Célula fotoeléctrica 32A y el Halley

Santiago Paolantonio

Versión 21/3/2022

El Museo del Observatorio Astronómico de Córdoba (MOA), resguarda un importante número de instrumentos y piezas de distintos tipos que se destacan por su amplia variedad y alta calidad. Muchos de estos dispositivos dan cuenta de los inicios de la astronomía argentina y se relacionan con investigaciones astronómicas cuyos resultados tuvieron gran impacto. Son testimonio de los objetivos de la institución, de las actividades que se desarrollaron y los métodos seguidos en las investigaciones emprendidas, por lo que su estudio permite realizar aportes significativos a la reconstrucción de la rica historia del Observatorio a lo largo de sus 150 años de existencia.

Muchas de los elementos incluidos en esta extensa colección, están siendo investigados con el objeto de identificar sus características, determinar las circunstancias en que fueron adquiridos o construidos, así como los trabajos en que estuvieron involucrados. Una de estas piezas es la célula fotoeléctrica registrada con la leyenda original “Celula foto-electrica Nº 32A” (textual), Nº 7.

Las células (o celdas) fotoeléctricas, fotocélulas o sensores fotoeléctricos son dispositivos electrónicos sensible a la luz, que responden a los cambios de su intensidad. En astronomía fueron empleadas exitosamente para la medición de la luz proveniente de los objetos celestes desde principios del siglo XX (investigaciones fotométricas).

Se desarrollaron numerosos tipos de células fotoeléctricas, la existente en el MOA, responde a un diseño de Jakob Kunz[1] de la Universidad de Illinois de la década de 1920, que mejoró mucho la sensibilidad respecto de otras similares existentes en la época.

Célula fotoeléctrica 32A Nº 7 – 3965 de la colección del MOA. El bulbo del dispositivo se encuentra fisurado y uno de los conectores dañados. Abajo puede apreciarse el electrodo interno (ánodo), formado por un alambre en anillo. La luz que debía medirse ingresaba por una ventana, que en la actualidad se encuentra tapada con un corcho (lado inferior). Las conexiones a los electrodos son: 1 (cátodo) y 2 (ánodo) (S. Paolantonio).
Célula fotoeléctricaexistente en Smithsonian, National Air and Space Museum[2] similar a la 32A Nº 7 del MOA.

Estas fotocélulas fueron fabricadas en vidrio (Pirex) soplado a mano o de cuarzo, con forma de un bulbo central y dos tubos opuestos, de unos 19 cm de largo total. El bulbo se encuentra recubierto interiormente por un metal alcalino (litio, sodio o potasio) que forma el cátodo, el que emite electrones cuando se lo ilumina. El ánodo, formado por un alambre aislado, con forma de anillo (cruzado por dos finos alambres en cruz), centrado en el bulbo, recoger los electrones emitidos. El interior de la celda se encuentra relleno de un gas inerte, que puede ser helio, neón o argón[3].

La célula fotoeléctrica 32A Nº 7 resguardada por el MOA se encuentra montada en una caja de madera que impedía la entrada de luz, excepto por la ventana (“1”, tapada por un corcho). A la caja le falta la tapa. “2” es la abertura por donde pasaba la conexión al cátodo de la fotocélula (S. Paolantonio).

Entre los electrodos se aplica una tensión continua y se mide la corriente que se genera cuando la célula se expone a la luz. Dado que la corriente es muy pequeña debe ser medida con un galvanómetro de gran sensibilidad. Estas celdas, cuando no reciben luz presentan una pequeña corriente, denominada “de oscuridad”, indeseada (ruido) cuando se mide la señal luminosa. El dispositivo diseñado por Kunz tenía una corriente de oscuridad mucho menor que otros similares fabricados en la época, lo que permitía lograr una relación entre la señal (luz recibida) y el ruido (la corriente de oscuridad) muy superior, de gran importancia en la observación astronómica, debido a que involucra la medición de señales luminosas muy débiles.

En Córdoba, la fotocélula «32A» fue empleada para la determinación del brillo del núcleo del cometa Halley, a partir de las placas fotográficas obtenidas de este astro durante su paso de 1910. Estas placas fueron realizadas desenfocadas con la intención de que la imagen del cometa (difusa) tuviera similar diámetro que las estrellas (puntuales) empleadas para la comparación de brillo, y de este modo hacer posible la medición.

Una de las fotografías del cometa Halley destinada a la determinación de su brillo, obtenida el 6 de mayo de 1910. Sobre la misma placa se realizaron varias exposiciones desenfocadas de distintas duraciones. Puede apreciarse que las imágenes del núcleo del cometa y de las estrellas (se marcaron las empleadas para la medición) tienen igual diámetro, pero el ennegrecimiento[5] no es uniforme (Archivo OAC).

Las mediciones se realizaron entre 1928 y 1929[4], empleado un dispositivo diseñado y fabricado en el Observatorio específicamente para este fin, en el cual la pieza clave era la fotocélula “32A”. El instrumento pudo ser confeccionado gracias a la colaboración del ingeniero electricista J. T. Rodwell, empleado del Ferrocarril Central Córdoba. El esquema del dispositivo y una fotografía del conjunto se incluyen a continuación.

Arriba, fotografía del dispositivo utilizado para las mediciones fotométricas del cometa Halley de 1910. Abajo, esquema explicativo de la disposición de los elementos, aparecido en Perrine et al 1934, página 37. La “máquina de magnitudes”, fabricada en el Observatorio, soportaba la placa fotográfica a medir (A) y permitía moverla en forma horizontal y vertical. Contaba con un diafragma (B) que limitaba la zona estudiada. Le seguía un soporte que sostenía la lente que enfocaba la imagen de la estrella o el cometa sobre la célula fotoeléctrica (C) y un pequeño prisma rebatible (p) que permitía ver la zona de la placa que se estaba midiendo. La fuente de luz estaba constituida por una lámpara eléctrica alimentada por acumuladores, y un espejo adaptado de un viejo farol de acetileno de automóvil, fabricado por Bausch y Lamb. Finalmente, se encontraba la celda “32A”. La corriente de la fotocélula se medía con un galvanómetro de espejo, cuyo haz de luz se proyectaba sobre una escala que se ubicaba a 130 cm de distancia (Archivo OAC, S. Paolantonio).

El objetivo del dispositivo era iluminar la placa y medir con el tubo fotoeléctrico la luz que pasaba por las imágenes del núcleo del Halley, así como la de varias estrellas cercanas, cuya magnitud se conocía. De este modo, por comparación, era posible deducir el brillo del cometa.

Las mediciones se realizaban aplicando a la celda una tensión de unos 157 volts, y la débil corriente se medía con un galvanómetro de espejo Leeds & Northrup Co., Philadelphia, EE.UU. (Versión 21/3/2022). Este tipo de galvanómetro fue inventado en el siglo XIX por W. Thompson, cuenta con una armadura que puede girar libremente, suspendida en un eje vertical, y que lleva solidario un pequeño espejo, sobre el que una fuente de luz proyecta un haz muy fino que luego de reflejarse incide sobre una escala que permite la medición.

Galvanómetro a espejo utilizado en las mediciones fotométricas del Halley, Leeds & Northrup Co. y su escala, marca W.G. PYE & Co.. En la fotografía del galvanómetro se señala el espejo (S. Paolantonio).

Las dificultades que debieron superarse fueron muchas, por ejemplo, las mediciones eran muy sensibles a la humedad ambiente por lo que solo se realizaban en días secos, y los instrumentos debían aislarse eléctricamente muy bien, lo que se lograba con láminas de vidrio y/o mármol.  Pero el problema principal que debió enfrentarse es que las imágenes desenfocadas formadas en las placas fotográficas no tenían un ennegrecimiento[5] uniforme.

Esquema del circuito de la célula fotoeléctrica y disposición de los distintos elementos del dispositivo con el que se midieron las placas fotométricas del Halley obtenidas en 1910 en el Observatorio Nacional Argentino (S. Paolantonio).
El inicio del uso de la célula fotoeléctrica 32A Nº 7 ocurrió el 26 de junio de 1929. Cuaderno de registro de las mediciones fotométricas existente en el MOA (dig. S. Paolantonio).
Fotografía del cometa Halley realizada en el Observatorio Nacional Argentino el 25 de mayo de 1910, día del centenario de la Revolución de Mayo (Archivo OAC).

Agradecimientos

Al encargado del Museo del Observatorio Astronómico de Córdoba, Dr. David Merlo, por facilitar el acceso a los instrumentos y documentos resguardados por la institución.

Referencias:

  • Stebbins, J. (1939). Jakob Kunz, 1874-1938, with Plate II, Popular Astronomy, Vol. 47, pp.117-121.
  • Perrine C. D., Winter R. Symonds F. y Glancy A. E. (1934). Observaciones del Cometa Halley durante su aparición en 1910, su posición, brillantez, espectro, etc., con 100 ilustraciones, Apéndice Cometa Mellish. Resultados del Observatorio Nacional Argentino, Vol. 25. Imprenta de la Universidad Nacional de Córdoba.

Notas

[1] Jakob Kunz (3/11/1874, Brittnau, Aargau, Suiza-18 de julio de 1938, EE.UU.). Físico, pionero en el desarrollo fotocélulas y su aplicación en fotometría astronómica. Trabajó en la Universidad de Illinois desde 1909. Una biografía de la época puede consultarse en Stebbins 1939.

[2] Kunz ‘KH Pyrex (1)’ Photodiode Tube. Smithsonian, National Air and Space Museum. Inventory Number T20170061000, consultado el 3 de marzo de 2022, https://www.si.edu/object/kunz-kh-pyrex-1-photodiode-tube%3Anasm_T20170061000 .

[3] Parte de esta descripción está tomada de Jakob Kunz, Observatorio del Departamento de Física de la Universidad de Illinois, «Células fotoeléctricas de Kunz», Colección del Observatorio de la Universidad de Illinois, consultado el 3 de marzo de 2022, https://uiobservatory.omeka.net/items/show/71.

[4] Si bien en Perrine et al 1934 se indica que las mediciones fueron realizadas en 1926, los registros dejados en el cuaderno correspondiente indican que las mismas ocurrieron entre fines de 1928 y 1929.

[5] Las placas fotográficas empleadas fueron fabricadas por la empresa francesa Lumière & Ses Fils, “etiqueta azul y violeta”, iguales a las utilizadas para el Catálogo Astrográfico y la Carte du Ciel. Las placas tenían una base de vidrio plano de 16 x 16 cm y 2 a 2,5 mm de espesor, una de cuyas caras estaba cubierta con la emulsión, una muy fina capa de una suspensión en gelatina de cristales de bromuro de plata (que son sensibles a la luz). Al incidir la luz, y luego del proceso de revelado, los lugares en que fueron expuestos a la luz se opacan debido a la formación de pequeños núcleos de plata metálica, en un grado mayor cuanto mayor fue la cantidad de luz recibida. El grado de ennegrecimiento se denomina «densidad».

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Paolantonio, S. (2022). Célula fotoeléctrica 32A y el Halley. Disponible en https://historiadelaastronomia.wordpress.com/cf32a/. Recuperado el … (indicar la fecha).

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