Ya hemos publicado un interesante artículo sobre la radiación nuclear y los detectores, complementando la explicación con tres proyectos que se pueden elaborar con cierta facilidad, dada su simplicidad. Sin embargo, tales detectores usan un componente básico difícil de encontrar en nuestro mercado (en nuestro prototipo adquirimos el componente en el exterior): la válvula Geiger. Recibimos varias consultas sobre si se podría sustituir este componente por otro más accesible. Después de algunos estudios llegamos a la sustitución que describimos en este artículo.
Nota: este artículo es de 1990.
Según describimos en el artículo MA007S, las radiaciones nucleares son detectadas por válvulas especiales a partir de la ionización que producen en un gas por su pasaje. Así, las partículas alfa (núcleos de helio) y beta (protones), al pasar por un gas enrarecido, producen una ionización. Los electrodos de la válvula son entonces sometidos a una ionización.
Los electrodos de la válvula son entonces sometidos a una tensión elevada (entre 300 y 800 V) de tal modo que, en el momento en que la partícula atraviesa la válvula, el gas en su interior se vuelve momentáneamente conductor, produciendo así un pul- so que se puede amplificar (figura 1).
El número de pulsos "oídos", o bien contados por circuitos especiales, da el grado de radiación que incide en el detector. Este grado o nivel de radiación, empero, tiene en cuenta las dimensiones de la válvula que son relativamente grandes.
Así, para la calibración de un detector o para la determinación de su sensibilidad, es importante saber cuál es la superficie útil que recibe la radiación ionizante.
Las válvulas Geiger que funcionan de este modo, son componentes muy caros, delicados y de difícil obtención en nuestro mercado.
¿Habria posibilidad de hacer su sustitución?
Analizando literatura especializada y haciendo experimentos, llegamos a la conclusión que una juntura semiconductora, un diodo por ejemplo, también puede detectar radiaciones ionizantes, como por ejemplo partículas alfa. Para esto, basta polarizar un diodo en el sentido inverso con una tensión bastante elevada, del orden de 150 volt, como muestra la figura 2, y usar como carga un resistor de 1 a 2,2 Mohm.
En las condiciones normales, sin incidencia de radiación, la corriente que circula por el diodo es mínima, dependiendo solamente de la liberación de portadores de carga por agitación térmica de los átomos del material, o bien por la incidencia de luz. Esta corriente, mientras tanto, tiene un valor constante.
La tensión sobre el resistor es entonces mantenida en un valor más o menos constante, no habiendo señal disponible en el capacitor de salida. Si conectamos este circuito a un amplificador de audio de buena ganancia, el máximo que tendremos es la amplificación del ruido térmico que corresponde justamente a los portadores de carga liberados en la juntura (figura 3).
Sin embargo, si una partícula ionizante alcanza la juntura semiconductora, liberará una cierta cantidad de portadores de carga que producirán un pico de corriente en el componente. Este pico de corriente corresponde a un pulso que puede ser amplificado por el circuito externo (figura 4).
En suma. la juntura del material semiconductor detecta la radiación que incide en ella con buena sensibilidad.
Problemas de sensibilidad
La sensibilidad de este dispositivo es grande, pero existe un problema a considerar: sus dimensiones.
Si tomamos la juntura de un diodo común, veremos que tiene dimensiones de pocos milímetros, millares de veces menor que la superficie útil de una válvula Geiger.
Así, exponiendo los dos dispositivos a una fuente de radiación atómica, como sugiere la figura 5, mientras que decenas de partículas alcanzarán la válvula a cada minuto, en la juntura del diodo tendremos apenas una que otra partícula detectada por minuto.
Está claro que si tuviéramos una fuente de radiación muy fuerte la cantidad de partículas que inciden en la juntura será mayor y la detección más fácil.
¿Qué tipo de componente tendría una juntura de buenas dimensiones para ser usado como detector?
El primer punto importante a considerar es la facilidad con que la juntura sería expuesta a la radiación. El segundo punto seria su capacidad para soportar la tensión elevada de polarización, y finalmente, el tamaño de su ”pastilla semiconductora".
Teniendo en cuenta esto hicimos experimentos con el bien conocido transistor 2N3055 y tuvimos resultados satisfactorios.
Por supuesto que su juntura expuesta tiene dimensiones de milímetros contra los muchos centímetros de la válvula, pero la capacidad de detectar la radiación siempre que la misma incida sobre el componente, existe.
Así, para los lectores que desean hacer su montaje, aunque la sensibilidad sea menor dada la pequeña superficie colectora de radiación, describimos nuestro proyecto.
El circuito
Básicamente podemos sustituir la válvula Geiger por el transistor 2N3055, según la conexión que aparece en la figura 6.
Tenemos entonces las tres versiones:
a) La versión 1 corresponde a un detector alimentado por la red con audición por un parlante. (figura 7).
b) la versión 2 es alimentada por pilas con audición en audífono.
c) Finalmente tenemos la versión 3 que es alimentada por pilas ); que- excita un instrumento. Dada la pequeña sensibilidad, esta versión no recomendada a no ser para la detección de niveles muy altos de radioactividad (figura 9).
En la figura 10 tenemos el procedimiento para ”preparar" el transistor 2N3055 como sensor.
Retiramos su cubierta y exponemos su juntura.
Una vez expuesta la juntura, debemos evitar que lo alcance la luz. Para ello hacemos una protección de cartón oscuro (la radiación alfa puede atravesar este material).
Las conexiones se hacen con cable común. El sensor debe ser montado de manera de facilitar su utilización, ya que debe ser acertado a la fuente de radiación.
Utilización
Al conectar el aparato debemos oír solamente un silbido que corresponde al ruido térmico de la juntura del semiconductor. En la incidencia de cualquier radiación ionizante habrá la producción de un pulso que se traduce en un chasquido. Cuanto mayor es la cantidad de chasquidos, mayor será la intensidad de la radiación.
Uno que otro chasquido ocasional puede oírse durante las pruebas de funcionamiento, debido a la incidencia de rayos cósmicos sobre la Tierra. Estos rayos son partículas de alta energía que bombardean la Tierra constantemente viniendo de todas las partes del universo. Como su cantidad es muy pequeña, no precisamos tener miedo de sus efectos (siempre tales rayos han incidido sobre toda la humanidad y hasta ahora no ocurrió nada grave) (figura 11).
Observación: recordamos que se trata de un aparato experimental de sensibilidad relativamente baja dadas las dimensiones del sensor. Sugerimos que los lectores hagan experimentos con diodos de gran superficie de juntura o incluso otros componentes.
Otra posibilidad es la conexión en paralelo de diversos transistores.
Con relación al material radio active para la prueba, como es difícil su obtención, la misma debe hacerse en función solamente de los rayos cósmicos. a no ser por personas habilitadas que tengan acceso a las fuentes de partículas alfa.
Los diales de relojes muy antiguos que usaban ”radio" para hacerlos visibles de noche presentan un considerable nivel de radiación, pudiendo ser usados (con cautela) para la calibración o comprobación de funcionamiento del aparato.
