Publicamos no site um interessante artigo sobre Radiação Nuclear e os detectores, complementando a matéria com três projetos que poderiam ser elaborados com certa facilidade, dada sua simplicidade. No entanto, tais detectores utilizam um componente básico dificilmente encontrado no nosso mercado (para a realização do nosso protótipo compramos este componente no exterior) - a Válvula Geiger. Não foram poucas as cartas e consultas diretas que recebemos perguntando se haveria a possibilidade de substituir este componente por outro de menor custo, e que pudesse ser encontrado em nosso mercado. Depois de alguns estudos chegamos a essa substituição que será descrita neste artigo.
Conforme descrevemos em outro artigo, as radiações nucleares são detectadas por válvulas especiais a partir da ionização que produzem num gás pela sua passagem.
Assim, as partículas alfa (núcleos de hélio) e beta (prótons), ao passarem por um gás rarefeito, produzem uma ionização. Os eletrodos da válvula são então submetidos a uma tensão elevada (entre 300 e 800 V) de tal modo que, no momento em que a partícula atravessa a válvula, o gás no seu interior se torna momentaneamente condutor, produzindo assim um pulso que pode ser amplificado. (figura 1)
O número de pulsos ouvidos, ou então contados por circuitos especiais, dá o grau de radiação que incide no detector.
Este grau ou nível de radiação, entretanto, leva em conta as dimensões da válvula que são relativamente grandes.
Assim, para a calibração de um detector ou para determinação de sua sensibilidade, é importante saber qual é a superfície útil que recebe a radiação ionizante.
As válvulas Geiger que funcionam deste modo, são componentes muito caros, delicados e de difícil obtenção no nosso mercado.
Haveria a possibilidade de fazer sua substituição?
Analisando literatura especializada e fazendo experiências, chegamos à conclusão de que uma junção semicondutora, um diodo, por exemplo, também pode detectar radiações ionizantes, como as partículas alfa.
Para isso, basta polarizar um diodo no sentido inverso com uma tensão bastante elevada, da ordem de 150 volts, conforme mostra a figura 2, e utilizar como carga um resistor de 1 a 2,2M ohms.
Nas condições normais, sem incidência de radiação, a corrente que circula pelo diodo é mínima, dependendo apenas da liberação de portadores de carga por agitação térmica dos átomos do material, ou então pela incidência de luz.
Esta corrente, entretanto, tem um valor constante.
A tensão sobre o resistor é então mantida num valor mais ou menos constante, não havendo sinal disponível no capacitor de saída. Se ligarmos este circuito a um amplificador de áudio de bom ganho, o máximo que teremos é a amplificação do ruído térmico que corresponde justamente aos portadores de carga liberados na junção. (figura 3)
No entanto, se uma partícula ionizante atingir a junção semicondutora, ela liberará uma certa quantidade de portadores de carga que produzirão um pico de corrente no componente.
Este pico de corrente corresponde a um pulso que pode ser amplificado pelo circuito externo. (figura 4)
Em suma, a junção do material semicondutor detecta a radiação que nela incide com boa sensibilidade.
PROBLEMA DE SENSIBILIDADE
A sensibilidade deste dispositivo é grande, mas existe um problema a ser considerado: suas dimensões.
Se tomarmos uma junção de um diodo comum ela tem dimensões de poucos milímetros, milhares de vezes menor que a superfície útil de uma válvula Geiger.
Assim, expondo os dois dispositivos a uma fonte de radiação atômica, como sugere a figura 5, enquanto que dezenas de partículas atingirão a válvula em cada minuto, na junção de um diodo teremos apenas uma ou outra partícula detectada por minuto.
É claro que se tivermos uma fonte de radiação muito forte a quantidade de partículas que incidem na junção será maior e a detecção mais fácil.
Que tipo de componente teria uma junção de boas dimensões para ser usado como detector?
O primeiro ponto importante a ser considerado é a facilidade com que a junção seria exposta à radiação.
O segundo ponto seria a sua capacidade de suportar a tensão elevada de polarização e, finalmente, o tamanho de sua "pastilha semicondutora".
Levando em conta isso fizemos experiências com o muito-comum transistor 2N3055 e tivemos resultados satisfatórios.
É claro que sua junção exposta tem dimensões de milímetros contra os muitos centímetros da válvula, mas a capacidade de detectar a radiação, desde que ela "acerte" o componente, existe.
Assim, para os leitores que desejam fazer sua montagem, mesmo que a sensibilidade seja menor dado o aspecto da pequena superfície coletora de radiação, descrevemos o nosso projeto.
O CIRCUITO
Basicamente podemos substituir uma válvula Geiger pelo transistor 2N3055, conforme ligação mostrada na fig. 6.
Temos então três versões:
a) A versão 1 corresponde a um detector alimentada pela rede com escuta em alto-falante. (figura 7)
b) A versão 2 é alimentada por pilhas com escuta em fone. (figura 8)
c) Finalmente temos a versão 3 que é alimentada por pilhas e que excita um instrumento. Dada a pequena sensibilidade, esta versão não é recomendada a não ser para a detecção de níveis muito altos de radioatividade. (figura 9)
Na figura 10 temos o procedimento para "preparar" o transistor 2N3055 como sensor.
Tiramos então o seu capacete e expomos sua junção.
Uma vez exposta a junção, devemos evitar que luz a atinja. Para isso fazemos uma proteção de papelão escuro (a radiação alfa pode atravessar este material).
As ligações são feitas com fio comum.
Obs. Esta operação não é simples, já que os invólucros são solidamente fechados. No entanto, uma alternativa que pode ser experimentada é usar foto-células de silício que são grandes e também funcionam como sensores quando polarizadas no sentido inverso.
O sensor deve ser montado de forma a facilitar sua utilização, já que ele deve ser aproximado da fonte de radiação.
UTILIZAÇÃO
Ao ligar o aparelho devemos ouvir apenas um chiado que corresponde ao ruído térmico da junção do semicondutor. Na incidência de qualquer radiação ionizante haverá a produção de um pulso que se traduz em um estalo.
Tanto maior a quantidade de estalos, maior é a intensidade da radiação.
Um ou outro estalo ocasional pode ser ouvido durante as provas de funcionamento, devido a incidência de raios cósmicos sobre a Terra.
Estes raios são partículas de alta energia que bombardeiam a Terra constantemente vindas de todas as partes do universo.
Como sua quantidade é muito pequena, não precisamos ter medo de seus efeitos (sempre tais raios incidiram sobre toda a humanidade e até agora nada aconteceu de grave!). (figura 11)
Com relação ao material radioativo para a prova, como é difícil sua obtenção, esta deve ser feita em função apenas dos raios cósmicos, a não ser por pessoas habilitadas que tenham acesso a fontes de partículas alfa.
