Introducción.
Detectores de partículas subatómicas.
Las partículas subatómicas, alfa beta, gamma, se producen o bien en la desintegración atómica de los elementos radiactivos, proceden del exterior de la atmósfera o se producen aparatos de física de alta energía, como tubos de rayos X o en aceleradores de partículas. Hay otras partículas subatómicas, algunas muy importantes como los neutrones pero exigen detectores mas sofisticados. El presente trabajo se refiere a una electrónica sencilla que puede emplear como detector un tubo geiger o un sencillo (aunque mucho más complejo) contador de centelleo (scintillator).
La electrónica que aquí se presenta es adecuada para construir un pequeño detector de radiactividad para aquellos que quieren detectar la radiación cósmica, buscar minerales de uranio en el campo, comprobar si su casa no esta contaminada con residuos nucleares, los que quieren jugar en su laboratorio comprobar la radiación que se produce al volar a gran altura. La electrónica completa se puede hacer por menos de 40 euros y a pesar de su sencillez es bastante sensible.
Rayos X, radiación Gamma y radiación Cósmica.
Básicamente las tres radiaciones son de naturaleza idéntica, fotones de radiación electromagnéticas de diferentes energías. Los nombres se dan en función del origen de dicha radiación. Los rayos X están generados en la corteza electrónica de los átomos. Su energía está entre los 15 y los 250 Kev. La radiación gamma esta generada en el interior de los núcleos atómicos, su energía esta entre los 15 y los 2000 keV. Los rayos cósmicos vienen de las reacciones nucleares del exterior de la tierra y los que llegan a la tierra son de altas energías ( mas de 250 keV) porque la atmósfera actúa como filtro. En las cimas de las montañas o en el interior de los aviones se detectan rayos cósmicos de menor energía.
Detectores Geiger.
Un detector Geiger consiste básicamente en un recinto cerrado que contiene un gasa a baja presión. El exterior del tubo es metálico y constituye un electrodo. Además de ese electrodo hay un segundo en forma de hilo coaxial con este. Entre dos electrodos se establece una diferencia de potencial de unos cientos de voltios. La diferencia de potencial no es suficiente para que se establezca una corriente apreciable pero esta muy cerca del valor al cual el gas en el interior del tubo se ioniza. Cuando una partícula energética atraviesa las pareces del tubo ioniza molécula del gas del interior. Los iones creados son acelerados por la diferencia de potencial con lo que chocan con otras moléculas ionizándolas en un fenómeno de avalancha. En resumen cuando una partícula o radiación ionizante entre en el tubo se produce una pequeña conducción eléctrica entre sus electrodos polarizados a alta tensión.
Si se requiere detectar partículas alfa que son muy poco penetrantes los detectores Geiger tienen una ventana de mica muy fina o de berilio para que pueda ser atravesada por estas partículas. La detección de partículas beta también exigen ventanas muy finas para que pueden ser atravesadas, sin embargo las gamma pueden atravesar fácilmente espesores de hasta varios milímetros de metal. Cuanto mas gruesas sean las paredes del Geiger menos sensible será a la radiación de baja energía. Cuanto mas volumen tenga un contador geiger mas sensible será. En el mercado hay diversos fabricantes que ofrecen tubos contadores geiger nuevos por precios a partir de los 30 euros. En e-Bay pueden conseguirse de segunda mano por precios bastante inferiores. Pero si se desea construir un gran detector para rayos gamma lo mejor es construirse uno mismo.
Diferentes tubos Geiger. Para apreciar las dimensiones tengasé en cuenta que la cuadricula es de 5 mm.
Detectores de centelleo.
Quien haya sobre el spintaroscopio, sabrá que William Crookes observo en 1903 que cuando una partícula alfa chocaba con el sulfuro de zinc se producía un pequeño destello luminoso. Luego se comprobó que otras sustancias producían este mismo destello con electrones, rayos X y radiación gamma. Un detector de centelleo no es otra cosa que un bloque de una sustancia que produce destellos de luz cuando es atravesado por partícula subatómica. Acoplado a ese bloque se encuentra una fotocélula que transforma ese destello luminoso en un pequeño impulso eléctrico. Como las fotocélulas son muy poco sensibles en vez de una fotocélula se emplea un fotomultiplicador que es una válvula de vacío que amplifica casi mil millones de veces el impulso eléctrico por procedimientos electrostáticos que no conviene explicar aquí. Para producir esta amplificación el fotomultiplicador debe alimentarse con una tensión de 850 voltios aproximadamente aunque el consumo es prácticamente insignificante. Actualmente se disponen de diodos de silicio en avalancha ( SPM Silicon Photo Multipliers) que producen resultados similares pero con un tamaño y una tensión de alimentación mucho menores.
Magnifico tubo fotomultiplicador comprado en eBay por 22 $.
Como sustancias detectoras se emplean sulfuro de zinc dopado con plata (para Alfas) sustancias orgánicas del tipo del antraceno ( para betas) y para gammas lo mas habitual es emplear cristales de yoduro de sodio dopado con talio.
Una ventaja del contador de centelleo es que produce un pulso de voltaje proporcional a la energía de la partícula por la cual es atravesado, lo cual con electrónicas adecuadas permiten no solo detectar las partículas sino también obtener un espectro de la energía de las mismas. Esto se realiza con los analizadores mono o multicanal de radiación gamma.
Los detectores de centelleo son mucho mas sensibles y precisos que los detectores Geiger. De la misma manera son mas caros. Un detector de centelleo es tanto mas sensible y resolutivo en energías cuanto mas grande es el cristal detector. El el mercado se encuentran detectores de centelleo completos y nuevo por un precio rondando los 600 euros para cristales pequeños y de mas de 1200 euros para cristales de 10 centímetros. En eBay se pueden conseguir detectores de centelleo a partir de los 40 euros.
El detector de partículas completo. En este caso esta conectado a un tubo escintillator de cristal de yoduro de sodio de 2,5 cm. El tubo es comercial de Ludlum Inc.
Composición de un detector de partículas sencillo.
Básicamente se compone de una fuente de alimentación de alta tensión, un detector de pulsos y un circuito de medida de frecuencia de pulsos. La fuente de alimentación debe de proporcionar de entre 400 y 1200 voltios dependiendo del sensor. Las corrientes en general son muy bajas, del orden de microamperios o menos. No hay problema en realizar estas fuentes de alta tensión a partir de la red, pero como el consumo es muy bajo también se pueden realizar a partir de las bajas tensiones que proporcionan pilas o baterías, lo cual proporciona potabilidad. El circuito presente se alimenta a partir de una pila de 9 voltios. Consume menos de 1 mA. No se exactamente cuanto dura la pila porque hace varios años que no la he cambiado. Este fue precisamente uno de los objetivos que me plantee cuando diseñe el circuito que su consumo fuese el mínimo imprescindible para garantizar el funcionamiento autónomo en el campo el mayor tiempo posible.
El detector de pulsos: cada vez que una partícula atraviesa el tubo Geiger o el escintillator se produce un pequeño aumento de la corriente que consume. Como generalmente el tubo se alimenta a través de una resistencia (entre 0,5 y 2 megomios) este incremento de corriente se traduce en un pulso negativo de varios voltios en los Geiger y menores y proporcionales a la energía de las partículas en los centelleadores. El detector proporciona pulsos de altura y anchura a partir de los pulsos negativos de un valor predeterminado.
El contador de pulsos: Los circuitos mas avanzados contienen un contador digital que proporciona las cuentas por segundo, o por minuto con algunos factores de escala. Los mas sencillos como en este caso proporcionan una indicación visual mediante un instrumento de aguja. Adicionalmente se dispone de un pequeño altavoz piezoeléctrico que proporciona un clic cada vez que se detecta una partícula.
La primera versión de este circuito fue diseñada y construida en 2001 empleando placa de circuito impreso perforada y tiras conductoras. Pensé que no iba a construir muchas placas del mismo y no me tome la molestia de dibujar el circuito impreso. El diseño, incluyendo un selector de 5 gamas de medida quedo muy compacto. Alimentado por una pila de 9 voltios cabía en una caja de pequeñas dimensiones. Con este circuito y un escintillator LUDLUM realice importantes exploraciones. Tengo que destacar en bajo consumo de pilas.
Desde 2001 a 2004 recibí bastantes consultas porque los valores de los componentes en el circuito original dibujado a mano no se leían muy bien. Y muchas preguntas sobre el circuito impreso. Y como últimamente he necesitado varias electrónicas para detectores de partículas me ha animado a realizar un circuito impreso de esta electrónica. He aprovechado para añadir algunas modificaciones.
Realizar el circuito impreso y el esquema de manera mas profesional me ha obligado a aprender a manejar sendos programas de software. No ha sido cosa fácil, primero empecé con el software Electronic Studio 2, y cuando ya tenia hechos los circuitos comprobé que no me satisfacían sus posibilidades de exportación de imágenes, así que probé Proteus. Como los formatos de ambos programas son incompatibles de nuevo tuve que empezar de cero.
Esquema del circuito.
A continuación se representa el esquema del circuito, esta vez no esta realizado a mano alzada. Básicamente se compone de dos secciones prácticamente independientes. La parte de arriba del esquema siguiente es una fuente de alta tensión regulada. La parte de abajo es un detector de pulsos.
Este circuito se basa en un oscilador con un 555 CMOS, cuya salida se invierte mediante el transistor Q1 ( que puede ser cualquier PNP) de baja señal y se aplica a un transistor de media potencia y que aguante al menos 400 voltios de Vce. Este transistor abre y cierra la alimentación al transformador T1 que opera en modo Flyback.
El transistor de alta tensión Q2 entra en conducción durante unos 5 microsegundos. Durante este tiempo circula corriente por el primario del transformador. Cuando se corta la conducción de este transistor en el secundario del transformador aparece un pulso de unos 1000 voltios que a través del diodo en serie carga el condensador. Una resistencia de 10 k y un segundo condensador de 10 n filtran la alta tensión. Si la tensión excede de un cierto nivel, regulable con P1, el zener conduce y polarizan al transistor Q3 para que a través de la resistencia de 68 K drene el condensador de 2 nF que determina el periodo de oscilación de oscilador aestable. En otras palabras, el condensador de alta se carga con pulsos de 10 microsegundos con una frecuencia variable para mantener la tensión de salida.
El transformador es la pieza más delicada de este circuito. No es posible encontrarlo comercialmente por lo que hay que bobinárselo uno mismo aunque no es excesivamente difícil. Es necesario un núcleo de ferrita de aproximadamente 25 x 25 mm de dimensiones exterior que tenga una superficie de núcleo de al menos 30 mm2. El primario es fácil de construir, basta bobinar 50 espiras de hilo de cobre de 0,1 mm de diámetro. El secundario se compone de 500 espiras de hilo de 0,1 mm de diámetro o menos, depende del que se disponga.
En el secundario de este transformador se desarrollan tensiones de mas de 1500 voltios por lo cual hay que cuidar dos cosas: que los hilos de entrada y salida no estén cerca, porque en caso contrario saltaría una chispa y que las capacidades parásitas del bobinado sean bajas, porque en caso contrario las tensiones de salida no serian suficientemente altas. Lo más recomendable es bobinar este transformador de manera cuidadosa, capas con espiras bien colocadas, separadas por capas de papel de celofán u otro aislante, muy fino ya que el transformador es muy pequeño. Si se bobina con hilo de 0,1 mm posiblemente necesitemos 8 o 10 capas. Si empleamos hilo de 0,05 bastara con la mitad. Este procedimiento es pesado pero da unos resultados magníficos, siempre que se cuide de que no haya posibilidad de que salte un arco entre los dos extremos del transformador. En mi caso lo he bobinado de manera mas desordenada en tres capas separadas con papel y funciona muy bien, todo depende de la habilidad del constructor. Aun así he hecho mas de 3 transformadores y no me ha costado más de 10 minutos hacer cada uno.
A veces parece que el transformado esta bien hecho pero el circuito no funciona bien, lo cual se puede comprobar por un excesivo consumo o por una nula salida de tensión, esto se puede deber o a un arco invisible o a uno inversión de polaridad del primario. Para comprobar que no hay ningún arco conviene mirar el circuito con una lupa en la oscuridad donde es fácil apreciar coronas o chispas. La inversión en polaridad se soluciona mejor cambiando los hilos del secundario.
No se debe mirar con el osciloscopio la salida del transformador, ya que las altas tensiones nos pueden destruir la sonda y además porque la impedancia del osciloscopio se atenúa mucho el voltaje de salida. También puede pasa que el transformado funcione bien pero haga ruido, esto se soluciona barnizando el transformador o impregnándolo de cera o parafina fundida. Esto no solamente quita el ruido sino que mejora el aislamiento del transformador.
La salida del transformador es un pulso de más de 1000 voltios durante un tiempo de unos 50 microsegundos que se rectifica por el diodo D3. Este diodo aguanta 5000 voltios, con una corriente de fugas muy pequeñas. Es barato aunque menos popular que los famosos 1N4007. Si no se dispone de este diodo posiblemente con 3 1N4007 puestos en serie el circuito pueda funcionar bien. Los condensadores C6, C7 y R14 filtran la alta tensión que se aplica al detector a través de R15. El valor de R15 es de 2M2, adecuado para muchos fotomultiplicadores y tubos Geiger, pero basta con cambiar esta resistencia para adaptarse a otros tubos.
La tensión almacenada en el condensador se reduce mediante la red formada por R17, RV3 y R16 y a través del zener de 10 V se aplica a la base del transistor Q3. Cuando la tensión de salida supera el nivel prefijado Q3 conduce y hace que la frecuencia de oscilación del 555 baje y por lo tanto que los condensadores de alta tensión reciban menos carga. De esta manera variando la posición de RV3 se puede variar la tensión de salida de entre 700 y 1500 voltios con una razonable estabilidad. Este circuito esta pensado para alimentar a tubos fotomultiplicadores y tubos geiger en los cuales el consumo de alta tensión es de unos pocos microamperios. Si a este circuito se le exigen mas de 50 microamperios la tensión se viene abajo. Es posible obtener corrientes mas altas con un transformador mas grande.
El pulso de detección de partícula se separa de la continua a través del condensador C8 de 1nF. Este condensador se puede adecuar a los dispositivos detectores igualmente.
El segundo 555 es un detector de pulsos. Esta cableado como un circuito monoestable que se dispara por el pulso que se introduce en el terminal TR. El diodo D1 protege la entrada cuyo nivel de continua y por lo tanto la sensibilidad se ajusta mediante RV1. Cada vez que el monoestable se dispara en la salida aparece un pulso positivo cuyo tiempo de anchura se selecciona mediante las resistencias R4, R5, R6.
La salida se aplica a un altavoz piezoeléctrico que nos da un clic por pulso y un valor de continua que se obtiene mediante R7 y C4 y se aplica a un medidor a través de un potenciómetro para ajustar la escala. El medidor deberá ser un micro amperímetro con una sensibilidad de 50 a 500 microamperios a fondo de escala.
Montaje del circuito.
A continuación puedes descargar el fotolito del circuito impreso. El fotolito esta hecho para una sola cara de cobre en una resolución de 600 DPI, una línea de 100 mm de longitud te da una indicación para saber que lo esta imprimiendo correctamente. También tienes la distribución de los componentes.
Todas las resistencias salvo las especificadas son de 1/8 W. Todos los condensadores salvo los especificados son de 100 V y los electrolíticos que son de 25 V.
Montar los componentes salvo el tubo detector. Alimentarlo con una tensión de 12 voltios, el circuito no debe consumir mas de 2 o 3 miliamperios salvo que en vez de emplear 555 CMOS se hayan empleado 555 convencionales en cuyo caso el consumo normal será de unos 15 mA. Si consume mas seguramente hay un problema. El consumo es función de la tensión de salida y de la corriente consumida por el tubo detector.
Las tensiones a que habrá que ajustar la tensión de salida dependen del tubo sea geiger o fotomultiplicador. Los geigers suelen tener tensiones de trabajo entre 450 y 800 voltios mientras que los fotomultiplicadores de entre 800 y 1200 voltios.
Como las tensiones de trabajo son muy altas pueden surgir chispas esporádicas en el circuito, por ello una vez en funcionamiento conviene barnizar todo el circuito. Mas aun porque puede darse el caso de que se deposite humedad en el interior que haga que salten arcos entre las pistas de alta tensión. En las tiendas de electrónica venden pulverizadores de barnices tropicalizadores muy buenos.
Ojo a las mediciones !!!!!. La parte de baja tensión puede medirse y observarse con los instrumentos convencionales, es decir con sondas de 10 Mohmios de impedancia, pero sin embargo en la parte de alta estas sondas tienen muy baja impedancia y cargan tanto el circuito que las mediciones no son validas.
Vista del circuito impreso montado con un altavoz piezoeléctrico.
Si se dispone de osciloscopio comprobar que el 555 oscila y produce pulsos, a continuación ver en el colector del transistor de potencia en que deberán aparecer pulsos de unos 150 voltios. Medir el voltaje de alta tensión a entre los extremos del condensador C7.
Como se ha comentado se debe medir con una sonda de al menos 100 M de impedancia. Si no se dispone de una sonda puede construirse una fácilmente conectando 9 resistencias de 10 Megohmios en serie con la entrada de un polímetro estándar con 10 M de impedancia. La lectura en voltios estará dividida por 10.
Si se desea construir una fuente de alta tensión y no se necesita la parte detectora se puede cortar el CI por la línea de masa vertical.