energia,

obtida com a fonte de Amerício.

Figura IV.1 – Espectro de calibração do analisador multicanal –

241

Am.

Estabelecido os limites de energia, três pontos distintos foram escolhidos em um dos

espectros já calibrado em energia no MCA. A tabela IV.1 mostra as energias escolhidas

juntamente com seus respectivos canais fornecidos pelo programa do analisador multicanal.

Uma reta de calibração foi traçada a partir desses pontos, relacionando canal e energia.

Tabela IV.1 - Energias características da fonte gama de

241

Am com seus respectivos canais.

Energia (keV) Canal

30,81 1012

45,74 1499

60,61 1984

Com o auxílio da reta de calibração obtém-se a equação para o cálculo das energias

dos fótons espalhados:

0,21492] - 0,03066 x [Canal Energia =

(IV.1)

IV.2 Análise do Espalhamento de Raios X na Profundidade

O método proposto para esta análise consiste no monitoramento da variação de

intensidade na região central do fotopico do espectro diferencial da radiação espalhada na

peça, com relação à espessura. Antes da realização deste monitoramento, fez-se a análise do

espectro de feixe incidente, com e sem a utilização dos filtros de Cobre e Alumínio no

colimador da fonte de raios X, para se avaliar a influência destes sobre os espectros. O

tempo de aquisição ao obter os espectros foi de 200 segundos, sendo o tempo morto destes

com e sem filtros de 7,17% e 13,34%, respectivamente. A figura IV.2 corresponde a

comparação entre esses dois espectros e mostra a influência dos filtros. Como esperado os

filtros diminuem as contagens, porém caracteriza melhor o espectro.

0 204060801001

100

200

300

400

500

600

Contagens

Energia (KeV)

com filtros

sem filtros

Figura IV.2 - Influência dos filtros nos espectros de feixes incidentes.

Após a análise dos filtros, foram realizadas as contagens dos experimentos 1 e 2

para um tempo de aquisição de 1200 segundos. As figura IV.3 e IV.4 mostra a variação de

intensidade dos fótons espalhados a 90º em relação a espessura no ponto 1 (superfície),

ponto 2 (resina) e ponto 3 (fundo) das peças com e sem defeito, respectivamente. Como

esperado, o número de contagens aumentou com a espessura do material até certo ponto em

que, devido à absorção do próprio material alvo, a contagem não aumentou mais.

0 20406080100

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Contagens

Energia (KeV)

Falta de Adesivo

Superficie

Resina

Fundo

Figura IV.3 – Espectros da intensidade do feixe espalhado com relação a espessura em cada

ponto da peça com falta de adesivo.

0 20406080100

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

Contagens

Energia (KeV)

Sem Defeito

Superfície

Resina

Fundo

Figura IV.4 - Espectros da intensidade do feixe espalhado com relação a espessura em cada

ponto da peça sem defeito.

Nestas figuras, pode-se notar a ocorrência de um deslocamento do espectro para

regiões de menores energias, à medida que se aumenta a espessura ao variar a profundidade

na peça. Este deslocamento pode ser melhor entendido a partir da análise da figura II.13,

considerando-se que a geometria deste trabalho pode ser representada pelo esquema desta

figura. Para uma distância fixa do corpo de prova ao sistema de detecção (Dist), o ângulo

de espalhamento máximo (φ), que irá determinar o limite inferior da janela de energia,

dependerá da espessura inspecionada do mesmo. Desta maneira, à medida que se aumenta a

espessura aumentando a profundidade de inspeção na peça, o limite inferior da janela é

deslocado para uma região de menor energia. É importante mencionar também que um

aumento da espessura não afetará o ângulo mínimo de espalhamento, que corresponde ao

limite superior da janela de energia, pois esse ângulo depende apenas da distância na qual é

posicionado o corpo de prova.

No estudo da intensidade do feixe espalhado nas peças com falta de adesivo e sem

defeito, pode-se perceber a partir da comparação das figuras IV.5 e IV.6 que há uma

diferença na intensidade das contagens da região onde se encontra a resina (cola) de cada

peça. Como esperado, na peça sem defeito (figura IV.5) houve maior número de fótons

espalhados em alguns pontos da resina, se comparado com este nos pontos da peça com

falta de adesivo (figura IV.6).

0 20406080100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Contagens

energia (keV)

Sem Defeito

Ponto A

Ponto B

Ponto C

Ponto D

Ponto E

Ponto F

Figura IV.5 – Espectros de retroespalhamento da peça sem defeito em diferentes pontos na

região da resina.

0 2040608010

500

1000

1500

2000

2500

Contagens

Energia (keV)

Falta de Adesivo

Ponto A

Ponto B

Ponto C

Ponto D

Ponto E

Ponto F

Ponto G

Figura IV.6 – Espectros de retroespalhamento da peça com falta de adesivo em diferentes

pontos na região da resina.

IV.3 Análise do Espalhamento de Raios Gama

Com o intuito de se fazer o estudo do espalhamento com a fonte gama de Amerício,

primeiramente mediu-se as contagens em três partes da peça (superfície, resina e fundo),

com o ponto de maior intensidade do voxel em cada uma delas. A peça foi posicionada

perpendicular ao feixe incidente, assim como nas medidas feitas com o aparelho de raios X.

Porém, como o número de contagens não foi suficiente para uma análise adequada, o

ângulo de espalhamento usado foi aumentado para 153º em vez de 90º. A figura IV.7

mostra a comparação dos espectros obtidos com esse ângulo através do retroespalhamento

dos raios gama em uma peça sem defeito. O tempo de aquisição de cada medida foi de

5000 segundos devido à baixa contagem. Para o estudo dos espectros da figura IV.7 com

uma boa estatística de contagem, o número de contagens total na região do fotopico

principal de cada espetro foi medido, sendo este apresentado na tabela IV.2:

Tabela IV.2 – Contagens total do fotopico principal de espalhamento nas partes da peça.

Superfície Resina Fundo

4781 ± 2 6569 ± 1 2317 ± 2

30 40 50 60 70

-10

100

Contagens

Energia (KeV)

Sem defeito

fundo

resina

superfície

Figura IV.7- Comparação entre os espectros de espalhamento de raios gama em relação a

profundidade na peça.

Como esperado, no espalhamento com os raios gama também houve aumento no

número de contagens com relação à espessura (profundidade de inspeção) na peça, mas que

em certa profundidade o número de contagens não aumentou mais devido a absorção do

próprio material.

Na obtenção do coeficiente de absorção, medidas de intensidade das contagens de

fótons incidentes e transmitidos através de cada material da peça, separadamente, foram

obtidos e seus valores estão apresentados na tabela IV.3 juntamente com a espessura destes

materiais. Com esses valores, foi feito o cálculo dos coeficientes de atenuação das partes da

peça através da equação II.1.

Tabela IV.3 – Medidas de intensidades de fótons incidentes e transmitidos em cada material

da peça separadamente e suas espessuras.

59,54 keV

Parede 1 (Superfície) Espessura (mm)

I 49257 49209 49269

I0 97816 97634 98266

I0/I 1,99 1,98 1,99

12,85

Parede 2 (Fundo) Espessura (mm)

I 53122 52901 53125

I0 97816 97634 98266

I0/I 1,84 1,85 1,85

11,67

Resina Espessura (mm)

I 67911 67929 68135

I0 76760 76945 76765

I0/I 1,13 1,13 1,13

4,00

Após o cálculo dos coeficientes de atenuação, foram traçados gráficos destes em

relação à energia em keV para cada parte da peça analisada (figura IV.8 e IV.9). Com o

auxílio da equação da curva de cada gráfico, pode-se calcular os coeficientes de absorção

linear dos feixes em cada material e estes são apresentado na tabela IV.4.

0.00E+00

1.00E-02

2.00E-02

3.00E-02

4.00E-02

5.00E-02

6.00E-02

0 100 200 300 400 500 600 700

Energia (keV)

Coeficiente de Atenuação (mm

)

Parede 1

Parede 2

Tubo

59,54 keV

662 keV

Figura IV.8 – Curvas de calibração para as paredes 1 e 2 da peça.

0.00E+00

5.00E-03

1.00E-02

1.50E-02

2.00E-02

2.50E-02

3.00E-02

3.50E-02

0 100 200 300 400 500 600 700

Energia (keV)

Coeficiente de Atenuação (mm

)

Resina

59,54 keV

662 keV

Figura IV.9 – Curva de calibração para a resina.

•

Equação do gráfico para a parede 1:

y = 0,462. x

-0,5266

(IV.2)

• Equação do gráfico para a parede 2:

y = 0,4321. x

-0,5149

(IV.3)

•

Equação do gráfico para a resina:

y = 0,2805.x

-0,5417

(IV.4)

onde : x é a energia dos feixes incidentes ou espalhados,

y é o coeficiente de absorção linear dos feixes incidentes ou espalhados em cada

material.

Tabela IV.4 – Coeficientes de absorção linear dos feixes incidentes e espalhados nas partes

da peça.

(cm

-1

) μ

(cm

-1

)

0,54 ± 0,08

0,59 ±

0,08

0,53 ± 0,08 0,58 ± 0,08

0,30 ± 0,08

0,34 ±

0,08

Nota-se através dos valores da tabela IV.4 que os coeficientes de absorção das

paredes 1 e 2 das peças são iguais, o que já era esperado por serem feitas do mesmo

material. A resina apresentou um coeficiente de absorção menor, o que contribui na

inspeção das peças, pois dá um contraste diferente para os dois materiais no espalhamento

dos fótons.

Para se fazer uma comparação entre o número de fótons espalhados na parede 1 e na

resina, espectros de cada parte foram obtidos e estes são apresentados na figura IV.10. Os

espectros foram da superfície de cada material separadamente, mantendo o mesmo

dimensionamento para o sistema e com o tempo de aquisição das contagens de 5000

segundos. As contagens totais do fotopico de cada espectro estão apresentadas na tabela

IV.5.

0 20406080100

Intensidade (contagens)

Energia (KeV)

superfície tubo

superfície resina

Figura IV.10 - Comparação entre os espectros de espalhamento de raios gama da superfície

da peça e da resina num tempo de contagem de 5000 s.

Tabela IV.5 – Total de contagens de toda região do fotopico principal de espalhamento na

superfície da resina e da peça.

Material

Superfície da peça Superfície da resina

Total de contagens

do fotopico

4966

3196

Analisando o gráfico acima, nota-se que o espectro da resina mostrou uma resolução

em energia menor que o da peça, dando um menor número de contagens em toda região do

fotopico principal de espalhamento. Conclui-se que apesar da resina ter um coeficiente de

absorção menor que o material que forma a superfície do tubo, ela espalha menos fótons.

IV.4 Análise da Densidade Eletrônica

Após as análises dos dados apresentados acima, decidiu-se fazer um estudo da

densidade eletrônica nas três partes da peça, e assim entender melhor o efeito de

espalhamento. A peça foi varrida na direção Z, começando em pontos fora da peça, e

depois foram feitos com passos de 2 e 3 mm a depender da posição onde o voxel, marcado

com o feixe de laser, se encontrava na peça. Na varredura, dois defeitos puderam ser

analisados, a falta de adesivo e a falta de adesão, e estes foram chamados de vazio 1 com 2

mm e vazio 2 com 1 mm, respectivamente. O total de contagens de toda região do fotopico

principal de espalhamento obtidas em cada medida são apresentadas na figura IV.11 com

relação à profundidade de inspeção na peça. Como esperado, as contagens diminuíram com

relação a profundidade na peça e no ponto onde se encontra o vazio 1 a queda nas

contagens, comparando com o ponto anterior, foi maior que no vazio 2, também

comparando com o ponto anterior a ele.

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Parede 2

Vazio 2

ResinaVazio 1Parede 1Fora

Contagens

Profundidade (mm)

Figura IV.11 – Contagens total com relação à profundidade de inspeção na peça.

Com os valores das contagens, obtidos na varredura da peça, foi calculada a

densidade eletrônica de cada ponto na profundidade da peça, através da equação II.6. Neste

cálculo os coeficientes de absorção do ar para os raios γ foram usados em certos pontos

devido à presença dos vazios. Estes são apresentados na tabela IV.6. A figura IV.12

apresenta o gráfico da densidade eletrônica média em relação à espessura em cada ponto da

peça montada.

Tabela IV.6 – Coeficientes de Absorção Linear do ar para os feixes de raios γ incidentes e

espalhados.

i ar

(cm

-1

) µ

e ar

(cm

-1

)

0,188 0,209

-0,4 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Fora

Parede 2

Vazio 2

Resina

Vazio 1

Parede 1

Densidade Eletrônica . K

Espessura (cm)

Figura IV.12 – Gráfico da densidade eletrônica média em relação a espessura da peça.

Pode-se perceber na figura IV.12 acima que nas regiões onde foram simuladas as

falhas houve uma redução da densidade eletrônica, como já era esperado. Nota-se também

que região da resina apresentou densidade eletrônica mais baixa, confirmando que este

material, apesar de ter o coeficiente de absorção linear menor que os das paredes 1 e 2,

consegue espalhar menos fótons. Na parede 2 houve uma redução da densidade eletrônica,

provavelmente devido a saída de uma parte do

voxel deste material a medida que se variou

a profundidade e devido a atenuação sofrida pelos feixes.

IV. 5 Sensibilidade do Sistema em Detectar Defeitos

Para a detecção dos defeitos nas junções das peças foi fixada uma janela de energia,

também chamando de ROI no programa do MCA, e o número de contagens totais da região

selecionada foi anotada para as análises. Essa região é onde se encontra o fotopico principal

de espalhamento dos raios γ.

As medidas das contagens foram obtidas em vários pontos na direção X, mantendo

fixa a profundidade na direção Z. Chamou-se de ponto “0” o centro da peça, de ponto 1 a 4

os localizados em direção a uma extremidade e de ponto -1 a -4 os localizados em direção a

outra extremidade. Após cada varredura, a altura de inspeção na peça foi mudada variando

a posição Y em quatro partes: altura 1, altura 2, altura 3 e altura 4.

As peças analisadas foram sem defeito, com falta de adesivo e com falta de adesão,

estabelecendo como parâmetro para comparação as contagens obtidas da peça sem defeito.

As figuras IV.13 e IV.14 mostram a comparação entre as contagens da peça sem defeito e

da peça com falta de adesivo e falta de adesão, respectivamente, na altura 1 que fica

localizada em uma extremidade da junção.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 1

Sem Defeito

Falta de Adesivo

Figura IV.13 – Comparação entre as contagens da altura 1 das peças com falta de adesivo e

sem defeito.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 1

Sem Defeito

Falta de Adesão

Figura IV.14 – Comparação entre as contagens da altura 1 das peças com falta de adesão e

sem defeito.

Analisando os gráficos acima, nota-se que as contagens nas peças com defeitos

mostraram uma diminuição no total de contagens dos fótons retroespalhados se comparado

com as da peça sem defeito. Através do gráfico da figura IV.13 pode-se perceber

claramente a presença de defeito na extremidade em direção a posição 4. Já na figura IV.14

a diferença nas contagens não foi tão significativa porém, como as contagens da peça com

falta de adesão foram menores, pode-se dizer que há um uma quantidade menor de resina

ou até um falta de adesão entre os pontos -1 e 1. Porém, como esperado, a peça com falta de

adesivo mostrou uma queda maior no número de contagens em relação à peça com falta de

adesão.

Na figura IV.15, as contagens dos fótons espalhados na altura 2 da peça sem defeito,

mostraram-se um pouco menor que as da com falta de adesivo, porém mesmo com a

redução, o número de contagens em todos os pontos foi superior ao dos pontos

considerados defeitos na altura 1. Através desta figura, pode-se dizer que não há a falta de

adesivo nessa altura. Já na figura IV.16, a diferença entre as contagens das peças na altura 2

foram bem evidentes, o que pode caracterizar a presença de defeito entre os pontos -1 e 4.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 2

Sem Defeito

Falta de Adeviso

Figura IV.15 – Comparação entre as contagens da altura 2 das peças com falta de adesivo e

sem defeito.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 2

Sem Defeito

Falta de Adesão

Figura IV.16 – Comparação entre as contagens da altura 2 das peças com falta de adesão e

sem defeito.

Observando a figura IV.17, vê-se que as contagens da peça com falta de adesivo

tiveram um comportamento parecido com as desta na altura 1 da figura IV.13, mostrando

também uma maior falta da resina em direção a posição 4. Pode-se concluir, através da

figura IV.18, que não há defeito na altura 4 da peça com falta de adesão fazendo-se a

mesma análise da que foi feita na figura IV.15.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 3

Sem Defeito

Falta de Adesivo

Figura IV.17 – Comparação entre as contagens da altura 3 das peças com falta de adesivo e

sem defeito.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posi

ão

Altura 3

Sem Defeito

Falta de Adesão

Figura IV.18 - Comparação entre as contagens da altura 3 das peças com falta de adesão e

sem defeito.

Na figura IV.19, também se pode dizer que não a defeitos, pois na há uma diferença

significativa entre as contagens das peças na altura 4, mas na figura IV.20 nota-se essa

diferença em quase todas as posições ao se fazer a comparação com a peça sem defeito.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 4

Sem Defeito

Falta de Adesivo

Figura IV.19 -

Comparação entre as contagens da altura 4 das peças com falta de adesivo e

sem defeito.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Contagens

Posição

Altura 4

Sem Defeito

Falta de Adesão

Figura IV.20 - Comparação entre as contagens da altura 3 das peças com falta de adesão e

sem defeito

Analisando todas as figuras, pode-se concluir que na peça sem defeito analisada há

pontos com uma quantidade menor de resina, porém essa quantidade não chega a ser tão

reduzida a ponto de caracterizar a presença de defeitos nas medidas. Conclui-se também

que não há como diferenciar a peça com falta de adesivo e com falta de adesão através dos

resultados obtidos com essas peças, pois em determinadas alturas suas respostas foram bem

parecidas.

IV.6 Ensaio de Detectabilidade de Defeitos

Com o intuito de determinar aproximadamente qual seria o mínimo defeito

detectável presente no corpo de prova, foi montada uma peça simulando a original com

dois pedaços de resina de espessuras semelhantes à desta e situados nas extremidades

laterais. Na extremidade 1 se encontra o pedaço de resina com 1,2 mm de espessura e na

extremidade 2 se encontra o pedaço de resina com 1,3 mm de espessura. Para simular os

defeitos foi introduzido um vazio de 12 mm de largura no centro da peça, entre as duas

paredes (superfície e fundo) e entre as colas. Nas medidas, primeiramente foram obtidos os

espectros em três pontos (parede 1, resina e parede 2) das duas extremidades laterais e do

centro, para assim, observar a variação das contagens com relação à profundidade em cada

um. É importante mencionar que as resinas foram posicionadas para simular a não presença

do defeito, porém, como os pedaços não estavam aderidos às paredes, esta simulação não

foi perfeita. A figura IV.21 apresenta o total de contagens do fotopico principal de

espalhamento com relação à profundidade na peça.

parede 1 resina parede 2

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

Contagens

Profundidade

Extremidade 1

Centro

Extremidade 2

Figura IV.21 – Variação das contagens obtidas com a peça montada com relação à

profundidade na peça.

Analisando a figura IV.21, pode-se perceber que houve uma variação nas contagens

com relação a espessura de inspeção na peça. Na extremidade 2, as contagens

apresentaram-se levemente maior que na extremidade 1 para as primeiras partes,

provavelmente devido a maior espessura da resina, já que os feixes incidentes e espalhados

englobam as três partes da peça. Já na parede 2, o número de contagens na extremidade 2

foi um pouco menor, provavelmente pelos feixes sofrerem maior atenuação ao longo dos

materiais. Através do gráfico nota-se também que, no centro da peça, houve uma queda

acentuada nas contagens por causa do vazio entre as paredes.

Após esta análise, o vazio no centro da peça foi diminuído de 12 mm para 9 mm, 6

mm, 3 mm, 2 mm, 1mm e 0 mm (nenhum vazio), aproximando as resinas em direção a

este. Nestas medidas, a região mais intensa do voxel foi posicionada somente entre as

paredes no local onde estava o vazio. A figura IV.22 abaixo mostra a variação nas

contagens a medida em que o vazio foi diminuído.

024681012

6000

7000

8000

9000

10000

11000

Contagens

Vazios (mm)

Figura IV.22 – Variação das contagens com relação a largura do vazio.

Através da figura IV.22 acima, vê-se que as contagens aumentaram com a

diminuição do vazio até certo ponto em que a absorção causada pela resina foi maior que a

diminuição na densidade eletrônica no interior do

voxel, causada pela a presença de ar no

interior da peça. A partir desta análise, pode-se dizer que o menor vazio detectado para

produzir uma variação mínima na densidade de elétrons no interior do

voxel, fora da

flutuação estatística das medidas, foi de 6 mm para o dimensionamento utilizado neste

sistema.

CAPÍTULO V

CONCLUSÕES E SUGESTÕES

Os resultados apresentados neste trabalho mostram que a técnica de inspeção por

espalhamento Compton pode ser aplicada aos dutos compósitos de fibra de vidro/epóxi, já

que houve espalhamento de radiação nestes, e que é possível fazer a detecção dos defeitos.

Tanto para o espalhamento usando a fonte de raios X, como para o espalhamento usando a

fonte gama, as contagens aumentaram com a espessura até a região da resina, sendo que

após esta, as contagens sofreram uma redução devido a absorção pelo próprio material. A

colimação utilizada em cada fonte produziu um tamanho do voxel adequado para haver a

redução das contagens nas regiões onde, provavelmente, se encontram defeitos na peça.

A partir da análise dos resultados experimentais, pode-se tecer algumas

considerações a respeito da técnica nas condições usadas.

Uso da fonte de raios X:

O espalhamento a 90º com a fonte de raios X mostrou boa intensidade nas

contagens para um tempo de 1200 segundos. Os espectros foram melhor caracterizados

com a utilização de filtros e houve deslocamento destes para região de menor energia, à

medida que se aumentou a profundidade de inspeção. Isto ajuda a saber se a profundidade

de inspeção em que o

voxel foi posicionado está na região de interesse, que no caso deste

trabalho foi a região da resina.

Uso da fonte gama:

No espalhamento com a fonte gama de

241

Am, os espectros não tiveram boa

intensidade nas contagens devido a baixa atividade da fonte. Isto fez necessário um estudo

do dimensionamento do sistema. Este problema foi minimizado com a utilização de

ângulos maiores que 90º e com um tempo de aquisição dos dados de 2400 segundos. Nas

análises com esta fonte, os estudos tiveram que ser feitos com o total de contagens do

fotopico do espectro e não mais a intensidade da região central do fotopico. A obtenção da

densidade eletrônica em cada parte da peça permitiu observar que ocorre a redução no

número de contagens onde há vazios, devido à redução na densidade de elétrons. No teste

da detecção dos defeitos, o mínimo tamanho do vazio, que causou uma variação na

densidade eletrônica no voxel com o dimensionamento utilizado, foi de 6 mm.

Como sugestões para a continuidade deste trabalho, podemos citar:

Um estudo mais detalhado do espalhamento para detecção do defeito nos dutos de

fibra de vidro/epóxi, utilizando uma fonte gama de alta energia ou um aparelho de raios X,

já que com a fonte gama de baixa energia houve algumas limitações.

Diminuição do tempo de aquisição das medidas, pois este é um fator importante na

utilização de uma determinada técnica para trabalho em campo.

Utilização de colimadores com vazadura na forma de um prisma regular com base

quadrada, que implica em uma maior intensidade do feixe de radiação se comparado com

os colimadores com vazadura paralela.

Para o teste da sensibilidade do sistema para detecção de defeitos é sugerido que se

diminua o máximo possível o

voxel para obter uma resposta mais precisa na inspeção das

peças, e assim fazer uma distinção entre o número de contagens referente a peça sem

defeito e o número de contagens referente a presença destes. Vale lembrar que não se tem

conhecimento sobre as posições, formatos e tamanhos destes defeitos.

Outra sugestão é fazer da análise detecção de defeitos com ensaios semelhantes às

peças originais. Estes seriam colados com a mesma resina epóxi no laboratório e seriam

feitos furos de diversos formatos e tamanho antes da colagem, simulando defeitos.

Faz-se necessário a utilização de um arranjo experimental mais fixo, pois uma

alteração na geometria do sistema influência e muito na resposta do espectro obtido.

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APÊNDICE A

Equação do Espalhamento Compton

A equação que fornece a intensidade do feixe de radiação espalhado na direção de

um ângulo θ, dentro do limite do ângulo sólido Ω, estabelecido pelo campo de visão de

detecção, será analisada com maior detalhe neste apêndice. A intensidade de um feixe

infinitesimal de raios gama, que após ter sido espalhado no elemento de volume

dv, alcança

o detector, é dada pela seguinte relação (ANJOS, 1991):

dv . d .

. . D I

Φ=

∫∫

(A.1)

Considerando-se as atenuações nos feixes de raios gama incidente e espalhado, tem-se:

dv . d .

EXP . dt ) t, (E - EXP . dt ) t, (E - EXP . . D I

eii

∫∫∫∫

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Φ=

μμ

Esta equação é chamada equação geral do espalhamento Compton e uma descrição

detalhada na resolução desta equação é encontrada no trabalho de VIEIRA, 1986. Esta

equação pode ser apresentada de uma forma mais abreviada.

TE . TAe . iTA I

(A.2)

Onde:

TAi – representa o termo de atenuação no feixe incidente;

TAe – representa o termo de atenuação no feixe espalhado e

TE – representa o termo de espalhamento no Voxel.

Se os coeficientes de atenuação na equação A.2 foram constantes, então a equação

pode ser escrita da seguinte forma:

) t . (- EXP . ) t . (- EXP . TE I

ei ei

(A.3)

Onde:

. d .

. . D TE

Φ=

∫

(A.4)

A seção de choque diferencial do espalhamento Compton é aproximadamente

constante em todo Voxel. Assim tem-se:

. . .

. D TE

ΩΦ

∫

(A.5)

Para um sistema fonte-detector fixado numa determinada geometria (ângulo de

espalhamento, colimação, etc) a equação A.6 pode ser representada da seguinte forma:

D .K TE

(A.6)

Substituindo esta relação na equação A.4 e desconsiderando-se as contribuições do

multiespalhamento, obtém-se uma equação simplificada para o espalhamento Compton:

) t . (- EXP . ) t . (- EXP . D .K I

eie ei

(A.7)

Onde:

K – é uma constante de proporcionalidade que engloba a eficiência do sistema de

detecção, a seção de choque diferencial do espalhamento Compton, o ângulo sólido

subentendido entre o detector e o centro do Voxel e a intensidade do feixe de raios gama

incidente.

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