Contatore Geiger funzionante con parti minime: 4 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Ecco, per quanto ne so, il contatore Geiger funzionante più semplice che puoi costruire. Questo utilizza un tubo Geiger SMB-20 di fabbricazione russa, pilotato da un circuito step-up ad alta tensione rubato da uno scacciamosche elettronico. Rileva le particelle beta e i raggi gamma, emettendo un clic per ogni particella radioattiva o burst di raggi gamma che rileva. Come puoi vedere nel video sopra, fa clic ogni pochi secondi dalla radiazione di fondo, ma prende davvero vita quando vengono avvicinate fonti di radiazioni come il vetro all'uranio, i mantelli delle lanterne al torio o i pulsanti di americio dei rilevatori di fumo. Ho costruito questo contatore per aiutarmi a identificare gli elementi radioattivi di cui ho bisogno per compilare la mia raccolta di elementi e funziona alla grande! L'unico vero inconveniente di questo contatore è che non è molto rumoroso e non calcola e non visualizza la quantità di radiazioni che sta rilevando in conteggi al minuto. Ciò significa che non ottieni alcun punto dati effettivo, solo un'idea generale della radioattività basata sulla quantità di clic che senti.

Sebbene in rete siano disponibili vari kit di contatori Geiger, puoi costruirne uno da zero se hai i componenti giusti. Iniziamo!

Passaggio 1: contatori Geiger e radiazioni: come funziona?

Il contatore Geiger (o contatore Geiger-Müller) è un rilevatore di radiazioni sviluppato da Hans Geiger e Walther Müller nel 1928. Oggi quasi tutti conoscono i ticchettii che emette quando rileva qualcosa, spesso considerato il "suono" di radiazione. Il cuore del dispositivo è il tubo Geiger-Müller, un cilindro di metallo o vetro riempito con gas inerti tenuti a bassa pressione. All'interno del tubo ci sono due elettrodi, uno dei quali è tenuto ad un potenziale di alta tensione (solitamente 400-600 volt) mentre l'altro è collegato a massa elettrica. Con il tubo in uno stato di riposo, nessuna corrente è in grado di saltare lo spazio tra i due elettrodi all'interno del tubo e quindi non scorre corrente. Tuttavia, quando una particella radioattiva entra nel tubo, come una particella beta, la particella ionizza il gas all'interno del tubo, rendendolo conduttivo e consentendo alla corrente di saltare tra gli elettrodi per un breve istante. Questo breve flusso di corrente attiva la parte del rivelatore del circuito, che emette un "clic" udibile. Più clic significano più radiazioni. Molti contatori Geiger hanno anche la capacità di contare il numero di clic e calcolare i conteggi al minuto, o CPM, e visualizzarli su un quadrante o un display di lettura.

Diamo un'occhiata al funzionamento del contatore Geiger in un altro modo. Il principio chiave del funzionamento del contatore Geiger è il tubo Geiger e come imposta un'alta tensione su un elettrodo. Questa alta tensione è come un ripido pendio di montagna coperto di neve profonda, e tutto ciò che serve è una piccola quantità di energia radiante (simile a quella di uno sciatore che scende dal pendio) per scatenare una valanga. La conseguente valanga porta con sé molta più energia della particella stessa, energia sufficiente per essere rilevata dal resto del circuito contatore Geiger.

Dato che probabilmente è passato un po' di tempo da quando molti di noi si sono seduti in un'aula e hanno imparato a conoscere le radiazioni, ecco un rapido aggiornamento.

Materia e struttura dell'atomo

Tutta la materia è composta da minuscole particelle chiamate atomi. Gli atomi stessi sono composti da particelle ancora più piccole, vale a dire protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni sono raggruppati insieme al centro dell'atomo - questa parte è chiamata nucleo. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo.

I protoni sono particelle caricate positivamente, gli elettroni sono caricati negativamente e i neutroni non hanno carica e sono quindi neutri, da cui il loro nome. In uno stato neutro, ogni atomo contiene un numero uguale di protoni ed elettroni. Poiché protoni ed elettroni trasportano cariche uguali ma opposte, ciò conferisce all'atomo una carica netta neutra. Tuttavia, quando il numero di protoni ed elettroni in un atomo non è uguale, l'atomo diventa una particella carica chiamata ione. I contatori Geiger sono in grado di rilevare le radiazioni ionizzanti, una forma di radiazione che ha la capacità di trasformare gli atomi neutri in ioni. I tre diversi tipi di radiazioni ionizzanti sono le particelle alfa, le particelle beta e i raggi gamma.

Particelle alfa

Una particella alfa è costituita da due neutroni e due protoni legati insieme ed è l'equivalente del nucleo di un atomo di elio. La particella viene generata quando si stacca semplicemente da un nucleo atomico e vola. Poiché non ha elettroni caricati negativamente per annullare la carica positiva dei due protoni, una particella alfa è una particella carica positivamente, chiamata ione. Le particelle alfa sono una forma di radiazione ionizzante, perché hanno la capacità di rubare elettroni dall'ambiente circostante, e così facendo trasformano gli atomi da cui rubano in ioni stessi. In dosi elevate, questo può causare danni cellulari. Le particelle alfa generate dal decadimento radioattivo si muovono lentamente, sono di dimensioni relativamente grandi e, a causa della loro carica, non possono passare facilmente attraverso altre cose. La particella alla fine raccoglie alcuni elettroni dall'ambiente e così facendo diventa un legittimo atomo di elio. È così che viene prodotto quasi tutto l'elio terrestre.

Particelle beta

Una particella beta è un elettrone o un positrone. Un positrone è come un elettrone, ma ha una carica positiva. Le particelle beta meno (elettroni) vengono emesse quando un neutrone decade in un protone e le particelle beta più (positroni) vengono emesse quando un protone decade in un neutrone.

Raggi gamma

I raggi gamma sono fotoni ad alta energia. I raggi gamma si trovano nello spettro elettromagnetico, oltre la luce visibile e l'ultravioletto. Hanno un alto potere penetrante e la loro capacità di ionizzare deriva dal fatto che possono eliminare gli elettroni da un atomo.

Il tubo SMB-20, che utilizzeremo per questa build, è un comune tubo di fabbricazione russa. Ha una sottile pelle metallica che funge da elettrodo negativo, mentre un filo metallico che corre longitudinalmente attraverso il centro del tubo funge da elettrodo positivo. Affinché il tubo rilevi una particella radioattiva o un raggio gamma, tale particella o raggio deve prima penetrare nella sottile pelle metallica del tubo. Le particelle alfa generalmente non sono in grado di farlo, poiché di solito vengono fermate dalle pareti del tubo. Altri tubi Geiger progettati per rilevare queste particelle hanno spesso una finestra speciale, chiamata finestra Alpha, che consente a queste particelle di entrare nel tubo. La finestra è solitamente costituita da uno strato molto sottile di mica e il tubo Geiger deve essere molto vicino alla sorgente Alpha per raccogliere le particelle prima che vengano assorbite dall'aria circostante. *Sigh* Quindi ora basta con le radiazioni, passiamo alla costruzione di questa cosa.

Passaggio 2: raccogli i tuoi strumenti e materiali

Forniture necessarie:

• Tubo Geiger SMB-20 (disponibile per circa $ 20 USD su eBay)
• Circuito step-up DC ad alta tensione, rubato da un economico scacciamosche elettronico. Questo è il modello specifico che ho usato:
• Diodi Zener con un valore totale combinato di circa 400 V (quattro da 100 V sarebbero l'ideale)
• Resistori con un valore totale combinato di 5 Megohm (io ne ho usati cinque da 1 Megohm)
• Transistor - tipo NPN, ho usato 2SC975
• Elemento altoparlante piezo (rubato da un forno a microonde o da un giocattolo elettronico rumoroso)
• 1 batteria AA
• Portabatterie AA
• Interruttore on/off (ho usato l'interruttore momentaneo SPST dello scacciamosche elettronico)
• Rottami di filo elettrico
• Pezzo di legno di scarto, plastica o altro materiale non conduttivo da utilizzare come substrato su cui costruire il circuito

Strumenti che ho usato:

• Saldatore "matita"
• Saldatura a nucleo di colofonia di piccolo diametro per scopi elettrici
• Pistola per colla a caldo con stick di colla appropriati
• Pinza tagliafili
• Spelafili
• Cacciavite (per demolire lo scacciamosche elettronico)

Sebbene questo circuito sia costruito attorno a un tubo SMB-20, che è in grado di rilevare particelle beta e raggi gamma, può essere facilmente adattato per utilizzare una varietà di tubi. Basta controllare il particolare intervallo di tensione operativa e altre specifiche del tuo particolare tubo e regolare di conseguenza i valori dei componenti. I tubi più grandi sono più sensibili di quelli più piccoli, semplicemente perché sono bersagli più grandi da colpire per le particelle.

I tubi Geiger richiedono alte tensioni per funzionare, quindi stiamo usando il circuito step-up DC da uno scacciamosche elettronico per aumentare gli 1,5 volt dalla batteria fino a circa 600 volt (originariamente lo scacciamosche funzionava a 3 volt, emettendo circa 1200v per lo zapping delle mosche. Eseguilo su voltaggi più alti e avresti un taser). All'SMB-20 piace essere pilotato a 400V, quindi usiamo diodi zener per regolare la tensione a quel valore. Sto usando tredici zener da 33 V, ma altre combinazioni funzionerebbero altrettanto bene, come 4 zener da 100 V, purché il totale dei valori degli zener sia uguale alla tensione target, in questo caso 400.

Le resistenze servono a limitare la corrente al tubo. All'SMB-20 piace un resistore anodico (lato positivo) di circa 5 M ohm, quindi sto usando cinque resistori da 1 M ohm. È possibile utilizzare qualsiasi combinazione di resistori purché i loro valori si sommino a circa 5 M ohm.

L'elemento dell'altoparlante piezoelettrico e il transistor costituiscono la parte del rivelatore del circuito. L'elemento dell'altoparlante piezoelettrico emette i rumori di clic e i lunghi fili su di esso consentono di tenerlo più vicino all'orecchio. Ho avuto fortuna a salvarli da cose come forni a microonde, sveglie e altre cose che emettono fastidiosi segnali acustici. Quello che ho trovato ha un bel involucro di plastica intorno che aiuta ad amplificare il suono che ne deriva.

Il transistor aumenta il volume dei clic. Puoi costruire il circuito senza un transistor, ma i clic generati dal circuito non saranno così rumorosi (con questo intendo appena udibili). Ho usato un transistor 2SC975 (tipo NPN), ma molti altri transistor probabilmente funzionerebbero. Il 2SC975 è stato letteralmente solo il primo transistor che ho estratto dalla mia pila di componenti recuperati.

Nella fase successiva eseguiremo uno smontaggio dello scacciamosche elettrico. Non preoccuparti è facile.

Passaggio 3: smontare lo scacciamosche

Gli scacciamosche elettronici possono differire leggermente nella costruzione, ma dal momento che stiamo solo cercando l'elettronica all'interno, basta strapparlo e tirare fuori le budella lol. Lo schiacciapatate nelle immagini sopra è in realtà leggermente diverso da quello che ho integrato nel bancone, poiché sembra che il produttore abbia cambiato il loro design.

Inizia rimuovendo eventuali viti visibili o altri elementi di fissaggio che lo tengono insieme, tenendo d'occhio gli adesivi o cose come il coperchio della batteria che potrebbero nascondere elementi di fissaggio aggiuntivi. Se la cosa ancora non si apre, potrebbe essere necessario fare un po' di leva con un cacciavite lungo le cuciture nel corpo di plastica dello scacciamosche.

Una volta aperto, dovrai usare un tronchesino per tagliare i fili dalla griglia a rete dello zapper. Due fili neri (a volte di altri colori) provengono dallo stesso punto del tabellone, ciascuno dei quali porta a una delle griglie esterne. Questi sono i fili negativi o "massa" per l'uscita ad alta tensione. Poiché questi fili provengono dallo stesso punto sul circuito stampato e ne abbiamo bisogno solo uno, procedi e tagliane uno sul circuito, mettendo da parte il filo di scarto per un uso successivo.

Dovrebbe esserci un filo rosso che porta alla griglia interna, e questa è l'uscita ad alta tensione positiva.

Gli altri fili provenienti dal circuito vanno alla scatola della batteria e quello con la molla all'estremità è il collegamento negativo. Abbastanza semplice.

Se smontate la testa dello scacciamosche, magari per separare i componenti da riciclare, fate attenzione a eventuali spigoli vivi sulla rete metallica.

Passaggio 4: costruisci il circuito e usalo

Una volta che hai i tuoi componenti, dovrai saldarli insieme per formare il circuito mostrato nel diagramma. Ho incollato tutto a caldo su un pezzo di plastica trasparente che avevo in giro. Questo rende un circuito robusto e affidabile e ha anche un bell'aspetto. C'è una piccola possibilità che tu possa darti un po' di zap toccando parti di questo circuito mentre è eccitato, come la connessione sull'altoparlante piezoelettrico, ma puoi semplicemente coprire le connessioni con la colla a caldo se c'è un problema.

Una volta che ho finalmente avuto tutti i componenti di cui avevo bisogno per costruire il circuito, l'ho messo insieme in un pomeriggio. A seconda dei valori dei componenti che hai, potresti finire per utilizzare meno componenti di me. Potresti anche usare un tubo Geiger più piccolo e rendere il contatore molto compatto. Orologio da polso con contatore Geiger, chiunque?

Ora ti starai chiedendo, a cosa mi serve un contatore Geiger se non ho nulla di radioattivo a cui puntarlo? Il contatore scatterà ogni pochi secondi solo dalla radiazione di fondo, che è composta da raggi cosmici e simili. Ma ci sono alcune fonti di radiazioni che puoi trovare per usare il tuo contatore su:

Americio dai rilevatori di fumo

L'americio è un elemento artificiale (non presente in natura) e viene utilizzato nei rilevatori di fumo a ionizzazione. Questi rilevatori di fumo sono molto comuni e probabilmente ne hai alcuni in casa. In realtà è abbastanza facile dire se lo fai, perché tutti hanno le parole contiene sostanza radioattiva Am 241 modellata nella plastica. L'americio, sotto forma di biossido di americio, è placcato su un piccolo bottone metallico all'interno, montato in un piccolo involucro noto come camera di ionizzazione. L'americio è solitamente placcato con un sottile strato di oro o altro metallo resistente alla corrosione. Puoi aprire il rilevatore di fumo ed estrarre il piccolo pulsante: di solito non è molto difficile.

Perché radiazioni in un rilevatore di fumo?

All'interno della camera di ionizzazione del rivelatore, ci sono due piastre metalliche posizionate l'una di fronte all'altra. Attaccato a uno di essi c'è il bottone di americio, che emette un flusso costante di particelle alfa che attraversano un piccolo traferro e vengono poi assorbite dall'altra piastra. L'aria tra le due piastre diventa ionizzata ed è quindi alquanto conduttiva. Ciò consente a una piccola corrente di fluire tra le piastre e questa corrente può essere rilevata dai circuiti del rilevatore di fumo. Quando le particelle di fumo entrano nella camera, assorbono le particelle alfa e interrompono il circuito, attivando l'allarme.

Già, ma è pericoloso?

La radiazione emessa è relativamente benigna, ma per sicurezza consiglio quanto segue:

• Conserva il bottone di americio in un luogo sicuro, lontano dai bambini, preferibilmente in un contenitore a prova di bambino di qualche tipo
• Non toccare mai la faccia del bottone su cui è placcato l'americio. Se tocchi accidentalmente la superficie del pulsante, lavati le mani

Vetro all'uranio

L'uranio è stato utilizzato, in forma di ossido, come additivo al vetro. Il colore più tipico del vetro all'uranio è il giallo-verde pallido malaticcio, che negli anni '20 ha portato al soprannome di "vetro di vaselina" (basato su una somiglianza percepita con l'aspetto della vaselina come formulato e venduto commercialmente in quel momento). Lo vedrai etichettato come "vetro di vaselina" nei mercatini delle pulci e nei negozi di antiquariato, e di solito puoi chiederlo con quel nome. La quantità di uranio nel vetro varia da livelli di tracce a circa il 2% in peso, sebbene alcuni pezzi del XX secolo siano stati realizzati con fino al 25% di uranio! La maggior parte del vetro all'uranio è solo leggermente radioattivo e non penso che sia affatto pericoloso da maneggiare.

È possibile confermare il contenuto di uranio del vetro con una luce nera (luce ultravioletta), poiché tutti i vetri all'uranio emettono fluorescenza verde brillante indipendentemente dal colore che appare in condizioni di luce normale (che può variare notevolmente). Più luminoso un pezzo risplende sotto la luce ultravioletta, più uranio contiene. Mentre i pezzi di vetro all'uranio brillano sotto la luce ultravioletta, emettono luce propria anche sotto qualsiasi fonte di luce che contiene ultravioletti (come la luce solare). Le lunghezze d'onda ultraviolette ad alta energia della luce colpiscono gli atomi di uranio, spingendo i loro elettroni a un livello energetico più elevato. Quando gli atomi di uranio ritornano al loro normale livello energetico, emettono luce nello spettro visibile.

Perché l'uranio?

La scoperta e l'isolamento del radio nel minerale di uranio (pitchblende) di Marie Curie ha dato il via allo sviluppo dell'estrazione dell'uranio per estrarre il radio, che è stato utilizzato per produrre vernici fosforescenti per quadranti di orologi e aerei. Ciò ha lasciato una quantità prodigiosa di uranio come prodotto di scarto, poiché occorrono tre tonnellate di uranio per estrarre un grammo di radio.

Mantelli per lanterne da campeggio al torio

Il torio viene utilizzato nei manti delle lanterne da campeggio, sotto forma di biossido di torio. Quando viene riscaldato per la prima volta, la parte in poliestere del mantello brucia, mentre il biossido di torio (insieme ad altri ingredienti) mantiene la forma del mantello ma diventa una sorta di ceramica che si illumina quando viene riscaldata. Il torio non viene più utilizzato per questa applicazione, essendo stato interrotto dalla maggior parte delle aziende a metà degli anni '90, ed è stato sostituito da altri elementi non radioattivi. Il torio è stato usato perché rende i mantelli che brillano molto intensamente, e quella luminosità non è del tutto eguagliata dai mantelli più recenti e non radioattivi. Come fai a sapere se il mantello che hai è davvero radioattivo? È qui che entra in gioco il contatore Geiger. I mantelli che ho incontrato fanno impazzire il contatore Geiger, molto più dei bottoni in vetro uranio o americio. Non è tanto che il torio sia più radioattivo dell'uranio o dell'americio, ma c'è molto più materiale radioattivo in un mantello di lanterna che in quelle altre fonti. Ecco perché è davvero strano incontrare così tante radiazioni in un prodotto di consumo. Le stesse precauzioni di sicurezza che si applicano ai bottoni di americio si applicano anche ai mantelli delle lanterne.

Grazie per la lettura a tutti! Se ti piace questo tutorial, lo sto partecipando al concorso "costruisci uno strumento" e apprezzerei davvero il tuo voto! Mi piacerebbe anche avere tue notizie se hai commenti o domande (o anche suggerimenti/suggerimenti/critiche costruttive), quindi non aver paura di lasciare quelli qui sotto.

Un ringraziamento speciale al mio amico Lucca Rodriguez per aver realizzato il bellissimo schema elettrico per questo istruibile.