Ela pode estar presente no ambiente em que vivemos e nos matando lentamente sem que tenhamos consciência disso. A radiação atômica invade o ambiente que vivemos sem que possamos percebê-la, a não ser quando seus efeitos já se tornam irreversíveis. A Eletrônica, entretanto, oferece diversos meios para detectar e medir a radiação ionizante. Tais meios consistem na melhor maneira que possuímos para detectar fontes perigosas e eliminá-las ou isolá-las, quando necessário. Neste artigo veremos a maneira de funcionam os detectores de radiação e até mesmo como montar um. O leitor terá também uma noção do que tais instrumentos podem e não podem detectar.
A radiação perigosa é justamente aquela que possui energia suficiente para romper ligações atômicas ou mesmo destruir os núcleos atômicos.
Além das radiações ionizantes, também podem ter algum efeito sobre os seres vivos quando o atingem com grande intensidade, as partículas alfa e beta.
A detecção da radiação ionizante e mesmo de partículas que sejam emitidas por núcleos atômicos rompidos é feita por diversos dispositivos eletrônicos.
Na figura 1 mostramos os diversos tipos de radiação que podem afetar-nos, e suas origens.
a) VÁLVULAS GEIGER-MÜLLER
Este dispositivo se baseia justamente no fato de que se uma partícula de alta energia atravessar um gás rarefeito, ela provocará sua ionização e assim o tornará momentaneamente condutor em sua trajetória.
Desse modo, o que temos é um tubo de metal com uma abertura, que consiste numa janela de mica, veja a figura 2.
A mica é usada por ser mais transparente a radiações de menor poder de penetração, tais como as partículas alfa e beta, o que não ocorre com o vidro.
No meio do tubo é colocado um segundo eletrodo e entre eles é aplicada uma diferença de potencial bastante alta, normalmente entre 300 e 600 V.
O tubo é cheio com um gás inerte sob baixa pressão de modo que, em condições normais, ele é isolante.
No entanto, quando uma partícula ionizante penetra no tubo, o gás em sua trajetória se torna condutor e com isso é possível circular um pulso de corrente entre os eletrodos, conforme mostra a figura 3.
Num circuito como o mostrado na figura 3, o pulso aparece sobre o resistor de carga R e é transferido via C a um amplificador, e depois a um fone de ouvido.
O resultado da passagem da partícula ionizante pelo gás é a produção de um "clique" no fone.
Os cliques indicam então a quantidade de partículas que está penetrando no tubo e provocando a ionização.
Isso significa que, quando aproximamos um detector Geiger de um material radioativo, de acordo com a figura 4, os cliques vão se acelerando.
É claro que, em lugar do fone de ouvido podemos ter outras formas de fazer a indicação. Uma delas é a utilização de um pequeno alto-falante.
Outra, consiste num circuito integrador que "soma" os pulsos e aciona um indicador de ponteiro, conforme ilustra a figura 5.
CIRCUITO PRÁTICO
Evidentemente, um circuito prático de um medidor de radiação Geiger envolve a solução de alguns problemas importantes como, por exemplo, a obtenção de uma alta tensão entre 300 e 600 V.
Outro problema é de natureza mecânica, já que os tubos Geiger são extremamente delicados, e qualquer pancada mais forte pode danificá-los.
Na figura 6 temos um circuito típico de um detector que pode ser construído pelo leitor, desde que encontre a válvula Geiger, que não é muito fácil de ser obtida no nosso mercado especializado.
Neste circuito, a alta tensão que alimenta a válvula é obtida de um simples inversor transistorizado. Este inversor utiliza um transistor de média potência, que está conectado na configuração Hartley.
A frequência deve ficar entre 200 e 2 000 Hz e pode ser empregado um transformador comum de alimentação, invertido, para se obter uma alta tensão alternada.
Como a forma de onda desta tensão não é perfeitamente senoidal, mas tem picos agudos, após a retificação e filtragem, mesmo com um transformador de primário de 220 V, é possível obter mais de 300 V.
Para alcançar uma tensão maior temos um dobrador com diodos e capacitores, o que permite alimentar a válvula com tensões entre 400 e 600V. Ao fazer a montagem, o leitor deverá verificar qual é a tensão exigida para a válvula empregada especificamente em seu projeto.
Veja que o consumo da válvula é extremamente baixo, já que ela conduz pelos breves intervalos em que é atravessada por uma partícula, o que significa que a fonte praticamente não é carregada.
O próprio resistor de carga desta válvula, onde aparece o sinal, tem um valor que indica a magnitude da corrente máxima que obtemos com os sinais detectados.
O sinal que aparece sobre o resistor de carga da válvula detetora é levado a um amplificador de áudio integrado de uso bastante comum.
Este amplificador deve ser alimentado com um jogo de pilhas separado, preferivelmente, de modo que o zumbido do inversor não venha aparecer no alto-falante.
Para os leitores interessados na montagem deste circuito temos uma sugestão da placa de circuito impresso, na figura 7.
Nesta montagem as precauções maiores são com a válvula Geiger, que deve ser conectada ao circuito por meio de cabo bem isolado e protegida por um cabo de borracha ou outro material macio, conforme mostra a figura 8.
O inversor e o amplificador podem ser instalados numa caixa de metal ou plástico com alça, de modo a facilitar o manuseio e transporte.
Para os demais componentes não há nada crítico: os resistores são de 1/8 W e os capacitores de poliéster ou cerâmicos, conforme indicação da lista de material. Para os eletrolíticos, as tensões mínimas de trabalho são as indicadas na lista de materiais.
Veja que temos dois capacitores no inversor para alta tensão. Estes devem ser de poliéster, com tensão de trabalho de pelo menos 600 V.
O transistor de potência deve ter um pequeno radiador de calor e os diodos admitem equivalentes de igual ou maior tensão de trabalho.
O setor inversor é alimentado por 4 pilhas médias ou grandes, já que ele exige uma corrente relativamente alta para operação, enquanto que para o amplificador utilizamos 4 pilhas pequenas. Um interruptor duplo liga as duas fontes de alimentação ao mesmo tempo.
O transformador é do tipo usado em pequenas fontes de alimentação com enrolamento primário de 110/220 V ou 220 V, e secundário de 6+6 V com correntes na faixa de 50 a 300 mA.
O alto-falante é pequeno, de 5 cm com 8 ohms, de modo a não comprometer o tamanho da caixa necessária para alojar o equipamento.
O controle de volume é opcional, já que em condições normais será importante ouvir de maneira clara os estalidos indicadores da radiação incidente.
Para provar o aparelho não é preciso fazer nada mais do que ligá-lo e abrir o volume.
Em intervalos que podem variar entre alguns segundos até perto de um minuto devem ser ouvidos estalidos isolados. Estes estalidos correspondem a uma partícula de radiação natural (cósmica ou gerada no local) que atravessa a válvula detetora.
É a radiação que, conforme vimos, banha nosso meio ambiente e está em toda parte.
Para usar, basta aproximar o sensor (válvula Geiger) dos locais em que se pretende fazer a detecção. Quantos mais estalidos forem ouvidos, mais forte é a radiação. Um ruído semelhante ao de uma metralhadora significa uma fonte de radiação suficientemente potente para apresentar perigo real.
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
CI1 - LM386 - circuito integrado, amplificador de áudio
Q1 - TIP31 - transistor NPN de potência
D1 - 1N4004 ou 1N4007 - diodos de silício
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 - 4,7 k ohms
R2 - 1 M ohms
R3 - 10 ohms
Capacitores:
C1 - 470 µF x 12 V - eletrolítico
C2, C9 - 47 nF - cerâmico ou poliéster
C3 - 10 nF - cerâmico ou poliéster
C4, C5 - 220 nF x 600 V - poliéster
C6 - 100 pF - cerâmico
C7 - 100 nF - cerâmico ou poliéster
C8 - 100 µF x 12V - eletrolítico
C10 - 220 µF x 12V - eletrolítico
Diversos:
B1 – 6 V - 4 pilhas médias ou grandes
B2 - 6V - 4 pilhas pequenas
S1 - Interruptor duplo
T1 – Transformador com primário de 220 V ou 110/200 V, e secundário de 6+6 V com 200 a 500 mA
V1 - Válvula Geiger Müller - qualquer tipo para 300 a 500 V de tensão
Placa de circuito impresso, radiador de calor pequeno para Q1, caixa para montagem, suportes de pilhas, botão para o potenciômetro, fios, solda, etc.
OUTROS SENSORES
A penetração de uma partícula ionizante num material semicondutor causa a liberação de portadores de carga. É o mesmo princípio de funcionamento de um fotodiodo ou fototransistor, com a diferença de que neste caso as partículas são mais penetrantes e dotadas de mais energia.
Assim, em princípio qualquer semicondutor pode funcionar como um sensor de radiação ou apresentar uma certa sensibilidade.
Esta sensibilidade à radiação foi uma das preocupações que os projetistas dos primeiros equipamentos eletrônicos que deveriam funcionar no espaço tiveram que vencer.
A forte radiação, quer seja na passagem dos cinturões de radiação da Terra, quer seja no espaço exterior, pode causar a rápida deterioração dos circuitos eletrônicos mais sensíveis, que devem ser protegidos.
Uma partícula ionizante que atinja a entrada de um amplificador poderá liberar uma certa quantidade de portadores de carga e com isso gerar uma corrente que, amplificada, poderá afetar totalmente o funcionamento do circuito.
O importante disso é que vencidas as dificuldades no espaço, os semicondutores também podem ser usados em detectores de radiação atômica, se bem que tenham uma desvantagem em relação à válvula Geiger: o tamanho.
De fato, para que haja a detecção, a partícula deve chegar ao sensor, e se ele for muito pequeno, a probabilidade de que isso ocorra diminui, conforme podemos perceber pela figura 9.
Assim, um meio de se obter um sensor eficiente é aumentando a sua superfície sensora. Temos então os denominados "diodos de grande superfície", que podem ser usados como sensores de radioatividade em circuitos relativamente simples, observe a figura 10.
Conforme podemos ver pela figura 11, trata-se de circuito semelhante ao de qualquer foto-sensor, com uma polarização inversa da junção e ligação da saída do circuito a um amplificador.
A carga deste amplificador pode ser um pequeno transdutor que reproduzirá os "cliques" a cada partícula detectada, ou então um integrador que poderá alimentar o indicador analógico ou mesmo digital.
Se o leitor quiser experimentar um circuito simples para esta finalidade, temos na figura 11 uma sugestão que aproveita a superfície relativamente grande da junção de um transistor 2N3055 sem sua proteção de metal.
Evidentemente, a pequena superfície deste sensor torna-o muito menos sensível que qualquer válvula Geiger, de modo que ele vai responder apenas a níveis relativamente altos de radiação.
Mesmo assim, o leitor notará que deixando-o ligado, vez ou outra será produzido um clique que corresponde à passagem de um raio cósmico vindo do espaço ou produzido na própria Terra pela desintegração dos átomos radioativos de seus elementos.
Se o circuito começar a "clicar" intensamente, então, saia do local, pois você estará diante de uma fonte de radiação realmente intensa.
A placa de circuito impresso para o projeto experimental é mostrada na figura 12.
Para evitar que o circuito detecte pulsos de luz e não de radiação, uma cobertura opaca deverá ser prevista para o sensor.
Uma maneira de aumentar a sensibilidade deste circuito experimental consiste em se ligar diversos transistores em paralelo.
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
Q1 - 2N3055 - ver texto - transistor de potência sem a proteção do invólucro
Q2 - BC548 - transistor NPN de uso geral
Q3 - BC558 - transistor PNP de uso geral
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 - 1 M ohms
R2 - 470 k ohms
R3 – 56 k ohms
Capacitores:
C1 - 100 nF - cerâmico
C2 - 100 µF x 12 V - eletrolítico
Diversos:
B1 – 6 V - 4 pilhas pequenas
S1 - Interruptor simples
Placa de circuito impresso, suporte de pilhas, caixa para montagem, fios, solda, etc.
