El accidente de Goiânia (GO – Brasil – 1987 (*)) nos revela un hecho al mismo tiempo real y alarmante: no estamos inmunes al contacto con sustancias radiactivas que pueden escapar al medio ambiente y, lo que es mucho peor que eso, no tenemos medios prácticos saber si un objeto en que tocamos, un alimento que ingerimos o incluso el agua que bebemos está contaminada, a no ser mucho tiempo después cuando sus efectos se hagan presentes y de forma irreversible, cuando no hay nada más que hacer. La única manera de tener un seguimiento constante de la eventual presencia de sustancias radiactivas es por medio de detectores. Si bien los componentes básicos utilizados en su construcción no son comunes, describimos un diseño práctico que incluye tres detectores de radiación convencionales de gran eficiencia.
Lo que caracteriza una sustancia radiactiva es su lenta descomposición (transformación) con la emisión de partículas subatómicas, algunas de gran penetración.
La radiactividad de determinadas sustancias puede perdurar por años o incluso miles de años, siendo medida en un factor denominado "media vida".
Así, decimos que una sustancia radioactiva posee una "media vida" de 50 años, cuando se necesita este intervalo de tiempo para que una cierta cantidad de la misma se reduzca a la mitad.
Está claro que la sustancia no desaparecerá en los 50 años siguientes, reduciéndose la otra mitad a cero. Lo que ocurre es que transcurridos 50 años más, la mitad se reducirá a 1/4.
Se percibe de este modo que, por más que el tiempo pase, la sustancia no se reduce a cero, pero siempre la mitad de la mitad en un proceso que nos lleva a una curva exponencial como muestra la figura 1.
Las sustancias radiactivas están formadas por átomos inestables que "explotan" de vez en cuando, emitiendo "astillas" que son las partículas subatómicas que denominamos radiación.
Un cuerpo que tiene átomos que están explotando en un proceso continuo, que lleva su aniquilación con el tiempo, es llamado radiactivo.
Los principales tipos de partículas que se emiten por un cuerpo radiactivo son tres, como se muestra en la figura 2.
Las partículas alfa (?) son las más pesadas, pues consisten en núcleos de helio (dos protones y dos neutrones) con pequeña penetración y una carga eléctrica positiva.
Incluso una fina hoja de aluminio puede bloquear estas partículas.
Más penetrantes son las partículas beta (β) que consisten en electrones (negativos) fuertemente acelerados que logran atravesar objetos incluso espesos.
Pero, las más penetrantes de todas son las partículas gamma (γ) que consisten en radiaciones electromagnéticas de corto longitud de onda y que pueden atravesar incluso obstáculos de gran tamaño como paredes de hormigón y plomo de muchos centímetros de espesor e incluso metros!
El gran problema para nuestra salud es que estas partículas al alcanzar los átomos de las sustancias orgánicas que forman parte de nuestro cuerpo pueden destruirlos.
Esto significa que las células de nuestro cuerpo en que están estos átomos pueden sufrir un serio desequilibrio químico y con ello ser llevadas a la muerte.
Los miles y miles de partículas, que son emitidas por el cuerpo radiactivo, hacen entonces un trabajo de destrucción lenta pero constante, matando las células de nuestro cuerpo. (figura 3)
Las células que se encargan de la defensa de nuestro organismo encargadas de producir nuevas células sustituyendo a las que mueren, son las más afectadas. Con eso, quedamos completamente indefensos y la muerte puede venir con poco tiempo.
En fin, la mejor protección contra la radiación es evitar la exposición a la misma. Si la exposición es corta, en general, nada sucede porque el organismo todavía "reacciona" reproduciendo eventuales células que son muertas.
Los aparatos denominados "dosímetros" son transportados por personas que trabajan en medios que manifiestan radioactividad y permiten saber cuál es la "dosis" de radiación recibida y así evitar que ella alcance valores peligrosos.
Los detectores que describimos son del tipo convencional que utilizan válvulas "Geiger-Müller", sirviendo para acusar la presencia de las partículas ionizantes (dotadas de cargas eléctricas) como las del tipo Alfa y Beta. (El artículo es de 1987. Existen actualmente otros tipos de detectores como os de estado sólido.)
Daremos tres versiones, siendo una para ser usada en laboratorios con alimentación por la red local y dos de uso portátil (con pilas).
De las portátiles, una tiene indicación sonora de la presencia de radiación y la otra utiliza un instrumento. Los circuitos son simples y, eventualmente, se pueden perfeccionar en el sentido de ser utilizados en investigaciones más avanzadas como el conteo de partículas, el disparo de alarmas, etc.
CÓMO FUNCIONAN
El "corazón" de nuestros detectores es una válvula "Geiger-Müller" cuya estructura se muestra en la figura 4.
Esta válvula consiste en un tubo de paredes finas, lleno de un gas a baja presión y presentando una ventana de mica para permitir el paso de la radiación menos penetrante que es la de las partículas alfa.
Hemos sometido esta válvula a una tensión elevada, entre 300 y 800.voltios, de modo que el gas en el interior está cerca del punto de ionización.
En estas condiciones, no hay corriente que circula entre los electrodos de la válvula.
Cuando una partícula de radiación ionizante entra en el tubo y atraviesa el gas, éste se vuelve momentáneamente conductor de corriente, proporcionando así un pulso de corriente.
Este pulso puede ser llevado a los siguientes circuitos electrónicos.
Tenemos dos posibilidades para estos circuitos: en un detector sonoro bastará conectar un auricular o un paso amplificador de audio con un altavoz.
A cada pulso que corresponde a una partícula radioactiva tendremos un "clic" o chasquido perfectamente audible.
Por la cantidad de los chasquidos podemos saber si un material es o no radiactivo o si un local está o no contaminado.
La frecuencia de los clics (parpadeos) nos permite medir la radiación.
Otra posibilidad consiste en conectar un integrador a la salida del tubo y así tener una suma de las muñecas que será indicada en un instrumento.
El instrumento puede ser calibrado entonces en términos de Roentgen. Esta unidad puede definirse como la cantidad de radiación que produce en 1 cm3 de aire seco a 0 °C y 760 mm de presión (Hg) un número de iones que equivale a una unidad electrostática de cada polo (2 x 109 pares de iones) .
Para nuestros circuitos usamos una válvula que necesita al menos 300 V para poder funcionar.
En el caso de la alimentación por la red obtenemos la alta tensión de un auto-transformador conectado a un triplicador de tensión.
Como la corriente es muy baja, el triplicador trabaja con capacitores de bajo valor y la carga del tubo es un resistor de 470 k.
En el caso de la alimentación por pilas, usamos un inversor transistorizado con consumo de corriente relativamente pequeño y un transformador que aplica la señal a un triplicador que nos lleva a obtener entre 300 y 600 V para el tubo.
Los pasos de amplificación de audio y medición son convencionales con transistores. El indicador es un VU-meter.
MONTAJES
CIRCUlTO l: DETECTOR PARA ALIMENTACIÓN VIA RED
En la figura 5 tenemos el diagrama completo de esta versión;
El montaje en placa de circuito impreso se muestra en la figura 6.
Debemos abrir un paréntesis para hablar del montaje del tubo Geiger-Müller del tipo ZP1406 (Philips).
Este tubo es extremadamente delicado, no debe ser manejado bruscamente pues cualquier golpe puede dañar su ventana de mica (que es fragilísima).
Optamos en nuestro montaje por un tubo de PVC acolchado con un cable de goma del tipo de manillar de bicicleta que se puede adquirir en supermercados.
El cable de conexión al circuito es un cable coaxial con un enchufe.
En la figura 7 damos detalles de la conexión del sensor.
El transformador utilizado es del tipo 110/220 V de primario con 6 + 6 V x 100 mA o más de secundario.
El secundario se utiliza para la alimentación del amplificador transistorizado.
Los capacitores C1, C2 y C3 son para alta tensión, con al menos 600 voltios, pudiendo ser de poliéster metalizado o equivalente, y su valor no es crítico.
Los valores entre 150 nF y 470 nF se pueden utilizar sin problemas.
Para los diodos DS, D4 y D5 se pueden utilizar como equivalentes a los BY127 en las tres versiones.
El capacitor C4 debe tener una tensión de trabajo entre 12 y 16 V, y los resistores son de 1/8 o 1 / 4W.
PRUEBA Y USO
Para la prueba no es necesario disponer de ninguna sustancia radiactiva, pues la propia naturaleza se encarga de proporcionar la radiación.
De hecho, la tierra está constantemente siendo bombardeada por rayos cósmicos y algunos de ellos logran llegar hasta la superficie.
Cuando uno de estos radios alcanza la válvula Geiger, lo que ocurre en intervalos de orden de algunas decenas de segundos, un chasquido será escuchado en el altavoz.
Deje encendido el aparato durante unos minutos y observe si al menos uno o dos chasquidos son oídos. Si esto ocurre, el aparato está bien, ya que está detectando rayos cósmicos.
Para usar es sólo salir a campo y acercar el sensor de la sustancia "sospechosa". La producción de chasquidos indica la presencia de radiación.
V1 - válvula Geiger-Müller ZP1406 o equivalente (Philips)
Q1 - BC0558 o equivalente - transistores PNP
Q2 - BC548 o equivalente - transistores NPN
D1, D2 - 1N4002 o equivalentes - diodos rectificadores
D3, D4, D5 - 1N4007 o BY127 - diodos rectificadores
S1 - Interruptor simple
S2 - llave de 1 polo x 2 posiciones
F1 - 500 mA - fusible
T1 - transformador de 110/220 V x 6 + 6 V x 100 mA o más de corriente
FTE - altavoz pequeño de 8 ohms
C1, C2, C3 - 150 a 470 nF x 600 V - capacitores de poliéster (valor recomendado = 220 nF)
C4 - 1500 uF x 12 V - cap. electrolítico
C5 - 47 nF - capacitor de cerámica o de poliéster
R1 - 10 k - resistor (marrón, negro, naranja)
R2 - 470 k - resistencia (amarillo, violeta, amarillo)
R3 - 2M2 - resistor (rojo, rojo, verde)
Varios: caja para montaje, hilos, placa de circuito impreso, cable blindado, cable de alimentación etc.
CIRCUITO 2 - DETECTOR PORTATIL CON INDICACION SONORA
Este circuito portátil puede ser alimentado con pilas medias o grandes y proporciona indicación en altavoz.
En la figura 8 tenemos el diagrama completo que es bastante similar en la parte detectora a la versión anterior.
La placa de circuito impreso se muestra en la figura 9.
Para el inversor utilizamos un transformador de 6 + 6 V con 100 a 250 mA de corriente y primario de 110 / 220V, la toma central (110 / 127V) no se utiliza.
El transistor TlP31 debe montarse en un radiador de calor. El capacitor C3 puede ser de poliéster o cerámica y C1 debe tener tensión de trabajo a partir de 6 V.
Los demás componentes, de la parte detectora de alta tensión y amplificadora, son los mismos de la versión anterior.
El montaje del sensor debe realizarse también como en el caso de la versión anterior.
Para las pilas se debe utilizar un soporte apropiado y en función de su tamaño debe elegirse la caja para montaje.
PRUEBA Y USO
Coloque las pilas en el soporte y conecte un multímetro en R2 (salida de 220 V del transformador) en la escala de tensiones alternas que permita medir al menos 200 V.
Ajuste TP1 para que la lectura sea por lo menos de 120 V. Observe que este valor no es real, ya que el multímetro representa una carga que reduce la tensión.
En abierto o con el multiplicador sólo esta tensión crece.
Si no tiene multímetro disponible, bastará ajustar TP1 para que un zumbido fuerte sea percibido en el transformador, indicando su operación, y luego probar el aparato con una fuente de radiación, reajustando TP1.
El procedimiento de uso para el detector es el mismo de la versión anterior: basta acercar el sensor de la fuente de radiación. Recuerde que el sensor es muy delicado y no debe someterse a golpes o golpes.
V1 - ZP1406 - válvula Geiger-Müller (Philips)
Q1 - TIP31 - transistores NPN de potencia
Q2 - BC548 - transistores NPN
Q3 - BC558 - transistores PNP
D1, D2, D3 - 1N4007 o BY127 - diodos rectificadores
T1 - transformador de 110/220 V x 6 + 6 V de 100 a 250 mA
S1 - interruptor simple
B1 - 4 pilas medias o grandes (preferiblemente alcalinas)
FTE - altavoz de 8 ohms
TP1 - 4k7 - trimpot
C1 - 1 000 uF - capacitor electrolítico
C2 - 100 nF - capacitor de poliéster o cerámico
C3 - 47nF - capacitor de poliéster o cerámico
C4, C5, C6 - 150 a 470 nF x 600 V - capacitores de poliéster (valor recomendado 220 nF)
C7 - 47 nF - capacitor de poliéster o cerámico
R1 - 1 k - resistor (marrón, negro, rojo)
R2 - 10 k - resistor (marrón, negro, naranja)
R3 - 47 k - resistencia (amarillo, violeta, naranja)
R4 - 470 k a 1M5 - resistencia (encontrar valor para mayor sensibilidad) - valor recomendado inicialmente 470 k
R5 - 2M2 - resistor (rojo, rojo, verde)
Varios: placa de circuito impreso, caja para montaje, soporte de pilas, cable blindado, jack y enchufe, hilos, soldadura, etc.
CIRCUITO 3: DETECTOR CON INDICADOR VISUAL
La versión mostrada en la figura 10 utiliza un galvanómetro como indicador, el cual puede ser calibrado en unidades convencionales para un trabajo cuantitativo de investigación de radiación.
La placa de circuito impreso para esta versión se muestra en la figura 11.
Casi todos los componentes son los mismos de la versión anterior, valiendo entonces las especificaciones dadas.
Sólo el instrumento M1 aparece como un elemento nuevo. Se trata de un microamperímetro aprovechado de un VU-meter de aparato de sonido con fondo de escala entre 100 y 250 uA.
El tipo original fue de 200 uA, pero otros de sensibilidad cercana sirven.
La resistencia R6 eventualmente puede ser sustituida por un trimpot de 1 k para facilitar el ajuste del fondo de escala.
La red R5 / C7 forma el integrado que puede tener valores alterados en función de la escala. Así, para R5 sugerimos valores entre 100 k y 470 k, pudiendo en un trabajo más crítico utilizar un trimpot de 470 k en serie con un resistor de 100 k y para el capacitor valores entre 220 nF e1 uF.
PRUEBA Y USO
Para la prueba sería necesario utilizar una fuente de radiación de intensidad conocida para ajustar la escala del instrumento en un trabajo más crítico.
Para un trabajo menos crítico basta sólo obseve si hay deflexión de la aguja cuando la aproximación del sensor de una fuente de radiación más intensa.
TP1 debe ajustarse para el mejor rendimiento, cuando entonces la tensión máxima se obtiene sobre R2.
V1 - ZP1406 - válvula Geiger-Müller (Philips)
Q1 - TIP31 - transistores NPN de potencia
Q2 - BC548 - transistores NPN
Q3 - BC558 - transistores PNP
D1, DZ, D3 - 1N4007 o BY127 - diodos rectificadores
B1 - 6 V - 4 pilas medias o grandes (preferiblemente alcalinas)
T1 - transformador con primario de 110/220 V y secundario de 6 + 6 V de 100
a 250 mA
S1 - interruptor simple
M1 - microamperímetro de 0-200 uA (VU)
TP1 - 4k7 - trimpot
C1 - 1000 uF x 6 V - capacitor electrolítico
C2 - 47 nF - capacitor de cerámica o de poliéster r
C3 - 100 nF - capacitor de cerámica o de poliéster
C4, C5, C6 - 150 a 470 nF x 600 V - capacitores de poliéster
C7 - 470 nF a 1uF - capacitor cerámico, de poliéster o electrolítico
R1 - 1 k - resistor (marrón, negro, rojo)
R2 - 10 k - resistor (marrón, negro, naranja)
R3 - 47 k - resistencia (amarillo, violeta, naranja)
R4 - 470 k a 1M5 - resistencia (elegir el mejor valor)
R5 - 100 k - resistor (marrón, negro, amarillo)
R6 - 1k2 - resistor (marrón, rojo, rojo)
Varios: placa de circuito impreso, caja para montaje, material para el sensor, cable blindado, soporte para 4 pilas medianas o grandes, hilos, soldadura, etc.