Algunos de nosotros nos hemos encontrado en la tesitura de querer efectuar demostraciones en el campo de la radiactividad, o de comprobar las atenuaciones de diversos materiales ante la radiación, cuando no en la necesidad de calibrar mínimamente un detector Geiger que acabamos de construir. Para estas cosas se pueden utilizar dos procedimientos, o ir dando palos de ciego con suposiciones y sin saber realmente lo que mides, y por lo tanto lo que obtienes, o disponer de muestras radiactivas calibradas.
En realidad, dichas muestras, en forma de discos de pocos centímetros de diámetro, pueden comprarse en el mercado: emisores de gammas conteniendo Cobalto 60, alfas de Polonio 210 o betas de Estroncio 90. En Estados Unidos las tienen en United Nuclear, a un precio bastante elevado, de entre 79 y 140$ la unidad, con el agravante que esta empresa no vende fuera del país, y en España, al problema del precio se suma que son muy difíciles de encontrar.
En todo caso, fieles a nuestro espíritu de intentar hacer las cosas por nosotros mismos, vamos a proceder a fabricar algunas muestras radiactivas con materiales corrientes y a calibrarlas lo mejor que podamos.
CONFECCIÓN DE LOS CONTENEDORES
Para ello comenzaremos por confeccionar varios discos de plomo de 2 mm. de grosor y de 25 mm. de diámetro. El procedimiento es fácil, una vez obtenida la plancha de este grueso, con las puntas de un compás, marcamos por una parte 10 circunferencias de 25 mm. Y como nuestros soportes necesitarán tener un cierto volumen interno, a la mitad de ellos le marcamos otra circunferencia concéntrica de 15 mm. con la que confeccionaremos unos anillos para superponer a las circunferencias de base.
Después, para incorporar a una de las muestras, haremos otra marca de 25 mm. sobre una plancha de aluminio de 3 mm.
Marcando las formas sobre la plancha de plomo de 2 mm.
Seguidamente procederemos a cortar los discos de 25 mm. con unas simples tijeras, ya que el grosor de 2 mm. lo permite sin problemas. En todo caso, cortaremos un poco hacia el exterior de las líneas. Después, con un destornillador plano afilado, procedemos a cortar la circunferencia interna en los 5 discos anulares que así la tienen marcada.
Con una pequeña raspa de media caña (ya que una lima se embozaría al instante con el plomo), ajustamos los bordes interno y externo de las piezas, hasta que tengan las medidas correctas.
Naturalmente, aprovecharemos para tomar una sierra y cortar también el disco de aluminio, limándolo a continuación con una lima plana.
Los discos y los anillos de plomo ya cortados
Ahora soldaremos con estaño las piezas anulares sobre cada uno de los discos fijos, para dejar el hueco donde depositar el material radiactivo. La medida del volumen interno arroja: 3,14 x 7,5 x 7,5 x 2 = 353,25 mm3 , es decir 0,35 cm3
Soldando el anillo al disco para formar el contenedor
Una vez limado el borde externo de estaño, tratamos la parte externa del disco contenedor con algún tipo de imprimación para metales, para que posteriormente se pueda pintar sin problemas, y ya sólo queda incorporarle el material radiactivo.
INCORPORANDO EL MATERIAL RADIACTIVO
La idea es confeccionar 4 muestras de diferentes características utilizando algunas de las sustancias que guardo en mi “contenedor de muestras”
La primera muestra será de Americio-241. Emisor de partículas alfa de alta intensidad con una pequeña proporción de beta y gamma.
Una plaquita de Americio-241, de 1 microcurio, similar a las que se utilizarán en la muestra
La primera muestra, de Americio-241, conteniendo 5 plaquitas de 1 microcurio de dicho isótopo
Para ello depositamos unas gotas de araldit en el fondo del hueco y colocamos en el centro cinco cuadraditos de Americio extraídos de detectores de humo de desguace, lo que totaliza una cantidad de 5 microcurios.
Como nuestra intención es aprovechar su potente emisión alfa, debemos tener cuidado en que el araldit no cubra los cuadrados, ya que incluso una leve capa la atenuaría en gran manera, pudiendo llegar incluso a anularla.
La segunda y la tercera muestra serán de Uranio-238 y toda su serie radiactiva, pero con una diferencia que más tarde explicaré. Para ello moleremos un fragmento de mineral de autunita, intentando descartar las partes que sean de ganga y concentrar la mena en forma de cristales amarillos de fosfato de Uranio.
Autunita molida, mineral de Uranio natural, depositado en su contenedor
Si disponemos de un fluorescente de luz ultravioleta, este trabajo nos resultará más fácil, ya que este mineral presenta una altísima fluorescencia de la que carece la piedra común. En todo caso, deberemos obtener una cantidad de mena suficiente para llenar dos de las muestras.
Comprobamos que cantidad de mineral molido nos cabe en una de ellas, seguidamente lo mezclamos con araldit y lo removemos en el interior de los huecos de ambos contenedores. Una vez el pegamento ha comenzado a endurecer, con una herramienta plana, aplastaremos un poco la superficie del mineral, apelmazándolo lo necesario para que no sobresalga del contenedor.
De las dos muestras con el mismo mineral, una de ellas será emisora de radiación β/γ (beta/gamma), y la dejaremos así. Para la otra, que queremos que sólo emita γ, la cubriremos con el disco de aluminio que actuará de filtro absorbente de betas, y que irá pegado sobre la ventana del contenedor de plomo, también con araldit.
La cuarta muestra, también emisora de β/γ como la segunda, aunque en distinta proporción, será de polvo de Torio-232 procedente de camisas Wellsbach de Camping Gas.
Una vez acabadas, las pintaremos con varias capas de amarillo, excepto la primera muestra de Americio, que insisto, no debemos cubrir.
Pintando las muestras una vez acabadas
Dos de las muestra, la de Uranio-238 y la de Americio-241
MEDICIÓN DE VALORES DE RADIACIÓN
Y ahora procederemos a medir las diferentes radiaciones y sus porcentajes utilizando el Medidor de Radiación RAM 63, el cual modifiqué y calibré anteriormente. El RAM es un detector de centelleo, es decir mide los rastros luminosos que la radiación va dejando en ciertos cristales. Su señal de salida, obtenida a través de la interface adecuada, es conducida mediante un cable coaxial a un viejo frecuencímetro digital que también modifiqué para que pudiera actuar de contador. De esta manera, en teoría, el sistema medirá directamente el número de impulsos detectados en una unidad de tiempo, con independencia de los errores intermedios que pueda incorporar el sistema analógico de medida del propio RAM 63.
Otro asunto será la distancia de medición. Para la medición de betas y gammas será de 3 cm. entre la superficie activa de la muestra y la ventana del detector. Para radiación alfa, que apenas puede penetrar dicha distancia sin ser absorbida por el aire, se establecerá la distancia de 2 cm.
Primeros intentos de medición, ajustando las distancias con un pie de rey
En los primeros intentos de medición, me encuentro con dificultades para ajustar bien las distancias, ya que la superficie de la sonda esta "hundida" en relación a la parte baja del cilindro contenedor, y ello se debe corregir además por la altura de la propia pastilla de plomo de la muestra.
Además, la idea es confeccionar unos gráficos de la variación de valores la cambiar la distancia, ya para ello necesitaré estar variando constantemente la altura de la base de medición. Por este motivo, decido grabar una escala milimétrica fija directamente sobre el tubo de aluminio que soporta todo el conjunto.
1) Con la punta de acero de un compás, trazo una tenue línea longitudinal de unos 15 cm. de longirud en la parte baja del tubo.
2) Comenzando una primera marca a 45 mm. de la base del tubo, con el pie de rey, realizo sobre dicha línea unas 70 marcas de 1 mm. de separación presionando suavemente con las puntas del medidor de interiores, sobre el propio aluminio.
3) Con un destornillador de punta fina como punzón y un pequeño martillo, realzo con marcas horizontales las anteriores, cuidando que cada 5 mm. la marca sea el doble de larga, y tres veces más las que corresponden al centímetro.
4) Utilizando números romanos (ya que no tengo troqueles de numeración normal), con el mismo destornillador voy indicando los cm.
5) Con un papel de lija de grano fino y mucho cuidado, elimino las rebabas que las marcas, para que la pieza deslizante que irá montada sobre este tubo, no se atranque con ellas.
6) Con rotulador negro permanente, relleno las endiduras de las marcas. Y cuando ha secado, con un trapo muy ligeramente humedecido con alcohol, retiro la tinta sobrante, dejando por lo tanto perfectamente visibles las marcas en bajorelieve
Confeccionando una escala milimétrica de alturas sobre el tubo de sujeción de las sondas
La escala pintada y acabada
Ahora ya tenemos una escala de 0 a 70 mm. que nos da directamente la distancia de la base portanuestras a la ventana sensible del detector. En este caso, desplazaremos 4 mm hacia arriba el brazo fijo que soporta la sonda, para que la cara superior de nuestras coincidan plenamente con las cifras de la escala.
Procedamos a las mediciones:
En primer lugar, efectuaremos una medición en vacío para calibrar la radiación de fondo y poder descontarla con posterioridad. El tiempo de medida para este caso será de 10 minutos, lo que brindará un buen valor medio.
Ajusto mi contador digital para que "cuente" durante este tiempo, y una vez alejados todos los elementos radiactivos, le doy al botón de "start".
Al detenerse automaticamente la lectura me da la cifra de 4066 cuentas en 10 minutos, lo que corresponde a 406 C.P.M. (cuentas por minuto). Esta lectura es totalmente normal, ya que en escala de dosis γ comparativa correspondería a 9,7 microrems/hora.
Comprobando el diferencial γ - β/γ, veo que apenas hay diferencia de medidas, lo cual, con las normales variaciones aleatorias inherentes a estas radiaciones, nos indica que el valor β es 0 o muy cercano a él. En todo caso, despreciable e imposible de cuantificar sin disponer de blindajes considerable y calibrados.
Los valores obtenidos proceden por lo tanto de las γ y de los rayos cósmicos.
A la vez, veo que efectuada la misma lectura con el sensor de centello para α, el valor resultante es 0, por lo que las medidas de este tipo no será necesario corregirlas.
Midiendo valores β/γ ( beta/gamma ) de una de las muestras
Midiendo valores sólo γ ( gamma ), al utilizar el tapón-filtro de aluminio de la sonda
En principio, para los valores básicos he efectuado 5 mediciones de 1 minuto cada una. Hubiera podido unirlas en una sola de 5 minutos y después dividir por esta cantidad, pero ha preferido hacerlo de esta manera para no aburrirme al tener que estar esperando tanto tiempo entre medidas.
Los valores de las 20 mediciones (5 por cada muestra) los he ido anotando a mano en columnas y después los he entrado en una hoja de Excel, confeccionada con los apartados y fórmulas correspondientes para que me descontara el valor de la radiación de fondo, y a partir de los valores γ y β/γ corregidos me extrajera los valores β absolutos.
Naturalmente, las mediciones de α sólo las he realizado en la muestra de Americio, puesto que las otras tres, por el sistema de almacenamiento y fijación con araldit y la pintura superior, no emiten radiación de este tipo.
Los valores introducidos en la hoja Excel se muestran a continuación con el siguiente código de colores:
- Los valores medidos con el contador digital se muestran en las columnas de color magenta.
- Los valores absolutos y corregidos de radiación de fondo aparecen en las columnas violeta
- Los valores medios finales de los anteriores aparecen en las casillas azules
Valores de las mediciones de la muestra de Americio-241
Valores de las mediciones de la muestra de Uranio-238 y su serie radiactiva, con filtro de γ ( gamma )
Valores de las mediciones de la muestra de Torio-232
Valores medios en C.P.M del contador RAM 63 (extraídos de los recuadros azules):
- Muestra de Uranio-238: α 0 - β 4.384 – γ 1.189
- Muestra de Uranio-238 F: α 0 - β 0 – γ 1.042
- Muestra de Torio-232: α 0 - β 896 – γ 366
MEDICIÓN DE VALORES RADIACIÓN/DISTANCIA
Bien, la primera parte de esta experiencia ya está acabada. Ahora viene el confeccionar los gráficos de la atenuación de la radiación con la distancia al sensor.
Para confeccionar el primer gráfico, correspondiente a la radiación α del Americio, he realizado 28 medidas de 1 minuto, comenzando por la distancia de 35 mm. y acortándola 1 mm. en cada una de ellas.
Valores radiación/distancia de α ( alfas ) del Americio-241, y gráfico correspondiente
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Tanto en las cifras como en el gráfico, podemos observar como prácticamente ninguna partícula α alcanza el sensor a más de 30 mm. de distancia, en que sólo detectamos 3 partículas en un minuto. A partir de 25 mm. crece de manera bastante proporcional, hasta llegar a la respetable cantidad de 520.318 partículas α al minuto a 7 mm. de distancia.
Seguidamente efectuamos la misma medida en la muestra de Uranio-238, en este caso desde 70 mm. a 20 mm. de distancia para la opción β/γ y 25 mm. para la γ, que son las mínimas que nos permite en sensor en cada configuración.
Las lecturas han sido efectuadas de 5 en 5 mm. y en cada uno de estos puntos hemos llevado a cabo dos lecturas de β/γ y dos más de sólo γ.
La hoja de Excel ha corregido los resultados descontando la radiación de fondo, mostrándolos en las dos columnas azules.
Valores radiación/distancia de β y γ ( betas y gammas ) del Uranio-238 y su serie radiactiva
Una vez confeccionado el gráfico con estos datos, observamos, que las radiaciones β y γ tienen naturalmente diferente valor, pero también distinta pendiente, mucho mayor en la β, que sufre mayor atenuación con las distancia. La γ, en cambio, varía mucho menos, y los cambios se deben únicamente a la "densidad esférica" de la intensidad γ que alcanza el sensor, y no a que la radiación pierda intensidad con la distancia.
DIAGRAMA DE RADIACIÓN TRANSVERSAL
Y para finalizar, se me ocurrió efectuar una medida de la forma de la radiación transversal de la misma muestra, dependiendo del ángulo respecto a la vertical. Después de algunos intentos infructuosos, se me ocurrió cortar en plastilina unas cuñas que tuvieran respectivamente 45 y 22,5º, de manera que combinándolas entre ellas pudiera colocar la muestra de forma estable a 0 - 22,5 – 45 - 67,5 – 90 - 112,5 – 135 - 157,5 y 180 grados de inclinación.
En este caso, las medidas se han efectuado a la distancia fija de 45 mm., corrigiendo la altura del soporte para que dicha medida coincidiera siempre con el eje horizontal de la muestra.
Cuñas de plastilina de 22,5 y 45 grados y forma de utilización para variar la inclinación de la muestra
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Las mismas inclinaciones sirven también para medir sus "antípodas", es decir, desde 180 – 202,5 – 225 – 247,5 – 270 – 292,5 – 315 – 337,5 y 360/0 grados, simplemente girando la muestra para que su cara activa esté mirando hacia a bajo.
De igual manera, en cada posición angular se han efectuado 2 mediciones de β/γ y 2 de γ, que han sido corregidas por radiación de fondo y mostradas en las columnas azules.
Valores de radiación transversal de β y γ ( betas y gammas ) del Uranio-238 y su serie radiactiva
Los gráficos que hemos utilizado hasta ahora eran del tipo ortogonal, éste en cambio es del tipo polar, y casi como si fuera una antena, muestra el "diagrama de radiación" de la muestra. Aquí se aprecian perfectamente las diferentes características de penetración de la β y de la γ, porque mientras la primera sólo se detecta en la cara activa, resultando en la otra totalmente detenida por el plomo de la base de la muestra, la γ se detecta en los 360 grados de posición, aunque atenuada a algo menos de la mitad por los 2 mm. de plomo de la misma base.
Diagrama de radiación transversal de β (en violeta) y γ (en azul) del Uranio-238 y su serie radiactiva
LAS CUATRO MUESTRAS ACABADAS Y CALIBRADAS
Con estos datos y ayudados del Photoshop, confeccionaremos las etiquetas que pegaremos en el frontal de las muestras, indicando su contenido y las proporciones en C.P.M. (cuentas por minuto) de radiación α - β - γ que emiten cada una de ellas.
Las cuatro muestras rotuladas convenientemente con los valores obtenidos
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Los valores de dosis γ (gamma), realmente bajas, de nuestras muestas son:
- Muestra de Uranio-238: 28,5 microrems/h
- Muestra de Uranio-238 F: 25 microrems/h
- Muestra de Torio-232: 8,7 microrems/h