Construcción de una sencilla electrónica para detectores de partículas.

Introducción.

Nuevo circuito con fotolito

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 (escintillator).

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 esta 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. No es muy difícil, al final se da una referencia de un articulo del investigación y ciencia donde se describe uno. El proyecto es tan interesante que el profesor Frank de Copenhague tiene en su cartera uno en proyecto. El problema es que esta muy ocupado.

Diferentes tubos Geiger. Para apreciar las dimensiones tengasé en cuenta que la cuadricula es de 5 mm.¡

Detectores de centelleo.

Quien se haya leído el proyecto del espintaroscopio 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.

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.

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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.

Ver sección 2.