Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón.Néstor Daniel Vacca Campos Página 1 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones Cpn 503 Dr Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón NÉSTOR DANIEL VACCA CAMPOS Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad de Ciencias Básicas Escuela de Física Grupo de Física Nuclear Aplicada y Simulación Tunja 2009 Néstor Daniel Vacca Campos Página 2 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones Cpn 503 Dr Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón Presentado por NÉSTOR DANIEL VACCA CAMPOS Trabajo de Grado para optar al título de Físico Director Físico Esp ALEJANDRO BOLÍVAR SUÁREZ Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad de Ciencias Básicas Escuela de Física Grupo de Física Nuclear Aplicada y Simulación Tunja 2009 Néstor Daniel Vacca Campos Página 3 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Página de aceptación: El presente trabajo cumple con los requisitos exigidos por la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Para otorgar el título de Físico Director de Tesis ________________________________________ Físico Esp. Alejandro Bolívar Suárez Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Jurado _______________________________________ Físico Msc. Hernán Olaya Dávila Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Néstor Daniel Vacca Campos Página 4 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. A mis Padres, Hermanos y Abuelos Néstor Daniel Vacca Campos Página 5 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Agradecimientos En primer lugar quiero agradecer a DIOS y a la Virgen de MONGUÍ, que me iluminaron para poder alcanzar este logro en mi vida, a mis padres que con su apoyo hicieron que siempre mirará hacia adelante y nunca me dejaron desfallecer, a mis hermanos EDITH y EDGAR, que con sus concejos y siempre tendiéndome la mano en momentos malos y buenos siempre estuvieron a mi lado, a mí hermanita ELCY y a mis abuelos paternos que desde el cielo siempre velaron por mí, a mi novia Katalina que siempre estuvo siempre conmigo en las buenas y en las malas, a mis amigos y compañeros de la universidad que siempre estuvieron ahí con sus explicaciones y a los profesores que hicieron realidad este logro, al profesor ALEJANDRO BOLÍVAR SUÁREZ por su generosidad en dirigirme el trabajo de grado, también muy especialmente al profesor TELMO BRAVO REALPE que con sus explicaciones y aclaraciones estuvieron siempre en el momento correcto, y muy comedidamente a la empresa NUCLEAR SERVICE LTDA que fue la gestora de este proyecto, prestando todos los implementos y equipos para poder desarrollar este trabajo de grado, a mis amigos Daniel, Luis Carlos, Felipe, Carolina, Harold, John y a todos los que me brindaron su colaboración a todos muchas gracias. Néstor Daniel Vacca Campos Página 6 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. _________________________________________________________________________ Índice General _________________________________________________________________________ Pág. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………...10 OBJETIVOS………………………………………………………………………………11 CAPÍTULO 1. Física de Neutrones y Radiación Gamma……………………………...12 1.1. Qué es un Neutrón…………………………………………………………………...12 1.2. Clasificación de los Neutrones según su Energía…………………………………....12 1.3. Interacción de los Neutrones………………………………………………………....13 1.3.1. Dispersiones elásticas A(n,n)A……………………………………………………....13 1.3.2. Dispersiones inelásticas A(n,n,)A, A(n, 2n)B………………………………………..13 1.3.3. Captura radiativa de neutrones……………………………………………………....13 1.3.4. Otras reacciones (n,p), (n,d), (n,α), (n,t), (n,αp) , (n,γ)................................................13 1.3.5. Fisión...........................................................................................................................13 1.4. Fuentes de Neutrones………………………………………………………………...13 1.4.1. Fisión Espontánea………………………………………………………………........13 1.4.2. Radioisótopos vía reacciones (α, n)……………………………………………….....14 241 1.4.3. Fuente de neutrones - mezcla de los isótopos: 95 Am y 9 Be …………………….......14 4 1.5. Termalización de Neutrones………………………………………………………....16 1.6. Detectores de Neutrones……………………………………………………………..17 1.6.1. Detección a partir de reacciones de partícula cargada…………………………….....17 1.6.2. Contador proporcional de 3He…………………………………………………….....19 1.6.2.1. Efecto pared..............................................................................................................20 1.6.3. Activación Neutrónica…………………………………………………………….....20 Néstor Daniel Vacca Campos Página 7 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 1.7. Radiación Gamma…………………………………………………………………...21 1.7.1. Fuente de rayos gamma 137 Cs ………………………………………………….....21 55 1.7.2. Atenuación de la radiación Gamma………………………………………………....22 CAPÍTULO 2. Sonda de Neutrones de Profundidad y Densímetro Nuclear………....24 2.1. Sonda de Neutrones de Profundidad…..…………………………………………....24 2.1.1. Sonda y Blindaje………………………………………………………………….....24 2.1.2. Sistema Electrónico de Contaje………………………………………………….......25 2.1.3. Principio de Funcionamiento……………………………………………………......26 2.1.4. Estándares y Normas Internacionales de Seguridad y Protección Contra la Radiación ionizante…………………………………………………………………….......27 2.1.5. Unidades de Radiactividad……………………………………………………….....27 2.1.6. Tasas de Dosis de Radiación para las Sondas de Neutrones/Gamma…………….....27 2.1.7. Tubos de Acceso y su Instalación……………………………………………….......28 2.2. Densímetro Nuclear para mediciones simultáneas de humedad y densidad…….......29 2.2.1. Generalidades……………………………………………………………………......29 2.2.2. Principio de Funcionamiento……………………………………....…………..........30 2.2.2.1. Retrodispersión (“Backscattering”)……………………………………………......31 2.2.2.2. Transmisión directa o atenuación……………………………………………........31 CAPÍTULO 3. Composición Espacial del Suelo, Características de la Arena y el Carbón………………………………………………………………………………….....32 3.1. Configuración Espacial del Suelo………………………………………………….....32 3.2. Propiedades del Suelo que Afectan el Contenido de Humedad………………….......33 3.2.1. Textura…………………………………………………………………………......33 3.2.2. Estructura………………………………………………………………………......34 3.2.3. Porosidad………………………………………………………………………......35 3.3. El Carbón, Origen y Definiciones………………………………………………….....36 3.3.1. Turbas…………………………………………………………………………........36 3.3.2. Lignitos………………………………………………………………………….....36 3.3.3. Hullas…………………………………………………………………………........36 3.3.4. Antracitas………………………………………………………………………......36 CAPÍTULO 4. Materiales, Métodos y Calibración.........................................................37 4.1. Materiales…………………………………………………………………………......37 4.1.1. Tubos de acceso........................................................................................................37 4.1.2. Detector de Neutrones y Gamma..............................................................................37 4.1.3. Balanza de Precisión.................................................................................................38 4.1.4. Metro........................................................................................................................38 Néstor Daniel Vacca Campos Página 8 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.1.5. Estufa/Horno Eléctrico.............................................................................................38 4.1.6. Anillas de acero inoxidable.......................................................................................38 4.1.7. Muestra de Suelo Agrícola........................................................................................38 4.1.8. Muestra de Suelo de Cimentación.............................................................................38 4.1.9. Muestra de Carbón....................................................................................................38 4.2. Métodos Para Hallar la Humedad y la calibración………………………………........39 4.2.1. Método Gravimétrico…………………………………………………………........39 4.2.2. Pasos a Seguir Para Determinar la Humedad Por el Método Gravimétrico…..........40 4.2.2.1 Primer paso.........................................................................................................40 4.2.2.2 Segundo paso......................................................................................................40 4.2.2.3 Tercer paso.........................................................................................................41 4.2.2.4 Cuarto paso.........................................................................................................41 4.2.2.5 Quinto paso........................................................................................................42 4.3. Calibración………………………………………………………………………........42 4.3.1. Conteo Estándar………………………………………………………………........42 4.3.2. Conteo de Campo………………………………………………………………......43 4.3.3. Pasos para la obtención de la curva de calibración....................................................44 4.3.3.1. Primer paso.........................................................................................................44 4.3.3.2. Segundo paso......................................................................................................44 4.3.3.3. Tercer paso.........................................................................................................44 4.3.3.4. Cuarto paso.........................................................................................................44 4.3.4. Medición de la Humedad del Suelo con la Sonda de Neutrones……………….......45 4.3.4.1. Primer paso.........................................................................................................45 4.3.4.2. Segundo paso......................................................................................................45 4.3.4.3. Tercer paso.........................................................................................................45 CAPÍTULO 5. Análisis y Resultados……………………………....................................46 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Resultados de la calibración del suelo Agrícola……………………………………..46 Resultados de la calibración del suelo de Cimentación……………………………...53 Resultados de la calibración del Carbón………………………………….................61 Resultados de ensayos que se hicieron con tubos de P.V.C y de aluminio.................63 CONCLUSIONES...............................................................................................................68 BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................70 Néstor Daniel Vacca Campos Página 9 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. _________________________________________________________________________ Introducción _________________________________________________________________________ Las tecnologías nucleares ofrecen una posibilidad no destructiva de análisis de materiales vía dispersión de neutrones y radiación gamma, por su gran versatilidad y exactitud que estas ofrecen. Estas tecnologías y la interacción de la radiación con la materia nos permiten hacer la medición de humedades de los elementos orgánicos e inorgánicos presentes en algunos materiales independientemente de su estructura, siguiendo el proceso físico de Moderación de Neutrones el cual se basa en choques elásticos e inelásticos de los neutrones hasta ser termalizados y posteriormente detectados por un detector que está compuesto por un gas de 3He. Este proceso es el principal medio de medición de la humedad con tecnologías nucleares, existen métodos basados en otros principios pero en este trabajo no se tocarán, solo se tendrá en cuenta el proceso de medición de humedad llamado Método gravimétrico que se utilizará para la calibración de la sonda de neutrones, posteriormente se explicará detalladamente cómo funcionan los anteriores procesos y se explicarán sus ecuaciones, es por esto que hemos querido caracterizar y calibrar la sonda de neutrones en diferentes materiales tales como: carbones, suelos agrícolas y suelos de cimentación; este equipo es muy versátil y de fácil transporte, que permite realizar ensayos no destructivos para analizar muestras a profundidades superiores que los tradicionales densímetros nucleares, porque está provista de una serie de cables con los cuales se puede llegar hasta 4 metros de profundidad, con los cuales se prolonga hasta 10 metros, así se tiene un mejor escalonamiento y poder elegir a que profundidad se desea medir la humedad de las diferentes muestras que se van a tomar. Por otra parte se realizará un esquema de las partes que componen la sonda de neutrones, para un mejor entendimiento del funcionamiento del equipo y tener posteriormente una medida exacta; el proceso que se sigue para tener una buena calibración de los materiales como: carbón, suelos agrícolas y suelos de cimentación y siguiendo los protocolos de protección radiológica para prevenir posibles incidentes o accidentes radiológicos. Igualmente, tener en cuenta las recomendaciones de operación y seguridad del fabricante, y mantener siempre un dosímetro para el personal ocupacionalmente expuesto (P.o.e) y así tener un control adecuado de la radiación. Néstor Daniel Vacca Campos Página 10 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. _________________________________________________________________________ Objetivos _________________________________________________________________________ Objetivo General Caracterizar e implementar el desarrollo y aprovechamiento de la sonda de neutrones CPN 503 DR HYDROPROBE para la medida de humedad de diferentes materiales tales como: carbón, suelos agrícolas y suelos de cimentación; siguiendo los protocolos de protección radiológica para prevenir posibles incidentes o accidentes radiológicos, como también siguiendo las normas ASTM D653, D2216, D3017, D3173, D3302. Igualmente, tener en cuenta las recomendaciones de operación y seguridad del fabricante. Objetivos Específicos Identificar la sonda de neutrones para su optimización en la medida de humedad en diferentes muestras de suelos agrícolas, suelos de cimentación y en carbón. Calibrar la sonda de neutrones para diferentes materiales y lograr una estimación real del mesurando y permitir dar conceptos acertados de la evaluación de las muestras. Complementariamente, se obtendrán las curvas de calibración para diferentes materiales, profundidades y cuentas del equipo. Néstor Daniel Vacca Campos Página 11 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. CAPÍTULO 1 _________________________________________________________________________ Física de Neutrones y Radiación Gamma _________________________________________________________________________ En este capítulo se describirá algunos aspectos importantes de la física de neutrones, como su clasificación por su energía, las principales formas de de interactuar con la materia, las clases de detectores en la detección de neutrones lentos, y finalmente se describirá el proceso de moderación de neutrones. 1.1. Que es un neutrón: Es una partícula sin carga que constituye una de las partículas fundamentales que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10-27 kg, aproximadamente un 0,125% mayor que la del protón, en consecuencia protones y neutrones son los constituyentes del núcleo. Para efectos prácticos se considera que la masa del protón es igual a la del neutrón. 1.2. Clasificación de los neutrones según su energía: Los neutrones se pueden clasificar dependiendo de su energía de la siguiente forma: Tabla 1.1: Representa la clasificación de los neutrones según su energía. Nombre Térmicos Epitérmicos Lentos Rápidos Relativistas Energía ≈0,025 eV ≈1eV ≈1KeV 200KeV – 10MeV › 10MeV Fuente: BOLÍVAR, Simón. Calibración de Detectores y Haces de Neutrones para su Aplicación en Vigilancia Radiológica [4]. Néstor Daniel Vacca Campos Página 12 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 1.3. Interacción de los neutrones: Debido a que el neutrón carece de carga, no presenta interacciones coulombianas con los electrones y núcleos en la materia. Su principal medio de interacción es a través de la interacción con el núcleo. Esta interacción puede suceder bajo una variedad de procesos nucleares dependiendo de su energía [10]: 1.3.1. Dispersiones elásticas A(n,n)A : El neutrón interactúa con los núcleos de su entorno, cediendo parte de su energía cinética sin producir estados excitados. Principal mecanismo de pérdida de energía de los neutrones rápidos. 1.3.2. Dispersiones inelásticas A (n,n’)A*, A(n,2n)B : En este tipo de reacción el núcleo queda en un estado excitado, decayendo más tarde por radiación γ u otro tipo de radiación. Sucede en neutrones con energía suficiente para excitar el núcleo. 1.3.3. Captura radiactiva de neutrones: La reacción más común en neutrones de baja energía (0,025 eV). Los neutrones interactuantes son capturados por los núcleos del entorno, formando un núcleo compuesto en estado excitado. La energía de excitación es emitida en forma de radiación gamma. Los núcleos producto son generalmente radiactivos y son emisores gamma y beta. 1.3.4. Otras reacciones (n,p), (n,d), (n,α), (n,t), (n,αp) , (n,γ) : El neutrón es capturado y se emiten partículas cargadas: p protón, d deuterón, α partícula alfa, t tritio. Estas reacciones ocurren generalmente entre los eV y keV. 1.3.5. Fisión: El neutrón interactuante con materia fisionable (U, Np, Pu) es capturado formando un núcleo compuesto que se subdivide en distintos fragmentos. Como productos adicionales se producen neutrones de alta energía. 1.4. Fuentes de neutrones 1.4.1 Fisión espontánea: Muchos de los núcleos transuránicos tienen una gran probabilidad de decaer por fisión espontánea, produciendo neutrones rápidos. Además de neutrones, durante este proceso se pueden producir rayos γ. Para usar uno de estos elementos como fuente de neutrones, generalmente se encapsulan en un contenedor lo suficientemente grueso para que sólo neutrones rápidos y rayos γ provengan de la fuente. La fuente de fisión espontánea más comúnmente usada es el 252Cf, que tiene una vida media de 2,65 años. En una unidad de masa se producen por microgramo de muestra 2,30×106 n/s, Néstor Daniel Vacca Campos Página 13 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. y el 252Cf involucra pequeñas cantidades de material activo generalmente del orden de los microgramos. Por esta razón se puede producir en tamaños pequeños, teniendo en cuenta las condiciones de encapsulación. 1.4.2. Radioisótopos vía reacciones (α, n) Puesto que partículas alfa energéticas se producen a partir del decaimiento de algunos núcleos radiactivos, es posible fabricar una fuente autocontenida de neutrones mezclando un isótopo emisor de alfas con un material blanco. Muchos núcleos blanco pueden producir reacciones (α,n), pero la máxima producción de neutrones ocurre cuando el blanco es berilio. Así los neutrones son producidos a partir de la reacción: 4 2 α + 49 Be ⇒ 01n + 12C 6 (1.1) que tiene un valor Q=+5,71 MeV. Muchas de las partículas α son detenidas en el blanco y sólo una de cada 104 reacciona con el núcleo de berilio. Estas fuentes producen neutrones de energía en el rango de 0-13 MeV, con un valor medio cercano a 5 MeV. En la tabla 1.2 se listan las fuentes (α, n) más usadas. En muchos casos hay una gran contribución de rayos γ, lo que produce un fondo que en ocasiones es inconveniente, puesto que interfiere con las medidas. La escogencia de estas fuentes se basa principalmente en su utilidad, costo y vida media. Tabla 1.2: Propiedades de algunas fuentes (α, n) Fuente Eα (MeV) Producción (n/s) τfuente Po/Be 5,30 138,3 días 0,7x10-4 226 3 Ra/Be 4,78, 4,59 1,622x10 años 1,8x10-4 239 Pu/Be 5,15 2,24x104 años 0,6x10-4 241 Am/Be 5,48 4,60x102 años 0,7x10-4 242 Cm/Be 6,11 163 días 1,1x10-4 210 Fuente: ARSLAN, A., et al., The performance and radiation exposure of some neutron probes in measuring the water content of the topsoil layer. 1.4.3. Fuente de neutrones - mezcla de los isótopos: 241 95 Am y 9 4 Be El Americio (Am) es un isótopo inestable por un exceso de protones (Z/N = 95/146 = 0,65) y una primera transformación que ocurre “’buscando” el equilibrio es la emisión de una partícula α de energía 5,48 MeV y una radiación γ de energía 60 KeV, conforme a la reacción siguiente: 241 95 Am 237 →[ 93 Np] + 4 α + γ 2 (1.2) Néstor Daniel Vacca Campos Página 14 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Se observa que el isótopo formado Neptunio (Np) presenta un menor exceso de protones o una relación Z/N menor de la que presenta el (Am). La nueva relación Z/N es de 0,64. El isótopo (Np) formado es también inestable y las transformaciones continúan tratando de alcanzar un mayor equilibrio. El isótopo de Berilio (Be) de la mezcla presenta un exceso de neutrones (Z/N=0,8) y ocurre la siguiente reacción con la partícula α producida en la reacción anterior: 9 4 4 Be + 2 α → 12C +1 n + E 6 0 12 6 Obsérvese que el nuevo isótopo formado él 9 Be , o mayor relación Z/N (Z/N=1). 4 (1.3) C presenta un menor exceso de neutrones que En nuestro caso utilizaremos una fuente de neutrones 241Am / 9Be. Los neutrones se originan en un proceso llamado reacción nuclear, que consiste en que un núcleo atómico (blanco) al interactuar con una partícula (proyectil) se convierte en un átomo diferente (producto), que emite radiaciones u otras radiaciones (radiación emitida). Existen varios arquetipos de reacciones nucleares, pero en este caso nos interesa el de alfa- neutrón (α, n), que estriba en que el proyectil es una partícula alfa (dos protones y dos neutrones) y la radiación emitida es un neutrón. La sonda de neutrones tiene una fuente de neutrones que se producen mediante la interacción de una partícula alfa que es emitida por el 241Am que es un emisor natural, este ésta envuelto en un polvo de 9Be y como resultado sale el 12C, quedando de está interacción neutrones libres de una energía de aproximadamente 4,5MeV. Figura 1.1: La figura representa una reacción nuclear de la cual se producen neutrones rápidos. Néstor Daniel Vacca Campos Página 15 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 1.5. Termalización de neutrones: Proceso por el cual los neutrones reducen su velocidad de manera gradual como consecuencia de los choques de estos con los núcleos de los átomos vecinos, cuando un neutrón choca con un átomo le cede parte de su energía cinética mediante la acción de choques elásticos, (la energía total del sistema se conserva constante) e inelásticos (la energía total del sistema no se conserva). Como consecuencia de los sucesivos choques el neutrón pierde velocidad en forma gradual, hasta alcanzar una magnitud de unos 2200 m/s. A estos neutrones se les denomina neutrones térmicos. Si un neutrón colisiona con un núcleo atómico y sus masas son muy parecidas entonces el neutrón pierde una gran cantidad de energía cinética. Mayor será la pérdida de energía mientras más se asemejen sus masas. Por lo tanto, los choques que aseguran gran pérdida de energía ocurren con los núcleos de los átomos de Hidrógeno así como se representa en la figura 1.2. Figura 1.2: Representa la termalización ideal de un neutrón contra una molécula de agua (H2O). Sin embargo la moderación es el retraso de los neutrones rápidos. Un neutrón entra en la materia y se puede dispersar hacia adelante o hacia atrás, de forma elástica o inelástica, perdiendo energía hasta que llega al equilibrio térmico o sea alcanza una energía cinética de 0,025 eV, pero teniendo en cuenta solo colisiones elásticas, el problema puede ser presentado de forma no relativista y de manera simple con leyes de conservación. Entonces después de una colisión elástica se tiene una relación entre la energía cinética final E f y la energía cinética inicial Ei y se puede calcular como: Néstor Daniel Vacca Campos Página 16 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Ef Ei (v ) = (v ) lab 2 1f lab 2 1i ⎧ A2 + 1 + 2 A + cos θ ⎫ ⎪ cm ⎪ =⎨ ⎬ 2 (1 + A) ⎪ ⎪ ⎩ ⎭ (1.4) Donde A es el número másico que colisiona con el neutrón, θ cm es el ángulo de dispersión del neutrón en el sistema centro de masas. Por estar limitado el cos θ cm entonces tenemos los valores máximos y mínimos de la anterior ecuación: (1 − A) E cos θ cm = −1 → E f = i 2 (1 + A) 2 (1 + A) E = E cos θ cm = 1 → E f = i i 2 (1 + A) 2 (1.5) Entonces la energía del neutrón está limitada entre: ⎧ (1 − A )2 ⎫ ⎪ ⎪ E ≺ E ≺ Ei ⎨ 2⎬ i ⎪ (1 + A ) ⎪ ⎩ ⎭ Este proceso es más eficiente con núcleos ligeros en especial con hidrógeno. (1.6) 1.6. Detectores de neutrones 1.6.1 Detección a partir de reacciones de partícula cargada Entre las reacciones que involucran neutrones lentos y partículas cargadas se encuentran con gran probabilidad de llevarse a cabo los siguientes procesos de captura neutrónica 10 B ( n, α ) , 6 Li ( n, α ) , 3 He ( n, p ) . Las propiedades de las anteriores reacciones están en la tabla 1.3, la reacción a la que tiene lugar, como también la sección eficaz de cada una de las anteriores reacciones y el valor de Q. Cada una de las reacciones anteriores tiene sus ventajas y desventajas en el proceso de detección de neutrones. La reacción (n,α) en 10 B es la más popular, debido a que los 5 compuestos de boro se pueden encontrar tanto en estado gaseoso como sólido. Por ejemplo, el trifloruro de boro ( BF3 ) es usado en forma gaseosa como un contador proporcional, lo que hace que sea un detector eficiente, puesto que las partículas cargadas son detectadas dentro del volumen activo y no pierden energía, como sería el caso en un blanco sólido. Otra ventaja es que el 10 B se obtiene fácilmente, lo que reduce el costo en la producción. 5 Néstor Daniel Vacca Campos Página 17 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 6 Ahora bien, para el caso del 3 Li , el alto valor del Q para la reacción (n,α) permite utilizar este tipo de reacción en el detector de neutrones para discriminar rayos γ provenientes del fondo. Así, el espectro mostrará sólo la energía correspondiente a las partículas α. La principal desventaja en este caso es que no existen compuestos de litio en estado gaseoso, por lo que no existen contadores proporcionales utilizando este tipo de reacción, pero si 6 existen centelladores con una eficiencia del 50% que usan litio enriquecido al 95% en 3 Li . Tabla 1.3: Características principales de algunas reacciones utilizadas en detectores de neutrones lentos. eb: estado base, ee: estado excitado. ABUNDANCIA (%) SECCIÓN EFICAZ REACCIÓN Q(MeV) (BARNS) 10 5 10 5 6 3 7 4 B + 01n ⇒ 3 Li + 2 α 7 4 B + 01n ⇒ 3 Li* + 2 α Q=2,792(eb) Q=2,310(ee) Q=4,78 Q=0,764 19,1 - 20,3 7,34 – 7,68 1,3x10-4 3840 941 5400 3 4 Li + 01n ⇒ 1 H + 2 α 3 2 3 1 He + 01n ⇒ 1 H + 1 p Figura 1.7: Sección eficaz en función de la energía del neutrón para las reacciones 3 2 10 5 6 B (n,α), 3 Li (n,α) y He (n,p). Datos tomados de Evaluated Nuclear Data File (ENDF), y graficadas en Gnuplot. La reacción 23 He (n,p) es la de interés en el presente trabajo, ésta tiene una ventaja sobre las otras: el helio siempre existe en forma gaseosa, lo que hace que sea utilizado como gas en el contador proporcional. Otra de sus ventajas es el valor de la sección eficaz, que para el rango de energía 0,01 eV a 0,1 KeV de los neutrones es grande y proporcional a 1/v, como se observa en la figura 1.7. Néstor Daniel Vacca Campos Página 18 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 1.6.2 Contador proporcional de 23 He : El gas de 23 He se usa como medio de detección de neutrones a través de la reacción: 1 0 3 1 n + 23 He ⇒ 1 H + 1 p + Q (1.7) Q = 0,764 MeV para reacciones inducidas por neutrones lentos, el valor bajo de Q y el poco momentum del neutrón incidente llevan a que los productos de la reacción tengan direcciones opuestas con energías 3 Ep = 0,573 MeV y E 1 H = 0,191 MeV. (1.8) El gas de 23 He es una buena alternativa para la detección de neutrones lentos, debido al alto valor en su sección eficaz para las energías de los neutrones lentos comparado con las reacciones en el boro y el litio. El contador proporcional de 23 He se caracteriza por su alta eficiencia para detectar neutrones térmicos y epitérmicos y su baja eficiencia para la detección de rayos γ. Un contador proporcional se basa en la detección directa de iones producidos en un gas cuando pasa radiación. Debido a la gran movilidad de los iones se usan gases como medio de recolección de la ionización de la radiación. En este caso se tiene un cilindro lleno de un gas noble, 23 He . Un potencial V0 positivo con respecto a la pared del cilindro se conecta al alambre central (ánodo) y crea un campo eléctrico. Se crea un par electrón- ión directamente si la radiación es cargada e indirectamente si es a través de reacciones secundarias para radiación neutra. El campo eléctrico arrastra los electrones hacia el ánodo (+) y los iones hacia el cátodo (-), y así el número de pares creados es proporcional a la energía de la radiación depositada en el contador, produciéndose una señal que es leída a la salida del circuito. En la figura 1.8 se esquematiza un contador proporcional. Néstor Daniel Vacca Campos Página 19 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Figura 1.8: Construcción básica de un contador proporcional cilíndrico. Para un detector de dimensiones grandes se espera que en cada reacción con un neutrón se deposite en forma de energía cinética del tritón y el protón 764 keV, pero debido a que rango de los productos de la reacción en el gas no siempre es comparable con las dimensiones del contador proporcional, se debe tener en cuenta el llamado efecto pared. 1.6.2.1 Efecto pared Debido a que el neutrón incidente posee un momentum lineal poco apreciable, los productos de la reacción son opuestos en dirección. Si el protón golpea la pared, el núcleo residual de 3H se va en dirección opuesta, y lo que tiene mayor probabilidad de suceder es que deposite toda su energía en el gas. En caso contrario, si el núcleo de tritio golpea la pared, el que deposita toda su energía en el gas es el protón. De esta manera lo que se verá son las pérdidas en la pared para sólo un producto de la reacción, existiendo así dos posibilidades: Caso 1: El protón golpea la pared después de depositar alguna fracción de su energía en el gas, mientras que el núcleo de 3H entrega toda su energía al gas. En este caso, la energía depositada varía entre E 3H+0 y Ep + E3H y la reacción puede llevarse a cabo entre una distancia cero de la pared y el rango del protón. Caso 2: El núcleo de 3H golpea la pared después de haber entregado parte de su energía al gas mientras que el protón deposita toda su energía en el gas. Entonces la energía depositada varía entre Ep y Ep + E3H y la reacción puede ocurrir entre una distancia cero de la pared y el rango del tritón en el gas. 1.6.3 Activación neutrónica El análisis por activación neutrónica (AAN) es una técnica bien establecida desde hace algunas décadas, puede realizarse con fines cualitativos y cuantitativos, el propósito es generalmente la identificación o bien, la determinación de la masa de uno o más elementos Néstor Daniel Vacca Campos Página 20 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. contenidos en una muestra, además de parámetros físicos tales como: actividad, vida media y decaimiento de cada uno de ellos. Lo destacable de esta técnica son sus numerosas ventajas a mencionar: El AAN es no destructivo, la muestra no necesita ser disuelta, disminuyéndose notablemente la probabilidad de contaminarla. Es una técnica nuclear, por lo que es independiente del estado físico o químico de la muestra. Necesita poca cantidad de muestra, con algunos mg se puede determinar un gran número de elementos. Esta técnica se trata básicamente en someter un elemento al bombardeo de neutrones, como resultado se produce una reacción de absorción de neutrones, el núcleo formado es un radio-isótopo del elemento bombardeado, que por ulterior decaimiento beta emite rayos gamma del elemento Z siguiente. 1.7. Radiación gamma 1.7.1. Fuente de rayos gamma 137 55 Cs El isótopo 137 Cs es inestable por un exceso de neutrones (Z/N= 0,67), ocurriendo la 55 siguiente transformación en la “búsqueda” del equilibrio: 137 55 Cs →[137 Ba ] → 137 Ba + β − + γ (661,6 keV ) 56 56 (1.9) En esta reacción el isótopo estable de Ba es producido tanto directamente por la emisión de una partícula β- de energía igual a 1176 KeV así como principalmente por la emisión de una partícula β- de energía igual a 514 KeV, seguida por radiación γ con la energía restante de 661,6 KeV. Como se puede observar, una sonda de neutrones/gamma produce los cuatro tipos de radiación: α, β, γ y neutrones. Las principales características de estas radiaciones son descritas a continuación. Néstor Daniel Vacca Campos Página 21 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 1.4: Representa las características de las radiaciones más predominantes en la tierra. Nombre/símbolo Alfa (α) Beta (β) Neutrón (n) Gamma (γ) Masa 4 0,0006 1 0 Carga +2 -1 0 0 Penetración 2,5 cm en el aire (atenuada por una hoja de papel) Algunos cm en el aire (atenuada por 2,5 cm de madera) 30 m en el aire (atenuado por varios cm de agua o concreto especial) 30 m en el aire (atenuada por una placa gruesa de plomo o concreto) Fuente: ARSLAN, A., et al., The performance and radiation exposure of some neutron probes in measuring the water content of the topsoil layer. La radiación gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radiactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrónelectrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos. La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un Mev corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 - 11 m o frecuencias superiores a 1019 Hz. Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural. 1.7.2. Atenuación de la radiación Gamma Supóngase que se envía un haz delgado de intensidad I0 (número de fotones) de rayos gamma mono energéticos sobre un material de espesor x, y se coloca detrás de éste un detector, como lo muestra la figura 1.9, en el cual se presentan las siguiente interacciones: efecto fotoeléctrico, dispersión compton y producción de pares. En el material, el haz será atenuado por las tres interacciones ya mencionadas, llegando al detector sólo la cantidad I, menor que I0. La atenuación obedece la ley exponencial: Néstor Daniel Vacca Campos Página 22 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. (1.10) donde e es la base de los logaritmos naturales, y µ se llama coeficiente lineal de atenuación. Normalmente x se expresa en unidades de cm, por lo que µ estará dado en cm-1. I = I 0e− μ x Figura 1.9: Transmisión de radiaciones con un absorbedor. Néstor Daniel Vacca Campos Página 23 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. CAPÍTULO 2 _________________________________________________________________________ Sonda de neutrones de profundidad y Densímetro nuclear _________________________________________________________________________ Este capítulo se dedicará a la descripción de la sonda de neutrones CPN 503 HYDROPROBE, como también a la descripción del densímetro nuclear, los protocolos de seguridad radiológica, veremos las unidades con las cuales se mide las radiaciones directamente e indirectamente ionizantes, los niveles de radiación para el Personal Ocupacionalmente Expuesto (P,O,E) a un metro de la fuente, tanto de neutrones como de de gamma, por último veremos la parte experimental. 2.1. Sonda de Neutrones de profundidad La sonda de neutrones consiste esencialmente de dos partes: (1) la sonda con su blindaje, y (2) el sistema electrónico de contaje. En algunos modelos estas partes son separables y en otros no. 2.1.1. Sonda y blindaje La sonda es un cilindro metálico de 3 a 4 cm de diámetro y de 20 a 30 cm de longitud. Este contiene una fuente radiactiva sellada que emite neutrones rápidos, un detector de neutrones lentos y un preamplificador. La señal del preamplificador es conducida por un cable de 5 a 20 m de longitud, al sistema electrónico de contaje. La geometría de la sonda, tipo y actividad de la fuente de neutrones, tipos de detectores y preamplificadores varían considerablemente según el fabricante. Las fuentes de neutrones se obtienen de la mezcla de un emisor alfa (241Am, 226Ra) y Berilio. Las partículas alfa bombardean los núcleos de Berilio ocurriendo la reacción nuclear que se describe en la ecuación (1.1). Néstor Daniel Vacca Campos Página 24 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Los neutrones, que son el producto de esta reacción presentan un rango de energía de 0 a 10 MeV (1 eV = 1,6 x 10-19 J) y un valor promedio de alrededor de 2,0 MeV (neutrones rápidos). La actividad de la fuente está generalmente dada por la actividad del emisor alfa y se expresa en milicuries (mCi) o Becquerels (Bq). La mayoría de las fuentes de las sondas presentan una actividad del orden de 5 a 50 mCi. Debido a que los emisores alfa generalmente emiten también rayos gamma, las fuentes de neutrones emiten en conjunto: rayos gamma, partículas alfa y neutrones rápidos. Por esto la protección radiológica es un tema de gran importancia cuando se trabaja con la sonda de neutrones. El blindaje de la sonda, que es su propia caja, debe estar diseñado de tal forma que garantice la protección del operador. Las sondas fabricadas presentan un blindaje hecho de tal manera que garantizan una exposición dentro de los niveles permisibles cuando la fuente se encuentra dentro del mismo. El blindaje más eficiente para la radiación gamma es el plomo, mientras que para los neutrones rápidos es parafina, polietileno o cualquier otro material que tenga alto contenido de hidrógeno. Durante las mediciones, la sonda es bajada a la profundidad deseada en el perfil del suelo a través de un tubo de acceso de aluminio. El aluminio es transparente para los neutrones rápidos que atraviesan las paredes del tubo y sufren una serie de choques elásticos con los átomos de hidrógeno del agua y ciertos compuestos del suelo, lo que resulta en un estado de energía cercana al de los átomos del medio ambiente (neutrones térmicos o lentos). Cerca de la fuente se encuentra un detector que es sensible solamente a los neutrones lentos. Puesto que el número de neutrones lentos es proporcional al contenido de hidrógeno o de agua del suelo, la cantidad de neutrones lentos detectados por el detector es también proporcional a la humedad del suelo. Los impulsos electrónicos que salen del detector son primeramente preamplificados por un amplificador que está localizado cerca del detector. Solamente estos impulsos ligeramente amplificados son enviados hacia el sistema de contaje a través de un cable que conecta las dos partes de la sonda. 2.1.2. Sistema electrónico de contaje El sistema electrónico de contaje varía mucho de una sonda a otra. Consiste básicamente de un amplificador, fuente de alto voltaje, contador, reloj, batería recargable, microprocesador, etc. Puesto que el tiempo de contaje es muy importante desde el punto de vista estadístico, la mayoría de las sondas presentan tiempos de contaje que pueden ser seleccionados. El microprocesador transforma los contajes medidos en los diferentes tiempos a cuentas por minuto (cpm) o cuentas por segundo (cps). Cada contaje corresponde a un impulso originado por un neutrón lento que alcanzó el detector. Néstor Daniel Vacca Campos Página 25 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Las sondas modernas contienen un microprocesador que permite la inclusión de ecuaciones de calibración para diferentes suelos y, de esa forma, los resultados son presentados ya sea en humedad (%, g.g-1, cm3.cm-3), o en términos de agua almacenada en una cierta capa de suelo (mm/10 cm, pulgadas/pie). La figura 2.1 es un diagrama esquemático de una sonda de neutrones de profundidad en posición de operación en el campo a una profundidad dada. sistema electrónico de contaje blindaje nivel del suelo tubo de acceso detector de neutrones lentos y preamplificador fuente de neutrones rápidos Figura 2.1: Sonda de neutrones de profundidad en posición de operación. Manual de Operación CPN503 DR Hydroprobe. 2.1.3. Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de las sondas de neutrones es muy simple. La fuente de neutrones emite neutrones rápidos (del orden de los 5 MeV), que interactúan con la materia que rodea a la sonda. Dado que los neutrones no presentan cargas, los campos eléctricos no alteran su movimiento. Tres procesos de interacción pueden ocurrir: la absorción de neutrones por los núcleos, la dispersión de los neutrones por colisiones, y la desintegración de los neutrones. La absorción de neutrones por los núcleos depende mucho de su energía y del tipo de núcleo blanco. La probabilidad de este proceso es medida a través de la sección de choque efectiva de absorción del elemento considerado, que en general, para la mayoría de los elementos presentes en el suelo, es muy pequeña. Si la reacción ocurre, un neutrón es A absorbido por un núcleo Z X , de acuerdo con la siguiente ecuación: 1 A n+ Z X 0 Néstor Daniel Vacca Campos A ⇒ Z +1 X (2.1) Página 26 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. A donde el núcleo Z +1 X es en algunos casos inestable, desintegrándose y emitiendo radiación. Este es el mismo principio de activación neutrónica. Sin embargo este proceso ocurre solamente con pocos núcleos presentes en el suelo, como por ejemplo: Ag, Au, In, Fe, Al, Mn, etc, la mayoría de los cuáles se presenta en bajas concentraciones en el suelo. 2.1.4. Estándares y Normas Internacionales de Seguridad y Protección Contra la Radiación ionizante. Las normas y estándares que regulan el uso y el desecho de materiales radiactivos son establecidos a nivel internacional por el IACRS (Inter-Agency Committee on Radiation Safety), que coordina las actividades de las organizaciones internacionales. Las normas estándares son publicadas por el OIEA a través de la publicación “IAEA Safety Series”. Esta publicación contiene los siguientes aspectos: fundamentos de seguridad, estándares y normas de seguridad, prácticas de seguridad relacionadas a la seguridad nuclear y protección radiológica, incluyendo el manejo de desechos radiactivos. La publicación más reciente es: Safety Series No. 115-I, International Basic Safety Standars for Protection Against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources” (IAEA, 1996). 2.1.5. Unidades de Radiactividad Normalmente la cantidad de un material radiactivo es medida mediante su actividad, que representa la cantidad de átomos en desintegración por unidad de tiempo. Inicialmente la unidad más utilizada era el Curie (Ci), que fue establecida en base a la tasa de decaimiento de un gramo de Radio. 1 Ci equivale a 3,7x1010 desintegraciones por segundo. Actualmente la unidad patrón internacional para la radiactividad es el Becquerel (Bq) que corresponde a una desintegración por segundo. De esta forma, la relación entre las dos unidades es: 1 Ci = 3,7x1010 Bq. 2.1.6. Tasas de Dosis de Radiación para las Sondas de Neutrones/Gamma A manera de orientación básica, con respecto a los niveles de dosis que se deben respetar, se debe tener en cuenta que las organizaciones internacionales de salud y seguridad radiológica establecen límites permisibles de las dosis para diferentes categorías ocupacionales de la población. Para Personal Ocupacionalmente Expuesto (P,O,E) que utilizan en forma rutinaria fuentes radiactivas en su trabajo, el límite establecido es: 5 rem/a o 5000 mrem/a. Considerando 50 semanas de trabajo por año, este valor está alrededor de 100 mrem/semana. Esta tasa de dosis es equivalente a 10 veces la tasa de dosis media recibida de fuentes naturales por la población en general. Generalmente las sondas comerciales de neutrones/gamma presentan fuentes radiactivas con las siguientes características y tasas de dosis cuando están fuera del blindaje. Néstor Daniel Vacca Campos Página 27 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 2.1: Tasas de dosis para cuerpo entero de una sonda de neutrones/gamma. Fuente: Manual de Operación: Troxler 3430. Fuente Cs-137 Am-241/Be Total Actividad 10 mCi 50 mCi Tasa de Dosis a 1m de la Fuente* 3,3 mrem/h 0,11 mrem/h 3,41 mrem/h Cuando un operador está utilizando una sonda de neutrones/gamma, este se encuentra en un campo de radiación, cuya tasa de dosis es medida en rem por hora (rem/h). Para un determinado tiempo de permanencia del operador en dicho campo, el recibirá una cierta dosis total de radiación que está dada por el producto de la tasa de dosis por el tiempo de exposición. Por lo tanto: dosis total= (tasa de dosis x tiempo de exposición). Por ejemplo cuando uno opera una sonda de neutrones: Considerando una tasa de dosis media de 0,3 mrem/h, un período de trabajo de 5 horas por día y cinco días por semana, la dosis semanal será: Dosis= 0,3 mrem/h x 5 h/d x 5 días/semana Dosis = 7,5 mrem en una semana Esta dosis equivale a 7,5% de la dosis semanal permitida, que es de 100 mrem. 2.1.7. Tubos de Acceso y su Instalación El calibre del tubo de acceso depende del diámetro de la sonda en uso. Desafortunadamente, los diámetros de las sondas no están estandarizados internacionalmente por los fabricantes, de modo que cada sonda requiere determinadas especificaciones de tubo de acceso. El mejor material para los tubos es el aluminio ya que es muy transparente para los neutrones. En suelos muy ácidos el aluminio puede presentar problemas de corrosión en experimentos de larga duración. Otros materiales como acero, hierro, latón, plásticos y polietileno pueden también ser utilizados. Debe tomarse en cuenta que dichos materiales presentan diferentes comportamientos con relación a la interacción con los neutrones y que, debido a eso, presentarán tasas de contaje diferentes. Una vez que el material y sus dimensiones son escogidos, la calibración y todo el trabajo experimental debe ser hecho con el mismo material, y de las mismas dimensiones (diámetros interno y externo). Néstor Daniel Vacca Campos Página 28 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 2.2. 2.2.1 Densímetro nuclear para mediciones simultáneas de humedad y densidad Generalidades Además de las sondas de neutrones anteriormente descritas, existen sondas que permiten la medición simultánea de la humedad y de la densidad del suelo. Para esto, están provistas de una fuente de neutrones rápidos (generalmente 241Am + 9Be), y del respectivo detector de neutrones lentos (cámara de 3He), y de una fuente de rayos gamma (generalmente 137Cs) con su respectivo detector (tipo Geiger-Mueller). Tales sondas pueden ser de profundidad, requiriendo la instalación de tubos para su acceso al perfil del suelo, o de superficie, para las mediciones de la humedad promedio del suelo en la capa superficial (0 - 15 cm) y de la densidad en estratos variables de 2,5 hasta 30 cm de espesor, dependiendo del modelo. En este caso la diferencia principal está en que la fuente de neutrones rápidos y el detector de neutrones lentos están fijos en la base del blindaje y por lo tanto, no permiten medidas en profundidad. En lo que se refiere a la determinación de la densidad, las sondas de profundidad se basan en el fenómeno de retrodispersión de la radiación gamma y las de superficie tanto en la retrodispersión como en la atenuación de la radiación gamma. Trataremos en este numeral solamente de la descripción de un densímetro nuclear y más específicamente de los aspectos relacionados con la determinación de la densidad, tanto por retrodispersión como por atenuación de la radiación gamma. Con pequeñas modificaciones los aspectos aquí tratados pueden ser adaptados a las sondas de neutrones/gamma de profundidad. Las figuras 2.2 y 2.3 muestran una sonda de neutrones/gamma de superficie en dos modalidades de operación. En la figura 2.2 la fuente gama no es bajada dentro del suelo y puede ocupar dos posiciones: BS (back-scattering), ligeramente sobre la superficie del suelo y AC (Asphalt/concret), sobre la superficie del suelo. Las mediciones de densidad global del suelo en estas posiciones se hacen solamente por retro-dispersión y la evaluación de la densidad se hace en la capa superficial de suelo. En la figura 2.3 la fuente gama es introducida dentro del suelo hasta la profundidad deseada (desde 5 hasta 30cm en intervalos de 2,5cm) y la densidad global del suelo es medida por los dos procesos retro-dispersión y atenuación. La densidad evaluada es un promedio del estrato deseado, cuyo espesor va desde la superficie del suelo hasta la profundidad de posición de la fuente de radiación gamma. En ambas modalidades de operación de las figuras (2.2 y 2.3) el contenido promedio de agua del suelo en la superficie (0-15 cm) es medida por la moderación de neutrones, utilizando una fuente de neutrones fijada sobre la superficie del suelo. Néstor Daniel Vacca Campos Página 29 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. fuente de neutrones rápidos detectores fuente de radiación gamma rayos gamma y neutrones Figura 2.2: Sonda en posición de retrodispersión para la medida de humedad y densidad del suelo en el estrato superficial., Manual de Operación: CPN MC-3 Portaprobe detectores fuente de neutrones rápidos fuente de radiación gamma rayos gamma neutrones Figura 2.3: Sonda en posición de transmisión directa para la medida de la humedad en el estrato superficial y de la densidad en el estrato desde la superficie hasta la profundidad deseada Manual de Operación: CPN MC-3 Portaprobe En estas sondas la fuente de neutrones rápidos está fija en la base del blindaje, de modo que cuando la sonda es colocada sobre el suelo la fuente se localiza en la interface base de la sonda/superficie del suelo. La fuente de rayos gamma se sitúa en la extremidad inferior de un eje vertical móvil, permitiendo su penetración en el suelo hasta la profundidad deseada, a través de un orificio previamente hecho en el suelo con un pequeño barreno que acompaña el aparato. Ambos detectores están juntos, en una posición fija en la base del blindaje, localizándose también en la interface suelo/base de la sonda cuando ésta es colocada sobre la superficie del suelo. 2.2.2. Principio de funcionamiento En lo que se refiere a la determinación de la humedad, las sondas de neutrones/gamma de superficie, presentan el mismo principio de funcionamiento de las sondas de neutrones de Néstor Daniel Vacca Campos Página 30 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. profundidad discutidas en la sección 2.1. En la determinación de la densidad del suelo, a través de la fuente de rayos gamma, las sondas de superficie utilizan dos principios físicos distintos: a) retrodispersión de los rayos gamma y b) atenuación de los rayos gamma. 2.2.2.1. Retrodispersión (“Backscattering”) En el modo de retrodispersión se pueden realizar ensayos no destructivos y se utiliza principalmente para la determinación de densidad en pavimentos asfálticos y concretos donde la perforación de un agujero no es factible. Los rayos gamma atraviesan en sentido curvilíneo, desde la fuente hasta los detectores, produciéndose una dispersión de fotones cuya forma es parecida a un semi-ovalo. El haz de fotones liberados desde la fuente de 137Cs, se ven forzados a penetrar el suelo y son desviados a una profundidad que varía de acuerdo a la densidad del material medido. Ni hay ninguna dirección preferencial, sin embargo los fotones que durante su rebote alcanzan a llegar al contador Geiger Muller, son los que utiliza el equipo para determinar la densidad del material. 2.2.2.2. Transmisión directa o atenuación La radiación atraviesa el suelo en sentido diagonal, de abajo hacia arriba, produciendo una dispersión de fotones cuya forma es parecida a una balón de fútbol americano. Este método consiste en hacer pasar un haz de fotones a través de la masa de un suelo medido, registrándose la atenuación sufrida por los mismos en un contador Geiger Muller, el cual está conectado a un sistema electrónico que convierte la información recibida, en un valor de densidad a partir de unas curvas de calibración. En este modo el densímetro, mide densidades de suelos y agregados a profundidades de 50 a 200 mm, y algunos modelos pueden llegar hasta profundidades de 300 mm. La tasa de dosis se representa en la sección 2.1.4 y en la tabla de acuerdo a estos valores podemos ver el siguiente ejemplo: Considerando una tasa de dosis media de 0,5 mrem/h (equivalente a aquella del operador cargando la sonda con los brazos estirados), haciendo 20 medidas por día, 3 minutos para cada medida, durante 5 días por semana, tendremos la siguiente dosis semanal: Dosis=0,5 mrem/h x 20 medidas/d x 3 min/medida x 5d/semana Dosis= 2,5 mrem en una semana Esta dosis equivale a 2,5% de la dosis semanal permitida, que es de 100 mrem. Néstor Daniel Vacca Campos Página 31 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. CAPÍTULO 3 _________________________________________________________________________ Composición espacial del suelo, Características de la Arena y del Carbón _________________________________________________________________________ En este capítulo se discutirán la configuración espacial del suelo como también las propiedades de esté que afectan el contenido de humedad, sin embargo se realizará un estudio generalizado de la estructura, porosidad y textura de cualquier suelo, se verá también una breve descripción de cada uno de los suelos a calibrar, el proceso de calibración y los métodos que se utilizarán para tal fin, se verá con más detalle en el próximo capítulo. 3.1. Configuración espacial del suelo El suelo está constituido por componentes inorgánicos y orgánicos que dejan un espacio de huecos (poros) ocupado total o parcialmente por agua, aire, raíces y organismos que viven en el suelo. Por lo que desde un punto de vista físico, el suelo puede ser considerado como una mezcla porosa de partículas minerales, orgánicas, aire y agua con sustancias disueltas en solución, la figura 3.1 el diagrama de cómo es la configuración espacial del suelo. Figura 3.1: Muestra la configuración espacial de cualquier suelo. Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo [11]. Néstor Daniel Vacca Campos Página 32 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. El agua entra al suelo por efecto de la aplicación de agua a la superficie del suelo ya sea por precipitación o riego, se desplaza a través de los poros, aumentando la profundidad conforme se van llenando, por lo que el movimiento del agua en el suelo será proporcional al diámetro de los poros, disminuyendo conforme los diámetros se reducen. El agua es retenida en el suelo por la fuerza combinada de la atracción de las partículas del suelo y la acción capilar del agua en los poros, y es retirada por efecto de la evaporación y la absorción por las raíces de las plantas. En consecuencia, el contenido de agua en el suelo es dinámico, presentando variaciones a intervalos cortos de tiempo, dependiendo de las condiciones propias del suelo, ambientales, y de manejo. 3.2. Propiedades del suelo que afectan el contenido de humedad El suelo posee propiedades que afectan la retención y transmisión de agua en mayor o menor cantidad, y por lo tanto determinan el contenido de humedad del suelo. Por ejemplo la tierra agrícola tiene mucha materia orgánica entonces se considera un suelo con mucho hidrogeno, es por esto que entre las características más importantes para definir cualquier suelo tenemos: la textura, la estructura y la porosidad. 3.2.1. Textura En términos generales la textura del suelo hace referencia a las proporciones relativas de los diversos tamaños en que se presentan sus partículas minerales. La descripción de la textura se realiza a partir del análisis granulométrico, que permite determinar los porcentajes de las partículas cuyos tamaños están comprendidos entre límites definidos según escalas. Las escalas de las fracciones granulométricas establecidas por el United States Department of Agriculture (USDA) e International Society of Soil Science (ISSS) son las de mayor uso, por lo que se detallan a continuación (Tabla 3.1). Tabla 3.1: Muestra la clasificación por tamaño de las diferentes arenas. Escala USDA ISSS Fracción Granulométrica Arena muy Gruesa Arena Gruesa Arena Mediana Arena Fina Arena muy Fina Limo Arcilla Arena Gruesa Arena Fina Limo Arcilla Diámetro Aparente (mm) 1-2 0,5 – 1 0,25 – 0,5 0,1 – 0,25 0,05 – 0,1 0,002 – 0,05 ˂ 0,002 0,2 – 2 0,02 – 0,2 0,002 – 0,02 ˂0,002 Fuente: www.usda.gov y www.isss.org y Guía para la determinación de humedad del suelo [11]. Néstor Daniel Vacca Campos Página 33 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. En términos simples, se consideran 3 fracciones granulométricas: arena, limo y arcilla, cuya proporción relativa en el suelo nos permite conocer la clase textural del suelo, que busca agrupar aquellos suelos con similar comportamiento frente al agua y la respuesta de las plantas. La proporción de la fracción arcilla determina en gran parte las propiedades físicas y químicas del suelo, debido principalmente a su mayor superficie específica (área superficial por unidad de masa) en relación con las otras fracciones. En general, a mayor contenido de arcilla, el suelo tiene una mayor capacidad de retención de humedad y una menor permeabilidad. Por lo que si se someten dos suelos a una misma tensión, el suelo con mayor contenido de arcilla presenta un mayor contenido de humedad. Este aspecto debe ser considerado en la interpretación de los resultados de la medición de humedad, ya que comparando dos suelos (uno franco arcilloso y otro franco limoso) con un mismo contenido de humedad, el suelo con mayor contenido de arcilla tiene menor cantidad de agua disponible para las plantas, puesto que tiende a retener con mayor fuerza una mayor cantidad de agua en el suelo. 3.2.2. Estructura La estructura se define como la agregación de las partículas primarias del suelo (arena limo y arcilla) en partículas compuestas llamadas “agregados”, separados de otros adyacentes por superficies débiles. La estructura del suelo proporciona un armazón tridimensional ocupado por sólidos que dejan numerosos espacios vacíos o “poros” que pueden presentarse tanto dentro de los agregados como entre los agregados. Por tal motivo, el tamaño y la cantidad de poros presentes está condicionado en gran medida por la estructura. La caracterización de la estructura se realiza en términos de tipo, grado y tamaño. La tabla 3.2 describe los principales tipos de estructura del suelo. Tabla 3.2: Representa los tipos de estructura de cualquier suelo. Tipo de estructura Descripción Esferas imperfectas. Típica de medios biológicamente activos ricos en bases y con materia orgánica. Es la estructura más favorable para el movimiento del agua del suelo y el crecimiento de las plantas. Granular y migajosa Bloques sub angulares Aristas agudas y caras curvas. Típica de suelos de zonas semiáridas y áridas con suelos pobres en materia orgánica. Néstor Daniel Vacca Campos Página 34 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Aristas rectas y caras rectangulares. Bloques angulares Prismas rematados en la parte superior por una cúpula. Típica de suelos alcalinos. Columnar Prismática Prismas con caras rectas y parte superior plana. Típica de horizontes enriquecidos en arcilla. Pueden presentar una gran dureza, constituyéndose en verdaderas barreras tanto para las raíces como para el agua. Laminar Agregados planos. Heredados en materiales depositados bajo el agua. Impide la penetración vertical de las raíces, el agua y el aire. Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo [11]. Los suelos que tienen agregados esferoidales (granular y migajosa) presentan mayor espacio poroso entre ellos que los agregados con superficies planas (columnar, prismática y laminar), por lo que su permeabilidad es más rápida, pueden almacenar una mayor cantidad de agua y son más productivos. A potenciales mátricos altos los suelos con buen estado de agregación presentan una mayor capacidad de retención de agua, sin embargo a potenciales más bajos los suelos compactos pueden ser capaces de almacenar más agua, ya que al compactarse el suelo algunos poros pasan de macro a microporos. 3.2.3. Porosidad La porosidad se define como la fracción de unidad de volumen de suelo en su estado natural no ocupado por las partículas sólidas. El espacio poroso está ocupado por aire y/o agua. Sin embargo más que conocer el porcentaje de poros, es más importante conocer el tamaño y la forma de los poros. En términos del movimiento del agua en el suelo se distinguen poros de transmisión mayores de 50 μm, poros de almacenamiento entre 0,5 y 50 μm y la porosidad residual formada por poros muy finos y huecos ocluidos (cavidades). La geometría de los poros y de sus interconexiones es la que controla el comportamiento del agua, y proporciona mayor información acerca de los procesos de transferencia y la vida en el suelo. Néstor Daniel Vacca Campos Página 35 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 3.3. El carbón, origen y definiciones El carbón se puede definir como una roca sedimentaria, de naturaleza orgánica, combustible, formada a partir de la transformación de grandes cantidades de materia vegetal que se acumulo en cuencas originalmente poco profundas (pantanos y turberas). La acumulación de sedimentos, junto con los movimientos de la corteza terrestre sepultaron estas cuencas, en algunos casos a gran profundidad, en épocas geológicas pretéritas, dando lugar a su transformación por los defectos combinados de la acción microbiana, presión, temperatura y calor. El carbón es pues un combustible fósil, derivado de la transformación de restos de plantas bajo diversas condiciones geológicas, y un contenido en materia orgánica superior 50% en peso (70% en volumen). Las distintas clases de carbones se deben, únicamente a las condiciones que han sufrido durante el tiempo que ha durado el proceso de carbonización. Los más importantes pueden definirse como sigue: 3.3.1. Turbas: resultan de depósitos no consolidados de restos de plantas semicarbonizadas, en un ambiente saturado de agua y con un contenido permanentemente elevado de humedad (por lo menos un 75%). Se considera que constituyen una etapa inicial en el desarrollo del carbón. Sus proporciones en carbono y oxigeno son, respectivamente del 60% y 30%, aproximadamente. Una vez secas las turbas arden espontáneamente. 3.3.2. Lignitos: constituyen el siguiente estado en el proceso de carbonización. Suelen tener color pardo, aunque los hay de color negro, y un alto porcentaje en productos volátiles. Su contenido en humedad puede llegar al 60%. 3.3.3. Hullas: constituyen el tipo de carbón que se utiliza mayoritariamente tanto en la producción de energía como en la industria metalúrgica. Las hullas son de color negro y brillante, y presentan un amplio rango en el valor de las materias volátiles (entre el 8 y el 48%). 3.3.4. Antracitas: es el carbón de más elevado grado metamórfico y en el que el contenido de carbono fijo oscila entre el 92 y el 98%. Es duro, negro, con una apariencia semimetálica y fractura semiconcoidea. La antracita se inflama con dificultad y arde con llama azul corta y sin humo. Néstor Daniel Vacca Campos Página 36 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. CAPÍTULO 4 _________________________________________________________________________ Materiales, Métodos y Calibración _________________________________________________________________________ En este capítulo se estudiará el proceso de calibración, en el cual se verán todos los métodos para tal fin, el que regirá en la calibración de la sonda de neutrones es el método gravimétrico que se describirá más adelante en este capítulo, como también se dará un breve resumen de los materiales que se utilizaron para la calibración. 4.1. Materiales Para determinar la humedad del suelo con la sonda de neutrones se requieren los siguientes equipos y materiales: sonda de neutrones, densímetro nuclear, tubos de acceso de aluminio, detector de neutrones y gamma, balanza de precisión, un metro, estufa eléctrica, anillas de acero inoxidable, platón de aluminio, tapas de aluminio para tapar los tubos de acceso, canecas de lamina de acero, y se dará un breve resumen de cada uno de ellos. La sonda de neutrones y el densímetro nuclear se describieron en su totalidad en el capítulo 2. 4.1.1. Tubos de acceso: Los tubos de acceso son hechos de aluminio esto porque para los neutrones el aluminio es invisible y no hay absorción de estos, a comparación de otros materiales como el hierro, cobre, plásticos o polietileno también pueden ser utilizados, pero debe tenerse en cuenta que dichos materiales presentan diferentes comportamientos con relación a la interacción con los neutrones y que, debido a eso, presentarán tasas de contaje diferentes, las tapas de aluminio sirven para tapar los tubos cuando están dentro del suelo, esto se hace para prevenir alguna avería de la sonda y para que no le entre agua al sistema electrónico de contaje. Se sabe que el acero y el latón afectan ligeramente la sensibilidad de las sondas debido a la gran absorción de neutrones por el hierro y el cobre. Los materiales plásticos y otros materiales a base de polietileno contienen grandes concentraciones de hidrógeno y, por lo tanto, producen altas tasas de contaje. 4.1.2. Detector de neutrones y Gamma: Se utiliza un detector de neutrones para ver los niveles de radiación en el área de trabajo y monitorear constantemente, además uno Néstor Daniel Vacca Campos Página 37 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. de radiación gamma cuando es utilizado el densímetro nuclear, como también un dosímetro personal que mide los niveles de radiación mensualmente, tanto gamma como de neutrones, esté es proporcionado por la empresa NUCLEAR SERVICE LTDA, que en el presente trabajo no se serán descritas sus propiedades. 4.1.3. Balanza de precisión: Es una palanca de primer género de brazos iguales que mediante el establecimiento de una situación de equilibrio entre los pesos de dos cuerpos permite medir masas, esta se utiliza para poder medir el peso de las muestras antes y después de entrarlas a la estufa eléctrica. 4.1.4. Metro: Esté sirve para medir una longitud de cualquier cosa, en este caso se utilizará para medir la profundidad a la cual se calibrará la sonda. 4.1.5. Estufa / Horno eléctrica: La estufa debe tener un termómetro y un termostato para regular la temperatura, cuando se colocan las muestras en la estufa ésta debe estar a una temperatura constante de 105º C, haciendo medidas cada 8 horas, se debe dejar durante 24 horas, hasta que la muestra alcance un peso constante. 4.1.6. Anillas de acero inoxidable: ésta sirve para tomar la muestra, con la cual se puede hallar el volumen que ocupa la muestra para luego con este hallar la densidad del material y para posteriores cálculos. 4.1.7. Muestra de Suelo Agrícola: La muestra de suelo agrícola se tomó de las parcelas de Ingeniería Agronómica de donde pudimos observar las siguientes características: es un suelo con mucha materia orgánica la cual a su vez es muy rica en hidrogeno, según las normas USDA y ISSS está clasificada en Arena muy gruesa, y con estructura Granular migajosa tomada de la tabla 3.2, esto hace de este suelo perfecto para cultivar cualquier tipo de plata. 4.1.8. Muestra de Suelo de Cimentación: Para la muestra de suelo de cimentación en el manual de operación de la sonda dice que este muy similiar a la arena de rio, entonces para esta muestra se trajo la arena de Moniquira y entre sus características más importantes es que según la normas USDA y ISSS está clasificada como arena muy gruesa, la escogencia de este tipo de arena de rio es que tiene muy poca arcilla y por ende es perfecta para la calibración y simula muy bien al suelo de cimentación y la estructura es granular migajosa. 4.1.9. Muestra de Carbón: La industria minera Colcoque muy amablemente puso a disposición sus instalaciones para que nosotros tomáramos la muestra, cuyas características son: Es un carbón denominado hulla es muy utilizado tanto en la producción de energía como en la industria metalúrgica, este carbón es de color negro brillante y tiene un rango amplio de materias volátiles y la estructura de la muestra es granular migajosa. Néstor Daniel Vacca Campos Página 38 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.2. Métodos para hallar la humedad y la calibración Hay muchos métodos para hallar la humedad del suelo como se ve en la figura 4.1, ésta representa todos los métodos por los cuales se puede hallar la humedad, en este caso particular se emplea el método gravimétrico, con el cual se puede medir la humedad directamente, y al mismo tiempo sirve para calibrar la sonda de neutrones, la cual también posee un método de calibración indirecto, esto se puede hacer para cualquier tipo de material, pero es preciso aclarar que para tener una calibración más satisfactoria se deben combinar ambos métodos. Figura 4.1: Clasificación de los métodos de medición de humedad del suelo. Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo [11]. 4.2.1. Método gravimétrico Este método basa su determinación en la diferencia de pesos entre un suelo húmedo y un suelo seco , este es un método directo. Para determinar la humedad del suelo por el método gravimétrico se pueden obtener muestras de suelo disturbado (terrones o suelo suelto) o no disturbadas (suelo compacto). Las muestras disturbadas solo sirven para determinar la humedad gravimétrica del suelo, con las muestras no disturbadas es posible determinar la humedad gravimétrica así como la humedad volumétrica del suelo, la cual se utiliza para determinar los requerimientos de agua de los cultivos y la capacidad de almacenamiento de agua del suelo. Néstor Daniel Vacca Campos Página 39 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.2.2. Pasos a seguir para determinar la humedad por el método gravimétrico 4.2.2.1 Primero: Se toma la muestra en el platón de aluminio para luego colocar la muestra de suelo húmedo en la anilla y colocarla sobre la balanza. El peso de la muestra de suelo húmedo (ms+w) se calcula restando del peso total (suelo húmedo + envase) el peso del envase, en este caso de la anilla. Figura 4.2: Muestra el proceso de humedecer la muestra de carbón para calibrar la sonda en este suelo. 4.2.2.2 Segundo: Secar la muestra de suelo en el envase metálico en una estufa (105110 °C) por espacio de 24 a 48 horas dependiendo del tipo de suelo y pesando cada 8 horas la muestra hasta que alcance un peso constante. Seguidamente pesar en la balanza la muestra de suelo seco. El peso de la muestra de suelo seco (ms) se calcula restando del peso total (suelo seco + envase) el peso del envase metálico. Figura 4.3: Muestra el proceso de mezclar la muestra para que quede uniformemente humedecida. Néstor Daniel Vacca Campos Página 40 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.2.2.3 Tercero: Calcular el volumen aparente de la muestra de suelo calculando el volumen de la anilla con la siguiente fórmula: Vb = π r2h (4.1) Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo[11] Donde: π = 3,14159265 r = Radio interno de la anilla (cm) h = Altura de la anilla (cm) 4.2.2.4 Cuarto: En caso de requerir calcular la humedad gravimétrica del suelo (humedad expresada en peso), se debe pesar además la anilla (ma), y calcular con la siguiente fórmula: Mm = ms+ w − ms ms ⎡ m − ms ⎤ Pm = ⎢ s+ w ⎥ *100% ms ⎣ ⎦ Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo [11] (4.2) Donde: M m = Humedad gravimétrica del suelo (g H2O/g suelo) Pm = Humedad gravimétrica del suelo (%) ms + w = Peso de suelo húmedo ms = Peso de suelo seco Figura 4.4: Muestra el proceso de toma de la muestra para hallar la humedad por método gravimétrico. Néstor Daniel Vacca Campos Página 41 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.2.2.5 Quinto: Finalmente se calcula la humedad volumétrica del suelo con la siguiente fórmula: Mv = ms +w − ms Vs (4.3) ⎡ m − ms ⎤ Pv = ⎢ s +w ⎥ *100 ⎣ Vs ⎦ Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo[11] Donde: M v = Humedad volumétrica del suelo (g H2O/cm3 Suelo) Pv = Humedad volumétrica del suelo (%) ms + w = Peso de la muestra de suelo húmedo ms = Peso de la muestra de suelo seco Vs = Volumen aparente del suelo 4.3. Calibración La calibración de la sonda de neutrones consiste en obtener una relación entre la lectura del aparato en cuentas por minuto (cn/min) y la humedad del suelo (M), ésta humedad se realiza aplicando el método gravimétrico que se presenta en el numeral 4.2.1, luego de tomar la humedad por esta técnica se procede a medir la muestra con la sonda, teniendo en cuenta que la primera medida que tomemos sea 0% de humeedad, luego se le adiciona un 5% , y se vuelve a tomar la humedad por el método gravimétrico, y así sucesivamente con 10%, 15%, hasta llegar a saturar la muestra que es donde no admite más agua y ya tendremos cuatro puntos para poder determinar la ecuación que caracteriza el tipo de material que fue calibrado. 4.3.1. Conteo estándar: El conteo estándar representa el conteo de neutrones termalizados que se realiza cuando la sonda se encuentra dentro del castillo de transporte. Este conteo tiene como fin hacer una corrección automática de los cambios a largo plazo que puede sufrir el equipo, por efectos del decaimiento de la fuente de energía y cambios de sus componentes [18]. Para determinar el conteo estándar se pone la sonda sobre la caja de transporte, se conectan los cables de la sonda al sistema electrónico, luego se prende la sonda y se toma el conteo estándar, éste no debe variar tanto con relación a la anterior. Luego se coloca la sonda y se mide el conteo de campo, a la profundidad deseada para este caso se escogió la mitad de la caneca, por motivos experimentales que se mostrarán más adelante. Néstor Daniel Vacca Campos Página 42 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Figura 4.5: Sonda de neutrones tomando un conteo estándar. 4.3.2. Conteo de campo: El conteo de campo es el conteo de neutrones termalizados que se realiza cuando la sonda está ubicada en diferentes profundidades dentro del tubo de acceso. Se toman cinco conteos para disminuir la variabilidad. Luego de tomar los conteos de la muestra seca a la profundidad deseada se procede a vaciar la caneca para irrigar agua sobre ella, esto se hace para tener una muestra humedecida, se toma una pequeña muestra para llevarla a la balanza y hacer el procedimiento antes descrito, luego de estar húmeda se deposita de nuevo en la caneca y se sigue como con la muestra seca, se coloca el tubo de acceso y la sonda y se hacen los conteos respectivos, luego de hacer los conteos se vacía de nuevo la caneca y se vuelve a humedecer hasta tener la muestra saturada, se saca una pequeña muestra para llevarla a la balanza y luego a la estufa. Es prudente precisar que el anterior proceso se hace para todos los tipos de materiales a calibrar, tanto para la arena, tierra agrícola y el carbón. Figura 4.6: Sonda de neutrones tomando un conteo de campo. Néstor Daniel Vacca Campos Página 43 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.3.3. Pasos para la obtención de la curva de calibración: Para obtener la curva de calibración se deben realizar los siguientes pasos: obtener la humedad volumétrica del suelo, luego se debe obtener los promedios de los conteos de neutrones termalizados, se debe obtener el conteo relativo, y se deben realizar los cálculos para obtener la curva de calibración mediante regresión lineal. 4.3.3.1. Primero: La humedad volumétrica del suelo se obtiene con las fórmulas del método gravimétrico de determinación de humedad en el suelo que ya explicaron en la sección 4.2.1. 4.3.3.2. Segundo: El promedio de los conteos (conteo estándar y conteo de campo) se obtiene con la siguiente fórmula. 1 n x = ∑ xi n i=n _ (4.4) Fuente: CPN 503 DR HYDROPROBE OPERATING MANUAL [18]. Donde: x = Promedio de los conteos n = Número de repeticiones xi = Conteo de neutrones termalizados 4.3.3.3. Tercero: El conteo relativo o ratio se obtiene con la siguiente fórmula: _ R= Donde: Cc Ce (4.5) Fuente: CPN 503 DR HYDROPROBE OPERATING MANUAL [18]. R = Ratio o Conteo Relativo Cc = Conteo de Campo Ce = Conteo Estándar 4.3.3.4. Cuarto: La curva de calibración se expresa por una ecuación lineal, que relaciona la humedad volumétrica del suelo con el conteo relativo, de acuerdo a la siguiente relación: M = A + B ( CR ) (4.6) Donde: M = Humedad volumétrica (g H2O/cm3Suelo) B = Pendiente de la recta R = Conteo relativo o ratio A = Intercepto de la recta Néstor Daniel Vacca Campos Página 44 Fuente: CPN 503 DR HYDROPROBE OPERATING MANUAL [18]. Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 4.3.4. Medición de la humedad del suelo con la sonda de neutrones En la figura 4.4 se esquematizan las actividades que se deben realizar para determinar la humedad del suelo con la sonda de neutrones esto se tomo de la Guía para la determinación de humedad del suelo [11]. Figura 4.7: Representación de medición de la humedad del suelo con la sonda de neutrones. Fuente: Guía para la determinación de humedad del suelo[11] 4.3.4.1. Primero: Se debe instalar los tubos de acceso en donde se quiera medir, para esto se debe seguir el procedimiento descrito en la calibración de la sonda de neutrones. La figura (4.1 a) ilustra un tubo de acceso instalado en campo. 4.3.4.2. Segundo: Luego se debe obtener el conteo estándar (Figura 4.1 b). Seguidamente la sonda tiene que deslizarse hasta la profundidad de medición, en este nivel se debe ubicar la fuente de neutrones rápidos (Figura 4.1 c). Después se debe obtener el conteo de campo (Figuras 4.1 d y 4.1 e). Los datos de la medida deben registrar en la planilla de campo (Figura 4.1 f). 4.3.4.3. Tercero: Obtener el conteo relativo para luego determinar la humedad volumétrica del suelo en la curva de calibración. Néstor Daniel Vacca Campos Página 45 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. CAPÍTULO 5 _________________________________________________________________________ Análisis y Resultados _________________________________________________________________________ Este capítulo es el más especial, ya que se interpretaran todos los resultados obtenidos de las diferentes calibraciones en los materiales antes mencionados, se darán las interpretaciones para las diferentes graficas obtenidas y los resultados de algunos experimentos que se hicieron con la sonda de neutrones con otros materiales y por último se darán unas conclusiones de las mismas. 5.1. Resultados de la calibración de la muestra de Suelo Agrícola Los resultados de la calibración de la sonda de neutrones en una muestra de suelo Agrícola se representan en la tabla 5.1, donde se dan los datos con los que hizo la calibración, la ecuación particular, pendiente e intercepto con sus respectivos errores como también el coeficiente de correlación lineal, donde Ratio es la razón entre el conteo de campo y el conteo estándar este valor es adimensional, que de ahora en adelante se denotará con la letra (R), la humedad volumétrica del suelo que se denota con la letra (M) por sus siglas en ingles (Moisture) y tiene como unidades (g / cm3). Esta calibración se hizo en las parcelas de agronomía de la U.P.T.C, en la gráfica 5.1 se puede observar que los puntos negros son los datos experimentales y la línea roja es el ajuste de esta curva, y por lo tanto vemos que hay una buena correlación lineal entre las dos variables, que es 0,999, este fluctúa entre 1 y -1 cuanto más cercano a 0 indica que hay no hay una buena correlación y cuando están más cercanos a 1 indica que las dos variables se correlacionan muy bien. Tabla 5.1: Representa los datos de la calibración de la sonda en una muestra de suelo agrícola. DATOS Conteo Relativo (CR) M ( g / cm3) 0,26792575 0,02966695 0,61347961 0,11214685 1,07841503 0,22976000 1,48169236 0,34752958 A±σ A B ±σB y = A + Bx R - 0,045±0,008 0,261±0,008 0,999 Ecuación General Ecuación Particular M = 0,261 R – 0,045 Néstor Daniel Vacca Campos Página 46 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 0,35 0,30 0,25 M = 0,261 CR - 0,045 R = 0,999 M (g/cm ) 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 3 CR Gráfica 5.1: Muestra la respectiva calibración de la sonda en una muestra de Suelo Agrícola. Luego de tener la sonda de neutrones ya calibrada en la muestra de suelo agrícola procedemos a hacer unas medidas para corroborar que la calibración del suelo agrícola este bien, se hacen dos huecos en una parcela de agronomía y se hacen los pasos como se describen en la sección 4.3.4, en primera instancia se mide en un hueco una serie de humedades a diferentes profundidades y nos da como resultado la gráfica 5.2, en la tabla 5.2 se representan los datos de esta gráfica, en ésta se muestran los datos tomados, la ecuación particular, los parámetros con sus respectivos errores y por último el coeficiente de correlación cuadrática. Los datos experimentales (puntos rojos) se ajustaron muy bien a la línea de tendencia (línea roja) que describe una ecuación polinómica, de donde podemos extraer la siguiente información si se hace un análisis dimensional de la ecuación particular: (5.1) M = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 g g g g ⎡ g ⎤ (5.2) ⎢ cm3 ⎥ = cm3 + cm 4 + cm5 + cm6 ⎣ ⎦ g g g g ⎡ g ⎤ = 3+ 3 + 3 + 3 (5.3) 3⎥ 2 ⎢ cm ⎦ cm cm * cm cm * cm cm * cm3 ⎣ M M M (5.4) [M ] = M + + 2 + 3 cm cm cm En el anterior análisis dimensional podemos ver que el primer término se puede asociar con la humedad superficial del suelo, el segundo término nos dice la humedad por cada centímetro que nosotros bajamos, el tercer término nos da la humedad por unidad de área, o también se podría asociar con el tamaño de orificio, esto quiere decir que influye en la medida en tamaño de abertura del orificio, el cuarto término nos da la humedad por unidad Néstor Daniel Vacca Campos Página 47 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. de volumen, el volumen del hueco influiría también en las medidas que se hagan. Pero vemos en la tabla que el término tercero y cuarto son despreciables los que importa en baja condición son el primero y el segundo, este análisis también es para la gráfica 5,3 que tiene el mismo comportamiento. Tabla 5.2: Representa los primeros datos tomados en un primer hueco de una parcela de agronomía R2 DATOS A±σ B ±σ B ±σ B ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) 57 52 47 42 37 32 27 22 17 12 7 2 M ( g / cm ) 0,25578 0,23468 0,21894 0,19800 0,18760 0,19018 0,20134 0,21110 0,21410 0,20826 0,18912 0,14238 3 0,131±0,010 0,010±0,001 -3,881E-4 ± 5,713E-5 4,458 E-6 ± 6,368E-7 0,932 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular M = 0,131 + 0,010 P − 3,881E − 4 P 2 + 4, 458 E − 6 P 3 0,28 0,26 M =0,131 + 0,010 P - 3,881E-4 P + 4,458E-6 P R = 0,931 2 2 3 0,24 0,22 M (g / cm ) 3 0,20 0,18 HUMEDAD ANTES 0,16 0,14 0 10 20 30 40 50 60 P (cm) Gráfica 5.2: Muestra la medida de la primera humedad en un primer hueco en una parcela de agronomía. Néstor Daniel Vacca Campos Página 48 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 5.3: Representa los segundos datos tomados después de tres días en un primer hueco de una parcela de agronomía. R2 DATOS B ±σ B ±σ B ±σ A ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) 57 52 47 42 37 32 27 22 17 12 7 2 M ( g / cm3) 0,064 ± 0,011 0,017 ± 0,002 -6,023E-4 ± 6,505E-5 6,451E-6 ± 7,251E-7 0,960 0,25724 0,22784 0,21226 0,19476 0,18718 0,18926 0,202260 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular 0,21148 0,21262 0,20272 0,16110 0,08668 M = 0,064 + 0,017 P − 6,023E − 4 P 2 + 6, 451E − 6 P 3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 M = 0,064 + 0,017 P - 6,023E-4 P + 6,451E-6 P R = 0,959 2 2 3 M (g / cm ) 3 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0 10 20 30 40 50 60 HUMEDAD DESPUÉS P (cm) Gráfica 5.3: Muestra la medida de humedad después de tres días de tomados los primeros datos en un primer hueco en una parcela de agronomía. Luego de tener las gráficas 5.2 y 5,3 se hace una superposición y da la gráfica 5.4, donde se puede apreciar la variación de humedad del 64 % en la profundidad 2 cm, este valor es muy alto teniendo en cuenta que las medidas fueron tomadas en las mismas condiciones, Néstor Daniel Vacca Campos Página 49 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. sin embargo esto solo se debe al factor ambiental, pudo ser que en esos días llovió y la superficie del hueco se humedeció demasiado y en consecuencia a esto se da la diferencia tan alta en las medidas. Podemos observar que igualmente ocurre en las posiciones 7 cm y 12 cm, con una variación del 17 % y 3 % de humedad respectivamente, luego de estas pociones vemos que la humedad no varía. Tabla 5.4: Representa los datos de las gráficas 5.2 y 5.3 tomados en un primer hueco en una parcela de agronomía. P (cm) M (g / cm3) Gráfica 5,2 M (g / cm3) Gráfica 5,3 57 52 47 42 37 32 27 22 17 12 7 2 0,25578 0,23468 0,21894 0,19820 0,18760 0,19018 0,20134 0,21110 0,21410 0,20826 0,18912 0,14238 0,25724 0,22784 0,21226 0,19476 0,18718 0,18926 0,20226 0,21148 0,21262 0,20272 0,16110 0,08668 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 M (g / cm ) 3 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0 10 20 30 40 50 60 HUMEDAD DESPUÉS HUMEDAD ANTES P (cm) Gráfica 5.4: Muestra la superposición las gráficas 5.2 y 5,3 del primer hueco de una parcela de agronomía. Néstor Daniel Vacca Campos Página 50 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Posteriormente de tomar las medidas en el primer hueco se procede a obtener las del segundo hueco que se hizo para tal fin, se toman las medidas en una primera etapa, y después de tres días se toman nuevamente las medidas en las mismas condiciones medioambientales para ver la variación de humedad en ese periodo de tiempo. Dando como resultado las gráficas 5.5 y 5.6 con sus respectivas tablas de datos 5.5 y 5.6. Tabla 5.5: Representa los primeros datos tomados en un segundo hueco de una parcela de agronomía P (cm) M ( g / cm3) 15 25 35 45 55 65 0,3365 0,3996 0,3826 0,3597 0,3327 0,2929 0,40 HUMEDAD ANTES 0,38 0,36 M (g / cm ) 3 0,34 0,32 0,30 0,28 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.5: Muestra la medida de la primera humedad en un segundo hueco en una parcela de agronomía. Néstor Daniel Vacca Campos Página 51 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 5.6: Representa los segundos datos tomados después de tres días en un segundo hueco de una parcela de agronomía. P (cm) M ( g / cm3) 15 25 35 45 55 65 0,31814 0,31940 0,28304 0,25714 0,24796 0,26634 0,33 0,32 0,31 0,30 HUMEDAD DESPUÉS M (g / cm ) 0,29 0,28 0,27 0,26 0,25 0,24 10 20 30 40 50 60 70 3 P (cm) Gráfica 5.6: Muestra la medida de humedad después de tres días de tomados los primeros datos en un segundo hueco en una parcela de agronomía. La gráfica 5.7 es la superposición de las gráficas 5.5 y 5.6 con su respectiva tabla 5.7 en la cual están los datos de la superposición, y se observa que en la profundidad 15 cm hay una variación muy pequeña del 5 % pero en las posiciones 25, 35, 45, 55, 65 cm, tienen una variación de 25, 36, 40, 34, 10 % respectivamente, este es un caso muy curioso porque el día que se tomaron las primeras medidas estaba muy lluvioso y los días anteriores también, y luego de los tres días se tomaron nuevamente las mediadas con las mismas condiciones medioambientales y observamos que hay un cambio drástico en la humedad en casi todas las profundidades, esto se debe a que en los tres días transcurridos de las primeras medidas Néstor Daniel Vacca Campos Página 52 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. el ambiente cambio radicalmente e hizo mucho sol, entonces pues la consecuencia de todo esto fue la evaporación de la humedad quedando demasiado seco. Tabla 5.7: Representa los datos de las gráficas 5.5 y 5.6 tomados en un segundo hueco en una parcela de agronomía. P (cm) M (g / cm3) Gráfica 5,5 M (g / cm3) Gráfica 5,6 15 25 35 45 55 65 0,3365 0,3996 0,3826 0,3597 0,3327 0,2929 0,31814 0,31940 0,28304 0,25714 0,24796 0,26634 0,39 HUMEDAD DESPUÉS HUMEDAD ANTES 0,36 M (g / cm ) 3 0,33 0,30 0,27 0,24 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.7: Muestra la superposición las gráficas 5.5 y 5.6 del segundo hueco de una parcela de agronomía. 5.2. Resultados de la calibración en la muestra Suelo de Cimentación Los resultados de la calibración del suelo de cimentación se representan en la tabla 5.8, donde se muestran los datos con los que hizo la calibración, la ecuación particular, pendiente e intercepto con sus respectivos errores como también el coeficiente de correlación lineal, este suelo es muy similar en su composición que la arena de rio que fue Néstor Daniel Vacca Campos Página 53 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. en si la que calibramos, observamos que los puntos negros son los experimentales y la línea roja es la tendencia, con un coeficiente de correlación lineal de 0,998 esto significa que las variables tienen una reciprocidad muy fuerte. Tabla 5.8: Representa los datos de la calibración de la sonda en una muestra de suelo de cimentación. DATOS 3 A ±σ A 0,001969 0,111930 0,272510 B ±σB Ecuación General R Conteo Relativo (CR) M ( g / cm ) -0,021 ± 0,010 0,185 ± 0,010 0,998 0,09893 0,76100 1,56250 y = A + Bx Ecuación Particular M = 0,185 R – 0,021 0,30 0,25 M = 0,185 CR - 0,021 R = 0,998 0,20 M (g / cm ) 3 0,15 0,10 0,05 0,00 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 CR Gráfica 5.8: Muestra la respectiva calibración de la sonda en una muestra de Suelo de Cimentación. Luego de tener la sonda calibrada en la muestra de suelo de cimentación se procede a hacer unas pruebas que fueron muy productivas para poder entender cómo es que se hace un buen suelo de cimentación para la construcción de un edificio o de una carretera viéndolo desde el punto de vista de la humedad, se tomaron pruebas antes y después en dos huecos los cuales se hicieron con un barreno, para poder apreciar la variación de la humedad en esos días, la toma de la primera prueba del primer hueco se ve en la gráfica 5.9, y los dato en la tabla 5.9, por otra parte los segundos datos se tomaron después de tres días, estos se representan en la tabla 5.10, y se observan en la gráfica 5.10, en las gráficas 5.9 y 5.10 se Néstor Daniel Vacca Campos Página 54 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. puede hacer el mismo análisis dimensional de la ecuaciones 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, y llegar a las misma conclusiones, donde los puntos rojos son los datos experimentales y la línea roja es el ajuste que nos arroja todos los datos que se presentan en la tabla 5.9. Tabla 5.9: Representa los primeros datos tomados en un primer hueco de un suelo de cimentación. R2 DATOS A±σ B ±σ B ±σ B ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) M ( g / cm ) 3 -0,023 ± 0,002 0,004 ± 2,427E-4 -1,003E-4 ± 7,775E-6 8,543 ± 7,273E-6 0,998 63 53 43 38 33 28 23 18 13 8 0,06589560 0,05108830 0,04553232 0,04407186 0,04216963 0,03922792 0,03381746 0,02644240 0,01752892 0,00654169 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular M = −0,023 + 0,004 P − 1,003E − 4 P 2 + 8,543E − 7 P 3 0,07 M = - 0,023 + 0,004 P - 1,003E-4 P + 8,543E-7 P 0,06 2 3 R = 0,998 2 0,05 M (g / cm ) 3 0,04 0,03 0,02 HUMEDAD ANTES 0,01 0,00 10 20 30 40 50 60 70 P(cm) Gráfica 5.9: Muestra la medida de la primera humedad en un primer hueco en un suelo de cimentación. Néstor Daniel Vacca Campos Página 55 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 5.10: Representa los segundos datos tomados después de tres días en un primer hueco de un suelo de cimentación. R2 DATOS B ±σ B ±σ B ±σ A±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) M ( g / cm ) 3 -0,0242 ± 0,002 0,004 ± 2,414E-4 -9,787E-5 ± 7,734E-6 8,201E-7 ± 7,234E-8 0,998 63 53 43 38 33 28 23 18 13 8 0,06164415 0,04812061 0,04331305 0,04198252 0,04013746 0,03735687 0,03199319 0,02463892 0,01579820 0,00495649 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular M = −0,024 + 0,004 P − 9,787 E − 5 P 2 + 8, 201E − 7 P 3 0,07 0,06 M = - 0,024 + 0,004 P - 9,787E-5 P + 8,201E-7 P R = 0,999 2 2 3 0,05 M (g / cm ) 3 0,04 0,03 0,02 HUMEDAD DESPUÉS 0,01 0,00 0 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.10: Muestra la medida de humedad después de tres días de tomados los primeros datos en un primer hueco en un suelo de cimentación. En la gráfica 5.10 se observa que los puntos negros son los datos experimentales y la línea roja es el ajuste de estos datos dando como resultado una fuerte correlación cuadrática entre las variables Y y X que es la humedad (M) y Ratio (R), esto quiere decir que los datos Néstor Daniel Vacca Campos Página 56 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. experimentales si corresponden a la humedad real del suelo y que tiene un mínimo error que es casi despreciable. Tabla 5.11: Representa los datos de las gráficas 5.9 y 5.10 tomados en un primer hueco en un suelo de cimentación. P (cm) M ( g / cm3) Gráfica 5.9 M ( g / cm3) Gráfica 5.10 63 53 43 38 33 28 23 18 13 8 0,06589560 0,05108830 0,04553232 0,04407186 0,04216963 0,03922792 0,03381746 0,02644240 0,01752892 0,00654169 0,06164415 0,04812061 0,04331305 0,04198252 0,04013746 0,03735687 0,03199319 0,02463892 0,01579820 0,00495649 0,07 0,06 0,05 M (g / cm ) 3 0,04 0,03 HUMEDAD DESÚÉS HUMEDAD ANTES 0,02 0,01 0,00 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.11: Muestra la superposición las gráficas 5.9 y 5.10 del primer hueco de un suelo de cimentación. Néstor Daniel Vacca Campos Página 57 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. En la gráfica 5.11 observamos la superposición de las gráficas 5.9 y 5.10, y es por ésta que podemos ver que cuando se hizo la toma de datos se una prueba a otra la humedad solo varió el 7 % en la profundidad 63 cm que es la más notoria, pero en general la gráfica 5.11 tiene una correlación cuadrática muy fuerte entre las variables. Tabla 5.12: Representa los primeros datos tomados en un segundo hueco de un suelo de cimentación. R2 DATOS A±σ B ±σ B ±σ B ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) M ( g / cm3) -1,535 ± 0,0165 0,099 ± 0,010 -0,002 ± 2,013E-4 8,868E-6 ± 1,215E-6 0,986 85 75 65 55 45 35 25 0,25764 0,26282 0,29292 0,33270 0,35970 0,29760 0,03996 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular M = −1,535 + 0,099 P − 0,002 P 2 + 8,868 E − 6 P 3 0,40 0,35 0,30 0,25 M (g / cm ) 3 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 HUMEDAD ANTES M = -1,535 + 0,099 P - 0,002 P + 8,868E-6 P R = 0,985 2 2 3 P (cm) Gráfica 5.12: Muestra la medida de la primera humedad en un segundo hueco en un suelo de cimentación. Néstor Daniel Vacca Campos Página 58 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 5.13: Representa los segundos datos tomados después de tres días en un segundo hueco de un suelo de cimentación. R2 DATOS A±σ B ±σ B ±σ B ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) M ( g / cm3) -1,359 ± 0,151 0.089 ± 0,009 -0,001 ± 1,843E-4 7,874E-6 ± 1,112E-6 0,985 85 75 65 55 45 35 25 0,23739 0,24489 0,27130 0,30541 0,33342 0,27392 0,04508 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular M = −1,359 + 0,089 P − 0,001P 2 + 7,874 E − 6 P 3 0,35 0,30 0,25 M (g / cm ) 3 0,20 0,15 M = -1,359 + 0,089 P- 0,001 P + 7,874E-6 P R = 0,985 2 2 3 0,10 0,05 HUMEDAD DESPUÉS 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 P (cm) Gráfica 5.13: Muestra la medida de humedad después de tres días de tomados los primeros datos en un segundo hueco en un suelo de cimentación. Néstor Daniel Vacca Campos Página 59 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 5.14: Representa los datos de las gráficas 5.12 y 5.13 tomados en un segundo hueco en un suelo de cimentación. P (cm) M ( g / cm3) Gráfica 5.12 M ( g / cm3) Gráfica 5.13 85 75 65 55 45 35 25 0,25764 0,26282 0,29292 0,33270 0,35970 0,29760 0,03996 0,23739 0,24489 0,27130 0,30541 0,33342 0,27392 0,04508 0,40 0,35 0,30 0,25 M (g / cm ) 3 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 HUMEDAD DESPUÉS HUMEDAD ANTES P (cm) Gráfica 5.14: Muestra la superposición las gráficas 5.12 y 5.13 del segundo hueco de un suelo de cimentación. Por otra parte los datos tomados en el segundo hueco se representan en la tabla 5.12, antes y en la tabla 5.13 después, vemos como en ambas gráficas en la profundidades cerca de la superficie del hueco está un poco más seco que en las siguientes posiciones, por otro lado observamos también que hay un pico de humedad en la profundidad 45 cm, y de ahí para bajo hay una disminución considerable, esto se debe a la compactación del suelo, como esto lo hacen por capas seguramente había más agua en una capa que en la otra. En la gráfica 5.14 apreciamos la superposición de las gráficas 5.12 y 5.13, vemos como hay una disminución de la humedad en todas la posiciones 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, y tiene un porcentaje de (8), (8,5),(8), (8.9),(8), (7), (8,5) % respectivamente, vemos que los porcentajes se mantienen constantes. Néstor Daniel Vacca Campos Página 60 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 5.3. Resultados de la calibración en la muestra de Carbón Los datos de la calibración del Carbón, se representan en la tabla 5.15, éste se trajo de la empresa COLCOQUE de Samacá que muy amablemente dispuso de 500 Kg de su carbón para esta calibración, que se hizo en el laboratorio de radiaciones nucleares de la U.P.T.C, esta calibración fue la más tediosa de hacer, por el alto contenido en hidrogeno y carbono que tiene el carbón, esto hace que sea más difícil de medir la humedad superficial del carbón, porque como son elementos bajos en número atómico, esto hace que haya más termalización de neutrones y por ende más humedad, en esta calibración solo se tiene en cuenta la humedad superficial, las demás no se tienen en cuenta por efectos prácticos, pero siguiendo el procedimiento encontrado en la norma ASTM D3302-02, esto se hace para no tener ningún error en la toma de muestras para el método gravimétrico, sin embargo obtuvimos unos datos se ven reflejados en la gráfica 5.15 con una correlación lineal de 0,999. Tabla 5.15: Representa los datos de la calibración de la sonda en una muestra de carbón. DATOS 2,08117 2,19653 2,25330 2,29226 0,00272 0,05706 0,08049 0,09693 A ±σ A B ±σB Ecuación General R Conteo Relativo (CR) M ( g / cm3) -0,927 ± 0,023 0,447 ± 0,010 0,999 y = A + Bx Ecuación Particular M = 0,447 R – 0,927 0,10 M = 0,0447 CR - 0,927 R = 0,999 0,08 M (g / cm ) 0,06 3 0,04 0,02 0,00 2,05 2,10 2,15 2,20 2,25 2,30 CR Gráfica 5.15: Muestra la respectiva calibración de la sonda en una muestra de carbón. Néstor Daniel Vacca Campos Página 61 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Por otra parte luego de hacer la grafica de calibración y tener la sonda calibrada para esta muestra de carbón, se hicieron ensayos en el mismo carbón, haciendo el mismo procedimiento de la calibración, todo esto para corroborar si la sonda está bien calibrada o no, esto se hizo en la empresa COLCOQUE del municipio de Samacá, se tomaron 4 pruebas con la sonda en las pilas de almacenamiento, a las cuales se les tomó la humedad con la sonda y se tomó una muestra del material de cada una de las medidas, para corroborar la humedad por el método gravimétrico, la sonda da la humedad en tiempo real, en cambio la muestra se demora hasta que se haga por el método gravimétrico, en la cual se hizo una gráfica con los datos de sonda y con los hallados con el método gravimétrico, con una excelente respuesta de los datos que se aprecia en la gráfica 5.16, con una correlación lineal de 0,999 que es igual a la ecuación de calibración, por lo tanto esto quiere decir que la ecuación de calibración esta excelente para este tipo de carbón. Tabla 5.16: Representa los datos de una prueba en una muestra de carbón. DATOS 3 3 A ±σ A 0,00452 0,03101 0,07807 0,14384 B ±σB Ecuación General R M Horno (g / cm ) M Sonda ( g / cm ) -0,002 ± 0,001 1,034 ± 0,001 0,999 0,005339 0,033114 0,076400 0,140910 y = A + Bx Ecuación Particular M Sonda = 1,034 M Horno – 0,002 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 3 M Sonda = 1,034 M Horno - 0,002 R = 0,999 M Sonda (g / cm ) 3 0,12 0,14 0,16 M Horno (g /cm ) Gráfica 5.16: Muestra combinación de las humedades de sonda y horno. Néstor Daniel Vacca Campos Página 62 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 5.4. Resultados de ensayos que se hicieron con tubos de P.V.C. y de Aluminio Estos ensayos se hicieron por curiosidad para poder ver el comportamiento de los tubos frente a los neutrones y saber que información puede proporcionar a diferentes profundidades, los ensayos se hicieron con dos tubos de P.V.C de diámetros 1½ pulgadas (in) y 2 pulgadas (in) y el tubo de aluminio que viene con la sonda que es de 2 pulgadas (in), estas pruebas se hicieron en una caneca, sin ningún material, esto quiere decir que las pruebas se hicieron en aire. Por otra parte el P.V.C está compuesto principalmente de Carbono e Hidrogeno, y algunos oxígenos, nitrógeno, azufre y cloro, en la gráfica 5.17 vemos el comportamiento del tubo de aluminio, en la gráfica 5.18 observamos el comportamiento del tubo de P.V.C de 1 ½ pulgadas (in), en la gráfica 5.19 apreciamos el comportamiento del tubo de P.V.C de 2 pulgadas (in), entonces luego de tener las tres gráficas se hace una superposición para poder apreciar las diferencias entre las gráficas. Tabla 5.17: Representa los datos del tubo de Aluminio de 2 pulgadas (in) tomados en aire. R2 DATOS B ±σ B ±σ B ±σ A±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) Cn / min 55,210 ± 2,739 1,589 ± 0,367 -0,065 ± 0,013 0,001 ± 1,323E-4 0,996 63 53 43 38 33 28 23 18 13 8 3 163,6 114,2 85,4 80,4 78,2 72,0 70,2 69,4 66,6 61,0 61,8 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular Cn / 4 min = 55, 210 + 1,589 P − 0,065P 2 + 0,001P 3 Néstor Daniel Vacca Campos Página 63 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 180 Cn / 4min = 55,210 + 1,589 P- 0,065 P + 0,00106 P 160 2 3 R = 0.996 2 140 Tubo de Aluminio de 2 in Cn / 4 min 120 100 80 60 0 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.17: Muestra el comportamiento del tubo de aluminio de 2 pulgadas (in) en aire. Tabla 5.18: Representa los datos del tubo de P.V.C de 1.5 pulgadas (in) tomados en aire. DATOS R2 B ±σ B ±σ B ±σ A ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) Cn / 4min 42,902±18,342 6,265 ± 2,469 -0,307 ± 0,088 0,004 ± 8,864E-4 0,981 63 53 43 38 33 28 23 18 13 8 3 330,2 140,8 95,0 89,0 85,4 83,8 75,4 72,4 72,4 69,2 70,4 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular Cn / 4 min = 42,902 + 6, 265 P − 0,307 P 2 + 0,004 P 3 Néstor Daniel Vacca Campos Página 64 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 350 Cn / 4min = 42,902 + 6,266 P- 0,307 P + 0,004 P R = 0,981 2 2 3 300 250 Tubo de P.V.C de 1.5 in Cn / 4min 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.18: Muestra el comportamiento del tubo de P.V.C de 1 ½ pulgadas (in) en aire. Tabla 5.19: Representa los datos del tubo de P.V.C de 2 pulgadas (in) tomados en aire. R2 DATOS A ±σ B ±σ B ±σ B ±σ A 1 B1 2 B2 3 B3 P (cm) Cn / 4min 46,284±15,741 4,604 ± 2,119 -0,211 ± 0,075 0,003 ±7,608E-4 0,980 63 53 43 38 33 28 23 18 13 8 3 285,2 136,4 102,4 103,4 85,0 82,0 73,8 75,8 68,6 68,6 65,6 Ecuación General y = A + B1 x + B2 x 2 + B3 x3 Ecuación Particular Cn / 4 min = 46, 284 + 4,604 P − 0, 211P 2 + 0,003P 3 Néstor Daniel Vacca Campos Página 65 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. 300 Cn/ 4min = 46,284 + 4,604 P- 0,211 P + 0,003 P R = 0,980 250 2 2 3 Cn / 4min 200 Tubo de P.V.C de 2 in 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.19: Muestra el comportamiento del tubo de P.V.C de 2 pulgadas (in) en aire. En la gráfica 5.20 podemos apreciar la superposición de las gráficas 5.17, 5.18, 5.19, y se observa que los datos del aluminio de 2 pulgadas (in) son los que menos absorben los neutrones, en cuanto a los tubos de P.V.C el que más absorbe neutrones es el tubo de 1.5 pulgadas (in), esto se da por que el espacio que hay entre la sonda y el tubo es muy pequeño, además como dije al principio estos tubos están compuestos en su mayoría por hidrogeno y por ende hay mucho más termalización de neutrones. Sin embargo en el tubo de P.V.C de 2 pulgadas (in) tiene también influencia por el hidrogeno y por eso tiene mucho más termalización que en el tubo de Aluminio, es por esta razón y quisimos dar a conocer que el mejor material para hacer los tubos de acceso de la sonda neutrones es el Aluminio. Néstor Daniel Vacca Campos Página 66 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. Tabla 5.20: Representa los datos de los tubos de P.V.C y el de Aluminio. P(cm) CN/4min Gráfica 5,17 CN/4min Gráfica 5,18 CN/4min Gráfica 5,19 63 163,6 330,2 285,2 53 114,2 140,8 136,4 43 85,4 95,0 102,4 38 80,4 89,0 103,4 33 78,2 85,4 85,0 28 72,0 83,8 82,0 23 70,2 75,4 73,8 18 69,4 72,4 75,8 13 66,6 72,4 68,6 8 61,0 69,2 68,6 3 61,8 70,4 65,6 350 300 250 Tubo de Aluminio de 2 in Tubo de P.V.C de 1.5 in Tubo de P.V.C de 2 in Cn / 4min 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 P (cm) Gráfica 5.20: Muestra la superposición de las gráficas 5.17, 5.18, 519. Néstor Daniel Vacca Campos Página 67 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. _________________________________________________________________________ CONCLUSIONES _________________________________________________________________________ Se caracterizo e implemento la sonda de neutrones CPN 503 HYDROPROBE para la medida en diferentes muestras de suelos tales como: carbón, suelos agrícolas y suelos de cimentación todo esto se pudo hacer siguiendo las diferentes normas ASTM D653, D2216, D3017, D3173, D3302 y se siguieron las precauciones que dicen los protocolos de protección radiológica para prevenir accidentes o posibles incidentes con la sonda de neutrones. La sonda de neutrones CPN 503 HYDROPROBE fue calibrada en las diferentes muestras de suelo tales como: carbón, suelo agrícola y suelo de cimentación, se pudo ver que tienen una fuerte correlación lineal las dos variables que se calibraron, es decir la variable (Y) que es la humedad M de la muestra a calibrar hallada por el método gravimétrico y la variable (X) que es el Ratio (R) que es la razón entre el conteo de campo y el conteo estándar, lo que arrojo una ecuación con un mínimo de error, y por esto se puedo tener una estimación real de la medida de humedad en las diferentes muestras con la sonda, y tener la plena seguridad de utilizar la sonda de neutrones en cualquier material ya calibrado. En análisis de suelos, puede ser utilizada la sonda de neutrones para poder estratificar las muestras que son medidas, es decir que a medida de que se aumenta la profundidad la sonda va midiendo contenidos de humedad diferentes y que esto a su vez puede dar datos o alternativas para poder saber qué tipo de suelo es, sin embargo podemos ver en las gráficas de ensayos del suelo agrícola con las del suelo de cimentación que son muy diferentes, esto se da porque el suelo agrícola es muy variable, es decir que está compuesto por muchos materiales en especial orgánicos e inorgánicos, por otra parte el suelo de cimentación está compuesto en su totalidad de recebo, el contenido de arcilla de este recebo es mínima y es muy similar en su composición a la arena de rio que se calibro, otra consecuencia de la variación del contenido de humedad en el suelo agrícola es porque existe aire entre las moléculas que lo constituyen y también influye la variación espacial del suelo, sin embargo en Néstor Daniel Vacca Campos Página 68 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. el suelo de cimentación se conforma mediante capas y cada vez que se coloca una capa este lo prensan hasta quedar las moléculas muy cerca una de la otra. En los ensayos con los tubos de P.V.C y de aluminio, observamos en la gráfica 5.20 que se da la superposición de los tres tubos que a partir de la profundidad 43 cm hay una variación en el número de cuentas de los tres tubos, pero es más en el tubo de P.V.C de 1.5 pulgadas (in), esto es causa de la influencia del suelo, pero también es porque la composición del polímero P.V.C está compuesto principalmente de elementos como: Carbono, Hidrogeno, y algunos oxígenos, nitrógeno, esto hace que se aumente la termalización de neutrones y por ende esto se transmite en mayor número de cuentas y también porque queda muy poco espacio entre la sonda y el tubo, igual pasa en el tubo de P.V.C de 2 pulgadas (in) solo que en este hay un poco menos de termalización neutrones, esto es debido a que hay mayor espacio entre la sonda y el tubo, sin embargo en el tubo de aluminio no sucede esto, porque es un elemento metaloide y por consiguiente éste absorbe muchísimo menos neutrones que los tubos de P.V.C. Néstor Daniel Vacca Campos Página 69 Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón. _________________________________________________________________________ BIBLIOGRAFIA _________________________________________________________________________ [1]. FORERO, Carolina. Simulación del proceso de detección de elementos orgánicos por dispersión de neutrones, Páginas 1 a 15, Universidad Nacional, Bogotá 2007. [2]. ARSLAN, A., et al., The performance and radiation exposure of some neutron probes in measuring the water content of the topsoil layer, Aust. J. Soil Res. 35 (1997). [3]. GUZMÁN, J., Nucleónica Básica, Segunda Edición, Centro de Documentación e Información Nuclear del Instituto de Asuntos Nucleares, Bogotá (1989) 312 pp. [4]. BOLÍVAR, Simón. 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Report "Caracterización y Calibración de la Sonda de Neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para la Medida de Humedad en Suelos de Cimentación, Agrícolas y en Carbón"