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Número 2

Revista Electrónica de Daganzo


INTRODUCCION: Las radiaciones son un fenómeno natural que proviene de lo mas interno de la materia, hemos identificado algunos tipos de radiación como materia desprendida las partículas alfa, otros tipos son electrones y otros son radiaciones electromagnéticas . Casi todo nuestro saber en cuanto a la naturaleza de la materia que nos rodea y de la que estamos formados nos conduce a intentar descifrar la naturaleza de las mismas radiaciones. Cuando descomponemos la materia en partículas más pequeñas, mediante el choque de una partículas contra otras, los físicos intentan descifrar en los fragmentos, el secreto interno de la misma materia. Como cuando destrozamos un reloj e intentamos descifrar por los fragmentos el funcionamiento mismo del reloj. Pero la cosa puede no ser así, si metemos en un a batidora de cocina un pastel, un trozo de carne, un pescado y un pollo, los pulverizamos. Si esta mezcla se la damos a alguien que nunca haya conocido estos productos y le preguntamos por la naturaleza y forma de ellos, casi seguro sus respuestas serian erróneas. Con esto quiero decir que el método físico de destrozar la materia y con sus partes intentar explicar la naturaleza de la misma, es erróneo y muy fácilmente nos conducirá a fallos de base. Para concebir una buena base de la naturaleza de la materia hemos de pensar que la misma materia puede ser una de las manifestaciones de “algo” que por nuestra misma naturaleza nos impide ver, en ese “algo” podemos integrar fenómenos como la gravedad y el magnetismo. El ser humano se encuentra rodeado de cierta cantidad de radiación. En este número hablaré de su procedencia, de cómo nos puede ser útil o perjudicial, y de cómo fabricar y utilizar este detector para alertarnos de las condiciones peligrosas.

A.Gonzalez

2009


Los seres humanos hemos estado expuestos a las radiaciones ionizantes de origen natural a lo largo de millones de años, a consecuencia de las reacciones nucleares que ocurren continuamente en el Sol y en otras estrellas. Las radiaciones que emiten viajan a través del espacio y una pequeña cantidad de las mismas llega a la Tierra. En el suelo también existen fuentes naturales de radiación ionizante, la mas familiar y frecuente de estas fuentes es el uranio.

Radiación ionizante La radiaciones ionizantes son las radiaciones que tienen la facultad de eliminar electrones (proceso de ionización), cuando golpean o pasan a través de un átomo electricamente neutro. Estas radiaciones, descubiertas hace más de 100 años se les dio el nombre de rayos X debido a su naturaleza desconocida. Los rayos X se pueden generar en un tubo de vacío conectando el cátodo y el ánodo a una tensión comprendida entre 25.000 y 250.000 voltios. Desde el cátodo los electrones viajan a enorme velocidad hacia el ánodo donde al golpear su superficie metálica produce los rayos X. Los rayos X tienen la capacidad de penetrar a través de un gran número de materiales, incluyendo los tejidos del cuerpo, y esto hace de ellos una potente herramienta en medicina y en la física. En la actualidad se sabe que los rayos X son "cuantos" o paquetes de energía electromagnética, también llamados fotones. Se han encontrado otros materiales que supuestamente inertes también emiten radiaciones similares, estos materiales forman un tipo de elementos radiactivos denominados radioisótopos. Una de las radiaciones emitidad por estos materiales, los rayos gamma, es similar a los rayos X. Los radioisótopos también emiten rayos alfa y rayos beta. La emisión de los rayos gamma, alfa o beta provoca que el radioisótopo cambie de un tipo de átomo a otro, es decir pasa de un elemento a otro dentro de la tabla periódica. En la imagen observamos la diferente desviación que presentan estas radiaciones en presencia de un campo magnético.

Los rayos alfa son núcleos ionizados de Helio-4, formados por dos protones y dos neutrones pero sin envoltura de electrones, por tanto su carga es eléctrica positiva y su masa es de 4. Estos átomos se generan normalmente en reacciones nucleares de desintegración radiactiva de otros núcleos que se transmutan en elementos más ligeros al emitir estas partículas. Y debido a su masa no pueden atravesar espesores de varias hojas de papel.

Un ejemplo de la desintegración alfa es la transmutación del Uranio 238 en Torio 234 desprendiendo una partícula alfa.


Los rayos beta son electrones animados de gran velocidad, o sea rayos catódicos muy rápidos: su velocidad se determina por la desviación que sufren en un campo magnético y eléctrico donde se han llegado a observar velocidades del 99,6% de la luz. Si un átomo emite una partícula beta, su carga eléctrica aumenta en una unidad positiva y su número de masa no varia. Ello es debido a que la masa del electrón es despreciable frente a la masa total del átomo.

Al emitir una partícula beta, el átomo queda con una carga positiva más, para compensar el total de la carga eléctrica , con lo que el número de electrones disminuye. Este proceso es debido a la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón. (desintegración beta).

Los rayos gamma pueden identificarse con los rayos Röntgen (rayos X) de pequeñísima longitud de onda. Es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones, producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positron-electron. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos. Los rayos gamma se producen en la desescitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural. En general, los rayos gamma producidos en el espacio no llegan a la superficie de la Tierra, pues son absorbidos en la alta atmósfera. Para observar el universo en estas frecuencias, es necesario utilizar globos de gran altitud u observatorios espaciales La cadena de desintegración, la siguiente tabla muestra la cadena completa de desintegración radiactiva para el uranio, comenzando en el U328 y terminando en un isótopo de plomo estable. Se puede ver que la vida media de los átomos en esta cadena varia entre los 4,5 millones de años hasta los 164 microsegundos, una diferencia asombrosa.

Solamente se muestra el primer tipo de rayo emitido, pero como la desintegración radiactiva es un fenómeno complejo, se pueden producir emisiones secundarias de los otros tipos de rayos.


Radiación natural. El uranio y sus productos de desintegración son los materiales radiactivos más normales en el suelo. Se pueden encontrar en cualquier parte. Todos los isótopos de la cadena de desintegración del uranio son sólidos excepto el radón, el único gas radiactivo. El gas radón se encuentra en elevada concentración en el suelo y en las rocas que contienen granito, esquistos y fosfatos.

El radón, como es un gas, se desplaza desde el suelo hasta la atmósfera, es incoloro, inodoro e insípido; no arde ni se oxida rápidamente. En los últimos años se ha descubierto este gas en los sótanos de algunas casas. La tabla muestra el número de cuentas por minuto que producen diversas concentraciones de gas radón en un contador Geiger

Radiación de fondo Esta radiación ambiente vendrá dada por contribuciones como los rayos cósmicos, ruido debido al propio detector que usamos, radiación de elementos situados en el laboratorio Como nota importante con ayuda de un detector geiger obtendremos una lectura aproximada de la radiación. Esta radiación varia con la hora solar, con las manchas solares, y con la estación del año. La siguiente medida se hizo durante quince minutos, obteniendo 348 cuentas. El resultado será 348±19. El número de cuentas por minuto es 23±1. Un sensor geiger consiste básicamente en un recinto cerrado que contiene un gas 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 sensores 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 más gruesas sean las paredes del geiger menos sensible será a la radiación de baja energía. Cuanto más volumen tenga un sensor geiger más sensible será.

La siguiente tabla nos muestra las características de varios modelos de sensores geiger, es interesante destacar que los detectores con ventana de fina película de mica son los capaces de detectar las partículas alfa. Geiger Mueller Tubos Modelo

3504W 5602W Alfa ,Beta Radiación Alfa, Beta Gamma, Detectada Gamma, X-ray X-ray Tipo de Base 4 pin 1 pin Diámetro, pulgadas 1.375 2.120 Longitud. pulgadas 4.1 3.1 Ancho de la . . carcasa, mg/cm2 Ancho de la 1.8 - 2.0 1.8 - 2.2 ventana, mg/cm2 Voltaje, V 900 900 Plateau Slope, % / 10 10 100 V

1607T

1504W

0803

0502

Beta, Gamma

Alfa, Beta Gamma, X-ray

Beta, Gamma

Beta ,Gamma

3 pin 0.625 3.4

1 pin 0.590 1.6

. 0.310 1.3

. .200 0.9

30 - 40

250

30 - 40

80 - 100

.

1.8 - 2.4

.

.

900

500

500

550

10

6

8

30

Es importante destacar los tipos de radiación que son capaces de detectar y su voltaje de funcionamiento.

El Contador Geiger, normalmente un contador geiger es una herramienta de campo, utilizado en la búsqueda de radioactividad de los minerales u objetos que podemos encontrarnos, también lo usamos para el estudio de gases radioactivos como el argón y por último también lo podemos utilizar para el estudio de la radiación de fondo, la que recibimos continuamente.


Básicamente consta de un sensor Geiger, una fuente de alto voltaje que opere sobre este sensor, un amplificador de señal obtenida por el sensor y por último un sistema de monitorizar estas señales, mediante un altavoz, un medidor analógico, o un contador digital.

Podemos usar dos disposiciones básicas en la forma de conectar nuestro tubo geiger, la variante a se utiliza con un amplificador que integra la división de tensión, circuito más común. En la variante b desacoplamos el amplificador del sensor por medio de un condensador.

La fuente de alta tensión: Como herramienta de campo, el contador geiger nos exige del diseño de una fuente de alto voltaje con un buen rendimiento, pues si no, agotaría muy pronto las pilas. Afortunadamente el sensor no consume apenas corriente y por lo tanto podemos utilizar una fuente constituida por un oscilador a transistor, un multiplicador de tensión y un corrector de tensión de salida.

Esta fuente utiliza un transistor Q8 como oscilador y los transistores Q6 y Q7 como corrector de voltaje, estos dos transistores se encargan de despolarizar al oscilador si la corriente de salida excede el voltaje señalado por los diodos zeners (D7,D8 y D9) ajustados a 500 voltios. En el centro a la salida del transformador nos encontramos el multiplicador de tensión. Esta fuente tiene la ventaja de ser muy estable y presentan un bajo consumo de pila. El Amplificador y el corrector de pulso: cuando una radiación penetra en el sensor geiger, se polariza el gas que contiene y se crea una descarga en su interior entre sus terminales. Esta descarga es de baja intensidad y tiempo muy corto. Por lo tanto debemos amplificar esta señal y corregir su pulso de forma de nos sea perceptible al oido.


En el circuito podemos observar en el centro el sensor geiger alimentado por 500 voltios de nuestra fuente (circuito tipo variante a), y mediante el transistor Q1 amplificamos el pulso detectado. El pulso amplificado lo pasamos por dos monoestables (IC7A y IC7B) que nos proporcionan, por un lado un pulso de 120msg para un monitor externo y por otro lado un pulso de 2msg que pone en marcha un oscilador (IC17D y IC17E) y un amplificador (IC17) y nos proporcionan una señal audible de 2msg de duración. La salida de monitor podemos poner un medidor analógico que utilizamos para medir los centelleos, o conectarlo con un contador (o frecuencímetro) que nos indicará la lectura de descarga. Este contador tiene que trabajar por lo menos un minuto para establecer el numero de cuentas por minuto. Pero si estudiamos radiaciones de fondo conviene realizar lecturas mas largas 10 a 30 minutos y establecer la media por minuto. Otro contador geiger: Aquí presento otro circuito más simple.


Este circuito con un oscilador muy parecido al anterior, el transformador proporciona en el secundario una tensión alta de 700 voltios (requerido por este modelo de tubo geiger). Contiene un amplificador simple con un transistor y el circuito de condensador 5nF y la primera puerta nos proporciona un corrector de pulso. La segunda puerta realiza la función de amplificador hacia un zumbador y un medidor.

Medida de la radiación: El contador geiger nos muestra el número de centelleos que este aparato recibe durante un minuto, esto es muy interesante pero apenas nos dice nada. Para conocer el carácter real de la radiación hemos de tener presente varios conceptos: Primero, es el tipo de radiación que este aparato esta recibiendo que depende de la fuente radioactiva. Segundo, la distancia del aparato a la fuente, la radiación se reduce con el cuadrado de la distancia. Tercero , el tiempo de exposición a la fuente, la radiación produce en los tejidos vivos un efecto acumulativo y por lo tanto hemos de cuidar mucho nuestra propia exposición. El Roentgen (R) es la medida de la carga eléctrica producida por las radiaciones (ionización) X o gamma depositada en aire seco en condiciones estandar. Definida como la carga eléctrica depositada por 1 gramo de radio-226 medido a una yarda de distancia (0,9144 metros) en una hora, se sustituyó por la unidad X (C/kg) incluida en el sistema internacional de unidades, pero sin un nombre definido todavía, con lo que sigue siendo más popular para esta magnitud la unidad antigua.

El siguiente cuadro nos muestra la relación entre los miliroentgen y las cuentas por minuto del aparato. 0.01-0.02 miliroentgen/h = 20 cpm (Radiación de fondo) 0.5 miliroentgen/h = 300 cpm 5 miliroentgen/h = 3.000 cpm (Limite max de absorción diaria) 50 miliroentgent/h = 30.000 cpm (Radiación del radio, Mortal).

Conclusiones: El contador geiger nos proporciona una herramienta eficaz a ese mundo invisible que son las radiaciones. Es un aparato sencillo de construir y eficaz para la prevención contra diversos tipos de materiales y medio radioactivos.


El rincón de los Trucos: en esta sección que doy comienzo presentaré diversos trucos, esquemas e ideas útiles para el desarrollo de nuestra actividad electrónica. En esta ocasión presento un truco para medir y conectar correctamente una bobina o el terminal de un transformador. Cuantas veces nos hemos encontrado con que se nos han borrado y desconocemos el voltaje funcional de una bobina en la tensión eléctrica de la red.

Con la ayuda de una simple bombilla y la tension de red como generador senoidal, podemos obtener una medida aproximada del valor de los terminales del transformador. Si la bombilla no se ilumina, la tensión de red recae en los terminales del transformador que al no consumir esta bien posicionado y no esta defectuoso. En esta posición si cortocircuitamos el secundario la bombilla ha de iluminarse. Si la bombilla se ilumina mucho, o el transformador esta defectuoso, o los terminales no son adecuados a 220 voltios 50 Hz. Si la bombilla se ilumina un poco significa que o el trasformador esta defectuoso o los terminales no son adecuados a la red.

Bibliografia: Desarrollos del autor Textos e Imágenes de Google y de Wikipedia Google (Geiger Counter Circuits)

Próximo número: Los Buscametales


Revista Electronica de Daganzo 2  

El detector Geiger

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