Tubo Geiger DIY

Un pò di Storia …

Il nostro amico Antonio Zanardo si è costruito un tubo geiger nella sua officina. Non è stato facile ma lui è un tipo ostinato e ci ha raccontato tutti i passi che ha seguito !

L’idea di costruirmi un tubo Geiger mi è venuta durante la costruzione di alcuni rivelatori di muoni (raggi cosmici secondari). Tali strumenti impiegavano un certo numero di tubi che ho acquistato in Ucraina. Non sempre i tubi erano disponibili, avevano un certo costo, ma soprattutto bisognava attendere l’arrivo per un paio di mesi.
Queste difficoltà mi hanno spinto a tentare la costruzione in proprio di un prototipo di un tubo GM, anche in considerazione della sua apparente semplicità costruttiva.
Non è il caso di descrivere per filo e per segno tutte le innumerevoli difficoltà che ho incontrato, superate con caparbietà e grazie ai molti consigli di amici italiani e stranieri. 
Queste cose però non bastano. Man mano che procedevo ho constatato che per fare questi esperimenti bisogna disporre di due mezzi tecnici indispensabili: un oscilloscopio a doppia traccia ed una pompa da vuoto. 
La letteratura, ma anche qualche altro “maker”, dice che il tubo Geiger funziona anche se il gas contenuto internamente è aria a pressione atmosferica. Io ho provato in tutti i modi sfruttando un generatore AT che fornisce tensioni continue variabili da 1KV fino a 12KV, ma non sono mai riuscito a notare segnali di sensibilità del tubo a qualsiasi sorgente radioattiva. O forse, non sono riuscito io a distinguere questi segnali fra la quantità di scariche che avvenivano appena superata una certa soglia di tensione piuttosto alta (3-4 KV).
La svolta è arrivata quando, stanco di fare esperimenti a vuoto, ho riempito il tubo con una miscela di gas Argon e Butano in percentuali fatte in base a qualche vago ricordo, ossia 80% Argon e 20% butano da accendini. Per i dettagli, rimando al paragrafo “La miscelazione dei gas”.
Ho infine collegato uno dei due raccordi alla pompa,  lasciando l’altro ben tappato, ed ho iniziato a fare il vuoto. La mia pompa non dispone di un vuotostato, per cui per abbassare progressivamente la pressione si deve agire con brevi impulsi sull’interruttore della pompa stessa.
Attorno agli 80 millibar e ad una tensione di circa 1500V l’oscilloscopio ha iniziato a mostrare impulsi che variavano in frequenza quando avvicinavo o allontanavo una sorgente radioattiva, costituita da un piccolo pezzo di pechblenda da 0,3mR/h. I segnali erano ancora più numerosi se usavo come sorgente degli elettrodi toriati marcati con il colore rosso, normalmente impiegati nei processi di saldatura TIG.

Era fatta. Finalmente c’era la certezza che il tubo funzionava!

Complimenti ad Antonio per questa realizzazione ed andiamo a descrivere alcuni dettagli tecnici.

Il tubo Geiger

Il tubo ha il diametro esterno di 21 mm, lo spessore della parete è di 0,5mm ed è lungo 150 mm, il materiale è Fe. E’ stato ricavato sezionando un tubo metallico.
Alle due estremità il tubo è chiuso da due tappi. Ciascuno di questi è ricavato anch’esso da Fe lavorato al tornio, reca radialmente un raccordo per l’immissione del gas e assialmente un foro M12,  usato per avvitarvi l’isolatore che supporta il filo anodico. Gli isolatori sono anch’essi realizzati al tornio, il materiale è il PTFE (Teflon), preferito per la sua elevata rigidità dielettrica. I due tappi sono calzati all’esterno del tubo (vedi disegno) e sigillati con colla cianoacrilica o, in alternativa, con un prodotto denominato “teflon liquido”.
Come anodo è stato usato del filo di NiCr da 0,2 mm. Prima di questo sono state fatte delle prove con il filo di rame, ma questo si è rivelato troppo poco resistente, rompendosi facilmente appena messo in tensione.

Una volta assiemato il tutto, i fori degli isolatori per il passaggio del filo anodico, peraltro piccolissimi essendo da 0,5 mm., sono stati sigillati con una buona dose di colla a caldo. E’ stato utilizzato anche un generatore di aria calda (hot air gun) per riscaldare bene i pezzi e far sì che la colla penetrasse nei più minuti interstizi, sigillandoli.

Si deve porre la massima attenzione al fine di rendere il tubo perfettamente stagno. E’ ovvio che se c’è una perdita, anche minima e difficile da rilevare, nel giro di pochi minuti, o al più di qualche giorno, il tubo diventerebbe inservibile a causa dell’ingresso di aria con la conseguente alterazione della pressione interna e della proprietà del gas.
A questo proposito, è importante segnalare che il rapporto fra il voltaggio e la pressione è critico: ad esempio, fissata una tensione di lavoro, basta cambiare la pressione di pochi millibar per far sì che il nostro tubo Geiger funzioni oppure no.

Le immagini riportate sotto mostrano gli schemi del tubo :

 

La miscelazione dei gas

Per il funzionamento del tubo Geiger è fondamentale scegliere correttamente la miscela e la pressione del gas all’interno del tubo. Il tubo Geiger reagisce alle radiazioni perchè al suo interno viene prodotta una ionizzazione al passaggio di una particella, il campo elettrico elevato nelle vicinanze dell’anodo riesce a tenere separati gli ioni positivi da quelli negativi e ad accelerarli verso gli elettrodi, producendo a loro volta, per collisione, altri ioni, fino a produrre una scarica a valanga. Le condizioni affinchè la scarica a valanga venga innescata dipendono fortemente dal gas e dalla pressione, oltre a questo è necessaria la presenza di un gas di “quenching” che ha la funzione di spegnere la scarica in modo che il tubo sia pronto per la successiva rilevazione.
Il tubo DIY ha utilizzato gas Argon e come gas di quenching il gas butano.
Il gas Argon si trova presso qualche rivenditore di saldatrici per uso domestico. Viene venduto al costo di circa 20-25 euro in bombole a perdere della capacità di circa un litro, contenenti il gas compresso a 60 bar. Serve quindi un apposito riduttore di pressione, che però deve essere scelto con cura per non incappare in certi riduttori che presentano perdite tali da svuotare la bombola dopo poche ore di inattività.
Il Butano è contenuto in bombolette per la ricarica di accendini acquistabili per qualche euro presso qualsiasi tabaccaio.
La composizione della miscela viene fatta in una grossa siringa da 100 ml. Essa viene  collegata al regolatore di pressione dell’argon e riempita parzialmente (in questo caso 80 ml) con questo gas. Aprendo cautamente sul regolatore di pressione, il gas entra nella siringa e la quantità immessa viene indicata dallo spostamento del pistone, esattamente come se si trattasse di un qualsiasi liquido. Successivamente la siringa va collegata alla bomboletta di butano per farvi entrare i restanti 20 ml. Durante il travaso, la bomboletta va tenuta verticalmente, e con il tubicino di uscita verso il basso.
Viene quindi iniettata tutta la miscela nel tubo geiger attraverso uno dei raccordi, lasciando temporaneamente aperto l’altro raccordo.  L’eccesso di volume del gas contenuto nella siringa rispetto alla capacità del tubo serve  a flussare via l’aria contenuta nel tubo.  Si ripete l’operazione 3-4 volte per essere sicuri che nel tubo non ci sia più aria, ma solo la miscela preparata, curando che i raccordi rimangano aperti solo per il tempo minimo indispensabile ad eseguire l’ operazione.

Dopo questa operazione va collegato uno dei due raccordi alla pompa,  lasciando l’altro ben tappato, e si inizia a fare il vuoto. Se la pompa non dispone di un vuotostato si deve agire con brevi impulsi sull’interruttore della pompa stessa.
Attorno agli 80mbar e ad una tensione di circa 1500V l’oscilloscopio dovrebbe iniziare a mostrare degli impulsi che variano in frequenza avvicinando o allontanando una sorgente radioattiva.

Ho descritto qui sopra il primo metodo manuale usato per creare la miscela gassosa ed  iniettarla nel tubo . In seguito, per fare questa operazione  è stato adottato un sistema più comodo e pratico, come mostra l’immagine sottostante.

Per ultimo, dato che i lavori non finiscono mai, è stata messa in opera una ulteriore variante del circuito del vuoto in modo da poter caricare i gas, miscelarli ed iniettarli nel tubo senza mai scollegare alcun componente.

Impulsi e Misure

L’alta tensione per l’alimentazione del tubo Geiger è fornita da un elevatore EMCO. Questo modello, trovato su Ebay, arriva al massimo a 12KV, ma in questo caso viene usato a circa 1,2-1,5KV regolando la bassa tensione DC applicata al suo ingresso.
Il tubo GM viene alimentato tramite una resistenza di carico da 10MΩ. L’impulso è prelevato da un condensatore ceramico da 47pF 6,3KV.

A questo punto, se ci si accontenta di osservare gli impulsi sullo schermo dell’oscilloscopio, basta collegare la sonda al nodo suddetto, dopo essersi accertati che, viste le tensioni in gioco, essa abbia il rapporto 10/1. Se invece si desidera contare gli impulsi e salvarli per le analisi off-line, è opportuno squadrarli e a portarli a livello TTL.

Il circuito di squadratura (pulse shaper) impiega un integrato 74HCI14N composto da 6 Schmidt Trigger, che vanno combinati a seconda delle necessità  per avere in uscita un impulso positivo che può essere acquisito da un data-logger.

I grafici riportati sotto mostrano l’andamento del conteggio degli impulsi in funzione della tensione applicata, con sorgente campione e senza sorgente campione (background). Si vede come a partire da 1400V il numero degli impulsi rimanga abbastanza costante, per poi aumentare oltre i 1550V, quando si raggiunge la zona della scarica continua. La zona compresa tra 1400 e 1550V è nota come plateau.

Confronto con un tubo GM commerciale

Il tubo DIY è stato messo a confronto con un tubo commerciale, si tratta del classico tubo SBM19 di fabbricazione sovietica. Il tubo DIY ha dimensioni quasi identiche a quelle dell’SBM19 russo.
Il tubo russo è stato tenuto acceso per 30 minuti, durante i quali ha registrato una media  di 112 cpm (solo fondo). Poi, per altri 30 minuti, è stato posto a contatto con la sorgente di pechblenda. In questo caso ha registrato 680 cpm, compreso ovviamente il fondo.

La medesima prova è stata fatta con il tubo auto-costruito con identiche modalità: nei primi 30 minuti ha registrato 85 cpm. Nei secondi 30 minuti i cpm sono stati 260. Il tubo SBM19 ha mostrato quindi un rapporto 680/112= 6,07, mentre il tubo DIY mostra un rapporto 260/85=3,05. Possiamo quindi dedurre che Il tubo DIY ha quindi una efficienza / sensibilità pari alla metà di quella del tubo commerciale.

Va considerato però che lo spessore del tubo SBM19 (catodo) è di 0,05 mm (5 centesimi, ed è per questo che ha varie nervature di irrobustimento) ed è di acciaio inox, mentre lo spessore del tubo DIY è di 0,5 mm ed è di normale acciaio : il maggiore spessore del tubo DIY ha sicuramente un effetto di riduzione della sensibilità dello strumento.

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