Electrónica para fotomultiplicadores y Geiger´s

Agradecimientos: A Boticario Tux y Ángel de DTforuM, que fueron las mentes del proyecto y diseñadores de la fuente Ángel y de la placa contadora boti, yo solo me dediqué a  hacer lo que me decían. Muchísimas gracias por la horas de trabajo que dedicaron a esto, el hilo en DTforuM de muchas páginas con los detalles pueden verlos aquí:

http://www.dtforum.net/index.php?topic=54590.msg1010718994#new

 

Introducción

Desde hace un tiempo a esta parte he estado trabajando en un proyecto con un fotomultiplicador (PMT) que me han obsequiado y que no me ha dejado dormir por lo interesante que me resulta experimentar con este tipo de material.

Para los que por primera vez escuchan la palabra les voy a contar como es físicamente y para que sirve.

Los PMT son como una válvula al vacío, algo como el tubo de una TV, pero tiene una estructura interna diferente dentro, lleva una serie de placas metálicas llamadas dinodos.

Los PMT sirven para detectar fotones, es decir pequeñísimos destellos de luz, esta particularidad los hace muy interesantes porque bien sabemos que las partículas subatómicas cuando chocan con determinados compuestos o atraviesan algunos medios son capaces de liberar fotones, si recordamos la experiencia de Rutherford tenemos un ejemplo de ello, él bombardeaba con radiación alfa pan de oro y veía los destellos que esta provocaba en una pantalla de SZn., muchas radiaciones son capaces de producir este fenómeno y este tubo es capaz de detectarlo, para visualizar mejor como lo hace les recomiendo ver el siguiente video en youtube que lo muestra en una animación.

http://www.youtube.com/watch?v=YIHMtdtzQTc

Este tipo de tubos no es económico, pero tampoco es algo inalcanzable, en el siguiente vínculo puede verse en ebay oferta de los mismos.

http://search.ebay.com/search/search.dll?from=R40&_trksid=m37&satitle=Photomultiplier&category0=

Bien, como podemos hacer para utilizar estos tubos, primero debemos fabricar un recinto completamente aislado de la luz para que en su interior puedan verse esos destellos que les comenté, también debemos conseguir el material centelleante, es decir ese compuesto que al ser impactado o atravesado por la partícula emita luz, el agua puede ser ese material, pero necesita partículas de muchísima energía para emitir fotones, esa radiación lleva el nombre de Cherenkov, en la wiki pueden ver mas info sobre esto. Otro material que puede resultar interesante es el poliestireno con el agregado de algún producto que lo haga sensible a las partículas y por supuesto el SZn del que ya hablé antes. Como se recordaran las partículas alfa no pueden ser detectadas por un contador geiger común ya que son muy poco penetrantes, un papel puede detenerlas, en cambio si pueden ser detectadas por el PMT en forma indirecta, ya que veremos los destellos que ellas causan en la superficie del SZn.

Mis objetivos en este proyecto son cuantificar partículas alfa, si consigo el poliestireno centellente cuantificar otras radiaciones y como algo casi inalcanzable, detectar radiaciones de Cherenkov, amen de hacer algunas pruebas con tejidos animales frescos (por favor esos pseudoecologistas que pretenden conservar las ratas del planeta diciéndome que soy el Méngüele de esta época, por favor abstenerse de comentarios que no merecen respuesta)

Empezaré mostrando el PMT que me han regalado y el proyecto que con grandes ayudas he llevado a cavo.

El recinto oscuro

Se trata de una caja hecha con fibrafacil, en la parte superior esta alojado el fotomultiplicador con parte de la electrónica que lleva en su zócalo. Esta caja tiene en su interior un mecanismo tipo platina que sube y baja, una especie de mesita donde va un recipiente que contiene el material centelleante, es preciso que el centelleante haga contacto físico con el PMT, por eso este mecanismo tipo platina de microscopio. Como siempre con material de reciclado se consiguió el objetivo, la bandeja de una vieja compactera reformada para poder ser accionada con un eje desde afuera fue la elegida para este menester. Por debajo de la mesita que soporta el recipiente del centelleante va una especie de cajón donde va alojada la muestra radiactiva. El interior de la caja esta pintado de negro mate pero el recipiente con el centelleante debe ir forrado con aluminio para que no escape ningún fotón. Otra característica que tiene la caja es una puerta swicheada, debido a la altísima sensibilidad que tiene el PMT, el solo hecho de ser expuesto a la luz puede estropearlo, por lo que es muy necesario que este swich corte la energía antes que por accidente dejemos el instrumento fuera de servicio.

La electrónica

Esto fue motivo de varias pruebas, empecé con algo sencillo, la electrónica del PFDC se trata de una fuente de alta tensión tipo flyback que alcanza tensiones de alrededor de 1300-1500v con muy baja corriente, y un detector muy simple que solo detecta y da una lectura en un instrumento de la media de cuentas por minuto, esta sencilla electrónica me permitió comprobar que el pmt funcionaba a la perfección y encontrar los valores a los que empezaba a detectar. El detalle de la electrónica pueden verlo en la página del profe, ( www.cientificosaficionados.com )solo voy a agregar un par de videos en youtube donde pueden ver mediciones sobre ella y otro video en el que se aprecia el conjunto funcionando.

http://www.youtube.com/watch?v=mAdMtZWR310&feature=user

http://www.youtube.com/watch?v=IL9ucP2i0IA

Bueno cuando llegué a ese punto, un par de amigos del DTforuM me entusiasmaron para fabricarle una electrónica que pudiera realmente contar los fotones, el hecho es que hace un par de meses que estoy muy entretenido con esto.

La electrónica consta de una fuente de alta tensión diseñada por Ángel o Black Tiger realizada con materiales reciclados una fuente de PC, esta fuente llega con facilidad a los 2300v puesto que este PMT trabaja con tensiones bastante altas, en la siguiente hoja de datasheet se ven las características del mismo:

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/self.aspx/P%c3%bablico/Fotomultiplicador/PMT331.pdf

El circuito de la fuente es este,

El transformador es con núcleo de ferrite recuperado de la misma fuente de PC y tiene 10+10 espiras en primario y 800 en el secundario.

Entrega entre 160v y 2300v

Ángel ha escrito un buen documento que amplía lo que he puesto aca y les recomiendo vean

http://www.electrowork.com.ar/ElectroTiger/Fuente%20alto%20voltage.htm

La parte de la placa contadora la diseñó Héctor (Boticario Tux de DTforuM) aunque piensen que es un ingeniero electrónico, no, es un farmacéutico, que ejemplar, cada día lo admiro más, una máquina el boticario.

En principio para poder armar esta placa es necesaria una herramienta, una grabadora de pic`s que se conecta a la salida serie de la PC y permite introducir el programa en el micro, todos los datos para la construcción de esta grabadora estan en

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/browse.aspx/P%c3%bablico/Grabadora%20de%20pics

También allí mismo esta el programa necesario, icprog con un driver para poder usarlo con XP.

Para hacer los PCB (circuitos impresos) les recomiendo ver en el foro del PFDC el siguiente hilo, donde explico detalladamente la manera de hacerlo utilizando una fotocopia y la plancha, si la de las camisas, al máximo.

http://www.cientificosaficionados.com/foros/viewtopic.php?t=7057

Una vez armada esta se puede comenzar a trabajar en la placa contadora propiamente dicha, la siguiente es una vista del PCB ya terminado

Si bien se ve compleja con la técnica de transferencia es bastante sencillo hacerla, la lista de materiales es la siguiente:

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/self.aspx/P%c3%bablico/Contador%20de%20pulsos/BOM.pdf

El PCB y la seda (disposición de los componentes en la placa)

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/self.aspx/P%c3%bablico/Contador%20de%20pulsos/PCB.pdf

El esquemático o circuito

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/self.aspx/P%c3%bablico/Contador%20de%20pulsos/esquematico.pdf

En el esquema falta el pequeño amplificador de audio, en el siguiente link lo podes encontrar como tambien el pcb, la entrada se conecta a la pata 6 de U7 en la placa contadora atravez de un capacitor de 4n7

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/browse.aspx/P%c3%bablico/Contador%20de%20pulsos/Amplificador%20de%20audio?uc=2

El display que utiliza:

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/self.aspx/P%c3%bablico/Contador%20de%20pulsos/display.JPG

Y el programa que hay que cargarle a la pic

http://cid-c7f66de844f97871.skydrive.live.com/self.aspx/P%c3%bablico/Contador%20de%20pulsos/cesar1f.HEX

Bueno acá agrego algunas fotos de cómo queda la placa

Aspecto de los mensajes en el display y menús de ajuste

Un video del funcionamiento del conjunto.

  

Actualmente estoy puliendo algunos detalles, (arcos que se producen e interfieren en la lectura) pero le falta muy poco y comenzaré las pruebas con el contador.
Los tendré informados de los adelantos.

Iniciándonos en astronomía

Para el Día del Padre, mis hijos me regalaron un telescopio, y empecé a hacer algunas observaciones y porqué no, a estudiar un poco este apasionante “universo”

Empezaré comentándoles que la aparición de los telescopios chinos pone al alcance de cualquiera un instrumento para empezar.

Hay tres tipos de telescopios: el de refracción, el de reflexión y el catadióptrico

El refracción o refractor, es el que inventó Galileo, tiene básicamente dos lentes, uno que apunta al objeto que queremos ampliar que se llama “objetivo” y otro donde ponemos el ojo “ocular”

El otro tipo de telescopio, el reflector. En este tipo de instrumento la parte más importante no es una lente sino un espejo cóncavo. Cuanto más grande, más luminoso y mejor definición tendrá, y trabaja recogiendo la luz en el mismo y llevándola a un espejo secundario que la conduce hacia el ocular.

Hay un tercer tipo de telescopio que combina a ambos, el catadióptrico que reúne características del reflector, combinadas con un lente corrector como los refractores.

El que recibí de regalo es de reflexión o reflector. Se trata de un Hokenn 76900, 76 por el diámetro del espejo y 900 por el largo del tubo, distancia focal en mm.

Este aparato con todos sus accesorios no llega a 200 U$A si bien no se ve OHHHH!!!! Puede decirse que esta muy bien para empezar y sobre todo para nosotros los profes eso tan lindo que es “despertar vocaciones” y cualquier institución con poco puede tener acceso a uno.

Calculando los aumentos y límites del telescopio

Vista del equipo armado

Con el diámetro del espejo, 76 mm, podemos calcular el máximo de aumento posible del telescopio, ese valor multiplicado por 2 nos dará el límite del mismo, en este caso 76x2=152.

Este equipo viene con varios oculares de 20, 12.5 y 4 mm, cuanto mayor es el número, menor aumento tiene y mayor campo abarca la imagen. -

El barlow x3 y los oculares en este orden 12,5, 4 y 20 mm

Además trae otra lente que se pone junto al ocular que se llama lente barlow, en este caso es X3.

Cómo se calculan los aumentos con cada ocular? Es simple: La distancia focal (900) se divide por la del ocular, por ejemplo 900/20 = 45 aumentos, si ponemos también la lente barlow esos 45 los multiplicamos por 3, así que estaríamos en los 135, si ponemos el ocular de 12.5 hacemos el mismo cálculo 900/12.5=72 si pongo el barlow 216 aumentos, pero habíamos dicho que el limite era 152 aumentos, así que eso ya no es bueno, nos estamos pasando y veremos más grande, pero sin ninguna definición y nitidez, en este caso no nos conviene poner la lente intermedia, que por otro lado siempre quita luz ya que es otro objeto que debe atravesar la tenue luz proveniente del cielo. Así queda claro que a la hora de poner aumentos hay que tener en cuenta el limite que nos impone el espejo principal.

El focuser (soporte de los oculares) el barlow y ocular

Otra vista del ocular

Hasta ahora hemos hablado de la óptica principal. Hay más. Si miran la foto del equipo completo podrán ver sobre el tubo grande uno chiquito que esta en el extremo, es un telescopio en miniatura del tipo de refracción y de gran amplitud de campo, les aseguro que no es fácil enfocar lo que uno quiere ver, este pequeño nos ayuda a un enfoque previo, tiene una cruz como si fuera una mira telescópica de un arma. Se llama buscador y debe estar alineado en perfecta armonía con la óptica principal, es decir cuando colocamos algo en la mira debe verse justo eso en el ocular de la óptica principal. (colimado)

El buscador

Tanto a veces se hace difícil encontrar el objeto que además de este telescopio miniatura trae un tipo de mira convencional digamos, que se encuentra debajo del buscador, es un orificio que se puede usar para centrar el objeto si es visible. En la siguiente foto se ve de frente este orificio que oficia de mira

Mira convencional del buscador

La montura

Otra parte muy importante en el telescopio es la montura. Este modelo viene con montura ecuatorial lo que es muy conveniente, ya que los objetos celestes están en permanente movimiento.

No es que una vez que los enfocamos ahí está y llamamos a papá a mamá a los tíos, vecinos y al canal de TV local, el movimiento es muy visible con estos instrumentos y en menos 30 segundos un astro sale del campo visual dependiendo del ocular, así es que hay que buscar algún método para compensar este movimiento lo mejor posible, eso se logra poniendo en estación la montura ecuatorial, procedimiento que explico en el documento que adjunto

Esta puesta en estación orienta de tal forma al telescopio que hace posible que con solo pequeños retoques de uno de los controles (AR) sea posible el seguimiento del objeto en la esfera celeste.

Montura ecuatorial

Una vez puesto en estación el telescopio, el trípode que lo sostiene no debe moverse mas, para apuntar a un objeto hay que soltar los dos frenos azimutal y elevación y buscarlo. Luego con los comandos finos lo vamos siguiendo.

Frenos Mandos finos

Que podemos ver?

Se pueden ver muchas cosas, solo hay que saberlas buscar. Lo que debemos hacer en principio es conseguir un programa de PC adecuado para manejarnos con el inmenso cielo. A mi me gusta mucho Stellarium es gratuito y una vez colocadas nuestras coordenadas en el mismo, te muestra el cielo tal como lo ves, para las coordenadas si no las conoces podes ir a Google Eeath ubicas tu ciudad y en el costado inferior izquierdo veras la latitud y la longitud.

He visto la Luna con muchos detalles, Júpiter con sus lunas, Saturno y sus anillos, y casi he tomado una pulmonía por el frío que pasé entusiasmado con este apasionante hobby.

Por el momento he tenido problemas en tomar fotografías, pero ya lo lograré y podrán verlas.

Esto de las fotografías astronómicas es un verdadero hobby extra, en el siguiente link podrán ver un archivo de Leonardo Miguel Delgado, un experto en la materia a quien le agradezco mucho por toda su ayuda y predisposición para los que recién nos iniciamos, para bajar el archivo picar aquí. Este documento no solo orienta a la fotografía de objetos celestes, además explica un poco la terminología que se usa en astronomía, como magnitud aparente, tamaño angular, seeing

Agradecimientos: Al foro de Espacio Profundo http://www.espacioprofundo.com.ar/foros/index.php

Donde me han asesorado y son muy cálidos y pacientes con los recién iniciados

A Leo Delgado que no ha tenido problemas en facilitarme el documento sobre astrofotografía para principiantes que está fantástico.

A Marcos Rodríguez que supervisó este trabajo corrigiendo algunas gansadas que escribí. Gracias Marcos

Como había prometido aca cuelgo unas fotos, estoy poco práctico todavía, ya saldran mejor, de hecho se ve mejor en directo.

Fuente regulada de 0.2 a 27vcon fusible electrónico

 

Marche una fuente para laboratorio sin fritas y sin puré (de transistores) con fusible electrónico

 

Fuente regulada de 0.2 a 27v económica con fusible electrónico modelo Black Tiger

 

Visitando la página de mi amigo Angel,  http://www.electrowork.com.ar/ElectroTiger/EcoFuente.htm

encuentro este diseño , muy accesible para los no sabemos mucho de electrónica, completamente hecha con transistores, todos muy fáciles de conseguir y económicos. El modelo original es el que está en la página antes mencionada, pero tras haber hecho algunas pruebas fue equipado además con un fusible electrónico regulable, en mi caso esta en 3 amperes, lo que la convierte en casi irrompible, por cualquier cortocircuito o exceso de consumo salta la protección y hay que resetear.

He armado por separado la fuente en si, con el PCB que está en el archivo y el fusible esta separado en una placa de pertinax cobreado del tipo para prototipos.

Además he agregado en paralelo otro transistor 2n3055 con su respectiva resistencia de emisor. Ambos transistores montados en una aleta disipadora.

Van los diagramas, pcb y fotos

 

La plaqueta de circuito impreso la pueden encontrar aquí

Esta es la plaqueta vista del lado de los componentes

 

Como se ve es muy simple, como les dije antes esta plaqueta no incluye el circuito del fusible electrónico regulable que esta separado y es muy interesante para agregarse a cualquier fuente.

Para completar conviene ponerle algún instrumento, he comprado un tester chino por unos  U$A 4 y el que he usado para medir voltios y corriente, con una pequeña llave conmutadora se tienen los dos parámetros, este multímetro es analógico, pero por igual precio se consiguen digitales que se pueden adaptar

Una generosa caja de chapa y un robusto transformador reciclado de no se que... tenía algo de 40 v en alterna por lo que con una cirugía menor saqué una derivación al secundario en unos 28 v que rectificados se fueron a 36 v 

Si se deciden a armar este modelo les recomiendo ver el siguiente hilo en DTforuM http://www.dtforum.net/index.php?topic=50100.0

 

 

 

El modelo terminado

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chasis radiográfico casero

Como estoy experimentando con los RX para la mejor salud de la válvula y nuestra lo mejor es no exponer durante mucho tiempo, por lo que he armado un pequeño chasis con dos láminas reforzadoras con material fluorescente.

Está construido en fibrafacil, he calado un rectángulo, en la misma y ese mismo rectángulo esta pegado en una base, cuestión que cuando cierro el chasis queda encastrado en la tapa, formando un recinto hermético a la luz.

En la parte superior de la tapa he pegado una junta de cartón y sobre ella un plástico negro, todo con cemento de contacto.

La bisagra esta hecha con tela pegada también a lo largo con cemento de contacto.

 

El material fluorescente óptimo sería el sulfuro de cinc, pero no disponía del mismo asi es que he utilizado los “fósforos” que he sacado de un tubo de tv roto, (ver explicación en http://www.cientificosaficionados.com/reciclado/televisor.htm )

Hice una mezcla de cola vinílica 1 parte 1 parte de agua y todos los fósforos provenientes del tubo, luego pinté el rectángulo de fibrafacil que esta pegado a la base y un papel con el mismo tamaño que va en el lugar donde encastra el rectángulo de la base. Estas placas fosforescentes mejoran la calidad de las radiografías y disminuyen el tiempo de exposición

Arriba he marcado con corrector blanco el lugar exacto donde esta la placa para poder tomar algunas medidas, Ya que los RX en el sistema que mostré en la entrada anterior del blog salen oblicuos así que es preciso saber bien donde colocar la placa para tener las mejores imágenes.