Detectores de Radiación (ART031S)

De cuando en cuando, un accidente nuclear en alguna parte del mundo nos revela un hecho al mismo tiempo real y alarmante: no estamos inmunes al contacto con sustancias radioactivas que pueden escapar al medio ambiente y, lo que es mucho peor, no tenemos usualmente medios prácticos para saber si un objeto que tomamos, un alimento que ingerimos o el agua que bebemos están contaminados, hasta que pasado un tiempo sus efectos se presentan de manera irreversible, cuando no se puede ya hacer nada.

La única manera de lograr una monitorización constante de la eventual presencia de sustancias radioactivas es por medio de detectores. Si bien los componentes básicos usados en su construcción no son comunes, describimos un proyecto práctico que incluye tres detectores de radiación convencionales de gran eficiencia.

Lo que caracteriza una sustancia radioactive es su descomposición lenta (transformación) con la emisión de partículas subatómicas, algunas de gran penetración. La radioactividad de determinadas sustancias puede perdurar por anos o incluso miles de anos, y es medida en un factor denominado “vida media”.

Así, decimos que una sustancia radioactiva posee una “vida media" de 50 anos, cuando se necesita este tiempo para que una cierta cantidad de la misma se reduzca a la mitad.

Está claro que la sustancia no desaparecerá en los 50 anos siguientes, reduciéndose la otra mitad a cero. Lo que ocurre es que transcurridos 50 anos mas, la mitad quedará reducida a 1/4.

Note que de este modo, la sustancia no se reduce a cero, ya que siempre queda la mitad de la mitad, en un proceso que nos lleva a una curva exponencial como muestra la figura 1.

Figura 1

Las sustancias radioactivas están formadas por átomos inestables que "explotan" de tiempo en tiempo, emitiendo "astillas" que son las partículas subatómicas que denominamos radiación.

Un cuerpo que tiene átomos que están "explotando" en un proceso continuo, que lleva con el tiempo a su aniquilación, es denominado radioactivo.

Los principales tipos de partículas que son emitidas por un cuerpo radioactivo son tres, como muestra la tigura 2.

 

Las partículas alfa (α) son las más "pesadas" pues consisten en núcleos de helio (dos protones y dos neutrones) con pequeña penetración y una carga eléctrica positiva. Hasta una película fina de aluminio puede bloquear a estas partículas.

Las partículas beta (β) son mas penetrantes, ya que consisten en electrones (negativos) fuertemente acelerados que consiguen atravesar objetos bastante gruesos.

Pero las más penetrantes de todas son las partículas gama (γ) que consisten en radiaciones electromagnéticas de cortísima longitud de onda y que pueden atravesar incluso obstáculos de gran porte como paredes de concreto, y plomo de muchos centímetros de grosor y hasta metros!

El gran problema para nuestra salud es que estas partículas al chocar contra los átomos de las sustancias orgánicas que forman parte de nuestro cuerpo, pueden destruirlos. Esto significa que las células de nuestro cuerpo pueden sufrir un serio desequilibrio químico, lo cual puede producirles la muerte.

Los millares y millares de partículas que son emitidas por el cuerpo radioactivo hacen entonces un trabajo de destrucción lenta, pero constante, matando las células de nuestro cuerpo (figura 3).

 

Las células que se ocupan de la defensa de nuestro organismo, encargadas de producir nuevas células sustituyendo a las que mueren, son las más afectadas.

Con esto, quedamos completamente indefensos y la muerte puede llegar al poco tiempo.

Así, la mejor protección contra la radiación es evitar la exposición a la misma.

Si la exposición es corta, en general no ocurre nada, pues el organismo "reacciona" produciendo las células que resulten muertas eventualmente. Las personas que trabajan en medios que manifiesten radioactividad llevan “dosimetros", aparatos que permiten saber qué "dosis" de radiación han recibido, para así evitar que la misma alcance valores peligrosos.

Los detectores que describimos son del tipo convencional, que usan válvulas "Geiger-Múller", y sirven para acusar la presencia de las partículas ionizantes (dotadas de cargas eléctricas) como las del tipo Alfa y Beta.

Daremos tres versiones, 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 usa un instrumento.

Los circuitos son simples y pueden, eventualmente, ser perfeccionados con el fin de usarlos en investigaciones más avanzadas como el recuento de partículas, el disparo de alarmas, etc.

Obs. El articulo és de 1988.

Como Funcionan

El "corazón" de nuestros detectores es una válvula "Geiger-Múller" cuya estructura aparece en la figura 4.

 

Esta válvula consiste en un tubo de paredes finas, lleno de un gas a baja presión y que presenta una ventana de mica para permitir el pasaje de la radiación menos penetrante que es la de partículas alfa.

Sometemos a esta válvula a una tensión elevada, entre 300 y 800 volt, de modo que el gas en el interior queda próximo al punto de ionización. En estas condiciones, ninguna corriente circula entre los electrodos de la válvula.

Cuando una partícula de radiación ionizante entra en el tubo y atraviesa el gas, éste se vuelve momentaneamente conductor de corriente. Este pulso puede entonces ser conducido a los circuitos electrónicos siguientes.

Tenemos dos posibilidades para estos circuitos: en un detector sonoro bastará conectar un audífono o bien una, etapa amplificadora de audio con un altoparlante. A cada pulso correspondiente a una partícula radioactiva tendremos un “clic" o chasquido perfectamente audible.

Por la cantidad de chasquidos podemos saber si un material es o no radioactivo, o si un lugar está o no contaminado.

La frecuencia de los clics nos permite hasta medir la radiación.

Otra posibilidad consiste en conectar un integrador a la salida del tubo y así tendremos una suma de los pulsos que será indicada en un instrumento. El instrumento puede ser calibrado entonces en términos de Roentgen. Esta unidad puede ser definida como la cantidad de radiación que produce un número de iones que equivale a una unidad electroestática de cada polo (2 x 109 pares de iones) en 1 cm3 de aire seco a 0ºC y 760 mm de presión (Hg).

Para nuestros circuitos usamos una válvula que precisa por lo menos 300V para poder funcionar.

En el caso de una alimentación de la red general obtenemos la alta tensión de un 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 470K.

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 600V para el tubo.

Las etapas de amplificación de audio y medición son convencionales con transistores. El indicador es un Vumetro.

Circuito l: Detector para Alimentación Vía Red

En la figura 5 tenemos el diagrama completo de esta versión y el montaje en placa del circuito impreso aparece en la figura 6.

 

Figura 6

Debemos abrir aquí un paréntesis para hablar del montaje del tubo Geiger-Müller del tipo ZP1406 (Philips). Este tubo es extremadamente delicado, y no debe ser manejado bruscamente, pues cualquier golpe puede dañar su ventana de mica (que es muy frágil).

Optamos en nuestro montaje por un tubo de PVC acolchado, con un mango de goma del tipo manubrio de bicicleta, que puede ser adquirido en tiendas de bicicletas .

El cable de conexión al circuito es un cable coaxial con un enchufe.

En la figura 7 damos pormenores de la conexión del sensor.

 

El transformador usado es del tipo 220V de primario con 6+6V x 100mA ó más de secundario. El secundario es usado para la alimentación del amplificador transistorizado.

Los capacitores C1, C2 y C3 son de alta tensión, con por lo menos 600 V pudiendo ser de poliéster metalizado o equivalente, y su valor no es crítico: se pueden usar sin problemas valores entre 150 nF y 470 nF.

Para los diodos D3, D4 y D5 se pueden usar como equivalentes los BY127 en las tres versiones.

EI capacitor C4 debe tener una tensión de trabajo entre 12 y 16 V y los resistores son de 1/8 ó 1/4W.

Prueba y uso

Para probarlo no hace falta disponer de ninguna sustancia radioactiva, pues la propia naturaleza se encarga de proveer la radiación.

De hecho, la Tierra está siendo bombardeada constantemente por rayos cósmicos y algunos de ellos consiguen llegar hasta la superficie. Cuando uno de estos rayos alcanza la válvula Geiger, lo que ocurre en intervalos del orden de algunas decenas de segundos, se otra un chasquído en el altoparlante.

Deje conectado el aparato durante algunos minutos y observe si oye por lo menos uno o dos chasquídos. Si ocurre esto, el aparato funciona, pues esta detectando rayos cósmicos.

Para usarlo, basta salir al campo y aproximar el sensor a las sustancias "sospechosas". La producción de chasquídos indica la presencia de radiación.

Circuito II: Detector Portátil con Indicación Sonora

Este circuito portátil puede ser alimentado con pilas medias o grandes y proporciona información mediante su altoparlante.

En la figura 8 tenemos el diagrama completo que es bastante semejante en la parte detectora a la versión anterior.

 

La placa de circuito impreso aparece en la figura 9.

Figura 9

Para el inversor usamos um transformador de 6+6V con 100 a 250 mA de corriente y primario de 220V.

EI transistor TIP31 debe montarse en un disipador de calor pequeño.

El capacitor C3 puede ser de poliéster o cerámica y C1 debe tener una tensión de trabajo a partir de 6V. Los demás componentes, de la parte detectora de alta tensión y amplificadora, son los mismos que la versión anterior.

El montaje del sensor debe hacerse también como en el caso de la versión anterior.

Para las pilas se debe usar un soporte apropiado y en función de su tamaño se debe elegir la cajá para el montaje.

Prueba y uso

Coloque las pilas en el soporte y conecte un multímetro en R2 (salida de 220V del transformador) en la escala de tensiones alternantes que permita medir por lo menos 220V. Ajuste TP1 para que la lectura sea como mínimo de 120V.

Observe que este valor no es real, pues el multímetro representa una carga que reduce la tensión.

En abierto o con el multiplicador solamente esta tensión crece.

Si no tuviera multímetro disponible, bastará ajustar TP1 para que se perciba un zumbido fuerte en el transformador, indicando su operación,y después probar el detector con una fuente de radiación.

Recordamos que el sensor es muy delicado y no debe sufrir golpes o sacudidas.

Circuito III: Detector con Indicador Visual

La versión mostrada en la figura 10 utiliza un galvanómetro como indicador que puede ser calibrado en unidades convencionales para un trabajo cuantitativo de investigación de radiación.

Figura 10

La placa de circuito impreso para esta versión aparece en la figura 11.

Figura 11

Casi todos los componentes son los mismos de la versión anterior, y valen entonces las especificaciones ya dadas. Solamente aparece como elemento nuevo el instrumento M1.

Se trata de un microamperímetro de un VUmetro de aparato de audio con fondo de escala entre 100 y 250 µA. EI tipo original fue de 200 µA, pero otros de sensibilidad cercana también sirven.

El resistor R6 eventualmente puede ser sustituido por un trimpot de 1k para facilitar el ajuste del fondo de escala.

La red R5/C7 forma el integrador cuyos valores pueden ser alterados en función de la escala. Así, para R5 sugerimos valores entre 100k y 470k, mientras que en un trabajo más crítico se puede usar un trimpot de 470k en serie con un resistor de 100k y para el capacitor, valores entre 220 nF y 1uF.

Prueba y uso

Para la prueba seria necesario usar una fuente de radiación de intensidad conocida para ajustar la escala del instrumento, en un trabajo más critico.

Para un trabajo menos critico basta apenas observar si hay deflexión de la aguja cuando se aproxima el sensor a una fuente de radiación más intensa.

TP1 debe ser ajustado para el mejor rendimiento, cuando se obtiene Ia máxima tensión alternante sobre R2.