O documento descreve aplicações da técnica de análise por ativação neutrônica prompt gamma (PGNAA) em três áreas: 1) detecção de agentes químicos e explosivos em armamentos, 2) análise da composição elementar do corpo humano para diagnósticos médicos, e 3) caracterização química de amostras extraterrestres sem destruí-las.

1. Programa de Iniciação Tecnológica
Orientador : Alexandre Soares Leal
Orientando : Frederico Vinícius de Souza Leite

2. Aplicações da técnica PGNAA
Frederico Vinícius de Souza Leite

3. Motivação
Longe de representar uma pesquisa exaustiva sobre o
assunto, esse trabalho tem a intenção apenas de
exemplificar algumas das aplicações atuais da técnica
PGNAA.
Certamente encontrar-se-á diversas aplicações aqui não
listadas, uma vez que a técnica em questão vem sendo
amplamente aplicada nas mais diversas áreas.

4. Introdução
• Apesar de ser uma técnica relativamente nova, diversas
variações da análise por ativação neutrônica vem sendo
desenvolvidas ao longo dos anos
• Trataremos aqui da análise por raios gama “prontos”, ou
Prompt Gamma Ray Neutron Activationa Analysis
• É farta a literatura que trata de todos esses métodos,
sendo fácil encontrar mais informações sobre os mesmo

5. Base teórica
• A técnica é baseada em reações nucleares.
• Quando um nêutron colide com o núcleo de certo
isótopo, este núcleo é excitado a um nível energético
instável
• Esse núcleo decai naturalmente para um estado
energético estável, emitindo , no processo, partículas
sub-atômicas e energia – os raios gama

6. • Os raios gama emitidos no processo possuem espectro
de energia característico para cada elemento
• Esse espectro pode ser reconhecido como a assinatura
de cada elemento

7. Aplicações - exemplos

8. Detecção de agentes químicos e
explosivos em armamento militar
• Armamentos antigos, armazenados, abandonados ou
não detonados em campos de batalha podem ser de
difícil identificação
• É preciso conhecer sua composição química para
descartá-los de maneira segura

9. • Bombas e projéteis não detonados são envoltos por aço
• É preciso sondar o interior de maneira não intrusiva –
grande risco de detonação ou vazamento de agente
químico
• Nêutrons penetram facilmente o invólucro de aço de
bombas e projéteis de artilharia.
• Raios gama emitidos também penetram o aço possuem
espectro característico, detectado por um detector
externo

10. • PGNAA é usada para vasculhar o interior de armamentos.
• Usa-se um detector de germânio de alta pureza para
poder separar com precisão o sinal do conteúdo do
armamento do ruído produzido pelo corpo (invólucro)
Projétil de artilharia sendo vistoriado
usando-se a técnica PGNAA – Os
resultados são obtidos em tempo real
Figura: "NONDESTRUCTIVE IDENTIFICATION OF
CHEMICAL WARFARE AGENTS AND EXPLOSIVES BY
NEUTRON GENERATOR-DRIVEN PGNAA"
T. R. TWOMEY , A.J. CAFFREY , D. L. CHICHESTER

11. • Técnica não detalha as ligações químicas, mas descreve a
concentração da composição elementar, o que já o suficiente
para diferenciar explosivos comuns de agentes químicos
Comparação da concentração elementar entre
explosivos comuns (Table 2) e agentes químicos
de guerra (Table 1). Essa diferença é suficiente
para diferenciá-los
Tabelas: "NONDESTRUCTIVE IDENTIFICATION OF
CHEMICAL WARFARE AGENTS AND EXPLOSIVES BY
NEUTRON GENERATOR-DRIVEN PGNAA"
T. R. TWOMEY , A.J. CAFFREY , D. L. CHICHESTER

12. Análise da composição elementar do
corpo humano
• Quantificar a concentração de certos elementos no corpo
humano pode ser de grande importância para a medicina
• Útil para pesquisas de fisiologia em geral : diagnóstico de
várias doenças, principalmente câncer

13. • Baseando-se em padrões definidos empiricamente para
normalidade, pode-se detectar alterações significativas
para o diagnóstico e também para o tratamento
• Padrões tem de ser bastante detalhistas – diversas
correções devem ser feitas relativas a idade, ao peso, ao
sexo, à etnia

14. • Análise do espectro obtido pela PGNAA provê a
concentração dos principais elementos no corpo humano
Espectro obtido da irradiação de um voluntário do sexo masculino, irradiado do ombro até os
joelhos (hidrogênio é o elemento mais abundante)
"Body Composition Analyzer Based on PGNAA Method” , Hamed PANJEH , Reza IZADI-NAJAFABADI"

15. • Medição da quantidade total de nitrogênio possibilita
estimar massa muscular, importante no
acompanhamento de doenças degenerativas
• Nitrogênio é a emissão de maior energia - nitrogênio é
usado para contagem de proteína, já que 16% delas é
nitrogênio
• Combinando medição de nitrogênio com medição de
potássio, pode-se determinar a massa de órgãos e tecido
muscular

16. • Estimativa da concentração elementar pode auxiliar na
determinação do melhor tratamento de diversas doenças
Esquemático do protótipo de
uma máquina para análise de
um corpo humano
"Body Composition Analyzer Based on PGNAA Method” , Hamed PANJEH , Reza IZADI-NAJAFABADI"

17. Caracterização química de material
extraterrestre
• Missões espaciais
• Quando se tem amostras muito pequenas trazidas de
outros planetas, não pode-se usar métodos químicos
para analisá-las.
• Precisa-se de métodos não destrutivos
• PGNAA é um ótimo candidato

18. • Não se conhece a priori a composição do material
• Precisa-se de método analítico com sensibilidade para a
maior quantidade possível de elementos
• A amostra deve permanecer o menos alterada possível

19. • PGNAA cumpre todos os requisitos
• Sensibilidade para os elementos de interesse
• Faz a análise sem destruir ou alterar a amostra
• Amostra permanece intacta, podendo ser
posteriormente investigada por outros métodos - basta
aguardar o tempo de decaimento - , como PAA (Photon
Activation Analysis)

20. Análise de objetos de valor
arqueológico
• Situação similar a do material extraterrestre
• Material escasso, delicado, de grande valor comercial
e científico
• Conhecimento da composição molecular dá pistas
sobre a origem geográfica do objeto, seu processo de
fabricação, seu contexto histórico

21. • PGNAA usa nêutrons de baixa energia, que não danificam
a amostra
• A amostra não tem q ser preparada, pode ser
posicionada diretamente no sistema
• Dependendo do tamanho do objeto, ele não precisa nem
mesmo ser amostrado – pode ser posicionado
inteiramente no sistema

22. • Uma dificuldade: PGNAA não consegue diferenciar o que
é do objeto, e o que está nele devido ao envelhecimento,
corrosão etc.
Pedaço de uma moeda de prata Romana, de
data estimada do ano de 141 D.C. investigada
pela técnica PGNAA
Figura: “Non-destructive analysis of historical silver Coins” ,Z. KASZTOVSZKY, in “ANALYTICAL APPLICATIONS OF
NUCLEAR TECHNIQUES”, org. IAEA

23. Detecção de metais pesados
misturados ao lixo comum
• Determinar o processo correto para processamento do
lixo
• No processamento do lixo, grandes concentrações de
mercúrio, cádmio ou chumbo podem resultar em
emissão de gases

24. • Não apenas ocorre a poluição do ambiente, como
atrapalha o próprio processo de processamento do lixo
• Os gases emitidos são extremamente tóxicos aos seres
humanos também (não apenas ao ambiente)
• É preciso descartar corretamente o lixo, mas não é
simples vasculhar a enorme quantidade de lixo produzida
cotidianamente

25. • Usa-se PGNAA como uma técnica bastante confiável, que
automatiza o processo de busca pelos materiais tóxicos
• Ao contrário dos métodos tradicionais, que usam
química, PGNAA não gera lixo adicional
• Pode-se vasculhar latões inteiros de lixo em muito pouco
tempo

26. • Análise garante que o lixo perigoso seja descartado da
maneira correta- maior segurança
Protótipo de um sistema de análise de lixo. Um
latão inteiro de lixo é colocado sobre as esteiras,
e passa pela máquina sendo ele todo vasculhado
em pouco tempo
Figura : “PGNAA System for the Assay of RCRA Metals in Mixed Waste: A Review”, Abdul R. Dulloo

27. Aplicações industriais
• Indústria de petroquímicos, extração e processamento de
minerais, tratamento da água, indústria farmacêutica,
etc.
• Possibilita análise em tempo real – monitoração de
processos

28. Exemplo - mineração
• Aumenta a vida útil da mina pela otimização dos seus
recursos
• Poupa tempo e dinheiro - faz a análise contínua em
tempo real, sem a necessidade de amostragem para
controle de qualidade do minério processado
• Qualquer alteração na linha produtiva é percebida e
denunciada na hora - características da rocha são
constantemente monitoradas

29. • Fornece informações seguras para a calibragem de
processos industriais
Esquema de um analizador insdutrial que utiliza a técnica PGNAA
Figura: “CBX-M (CrossBelt Xpert-Minerals) Online PGNAA Elemental Analyzer
Assuring Consistent Raw Material Composition”, Thermo Scientific

30. Exemplo – produção de cimento
• PGNAA oferece medição rápida e precisa dos principais
ingredientes do cimento cru
• Controle das concentrações desses ingredientes é
essencial no processo de fabricação de cimento de alta
qualidade
• Esse tipo de análise é muito mais rápida do que as
análises químicas tradicionais, e possibilita a análise de
grandes quantidades do material

31. • Os tempos de medição ficam abaixo de 15 minutos,
enquanto os métodos químicos tradicionais consomem
tempo acima de 8 horas
Esquema de montagem de um analisador industrial
que usa a técnica PGNAA – no centro do sistema fica a
caixa de cimento, logo acima do detector de raios
gama.
Figura:"A Computerized Concrete Raw Meal Analyzer Using a D-D Neutron
Generator“, Xuesong ZHANG, Daowen CHENG, Deshan GU, Linmao LIU, Ming WANG

32. Conclusão
• São inúmeras as aplicações práticas da técnica PGNAA,
em diversas áreas do conhecimento
• Como já dissemos, as aqui apresentadas estão estão
longe de esgotar o longo rol de utilidades da técnica
• Aplicações comerciais tem sido cada vez mais
desenvolvidas aproveitando as inúmeras vantagens que a
PGNAA oferece

33. FIM