Noticia Nº26: Una lata de té que detecta radiactividad

Noticia Nº26: Una lata de té que detecta radiactividad

Una cámara de ionización construida con materiales recuperados de la basura, detectando la radiactividad de un mineral de uranio.

Prácticamente todo el mundo llama “Geiger” a cualquier detector de radiactividad que ven. Todos estamos familiarizados con los clásicos “tics” de un instrumento de este tipo, y a la cabeza se nos viene un tipo envuelto en un traje protector, con uno en la mano haciendo “tic tic” y rodeado de nubes verdes, bidones corroidos liberando un liquido fluorescente y seres mutantes…  pero esta imagen post-apocalíptica que asociamos con la radiactividad, dista bastante de la realidad. Y ni todos los detectores de radiactividad son “Geiger” ni toda fuente de radiactividad esta asociada a mocos verdes fosforescentes. De hecho la radiactividad es un fenómeno natural que nos rodea a todos, que llevamos con nosotros y hay muchas formas de medirla y trabajar con ella.

geiger rutherford
Hans Geiger (izquierda) junto con Ernst Rutherford. Geiger y su estudiante de doctorado Walther Müller, desarrollaron entre 1908 y 1928 el que sería el instrumento mas famoso relacionado con la radiactividad.

El monitor tipo “Geiger-Muller” es un tipo concreto de detector que se engloba en un tipo de detectores de radiactividad llamados de “ionización gaseosa”. Su principio es sencillo: tenemos un tubo o lata metálicos relleno de aire u otro gas, a presion normal o reducida. Se introduce en la lata un electrodo, que se conecta a un circuito amplificador y la lata se somete a un campo eléctrico, creándose un condensador eléctrico.
Cuando una particula radiactiva (alfa, beta o gamma) entra en la lata, puede provocar la ionización de algunos atomos del gas contenido en ella. Los iones generados son acelerados por el campo eléctrico y recogidos por el electrodo.

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Principio de los detectores de ionización en gas. El Geiger es un tipo concreto, que utiliza gas a baja presión y usa el principio de “avalancha” de iones para aumentar su sensibilidad.

Hay tres tipos de detectores de ionización gaseosa:

  • Cámara de ionización
  • Contador proporcional
  • Geiger-Müller

Todos se basan en el mismo principio. La diferencia fundamental estriba en el campo eléctrico al que se somete el detector. En realidad el detector es un condensador cilíndrico y el campo se establece gracias a la tensión de alimentación al que se somete. Como en cualquier condensador, el gas dentro del tubo detector no es conductor, sino un dieléctrico, salvo que se produzcan ionizaciones, entonces pasa “un poquito” de corriente, que puede ser amplificada y medida.

Asi, el voltaje de alimentacion de los tres tipos de detector varía segun esta gráfica:

La camara de ionización funciona entre unos 9-10 voltios y unos 200 voltios. Y el famoso Geiger funciona a alto voltaje, usualmente unos 900 voltios (aunque los soviéticos usaban tubos que eran alimentados a un voltaje mucho mas bajo). Como se ve en la gráfica, los iones colectados son máximos en el tubo Geiger, por ello es el detector mas sensible. Así, los monitores tipo Geiger-Müller se utilizan por doquier para detectar pequeñas cantidades de radiactividad.
La cámara de ionización es el sistema mas antiguo y simple. El principio es sencillo, simplemente se basa en la “recolección” de los pares iónicos generados en el aire dentro de la lata debido al paso de las partículas radiactivas. De ahí que se denominen “radiaciones ionizantes”. La pequeñísima corriente producida se amplifica y mide. Si el voltaje de la cámara es muy bajo (usualmente menos de 10 V) los iones tienen tiempo de recombinarse y el aparato no detecta nada. Es la “zona de recombinación” de la gráfica. Si el voltaje es alto, se producen otros fenómenos, como las avalanchas de iones. Estas avalanchas son la clave de la mayor sensibilidad de los detectores Geiger: el voltaje es tan elevado que los iones provocan nuevas ionizaciones al chocar con otros átomos, en una cascada que esta casi en el límite de la descarga continua.
ionization chamber curie
En la imagen, una cámara de ionización utlilizada por Marie Curie. Es tan simple como parece: una lata metálica con un electrodo central y una válvula para disminuir la presión en el interior. Actualmente se sigue el mismo principio, aunque con mejoras esenciales en la electrónica.
Todos los detectores de ionización en gas son entonces mas sensibles a las radiaciones mas ionizantes. Así, su sensibilidad a la radiación alfa es muy alta y la sensibilidad a la radiación gamma es muy baja. Esto lo veremos particularmente bien con la “lata de té” que vamos a construir: un mineral radiactivo encerrado en su cajita de plástico (que bloquea la radiación alfa y beta) apenas es detectado, sin embargo al sacarlo y acercarlo se puede ver bien.
La cámara de ionización permite trabajar en unas condiciones que facilitan que podamos construir una en casa: el tubo detector puede ser abierto y estar al aire, a diferencia de los tubos Geiger, sellados y rellenos de un gas inerte mezclado con un gas “quencher”. Además, su electrónica puede ser extremadamente sencilla. Son robustas y muy sensibles al radón y la radiacion alfa. Pero lo mejor para aprender cómo se detecta la radiactividad es construir una.

Construcción

Para este pequeño proyecto hacen falta unos conocimientos básicos de electrónica práctica. Vamos a montar una cámara de ionización basada en el uso de amplificadores Darlington para poder detectar la débil corriente generada por las ionizaciones. Formalmente, es un amplificador diferencial con compensación de temperatura muy sencillo, según este esquema, bien conocido:

Esta es la evolución de la primera prueba de concepto que hice, de una sencillez asombrosa. Para circuitos similares y mas evolucionados, recomiendo leer http://www.techlib.com/science/ionpage2.html, teniendo en cuenta que los datos de transistores no se corresponden con los que se encuentran en Europa.

Esta es la parte mas dificil. Si tienes conocimientos de electrónica, no te costará nada montar este circuito usando una placa de prototipos o incluso diseñando una placa de circuito impreso. Esta es la lista de materiales necesarios:

  • una lata de té de estaño, con el interior sin esmaltar. Es importante que sea de estaño, pues hay que soldar sobre ella.
  • Una rejilla metálica recortada de un colador viejo, que utilizaremos como jaula de Faraday.
  • Una fuente de alimentación de entre 9 y  24 voltios. Ideal es recuperar algun alimentador de cualquier aparato que nos de un voltaje entre 10 y 15 voltios.
  • Un voltímetro de panel de 5 voltios de fondo de escala. Puede usarse cualquier polimetro normal o multimetro digital.
  • Dos transistores Darlington NPN tipo BC517
  • Dos transistores Darlington PNP tipo BC516 (los complementarios del anterior)
  • Un potenciometro de 100 k
  • 3 resistencias estandard de 10K de 1/4 watios
  • 2 resistencias estandard de 2,2K
  • una resistencia estandard de 1M
  • un condensador electrolítico de 470 microfaradios o más (opcional)

Y luego, otros materiales para el montaje ya van en función del arte y lo mañoso que sea cada uno. Yo he usado como soporte un trozo de tabla donde he montado todo y el voltimetro de panel lo he montado en un trozo de chapa recogido de la basura. En total, el coste de todos los materiales necesarios asciende a unos 6 euros. No esta mal, comparado con los cientos de euros que cuesta un monitor Geiger normalito.

El electrodo interior del tubo detector es un fragmento de alambre de cobre soldado al colector de uno de los transistores NPN. Se practica un orificio en la base de la lata por donde se pasa el electrodo. Esta parte es delicada, pues en esta zona pueden darse pérdidas que arruinen el detector. Yo he abierto un orificio bastante ancho, he colocado un anillo de goma, he pasado el electrodo y luego lo he fijado con cola termofusible y el sistema ha funcionado a la perfección.

Primer prototipo

Para el primer prototipo, usamos un viejo polímetro didáctico inoperativo. Los profesores del antiguo BUP recordarán estos aparatos. Después de una pequeña reparación del polímetro y con los componentes soldados directamente unos a otros, aquí vemos la cámara respondiendo a un mineral de uranio.

camara ionizacion casera
cámara de ionización ya montada y con los componentes en una placa de circuito impreso.

 

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La cámara midiendo un mineral de uranio

Éste prototipo tenía la desventaja de la inadecuada impedancia del polímetro, baja sensibilidad y un límite de detección de radiactividad bastante alto. Así que vamos a por una segunda cámara mas sensible.

El coste de realización en éste caso es de cero euros, al utilizar materiales recuperados. Veis la lata de té que lleva adosada en su base el circuito amplificador montado en una placa de prototipos, se ve la fuente de alimentación de 12 voltios (recuperada de la basura) y el voltimetro de panel. La cámara de ionización es muy sensible a iones externos, dado que es abierta. Cualquier fuente de iones, como una punta metálica o algo cargado de electricidad estática, hace reaccionar a la cámara, con lo que hay que cerrar la boca de la lata con una rejilla metálica. La rejilla no impide el paso de la radiación alfa y sin embargo apantalla el detector ante iones que no nos interesan.
Una vez activada la cámara, de entrada, si todo esta bien montado, nos dará una lectura elevada (>5V) y un consumo de corriente mínimo. Ahí entra en juego el potenciómetro de 100 k que hemos incorporado en el circuito: alejando toda fuente de ionización, lo giramos hasta que la lectura es cero. Una vez puesto a cero el circuito, podemos empezar a utilizarlo:

Midiendo un mineral de uranio

El mineral que está detectando la cámara de ionización es una brannerita de la Sierra Albarrana. La cámara es sensible a minerales de uranio bastante activos. La sensibilidad de la cámara de ionización es directamente proporcional al poder ionizante de la radiación. Por ello, es muy poco o nada sensible a rayos gamma, sensible a radiación beta y muy sensible a radiación alfa. De modo que si intentamos medir un mineral apantallado, por ejemplo, metiendolo en una cajita de plástico, no detectaremos nada. Sin embargo, al ser muy sensible a rayos alfa, basta una pequeña fuente de un detector de humos para llegar al máximo de la escala.

Detectando un emisor de rayos alfa (americio)

El principio de la cámara de ionización se ha utilizado durante mucho tiempo en los detectores de humo. El detector llevaba una pequeña cámara de ionización con una fuente de rayos alfa (americio-241). Al haber un incendio, las partículas de humo entran en la cámara de ionización, absorbiendo los iones generados por la radiación alfa de la fuente. La caída en la lectura activa la alarma. Este principio de funcionamiento hacía a los detectores muy robustos, sensibles y sin falsos positivos. Un buen experimento que se puede hacer con nuestra cámara de ionización casera es ver el efecto del humo en la lectura.

Como veis, la detección de radiaciones ionizantes es muy sencilla y fabricar un aparato que nos permita observarlas no es privilegio de científicos y laboratorios, sino que cualquier persona en su casa puede montar una a un coste mínimo. Este proyecto es genial, asimismo, para actividades didácticas en enseñanza secundaria o como un proyecto abordable por equipos de alumnos de bachillerato. Y no hay mejor forma de aprender que esta. Una vez fabricada una cámara de ionización casera, se entienden perfectamente el funcionamiento y fundamentos de los detectores de radiactividad. Así, tenemos un proyecto interesante para desarrollar con estudiantes de bachillerato, por ejemplo, y emular con ellos a Marie Curie.

Esta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es::ZTFNews.

 

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