Ernest Walton, Ernest Rutherford y John Cockcroft

Hace 86 años, el 14 de abril de 1932, John D. Cockcroft (1897-1967) y Ernest T.S. Walton (1903-1995) lograron romper el átomo produciendo la primera reacción nuclear artificial de la historia. En el famoso laboratorio Cavendish de Cambridge los frágiles átomos de Li-7 se dejaron desintegrar frente a un haz de protones de más de 125 keV, partiéndose en dos partículas alfa (fruto de la desintegración del Be-8). El secreto de su éxito fue un sistema de alto voltaje muy ingenioso (contando, eso sí, con la inestimable ayuda de un efecto cuántico: el efecto túnel). ¿Cómo lo lograron?

Primera reacción nuclear hecha por el hombre.

Yo que soy muy fan de los forros polares me paso el día recibiendo descargas a cada paso, así que no me sorprende tanto lo fácil que es conseguir altas tensiones, pero lo cierto es que el método elegido por Cockcroft y Walton es tan bueno que ha perdurado hasta nuestros días (recordad que Cockcroft nunca hacía chorradas), y sigue utilizándose en aceleradores modernos. El motivo es que permite conseguir voltajes continuos muy elevados y estables partiendo de voltajes alternos muy bajos. Para los amantes del heavy esto quiere decir que transforma baja AC en alta DC.

Sistema Cockcroft-Walton del museo de ciencas de Edimburgo.

El sistema de Cockcroft-Walton (CW) es lo que se conoce como un multiplicador de voltaje, y está basado en una escalera de diodos y condensadores. Los condensadores, como sabéis, son almacenes de carga eléctrica que se llenan haciendo pasar una corriente eléctrica por ellos. Los diodos, por el contrario, son interruptores inteligentes que dejan pasar la corriente o la bloquean. La idea subyacente al diseño CW es bombear la carga de forma secuencial y obligar a la corriente eléctrica a pasar por los condensadores de manera ordenada (en paralelo). Para poder comprender esto, hay que recordar cómo funciona un diodo.

Símbolo universal del diodo.

Un diodo es un dispositivo eléctrico que sólo permite que pase la corriente en un sentido. Su símbolo es una flecha para indicar precisamente eso. Si el voltaje que le llega es positivo, deja pasar la corriente. Si es voltaje es negativo, bloquea a los electrones. Eso quiere decir, que si la corriente que pasa es alterna (oscila entre positiva y negativa), en unos ciclos (los positivos) deja pasar la corriente y en otros (los negativos) no. Ahora que sabéis eso os puedo presentar al ilustre circuito Cockcroft-Walton (en su modalidad de dos etapas). Voilà.

Modelo CW de dos etapas. El voltaje de salida (V0) es 4 veces el voltaje máximo de entrada (Vi).

Esto, lo creáis o no, es un monumento científico a la simplicidad y es lo que nos abrió las puertas del mundo nuclear. Con sólo dos elementos (diodos y condensadores), este inofensivo circuito puede conseguir millones de voltios. Como se suele decir: las piedras son algo sencillo, pero se puede hacer una catedral con ellas. Eso pasa aquí.

Esquema de llenado por ciclos en el CW de dos etapas.

¿Cómo funciona exactamente el llenado de la carga? Pues bien, en el primer ciclo la corriente pasa primero por el diodo D1 y carga el condensador C1. Sencillo. Sin embargo, al cambiar el sentido de la corriente, ésta no puede hacer el camino contrario porque el diodo D1 está bloqueado. ¿La escapatoria?: después de atravesar C1 el diodo D2 está esperando a los electrones con la mesa puesta para que pasen y cenen. De vuelta a su casa cargarán el condensador C2, que, ¡sorpresa!, está ayudado por el condensador C1 cargado previamente. Así que en ese punto el voltaje final ¡se ha doblado respecto al original!

Modelo comercial del circuito CW para conseguir altos voltajes.

Y creo que ya véis por dónde voy… En el segundo ciclo, la corriente va llenando primero C3 y luego C4, pero siempre con ayuda de los condensadores precedentes. Si tenemos N etapas, el voltaje final es 2N veces el voltaje original máximo. Y esto, claro, funciona para 1 voltio, pero también para 1000. Como curiosidad, el acelerador en el que yo hice mi tesis tiene más de 2000 diodos, así que echad cuentas…

Las buenas noticias son que si queréis haceros uno en casa no hacen falta tantos diodos. Os dejo aquí el prototipo de 7 etapas (en el video está mal dicho) que improvisó mi compañero Tomás. Con esas 7 etapas podíamos conseguir unos 10.000 voltios, y vale, eso no es suficiente para romper el átomo, pero sí para romper el aire. La tensión para la ruptura dieléctica del aire es de 1 kV por milímetro, así que con 10.000 voltios se puede generar un arco eléctrico de 1 cm. Podéis imaginar cómo nos pusimos… Como diría él: ¡vamos a darle chicha!

@DayInLab

P.D.: Esta entrada está dedicada a Tomás Vallés, el verdadero artista del circuito y sin el que no podría haber dejado a mis alumnos con la boca abierta (que es como seguramente os hayáis quedado vosotros al ver en qué acaban los 40 V de partida).

Nota: La inspiración para hacer este modelo fue un video que utilizaba una fuente CCFL de un escáner para generar una descarga en aire con el multiplicador CW. Replicarlo no fue sencillo porque, al no tener una fuente de alto voltaje, tuvimos que usar un transformador que nos diera una señal razonable. Lo más crítico es el voltaje inicial y, sobre todo, la frecuencia (si intentáis hacerlo con la red a 220 V y 50 Hz no os saldrá). Para el que esté interesado en los detalles, los diodos son modelo GP02-40, preparados para 4 kV y 250 mA. Los condensadores son cerámicos, modelo JD102M Y1, para 400 V en AC.

El circuito en detalle con algunos secretos ocultos…