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Título: Quantificação de rádio em água pela técnica de fluorescência de raios X por reflexão total simulada por Monte Carlo
Título(s) alternativo(s): Quantification of radium in water by total reflection X-ray fluorescence technique simulated by Monte Carlo
Autor(es): Hermógenes, Gustavo
Orientador(es): Zambianchi Junior, Pedro
Palavras-chave: Fluorescência
Raios X
Água - Contaminação
Monte Carlo, Método de
Radioatividade - Medição
Radiação
Espalhamento (Física)
Fluorescence
X-rays
Water - Contamination
Monte Carlo method
Radioactivity - Measurement
Radiation
Scattering (Physics)
Data do documento: 19-Ago-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: HERMÓGENES, Gustavo. Quantificação de rádio em água pela técnica de fluorescência de raios X por reflexão total simulada por Monte Carlo. 2022. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: O rádio (Ra) é um elemento radioativo de ocorrência natural e sua dispersão no meio ambiente está ligada também a atividades de extração em indústrias como de minério e petróleo. Ao ser ingerido, por meio de água ou alimentos, o Ra tende a se acumular nos ossos, oferecendo maior risco de desenvolvimento de doenças degenerativas ligadas a exposição à radiação, como osteosarcomas. Devido ao potencial risco à saúde, entidades internacionais como a Organização Mundial da Saúde estabeleceram diretrizes sobre os níveis máximos de contaminação de Ra em água. As técnicas mais comuns para determinação destes níveis atingem alta sensibilidade e baixos limites de detecção, porém estão ligadas a métodos de preparação e medida altamente complexos e demorados. A fluorescência de raios X por reflexão total, do inglês Total Reflection X-ray Fluorescence (TXRF) é uma técnica espectroscópica de análise multi-elementar bem estabelecida para a determinação de elementos traço em variados tipos de amostras. O objetivo deste trabalho foi propor a aplicação desta técnica, utilizando tubos de raios X, para a determinação de Ra em água. O estudo foi desenvolvido por meio de simulações de Monte-Carlo, utilizando o software de transporte de partículas Monte Carlo N-Particle (MCNP). Um sistema de TXRF, equipado com tubo de raios X de molibdênio e detector SDD, foi então modelado e espectros de amostras contendo Ra, baseadas no material de referência certificado SRM4796, foram simulados. Uma medida experimental de TXRF, de uma amostra de água ultrapura, foi realizada para comparação com os espectros simulados. Gálio (Ga) foi utilizado como padrão interno nas simulações e no experimento. Os objetivos específicos deste trabalho foram avaliar a capacidade do MCNP em modelar e simular sistemas de TXRF e seu domínio de aplicação, construir uma curva de calibração de massa de Ra em relação ao Ga, e determinar os limites de detecção e quantificação de Ra do sistema simulado para avaliar as condições de aplicabilidade da técnica proposta. Os resultados mostraram que o sistema modelado no MCNP foi capaz de reproduzir características típicas de sistemas de TXRF, que as simulações reproduziram os dados experimentais para a amostra de água ultrapura, em relação ao padrão interno, e podem ser utilizadas para análises quantitativas de contagens líquidas de picos de fluorescência próximos. A curva de calibração foi obtida com base nas simulações de amostras padrão e foi capaz de recuperar a massa de uma amostra arbitrária simulada. Os limites de detecção e quantificação obtidos podem ser alcançados por sistemas equipados com tubos de raios X reportados na literatura. Para atingir as diretrizes internacionais, a evaporação foi explorada como método de pré-tratamento, e o tempo de aquisição também foi estudado para melhoria da técnica, de forma que os limites obtidos atingem as massas equivalentes às diretrizes estabelecidas para o radioisótopo de maior abundância natural, 226Ra. Portanto, as simulações mostraram que a técnica de TXRF, utilizando tubos de raios X, pode ser utilizada como uma checagem rápida e de rotina para a determinação de Ra em corpos d’água.
Abstract: Radium (Ra) is a naturally occurrent radioactive element and its dispersion on the environment is related also to extraction activities like in mining and oil industry. When ingested, by water or food, radium tends to accumulate in bones, increasing the risk in developing degenerative diseases associated with radiation exposure, like ostesarcomas. Due to its potencial hazardous effects to human health, international entities like World Health Organization established guidelines for the maximum contaminant levels of Ra in water. The current techniques for determination of these levels reach high sensitivity and low detection limits, but they are associated to highly complex and time consuming preparation and mesurement methods. Total Reflection X-ray Fluorescence (TXRF) Spectroscopy is a well stablished multi-elemental analysis technique for determination of trace elements in various types of samples. The purpose of this work was to propose the use of this technique, with X-ray tubes, for the determination of Ra in water. The study was carried out by Monte Carlo simulations, using the Monte Carlo N-Particle (MCNP) code. A TXRF sistem, equipped with a molybdenum X-ray tube and a SDD detector, was modelled and spectra of samples containing Ra, based on the standart reference material SRM4967A, were simulated. An experimental TXRF measurement of a ultra-pure water sample was performed for comparison with the simulated spectra. Gallium (Ga) was used as internal standart in the simulations and in the experiment. Specifically purposes in this work were to evaluate MCNP capability in modelling and simulating TXRF systems and its application domain, to obtain a Ra mass calibration curve in relation to Ga, and to determine Ra detection and quantification limits of the simulated sistem to evaluate the aplicability conditions of the proposed technique. According to the results, the system modelled with MCNP was able to reproduce typical TXRF systems characteristics, the simulations reproduced the experimental data for the ultra-pure water sample mesurement, regarding to the internal standart, and may be used for quantitative analysis relating to near fluorescence peaks’ net counts. The calibration curve was obtained based on the standart samples simulations and was able to recover the simulated arbitrary sample mass. The obtained detection and quantification limits can be achieved by current reported systems equipped with X-ray tubes. To attain international guidelines, evaporation as a pre-treatment method and the aquisition time were explored, hence the obtained limits reach the equivalent masses of the guidelines for the most naturally abundant radioisotope, 226Ra. Therefore, the simulations showthat TXRF technique, with X-ray tubes, may be used as a quick and routine check for detemination of Ra in water bodies.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29727
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