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Hoy en día, por poco dinero, podemos comprar casi cualquier dispositivo electrónico construido con la última tecnología, desde diminutos MP3 capaces de almacenar miles de canciones a potentes ordenadores con forma y tamaño no mucho mayor que un teléfono móvil, y sin embargo, todos estos artilugios se han convertido en "cajas negras" de las que ignoramos por completo su funcionamiento. Incluso para aquellos que hemos dedicado nuestra vida a la electrónica, los nuevos productos avanzan tan rápido que nos cuesta llegar a adquirir algo más que ideas generales de su interior y de la forma que operan. La idea de construir este contador Geiger, en cambio, es aprovechar viejos componentes recuperados de otros aparatos que pasaron a mejor vida, y montar las cosas como se hacía antes, de forma "visible", y también, ésta es mi intención, que sea entendible para cualquier persona con conocimientos básicos de electrónica.

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El contador Geiger, más correctamente llamado Geiger-Müller, es un dispositivo para detectar radiaciones ionizantes, tal como los Rayos X utilizados en medicina o los misteriosos rayos Cósmicos procedentes del espacio exterior. Los contadores Geiger también pueden detectar partículas, como las alfa o las beta, que acompañadas a veces de radiación gamma, emiten los cuerpos radioactivos en su desintegración.


  ¿Pero cómo funciona un contador Geiger?

El contador Geiger se basa en la acción de un tubo detector especial de dos electrodos que contiene gas a baja presión y que fue desarrollado por el físico alemán Hans Geiger en 1908, cuando trabajaba en el laboratorio de Ernest Rutherford. Posteriormente, en 1928, fue perfeccionado por él mismo con la ayuda de un estudiante llamado Walther Müller. Este detector pertenece técnicamente a la categoría denominada "tubos de cátodo frío", como las conocidas lamparitas de neón, las letras de rótulos publicitarios o los tubos disparadores, contadores y displays "nixie" que se utilizaron durante décadas en centrales telefónicas, relojes, calculadoras e instrumentación.

 En su forma típica, el detector Geiger tiene forma de tubo metálico, con las propias paredes formando el electrodo negativo o cátodo, y aislado en el centro tiene un delgada varilla que constituye el electrodo positivo o ánodo. Con tal disposición, cuando una partícula ionizante entra atravesando su pared metálica o por una ventanita frontal que puede ser de cristal, metal delgado o incluso mica, dicha partícula 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 milivoltio, aunque sería detectable en los llamados "detectores de ionización", pero el Geiger hace uso de 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, aunque en este caso no como un tubo fluorescente, sino más bien como una luz de neón de bajísima potencia. En estas condiciones la señal de salida alcanza desde uno a varias decenas de voltios y puede ser detectada con un sencillo circuito electrónico.




Sin embargo, por los libros de física sabemos que un tubo de gas normal, tras ser cebado, 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.

En realidad la secuencia de avalancha-extinción es bastante más compleja que esta sencilla descripción, e intervienen factores como la radiación ultravioleta creada en el propio gas o el efecto de "barrido" del ánodo virtual formado por iones positivos en su movimiento hacia el cátodo, pero quedémonos con la idea básica y prosigamos hacia lo práctico del asunto.

A partir de de estos puntos podemos deducir que el tubo Geiger tiene algunas limitaciones, como 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. El modo de autoextinción crea también un "tiempo muerto" en que no detecta las partículas que pasan a su través, pero con todo, los aparatos basados en este dispositivo resultan sencillos, fiables y económicos, y desde mediados del siglo XX se convirtieron en los más populares para detectar este tipo de radiaciones en la prospección de campo y minera, en la seguridad de instalaciones nucleares o en el equipamiento de unidades NBQ de todos los ejércitos del mundo.

En la práctica, la detección de una fuente radioactiva mediante un tubo Geiger suena como una cadencia irregular de "clicks", sonido muy característico que sin duda todos hemos escuchado en películas y documentales que traten de energía atómica o radioactividad.

Como añadido a esta breve descripción del funcionamiento de un tubo Geiger, diremos que los gases habitualmente utilizados son el neón y el argón, en mezclas de distintos porcentajes y a una presión de pocos milímetros de mercurio. En cuanto a las tensiones de funcionamiento, oscilan entre 300 y 1.200 volts, pero la corriente media absorbida durante su funcionamiento y por tanto la potencia, es insignificante. La tensión de trabajo se elige de acuerdo a las especificaciones del fabricante del tubo, en la zona de su curva de características denominada "mesa" o "plateau", caracterizada por variar muy poco la sensibilidad con los cambios de tensión, aunque de ignorarse estos datos siempre podemos probar con una tensión entre 100 y 150 volts inferior a la de autocebado.


  Nuestro Geiger montado con materiales reciclados

Para diseñar un detector Geiger en primer lugar debemos pensar en la fuente de alta tensión. En nuestro caso utilizaremos parte del circuito de una luz de emergencia estropeada de la marca Legrand, de las típicas que hay instaladas en los comercios y locales públicos. De su circuito retiraremos toda la parte de alimentación y carga de las baterías, y tambien la circuitería de control, dejando sólo la parte de circuito impreso correspondiente al inversor de alta tensión, un generador que convierte los 3,6 volts en continua de las baterías en una corriente alterna cuyos picos superan los 500 volts, necesarios para cebar en frío el fluorescente que alimenta.


Para alimentar nuestro tubo Geiger vamos a necesitar corriente continua y sin ruido añadido, y por tanto será necesario rectificar y filtrar la salida del inversor, sin embargo, la tensión de 600-650 Vcc. que como máximo podremos conseguir con este circuito es demasiado baja para muchos tipos de tubos, y como nuestra idea es que el detector Geiger nos pueda servir para una gama muy amplia, necesitamos poder subirla al menos hasta los 1.200 V.

El sistema más fácil es añadirle un multiplicador de tensión. Optamos por un circuito Cockcroft-Walton de dos pasos, que nos permitirá llegar a tensiones de hasta 1.500 volts, aunque después vamos a estabilizarla a un valor más bajo. Los valores de los condensadores serán reducidos porque el consumo medio del tubo geiger será muy bajo y la frecuencia de funcionamiento del inversor es relativamente elevada, rondando los 8-10 Khz.


El regulador es igualmente muy sencillo. Se trata de un divisor de tensión que a través de una potenciómetro de ajuste ataca un diodo zener. Si la tensión resultante supera el umbral, lo cual indica que la tensión de salida es algo mayor que la prefijada, polariza dos transistores en Darglinton que a su vez disminuye la polarización de base del push-pull del inversor, con lo cual la tensión de salida se reduce.

A este respecto, debemos decir que el inversor trabaja en clase A-B, y por lo tanto no hay que esperar un rendimiento muy grande. Así y todo, el consumo es moderado, con una alimentación de 3 a 4,5 volts apenas alcanza los 20-30 mA.

Sobre los componentes de esta parte, no hay ninguno que sea crítico. Los condensadores del multiplicador han de aguantar naturalmente de 2 Kvolts, para disponer de margen se seguridad, y los diodos, que son del tipo rápido sacados de una fuente conmutada de un viejo monitor de ordenador, podrían sustituirse por los 1N4007, aunque entonces el consumo sería ligeramente superior. 
La salida de la fuente es conducida a una resistencia de 10 MOhms y directamente al ánodo del tubo Geiger que tengamos conectado.

Cuando el tubo se ceba (por haber detectado el paso de una partícula ionizante) su tensión cae bruscamente al un valor más bajo, típico de cada modelo, para recuperarse poco después y subir de nuevo a la tensión de alimentación. En este momento, un impulso positivo es aplicado por a la entrada del circuito amplificador, formado por dos transistores también en Darglinton, que atacan el pequeño altavoz y al rectificador-integrador final que nos reflejará el número de "clicks" por minuto en un instrumento de aguja.
 

 

 


El tubo Geiger que he utilizado para las primeras pruebas ha sido un General Electric CV2247, procedente de un viejo detector militar inglés, el Detection Meter Nº1, de 1950 y sólo tiene sensibilidad para radiación gamma. Para acoplarlo a la caja donde montaré finalmente el circuito he pensado en conexiones terminales tipo BNC, lo cual me ha obligado a tornear un casquillo de PVC para sujetar una de las bases en el propio tubo.




  El eterno problema de las cajas

En casi todos los montajes que he realizado, las cajas han representado un problema y he tenido que ingeniármelas por mí mismo. Más que nada, porque en el único comercio de electrónica de mi isla sólo se encuentra un pequeño surtido, con muy pocas medidas y de estética poco profesional. Así que siguiendo la tradición, para este contador-detector Geiger he pensado utilizar la caja de un téster analógico que se quemó hace años, y que guardaba en el "cajón de trastos" por si algún día le encontraba utilidad. La ventaja es que ya incorpora un buen instrumento de aguja con una sensibilidad de 50 microamperios, que además lleva el portapilas integrado y que tiene espacio interno para alojar tanto el circuito como el conmutador de escalas y el conector BNC de salida.




Llegados a este punto hago una reflexión: Como ya he dicho, mi idea es construir un detector Geiger capaz de funcionar con distintos tubos con sólo variar el ajuste de la alta tensión de alimentación. Pero ahora me encuentro con un problema ¿Qué tipo de magnitud debe reflejar la escala o escalas de que disponga? Las dosis de radiación en submúltiplos de unidades como REMS o Sieverts están descartadas, porque cada tubo tiene parámetros distintos, tanto en su sensibilidad para un tipo de radiación determinado como en la propia curva de respuesta dependiendo de la energía de dicha radiación. Todo ello me decanta por indicar sólo el tipo de salida común a todos los tubos, el número de "clicks" que emiten por minuto. Este valor se representa por la siglas CPM (cuentas por minuto) y proporciona una indicación relativa dependiendo del tubo utilizado. A la vez, si se conocen sus características, será posible hacer como muchos Geigers comerciales de los años 60; confeccionar una serie de carátulas removibles que se coloquen sobre la aguja indicadora en un soporte exterior.

 


  Mejorando el circuito

Veo además que otro problema añadido me complicará algo el circuito. Observando con el osciloscopio la salida de señal de diversos tubos Geiger, veo que el impulso difiere considerablemente de uno a otro, tanto en anchura como en amplitud. Y como la indicación CPM depende de constates de tiempo de un circuito RC, al variar los parámetros de entrada, para las mismas CPM reales me indicará valores distintos. Esto me obliga a cambiar el sencillo amplificador formado por dos transistores en Darglinton por un circuito monoestable que a partir de impulsos diversos de entrada me proporcione siempre el mismo ancho de salida. Además de esto, deberé estabilizar la amplitud dicho impulso de alguna manera frente a la variación de la tensión por desgaste de las pilas.

 


En este circuito vamos a reconocer algunas similitudes con el anterior, en concreto el inversor, el multiplicador Cockcroft-Walton y el regulador de alta tensión. Pero si observamos la línea de salida de señal entre la unión del la resistencia de 10 MOhms de polarización y el ánodo del tubo Geiger, veremos que el circuito amplificador-medidor es algo más complejo.

  Funciona de la siguiente forma:

- La señal procedente del tubo Geiger pasa a través del condensador de 300 pF hasta la base de Tr5, cuyo colector, al invertir el pulso de reactivación del tubo, "pone a cero" el monestable formado por Tr6 y TR7, el cual suministra a su salida, en el colector de Tr7, una señal cuadrada de ancho fijo (sobre 10 milisegundos), totalmente independiente de lo que haya durado el impulso de entrada: de esta manera, se independiza el funcionamiento del tipo de tubo Geiger, ya que todos los impulsos que vayan hasta el circuito de salida van a a ser iguales y el valor final que mueva la aguja de miliamperímetro sólo cambiará dependiendo del "número" de estos impulsos.

- Para evitar cambios de amplitud debidos a la tensión de las pilas, dispongo además del transistor Tr10 asociado a un diodo zener de 2,2 volts, que en conjunto recortan todo lo que tenga la señal por encima de 2,8 volts.

- La señal resultante es conducida a Tr11, el cual está conectado como seguidor de emisor. El transistor no amplifica la señal pero disminuye su impedancia y consigue que al cambiar las escalas de visualización no se cree un error adicional debido al cambio de carga.

- Después de algunas pruebas, he decidido colocar tres escalas de sensibilidad, seleccionables a través de un conmutador rotatorio de 2 circuitos, 5 posiciones

El altavoz es del tipo extraplano de media impedancia (40 Ohms), procedente de un teléfono tipo Domo desguazado.

Los transistores del circuito, excepto los dos del inversor (2SC5019 que son los que lleva de origen el circuito de la luz de emergencia Legrand) son del tipo BC237, común donde los haya, aunque pueden utilizarse cualquier tipo NPN de pequeña señal. De hecho, en el circuito real he utilizado algunos SC108, unos viejos modelos de la casa Piher que aproveché de un controlador digital que había fabricado 30 años atrás.

La salida hacia el medidor de aguja tiene la forma de un doblador de tensión, en que los condensadores de entrada, de 1, 10 y 200 microfaradios, con su distinta capacitancia adaptan la escala a medir. Cada una de ellas puede ajustarse además de manera precisa a través de tres resistencias variables miniatura, mientras que la integración final del valor medio de las lecturas se efectúa por la inercia de la propia aguja del medidor más dos condensadores de 1.500 microfaradios en paralelo con el mismo.

La alimentación del circuito se hace a través de tres pilas alcalinas de 1,5 volts tipo RL6, que dan una autonomía de casi 24 horas seguidas de funcionamiento. 




  Realizando las carátulas

Ahora viene el asunto de las carátulas, tanto la del instrumento indicador como la frontal del aparato. Ambas ha sido realizadas con el programa gratuito Galva, de J.P. Gendner, que podéis bajar desde el enlace Galva V1.85

Este programa, que ya he utilizado en otros montajes, es perfecto para realizar escalas con números, ya que permite dibujarlas de una vez, mediante órdenes, modificar sus medidas a voluntad y, si es necesario, adaptar el incremento lineal/logarítmico de las marcas y cifras con sólo cambiar una constante.

Realizar la carátula del instrumento indicador, aunque fuera con este programa, ya sabía que me daría algún trabajo, porque sospechaba que la tensión de salida del circuito detector con respecto a la frecuencia sería cualquier cosa menos lineal. Para certificarlo, desconecté el inversor de alta tensión (en el circuito impreso ya había instalado un puente removible para hacerlo),  y conecté mi generador de impulsos PLL al condensador de 300 pF. que va a la base de Tr5.

En este momento le estaba entrando al circuito mis propios impulsos, cuya frecuencia podía controlar de forma precisa. Para el tope de la escala de 3.000 CPM, la frecuencia correspondiente era de 50 Hz. (o si alguien lo prefiere para seguir con la nomenclatura del medidor, 50 CPS, Cuentas Por Segundo). Seguidamente ajusté la resistencia variable de 2K correspondiente para que me marcara a fondo de escala.

Después, tomando siempre como referencia en la carátula original del téster una escala de 0-10, fui anotando los valores que corresponderían a:

- Después entré estos valores individuales en el programa Galva, que reflejé como marcas negras de longitud superior a la propias de la escala, cuya posición ajusté mediante una escala auxiliar lineal que había hecho aparecer sobre las que serían propias del Contador Geiger. Al instante pude ver que las mediciones reales correspondían a un incremento logarítmico, de esta forma (como muestra la imagen que viene a continuación), fui variando el valor de la constante exponencial para conseguir que las marcas de escala de 500, 1000, 15000, 2000 y 2500 se acercaran en su conjunto lo más posible a los valores reales obtenidos en la medida.

 

La misma operación la repetí con las escalas de 500 y 100 CPM, obteniendo coeficientes exponenciales algo diferentes para cada una.

Una vez determinadas las escalas las imprimí sobre papel fotográfico tipo glossi con una láser HP. Después retiré la escala original del instrumento del téster y con mucho cuidado recorté y pegué la nueva escala.

Distintas carátulas realizadas sobre papel  glossi con una impresora láser		Nueva escala ya instalada en  el instrumento medidor

La carátula frontal de la parte baja del contador fue confeccionada con el mismo programa, aunque sin las dificultades del paso anterior, puesto que sólo tiene indicaciones para las cinco posiciones del conmutador, la del conector BNC del cable de los tubos Geiger y la parte correspondiente al altavoz.
Para esta carátula tuve que utilizar un papel distinto, tipo cartulina, puesto que en superficies muy iguales de color, la impresora no iba bien con el glossi. Después lo recorté, y para protegerlo de la humedad y las rascaduras lo cubrí con Ayronfix transparente.

 


Para realizar las perforaciones sobre la posición que ocupa el altavoz utilicé el truco de colocar sobre la carátula una placa perforada de circuito impreso. Así, utilizando los agujeros como guías, con la aguja de una imperdible fui perforando uno a uno toda la circunferencia, con el resultado que puede apreciarse en las imágenes siguientes.


Una vez pegado el frontal y cerrada la caja del Contador, el resultado estético es satisfactorio. Los archivos de formato .dat para confeccionar las dos carátulas con el Galva, los podéis bajar desde los siguientes enlaces:

AN-1_escalas.dat          AN-1_frontal.dat