Detector de neutrones.

Hacia años que había jugado con detectores geiger , detectores centelleo y otras historias. Por lo cual no pense cuando llego el momento que detectar neutrones me iba a dar tantos quebraderos de cabeza. Ahora con un poco mas de conocimiento de causa pienso: si el neutrón no tiene carga y pasa entre la materia prácticamente sin enterarse debe ser difícil detectarlos. Y es así.

El 11 de Junio de 2002 cayó en mis manos el primer tubo detector de neutrones. Su aspecto totalmente similar a un tubo geiger salvo que no tiene ventana de mica (algunos geiger tampoco tienen)

Aquí están las especificaciones que el fabricante da de su detector en su Web.

LND 252139

CYLINDRICAL He³ DETECTOR

GENERAL SPECIFICATIONS

THERMAL NEUTRON SENSITIVITY

ELECTRICAL SPECIFICATIONS

Como vi que la tensión de alimentación era muy similar a los otros detectores de partículas que tenia enseguida lo conecte, esperando al menos oír los chasquidos de la radiación de fondo. Un silencio sepulcral se hizo en el taller, esperando los clásicos clics. Nada, por mas que revisé todo estaba bien. Después de este jarro de agua fría, comencé el estudio sistemático del tubo y de la forma adecuada de hacerlo funcionar.

El detector esta relleno de una mezcla de ³He y CO₂ a una presión aproximada de 10 atmósferas. Su volumen interior es de 25 cc aproximadamente.

En las especificaciones del tubo no vienen, pero de información complementaria obtuve que un detector como este podía tener una eficiencia de 0,77 para neutrones térmicos de 0,025 eV. Es decir que detectaría aproximadamente el 77% de los neutrones térmicos. Esta eficiencia pasa a ser de tan solo un 2% para 100 eV y 0,1% para 10 Kev y 0,002% para 1 Mev. Esta claro que es un detector casi exclusivamente de neutrones térmicos.

La reacción que se desarrolla en el interior del tubo es

³He + n ---- ³ H + ¹H + 765 keV

En resumen el helio 3 captura un neutrón térmico expeliendo un protón y 765 keV.

Los 765 keV se absorben ionizando el gas del tubo a razón de un par de iones por cada 30 eV, resultado de lo cual se crean aproximadamente 25 x 10³ pares por cada neutrón capturado, lo cual supone aproximadamente una carga de 2 x 25 x 10³ x 1,6.10-19 = 8 x 10^-15 culombios.

Si no hubiese amplificación en el tubo, y dado que tiene una capacidad de 8 pF esta carga hubiese generado un pulso de 1 x 10-3 voltios que resulta en la practica ser del orden de 20 mV debido a la amplificación del tubo. La especificación del tubo es de 0,1 picoculombio por neutrón.

De aquí se extrae la primera conclusión de diseño. Al contrario que con otros detectores que mediante un cable coaxial se conectaban a una caja donde se encontraba la electrónica, en el caso de estos tubos la electrónica debe estar directamente conectados a el. Lo contrario significaría añadir en paralelo con la capacidad del tubo, la capacidad del cable (del orden de 50pF) lo cual reduciría en un factor de 7 la señal de salida. El previo conectado al tubo debería tener una capacidad de entrada lo mas baja posible, una impedancia de salida de 50 ohmios y seria conveniente que tuviese una ganancia en tensión de 50.

Por otra parte la alimentación de los tubos foto-multiplicadores que tengo se realiza a 950 V, sin embargo para este tubo al tensión recomendada es de 1100V. Afortunadamente ajustar la tensión a este valor no resulta excesivamente complicado, ya que estaba previsto en el esquema original de la fuente de alimentación.

Selección y diseño del amplificador.

Antes de ponerme a diseñar cualquier amplificador estuve buscando en Internet algún esquema o circuito valido. Lo cierto es que no encontré ninguna receta lista para emplear. Sin embargo parecía que en todos los dispositivos de detección de partículas un poco avanzados se empleaban Amplificadores de Carga.

Un amplificador de carga es un dispositivo que proporciona un voltaje a la salida proporcional a la carga que se inyecta a la entrada. En el fondo no es mas que un integrador en el que la resistencia de entrada es cero. La ganancia de estos circuitos se especifica en voltios / pico-culombio.

Como componentes comerciales encontré entre otros los siguientes dispositivos.

A101 de Ampteck y otros productos del mismo fabricante. Realizados en tecnología híbrida tienen unas excelentes características pero tienen un precio del orden de 300 euros.

Del fabricante japonés Clear-pulse los modelos también híbridos CS515, 1 y 2, con una sensibilidad de 1V/picoculombio, de los cuales no pude obtener precios.

Momentáneamente desistí de adquirir un amplificador construido, y busque en mi librería de circuitos. Recordaba que en amplificadores de foto-diodo hace años había construido amplificadores de transconductancia que no eran muy diferentes.

Curiosamente encontré en el Horowitz en la pagina 911 un preamplificador para un foto-multiplicador denomina High-speed charge-sensitive amplifier for photon counting.

El circuito propuesto por Horowitz proporciona una ganancia de aproximadamente 0,15 V/picoculombio, aproximadamente diez veces menos que los circuitos comerciales pero no estaba mal para empezar. Aunque esto significaría obtener pulsos de 15 mV .

Pero encontré algunas discrepancias entre ambos. En el circuito de H el tiempo de bajada del integrador es del orden del de subida, o sea unos 10 mientras que en los amplificadores comerciales esta constante de tiempo estaba situada en unos microsegundos. De hecho la realimentación que actúa como integrador típica consistía en una resistencia de 1 G en paralelo con 1 pf, lo cual da una constante de milisegundos. La entrada de la mayor parte de estos circuitos era a través de un transistor FET, mientras que en el H era a través de un bipolar, lo cual de alguna manera debido a la polarización del transistor impone una resistencia de realimentación baja.

Seguí dándole al perolo, y por fin termine de comprender la razón de emplear los amplificadores de carga.

Los detectores de particular de semiconductores intrínsecos y fotodiodos de gran superficie producen cargas del orden de 10-13 culombios por partícula (aproximación burda) pero los detectores tienen capacidades relativamente altas, del orden de los 1000 pf y mas. Un amplificador de carga que tenga como condensador de integración un picofaradio proporciona ganancias en tensión de 1000 con una excelente relación señal /ruido. Sin embargo en el caso del tubo detector de neutrones la capacidad del ánodo es de tan solo 8 pf por lo que el mismo amplificador solo proporcionaría una ganancia de 8, en cuyo caso no se justifica un amplificador de carga y si un amplificador de tensión con alta impedancia de entrada y bajas capacidades parásitas.

El circuito electrónico.

A continuación reproduzco el esquema del circuito electrónico del preamplificador.

Como se ha mencionado el circuito estaba diseñado para emplear la misma electrónica de conteo que se emplea con varios detectores de centelleo. Por lo tanto el mismo cable coaxial que alimenta el tubo con al tensión sirve como señal de entrada de pulsos.

Como se puede ver en el esquema los 1200 V de alta tensión pasan a través de una resistencia de 1k2 y se filtran con un condensador de 2000 pF/2000V. La polarización del tubo se hace a través de un R de 1M5 . El consumo del tubo es insignificante mientras no reciba un chorro de neutrones suficientemente intenso. Los pulsos del tubo detector pasan a través de un condensador de 100pf/200V en serie con 1 K a la entrada del FET (un BFW 11).

La resistencia de 1 K mas los diodos d1 y d2 ( 1N914) protegen la entrada del FET de pulsos que pueden aparecer en el encendido y apagado. El potenciometro de 100 K se ajusta para que la entrada del OPA642 este en la mitad (6 V) de la alimentación.. Este operacional esta configurado como amplificador no inversor de ganancia en voltaje 30 en alta frecuencia y ganancia unitaria en continua. La salida del amplificador también se protege de pulsos mediante dos diodos 1N914. La señal de salida se suma a la alimentación a través del condensador de 1nF/2000V

Segundo intento.

Decidido a que la cosa funcionase correctamente a la segunda, me preocupe de realizar una mecánica bastante correcta para entre otras cosas evitar parásitos e interferencias externas. Para ello diseñe una arandela de INOX que se fijaba al tubo y podía sostener el circuito de doble cara, aprovechando los contactos de conectores viejos conecte sin realizar soldaduras la placa al tubo y además lo doté de una carcasa de aluminio con orificios para la salida de los conectores y los cables.

El la fotografía anterior se ve poco mas o menos la realización. Los circuitos los monte en SMD chapuza. Emplee una placa de fibra de vidrio con cobre por las dos caras realizando las pistas removiendo el cobre con una fresa y el dremel. Las resistencias son de 1/8 w y muchos condensadores son del tipo SMD. No hice perforación para las patas de los componentes solo algunas para conectar los planos de masa que son las dos caras.

El circuito era un amplificador de tensión basado en un OPA642 que proporciona una ganancia en tensión de 40. Además en la entrada dispone de un FET en seguidor de fuente para aumentar la impedancia de entrada y bajar la capacidad. Se dispuso de diodos para proteger tanto la entrada como la salida frente a sobretensiones. Adicionalmente un condensador de 1 pf permite comprobar el circuito inyectando a través de el un pulso de 0,4 voltios.

Por la cara inferior se hicieron las conexiones de alta tensión (1100v) aislando de esta manera el amplificador lo mas posible. El conector BNC esta soldado directamente al cobre.

Tanto los componentes de alta tensión como el interior del tubo que sirve de blindaje se aislaron con lamina flexible de fibra de vidrio.

Ajustar todos los componentes en tan poco sitio daba sus problemas pero se consiguió. Tengasé en cuenta que el tubo detector tiene un diámetro exterior de 25 mm, por lo que la plaquita de circuito tiene unas dimensiones aproximadas de 20x 50 mm. La señal de salida se superpone a la alta tensión para de esta manera poder aprovechar la electrónica que dispongo para los detectores con fotomultiplicadores. Hubo que dotar al medidor antiguo de una salida de 12 v para alimentar el preamplificador. Además de realizar los conectores y cables necesarios.

Todo parecía listo, solo faltaba probarlo.

Después de comprobar que las tensiones eran correctas y que la amplificación también lo era, se aplico la alta tensión. 1 o 2 cuentas por segundo anunciaban un buen fin. Pero curiosamente el numero de cuentas comenzó a crecer sin que se aplicase ninguna fuente de radiación. Al cabo de unos minutos el numero de cuentas era tan alto que corte la alimentación. Después de comprobar todas las tensiones llegue a la conclusión de que el chisporreteo podía deberse al polvo. Limpié todo con aire comprimido y aplique un barniz aislante cuidadosamente a todas las partes de alta tensión. Sustituí los condensadores de entrada de 1000 voltios (estaba un poco justos) por otros de 2000 voltios. Volví a montar todo y no hubo ninguna cuenta. Tanto silencio me mosqueo así que volví a medir el circuito. Todo estaba correcto. Mi hipótesis de que microchispas eran amplificadas era correcta.

Siguiente paso.

Llene una lata de café de 20 cm de diámetro y 30 de alto de perlas de polietileno para que actuase como moderador ya que el detector solo es sensible a los neutrones térmicos. Introduje el detector ahí conectándolo con una T para poder observar con el osciloscopio que pasaba. Silencio absoluto.

Metí también en el polietileno un tubo lleno de polvo de Berilio en el cual había introducido 10 plaquitas emisoras alfa de detectores de humos. Suponía por los cálculos realizados que obtendría entre 20 y 60 cuentas por segundo pero Oh maravilla….silencio sepulcral.

Volví a comprobar todo, había un poco de rizado el la alimentación de 12 voltios de 65 kHz proveniente de la fuente de alimentación de conmutación, lo solucione mediante tres espiras del cable en un toroide de ferrita y un condensador de 10 uF. Después de eso todo estaba bien. Había un nivel de ruido de 5 mv superpuesto a la alta tensión y yo esperaba pulsos de 400 mV que no veía por ninguna parte.

Aparentemente todo funcionaba pero no sabia si fallaba el detector, el moderador o la fuente de neutrones y no sabia como avanzar. Sumido en tan gran depresión me quede dudando si emborracharme con agua pesada o suicidarme "tragandome" un episodio de Gran Hermano.

Reflexión.

Para reflexionar un poco sobre el tema me tome un descanso con el detector propiamente y me dedique a mejorar el moderador.

Construcción del moderador.

Hasta el momento había utilizado como moderador primero una pila de parafina y después un bote metálico de café lleno de lentejas de polietileno. Como la cosa resultaba ser un poco chapuza quise darle una forma un poco mas profesional.

Tanto la parafina como el polietileno están compuestas de largas cadenas de átomos de carbono que saturan con hidrogeno los enlaces libres. La ventaja de emplear polietileno frente a parafina es que el polietileno es mucho mas adecuado para ser empleado por sus características mecánicas, ya que es mucho mas alta su temperatura de fusión y es mas resistente a la abrasión. Como moderador es igualmente eficaz ya que se compone exclusivamente de carbono e hidrogeno correspondiendo aproximadamente a la formula [CH₂]_n.

En la bibliografía de que dispongo encontré la siguiente tabla, en la que se especifican el poder moderador y la relación moderadora.

La capacidad moderadora de manera simplificada es la capacidad para frenar los neutrones, mientras que la relación de moderación es el cociente de esta y la absorción de neutrones por parte del material moderador. Como se ve de la tabla el agua pesada es el mejor moderador pero se necesitan grandes espesores para moderar. El polietileno por el contrario es un buen compromiso entre capacidad moderadora y absorción de neutrones por lo que es universalmente utilizado en los moderadores que se emplean en los detectores.

Fusión del polietileno.

Primeramente se empleo como moderador una lata llena de lentejas de polietileno. Esto es fácil de emplear pero decidí realizar un cilindro compacto de polietileno para lo que necesitaba fundirlo, lo cual no resultó trivial. El polietileno comienza a reblandecerse a 110ºC pero resulta muy viscoso y mal conductor térmico lo cual dificulta una rápida y eficaz fusión. Por ello es mejor jugar con el factor tiempo que elevar la temperatura.

Se empleo como molde una lata metálica galletas danesas de mantequilla que tenia un diámetro de 19 cm y una altura de 18. El lateral se recubrió de una capa de fibra de vidrio de la empleada para aislamiento en la construcción de 10 cm de espesor y se coloco en un hornillo eléctrico de 500W intercalando entre la resistencia del hornillo y la base de la lata una chapa de material aislante para homogeneizar el calor.

La lata se lleno de lentejas de polietileno, se tapo con otro trozo de fibra de vidrio para evitar perdidas de calor y se conecto la corriente. A las tres horas se había fundido el polietileno pero había bajado nivel de la lata. Se volvió a llenar de polietileno y se cerro de nuevo la lata. Una hora mas tarde se repitió el proceso. Media hora mas tarde todo el polietileno estaba fundido, pero quedaban algunas burbujas en el polietileno. Se desconectó la corriente pero se dejo el recipiente cerrado dos horas mas para eliminar las burbujas. Después se quito el aislante y se dejo enfriar lo cual llevo casi un día ya que aunque el exterior parecía frío, seguía conservando calor ya que el polietileno estaba fundido en el interior.

Totalmente frío se arranco la chapa de la lata lo cual no resultó muy difícil dejando al descubierto un magnifico cilindro de 18 cm de diámetro y 18 cm de alto. Con una lima de madera se aplanaron las bases.

Posteriormente con brocas de madera y a baja velocidad para evitar que el polietileno se calentase y se pusiese pastoso se realizo un orificio en el centro para el detector y otros en la periferia para colocar muestras.

La fuente de neutrones.

Hubiese sido magnifico haber podido acercarme a alguna universidad y probar mi detector en una fuente de neutrones seria pero como cada vez que preguntaba ponía cara de poker no tuve mas remedio que construirme una que todavía no se si funciona ya que a esta fecha no he detectado ninguna.

La fuente esta formada por un gramo de berilio y 10 microcurios de americio resultado del desguace de múltiples detectores de humos extraídos de los contenedores de las obras de unas oficinas ceca de donde trabajo.

La bibliografía consultada dice que la combinación Am-Be produce entre 2 y 3 neutrones por cada microcurio de americio. Según esto y para simplificar la fuente de referencia debería producir aproximadamente 20 neutrones distribuidos de manera isotrópica.

Si la fuente y el detector se encuentra separados a 8 cm de estos 50 neutrones solo atravesaran los 12 cm² de área eficaz del detector

20 · 12 / (4 · 3,14 · 8² ) = 0,3 n/s aproximadamente.

Ahora falta por averiguar cuantos de estos neutrones son absorbidos por el moderador, cuantos llegan al detector con la energía adecuada y cuantos son detectados por el tubo.

Si, en tanto no lo calculo con precisión supongo que en los 3 casos es un 50% las cuentas que debería señalar el equipo seria de 0,08 por segundo es decir 8 cada 100 segundos. Bastante menos que lo que inicialmente estaba esperado.

En esta imagen se ve el cilindro de polietileno ya terminado. En el orificio central esta situado el detector. Abajo a la derecha la fuente de neutrones.

De nuevo a la caza de neutrones.

Con el nuevo moderador, los resultados fueron idénticos a los ya padecidos. Las cuentas parecían se aleatorias y los resultados no tenían ninguna correlación, a pesar de que las repetí con todo cuidado, tanto que empecé a pensar que me habían timado y que me habían vendido un ladrillo. Buscando alguna señal de que el detector no estaba mas sordo que una tapia le acerqué un pedrusco de mineral radioactivo que tengo bien guardado en un arcón de plomo. Nada, unas 10 cuentas cada 1000 segundos sin ninguna coherencia. Pensando someterlo mas a la posible radiación gamma decidí en vez de aproximarle un "piedro" meterlo directamente en la caja. Como ya eran las 3 de la mañana puse el contador a cero le di un tiempo de 10.000 segundos y me fui a la cama. El día después al ver el contador me lleve una agradable sorpresa. En un periodo de 10.000 segundo solo había contado un pulso…. Eso significaba muchas cosas. Que las cuentas aleatorias se debían a radiación de fondo y que al ser paradas por las paredes de plomo eran radiación gamma, posiblemente cósmica. Saqué todos los minerales introduje el tubo con el moderador, añadí la fuente de neutrones y le puse al contador un periodo de 1000 segundos. 17 minutos después el contador había registrado 3 clics. Repetí la cuenta sin fuentes y la medida fue cero. Volví a repetir con la fuente y la medición fue 4 ¡¡¡¡¡¡Aleluya Aleluya ¡¡¡¡ estaba contando neutrones. Todo estaba funcionado pero las cuentas eran tan bajas que estaban totalmente enmascaradas en la radiación de fondo.

Repetí el proceso con 10.000 segundos, con fuente de Am-Be las cuentas eran 3,1 neutrones cada 1000 segundos y sin fuente eran 0,08. Estaba claro que funcionaba. La diferencia es que de yo había calculado 8 neutrones cada 100 segundos sin embargo el detector me daba cuentas 30 veces inferiores.

Conclusiones.

En todos los sitios que había visto decían que los electrones son muy escurridizos, y así es, los niveles de detección y producción con artilugios de aficionado son muy bajos. Afortunadamente el nivel de ruido del detector utilizado es muy bajo y puede filtrase mediante blindaje de plomo y proporcionar cuentas fiables en niveles tan bajos como varios neutrones cada 10.000 segundos.

Pero de esta experiencia contada casi como se ha ido produciendo y que algunos pueden considerar como un rollo chino, se saca la conclusión mas importante. Solo un trabajo sistemático, analítico concienzudo meticuloso y perseverante puede llevarnos al éxito. Ir de flor en flor, rendirnos a la primera dificultad es ir de fracaso en fracaso.

Porque las cuentas eran tres veces menos ?. La primera razón era que el americio emite las partículas alfa en un solo hemisferio porque esta sobre una plaquita metálica, esto reduce las posibles cuentas a la mitad. Además Los cálculos realizados en función de la geometría suponen un medio transparente y la realidad es que es un medio translucido ya que los neutrones para ser moderados deben chocar al menos 30 veces con los núcleos de hidrogeno. Carezco en este momento de los conocimientos para calcular la densidad de neutrones.

Mejora de la fuente de neutrones.

Una vez que parecía que todo estaba funcionando me decidí a aumentar la intensidad de la fuente de neutrones. Después de unos cuantos paseos por varios desguaces en busca de detectores de humos conseguí que mi detector contase 4 neutrones cada 10 segundos una intensidad suficientemente grande para superponerse al ruido de fondo. La mezcla Americio-Berilio la introduje en un pequeño cilindro de acero inoxidable hermético. De esta manera el acero filtra la mayor parte de la radiación gamma del americio pero los neutrones salen sin ninguna complicación.

Hay una prueba muy concluyente de que las medidas de mi aparato cuenta neutrones que realizo según sigue:

Enciendo el detector, lo pongo a contar 100 segundos, sin moderador ni fuente. Las cuentas son 0 mas menos 1 cuenta.

Coloco el moderador de polietileno al detector. Las cuentas son 0 mas menos 1 cuenta.

Quito el moderador, coloco la fuente pegada al detector. Las cuentas son 1 mas menos 1 cuenta.

Coloco el moderador la fuente y el detector en sus sitios. Las cuentas son 45 mas menos 4 cuentas.

Las pruebas son irrefutables, NO????

Nota adicional.

Hay un excelente documento relativo a una practica de laboratorio del Instituto Tecnológico de California (Caltec) que puede servir de base teórica para esta realización. Recomiendo que se vea.

La practica en cuestión, emplea una fuente de neutrones de Californio, un detector de F3B y emplea como moderador un bidón de agua. Se somete a irradiación con neutrones térmicos una plaquita de indio y después se realiza una gamma-espectrografía empleando un detector GeLi. El documento completo se encuentra en formato PDF en la dirección  http://www.pma.caltech.edu/~ph77/labs/exp16.pdf