LA TECNOLOGIA PLASMA FOCUS APLICADA A LA DETECCIÓN DE SUSTANCIAS HIDROGENADAS Ramos R., Moreno C., González J., Clausse A. Instituto Balseiro Centro Atómico Bariloche INFIP - CNEA PLADEMA RESUMEN Se realizó un estudio experimental de factibilidad de detección de sustancias hidrogenadas utilizando la tecnología Plasma Focus. El sistema de medición está compuesto por dos detectores neutrónicos operados simultáneamente, uno para medir los neutrones emitidos en cada disparo del P.F. y otro para detectar los neutrones dispersados por la sustancia testigo. Se obtuvieron los mapas de sensibilidad del sistema detector en función de la posición y el área frontal de la configuración que tiene la sustancia a ser detectada. ABSTRACT The feasibility study of an industrial application of thermonuclear pulsors is presented. An experiment was conducted to detect hydrogenated substances using PF technology. The detection system is composed by two neutron detectors operated simultaneously on every shot. The first detector is used to register the PF neutron yield in each shot; whereas the other one was designed to detect neutrons scattered by the blanket. We obtained the detector sensitivity charts as a function of the position in space and frontal area of the substance to be detected. INTRODUCCIÓN Para múltiples aplicaciones es necesario contar con un detector no intrusivo de sustancias hidrogenadas que tenga las características de ser portátil, confiable, no contaminante y sobre todo de bajo costo. Los dispositivos Plasma Focus complementados con un par de detectores neutrónicos son una alternativa válida para este tipo de aplicaciones ya que cumplen satisfactoriamente todos los requerimientos mencionados. El método consiste básicamente en iluminar con neutrones la zona de estudio y analizar luego la dispersión de los mismos en la sustancia que se desea detectar. Los Plasma Focus, operados con Deuterio, utilizan como radiación de sondeo neutrones de 2.45 MeV, los cuales son emitidos en forma pulsada.
En este trabajo se realizó un estudio de factibilidad y sensibilidad del sistema Plasma Focus para la detección de H 2 O. La detección de sustancias (en particular la detección de H 2 O) prescindiendo de la extracción y posterior análisis de muestras es de notable interés en numerosos campos de aplicación tales como seguridad, construcción, agroindustria [1], mantenimiento y minería. EL SISTEMA DETECTOR El sistema detector [2][3][4] está compuesto por un Plasma Focus con 4.7 KJ de energía en su banco de capacitores, y dos detectores de neutrones; uno para medir los neutrones producidos directamente por la fuente Plasma Focus y otro para determinar aquellos que son dispersados por el agua. El primero esta conformado por cuatro detectores Geiger recubiertos de una capa de plata y alojados dentro de un bloque de parafina, mientras que el segundo lo componen tres Geiger recubiertos de una capa de plata para de esa manera ser sensible solo a los neutrones dispersados y moderados por el agua. Estos detectores de plata activada, entregan una señal que es proporcional a la cantidad de neutrones que reciben integrados en el tiempo. En la Figura 1 se observa una de las disposiciones, utilizada durante el estudio de factibilidad, para los detectores neutrónicos y el cabezal Plasma Focus, mientras en la Figura 2 se puede ver una configuración de agua a ser testeada con el mencionado arreglo de detectores. Lo que permite determinar si el H 2 O se encuentra presente o no es la comparación entre las lecturas de ambos detectores. Si se grafican las cuentas del detector de neutrones dispersados en función de las cuentas del detector de referencia, para varios disparos del equipo Plasma Focus, se obtiene una relación lineal. Al colocar una sustancia dispersora la pendiente de la recta obtenida aumenta y por este efecto es posible detectar la presencia de H 2 O. SETUP EXPERIMENTAL Para las diversas aplicaciones es necesario estudiar detalladamente dos tipos de configuraciones del agua a ser detectada. Una de ellas es la de tipo pared (por ejemplo para detección de humedad) y otra la de tipo pozo (por ejemplo para prospección). En este trabajo se utilizó una configuración tipo pared. Para llegar a esta elección se tuvo en cuenta que de estas mediciones se pueden inferir los resultados para la otra configuración. En la Figura 3 se puede visualizar el setup experimental donde se detallan las ubicaciones, de los detectores y del agua a ser testeada, relativas al cabezal Plasma Focus. Los experimentos consistieron en colocar paredes de agua de distintas dimensiones y para cada una de ellas medir la respuesta del sistema para nueve posiciones diferentes. Las paredes se conformaron con contenedores plásticos cargados con H 2 O.
SENSIBILIDAD CON LA DISTANCIA DEL H 2 O AL SISTEMA DETECTOR Se graficaron las cuentas del detector de neutrones dispersados en función de las cuentas del detector de neutrones de referencia, para nueve posiciones de una pared de 1 litros de H 2 O y con las siguientes dimensiones aproximadas: 1 cm de ancho por 95 cm de alto y 15 cm de espesor. En la Figura 4 se detallan los resultados para la pared ubicada sobre el eje del cabezal Plasma Focus; las distintas curvas corresponden a diferentes distancias a las que se coloca la pared respecto de la cara frontal del cabezal. Resultados similares se obtuvieron cuando la pared se encuentra a 5 cm y 75 cm, respectivamente, del eje del cabezal Plasma Focus. Para cada uno de los casos analizados se ajustó una regresión lineal. La pendiente de esta recta nos da una referencia sobre la sensibilidad del sistema de detección de H 2 O. En la Figura 5 se pueden ver las curvas de nivel para dichas pendientes en función de las coordenadas en las que se encuentra la pared respecto del cabezal Plasma Focus. Las curvas de nivel del mapa de sensibilidad tienen forma de elipses debido a que el sistema detector no tiene una simetría radial perfecta. Esta asimetría esta dada por la ubicación de los detectores los cuales se encuentran, sobre una misma línea, a 3 cm y a 6 cm del eje del cabezal Plasma Focus respectivamente. La variación de la pendiente, con el cambio de posición de la pared, está condicionada por dos fenómenos. Por un lado hay que tener en cuenta cuál es el ángulo sólido que subtiende la pared de agua respecto del foco de la fuente Plasma Focus, ya que esto determina la cantidad de neutrones interceptados por la pared y por ende el grado de dispersión. Como el área subtendida es la misma (mientras no se modifique el tamaño de pared) lo que determina la variación del ángulo sólido mencionado es la distancia entre la pared de H 2 O y el cabezal Plasma Focus. Por otra parte, entra también en juego, aunque con una influencia menor, el ángulo sólido que subtiende la pared respecto del detector de neutrones dispersados ya que esto condiciona la cantidad de neutrones dispersados que pueden ser interceptados por el detector. La variación de este ángulo sólido esta fijada por la distancia entre la pared de H 2 O y el detector de neutrones dispersados. SENSIBILIDAD CON LA DISTANCIA Y EL AREA DE LA CONFIGURACIÓN DE H 2 O Se realizaron mediciones, similares a las presentadas en la sección anterior, pero para paredes de H 2 O de distinta área frontal al sistema detector. En la Figura 6 se pueden ver los mapas de sensibilidad en función de la distancia para cuatro paredes de H 2 O de dimensiones diferentes. Analizando los mapas de sensibilidad para las paredes de diferente tamaño se observa como a medida que la pared tiene un tamaño menor la zona de influencia del detector va disminuyendo. La región, correspondiente a distancias mayores, de cada uno de los mapas está relacionada con una pendiente igual a la que se obtiene sin la presencia de agua. Es decir a esas distancias (unos 1 cm aproximadamente) el sistema no puede
detectar la presencia de agua con una superficie frontal menor a 1 m 2. Analizando el mapa de sensibilidad de la pared de.1 m 2 se puede ver que las pendientes de la misma difieren muy poco de la pendiente de referencia (la que se obtiene sin la presencia de agua) por lo cual se puede decir que.1 m 2 es la mínima área de pared detectable. CONCLUSIONES Se comprobó la factibilidad de detección de H 2 O utilizando un dispositivo Plasma Focus conjuntamente con dos detectores neutrónicos. Se midió la sensibilidad del detector de H 2 O tipo Plasma Focus en función de la posición en la que se encuentra una pared de la sustancia cuya presencia se desea detectar. Se obtuvo la superficie de pendientes en función de las coordenadas de la pared medidas desde la posición del cabezal Plasma Focus. Se evaluó la sensibilidad del detector en función del área frontal de la configuración de H 2 O a detectar. Para ello se obtuvieron los mapas de sensibilidad en función de la posición para cuatro paredes de distinto área. Analizando los mapas de sensibilidad se concluyó que a una distancia de aproximadamente 1 cm el sistema no puede detectar la presencia de agua con una superficie frontal menor a 1 m 2 y que.1 m 2 es la mínima área de pared detectable. Un paso a seguir sería medir la sensibilidad respecto de otras sustancias para de esa manera ampliar el campo de aplicación de este innovador sistema detector. Un candidato adecuado sería el petróleo, por su alto contenido de hidrógeno. Una mejora importante que se puede introducir y que aumentaría en gran forma la potencialidad del método está relacionada con el tipo de detectores utilizados en la cadena de medición. Utilizando un tipo de detector que entregue información sobre la distribución temporal de los neutrones recibidos (como por ejemplo un detector de 3 He), junto con la electrónica apropiada, sería posible discriminar no solo cantidad de agua sino también en que forma se halla distribuida. También se podría calcular con mayor precisión la distancia agua-sistema detector. REFERENCIAS [1] H. Acuña, M. Milanese, R. Moroso, J. Pouzo. Sonda de radiación para diagnóstico de suelos, 85 Reunión Nacional de Física, Bs As 18-22 Set (). [2] C. Moreno, A. Clausse, H. Bruzzone, J. Martínez, R. Llovera, and A. Tartaglione. Small-chamber 4.7 kj Plasma Focus for applications,. Meeting on Plasma Research in 21 st Century. Bangkok,Thailand, In Press, May (). [3] Moreno C., Llovera R., Tartaglione A., Clausse A.: Neutronic Detection of water using a compact Plasma Focus.Regional Meeting on Plasma Research in 21 st Century. Bangkok,Thailand, In Press, May (). [4] Ramos R.,Moreno C., Clausse A., Gonzalez J. Florido P. Feasibility of water detection system based in Plasma Focus Tecnology A Nuclear Odyssey. Texas-USA. 1. In Press.
FIGURAS Figura 1 Detector de sustancias hidrogenadas Plasma Focus Figura 2 Configuración de H 2 O bajo testeo 5 cm PARED DE AGUA 75 cm REFERENCIA 5 cm 7 cm cm 3 cm NEUTRONES DISPERSADOS 6 cm PLASMA FOCUS Figura 3 Setup experimental
5 cm cm 7 cm REFERENCIA PARED DE AGUA NEUTRONES DISPERSADOS PLASMA FOCUS CUENTAS del detector de neutrones dispersados 9 8 7 6 5 sin H 2 O pared a 5 cm pared a cm pared a 7 cm 3 1 6 8 1 1 1 16 18 2 CUENTAS del detector de referencia Figura 4 Resultados sobre el eje del cabezal Plasma Focus
8 7, 6 5,25 y [cm] 3 1,3,45,35, PENDIENTE 1 3 5 x [cm] x PARED DE AGUA y DETECTOR DE NEUTRONES DISPERSADOS REFERENCIA CABEZAL PLASMA FOCUS Figura 5 Sensibilidad del detector de agua
1 8 8 PENDIENTES y [ cm ] y [ cm ] 6 1,13,18 1 3 5 x [ cm ] 8 6,13,18,23,28 1 3 5 1 x [ cm ] 8 3 cm 45 cm 35 cm cm.1 m 2 1 3 5 15 cm 6 cm.27 m 2 72 cm 15 cm Y Axis 6.5 --.55.45 --.5. --.45.35 --..3 --.35.25 --.3 X Axis. --.25.15 --..1 --.15 y [ cm ] 6,3,15,25, 7 cm.5 m 2,35 y [ cm ] 1 3 5 1 x [ cm ] 8,15 6,,25,35,3,,45 9 cm,5 1 3 5 x [ cm ] 15 cm PARED DE AGUA x 1. m 2 y 15 cm REFERENCIA PLASMA FOCUS NEUTRONES DISPERSADOS Figura 6 Sensibilidad en función de la posición y del área de H 2 O