Contador Geiger de trabalho com peças mínimas: 4 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Este é, até onde sei, o contador Geiger funcional mais simples que você pode construir. Este usa um tubo SMB-20 Geiger de fabricação russa, acionado por um circuito elevador de alta tensão roubado de um mata-moscas eletrônico. Ele detecta partículas beta e raios gama, emitindo um clique para cada partícula radioativa ou explosão de raios gama detectada. Como você pode ver no vídeo acima, ele clica a cada poucos segundos da radiação de fundo, mas realmente ganha vida quando fontes de radiação como vidro de urânio, mantas de lanterna de tório ou botões de amerício de detectores de fumaça são aproximados. Construí este contador para me ajudar a identificar os elementos radioativos de que preciso para preencher minha coleção de elementos, e funciona muito bem! A única desvantagem real desse contador é que ele não é muito alto e não calcula e exibe a quantidade de radiação que está detectando em contagens por minuto. Isso significa que você não obtém nenhum dado real, apenas uma ideia geral de radioatividade com base na quantidade de cliques que você ouve.

Embora existam vários kits de contadores Geiger disponíveis na rede, você pode construir o seu próprio do zero se tiver os componentes certos. Vamos começar!

Etapa 1: Contadores Geiger e radiação: como tudo funciona

O contador Geiger (ou contador Geiger-Müller) é um detector de radiação desenvolvido por Hans Geiger e Walther Müller em 1928. Hoje, quase todo mundo está familiarizado com os sons de clique que ele faz quando detecta algo, muitas vezes considerado o "som" de radiação. O coração do dispositivo é o tubo Geiger-Müller, um cilindro de metal ou vidro cheio de gases inertes mantido sob baixa pressão. Dentro do tubo estão dois eletrodos, um dos quais é mantido em um potencial de alta tensão (geralmente 400-600 volts) enquanto o outro é conectado ao aterramento elétrico. Com o tubo em repouso, nenhuma corrente é capaz de pular a lacuna entre os dois eletrodos dentro do tubo e, portanto, nenhuma corrente flui. No entanto, quando uma partícula radioativa entra no tubo, como uma partícula beta, a partícula ioniza o gás dentro do tubo, tornando-o condutor e permitindo que a corrente pule entre os eletrodos por um breve instante. Este breve fluxo de corrente aciona a parte do detector do circuito, que emite um “clique” audível. Mais cliques significam mais radiação. Muitos contadores Geiger também têm a capacidade de contar o número de cliques e computar contagens por minuto, ou CPM, e exibi-los em um mostrador ou display de leitura.

Vejamos a operação do contador Geiger de outra maneira. O principal princípio da operação do contador Geiger é o tubo Geiger e como ele configura uma alta tensão em um eletrodo. Essa alta voltagem é como uma encosta íngreme de montanha coberta de neve profunda, e tudo o que é necessário é um pouquinho de energia de radiação (semelhante a um esquiador descendo a encosta) para deflagrar uma avalanche. A avalanche que se segue carrega consigo muito mais energia do que a própria partícula, energia suficiente para ser detectada pelo resto do circuito do contador Geiger.

Já que provavelmente já faz um tempo que muitos de nós sentamos em uma sala de aula e aprendemos sobre radiação, aqui está uma atualização rápida.

Matéria e a estrutura do átomo

Toda matéria é composta de minúsculas partículas chamadas átomos. Os próprios átomos são compostos de partículas ainda menores, a saber, prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons estão agrupados no centro do átomo - esta parte é chamada de núcleo. Os elétrons orbitam o núcleo.

Prótons são partículas com carga positiva, elétrons com carga negativa e nêutrons sem carga e, portanto, neutros, daí o seu nome. Em um estado neutro, cada átomo contém um número igual de prótons e elétrons. Como os prótons e elétrons carregam cargas iguais, mas opostas, isso dá ao átomo uma carga líquida neutra. No entanto, quando o número de prótons e elétrons em um átomo não é igual, o átomo se torna uma partícula carregada chamada íon. Os contadores Geiger são capazes de detectar radiação ionizante, uma forma de radiação que tem a capacidade de transformar átomos neutros em íons. Os três tipos diferentes de radiação ionizante são partículas alfa, partículas beta e raios gama.

Partículas alfa

Uma partícula alfa consiste em dois nêutrons e dois prótons ligados entre si e é o equivalente ao núcleo de um átomo de hélio. A partícula é gerada quando simplesmente se desprende de um núcleo atômico e sai voando. Por não ter nenhum elétron carregado negativamente para cancelar a carga positiva dos dois prótons, uma partícula alfa é uma partícula carregada positivamente, chamada de íon. Partículas alfa são uma forma de radiação ionizante, porque têm a capacidade de roubar elétrons de seus arredores e, ao fazer isso, transformar os próprios átomos que roubam em íons. Em altas doses, isso pode causar danos celulares. As partículas alfa geradas pelo decaimento radioativo têm um movimento lento, são relativamente grandes em tamanho e, por causa de sua carga, não podem passar por outras coisas facilmente. A partícula eventualmente pega alguns elétrons do ambiente e, com isso, torna-se um átomo de hélio legítimo. É assim que quase todo o hélio da Terra é produzido.

Partículas beta

Uma partícula beta é um elétron ou pósitron. Um pósitron é como um elétron, mas carrega uma carga positiva. Partículas beta-menos (elétrons) são emitidas quando um nêutron decai em próton, e partículas beta-mais (pósitrons) são emitidas quando um próton decai em nêutron.

Raios gama

Os raios gama são fótons de alta energia. Os raios gama estão localizados no espectro eletromagnético, além da luz visível e ultravioleta. Eles têm alto poder de penetração e sua capacidade de ionizar vem do fato de que podem retirar elétrons de um átomo.

O tubo SMB-20, que usaremos para esta construção, é um tubo comum de fabricação russa. Ele tem uma pele fina de metal que atua como o eletrodo negativo, enquanto um fio de metal que passa longitudinalmente pelo centro do tubo serve como o eletrodo positivo. Para que o tubo detecte uma partícula radioativa ou raio gama, essa partícula ou raio deve primeiro penetrar na fina pele de metal do tubo. As partículas alfa geralmente são incapazes de fazer isso, pois geralmente são interrompidas pelas paredes do tubo. Outros tubos Geiger projetados para detectar essas partículas geralmente têm uma janela especial, chamada janela Alfa, que permite que essas partículas entrem no tubo. A janela geralmente é feita de uma camada muito fina de mica, e o tubo Geiger deve estar muito próximo da fonte Alfa para coletar as partículas antes que sejam absorvidas pelo ar circundante. * Suspiro * Então chega de radiação, vamos começar a construir essa coisa.

Etapa 2: Reúna suas ferramentas e materiais

Suprimentos necessários:

• SMB-20 Geiger Tube (disponível por cerca de US $ 20 no eBay)
• Circuito de alta tensão DC Step-up, roubado de um mata-moscas eletrônico barato. Este é o modelo específico que usei:
• Diodos Zener com um valor total combinado de cerca de 400v (quatro de 100v seria o ideal)
• Resistores com um valor total combinado de 5 Megohm (usei cinco 1 Megohm)
• Transistor - tipo NPN, usei 2SC975
• Elemento de alto-falante piezo (roubado de um micro-ondas ou de um brinquedo eletrônico barulhento)
• 1 x bateria AA
• Porta bateria AA
• Chave liga / desliga (usei a chave momentânea SPST do mata-moscas eletrônico)
• Pedaços de fio elétrico
• Pedaço de madeira, plástico ou outro material não condutor para usar como substrato para construir o circuito

Ferramentas que usei:

• Ferro de solda "lápis"
• Solda com núcleo de colofônia de pequeno diâmetro para fins elétricos
• Pistola de cola quente com bastões de cola apropriados
• Cortadores de arame
• Decapantes de arame
• Chave de fenda (para demolir o mata-moscas eletrônico)

Embora este circuito seja construído em torno de um tubo SMB-20, que é capaz de detectar partículas beta e raios gama, ele pode ser facilmente adaptado para usar uma variedade de tubos. Basta verificar a faixa de tensão de operação específica e outras especificações de seu tubo específico e ajustar os valores dos componentes de acordo. Tubos maiores são mais sensíveis do que os menores, simplesmente porque são alvos maiores para as partículas atingirem.

Os tubos Geiger requerem altas tensões para funcionar, por isso estamos usando o circuito DC de um mata-moscas eletrônico para aumentar os 1,5 volts da bateria para cerca de 600 volts (originalmente o mata-moscas funcionava com 3 volts, produzindo cerca de 1200v para zapping moscas. Execute-o em tensões mais altas e você terá um taser). O SMB-20 gosta de ser alimentado a 400 V, então usamos diodos zener para regular a tensão para esse valor. Estou usando treze zeners de 33 V, mas outras combinações funcionariam tão bem, como 4 x 100 V zeners, desde que o total dos valores dos zeners seja igual à tensão alvo, neste caso 400.

Os resistores são usados para limitar a corrente para o tubo. O SMB-20 gosta de um resistor de ânodo (lado positivo) de cerca de 5M ohm, então estou usando cinco resistores de 1M ohm. Qualquer combinação de resistores pode ser usada, desde que seus valores totalizem cerca de 5M ohm.

O elemento de alto-falante Piezo e o transistor compõem a parte do detector do circuito. O elemento de alto-falante Piezo emite ruídos de clique e os longos fios nele permitem segurá-lo mais perto do ouvido. Tive sorte em salvá-los de coisas como microondas, despertadores e outras coisas que fazem bipes irritantes. O que encontrei tem uma bela caixa de plástico ao redor que ajuda a amplificar o som que vem dele.

O transistor aumenta o volume dos cliques. Você pode construir o circuito sem um transistor, mas os cliques que o circuito gera não serão tão altos (com isso quero dizer quase inaudíveis). Usei um transistor 2SC975 (tipo NPN), mas muitos outros transistores provavelmente funcionariam. O 2SC975 foi literalmente apenas o primeiro transistor que tirei da minha pilha de componentes recuperados.

Na próxima etapa, faremos uma demolição do mata-moscas elétrico. Não se preocupe, é fácil.

Etapa 3: Desmonte o mata-moscas

Mata-moscas eletrônicos podem diferir um pouco na construção, mas como estamos apenas atrás dos eletrônicos internos, apenas rasgue-os e puxe as tripas para fora lol. O mata-borrão nas fotos acima é um pouco diferente do que coloquei no balcão, pois parece que o fabricante mudou seu design.

Comece removendo todos os parafusos visíveis ou outros fechos que o prendam, mantendo seu olho atento para adesivos ou coisas como a tampa da bateria que podem esconder fechos adicionais. Se a coisa ainda não abrir, pode demorar um pouco com uma chave de fenda ao longo das costuras do corpo de plástico do mata-mata.

Depois de abri-lo, você terá que usar um alicate para cortar os fios na grade de malha do zapper. Dois fios pretos (às vezes outras cores) se originam do mesmo lugar na placa, cada um levando a uma das grades externas. Esses são os fios negativos ou "aterrados" para a saída de alta tensão. Como esses fios vêm do mesmo lugar na placa de circuito, e só precisamos de um, corte um na placa de circuito, deixando o fio descartado de lado para uso posterior.

Deve haver um fio vermelho conduzindo à grade interna, e esta é a saída positiva de alta tensão.

Os outros fios que saem da placa de circuito vão para a caixa da bateria, e aquele com a mola na ponta é a conexão negativa. Bem simples.

Se você desmontar a cabeça do mata-borrão, talvez para separar os componentes para reciclagem, fique atento para possíveis arestas afiadas na malha de metal.

Etapa 4: construir o circuito e usá-lo

Depois de ter seus componentes, você terá que soldá-los para formar o circuito mostrado no diagrama. Eu colei tudo com cola quente em um pedaço de plástico transparente que eu tinha ao redor. Isso torna o circuito robusto e confiável, além de ter uma boa aparência. Há uma pequena chance de você se dar um choque ao tocar em partes deste circuito enquanto ele está energizado, como a conexão do alto-falante piezoelétrico, mas você pode apenas cobrir as conexões com cola quente se houver um problema.

Quando finalmente tive todos os componentes de que precisava para construir o circuito, montei-o em uma tarde. Dependendo de quais valores de componentes você tem, você pode acabar usando menos componentes do que eu. Você também pode usar um tubo Geiger menor e tornar o contador muito compacto. Relógio de pulso contador Geiger, alguém?

Agora você deve estar se perguntando, para que preciso de um contador Geiger se não tenho nada radioativo para apontá-lo? O contador irá clicar a cada poucos segundos apenas a partir da radiação de fundo, que é composta de raios cósmicos e outros. Mas, existem algumas fontes de radiação que você pode encontrar para usar seu contador em:

Amerício de detectores de fumaça

Amerício é um elemento feito pelo homem (não ocorre naturalmente) e é usado em detectores de fumaça do tipo ionização. Esses detectores de fumaça são muito comuns e provavelmente você tem alguns em sua casa. Na verdade, é muito fácil dizer se você o faz, porque todos eles têm as palavras contém a substância radioativa Am 241 moldada no plástico. O amerício, na forma de dióxido de amerício, é banhado em um pequeno botão de metal interno, montado em um pequeno compartimento conhecido como câmara de ionização. O amerício é geralmente revestido com uma fina camada de ouro ou outro metal resistente à corrosão. Você pode abrir o detector de fumaça e retirar o pequeno botão - geralmente não é muito difícil.

Por que radiação em um detector de fumaça?

Dentro da câmara de ionização do detector, existem duas placas de metal posicionadas uma em frente à outra. Preso a uma delas está o botão de amerício, que emite um fluxo constante de partículas alfa que cruzam um pequeno espaço de ar e são então absorvidas pela outra placa. O ar entre as duas placas torna-se ionizado e, portanto, é um pouco condutor. Isso permite que uma pequena corrente flua entre as placas e essa corrente pode ser detectada pelo circuito do detector de fumaça. Quando as partículas de fumaça entram na câmara, elas absorvem as partículas alfa e interrompem o circuito, disparando o alarme.

Sim, mas é perigoso?

A radiação emitida é relativamente benigna, mas para ser seguro, recomendo o seguinte:

• Mantenha o botão de amerício em um local seguro, longe das crianças, de preferência em algum tipo de recipiente à prova de crianças
• Nunca toque na face do botão onde o amerício está banhado. Se você acidentalmente tocar na superfície do botão, lave as mãos

Vidro de urânio

O urânio tem sido usado, na forma de óxido, como aditivo ao vidro. A cor mais típica do vidro de urânio é o verde amarelado pálido doentio, que na década de 1920 levou ao apelido de “vidro de vaselina” (baseado em uma semelhança percebida com a aparência da vaselina formulada e vendida comercialmente naquela época). Você o verá rotulado como “Vidro de vaselina” em mercados de pulgas e lojas de antiguidades, e geralmente você pode solicitá-lo por esse nome. A quantidade de urânio no vidro varia de níveis residuais a cerca de 2% em peso, embora algumas peças do século 20 fossem feitas com até 25% de urânio! A maior parte do vidro de urânio é apenas ligeiramente radioativo e não acho que seja perigoso de manusear.

Você pode confirmar o conteúdo de urânio do vidro com uma luz negra (luz ultravioleta), pois todo vidro de urânio apresenta fluorescência verde brilhante, independentemente da cor em que o vidro aparece sob luz normal (que pode variar amplamente). Quanto mais brilhante uma peça brilha sob a luz ultravioleta, mais urânio ela contém. Embora pedaços de vidro de urânio brilhem sob a luz ultravioleta, eles também emitem sua própria luz sob qualquer fonte de luz que contenha ultravioleta (como a luz solar). Os comprimentos de onda ultravioleta de alta energia da luz atingem os átomos de urânio, empurrando seus elétrons para um nível de energia mais alto. Quando os átomos de urânio voltam ao seu nível de energia normal, eles emitem luz no espectro visível.

Por que urânio?

A descoberta e o isolamento do rádio no minério de urânio (pitchblende) por Marie Curie desencadeou o desenvolvimento da mineração de urânio para extrair o rádio, que foi usado para fazer tintas que brilham no escuro para relógios e mostradores de aeronaves. Isso deixou uma quantidade prodigiosa de urânio como produto residual, pois são necessárias três toneladas de urânio para extrair um grama de rádio.

Mantas de lanterna de acampamento de tório

O tório é usado em mantos de lanternas de acampamento, na forma de dióxido de tório. Quando aquecido pela primeira vez, a parte de poliéster do manto queima, enquanto o dióxido de tório (junto com outros ingredientes) retém a forma do manto, mas se torna uma espécie de cerâmica que brilha quando aquecida. O tório não é mais usado para esta aplicação, sendo descontinuado pela maioria das empresas em meados dos anos 90 e substituído por outros elementos que não são radioativos. O tório foi usado porque faz mantos que brilham muito intensamente, e esse brilho não é igualado pelos mantos mais novos e não radioativos. Como você sabe se o manto que você tem é realmente radioativo? É aí que entra o contador Geiger. Os mantos que encontrei deixam o contador Geiger louco, muito mais do que vidro de urânio ou botões de amerício. Não é que o tório seja mais radioativo do que o urânio ou o amerício, mas há muito mais material radioativo no manto de uma lanterna do que nessas outras fontes. É por isso que é realmente estranho encontrar tanta radiação em um produto de consumo. As mesmas precauções de segurança que se aplicam aos botões de amerício se aplicam aos mantos das lanternas também.

Obrigado a todos pela leitura! Se gostarem deste instrutível, vou inscrevê-lo no concurso "construir uma ferramenta" e agradeceria muito o seu voto! Também adoraria ouvir de você se tiver comentários ou perguntas (ou mesmo dicas / sugestões / críticas construtivas), então não tenha medo de deixar esses itens abaixo.

Agradecimentos especiais ao meu amigo Lucca Rodriguez por fazer o belo diagrama de circuito para este instrutível.