Contando clicks con el DP-5V

Esta entrada no hubiese sido posible sin la imprescindible colaboración de Rosa y Romano, a quienes estoy muy agradecido. El mérito del diseño del circuito, y las pruebas necesarias para llegar a él, les corresponde enteramente a ellos. Fue una experiencia muy grata e interesante ir al laboratorio y vislumbrar, aunque brevemente, el mundo de la electrónica analógica de la mano de auténticos expertos.

¿Qué tienen en común un contador Geiger y un podómetro? Bien, ambos cuentan cosas. El podómetro cuenta pasos, y el contador Geiger… su propio nombre indica que «cuenta», pero ¿qué?

Geiger

Podómetro

Casi todo el mundo sabe que un contador Geiger es un aparato que se usa para medir la radioactividad. El elemento principal de un contador Geiger es el tubo Geiger-Müller. Este dispositivo consiste en un tubo alargado, usualmente de metal o cristal, con dos electrodos en su interior, cátodo y ánodo. El cátodo se forma con las paredes metálicas del tubo, o, si es de cristal, por una cobertura metálica imprimada en su superficie interna. El ánodo se compone de un filamento metálico que cruza el tubo longitudinalmente. Entre ambos hay una diferencia de potencial del orden de varios cientos o hasta mil Voltios. El interior del tubo está relleno por algún gas inerte de baja densidad, como Helio, Neón o Argón, o una mezcla de ellos.

Las radiaciones ionizantes, o radioactividad, se componen de distintos tipos de partículas cargadas energéticamente (no confundir con las radiaciones electromagnéticas, tipo WiFi, móviles, radio y televisión, etc. ). Las sustancias radioactivas (uranio, plutonio, y otras) emiten constantemente partículas de este tipo. Cuando una de ellas, por azar, se encuentra en su trayectoria con un tubo Geiger-Müller, pasa a través de él ionizando los átomos del gas inerte con los que se encuentra en su camino. Esto significa que, debido a la alta energía de la partícula, esta arranca al pasar algunos electrones de los átomos del gas, como si fuera un bólido arrastrando hojas secas en su paso por una carretera. Como estos electrones libres tienen carga negativa, se ven atraídos hacia el ánodo. A su vez, los átomos a los que pertenecían esos electrones quedan con carga neta positiva, así que tienden a ir hacia el cátodo. De manera que se crean por un lado iones (átomos del gas cargados positivamente) y por otro, electrones arrancados de sus átomos y que tienen carga negativa. Se crea una pequeña reacción en cadena donde estos pares iónicos ionizan a su vez a otros átomos dentro del tubo, hasta que se crea un pulso de corriente al ser atraidos los electrones hacia el ánodo, y los iones hacia el cátodo.

Esquema de funcionamiento de un tubo Geiger-Müller (fuente: Wikipedia)

Es este pulso de corriente, el que detecta el contador Geiger y usualmente se traduce por un destello luminoso en una bombilla, o en un audible click en unos auriculares. Y estos clicks, resultado de la detección de la desintegración de una partícula radioactiva, es lo que cuenta un contador Geiger gracias a los tubos GM.

Una vez sabemos cómo detectar la radioactividad, hay muchas maneras de cuantificarla, con sus correspondientes unidades. Muchas tienen que ver con los efectos que tienen sobre la materia viva, como son los Sieverts con los que podemos saber de manera más precisa la peligrosidad real que un entorno radioactivo tiene sobre nosotros (es lo que se llama «dosis» radioactiva). Ésta depende de cosas como el tiempo de exposición y el tipo de tejidos orgánicos sobre los que se produce la irradiación. Otras unidades, como el Roentgen, miden la energía producida por la radiación, sin tener en cuenta sus efectos sobre los seres vivos. Esto es lo que mide por ejemplo el DP-5V.

Pero existe aún una medida de radioactividad más primaria, por decirlo de algún modo: ¿cuántas desintegraciones de núcleos atómicos se están produciendo en un momento determinado? Esta medida es el Becquerel, que mide el número de desintegraciones por segundo.

Así que: queremos contar clicks, queremos contar el número de desintegraciones que nuestro roentgenómetro DP-5V detecta, ya que cada click que escuchamos en los auriculares se corresponde a una partícula emitida que, por azar, fue a encontrarse en su camino con uno de los dos tubos Geiger-Müller con los que cuenta el detector, en este caso. Podemos hacerlo «a pelo», escuchando las descargas mientras controlamos el tiempo con un cronómetro, pero, ¿por qué no hacerlo automáticamente? Ahí es donde entra en juego nuestro podómetro digital de baratillo.

Solo sabe hacer una cosa: contar

El funcionamiento del podómetro es muy simple. Un contrapeso calibrado hace que, con el balanceo del caminar el circuito se cierre una vez con cada paso que damos. Click. La cifra reflejada en la pantalla digital aumenta una unidad. ¡Eso es exactamente lo que queremos! Solamente que, ahora, el circuito se ha de cerrar cuando el contador Geiger «cante». Pero claro, aquí no estamos hablando de cacharros que tengan un par de puertos USB para nuestra comodidad. Y además, uno de ellos es digital y el otro se fabricó a principios de los años 80, cuando los transistores ya existían pero aún eran tecnología de vanguardia.

La única salida eléctrica que tenemos en el DP-5V, sin tener que abrirlo, es en la que se conectan los auriculares. Con un voltímetro suficientemente sensible y sobre todo rápido podemos detectar una aguda subida de tensión cada vez que hay un click en el detector. Mi sencillo multímetro digital comprado en la ferretería del barrio no era suficiente.

Gracias a Rosa y a Romano pude tener acceso a equipo profesional; y, sobre todo, a gente que que sabe manejarlo, interpretarlo, y que conoce de manera casi íntima a la electricidad 🙂

Pico de tensión registrado por el osciloscopio en la salida de auriculares

En la imagen se ve cómo un osciloscopio (de los buenos) detecta la subida de potencial provocada en la salida de auriculares, por la incidencia de una emisión radioactiva en la sonda del detector. El pico alcanza una diferencia de potencial de unos 25V, pero hay que tener en cuenta que pusimos entre medias una resistencia (no recuerdo su valor). Sin ella, llegamos a medir 100 Voltios cada vez que el DP-5V detectaba algo.

Ya tenemos una señal de salida, aunque sea en bruto, para conectar a la entrada del podómetro. Este es uno de regalo que venía con alguna promoción publicitaria, tremendamente simple, pero no es tan sencillo adaptarlo a nuestro aparato analógico. Probando con un generador de onda cuadrada, pudimos determinar que el podómetro cuenta un paso en la caida de la onda: cuando de una tensión positiva, pasamos a cero.

El pico de tensión generado por el contador en los auriculares es demasiado intenso y demasiado rápido como para que el podómetro sea capaz de registrarlo por sí solo. Necesitamos a) atenuarlo y b) transformarlo en algo más parecido a una onda cuadrada, a una señal TTL que es el idioma que entiende el sencillo chip digital.

Para atenuar la señal usaremos resistencias; para transformarla, un transistor, concretamente un BC107B.

Esquema eléctrico de conexión al podómetro digital

En la parte izquierda del esquema se sitúa el contador Geiger, y en la derecha el podómetro. Los polos positivo y negativo del contador en el esquema, se corresponden con los dos terminales de conexión de los auriculares. Con un multímetro, averiguamos cuál sería el positivo y cuál el negativo.

Los ingredientes: dos resistencias de 33 y 100 ohmnios, y un transistor BC107B

En la parte del podómetro igualmente tenemos que determinar dónde está el polo positivo y el negativo para realizar la conexión correctamente. En los dos contactos que cierra el contrapeso al caminar es donde debemos realizar la  comprobación con el multímetro. Y es ahí donde conectamos los cables.

Las dos resistencias nos permiten atenuar el voltaje producido por el contador en los auriculares; no queremos quemar el podómetro (aunque, de hecho, el pico de tensión es tan rápido, que ni se inmuta; yo hice mis pruebas previas conectando los dos aparatos directamente mediante cables) y además, queremos utilizar un transistor sencillo y barato.

Haciendo el «upgrade»

Después de unas cuantas pruebas, intentos fallidos, soldaduras mal hechas… finalmente ¡funciona! Durante un buen rato conectamos ambos aparatos y vamos comprobando que con cada pequeña variación de la aguja del amperímetro, señalando la detección de una partícula radioactiva, el podómetro aumenta su cuenta digital en uno. También podemos determinarlo a través del oído, ya que el DP-5V emite un ligerísimo zumbido agudo que puede escucharse acercando el oído; con cada partícula detectada se oye una leve alteración de ese zumbido.

Este pequeño mod que le hemos hecho a nuestro viejo y bueno cacharro soviético, no tiene apenas valor práctico: nos facilita el cálculo en Becquerels de un nivel de radioactividad natural normal. Sin embargo, al medir una muestra verdaderamente radioactiva, como la que trae incorporada el DP-5V en la sonda, el flujo de emisiones y de consiguientes clicks es demasiado numeroso y continuo como para que el circuito que hemos hecho pueda contarlos de manera individual y precisa. Lo que escuchamos en los auriculares en un caso así se parece más al ruido blanco de un televisor desintonizado.

Sin embargo, lo importante es tener la idea, intentar hacerla y aprender unas cuantas cosas interesantes en el camino (y conocer gente interesante también). A mi me ha servido para aprender los principios de funcionamiento de un contador Geiger, para rascar apenas la superficie del mundo de la electrónica analógica, y para animarme a seguir rascando más y más cosas parecidas. ¡Ah! y también para divertirme un montón 🙂