Caracterizacio´n de la Humedad en Suelo Franco a...

Caracterizacion de la Humedad en Suelo Franco

a Traves del Proceso de Termalizacion de

Neutrones

Andrea Abril Fajardo

Asesores:

PhD. Fernando Cristancho Mejıa 1

M.Sc. Juan Manuel Rodrıguez

Lınea de Profundizacion La Ensenanza de la Fısica y

la Relacion Fısica y Matematica

Universidad Pedagogica Nacional

Facultad de Ciencia y Tecnologıa

Departamento de Fısica

2010

1Universidad Nacional de Colombia

Indice general

Agradecimientos I

RAE III

Introduccion V

1. Fısica de Radiaciones y Suelos 1

1.1. El neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Fuente de Neutrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2.1. Fision Espontanea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.2. Fuente de 252 Cf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Deteccion de Neutrones Termicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1. Termalizacion de Neutrones . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.2. Seccion eficaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.3. Proceso de deteccion con un detector de 3He+Ar . . . . . 6

1.4. Fısica de Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4.1. El suelo y su composicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.2. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.3. Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.4. Movimiento de agua en el suelo . . . . . . . . . . . . . . . 11

2. Montaje experimental 15

2.1. Acerca del montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2. Diseno del montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.1. Configuracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.2. Sistema de deteccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.3. Muestras de suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.4. Adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3

4 INDICE GENERAL

2.3. Desarrollo del experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Resultados Experimentales 21

3.1. Aspectos preliminares al analisis de resultados . . . . . . . . . . . 21

3.2. Suelo saturado: arena y suelo franco arenoso . . . . . . . . . . . . 23

3.2.1. Arena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2.2. Suelo franco arenoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3. Suelo no saturado: suelo franco arcilloso . . . . . . . . . . . . . . 31

Conclusiones 35

Anexo A 37

Anexo B 41

En primer lugar quiero agradecer a mi Mami y mis Hermanitas;

por su apoyo sin horarios ni condiciones, por su carino y por estar

a mi lado cada uno de los dıas que duro este camino. A Rafael

Maldonado por creer en mi aun cuando nadie lo hacia, por su amor

sin lımites y por los miles de suenos que creamos juntos. A cada

uno de los miembros del Grupo de Fısica Nuclear de la Universidad

Nacional de Colombia por las ensenanzas, las mil preguntas

resueltas, los buenos momentos y el cafe. Al Profesor Fernando

Cristancho por abrirme las puertas de su grupo, por su gran

paciencia, por su tiempo y por la motivacion a continuar en el largo

camino de la investigacion. Al Profesor Juan Manuel Rodrıguez por

permitirme realizar esta investigacion. Al Profesor Diego Rodrıguez

por su ayuda y buenos consejos. Por ultimo a mis amigos Mauricio

Vargas por su sinceridad y Martha Campos por estar en los

momentos difıciles. A todos un millon de gracias.

i

ii AGRADECIMIENTOS

RAE

Tipo de documento: Trabajo de Grado-Pregrado.

Acceso al documento: Universidad Pedagogica Nacional.

Titulo del documento: Caracterizacion de la humedad en suelo franco a traves

del proceso de termalizacion de neutrones.

Autor: ABRIL FAJARDO, Andrea Johana.

Publicacion: Bogota, 2010, 46p.

Unidad Patrocinante: Universidad Pedagogica Nacional, Grupo de Fısica Nu-

clear UN.

Palabras Claves: Termalizacion de neutrones, Suelo, Humedad, Metodos nu-

cleares, Fısica nuclear aplicada, Diseno experimental.

Descripcion: Trabajo de grado que muestra un metodo experimental para la

deteccion de humedad en suelo franco, desarrollado a partir del proceso de

termalizacion de neutrones.

Contenidos: Este trabajo consta de 3 capıtulos. El primer capıtulo Fısica de

radiaciones y de suelos introduce al lector en el marco teorico del expe-

rimento realizado, dando los elementos para la compresion del proceso de

iii

iv RAE

interaccion neutron-materia y los aspectos necesarios de la fısica de sue-

los. El segundo capıtulo Diseno y construccion del montaje experimental

muestra la construccion del experimento acorde a las necesidades del obje-

tivo planteado. El capitulo tambien muestra los elementos utilizados en la

realizacion del montaje y describe las etapas de desarrollo del experimen-

to. El tercer capıtulo Resultados Experimentales muestra el producto de la

investigacion realizada relacionando los resultados experimentales con las

propiedades fısicas del suelo.

Metodologıa: En la elaboracion de este trabajo se sigue una ruta metodologica

que inicia con la planeacion del experimento enfocandose en la optimizacion

del montaje experimental para el cumplimiento del objetivo planteado. El

siguiente paso es el desarrollo del experimento, este se realiza en dos etapas

correspondientes a dos estados de humedad del suelo. Por ultimo se realiza

el analisis de los datos obtenidos llegando a la caracterizacion de la hume-

dad en tres diferentes tipos de suelo. El experimento se realizo gracias a

la colaboracion del Grupo de Fısica Nuclear de la Universidad Nacional de

Colombia.

Conclusiones: El metodo desarrollado es capaz de discriminar diferencias tan

pequenas como de un 20% de contenido de SiO2 de las muestras analizadas,

de otro lado al estudiar el comportamiento de la humedad en las muestras

de suelo analizadas se concluye que el contenido de SiO2 se relaciona con la

capacidad de retencion de agua de un suelo; siendo esta menor en uno con

alto contenido de SiO2.

Fecha de elaboracion del resumen: 23 de Mayo de 2010

Introduccion

El estudio de la radiacion nuclear ha permitido utilizar las aplicaciones de

la misma en diferentes campos; tales como la explotacion petrolera y minera, la

fısica-medica, la agricultura, la ingenierıa y la seguridad nacional. Dando rele-

vancia al estudio de los conceptos y procesos que estan presentes en el desarrollo

de los diferentes instrumentos utilizados en un campo particular de aplicacion.

Todas las aplicaciones han sido posibles por el estudio de la interaccion de la

radiacion con la materia, que ha realizado un largo recorrido desde la creacion de

instrumentos que permiten evidenciar la existencia de radiacion llegando a com-

prender las variables involucradas en la interaccion con la materia y los cambios

que esto provoca en la lectura de los sistemas de medicion, ademas las tecnicas

nucleares tiene por valor agregado, la no destruccion de las muestras a estudiar y

la relacion entre las propiedades de una partıcula o tipo de radiacion determinada

con su entorno.

Este trabajo se realiza con el fin de aportar a la divulgacion de la fısica nuclear

aplicada, contrarrestando la carencia en la implementacion de tecnicas nucleares

en nuestro paıs debido a que la ensenanza de la fısica nuclear aplicada ha sido

limitada al campo operacional, restringiendo el estudio investigativo de la radia-

cion en Colombia a algunas entidades entre las que se encuentra el INGEOMINAS

y el Grupo de Fısica Nuclear de la Universidad Nacional de Colombia, grupo que

permite la realizacion de este trabajo. El trabajo esta orientado a estudiantes de

Licenciatura en Fısica y Fısica o areas afines interesadas en desarrollar o perfeccio-

nar aplicaciones de la fısica nuclear. Se relacionaran los conceptos fundamentales

implicados en la interaccion neutron-materia con el montaje experimental desa-

rrollado, enfrentando al estudiante a situaciones reales que obligan la puesta en

practica del conocimiento teorico. De otro lado el trabajo implica una metodo-

logıa experimental, que desarrolla un proceso de varias etapas que entre sı guardan

coherencia y apuntan a un objetivo propuesto; en nuestro caso la caracterizacion

del suelo franco a traves del proceso de termalizacion de neutrones.

v

vi INTRODUCCION

La motivacion de este trabajo surge al revisar trabajos anteriores [1] [2] en

los que se han realizado investigaciones y tecnicas que buscan la deteccion de

minas plasticas antipersona y sustancias ilıcitas por medio de metodos nucleares.

En general los objetos buscados en estas investigaciones tienen en comun un alto

contenido organico, factor por el cual algunos de estos metodos se basan en el

proceso de termalizacion de neutrones que permite encontrar una relacion en-

tre el contenido organico o de hidrogeno del elemento a analizar y la intensidad

de radiacion detectada. En estas investigaciones se ha encontrado dificultad al

aplicarlas en medios que implican una situacion de deteccion real, como lo es

un objeto enterrado en el suelo; ya que este tiene alto contenido de elementos

organicos y eventualmente puede contener importantes porcentajes de humedad.

El experimento desarrollado surge a la necesidad de conocer cual es el comporta-

miento de la humedad en el suelo franco por medio de un sistema que comprende

una fuente de radiacion de neutrones y un arreglo de detectores de 3He.

El escrito se desarrolla en tres capıtulos, el primero Elementos de fısica de

radiaciones y de suelos pretende dar los elementos basicos para iniciar la cons-

truccion del experimento. Este capıtulo involucra la interaccion neutron-materia

dando relevancia al proceso de termalizacion de neutrones, su deteccion y los

elementos que hacen parte fundamental del montaje experimental como lo son la

fuente de neutrones y el detector. En el segundo capıtulo Diseno y construccion

del montaje experimental, se hace un recorrido por los aspectos tenidos en cuenta

en la planeacion y realizacion del experimento. El capitulo muestra con detalle

la configuracion, los elementos, el sistema de deteccion y de adquisicion de datos

utilizados en el experimento, con el fin de entender las condiciones del proceso

experimental y posteriormente relacionarlas con los resultados experimentales,

los cuales seran mostrados en el tercer capıtulo Resultados Experimentales. El

capıtulo final mostrara los resultados obtenidos de la investigacion realizada, y

concluira la investigacion relacionando las propiedades fısicas del suelo con los re-

sultados obtenidos, mostrando la relacion de la composicion del suelo y su hume-

dad con la cantidad de neutrones termicos detectados, mostrando que es posible

comprender el comportamiento de la humedad en el suelo franco, discriminando

la humedad de los componentes organicos propios del suelo.

Capıtulo 1

Elementos de Fısica de

Radiaciones y de Suelos

En este capıtulo se expondran aquellos elementos tanto teoricos como ex-

perimentales para analizar la interaccion del neutron con la materia, haciendo

evidente su naturaleza y caracterısticas como: su masa, carga electrica nula y

los rangos de energıa en que interactua con la materia. Al final del capıtulo se

tendran los elementos suficientes para abordar los experimentos realizados en este

trabajo.

1.1. El neutron

El neutron no siempre ha sido considerado una partıcula elemental, fue con

los experimentos realizados por Irene y Frederic Joliot-Curie que se empezaba a

vislumbrar su evidencia como partıcula elemental; pero fue Chadwick [3] quien

al repetir el experimento realizado por los Joliot-Curie llega a la evidencia de la

existencia de un neutron. Aunque si bien Chadwick fue quien llego en 1932 a la

interpretacion correcta. El estudio del neutron seguirıa un largo camino hacia el

entendimiento de la interaccion con la materia.

1.2. Fuente de Neutrones

Una fuente de neutrones por lo general es creada con isotopos artificiales

que emiten neutrones, ya que los isotopos naturales que pueden ser usados en

1

2 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS

laboratorio son escasos. Las fuentes de neutrones creadas en laboratorio se basan

en fision espontanea u otra reaccion nuclear [4] .

1.2.1. Fision Espontanea

Entendemos la fision espontanea como el proceso en el que el nucleo se de-

sintegra espontaneamente en varios productos, dentro de los que se encuentran

neutrones de alta energıa. La gran mayorıa de elementos transuranicos tienen

la probabilidad de decaer por fision espontanea produciendo neutrones rapidos

ademas de algunos rayos gamma.

1.2.2. Fuente de 252 Cf

El californio 252 es un isotopo radioactivo artificial. La fuente de neutrones

usada en este trabajo es una fuente de 252Cf, esta fuente es una de las fuentes

mas comunes, decae por emision alfa y fision espontanea. Para poder usar este

isotopo como fuente de neutrones se encapsula en un material suficientemente

denso, blindando la radiacion alfa y gamma dejando pasar neutrones de alta

energıa.

Figura 1.1: Diagrama Capsula, Fuente 252Cf

La tabla 1.1 muestra las caracterısticas tecnicas de esta fuente.

1.3. DETECCION DE NEUTRONES TERMICOS 3

vida media 2.64 anos

emision de neutrones 2.3 ×109 n/s por mg

energıa promedio 2 MeV

actividad 5× 105 n/s

Tabla 1.1: Caracterısticas de la fuente de 252Cf [5]

1.3. Deteccion de Neutrones Termicos

1.3.1. Termalizacion de Neutrones

La termalizacion de neutrones ha sido un proceso de gran importancia dentro

de las aplicaciones de la fısica de neutrones, tambien se le conoce como modera-

cion; ya que literalmente lo que ocurre durante el proceso es una moderacion de

la energıa del neutron por medio de colisiones con nucleos. Cuando un neutron

rapido (ver tabla 1.2) interactua con la materia puede ser dispersado o retro-

dispersado, en ambos casos elastica o inelasticamente perdiendo energıa hasta

llegar al equilibrio termico con los atomos circundantes. Cuando un neutron ob-

tiene esta energıa (aproximadamente 0.025 eV) puede ser capturado por otro

nucleo o hacer parte de alguna reaccion nuclear; como la captura radiocativa o la

fision nuclear[1]. Para tratar el problema de la deteccion de neutrones termicos

supondremos que el neutron tiene una energıa inicial del orden de los MeV, por lo

tanto el problema puede ser resuelto utilizando las leyes clasicas de conservacion.

Rapidos 200 keV-10 MeV

Intermedios 0.4 eV-200 kEV

Termicos 0.025 eV ≈ kT

Frıos ≈ meV

Ultra-Frıos ≈ µeV

Tabla 1.2: Clasificacion de los neutrones por energıa

Consideramos entonces una sola colision elastica entre un neutron y un nucleo

inicialmente en reposo, tomando como marco de referencia el sistema laboratorio

dondemn es la masa del neutron la cual para simplificar los calculos la tomaremos

como mn = 1, v0 su velocidad inicial y M la masa del nucleo en reposo la cual

tomaremos como el numero de masa atomica A (ver 1.2).


v0

M

V

θlab

m φlab

Figura 1.2: Sistema Laboratorio

Si hacemos la transformacion del sistema centro de masa al sistema laborato-

rio, la velocidad del neutron es [4]

vcm =A

A+ 1v0, (1.1)

y el nucleo toma una velocidad

V =1

A+ 1v0. (1.2)

Despues de la colision el neutron toma una nueva direccion, pero esta velo-

cidad es en el sistema centro de masa (figura 1.3). Hacemos la correspondiente

transformacion para determinar la velocidad del neutron en sistema laboratorio,

Mm

φcm

θcm

V

vcmvlab

Figura 1.3: Sistema Centro de Masa

(vlab)2 = (vcm)

2 + V 2− 2vcmV cos(π − θcm) (1.3)

(vlab)2 =

(vo)2

(A+ 1)2A2 + 1 + 2A cos(θcm)

(A+ 1)2(1.4)

donde θcm es el angulo de dispersion en el sistema centro de masa, a partir de

la ecuacion (1.4) podemos encontrar una relacion que nos da una medida de la


energıa final en terminos de la inicial, encontramos a partir de los valores maximos

del angulo los valores maximos y mınimos de la razon entre esta y la energıa inicial

[4],

E

E0

∣

∣

∣

max= 1,

E

E0

∣

∣

∣

min=

(A− 1)2

(A+ 1)2.

(1.5)

De la ecuacion 1.5 podemos deducir que para tener la maxima moderacion de

energıa la colision debe darse con un nucleo que tenga masa similar a la partıcula

incidente, ası la termalizacion de neutrones es mas eficiente cuando se usa como

material moderador uno que contenga nucleos livianos como por ejemplo el agua;

que contiene nucleos de hidrogeno o la parafina que esta conformada por cadenas

de carbono e hidrogeno.

1.3.2. Seccion eficaz

La seccion eficaz es un termino usual cuando nos referimos a sistemas que

involucran interacciones; en este caso nuestro sistema es un neutron interactuando

con la materia. La probabilidad de que esta interaccion se de depende tanto del

nucleo con el cual el neutron interactua como de la energıa de este, por ejemplo la

interaccion de un neutron termico es mucho mas probable que la absorcion de un

neutron con alta energıa. La probabilidad de que una reaccion particular ocurra

Area

Centrodispersor

Flujo

δx

Figura 1.4: Diagrama seccion eficaz

entre un neutron y un nucleo depende de la seccion eficaz (σ) del nucleo que es


el area efectiva de cada centro dispersor,

NAFσ =numero de reacciones

∆t, (1.6)

donde:

N numero de centros dispersores por unidad de area

A area del blanco (cubierta por el flujo)

F Flujo: numero de partıculas por unidad de area por unidad de tiempo

σ area efectiva de cada centro dispersor

La seccion eficaz se expresa en unidades de area, pero teniendo en cuenta que el

area efectiva de un nucleo es muy pequena se sugiere utilizar el barn.

1 barn = 10−24 cm2

A partir de la seccion eficaz, definimos la seccion eficaz diferencial ( dσdΩ) [6] que

es la probabilidad de que como resultado de una interaccion una partıcula sea

desviada hacia un elemento de superficie ds = r2dΩ centrada en (θ, φ), (figura

1.5).

Unidad de Area

Flujo

Blanco

dΩ

φ

θ

Figura 1.5: Esquema seccion eficaz diferencial: una fraccion de flujo es dispersada

en dΩ

1.3.3. Proceso de deteccion con un detector de 3He+Ar

El proceso de deteccion de neutrones termicos realizado a traves de un con-

tador proporcional de 3He+Ar, en general consiste en un material blanco en este


Catodo

Anodo

Senal

-V0

3He+Ar

n3He p

3H

Figura 1.6: Configuracion basica detector de neutrones

caso 3He + Ar, el cual al interactuar con el neutron produce una una partıcula

cargada y un ion facilmente detectables [7].

32He +

10n →

31H+ 1

1p (1.7)

La energıa de la reaccion de la ecuacion (1.7) es de 0.746 MeV, esta energıa

corresponde a la energıa cinetica de los productos de la reaccion (ver figura 1.6)

los cuales salen en direcciones opuestas:

E3H = 0.191 MeV Ep = 0.573 MeV. (1.8)

El detector consiste en un gas (3He+Ar) contenido en un cilindro, este esta a

una diferencia de potencial la cual crea un campo electrico dentro del cilindro.

Al incidir radiacion neutra como lo son los neutrones, los productos de la reac-

cion 3He(n, p)3H induciran la creacion de pares electron-ion. El campo electrico

producido por la diferencia de potencial en el gas conducira electrones hacia el

anodo y iones hacia el catodo, ası el numero de pares creados son proporcionales


a la radiacion depositada en el detector creando una senal. En la reaccion solo

se relaciona el 3He, aunque el detector tambien contiene Ar el cual aumenta la

densidad electronica en el detector aumentando la probabilidad de que ocurra la

reaccion 3He(n, p)3H, ademas la adicion de Ar disminuye el costo de fabricacion

del detector.

En la figura 1.7 se encuentra graficada la energıa en funcion de la seccion

eficaz total para las reacciones mas comunes usadas en la deteccion de neutrones,

encontramos que la reaccion producida por el 3He tiene la mayor seccion eficaz

en el rango de bajas energıa, lo cual lo hace una buena opcion en la deteccion de

neutrones termicos [7].

1

10

100

1000

10000

kT 10 −

810 −

710 −

610 −

510 −

410 −

310 −

21

Seccion

Eficaz(barns)

Energıa (MeV)

3He6Li10B

Figura 1.7: Seccion eficaz total para 3He, 6Li y 10B [8]

1.4. Fısica de Suelos

A continuacion se expondran de forma general algunas propiedades y carac-

terısticas del suelo, que seran de gran importancia en la comprension del proceso

de deteccion de humedad en el suelo.

1.4. FISICA DE SUELOS 9

1.4.1. El suelo y su composicion

El estudio del suelo es realizado por dos principales ramas; la edafologıa en-

cargada de estudiar el suelo para aprovechamiento agrıcola y la pedologıa la cual

relaciona el suelo con su ambiente natural tal como su morfologıa, clasificacion y

composicion y tiene un caracter multidisciplinario, en el cual intervienen ciencias

como la fısica, la quımica y la geologıa. En el caso de este experimento estudia-

remos las propiedades fısicas del suelo por lo tanto definimos el suelo atendiendo

a sus propiedades fısicas. El suelo es un sistema granular conformado por tres

diferentes fases; la fase lıquida por lo general es agua la cual sirve como medio de

transporte de los minerales contenidos en la parte solida del suelo, la fase solida

es la parte aparente del suelo donde se encuentra contenido organico y/o mineral

y la fase gaseosa compuesta principalmente por aire [9]. El espacio entre cada

partıcula es llamado espacio poroso y es donde ocurren todos los fenomenos de

transporte e intercambio por lo tanto es nuestra zona de interes.

Fase Gaseosa

Espacio Poroso

Fase solida

Fase lıquida

Figura 1.8: Estructura fısica del suelo

1.4.2. Clasificacion

La clasificacion del suelo se puede realizar desde diferentes sistemas segun

el uso que se le quiera dar al suelo. Por lo general los sistemas de clasificacion

se basan en criterios de productividad agrıcola y en su nivel de evolucion. El

suelo tambien puede ser clasificado de acuerdo a su textura es decir de acuer-

do al tamano de sus partıculas. En general en el suelo podemos encontrar tres

componentes: arena, arcilla y limo; cada uno de ellos tiene un tamano de grano

determinado (ver tabla 1.3). La clasificacion por textura del suelo determina en


que porcentaje se encuentra en el suelo cada uno de estos componentes (distribu-

cion de textura). La distribucion del tamano de las partıculas es la que finalmente

Componente Diametro del Grano (mm)

Arena 0.05-2.0

Limo 0.05-0.002

Arcilla ≤ 0.002

Tabla 1.3: Clasificacion de los principales componentes del suelo segun su tamano

de grano

clasifica a un suelo. Para conocer esta distribucion es posible utilizar diferentes

metodos entre los cuales se encuentra el metodo de las pipetas, la prueba de Bou-

yucous [9], o una prueba de tacto muy utilizada en campo. Una vez se conoce la

distribucion de tamano de las partıculas es posible clasificar el suelo de acuerdo

al triangulo de texturas.[10] El triangulo de texturas indica que la suma del con-

Figura 1.9: Triangulo de distribucion de texturas [11]

tenido gravimetrico de los componentes del suelo determina la textura promedio,

de forma tal que para cada porcentaje de arena, limo y arcilla se dibuja una linea

recta paralela al eje correspondiente, al intersectarse tres rectas se determina la


textura de la muestra. El triangulo de distribucion de texturas es el paso final

despues de determinar el porcentaje de cada componente del suelo. Cada compo-

nente se ubica en el triangulo de acuerdo al porcentaje presente en la muestra,

de acuerdo a los siguientes pasos:

1. Ubique el porcentaje de arena y trace una linea paralela al eje que corres-

ponde a limo.

2. Ubique el porcentaje de arcilla y trace una linea paralela al eje correspon-

diente a la arena.

3. Ubique el porcentaje de limo y trace una linea recta paralela al eje corres-

pondiente a la arcilla.

4. Determine el punto en el cual se intersectan las rectas; este punto corres-

ponde a la textura del suelo analizado.

En el trabajo realizado se tienen suelos con texturas: Sand (Arena), Sandy loam

(franco arenosa) y Clay loam (franco arcillosa).

1.4.3. Humedad

La humedad en suelo o contenido de agua en el suelo se define como la cantidad

de agua presente en un volumen determinado de suelo. La humedad (θ) se puede

determinar de dos diferentes maneras, realizando la relacion del contenido de agua

a traves del volumen (volumetrica),

θv =volumen de agua

volumen aparente del suelo=

masa de aguadensidad del agua

volumen de la muestra, (1.9)

o de la masa (gravimetrica),

θgr =masa de agua

masa de suelo seco=

masa del suelo humedo - masa del suelo secado al horno

masa de suelo secado al horno(1.10)

En general la humedad se da en terminos de porcentajes. En este trabajo la

humedad se dara en terminos de la humedad gravimetrica [9].

1.4.4. Movimiento de agua en el suelo

El movimiento de agua en el suelo depende de la humedad que este presente

en el suelo. Teniendo en cuenta que el agua se desplaza entre el espacio poroso


del suelo se debe definir la humedad de saturacion θs que es la humedad para la

cual se encuentran todos los poros llenos de agua y por lo tanto no hay espacio

poroso vacio. En terminos de la humedad de saturacion se pueden encontrar tres

importantes zonas en el suelo, la zona no saturada, el nivel freatico y la zona

saturada. El movimiento de agua en el suelo es diferente dependiendo en la zona

Superficie

Zona no saturada

Nivel freatico

Zona saturada

Figura 1.10: Zona saturada y no saturada del suelo

en la que se encuentre ya que en la zona no saturada el flujo es principalmente

vertical pues se puede desplazar facilmente entre el espacio poroso, y en la zona

saturada el movimiento de agua es preponderantemente horizontal.

Humedad en suelo saturado

La humedad en suelo saturado se puede estudiar desde el punto de vista

microscopico o macroscopico. De forma microscopica el movimiento de agua se

relaciona a traves de la ecuacion de Poiseuille[9] y de forma macroscopica se

relaciona a traves de la ley de Darcy la cual es la descripcion mas adecuada

en la caracterizacion de suelos. La ley de Darcy indica que el flujo de agua es

proporcional a la constante de conductividad hidraulica para suelo saturado Ks

que depende del tipo de suelo, y a al gradiente hidraulico ∇H que depende del

ancho de la muestra [10].

J = Ks∇H. (1.11)

Algunas consecuencias importantes de la ley de Darcy se relacionan con el

balance hıdrico ya que se asume que para un flujo estable se debe conservar la

masa entre los puntos en los que se evalua el flujo (∇2H = 0), y para un flujo

inestable en el que se presenta retencion de agua el agua que fluye hacia y desde

un punto dado debe ser igual a la acumulacion o perdida de agua en el punto,

∇ · (Ks∇H) = Ss

δH

δt, (1.12)

donde Ss es la capacidad especifica de almacenamiento en el tiempo [9].


Humedad en suelo no saturado

El movimiento del agua en la zona no saturada (entre los poros hay aire y

fluido) es de forma vertical y se puede entender como una ecuacion de difusion

del liquido en el medio, esta ecuacion es llamada la ecuacion de Richard [9],

∂θ

∂t= D(θ)

∂2θ

∂z2+

∂θ∂z

∂

∂zD(θ) +

∂

∂zK(θ)− l, (1.13)

donde θ es el contenido relativo de agua en suelo; limitado por la saturacion del

terreno θs y θr el contenido del agua residual en el terreno.D(θ) es el coeficiente de

difusion, y K(θ) es el parametro de reflexion del flujo de agua en el terreno, el cual

depende de la permeabilidad intrınseca del suelo y de la humedad. La ecuacion

de Richard puede ser solucionada mediante metodos numericos, encontrando los

valores de conductividad y difusion hidraulica en funcion de la humedad [12].

Capıtulo 2

Diseno y construccion del

montaje experimental

En este capıtulo expondre la construccion y desarrollo del montaje experimen-

tal, basado en las necesidades propias del objetivo planteado; la caracterizacion

de la humedad en el suelo franco a traves del proceso de termalizacion de neu-

trones. Encontraremos que para el diseno del experimento se tuvieron en cuenta

diferentes factores como la busqueda de materiales adecuados, la textura del suelo

a analizar y el tiempo de ejecucion del experimento respecto a la conductividad

hidraulica del suelo.

2.1. Acerca del montaje

El montaje experimental se realiza con el fin de encontrar una relacion entre

la cantidad de agua (ver ecuacion 1.10) en una muestra de suelo franco, con la

cantidad de neutrones termicos detectados, en funcion de la altura y del tiempo.

Para este fin se utiliza un montaje experimental tipo columna en el cual se usa una

fuente de neutrones ligada a un arreglo de detectores, este montaje experimental

se basa en un montaje realizado en la Universidad de Ceara (Brasil) [14] con

el fin de examinar el flujo de agua en muestras de lodos de rellenos sanitarios,

relacionando el flujo de agua con el transporte de contaminantes.

15

16 CAPITULO 2. MONTAJE EXPERIMENTAL

2.2. Diseno del montaje

2.2.1. Configuracion

Teniendo en cuenta que se evaluara el flujo de agua en funcion de la altura

consideramos que en la construccion del montaje es importante que la muestra

de suelo sea depositada en un contenedor de dimensiones convenientes. Para este

fin se utiliza un tubo de PVC (policloruro de vinilo) con dimensiones Ø10 cm×2

m, en el cual se utilizara un volumen de 14900 cm3 los cuales corresponden a 190

cm de la columna de PVC. Esta configuracion permite tener como parametro fijo

el volumen de las muestras, las cuales no seran compactadas. La ubicacion de la

columna dentro del laboratorio se determina teniendo en cuenta que el camino

libre medio de un neutron en aire es de aproximadamente un metro, por lo tanto

el montaje experimental se aisla en un radio de un metro para evitar obtener

cuentas por retrodispersion de otros elementos del laboratorio.

b)

a)

1m

190cm

10 cm

Figura 2.1: a) Delimitacion alrededor del montaje experimental. b) Columna PVC

y estructura de aluminio

2.2.2. Sistema de deteccion

El sistema de deteccion se planea teniendo en cuenta que se mediran los neu-

trones termalizados directamente por el suelo, de modo que la columna de suelo

de ubica en medio del la fuente de neutrones y el arreglo de detectores los cua-

les deben estar diametralmente opuestos y rıgidamente ligados (ver figura 2.2).

Este sistema fuente-detectores (252Cf-3He), es movil a lo largo de la columna,

2.2. DISENO DEL MONTAJE 17

Detectores

Fuente

Sistema de deteccion

Piso

Estructura

Columna PVC

Columna

Figura 2.2: Esquema sistema de deteccion

permitiendo escanear la columna en diferentes posiciones de altura; cada 20 cm

partiendo desde la posicion 190 cm hasta la posicion 10 cm. Para movilizar el

sistema se cuenta con una estructura en aluminio en la cual se desplaza el arreglo

(ver figura 2.1). La tabla 2.1 muestra las dimensiones de los elementos utilizados

en el montaje.

Espesor tubo de PVC 1 mm

Espesor aluminio 1.3 mm

Distancia entre la fuente y el arreglo de detectores 12 cm

Distancia entre la fuente y el tubo de PVC 2 cm

Distancia entre el arreglo de detectores y el tubo de PVC 2 cm

Dimensiones tubo de PVC Ø10 cm×2 m

Dimensiones cada uno de los detectores Ø2.4 cm×19.9 cm

Dimensiones de la fuente Ø2.1 cm×6.1 cm

Tabla 2.1: Dimensiones de los elementos del montaje experimental.

2.2.3. Muestras de suelo

El experimento se realizo con tres diferentes tipos de suelo: arena, suelo franco

arenoso y suelo franco arcilloso, los suelos francos corresponden respectivamente


a un suelo no preparado tomado del campus de la Universidad Nacional de Co-

lombia, del cual no se tiene previo conocimiento de sus componentes y un suelo

apto para jardinerıa sin fertilizantes o componentes organicos adicionales al cual

se le ha realizado un analisis por fluorescencia de rayos X, el cual nos permite

conocer sus componentes. Las muestras de suelo se preparan homogeneamente a

una humedad determinada, que corresponde al punto de saturacion para el suelo

franco arenoso (θs = 29%) y la arena (θs = 16%), y a una humedad del 15%

para el suelo franco arcilloso. Las humedades se determinan con el fin de estudiar

el comportamiento de la humedad en los estados de saturacion y no saturacion

de suelo. Un factor importante en la realizacion del experimento es la densidad

del suelo ya que la seccion eficaz de termalizacion tambien depende del nume-

ro de centros dispersores [12]. Las densidades humeda y seca de las muestras se

encuentra relacionada en la Tabla 2.2.

suelo ρ seca (g/cm3) ρ humeda (g/cm3)

arena 1.2 1.4

franco arenoso 0.89 1.0

franco arcilloso 0.73 0.76

Tabla 2.2: Densidad muestras de suelo

2.2.4. Adquisicion de datos

La adquisicion de datos se realiza mediante un modulo amplificador (MPSD-

8) (ver figura 2.3), al cual se conectan los tubos de 3He y un dispositivo de

procesamiento de datos con salida Ethernet (MCPD-2). El modulo MCPD-2 se

conecta al computador por medio de la salida Ethernet, y los datos son adquiridos

mediante el softwaremesydaq, el cual organiza los pulsos en forma de histograma,y

permite controlar parametros de ganancia y threshold [15].

2.3. Desarrollo del experimento

Previo a la adquisicion de datos se deben preparar las muestras de suelo a ana-

lizar y disponerlas en el volumen de la columna. Las preparacion de las muestras

inicia con una prueba de campo para determinar su textura, lo cual posterior-

mente sera de gran utilidad en la relacion de las caracterısticas del movimiento de

2.3. DESARROLLO DEL EXPERIMENTO 19

Procesamiento de datosModulo

Entrada Detectores

Modulo Amplificador

Entrada Alto Voltaje

Coneccion amplificador

Fuente de Voltaje

Salida Ethernet al computador

Figura 2.3: Modulos de deteccion (Mesyteq)

agua en el suelo con los resultados obtenidos. A partir de la textura del suelo, los

metodos cualitativos determinan la humedad de saturacion de una muestra dada;

conociendo la humedad de saturacion se puede elegir la humedad a la cual se

prepararan las muestras teniendo en cuenta que el experimento se quiere realizar

a humedad de saturacion y en algun punto dado de no saturacion. Para preparar

el suelo que se deposita en la columna, se determina en una muestra del suelo de

500 g la densidad seca y en el punto de humedad elegido. La densidad se toma con

la muestra suelta ya que no se compacta. Esta medida de densidad se utiliza para

determinar la masa del suelo a depositar en la columna. Se debe garantizar que

el volumen sea el mismo, ya que de estar la muestra compactada aumentara el

numero de centros dispersores.

Al determinar la masa de suelo que sera agregada a la columna se separa la

muestra en 5 partes iguales para agregar el agua que nos dara el punto de humedad

deseado. Cabe aclarar que la muestra previamente se ha secado al aire. Una vez

el suelo se encuentra a una humedad homogenea se deposita en la columna e

inmediatamente se inicia la primera medida. Las medidas inician desde la parte

superior de la columna siendo esta la posicion 190 cm y descienden hasta la

posicion 10 cm, realizando medidas cada 20 cm. La distancia a la cual se toman

las medidas se elige para favorecer la resolucion espacial de los detectores teniendo

en cuenta que la fuente no es colimada y emite isotopicamente; por lo tanto existe

la probabilidad que no solo se detecten neutrones termicos por transmision sino

por retrodispersion del suelo circundante a la posicion en la cual se toma la


medida. El experimento se realizo en intervalos de tiempo diferentes para cada

tipo de suelo. La primera fase del experimento se realizo a humedad de saturacion

con un tiempo de ejecucion de 20 horas para el suelo franco arenoso, realizando

medidas cada 4 horas aproximadamente. La medicion realizada a la arena tiene

un tiempo de ejecucion de 2 dıas en la cual se realizaron medidas cada 2 horas

aproximadamente; en cada posicion se realizan 2 mediciones con una tiempo

de adquisicion de 1 minuto. La segunda fase el experimento tiene un tiempo de

ejecucion de un mes, tomando 2 medidas por semana aproximadamente, las cuales

cada una tienen un tiempo de adquisicion de 5 minutos por posicion.

Capıtulo 3

Resultados Experimentales

Este capıtulo muestra los resultados obtenidos de los analisis realizados a

los diferentes tipos de suelo. El capıtulo se divide en tres partes, la primera

muestra los aspectos preliminares y consideraciones para el adecuado tratamiento

de los datos obtenidos. La segunda corresponde al analisis realizado a los suelos

en estado de saturacion, mostrando que la realizacion del experimento en este

estado de humedad nos permite conocer diferentes aspectos que seran de gran

importancia en la realizacion del experimento a humedad de no saturacion, ya

que se corrigen aspectos en configuracion del montaje, el tiempo de medida y de

ejecucion del experimento. La ultima parte muestra los resultados obtenidos para

suelo franco no saturado, los cuales son relacionados con las predicciones teoricas

y la composicion del suelo.

3.1. Aspectos preliminares al analisis de resul-

tados

Los datos experimentales siempre tienen asociada una incertidumbre, por lo

tanto es importante hacer explıcita la incertidumbre asociada al resultado de

la medicion. Es muy usual que se presenten alteraciones en la configuracion de

los aparatos de medida. Estas alteraciones, de no ser determinadas y corregidas,

conducen a un analisis erroneo de los datos, adjudicando como resultado valores

que no pertenecen al sistema analizado sino a variables que se salen del control

del investigador. En el experimento realizado se encontro que debido a variaciones

en el voltaje de operacion de los detectores, se presentaba un aumento en el ruido

electronico y un corrimiento del pico termico. Para realizar un analisis confiable

21

22 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES

de los datos obtenidos se decidio realinear los picos termicos, con el fin de evaluar

la cantidad de cuentas aportadas a la distribucion por las fluctuaciones de voltaje

y tomar unicamente las cuentas debidas a termalizacion de neutrones.

0 10 20 30 40 50 60 700

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Canal0 10 20 30 40 50 60 70

Cue

ntas

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Figura 3.1: Espectro de neutrones, picos termicos desalineados

En la figura 3.1, se encuentra graficado el espectro de la posicion 10 cm para

cada una de las tomas de datos realizadas. Se toma el espectro de esta posicion

teniendo en cuenta que se ha verificado que el comportamiento de todos los espec-

tros de cualquier toma de datos se comportan de la misma manera, por lo tanto

el espectro es representativa de esa medicion. Podemos observar que los picos

termicos no comparten el mismo valor medio, esto se debe a fluctuaciones en el

voltaje, de otro lado algunos presentan hacia el canal 10 un aumento de cuentas;

estas cuentas son asociadas a variaciones en la ganancia del detector. Cuando se

obtienen espectros de esta forma es difıcil decidir que region del espectro inicia

el pico termico, de la misma manera es difıcil determinar la region perteneciente

a fluctuaciones; por lo tanto se decide alinear los picos al valor medio promedio

σ = 44 entre todos los picos (ver 3.2).

El la figura 3.2, podemos ver que al alinear los picos termicos se puede decidir

facilmente que region del espectro se tomara como cuentas asociadas a termali-

zacion de neutrones, eliminando las fluctuaciones producidas por las variaciones

de voltaje y ganancia.

3.2. SUELO SATURADO: ARENA Y SUELO FRANCO ARENOSO 23

Canal0 10 20 30 40 50 60 70

Cue

ntas

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

rmicoePico T

FluctuacionesCanales tomados (30-50)

Figura 3.2: Estructura del espectro de neutrones, picos termicos alineados

3.2. Suelo saturado: arena y suelo franco areno-

so

La primera propuesta experimental para la determinacion de humedad en

suelo fue realizada con arena [12], ya que su composicion quımica es conocida

(aproximadamente 95% SiO2). Esto nos indica que no se va a producir termali-

zacion por los elementos organicos del suelo excepto por el contenido de oxıgeno

y es una buena aproximacion para conocer como es el movimiento de agua en el

suelo. El objetivo es conocer como es el flujo de agua en suelo franco, el cual es

un sistema mucho mas complejo si tenemos en cuenta que ademas de minerales

tenemos elementos organicos y su distribucion de textura aumenta la capacidad

de retencion de agua.

El primer punto a evaluar al realizar el analisis de datos, es observar como es

la interaccion de los neutrones con el montaje experimental: la columna de PVC

y la estructura de aluminio. Al conocer esta interaccion podemos determinar el

aumento de cuentas debido solamente al suelo depositado en la columna.

En la figura 3.3, podemos observar que la arena seca termaliza en mayor

medida que el suelo franco y que la columna, sin embargo cabe aclarar que este

aumento se puede dar debido a que la toma de datos para la arena seca fue


Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

Arena seca

Franco arenoso seco

Columna vacia

Figura 3.3: Comparacion s.f.ae y arena secos con la columna vacıa

realizada [12] con un modulo diferente de deteccion, lo cual hace que la medida

no sea comparativa. Tambien a traves del grafico podemos notar que entre el

suelo franco y la columna no existen grandes diferencias. Adicionalmente podemos

observar que aproximadamente hasta los 120 cm de altura se presenta un aumento

de cuentas que no se espera que se presente ya que se asume que el sistema

estudiado es un sistema homogeneo; la razon de este aumento de cuentas se debe a

que tambien se estan detectando neutrones retrodispersados por el piso. Esto es de

gran importancia para evitar asociar este aumento de cuentas al comportamiento

de la humedad en funcion de la posicion.

3.2.1. Arena

Para la determinacion de la humedad en arena en el punto de saturacion se

ha elegido una humedad del 16% (ver figura 3.4). Al escanear la columna en

las diferentes posiciones se nota que el efecto de retrodispersion del piso da un

aumento de cuentas en las posiciones cercanas al piso. Este aumento de cuentas

no permite observar si existen variaciones en la humedad en estas posiciones. Para

poder observar las variaciones se ha sustraıdo el efecto de las cuentas debidas a


la columna vacıa (fondo) a las obtenidas por la columna con arena humeda en

cada posicion, por lo tanto en la figura 3.5 se puede observar el comportamiento

unicamente de la arena humeda en cada punto de medicion para 3 dıas. El numero

de deteccion disminuye para alturas mayores a 80 cm, esto se debe a que el

sistema es capaz de detectar neutrones retrodipersados aproximadamente hasta

esta altura.

Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000=16% θArena con

Dia 1

Dia 2

Dia 3

Figura 3.4: Comportamiento de la arena con θ = 16% sin sustraer el fondo

Al observar el comportamiento de la humedad en funcion de la altura en la

figura 3.5, es conveniente dividir la columna en dos regiones; la parte inferior

desde 10 cm hasta 110 cm y la parte superior de 110 cm hasta 190 cm. Se pueden

notar los siguientes comportamientos:

Humedad La humedad es mas alta en la region inferior que en la region supe-

rior de la columna debido a que el potencial gravitacional afecta la humedad

presentandose gran acumulacion de fluido. Teniendo en cuenta que la co-

lumna no se encuentra drenando por lo tanto el fluido tiende a acumularse,

mientras que en la parte alta de la columna el fluido se desplaza hacia la

parte inferior, ademas de presentarse evaporacion y secado. El comporta-

miento temporal de la humedad muestra las posiciones entre 110 y 190 cm

θ disminuye con el tiempo, mientras para las posiciones entre 30 cm y 110

cm θ(t) no es una funcion monotona. Observando el comportamiento es-


Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

50

100

150

200

250

300

350

400

=16% sin fondo θArena con

Dia 1

Dia 2

Dia 3

Figura 3.5: Cuentas en funcion de la altura sin fondo: arena θi = 16%

pacial de la humedad notamos que para las posiciones entre 110 cm y 190

cm la humedad en funcion de la altura es decreciente, mientras que para

las posiciones entre 30 cm y 110 cm la humedad en funcion de la altura es

creciente.

Intercambio Se puede observar que se presentan aumentos repentinos de la

humedad a lo largo de toda la columna, esto se debe a que se esta presen-

tando intercambio de humedad. El agua tiende a fluir hacia la parte inferior

hasta acumularse en la posicion 150 cm aproximadamente, en los puntos si-

guientes se puede observar que se da un decrecimiento de la humedad pero

nuevamente se presenta una acumulacion de fluido aproximadamente en la

posicion 70 cm, la humedad decrece en las posiciones siguientes hacia el

inferior de la columna. En general los que observamos es que estos pun-

tos donde se presenta acumulacion, son puntos intercambio de flujo en los

cuales aumenta la humedad debido al potencial gravitacional, en los puntos

siguientes la humedad disminuye nuevamente debido a que se ha excedido la

capacidad de retencion de agua en este punto obligando al fluido acumulado

a desplazarse hacia abajo.

Homogeneidad En la realizacion del experimento se asume que la intensidad


de transmision es proporcional a la humedad, por lo tanto las medidas del

primer dıa deberıan reflejar una linea constante, sin embargo no es ası lo

que nos muestra que el suelo que esta dentro de la columna no tiene densi-

dad incial homogenea. Aunque las muestras a analizar son cuidadosamente

preparadas, no se puede garantizar la homogeneidad del suelo al deposi-

tarlo en la columna ya que no se puede limitar la dinamica del suelo y los

parametros de compactacion afectan el numero de centros dispersores en la

muestra.

Al evaluar la humedad en funcion del tiempo encontramos que el comporta-

miento de la humedad y los puntos de intercambio anteriormente descritos tam-

bien se pueden evidenciar como una funcion del tiempo. En la figura 3.6 tenemos

diferentes regiones de la columna, en las cuales podemos observar la variacion de

cuentas en el tiempo. En general podemos observar que en funcion del tiempo

Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30

Cue

ntas

50

100

150

200

250

300190 cm

170 cm

Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30

Cue

ntas

200

250

300

350

400 110 cm

150 cm

Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30

Cue

ntas

250

300

350

400

70 cm

50 cm

Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30

Cue

ntas

100

200

300

400190 cm

50 cm

Figura 3.6: Comportamiento de la humedad en funcion del tiempo de arena con

θ = 16%, para diferentes puntos de la columna

la humedad disminuye en los diferentes puntos de la columna. En la curva co-

rrespondiente a la posicion 70 cm observamos que en el tiempo las fluctuaciones

son muy grandes pero en la ultima medida realizada se nota que no existe una

variacion de humedad respecto a la primera medicion, mientras que en la curva


correspondiente a la posicion 110 cm aunque se ha denominado un punto de in-

tercambio la humedad final respecto a la inicial es menor, lo que indica que los

puntos de intercambio tienden a mantener una humedad constante determinada

por la capacidad de retencion de agua de cada suelo. Tambien podemos ver la

comparacion entre los puntos extremos de la columna (50 cm y 190 cm), notamos

que se conserva la relacion de balance hıdrico entre la humedad perdida en la

posicion 190 cm y el aumento de humedad en la posicion 50 cm; lo que indica que

en efecto a lo largo de la columna se esta presentando un intercambio de fluido.

3.2.2. Suelo franco arenoso

El suelo franco arenoso (s.f.ae) es una buena aproximacion al suelo franco pues

aunque su contenido de materia organica no es alto, se diferencia respecto a la

arena en la capacidad de retencion de agua, consecuencia de lo cual es responsa-

ble el contenido de arcilla. De otro lado resulta ser un buen ejercicio analizar la

humedad de un suelo del cual no se tiene mayor informacion, ya que este suelo es

tomado del campus de la Universidad Nacional de Colombia1 y la unica informa-

cion de sus componentes nos la da la prueba de campo realizada para determinar

su textura. Para el s.f.ae se ha tomado una medida previa con el suelo seco (ver

figura 3.3), esta medida le llamaremos fondo. Ya que como lo hacıamos en el caso

de la arena al eliminar las cuentas asociadas a la columna, en este caso se eliminan

las cuentas asociadas a la columna con s.f.ae seco de las medidas realizas con el

suelo humedo, de modo que el analisis deberıa mostrar unicamente los cambios en

la humedad, ademas de eliminar el efecto de retrodispersion del piso. En la figura

3.7 podemos ver nuevamente el aumento de cuentas en las posiciones cercanas al

piso. Una vez se ha eliminado el fondo se observa que la humedad aumenta hacia

las posiciones cercanas al suelo. Sin embargo aumenta de forma mas uniforme

que el caso de la arena en cual notabamos puntos de intercambio de humedad.

En el s.f.ae se pueden notar los siguientes comportamientos:

Humedad La humedad en funcion de la altura disminuye, lo que indica que se

observa nuevamente el aumento de humedad hacia las posiciones cercanas

al piso debido al potencial gravitacional, en contraste con las mediciones

realizadas a la arena, no se encuentran puntos de intercambio significativos

lo cual es consecuencia de la capacidad de retencion de agua del s.f.ae. El

s.f.ae debido a su contenido de arcilla y la presencia de materia organica

1Sede Bogota


Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

=29%θS.f.ae con

0 h

16 h

Figura 3.7: Variacion de la humedad en funcion de la altura para s.f.ae θ = 29%

Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500=29%θs.f.ae sin fondo,

0 h

16 h

Figura 3.8: La variacion de la humedad en s.f.ae θ = 29% es mas notoria al

sustraer el efecto del suelo


presenta una distribucion de partıculas que le permiten retener mas agua

que la arena, el espacio poroso es mucho mas grande que en la arena siendo

esta la razon por la cual el intercambio de fluido no es muy notorio. Sin em-

bargo se puede determinar como punto de intercambio la posicion alrededor

de 90 cm, en la cual se da un aumento de cuentas y nuevamente pasa a un

estado de humedad homogenea en las posiciones siguientes en direccion al

piso.

Flujo de agua Al observar la figura 3.9 se puede decir que en el s.f.ae no se

presenta flujo de agua ya que en general lo que se observa en las diferen-

tes posiciones es una relacion constante de cuentas. Aunque se presentan

fluctuaciones, el numero de cuentas en el estado inicial es aproximadamente

igual en el estado final para todas las posiciones; por ejemplo en los extre-

mos de la columna es evidente que la humedad es constante en el tiempo.

En puntos 70 y 90 cm sı se presentan variaciones, estos puntos son los que

denominamos de intercambio. En estos puntos se ha presentado una acumu-

lacion de fluido la cual en el rango de tiempo de realizacion del experimento

no se ha desplazado a las posiciones inferiores de la columna.

Tiempo (h)0 5 10 15 20

Cue

ntas

800

900

1000

1100

1200

1300190 cm170 cm150 cm

Tiempo (h)0 5 10 15 20

Cue

ntas

1100

1200

1300

1400

1500

1600

130 cm110 cm90 cm

Tiempo (h)0 5 10 15 20

Cue

ntas

1100

1150

1200

1250

1300

1350

70 cm

50 cm

Tiempo (h)0 5 10 15 20

Cue

ntas

800

900

1000

1100

1200

1300

190 cm

70 cm

Figura 3.9: La humedad en el s.f.ae es aproximadamente constante para todas la

posiciones de la columna

3.3. SUELO NO SATURADO: SUELO FRANCO ARCILLOSO 31

3.3. Suelo no saturado: suelo franco arcilloso

Despues de realizar la caracterizacion de la humedad en estado de satura-

cion, se llega a la conclusion que para el cumplimiento del objetivo propuesto se

debe tener en cuenta los siguientes parametros para la correcta realizacion del

experimento:

1. Tiempo de ejecucion del experimento: Se observo que por la capacidad de

retencion de agua del suelo franco se debe realizar el experimento durante

un lapso de tiempo del orden de semanas.

2. Tiempo de adquisicion de datos: Con el fin de disminuir la amplitud de

las fluctuaciones, es necesario aumentar el tiempo de adquisicion de datos

de 1 minuto a 5 minutos. En los experimentos anteriores se determino que

el tiempo de adquisicion de datos debıa ser el mınimo posible, ya que se

creıa que se podıan presentar grandes variaciones de flujo en el tiempo

de escaneo de la columna. Despues de realizar la primera experiencia se

ha notado que en el caso del s.f.ae las variaciones se presentan despues de

lapso de tiempo largo, ya que en 20 horas de medicion en general la humedad

permanecio constante.

3. Drenaje: En los experimentos anteriores a la columna no se le permite dre-

nar, es decir la parte final de la columna estaba sostenida por el piso y tan

solo una pequena cantidad de agua lograba filtrarse entre la columna y el

piso. En el presente experimento la columna cuenta en el borde inferior con

una malla y esta levantada aproximadamente 4 cm del piso, para permitir

el drenaje de agua.

Una vez corregidos los anteriores parametros, el primer paso a seguir al igual

que en los otros experimentos es determinar el fondo proporcionado por la colum-

na y por el s.f.ai. seco. En la figura 3.10 podemos observar que en contraste con lo

observado en la figura 3.3, el s.f.ai seco se puede distinguir de la columna; lo que

indica que en efecto el s.f.ai tiene un mayor contenido de materia organica y de

minerales compuestos por elementos livianos2 que el s.f.ae. Como fondo se toman

las cuentas proporcionadas por el s.f.ai seco. En la figura 3.11 se ha eliminado el

fondo al s.f.ai humedo y se pueden observar las siguientes generalidades:

2En general las arcillas estan compuestas por grupos de minerales llamados filo-silicatos


Altura (cm)20 40 60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

10000

15000

20000

25000

30000

35000

aiColumna vac

S.f.ai seco

Figura 3.10: Comparacion entre la columna vacıa y el s.f.ai seco: el s.f.ai tiene un

aumento de cuentas por encima de la columna debido a la cantidad de materia

organica

1. Se puede notar el efecto de los bordes en las tres mediciones. Las cuentas

en las posiciones extremas (10 cm y 190 cm) son mucho menores que en las

demas posiciones; las cuentas en la posicion 190 cm decrecen por debajo del

0; esto se debe a que las cuentas en cada posicion no solo se deben al suelo y

la humedad en el punto dado sino tambien a las cuentas por retrodispersion

del resto de la columna por lo tanto en estas posiciones las cuentas deben

ser menores.

2. El aumento de la humedad en la region inferior de la columna ya no es tan

notorio como en los experimentos anteriores, esto se debe a que la columna

esta drenando por lo tanto la humedad que llega al final de columna puede

salir, de otro lado la humedad inicial que se la da al suelo es aproximada-

mente la mitad de la humedad en el punto de saturacion, lo que indica que

el agua tiene libre gran parte del espacio poroso para fluir.

3. La pendiente promedio de las curvas indica que la capacidad de retencion

de agua es alta respecto a los demas suelos analizados.

3.3. SUELO NO SATURADO: SUELO FRANCO ARCILLOSO 33

Altura (cm)20 40 60 80 100 120 140 160 180

Cue

ntas

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

=15%θs.f.ai con

Semana 1

Semana 2

Semana 4

Figura 3.11: S.f.ai con θ15% sin fondo: La humedad en funcion de la altura decrece

suavemente

La figura 3.12 muestra la humedad en funcion del tiempo, se encuentra que el

balance hıdrico se conserva. Al igual que en los experimentos anteriores la columna

se encuentra inicialmente a una humedad homogenea, en este caso la columna se

encuentra inicialmente a θ = 15%, lo cual se puede observar claramente ya que

en la primera medida tomada todas las curvas excepto la curva de la posicion

30 cm se encuentran alrededor de 2900 cuentas. En la ultima medida realizada

tambien se puede observar que las medidas llegan al mismo punto de humedad;

alrededor de 2650 cuentas. De otro lado tambien se puede ver que la concavidad

de las curvas muestran el estado del movimiento del agua en cada posicion, en las

posiciones altas de la columna las curvas son positivas lo que indica que el agua se

esta moviendo hacia las posiciones bajas de la columna, mientras que las curvas

de las posiciones inferiores de la columna son negativas e indican la acumulacion

del fluido drenado de las posiciones superiores.


Tiempo (Semanas)1 2 3 4

Cue

ntas

2400

2600

2800

3000

3200

=15%θS.f.ai con

30 cm 50 cm

90 cm 150 cm

170 cm

Figura 3.12: El s.f.ai con θ = 15% temporalmente muestra la conservacion del

balance hıdrico

Conclusiones

1. El experimento realizado permite distinguir la textura de las muestras de

suelo analizadas. En el triangulo de texturas estas corresponden a tres pun-

tos, los cuales se diferencian en un contenido de arena y de arcilla de la

siguiente manera aproximadamente,

SiO2 Arcilla

arena 100% 0%

suelo franco arenoso 70% 30%

suelo franco arcilloso 50% 30%

lo que indica que el metodo permite diferenciar contenidos de SiO2 tan

pequenos como del 20%, de otro lado es posible caracterizar con buena

resolucion una cuarta parte del triangulo de clasificacion de texturas.

2. El diseno del montaje experimental permite de forma sencilla entender las

relaciones entre el proceso de termalizacion de neutrones y la humedad en

el suelo, mostrando de forma didactica la interaccion del neutron con la

materia.

3. El metodo es capaz de observar una diferencia de velocidad en el movimiento

vertical del fluido, en suelo saturado y no saturado.

4. El metodo constata la conservacion de la cantidad de fluido.

5. Se observa que en la parte superior de la columna la dinamica del fluido es

predecible, sin embargo en la parte inferior de la columna la dinamica del

fluido cambia constantemente tanto en condiciones de acumulacion como

de drenaje.

6. El movimiento de agua en la arena indica que la estructura de esta no

favorece la acumulacion de fluido. El agua se desplaza a lo largo de la

35

36 CONCLUSIONES

columna aproximadamente en un lapso de 15 horas, mientras que en el

suelo franco arenoso en el mismo lapso de tiempo la humedad permanece

constante, y en suelo franco arenoso las variaciones se presentan en semanas.

7. Podemos relacionar el contenido de SiO2 con la capacidad de retencion de

agua, siendo mayor en los suelos que tienen menor contenido de esta.

Anexo A: Relacion entre la

tecnica desarrollada y la

ensenanza de la fısica

Las aplicaciones de la fısica nuclear mas conocidas en el ambito divulgativo,

son las relacionadas con las fision nuclear destacandose la produccion de energıa

nuclear y la creacion de la bomba atomica. Sin embargo en la actualidad, las

aplicaciones que se han desarrollado a traves del proceso de interaccion radia-

cion-materia, son de gran utilidad en diferentes areas de la industria, la medicina

y la arqueologıa. En la ultima decada se ha intensificado el estudio de los metodos

nucleares aplicados a asuntos de seguridad nacional; como lo son la deteccion de

minas plasticas antipersona y la deteccion de drogas. Las tecnicas desarrolladas

involucran tanto radiacion gamma como radiacion neutronica, cada tipo de radia-

cion juega un rol importante pero en general los metodos se desarrollan en torno

los procesos de interaccion de la radiacion con el objeto a detectar (materia), lo

que hace necesario estudiar ademas los procesos de interaccion que se dan con el

medio en el cual se encuentra el objeto.

El presente experimento se realiza teniendo en cuenta las tecnicas de retrodis-

peccion de neutrones termicos (TNB)3 [1] [2] aplicadas en la deteccion de objetos

con alto contenido organico, como lo son las minas plasticas que se encuentran

enterradas. El experimento realizado estudia el comportamiento del medio en el

cual se encuentra el objeto (suelo) en diferentes condiciones de humedad, la in-

vestigacion realizada sirve como apoyo al desarrollo de las tecnicas anteriormente

mencionadas.

De otro lado la propuesta experimental involucra diferentes procesos fısicos,

que a traves de la experimentacion y aplicacion de la tecnica desarrollada, ayudan

3Por sus siglas en ingles; Thermal Neutron Backscattering

37

38 ANEXO A

en la comprension de diferentes conceptos de la fısica de radiaciones y de suelos.

El experimento puede apoyar procesos de ensenanza de los conceptos relacionados

(ver anexo [B]) ya que se acude a diferentes elementos en la realizacion del expe-

rimento y el analisis de resultados. Los conceptos abordados en el experimento

tienen diferentes campos de aplicacion y los conceptos utilizados son relacionados

en diversasas areas de la fısica, lo que constituye al presente experimento en una

actividad investigativa que ademas satisfacer un proposito cientıfico, es util como

vıa de aprendizaje. En adicion al experimento demostrativo mas comunmente

usado en procesos de ensenanza, los experimentos que se desarrollan en torno

a una investigacion permiten al estudiante enfrentarse a una problematica real

en la que se desconocen los resultados y se debe acudir a diferentes elementos

para construir una respuesta cientıfica que explique los hechos experimentales

observados.

Acorde a la descripcion anterior de los aspectos fundamentales que conforman

la realizacion de este trabajo se desatacan los siguientes puntos de interes dentro

de la formacion de la poblacion objetivo; docentes de fısica, docentes de fısica en

formacion, fısicos y operarios nucleares.

1. Uno de los objetivos de los docentes de ciencias es la de promover el conoci-

miento, divulgacion y desarrollo de actividades cientıficas en sus estudiantes.

Por lo tanto el experimento desarrollado contribuye a la divulgacion de las

aplicaciones de la fısica nuclear, mostrando ademas una aplicacion social de

fısica; que en terminos generales, se ha caracterizado a lo largo de la historia

por aportar al desarrollo tecnologico, pero es poco conocida por sus aportes

sociales.

2. El trabajo desarrolla una de las aplicaciones del proceso de termalizacion de

neutrones, sin embargo este proceso es utilizado en diferentes campos. Las

aplicaciones en los demas campos, en general se fundamentan en el mismo

principio de interaccion radiacion-materia.

3. En la formacion de un docente de fısica la realizacion de investigacion ex-

perimental aporta en la ampliacion de su perfil profesional. Un docente de

fısica puede desempenarse en el campo de la investigacion aplicada dandole

sentido tecnologico y social a la fısica y promoviendo el desarrollo de esta en

sus estudiantes.

4. El experimento realizado tiene un diseno sencillo, lo que hace que el montaje

39

experimental sea un referente para la realizacion de practicas experimenta-

les que involucren el estudio del proceso de termalizacion, seccion eficaz y

camino libre medio, ademas de todos los procesos involucrados en la detec-

cion de radiacion neutra.

5. Los resultados obtenidos son un referente de la respuesta de un detector de3He a un proceso de interaccion de neutrones con un medio multi-elemental.

6. La descripcion de los procesos fısicos ayuda al lector interesado en operar un

equipo de deteccion de neutrones, a entender los procesos que intervienen

en la operacion del instrumento y que son de gran utilidad al interpretar

los resultados obtenidos.

40 ANEXO A

Anexo B: Esquema de conceptos,

procesos y herramientas

involucrados en el desarrollo

experimental

Los siguientes cuadros muestras las herramientas, procesos y conceptos uti-

lizados en la realizacion del presente trabajo. El trabajo se divide en tres fases

complementarias; indagacion, desarrollo y construccion y por ultimo analisis de

datos, cada una de estas fases es esquematizada. Se debe tener en cuenta que

todas las fases giran en torno al proceso de termalizacion de neutrones. En los

siguientes cuadros se puede ver un panorama de como el desarrollo de los procesos

apoyados por los conceptos y herramientas son retro-alimentados para obtener

una respuesta al problema experimental planteado. Tambien se puede notar que

para obtener conclusiones del experimento realizado es necesario acudir a diferen-

tes aspectos de la fısica, como a herramientas estadısticas, computacionales y a

otras ciencias. Esto ratifica la importancia del desarrollo cientıfico en los procesos

de formacion. En el esquema planteado la conexion entre las fases de indagacion

y desarrollo y construccion, ayuda al estudiante a generar una representacion

propia de los fenomenos observados, lo cual promueve el proceso critico de sus

propios resultados.

41

42ANEXO

B

Fısica de suelos

RadiacionesFase de indagacion

fision inducida

fision expontanea

interaccion radiacion-materia

colisiones elasticase inelasticas

reacciones nucleares

simulacion de colisonesreiteradas

Ley de Darcy

Ecuacion de Richardde fluidos

Sistemas GranularesClasificacion

Composicion

Sistemas multi-elementales

Objetos organicos

Minas plasticas

Composicion

Cadenas de carbono

Fısica

43

Fase de diseno y construccion Termalizacion de neutrones

Clasificacion de losneutrones por energıa termico

neutron

Seccion eficazen la deteccionReacciones usadas

de neutrones termicosCamino libre medio

Deteccion de neutrones termicos

Campo electrico

ionizacion

creacion par electron-ion

Respuesta

eficiencia

sensibilidad

Electonica basica

44 ANEXO B

Fase de Analisis Distribuciones estadısticas

Poisson

χ2

Procesos aleatoriosAnalisis de datos Programacion

c++

PerlR

Root

Gnuplot

Bibliografıa

[1] Nancy Forero. Simulacion del proceso de deteccion de elementos organicos

por dispersion de neutrones. Tesis de maestrıa.

[2] Angel Cruz. Neutron backscattering technique for the detection of buried

organic objects, 2009. Tesis de maestrıa.

[3] James Chadwick. The existence of a neutron. The Royal Society, 1932.

[4] William Leo. Radiation Detection and Measurements. Springer-Verlag, 1987.

[5] Sources. Californium 252 source description.

[6] Fernando Cristancho. Fısica nuclear, 2009. Libro en proceso de publicacion.

[7] Glenn Knoll. Radiation Detection and Measurement. John Wiley and Sons,

2000.

[8] National Nuclear Data Center. http://www.nndc.bnl.gov/exfor/endf00.jsp,

2001.

[9] Malcolm Sumner. Handbook of Soil Science. Springer, 1993.

[10] Marc Pansu. Handbook of soil analysis: mineralogical, organic and inorganic

methods. Springer-Verlag, 2006.

[11] et. al. Jean-Michel Gobat. The living soil: fundamentals of soil science and

soil biology, pag:47. Science Publishers Inc, 2003.

[12] Juan Carlos Zamora. La humedad en las propiedades fısicas del suelo, 2008.

Tesis de pregrado.

[13] ROOT team. The root users guide 5.26. www.root.cern.ch.

45

46 BIBLIOGRAFIA

[14] M. A. H. de Castro et al. Measuring trasient water flow in unsaturated

municipal solid waste. a new experimental approach. Waste Management,

2006.

[15] Mesytec GmbH & Co. KG. A readout system for position sensitive neutron

detector tubes.

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