determinação da densidade do solo: métodos convencionais, por atenuação e retroespalhamento de...
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Determinação da densidade do solo: métodos convencionais,por atenuação e retroespalhamento de raios gama
Osny BacchiCENA/USP04/05/2006
Literatura Recomendada:
Klute, A. 1986. Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods, 2nd Edition. American Society of Agronomy, Inc.& Soil Science Society of America, Inc., Madison Wisconsin.USA. Agronomy Series, Number 9, 1188p.
Baver,L.D.; Gardner,W.H. & Gardner, W.R. 1972. Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 498p.
Buckman, H.O. & Brady, N.N. 1968. Natureza e Propriedades dos Solos. Livraria Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 594p.
Libardi, P.L. 1995. Dinâmica da água no solo. Piracicaba, SP., ESALQ/USP, Depto. Física e Meteorologia, 1aEd.,497p.
Reichardt, K. 1990. A água em sistemas agrícolas. Piracicaba, SP. Editora Manole Ltda., 188p.
Reichardt, K.1996. Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba, SP., ESALQ/USP., Depto. Física e Meteorologia, 505p.
Reichardt, K. Uso da radiação gama na determinação da umidade e densidade do solo. Piracicaba: 1965. Tese (Doutoramento). Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”.
Bacchi, O.O.S.; Reichardt, K. Neutron and gamma probes:Their use in agronomy. FAO/IAEA Training courses series ( no prelo)
CHASE, G.D. and RABINOWITZ, J.L. (1967). Principles of radioisotope methodology. Third edition. Burgess Publishing Company, Minneapolis, USA.
Crestana, S., Mascarenhas, S, Pozzi-Mucelli, R.S. 1986.Using a computed miniscanner in soil science. Soil Science, v.142, p. 52-61.
Ferraz, E.S.B., Mansell, R.S. 1979. Determining water content and bulk density of soil by gamma ray attenuation methods. Florida: IFAS, (Technical Bulletin, 807)
GUZMÁN J., M.E. (1989). Nucleónica básica. Segunda edición. Centro de Documentación e Información Nuclear del Instituto de Asuntos Nucleares, Colombia.
IAEA. (1967). Isotope and radiation techniques in soil physics and irrigation studies. Vienna. Austria
IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training Course Series Nº 2. Vienna, Austria.
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Determinação da densidade do solo: métodos convencionais,por atenuação e retroespalhamento de raios gama
vp
p
s
pS VV
m
V
m
solo de totalVolume
seco solo demassa
mp = massa de partículasVs = volume de soloVp = volume de partículasVv = volume de poros ou vazios
Aplicações:•Conversão da umidade a base de massa U em umidade
volumétrica •Estimativa da porosidade do solo conhecida a densidade de
partículas •Estimativa da massa de um grande volume de solo (no campo) •Avaliação do estado de compactação do solo
Métodos convencionais de medida da densidade
1) Anel (ou cilindro) volumétrico: vários sistemas de amostragem (preservação da estrutura natural do solo)
Vs = volume interno do anel (ou cilindro) amostrador
Secagem em estufa a 105 oC até massa constante
mp = massa de partículas
s
pS V
m
Condições ótimas de amostragem: umidade adequada * verificar o nível interno e externo do solo após introduçãodo amostrador (compactação) - estrutura do solo
2) Método da escavação:
•Retirada de um volume de solo por escavação•Secagem e pesagem do volume de solo extraído•Preenchimento da cavidade aberta com material (areia)
cuja densidade é conhecida, ou com água contida dentrode um balão de borracha que se amolde à cavidade
3) Método dos torrões:
• Retirada de torrões• Pesagem do torrão seco ao ar = massa de solo úmido (msu) • Impermeabilização com parafina ou outro material• Pesagem do torrão impermeabilizado: M1= (msu + mi)• Pesagem do torrão impermeabilizado mergulhado em água
M2= (msu + mi) - mad (msu + mi) - Vad (msu + mi) - (Vs+Vi)• Diferença de peso: M1- M2= (Vs+Vi) = volume do torrão parafinado• Determinação da massa e volume do material impermeabilizante
mi = M1- msu Vi = mi/i
• Determinação do volume de solo: Vs= (M1- M2)-(M1- msu)/ i
• Levar amostra do torrão para secagem em estufa até massa constante• Calcular a umidade U da amostra e a massa de água contida no torrão • Determinar a massa seca do torrão mp
Método por atenuação de feixe de raios gama
1) Radiação gama: onda eletromagnética produzida pelos núcleos excitados dos átomos após uma reação nuclear = emissão de energiapara atingir um nível de energia mínimo mais estável.
/segundo vibraçõesfrequencia
.6,624.10Planckdeconstante
)(. 27-
segergh
erghE
)(
/10.3 10
cm
segcmc
ondadeoCompriment
luzdavelocidade
)(
4,12
.
ΑngstronE(keV)
ch
E
Luz vizível =104A E = 0,00124 keV =1,24eV
Radiação gama =10-2A E = 1240 keV =1,24Mev
1eV= 1,602.10-19 j = 1,602. 10-12 erg
2) Principais interações dos raios gama com a matéria:
Fóton incidente
.hE
Átomo
Fotoelétron
A) Efeito fotoelétrico ou absorção fotoelétrica (gamas de baixa energia e alto número atômico Z do alvo)
B) Efeito Çompton ou espalhamento Compton (gamas de energias mais altas)
Fóton incidente
.hE
Átomo
Fóton espalhado
Elétron de recuo
.' hE
Quando 180o Backscattering (retroespalhamento)= máxima energia transferida ao elétron
C) Produção de par (gamas de energias E 1,02 MeV) (fóton é absorvido pelo núcleo e produz um par de elétrons )
Rái
o ga
ma
de a
niqu
ilaçã
o
e-
e+ +e-
Aniquilação
Rái
o ga
ma
de a
niqu
ilaçã
o
E=h.moc2=1,02MeV0,51Mev
0,51Mev
Sistema de feixe colimado de raios gamae tomógrafo computadorizado de raios gama
Computador
Fonte
DetetorNaI(Tl)
Pré-amplificador
Fonte de alimentaçãoAmplificadore analisador Contador
TemporizadorAmostra
• Descrição de cada componente:•colimação•sistema de detecção•fotomultiplicadora•analisador de pulsos e espectro
Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo
)60(][ 42
23793
24195 keVNpAm
T1/2 = 458 anos
T1/2 = 30 anos
Kev)6.661( + + -13756
13756
13755 BaBaCs
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
voltagem
Inte
nsi
dade
(cp
s)
Espectro do 137Csganho =100x
E 662Kev
0
1000
2000
3000
4000
5000
2 3 4 5 6 7
voltagem
Inte
nsi
dade
(cp
s)
Espectro do 241Amganho=800x
E 60Kev
Espectrometria gama
arararwwwppp xxxeII ......0
(cm) feixe pelo asatravessad
ar eágua de,partículas de espessuras ;;
)(g.cm solo doar do e
água da ,partículas das específicamassa ;;
soloar do eágua da ;partículas
dasmassa de atenuação de escoeficient ;;
)(fótons. emergente feixe do eintensidad
)(fótons. incidente feixe do eintensidad
arwp
3-
12
12
120
xxx
).g(cm
.scmI
.scmI
arwp
arwp
-
-
3) Atenuação de um feixe colimado de raios gama pelo solo:(Lei de Lambert-Beer)
x
Io I
Ioo Io
Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um soloúmido tem-se:
)(0
wspdXeII
XxAX
Ax
Xdx
AX
Axd
ww
p
sp
pps
.:portanto;.
.
:portanto;.
..
Como os coeficientes de atenuação (dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241Ame 137Cs, por exemplo, tem-se:
][exp )()()(0)( AmwsAmsAmAm dXII
][exp )()()(0)( CswsCssCsCs dXII
Para solo seco: spdXeII 0 Determinação da
densidade ds
Conhecidos ds , p ,w e X : Determinação de
)..(
)ln(.)ln(.
)()()()(
)(0
)()(0
)(
AmwCspCswAmp
AmCspCsAmp
XII
II
)..(
)ln()ln(
)()()()(
)(0
)()(0
)(
AmwCspCswAmp
CsAmwAmCsw
s XII
II
d
Resolvendo o sistema para ds e tem-se:
Determinação simultânea da umidade volumétricae densidade do solo
Espessura ótima da amostra
a) Diferença mínima detectável de densidade para cada energia:
ws
os
X
IX 2exp
1
b) Espessura ótima de solo para cada energia:
ws
x
2*
3g.cm 0,2 a 0,1 (Ferraz e Mansell, 1979)
Am do o para cm 10 *x
Cs do o para cm 2510 *x
gama) (método
(m
étod
o gr
avim
étri
co)
989,0
0234,10252,02
R
gamagrav (Ferraz e Mansell, 1979)
Determinação da densidade de torrões com formas irregulares
X
Io Ix
x = ?
Método dos “dois meios” torrões secos em estufa
Ioo IoX
Io I1x
X
Meio 1 = ar
arararppp xxo eII ....
1 .
arp xxx
p
sp
pppps
xdx
x
x
Ax
Axd
.
.
.
..
sp dxo eII ..
1 .
X
spmm dxxXo eII ...).(
2 .
spspmmmm dxdxxXI
I........ln
1
2
(1)
(2)
Desprezando-se aatenuação pelo ardo solo:
Recipiente vazio
Io I2xMeio auxiliar (m)
mmmm xXI
I ....ln1
2
)(.ln
....ln
2
1
2
1
xXI
I
xXI
I
mm
mmmm
mm
II
Xx .
ln2
1
(3)
Da equação (1) tem-se que:
sp
o
dII
x.
ln1
(4)
De (3) e (4) tem-se:
mmp
s
II
X
II
d
.
ln
ln
2
1
1
0 Conhecidos: m , m , p
X( interno do recipiente)
Tomógrafo de raios gama
ComputadorSistema movimentadorda amostra com rotação e translação
Io I
(Io = atenuação nula)
Io
Io
Atenuaçõesproporcionaisàs diferentesdensidades
Princípio da geração da imagem tomográfica
20
20
20
20 20
20
20 20
30
pixel
I100 100
40
40
30
100
100
30
4040
Io=100
Io=100voxel
Exemplos de imagens tomográficas(tomógrafo do CENA/USP)
Sondas gama - Transmissão e retroespalhamento
(fonte e detetor separados)
Detetor gamaFonte gama
Profundidade de medida
Fonte gama naposição z
Detetor gama
CCR
ABdsw
ln.
•Feixe não colimado: detetor receberaios transmitidos e espalhados•Geometria muda com a profundidade
Calibração empírica para cadaprofundidade de medida.
•Feixe não colimado: detetor receberaios transmitidos e espalhados•Geometria única para todas profund.
Densidade do solo úmido
0.5
1
1.5
22.5
3
3.5
4
1 1.5 2 2.5
CR (Count Ratio)
Den
sity
(g
.cm
-3) 5 cm
10 cm
15 cm
20 cm
25 cm
30 cm
CCR
ABdsw
ln.
Contagem padrão de densidade: 37426; data: 23/09/96Data de calibração: 23/09/96
Contagens em: Parâmetros da EquaçãoProf. 1,717
g/cm32,14
g/cm32,632g/cm3
A B C
5 137842 102072 70641 12,05662 1,62628 -0,493397,5 136354 98474 65574 12,87482 1,56126 -0,62528
10,0 127121 88344 57156 14,42408 1,2347 -0,1769112,5 113500 75368 46739 15,98036 1,03949 -0,0157615,0 97338 62090 36633 15,98228 0,95437 -0,0303717,5 80888 49047 27488 16,69699 0,83982 0,0108320,0 65356 37486 20262 18,38896 0,7177 0,0741222,5 51567 28224 14730 18,47506 0,64857 0,0761225,0 40144 21170 10764 17,44628 0,60277 0,0674327,5 30940 15776 8083 17,57011 0,54558 0,0758330,0 23728 11953 6165 14,97285 0,52603 0,06478
Nú
me
ro d
e fó
ton
s re
tro
esp
alh
ado
s
Densidade do material
Faixa útil
Profundidade de medida
Fonte gama
Detetor gama
CCR
ABdsw
ln.
Detetor recebe somenteraios retroespalhados
Calibração empirica com materiais dedensidades conhecidas
1) Sondas gama de superfície (fonte e detetor separados)
Sondas gama - por retroespalhamento
Densidade do solo úmido
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 1.5 2 2.5
CR (Count Ratio)
Den
sity
(g
.cm
-3)
BS AC
CCR
ABdsw
ln.
Contagem padrão de densidade: 37426; data: 23/09/96Data de calibração: 23/09/96
Contagens em: Parâmetros da EquaçãoProf. 1,717
g/cm32,14
g/cm32,632g/cm3
A B C
BS 27159 20136 14882 2,9637 1,03103 0,16876
Correção da densidade para solo seco
Profundidade de medida
Fonte nêutrons rápidos
Detetor nêutrons lentos
CRba .
1
1
s.T
sC
C.T
sN
N
padrãomeioumemcontagem de Taxa
solo no contagem de TaxaCR
swss dd
2) Sondas gama de profundidade (fonte e detetor juntos)
tubo de acesso
detetor gama
fonte gama
sistema eletrônico de contagem
nível do solo
blindagem
Pode estar associada a uma sonda de nêutrons para avaliação da umidade e correção da densidade parasolo seco sonda nêutrons/gama
Soil compaction bySoil compaction bytrucks duringtrucks duringsugarcane harvestsugarcane harvestoperationoperation