Comptador Geiger de treball amb parts mínimes: 4 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Heus aquí, que jo sàpiga, el comptador Geiger de funcionament més senzill que podeu construir. Aquest utilitza un tub Geiger de fabricació russa SMB-20, accionat per un circuit de pujada d’alta tensió robat per un fly swatch electrònic. Detecta partícules beta i raigs gamma, emetent un clic per cada partícula radioactiva o esclat de raigs gamma que detecta. Com podeu veure al vídeo anterior, fa clic cada pocs segons per la radiació de fons, però realment cobra vida quan s’apropen fonts de radiació com ara vidre d’urani, mantells de llanternes de tori o botons d’amerium dels detectors de fum. He construït aquest comptador per ajudar-me a identificar els elements radioactius que necessito per emplenar la meva col·lecció d’elements i funciona molt bé. Els únics inconvenients reals d’aquest comptador és que no és molt fort i que no calcula ni mostra la quantitat de radiació que detecta en recomptes per minut. Això vol dir que no obtindreu cap punt de dades real, només una idea general de la radioactivitat basada en la quantitat de clics que escolteu.

Tot i que hi ha diversos kits de comptadors Geiger disponibles a la xarxa, podeu crear el vostre des de zero si teniu els components adequats. Comencem!

Pas 1: Comptadors i radiacions de Geiger: com funciona tot

El comptador Geiger (o comptador Geiger-Müller) és un detector de radiació desenvolupat per Hans Geiger i Walther Müller el 1928. Avui en dia, gairebé tothom està familiaritzat amb els sons que fa clic quan detecta alguna cosa, sovint considerat com el "so" de radiació. El cor del dispositiu és el tub Geiger-Müller, un cilindre metàl·lic o de vidre farcit de gasos inerts subjectats a baixa pressió. A l'interior del tub hi ha dos elèctrodes, un dels quals es manté a un potencial d'alta tensió (normalment 400-600 volts) mentre que l'altre està connectat a terra elèctrica. Amb el tub en estat de repòs, cap corrent no pot saltar la bretxa entre els dos elèctrodes dins del tub i, per tant, no flueix cap corrent. No obstant això, quan una partícula radioactiva entra al tub, com ara una partícula beta, la partícula ionitza el gas a l'interior del tub, fent-lo conductor i permetent que el corrent salti entre els elèctrodes durant un breu instant. Aquest breu flux de corrent provoca la detecció del circuit, que emet un "clic" audible. Més clics significa més radiació. Molts comptadors Geiger també tenen la possibilitat de comptar el nombre de clics i calcular recompte per minut, o CPM, i mostrar-lo en una pantalla de marcatge o lectura.

Vegem el funcionament del comptador Geiger d’una altra manera. El principal fonament del funcionament del comptador Geiger és el tub Geiger i com estableix una alta tensió en un elèctrode. Aquesta alta tensió és com un fort pendent muntanyós cobert de neu profunda i tot el que es necessita és una mica d’energia de radiació (semblant a un esquiador que baixa pel vessant) per provocar una allau. L’allau que segueix comporta molta més energia que la pròpia partícula, suficient energia per ser detectada per la resta del circuit de comptador Geiger.

Com que probablement ha passat un temps des que molts de nosaltres vam seure a una aula i vam aprendre sobre la radiació, aquí teniu un repàs ràpid.

La matèria i l'estructura de l'àtom

Tota la matèria es compon de minúscules partícules anomenades àtoms. Els mateixos àtoms estan formats per partícules encara més petites, és a dir, protons, neutrons i electrons. Els protons i els neutrons s’agrupen al centre de l’àtom; aquesta part s’anomena nucli. Els electrons orbiten al voltant del nucli.

Els protons són partícules amb càrrega positiva, els electrons amb càrrega negativa i els neutrons no carreguen i, per tant, són neutres, d’aquí el seu nom. En estat neutre, cada àtom conté un nombre igual de protons i electrons. Com que els protons i els electrons porten càrregues iguals però oposades, això dóna a l’àtom una càrrega neta neutra. No obstant això, quan el nombre de protons i electrons d’un àtom no és igual, l’àtom es converteix en una partícula carregada anomenada ió. Els comptadors Geiger són capaços de detectar radiacions ionitzants, una forma de radiació que té la capacitat de transformar àtoms neutres en ions. Els tres tipus diferents de radiació ionitzant són les partícules alfa, les partícules beta i els raigs gamma.

Partícules alfa

Una partícula alfa està formada per dos neutrons i dos protons units entre si i és l'equivalent al nucli d'un àtom d'heli. La partícula es genera quan simplement es trenca d’un nucli atòmic i surt volant. Com que no té electrons amb càrrega negativa per cancel·lar la càrrega positiva dels dos protons, una partícula alfa és una partícula amb càrrega positiva, anomenada ió. Les partícules alfa són una forma de radiació ionitzant, ja que tenen la capacitat de robar electrons del seu entorn i, en fer-ho, transformen els àtoms que roben en ions mateixos. En dosis elevades, això pot causar danys cel·lulars. Les partícules alfa generades per la desintegració radioactiva es mouen lentament, tenen una mida relativament gran i, a causa de la seva càrrega, no poden passar fàcilment per altres coses. La partícula finalment captura uns quants electrons de l’entorn i, en fer-ho, es converteix en un àtom d’heli legítim. És així com es produeix pràcticament tot l’heli terrestre.

Partícules beta

Una partícula beta és un electró o un positró. Un positró és com un electró, però té una càrrega positiva. Les partícules beta-menys (electrons) s’emeten quan un neutró decau en un protó i les partícules beta-plus (positrons) s’emeten quan un protó decau en un neutró.

Raigs gamma

Els raigs gamma són fotons d’alta energia. Els raigs gamma es troben a l’espectre electromagnètic, més enllà de la llum visible i l’ultraviolat. Tenen un poder de penetració elevat i la seva capacitat d’ionització prové del fet que poden eliminar els electrons d’un àtom.

El tub SMB-20, que utilitzarem per a aquesta construcció, és un tub de fabricació russa comú. Té una fina pell metàl·lica que actua com l’elèctrode negatiu, mentre que un fil metàl·lic que travessa longitudinalment pel centre del tub serveix com a elèctrode positiu. Per tal que el tub detecti una partícula radioactiva o un raig gamma, aquesta partícula o raig primer ha de penetrar a la fina pell metàl·lica del tub. Les partícules alfa generalment no poden fer-ho, ja que normalment són aturades per les parets del tub. Altres tubs Geiger dissenyats per detectar aquestes partícules solen tenir una finestra especial, anomenada finestra Alfa, que permet que aquestes partícules puguin entrar al tub. La finestra sol estar formada per una capa molt fina de mica i el tub de Geiger ha d’estar molt a prop de la font Alfa per poder recollir les partícules abans que siguin absorbides per l’aire circumdant. * Suspir * Així que ja n’hi ha prou amb la radiació, anem a construir aquesta cosa.

Pas 2: reuniu les eines i els materials

Subministraments necessaris:

• SMB-20 Geiger Tube (disponible per uns 20 dòlars a eBay)
• Circuit intensiu de corrent continu d’alta tensió, robat per un fly swatter electrònic barat. Aquest és el model específic que he utilitzat:
• Diodes Zener amb un valor total combinat d’uns 400v (quatre ideals per a 100v)
• Resistències amb un valor total combinat de 5 Megohm (he utilitzat cinc 1 Megohm)
• Transistor: tipus NPN, he utilitzat 2SC975
• Element de l'altaveu piezoelèctric (robat d'un microones o d'una joguina electrònica sorollosa)
• 1 bateria AA
• Porta bateries AA
• Interruptor d'encès / apagat (he utilitzat l'interruptor momentani SPST del flyswatter electrònic)
• Feu trossos de filferro elèctric
• Peça de ferralla, plàstic o altre material no conductor per utilitzar com a substrat per construir el circuit

Eines que he fet servir:

• Soldador de "llapis"
• Soldadura de nucli de colofònica de petit diàmetre per a usos elèctrics
• Pistola de cola calenta amb pals de cola adequats
• Talladors de filferro
• Decapants de filferro
• Tornavís (per enderrocar el flyswatter electrònic)

Tot i que aquest circuit es construeix al voltant d’un tub SMB-20, que és capaç de detectar partícules beta i raigs gamma, es pot adaptar fàcilment per utilitzar una varietat de tubs. Només cal que comproveu el rang de tensió de funcionament concret i altres especificacions del vostre tub concret i que ajusteu els valors dels components en conseqüència. Els tubs més grans són més sensibles que els més petits, simplement perquè són objectius més grans perquè les partícules colpegin.

Els tubs Geiger requereixen tensions altes per funcionar, de manera que estem utilitzant el circuit de pujada de CC d’un fly swatch electrònic per augmentar els 1,5 volts de la bateria fins a uns 600 volts (originalment, el swatter de mosca funcionava 3 volts, deixant uns 1200 v per a mosques zapping. Executeu-lo amb tensions més altes i tindreu un taser). Al SMB-20 li agrada funcionar a 400 V, de manera que fem servir díodes zener per regular el voltatge fins a aquest valor. Estic fent servir tretze zeners de 33V, però altres combinacions funcionarien tan bé, com ara zeners de 4 x 100V, sempre que el total dels valors dels zeners sigui igual al voltatge objectiu, en aquest cas 400.

Les resistències s’utilitzen per limitar el corrent al tub. Al SMB-20 li agrada una resistència d’ànode (costat positiu) d’uns 5M ohm, de manera que faig servir cinc resistències d’1M ohm. Es pot utilitzar qualsevol combinació de resistències sempre que els seus valors sumin uns 5M ohm.

L’element altaveu piezoelèctric i el transistor constitueixen la part del detector del circuit. L’element altaveu piezoelèctric emet sorolls de clic i els llargs cables que hi contenen us permeten mantenir-lo més a prop de l’orella. He tingut bona sort salvant-los de coses com ara microones, despertadors i altres coses que emeten molèsties. El que he trobat té una bonica carcassa de plàstic al voltant que ajuda a amplificar el so que en surt.

El transistor augmenta el volum dels clics. Podeu construir el circuit sense transistor, però els clics que genera el circuit no seran tan forts (amb això vull dir amb prou feines audibles). Vaig utilitzar un transistor 2SC975 (tipus NPN), però probablement funcionarien molts altres transistors. El 2SC975 va ser literalment només el primer transistor que vaig treure de la meva pila de components recuperats.

En el següent pas farem un enderrocament de la mosca elèctrica. No us preocupeu, és fàcil.

Pas 3: desmunteu el Fly Swatter

Les paletes electròniques de mosca poden diferir lleugerament en la seva construcció, però com que només estem buscant l’electrònica que hi ha a l’interior, només l’haureu de trencar i traieu-ne les tripes. El dibuix de les imatges anteriors és lleugerament diferent del que he incorporat al taulell, ja que sembla que el fabricant va canviar el seu disseny.

Comenceu traient els cargols visibles o altres elements de subjecció que els mantinguin units, mantenint els ulls fora dels adhesius o coses com la tapa de la bateria que puguin ocultar elements de fixació addicionals. Si la cosa encara no s’obre, pot ser que calgui fer alguna cosa amb un tornavís al llarg de les costures del cos de plàstic de la màquina.

Un cop l’obriu, haureu d’utilitzar un tallador de filferro per tallar els cables a la xarxa de malla del mosquetó. Dos cables negres (de vegades d’altres colors) s’originen des del mateix lloc del tauler, i cadascun condueix a una de les quadrícules exteriors. Aquests són els cables negatius o "de terra" per a la sortida d'alta tensió. Com que aquests cables provenen del mateix lloc de la placa de circuit i només en necessitem un, aneu-hi i retalleu-los a la placa de circuit, deixant de banda el fil de ferralla per a un ús posterior.

Hi hauria d’haver un cable vermell que condueixi a la xarxa interior, i aquesta és la sortida d’alta tensió positiva.

Els altres cables que provenen de la placa de circuit van a la caixa de la bateria i el que té el moll al final és la connexió negativa. Bastant senzill.

Si traieu el cap de la barreta, potser per separar els components per reciclar-los, tingueu en compte les possibles vores esmolades de la malla metàl·lica.

Pas 4: construïu el circuit i utilitzeu-lo

Un cop tingueu els components, els haureu de soldar junts per formar el circuit que es mostra al diagrama. Vaig enganxar-ho tot en calent a un tros de plàstic transparent que tenia al voltant. Això fa que sigui un circuit robust i fiable, i també té un aspecte bastant bo. Hi ha una petita possibilitat que pugueu fer-vos una mica de zap en tocar parts d’aquest circuit mentre s’energia, com la connexió de l’altaveu piezoelèctric, però només podeu cobrir les connexions amb cola calenta si hi ha algun problema.

Un cop vaig tenir tots els components que necessitava per construir el circuit, el vaig llançar junts a la tarda. Depenent dels valors dels components que tingueu, podríeu acabar utilitzant menys components dels que vaig fer jo. També podeu utilitzar un tub Geiger més petit i fer que el comptador sigui molt compacte. Rellotge de polsera Geiger, algú?

Ara us podeu preguntar, per a què necessito un comptador Geiger si no tinc res radioactiu per apuntar-lo? El comptador farà clic cada pocs segons només des de la radiació de fons, que es compon de raigs còsmics i altres. Però hi ha algunes fonts de radiació que podeu trobar per utilitzar el comptador:

Americi dels detectors de fum

L’amerium és un element artificial (no natural) i s’utilitza en detectors de fum de tipus ionitzador. Aquests detectors de fum són molt habituals i és probable que en tingueu alguns a casa vostra. En realitat, és molt fàcil saber si ho feu, perquè tots contenen les paraules que contenen substància radioactiva Am 241 modelada al plàstic. L’amerium, en forma de diòxid d’ameriici, està col·locat sobre un petit botó metàl·lic a l’interior, muntat en un petit recinte conegut com a cambra d’ionització. L’amerium se sol recobrir amb una fina capa d’or o d’altres metalls resistents a la corrosió. Podeu obrir el detector de fum i treure el petit botó; normalment no és molt difícil.

Per què la radiació en un detector de fum?

Dins de la cambra d’ionització del detector, hi ha dues plaques metàl·liques assegudes una enfront de l’altra. A un d’ells s’uneix el botó americi, que emet un flux constant de partícules alfa que travessen un petit espai d’aire i que després són absorbides per l’altra placa. L’aire entre les dues plaques s’ionitza i, per tant, és una mica conductor. Això permet que un petit corrent flueixi entre les plaques i aquest corrent es pot percebre mitjançant els circuits del detector de fum. Quan les partícules de fum entren a la cambra, absorbeixen les partícules alfa i trenquen el circuit, provocant l’alarma.

Sí, però és perillós?

La radiació emesa és relativament benigna, però per estar segur recomano el següent:

• Deseu el botó americi en un lloc segur i allunyat dels nens, preferiblement en un contenidor a prova d’infants
• No toqueu mai la cara del botó sobre el qual es posa l’amerium. Si toqueu accidentalment la cara del botó, renteu-vos les mans

Vidre d’urani

L’urani s’ha utilitzat, en forma d’òxid, com a additiu per al vidre. El color més típic del vidre d’urani és el verd groguenc pàl·lid malaltís, que va donar lloc a la dècada de 1920 al sobrenom de "vaselina de vidre" (basat en una semblança percebuda amb l'aparició de la vaselina tal com es formulava i es venia comercialment en aquell moment). El veureu etiquetat com a "vaselina de vidre" als mercats de puces i botigues d'antiguitats, i normalment el podeu demanar amb aquest nom. La quantitat d'urani al vidre varia des dels nivells de traça fins al 2% en pes, tot i que algunes peces del segle XX es van fabricar amb fins a un 25% d'urani. La majoria dels vidres d’urani són molt poc radioactius i no crec que sigui gens perillós de manipular.

Podeu confirmar el contingut d’urani del vidre amb una llum negra (llum ultraviolada), ja que tots els vidres d’urani flueixen de color verd brillant, independentment del color que aparegui sota una llum normal (que pot variar molt). Com més brillant una peça brilla sota la llum ultraviolada, més urani conté. Mentre que els trossos de vidre d’urani brillen sota la llum ultraviolada, també emeten llum pròpia sota qualsevol font de llum que contingui ultraviolada (com la llum solar). Les longituds d’ona ultraviolades d’alta energia de la llum colpegen els àtoms d’urani, empenyent els seus electrons a un nivell d’energia superior. Quan els àtoms d’urani tornen al seu nivell d’energia normal, emeten llum a l’espectre visible.

Per què l’urani?

El descobriment i l’aïllament del radi del mineral d’urani (pitchblenda) per part de Marie Curie va provocar el desenvolupament de la mineria d’urani per extreure el radi, que s’utilitzava per fer pintures brillants a la fosca per a rodes de rellotge i avions. Això va deixar una quantitat prodigiosa d'urani com a producte de rebuig, ja que es necessiten tres tones d'urani per extreure un gram de radi.

Mantells de llanterna de càmping de tori

El tori s’utilitza en mantells de llanternes de càmping, en forma de diòxid de tori. Quan s’escalfa per primera vegada, la part de polièster del mantell es crema, mentre que el diòxid de tori (juntament amb altres ingredients) conserva la forma del mantell, però es converteix en una mena de ceràmica que brilla quan s’escalfa. El tori ja no s’utilitza per a aquesta aplicació, ja que la majoria de les empreses la van deixar de fabricar a mitjans dels anys 90 i s’ha substituït per altres elements que no són radioactius. El tori es va utilitzar perquè fabrica mantells que brillen molt intensament, i aquesta brillantor no s’acompanya amb els mantells més nous i no radioactius. Com saps si el mantell que tens és realment radioactiu? Allà és on entra el comptador Geiger. Els mantells que he trobat tornen bojos el comptador Geiger, molt més que els botons de vidre d’urani o americi. No és tant que el tori sigui més radioactiu que l’urani o l’amerium, però hi ha molt més material radioactiu en un mantell de llanterna que en aquelles altres fonts. Per això és estrany trobar tanta radiació en un producte de consum. Les mateixes precaucions de seguretat que s’apliquen als botons de americi s’apliquen també als mantells de la llanterna.

Gràcies per llegir, a tothom. Si us agrada aquesta instrucció, la participo al concurs "Construeix una eina" i agrairia molt el vostre vot. També m’agradaria rebre notícies vostres si teniu comentaris o preguntes (o fins i tot consells / suggeriments / crítiques constructives), així que no tingueu por de deixar-los a continuació.

Un agraïment especial al meu amic Lucca Rodriguez per fer que el bonic diagrama del circuit sigui instructiu.