Resumen. Un detector de radiación es un tubo metálico que en su interior tiene un electrodo aislado

de la carcasa donde se le aplica un alto potencial eléctrico; en su interior hay un gas a baja

presión. El voltaje positivo aplicado al electrodo mantiene de forma que si entra una

partícula por dicha ventana inmediatamente se ioniza el gas, generando una avalancha de

electrones que colisionan con los átomos del gas, liberando más electrones, formando un

pulso de corriente detectable. En la presente práctica se construye un detector básico.

Teoría. La radiación es el transporte o la propagación de energía en forma de partículas u ondas. Si

la radiación es debida a fuerzas eléctricas o magnéticas se llama radiación electromagnética.

Pero la materia también puede emitir otras formas de radiación. La materia está constituida

por átomos y agrupaciones de ellos que son las moléculas. Los átomos a su vez consisten en

un pequeño núcleo formado por protones y neutrones. En torno al núcleo se encuentran

los electrones. Cuando la cantidad de electrones iguala en número a los protones, entonces

el átomo es neutro y su carga eléctrica total es cero. Si esto no es así, el átomo tiene carga

eléctrica y se llama ion.

En la naturaleza, la gran mayoría de los núcleos atómicos son estables y se mantienen

inalterados en el tiempo. Existen, sin embargo, algunos núcleos atómicos que son

inestables, en el sentido de que pueden emitir espontáneamente partículas cargadas o

radiación electromagnética (fotones), o aun romperse en varios núcleos más pequeños,

modificando su identidad. A estos núcleos inestables se los llama radioisótopos y son

perfectamente conocidos. El proceso de emisión se llama radioactividad. Si los productos

de las desintegraciones interaccionan con un átomo o molécula y liberan un electrón, se

dice que ocurrió una ionización. Todas las partículas o fotones que tienen suficiente energía

como para producir una ionización se llaman radiaciones ionizantes. Las radiaciones

ionizantes pueden llegar a ionizar o romper ligaduras en átomos o moléculas millones de

veces antes de perder toda su energía.

La desintegración radioactiva no depende del entorno. Cada radionucleido está

caracterizado por su vida media, que es el tiempo en el que la mitad de un conjunto de

núcleos radioactivos se desintegra. Este tiempo puede tomar valores desde fracciones de

segundos hasta billones de años. Las radiaciones ionizantes se presentan en unas pocas

variedades y se pueden clasificar de la siguiente manera:

Radiación α (alfa): Un núcleo inestable emite un núcleo de helio (formado por dos protones

y dos neutrones); el núcleo original se transforma en otro.

Radiación β (beta): Existen dos tipos de esta radiación: si un núcleo inestable emite un

electrón, se llama beta menos (β-), y si emite un positrón se llama beta más(β+) el núcleo

original se transforma en otro. Cabe destacar que electrón emitido proviene del núcleo del

átomo (transformación entre quarks) y no de un orbital de éste.

Radiación (gamma): Son fotones usualmente de muy alta

energía, emitidos por núcleos inestables u otros procesos. El

núcleo no cambia su identidad sino que únicamente pierde

energía.

Rayos X: Son fotones de alta energía que se producen cuando los

electrones atómicos cambian de órbita o cuando inciden

electrones sobre un material y son frenados

Una propiedad muy importante y que caracteriza a cada tipo de

radiación ionizante es su capacidad de penetración en los

materiales. Esta propiedad es la que determina el riesgo que

implica su uso y sus potenciales aplicaciones

Esencialmente, el detector Geiger-Muller tiene forma de tubo

metálico, cuyas paredes forman el cátodo, y aislado en el centro

tiene una delgada varilla que constituye el ánodo. Con tal

disposición, cuando una partícula ionizante entra, incide sobre los

átomos de gas, haciendo saltar electrones de las capas más

exteriores y creando lo que se llaman "pares" de electrones libres

y de átomos cargados positivamente (a causa de haber perdido los

electrones). Entonces, si en esta situación los electrodos internos

están conectados a una fuente con una cierta diferencia de

potencial, el campo eléctrico creado forzará a los iones a dirigirse

a su electrodo de signo contrario; los electrones al ánodo, y los

átomos positivos, pares de los anteriores, al cátodo.

La señal eléctrica que se crea por este fenómeno es muy débil, del orden de fracciones de

milivolts, que en el Geiger son detectables gracias a un efecto

denominado “avalancha” para conseguir señales mucho más

fuertes. La manera de generarla es bajar la presión interna y

aumentar a la vez el campo eléctrico de los electrodos hasta

que la aceleración provocada en los iones primarios les

obligue a chocar con otros átomos, arrancando más

electrones y produciendo muchos más pares. En la avalancha

el incremento de la corriente es de tipo exponencial y hace que

el propio gas llegue a iluminarse, como una luz de neón de

bajísima potencia. En estas condiciones la señal de salida alcanza desde uno a varias decenas

de volts y puede ser detectada con un sencillo circuito electrónico. Un tubo de gas normal,

tras ser ionizado, no interrumpe la conducción hasta que no se disminuye la tensión por

debajo del punto de corte durante suficiente tiempo para que los iones se recombinen y

desaparezcan, de forma que en teoría un tubo alimentado de forma permanente por encima

de este valor sólo sería capaz de detectar una única partícula, precisamente la que ha

provocado su arranque. El Geiger en cambio, contiene pequeñas cantidades de gases

alógenos como cloro o bromo en su interior, los cuales actúan como "capturadores de

iones", extinguiendo la conducción del tubo a los pocos milisegundos de haberse iniciado.

Figura 1: Representación simplificada de distintas radiaciones ionizantes

Figura 2. Diferentes materiales y diferentes radiaciones

Objetivos. Constuir un tubo de Geiger (Detector)

Elaborar un circuito que permita alimentar al tubo, así como observar la salida en un

osciloscopio

Procedimiento y resultados. En esta práctica se hizo uso de los siguientes componentes e instrumentos:

Tubo de Geiger

Hilo de Oro-Tungsteno

Tubo de cobre de ½ “ (20 cm de largo)

Tapones de corcho (x2) para sellar el tubo

Jeringas desechables(x2)

Globo con gas Argón Circuito

Capacitor .33 microfarad, 600 V (x4)

Resistencias 470 kΩ, 1 kΩ

Fuente de Alto Voltaje

Multímetro

Osciloscopio (con sonda)

Protoboard Debido a las características del tubo de Geiger, se recomienda tener preparado el circuito antes de continuar.

Figura 3 Esquemático del circuito que permite obtener información sobre los cambios en la tensión del tubo de Geiger

Para construir el tubo de Geiger: El hilo de oro debe estar por dentro del tubo. Para fijarlo en el centro se realiza lo siguiente: 1. Se verifica que el

interior del tubo de cobre carezca de bordes o afilados o puntas.

2. Se corta, con extremo cuidado de no tocarlo (o de hacerlo, en la menor medida posible y siempre con las manos recién lavadas) un trozo de hilo de oro-tungsteno, de longitud suficiente para atravesar al tubo y, además, los corchos y las agujas de las jeringas.

3. Se inserta la aguja de la jeringa sobre uno de los corchos. Desde la cara circular exterior (La de mayor área) hacia la interior, procurando que al salir, quede lo más cerca posible del centro. Esto también se realiza con la otra jeringa y el tapón

4. Limar las agujas de las jeringas para que pierdan todo el filo posible. De esta forma, se evitará que corten el hilo

5. Con extremo cuidado, insertar el hilo dorado dentro de una de las puntas de lo que sería la aguja. Este proceso delicado puede llevar algún tiempo y es necesario que el hilo no se doble o troce. Tocarlo con las manos puede reducir su utilidad. (Durante esta práctica se logró este paso insertando con pinzas, por un lado, en tanto que se introducía aire en la jeringa, a través del émbolo. Así, con la acción combinada del aire y las pinzas, pude lograrse en poco tiempo y sin dañar el hilo)

6. Una vez que el hilo es visible en el otro lado de la jeringa (en la boquilla), retirar con cuidado el cuerpo de la jeringa y extraer un poco más de hilo. Volver a cerrar, procurando apretar el hilo, de manera que no vuelva salirse.

7. Introducir el otro extremo del hilo por el tubo de cobre 8. Volver a realizar el paso 5 y 6 con el extremo de hilo que ha salido del tubo y la aguja

que no se ha usado. Al final, debe procurarse que el hilo quede tenso, con cuidado de no romperlo

9. Uno de los extremos del hilo debe usarse para unirse al circuito. Tambien será necesario enrollar un trozo de alambre alrededor del tubo de cobre para conectarse al circuito.

10. Extraer el émbolo de las jeringas. En una de ellas, se pondrá la boca del globo, de forma que entre a través de ella el argón, desplazando al aire presente en el tubo. Aunque lo ideal sería sellar el tubo en cuanto se tuviera certeza de que el aire ha sido desalojado por completo, en primeros ensayos es preferible dejar que el gas circule, debido a la dificultad de verificar fugas.

Figura 4: Prototipo de tubo de Geiger, hecho con un tubo de cobre (cátodo) e hilo de oro-tungsteno (ánodo). El gas en el interior del globo (argón) se introduce por medio de una jeringa.

El circuito. Debido a la alta tensión que se requiere para que el tubo de Geiger funcione, se debe tener un circuito que permita, además observar cambios en la corriente, enviar una señal de salida sin riesgo hacia el osciloscopio. Debido a la disponibilidad de materiales en el laboratorio, se utilizan cuatro capacitores de 0.33 microfarad, trabajando, cada uno, a 600 V. La salida estaba conectada a un osciloscopio, a través del cual pueden observarse los cambios en la tensión. Si todo funciona correctamente, pueden observarse picos como los mostrados en la figura seis. Se trata de una disminución abrupta de la señal. La amplitud y la forma cambian de manera impredecible.

Conclusiones. Uno debe procurar, en primer lugar, terminar el dispositivo en una sola sesión, debido a lo

delicado del hilo de oro. Muchos de los compañeros encontraron que el hilo de su tubo se

había roto, cuando este había sido preparado un par de días antes.

Es necesario extremar precauciones al trabajar con alto voltaje. Uno debe evitar el contacto

con el circuito y cables mientras esté trabajando. El hilo puede ser difícil de ver, por lo que se

recomienda cortarlo en la medida estrictamente necesaria. Los instrumentos también deben

cuidarse, usando las sondas correspondientes.

A partir de lo observado, se puede decir que el tubo Geiger tiene algunas limitaciones.

En primer lugar, se tiene el hecho que funcione a "todo o nada". Si la energía de la partícula

es inferior a su umbral de sensibilidad, es decir, no puede crear suficientes iones primarios,

simplemente no la detectará, y si es superior, con independencia de su valor, emitirá una

única señal eléctrica. Después de producirse una descarga tras el paso de radiación

ionizante, el detector no es sensible a nueva radiación hasta que el campo eléctrico vuelve a

los valores iniciales. Este periodo de tiempo se denomina tiempo muerto. El equipo de

contaje electrónico también tarda un tiempo finito en realizar la medida, contribuyendo al

Figura 5: Capacitore en la tablilla de pruebas

Figura 6: Captura de pantalla del osciloscopio. El pico indica la presencia de radiación ionizante.

tiempo muerto total del sistema. Las radiaciones que inciden en el tiempo muerto no se

registran pero tampoco aumentan dicho tiempo muerto

Figura 7 Dispositivo en conjunto, tubo, circuito, fuente de voltaje, y osciloscopios en la mesa de trabajo

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