[pt] O Observatório Pierre Auger é um detector de raios cósmicos ultra-energéticos (E maior ou igual 1018 eV) com características híbridas, que combinam detectores de superfície e de fluorescência. A determinação da composição química primária destes raios cósmicos é um dos seus principais objetivos. Há indícios de que os primários dos raios cósmicos com E maior que 1018.5 eV tem massa maior, conclusão baseada nos resultados recentes sobre a evolução dos chuveiros atmosféricos extensos (cascatas de partículas formadas quando da colisão do raio cósmico primário no topo da atmosfera com moléculas de N2 ou O2). Encontrar parâmetros, que caracterizam o chuveiro, no processo de sua reconstrução e que forneçam informações associadas a este resultado, são essenciais para validar esta conclusão. Nesta tese estuda-se a evolução como função da energia, de parâmetros que caracterizam os chuveiros, que sejam sensíveis à sua composição primária. Mais especificamente aqueles determinados pelo detector de superfície, pois há uma estatística de chuveiros detectados significativamente maior. Damos especial atenção às flutuações intrínsecas – chuveiro-a-chuveiro – do parâmetro de inclinação (beta) da Função de Distribuição Lateral, que descreve a variação da densidade de partículas ao longo da direção perpendicular ao eixo do chuveiro, como função da distância a esse eixo. Os resultados indicam que a flutuação intrínseca em beta, para eventos inclinados (45-60 graus) com E maior que 1018.5 eV, possui uma tendência de diminuição com a energia até valores em torno de 1019.8 eV. Este resultado é consistente com o encontrado anteriormente em análises de composição química sobre a evolução com a energia da profundidade de máximo (Xmax) dos chuveiros atmosféricos extensosmedida pelos detectores do Auger em modo híbrido, em que em energias acima de 1018.5 eV, observase que os chuveiros tendem a atingir seu máximo numa região mais bem definida da atmosfera, levando, por conseguinte, a flutuações menores no sinal no solo. / [en] The Pierre Auger Observatory is an ultra high energy cosmic ray detector (E more than or equal as 1018 eV) which has hybrid characteristics combining surface and fluorescence detectors. Determining the cosmic rays chemical composition is one of its most important challenges. There are evidences that cosmic ray primaries with energy above 1018.5 eV are heavy and this conclusion is based on recent results on the evolution of extensive air showers (cascades of particles formed by the collision of primary cosmic rays in the top of the atmosphere with nitrogen and oxygen molecules). Therefore, it is mandatory to find additional parameters supporting that conclusion. In this thesis, the evolution with energy of parameters characterizing the shower and with sensitivity to chemical composition are studied. More specifically, parameters determined by the surface detector are analyzed due to the high statistics in this operation mode. Special attention is given to the instrinsic - shower to shower - fluctuations of the slope parameter (beta) of the Lateral Distribution Function which describes the particles density variation in the plane perpendicular to the shower axis as a function of distance to that axis. The results show that the intrinsic fluctuation of Beta, for inclined showers (45-60 degrees) with energy above 1018.5 eV, where the detector resolution is small compared to the total fluctuation, has a trend to decrease with energy up to 1019.6 eV. This result is consistent with recent results on the energy evolution of the depth of shower maxima (Xmax) of extensive air showers, where above 1018.5 eV, the distributions of Xmax show less fluctuations, leading, in turn, to less fluctuations on the ground level.

[pt] A investigação da dinâmica da interação de raios-X de alta energia e moléculas de interesse biológico impõe que a energia dos raios-X seja bem definida, de modo que se possa estabelecer a dependência entre os padrões de ionização e fragmentação molecular com a energia do feixe incidente. Com este objetivo, um sistema versátil foi projetado, construído e caracterizado para ser utilizado como monocromador do feixe de amplo espectro produzido por um tubo de raios-X modelo ISOVOLT 160 M2. O sistema de monocromatização consiste de um par de cristais montados sobre duas mesas transladoras fixadas a um goniômetro de alta precisão, fabricados pela Newport Corporation. Esta configuração permite movimentos de translação independentes para os dois cristais, associados a um movimento de rotação do sistema como um todo com respeito à direção de incidência do feixe de raios-X. Estes movimentos, juntamente com uma escolha conveniente do par de cristais para uma dada faixa de energia - o que depende do material e da orientação dos cristais -, permitirão a cobertura de uma região muito extensa de energias de raios-X, de alguns até cerca de 100 kV. Quando este sistema se encontrar totalmente operacional, será possível realizar uma grande variedade de experiências nos campos da Física de Colisões e das Radiações, tais como, fragmentação molecular induzida por raios- X, fluorescência e difração seletivas em cristais, avaliação em tempo real de danos induzidos por raios-X em tecidos biológicos, testes não destrutivos em materiais, dentre muitas outras aplicações. / [en] The investigation of the dynamics of the interaction of high-energy X-rays and molecules of biological interest requires the energy of the X-rays to be well defined, so that one can establish the dependence of the molecular ionization and fragmentation patterns as functions of the incident beam energy. For this purpose, a versatile system for the monochromatization of the broadband beams produced by an ISOVOLT 160M2 X-ray tube has been designed, constructed and characterized. The monochromator consists of a pair of crystals mounted on two translator tables fixed on a high-precision goniometer, all manufactured by Newport Corp. This configuration allows independent translational motions for the two crystals, associated to a rotational motion of the whole system in respect to the direction of the incident X-ray beam. These motions, together with a convenient choice of the pair of crystals for a given energy range - which depends on the material and orientation of the crystals -, will allow us to cover a wide range of X-rays energies, roughly from few to around 100 keV. However, it has not yet been possible to distinguish energy-defined X-ray peaks with the complete two-crystal system. Some of the possible causes may be related to the large angular dispersion of the incident beam and to the need of more accurate adjustments of the parallelism between both crystals. When this system is fully operational, it will be possible to perform a large variety of experiments in the fields of collision and radiation physics, such as, molecular fragmentation by Xrays, selective fluorescence and diffraction in crystals, real-time evaluation of Xray- induced damage in biological tissues, non-destructive testing of materials, among many other aplications.

[pt] Segundo os números do Ministério do Desenvolvimento e Indústria e Comércio Exterior, a China liderou nos últimos 5 anos o mercado brasileiro de importações de calçados, representando 70 por cento do total importado. O Brasil vem registrando quedas nas exportações de calçados; em 2011 houve uma redução média de 21,5 por cento comparado ao ano de 2010. Desta forma, o Brasil passou a ocupar a oitava posição no mercado exportador. Além disso, os asiáticos vêm melhorando a qualidade e nível tecnológico de seus calçados para alguns nichos de mercado. Sabe-se que a introdução de novas tecnologias, novos processos e indicadores de controle de qualidade possibilita agregar valor nos arranjos produtivos locais brasileiros, tornando-os mais competitivos. Na dissertação é apresentado um estudo sobre o emprego da Radioscopia para a melhoria do controle de qualidade dos calçados brasileiros. Esta técnica traz uma inovação ao mercado calçadista brasileiro por ser um ensaio não destrutivo, fazendo uso de Raios X. A técnica já é utilizada por algumas indústrias internacionais, visando à identificação de corpos estranhos, controle de saltos, além de outros itens dos calçados. Esse estudo apresenta resultados imagens radiográficas encontradas em calçados, que culminou na proposta de uma metodologia para a aplicação da Radioscopia na melhoria do controle da qualidade na produção de calçados, empregando conceitos da Análise dos Modos e Efeitos de Falha (FMEA), respondendo, assim, a questão principal deste estudo: como melhorar o controle de qualidade industrial aplicando a técnica da radioscopia na produção de calçados brasileiros? / [en] According to the Ministry of Development, Industry and Foreign Trade, China led in the last five years the footwear Brazilian market for imports, representing 70percent of total imports. Brazil has been recording declines in footwear exports; in 2011 there was an average reduction of 21.5 percent compared to 2010. Thus, Brazil has moved to the eighth position in the export market. Moreover, Asians have been improving the quality and technological level of their footwear for some niche markets. Its known that the introduction of new technologies, quality controls and indicators allow adding value to local production arrangements in Brazil, making them more competitive. In this dissertation, a study on the use of Radioscopy to improve the quality control of Brazilian footwear is presented. This technique brings innovation to the footwear Brazilian market, since it is a non-destructive making use of X-ray. This technique is already used by some international industries, aiming at the identification of foreign bodies, control jumps, and other items of the footwear. This study culminated in the proposal of a methodology for the application of Radioscopy in the improvement of quality control of footwear production, employing concepts of Technical Analysis of the Failure Modes and Effects Analysis (FMEA), answering the main question of this study: how to improve the industrial quality control by applying the technique of Radioscopy in the production of Brazilian footwear?

[pt] Neste trabalho, foram estudadas blendas formadas pelo polímero Policloreto de Vinila (PVC) e pelo polímero biodegradável Poli Hidroxibutirato (PHB), com diferentes concentrações relativas de cada polímero. As blendas foram preparadas em forma de membrana, com concentrações de PHB variando de 2 a 40%. A técnica utilizada para o preparo das amostras foi a evaporação do solvente, sendo dicloroetano o solvente utilizado. A composição química das superfícies das blendas foi caracterizada utilizando a técnica de espectroscopia de fotoelétrons induzida por raios-X (XPS). A morfologia e as propriedades mecânicas das amostras foram estudadas com o auxílio da microscopia de força atômica (AFM). Medidas de calorimetria diferencial exploratória foram realizadas a fim de conhecermos a miscibilidade das blendas formadas. Nas blendas formadas observou-se uma segregação de PHB para a superfície, sendo o percentual de PHB na superfície na faixa de 18±2%, mesmo para blendas com mais baixa concentração relativa de PHB. Entretanto o grau de cristalização do PHB em cada blenda aumenta com a incorporação do polímero na blenda. Foi observado um aumento na dureza conforme aumentamos a concentração de PHB na blenda. As blendas foram caracterizadas como parcialmente miscíveis. / [en] In this work, the study of polymer blends surfaces formed by a biodegradable polymer (poly3-hydroxybutyrate, PHB) and PVC (polyvinyl chloride) with different molar percentages of PHB is presented. The blends samples were prepared as membranes with PHB molar concentrations from 2 to 40%. The technique used to prepare the membranes was the solvent-casting technique, using dichloroethene as solvent. The chemical composition of the blends samples surfaces were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Their morphologies and mechanical properties were studied by atomic force microscopy (AFM). Differential scanning calorimeter measures were obtained in order to know the blends miscibility. A PHB surface segregation of 18±2% was observed, even for the blends with lower PHB concentrations. However, the degree of the PHB crystallization in each blend increases with the increasing incorporation of PHB in the blend volume. An increase in the blends hardness was observed while the PHB blends concentration increases. The blends were founded to be partially miscible.

[pt] A presença de aminoácidos em cometas e meteoritos levanta questões sobre como estes foram formados em ambientes cósmicos, bem como de que maneira eles foram capazes de sobreviver no espaço sideral; radioresistência é uma informação essencial para prever meias-vidas e avançar os estudos sobre origens da vida. O principal objetivo deste trabalho é determinar, por meio de espectroscopia no infravermelho, as seções de choque de destruição de aminoácidos comuns expostos à radiação de íons e elétrons energéticos. As forças de banda vibracionais (A-values) e a dependência do espectro infravermelho com a temperatura da amostra (10 – 400 K) foram analisadas. Seções de choque de destruição aparente (sigma)d(ap) e rendimentos de sputtering (Y0) para glicina, valina e fenilalanina irradiadas por H+, He+ e Nq+ íons de MeV e elétrons de keV foram medidos. Encontrou-se: i) uma dependência aproximadamente linear entre a seção de choque de destruição aparente e o poder de freamento eletrônico (Se): (sigma)d(ap) = (sigma)d + Y0 /N0 = a Sen (onde n aproximadamente 1) para projéteis de MeV e para amostras à temperatura ambiente; ii) resultados preliminares de σdap para feixes de nitrogênio multi-carregados; e iii) resultados de seção de choque de destruição de valina irradiada por elétrons de keV, bem como sua dependência com a energia de incidência do feixe, e com a espessura e temperatura da amostra. Como contribuição teórica, o modelo CASINO-estendido foi desenvolvido visando descrever a evolução da degradação de matéria orgânica por projéteis carregados, particularmente por feixes de elétrons. Comparadas aos resultados experimentais, as previsões do modelo subestimam o dano causado pelo feixe de elétrons, evidência de que efeitos de sputtering e provavelmente algumas características da amostra (como a estrutura cristalográfica) devem ser incluídos. Como implicações astrofísicas, meias-vidas para valina e fenilalanina irradiadas por raios cósmicos são estimadas em aproximadamente 10 milhões de anos no meio interestelar; da glicina, se irradiadas por vento solar a uma unidade astronômica do Sol, é aproximadamente 3 dias. Visando simular materiais astrofísicos realistas bombardeados por elétrons de keV, a meia-vida de valina envolta por gelos de água e CO2 e depositada sobre silicato é também prevista. / [en] The presence of amino acids in comets and meteorites raises questions about how they have been formed in cosmic environments, as well as how long they can survive in outer space; radioresistance is essential information to predict half-lives and make advances on the origins of life studies. The main objective of the current work is to determine, via infrared spectrometry, destruction cross sections of common amino acids exposed to energetic ion and electron radiation. Before sample irradiation, valine vibrational band strengths and their infrared spectral dependence on temperature (10 – 400 K) were analyzed. Apparent destruction cross sections (sigma)d(ap) and sputtering yields (Y0) for glycine, valine and phenylalanine, irradiated by MeV H+, He+ and Nq+ ions and keV electrons, were measured. From experimental data: i) an approximately linear dependence between the apparent destruction cross section and the electronic stopping power (Se) is found: (sigma)d(ap) = (sigma)d + Y0 /N0 = a Sen (where n approximately 1) for MeV projectiles and for samples at room temperature; ii) (sigma)d(ap) preliminary results relative to multi-charged nitrogen ion beams are discussed; and iii) destruction cross section of valine irradiated by keV electrons, as well as its dependence on incident beam energy, on sample thickness and on sample temperature are presented. As a theoretical contribution, the evolution of organic matter damage by charged projectiles, particularly for electron beams, the CASINO-extended model was developed. When compared to experimental results, the model predictions underestimate the damage caused by electron beams, evidence that sputtering and probably some sample characteristics (as crystallographic structure) are involved. As astrophysical implications, cosmic ray half-lives for valine and phenylalanine are estimated to be about 10 million years in the interstellar medium; solar wind half-life at 1 au from the Sun is approximately 3 days for glycine. Aiming to simulate realistic astrophysical materials bombarded by keV electrons, the half-life of valine embedded into water and CO2 ices over a silicate substrate is also predicted.

[pt] Em 2013, o IceCube Neutrino Observatory, localizado no Polo Sul, descobriu um fluxo de neutrinos astrofísicos com energias de PeV. Mais tarde, descobriu-se que este fluxo se estendia até pelo menos aproximadamente 10 TeV. Apesar de muitos esforços desde então, determinar as suas fontes permanece sendo um dos maiores desafios na comunidade de astrofísica. Nesta dissertação, investigamos possíveis fontes através de uma abordagem multimensageira bem motivada. Em qualquer mecanismo para a produção de neutrinos cósmicos, obrigatoriamente há produção simultânea de raios gama com energias comparáveis. Ao contrário de neutrinos, que atravessam o Universo ilesos, raios gama de altas energias sofrem interações com fótons de fundo em um processo de degradação de energia conhecido como cascata eletromagnética. Na Terra, eles contituem o fundo extragalático de raios gama difuso (EGB), medido com precisão pelo Fermi Gamma-ray Space Telescope entre GeV–TeV. Realizando uma análise conservativa, quantitativa e multimensageira, encontra-se uma tensão de maior ou aproximadamente 3delta (possivelmente chegando a aproximdamente 5 delta) entre os dados do IceCube e do EGB, apontando para a exitência de uma nova classe de aceleradores cósmicos de alta energia, como, por exemplo, fontes opacas para raios gama. / [en] In 2013, the IceCube Neutrino Observatory, located at the South Pole, discovered a flux of astrophysical neutrinos with PeV energies, later found to extend down to at least approximately 10 TeV. Despite many efforts since then, determining their sources remains one of the most daunting challenges in the astrophysics community. In this dissertation, we investigate possible sources via a well-motivated multimessenger approach. In any production mechanism of cosmic neutrinos, there must also be a simultaneous production of gamma-rays withcomparable energies. Unlike neutrinos, which travel unscathed throughout the Universe, high energy gamma-rays undergo interactions with background photons in an energy-degrading process known as electromagnetic cascade. At the Earth, they constitute the diffuse extragalactic gamma-ray background (EGB), precisely measured by the Fermi Gamma-ray Space Telescope in the GeV–TeV range. By performing a conservative, quantitative, multimessenger analysis, we find greater than a or approximately to 3 delta (possibly as large as approximately 5 delta) tension between IceCube and EGB data, pointing towards the existence of a new class of high energy cosmic accelerators, such as gamma-ray-opaque sources.

[pt] As descargas atmosféricas são de grande importância para o setor elétrico, sendo frequentemente responsáveis por desligamentos de linhas de transmissão, que podem desencadear uma sequência de eventos que levem o sistema elétrico interligado ao colapso. As longas extensões de linhas de transmissão, expostas a intemperes climáticas, determinam uma probabilidade significativa de incidência direta de descargas atmosféricas nestes equipamentos. Devido ao caráter estratégico das linhas para o fornecimento de energia e a constatação de que descargas atmosféricas estão entre as principais causas de desligamentos, torna-se importante o estudo do comportamento das descargas atmosféricas, antes do instante da ocorrência do desligamento das linhas de transmissão, para compreender os padrões característicos potenciais causadores destes desligamentos. Os estudos encontrados atualmente estão orientados na eficiência das redes de detecção de descargas atmosféricas e na identificação de condições climáticas que indiquem a ocorrência de raios de forma preditiva, sem correlação a ocorrências em linhas de transmissão. Assim, essa dissertação consiste na determinação do risco de desligamentos de linhas de transmissão por descargas atmosféricas, visando fornecer informações antecipadas e possibilitar ações operativas para manter a segurança do sistema elétrico. O modelo desenvolvido nesse estudo, denominado Risco de Desligamentos de Linhas de Transmissão por Raios (RDLR), é composto de dois módulos principais, sendo o primeiro o agrupamento do conjunto amostral de descargas atmosféricas, realizado através de um método baseado em densidade. Nesse módulo, os ruídos são eliminados de forma eficiente e são formados grupos representativos de descargas atmosféricas. O segundo módulo consiste em uma etapa classificatória, baseado em redes neurais artificiais para identificar padrões de grupos de descargas que representem riscos de desligamentos de linhas de transmissão. Visando a otimização do modelo, foi aplicado um método de seleção das variáveis, através de componentes principais, para determinar aquelas que mais contribuem na caracterização desses eventos. O modelo RDLR foi testado com dados reais dos registros de desligamentos de linhas de transmissão, associado a outro banco com dados reais contendo milhões de registros de descargas atmosféricas oriundos das redes de detecção de raios, sendo obtidos excelentes resultados na determinação dos riscos de desligamentos de linhas de transmissão por descargas atmosféricas. / [en] Atmospheric discharges are of great importance to power systems, and are often responsible for outages of transmission lines, which can trigger a sequence of events that leads to a system collapse. The long extensions of transmission lines, exposed to climatic conditions, create significant probability of direct incidence of atmospheric discharges in these equipments. Due to the strategic nature of power supply lines and the fact that atmospheric discharges are among the main causes of outages, it is important to study atmospheric discharges characteristics before failure of transmission lines and understand patterns that are responsible for interruptions. Current studies focus on efficiency of lightning detection networks and on identification of climatic conditions that indicate lightning occurrence in a predictive approach, without any correlation with transmission lines outages. Therefore, this thesis consists on real-time risk determination of transmission lines outage by lightning, providing early information to enabling operational procedures for power system safety. The proposed model, named Transmission Lines Outage Risk by Lightning (TLORL) is composed of two main modules: Atmospheric Discharge Data Clustering and Classification. In the atmospheric discharges data-clustering module, performed by a density-based method, the outages are efficiently eliminated and representative groups of atmospheric discharges are formed. The second module consists of a classification step, based on artificial neural networks, to identify patterns of discharges groups that represent risks to cause transmission lines outages. Aiming at improving the proposed model, principal components analysis (PCA) was applied to determine the input variables that most contribute to the events characterization. The TLORL model was tested with real data transmission line outages, associated to another database with millions lightning records from the detection networks, producing excellent results of transmission lines outages caused by atmospheric discharges.

[pt] A injeção de fluidos é uma prática comum na indústria de petróleo e um dos objetivos desta operação é aumentar o fator de recuperação dos campos petrolíferos. À medida que o óleo vai sendo produzido há naturalmente perda da quantidade de energia nativa, inerente ao reservatório, que manteria a continuidade da produção. Nesse ponto, fazem-se necessárias intervenções nos poços para dar continuidade à produção, lançando-se mão dos métodos de recuperação, dos quais a injeção de fluidos é um deles. As formulações desses fluidos de injeção são via de regra baseadas na utilização de água do mar (que é rica em magnésio) e em solução supercrítica com gás carbônico oriundo do próprio reservatório. Esses fluidos quando em contato com as rochas carbonáticas do pré-sal, propiciam a uma condição de ambiente químico nunca vivenciada quando este tipo de operação era realizada nos reservatórios nacionais anteriores à exploração no pré-sal. As rochas carbonáticas são reativas e a injeção de fluidos pode provocar alterações tanto na composição mineralógica quanto na composição dos fluidos produzidos. O objetivo deste trabalho é buscar evidências objetivas, identificação e quantificação, da precipitação ao longo do tempo de espécies minerais contendo magnésio formadas a partir de interações de rocha calcária (mais especificamente a calcita (CaCO3)) e fluido de injeção utilizado na recuperação avançada de poços de petróleo. Realizaram-se experimentos em que uma rocha calcária conhecida interagiu com CO2 supercrítico em meio a uma solução salina de água do mar sintética sob condições de temperatura e pressão da ordem de grandeza das encontradas em reservatórios do pré-sal. As amostras de rocha foram expostas ao fluido a 150 graus Celsius e 276 bar sob diferentes tempos de reação. Em seguida foram realizados ensaios de DRX e de composição química elementar (ICP-OES) onde ficou evidenciada a presença de magnésio na calcita após interação com o fluido de injeção, as análises por DRX não conseguiram constatar alterações na estrutura cristalina dessas calcitas pós reação. / [en] Fluid injection is a common practice in oil industry and one of its targets is to increase the recovery factor of oil fields. As the oil is being produced, there is naturally loss in the amount of the reservoir native energy to sustain production. At this point, human intervention is necessary to continue production, so recovery methods are used, of which fluid injection is one of them. These injection fluid formulations are usually based on seawater (which is rich in magnesium) and supercritical carbon dioxide solution from the reservoir itself, which in contact with the pre-salt carbonate rocks will lead to a condition of chemical environment never experienced when this operation was performed in national reservoirs prior to presalt exploration. The carbonate rocks are reactive and fluid injections can cause changes in both mineral composition and produced fluids composition. This work objectives the searching for evidences, identification and quantification, of mineral species precipitation containing magnesium from interactions of limestone (more specifically calcite (CaCO3)) and injection fluid used in the enhanced oil recovery. Experiments were performed in which a known powdered limestone rock interacted with supercritical CO2 in a saline solution of synthetic sea water under tipical conditions (temperature and pressure) found at pre-salt reservoirs. The rock samples were exposed to fluid at 150 Celsius degrees and 276 bar under different reaction times. Then, XRD analysis and elemental chemical composition (ICP-OES) tests were performed, showing the presence of magnesium in the calcite after interaction with the injection fluid, although the XRD analysis failed to verify changes in the crystalline structures of these calcites after reaction.