Geigerzähler

Moderner Geigerzähler

Aufbau eines Zählrohres, aus der Aluminium-Hülle entnommen, die Abschirmbleche zur Definition der Empfindlichkeit liegen zwischen der Hülle und dem gläsernen Zählrohr

Der Geigerzähler (auch Geiger-Müller-Zähler, Geiger-Müller-Indikator oder Geiger-Müller-Zählrohr) ist ein technisches Gerät, das ionisierende Strahlung messen kann (Teilchendetektor). Er wurde unter der Leitung des Physikers Hans Geiger (1882–1945) erfunden. Sein Assistent Walther Müller (1905–1979) verbesserte die Erfindung 1928 wesentlich.

Aufbau

Prinzipskizze eines Geigerzählers

Einfache Zählrohre bestehen aus einem an beiden Seiten abgedichteten Hohlzylinder aus Metall, der gleichzeitig die Kathode (−) darstellt. Die Drahtanode (+) befindet sich in der Mitte des Zylinders und wird an einem Ende durch einen Isolator (Glas) aus dem Zählrohr herausgeführt. Im Inneren befindet sich ein Edelgas, welches keine negativen Ionen bildet (z. B. Argon oder Krypton) mit geringem Druck (um 200 hPa absolut). Zwischen Anode und Kathode wird eine Gleichspannung von mehreren hundert Volt angelegt, die bewirkt, dass die elektrisch geladenen Teilchen des Gases, die Ionen, zu den Elektroden wandern.

Solche Zählrohre sind nur zur Detektion von Gammastrahlung geeignet, die eine relativ hohe Reichweite selbst in Metall hat. Soll mit den Zählrohren auch Alpha- und Betastrahlung detektiert werden, müssen diese an einem Ende mit einem möglichst massearmen Fenster (z. B. aus Glimmer oder biaxial orientierter PET-Folie) versehen werden, damit Alpha- (Helium-Kerne) und Betastrahlung (Elektronen), die keine große Eindringtiefe in Feststoffen haben, in das Zählrohr gelangen können. Einerseits muss dieses Fenster also möglichst dünn sein, andererseits muss aber eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet sein.

Funktionsweise

Geigerzähler bei geringer Zählrate

Geigerzähler bei hoher Zählrate

Tritt eine ionisierende Strahlung ein, so trennt diese auf ihrer Flugbahn Hüllenelektronen des Edelgases von ihren Atomkernen. Die Elektronen werden aufgrund der elektrischen Feldkraft in Richtung Anode beschleunigt und kollidieren dabei mit weiteren Gasatomen, die so ebenfalls ionisiert werden (Stoßionisation, Gasentladung). Die so lawinenartig freigesetzten Elektronen ermöglichen nun einen Stromfluss zwischen Anode und Kathode (der Stromkreis schließt sich), der mittels eines in den Stromkreis eingeschalteten Widerstandes in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Dieses Signal wird dann elektronisch verstärkt und entweder als akustisches (Knacken, Piepston) oder optisches Signal (Blinken eines Lämpchens) angezeigt. Um die Dosisleistung der Strahlung und dadurch gegebenenfalls die Aktivität der Strahlungsquelle abschätzen zu können, werden die Impulse außerdem von einer Zählerschaltung erfasst.

Wichtig ist, dass die Anode mit einem Widerstand von einem Megaohm oder mehr an die Spannung von meist 500 V angeschlossen wird. Hierdurch wird der Entladungsstrom begrenzt und die Gasentladung zum Erlöschen gebracht, da an dem mit dem Zählrohr in Reihe geschaltetem Widerstand eine Spannung abfällt, die die Zählrohrspannung so verkleinert, dass die Stoßionisation und damit der Stromfluss im Zählrohr aufhört. Fließt durch den Widerstand kein Strom mehr, so liegt die volle Spannung wieder am Zählrohr an.

Arbeitsbereiche des Geiger-Müller-Zählers

Charakteristik eines Zählrohrs

Die Vorgänge sowie die Verwendung des Zählrohres hängen vor allem von der Spannung ab, die zwischen Anodendraht und Kathode anliegt. Dringt ionisierende Strahlung in das Zählrohr ein, so wird das Füllgas längs der Teilchenbahn ionisiert, wobei die Zahl der erzeugten Elektronen proportional zur Energie des einfallenden Teilchens ist.

Liegt nun zwischen Anode und Kathode eine Spannung an, so werden die erzeugten Elektronen zur Anode hin beschleunigt. Ist diese Spannung jedoch zu gering, rekombiniert ein Teil der Elektronen auf dem Weg zur Anode wieder mit dem Füllgas und das Signal gibt keine Aussage über die Energie der detektierten Teilchen (Rekombinationsbereich).

Erhöht man nun die Spannung, so werden irgendwann alle primär erzeugten Elektronen die Anode erreichen. Der gemessene Strom ist damit proportional zur Energie der einfallenden Strahlung. In diesem Bereich arbeiten zum Beispiel Ionisationskammern zur Messung der primären Dosisleistung der Strahlung.

Bei einer weiteren Erhöhung der Spannung haben die primären Elektronen so viel Energie, dass sie durch Stöße mit den Atomen des Füllgases weitere Elektronen auslösen können. So entstehen sogenannte Elektronenlawinen mit a Sekundärelektronen (a ist ca. gleich 10⁶). Die Größe des gemessenen Stroms ist aber weiter proportional zur Energie der einfallenden Strahlung (Proportionalbereich), da immer a Elektronen pro primärem Elektron entstehen.

Ab einer bestimmten Spannung löst jedes einfallende Teilchen eine Kaskade von Sekundärteilchen aus, die das Zählrohr „sättigt“; jedes Teilchen erzeugt unabhängig von seiner Energie den gleichen Strom im Zählrohr. Dieser Bereich ist der eigentliche Zählbereich (auch Plateaubereich, Geiger-Müller-Bereich) und wird zum Zählen der Teilchen verwendet. In diesem Bereich entstehen neben den Sekundärelektronen auch Photonen, die im gesamten Gasraum und an der Zählrohrwand weitere Elektronen auslösen (Photoeffekt), wodurch das gesamte Zählrohr von der Entladung erfasst wird und jedes radioaktive Teilchen eine Entladung auslöst und registriert werden kann.

Eine weitere Erhöhung der Spannung führt zu einer Gasentladung, die nicht mehr selbstständig verlöscht und somit zu einer Zerstörung des Zählrohrs führt. Es ist somit essentiell wichtig, den Arbeitsbereich des Zählrohrs, d. h. die Spannung, die zwischen Kathode und Anode anliegt, dem Einsatzzweck und der gewünschten Empfindlichkeit und Zählrate anzupassen, um verwertbare Ergebnisse zu erhalten.

Einschränkungen

Unmittelbar nach dem Auslösen einer Gasentladung ist das Zählrohr für eine kurze Zeit (etwa 0,1 Millisekunden) nicht empfänglich für weitere Impulse, was als Totzeit bezeichnet wird. Der Grund hierfür ist, dass die nach der Ionisation positiv geladenen Gasatome das elektrische Feld von der Anode abschirmen. Erst wenn die Ionenwolke zur Kathode gewandert ist, um sich dort zu entladen, und wenn die Gasentladung mittels spezieller Zusätze (z. B. Halogene oder Ethanoldämpfe) gelöscht ist, kann der Prozess erneut ausgelöst werden. Die Totzeit ist durch die Bauart bestimmt: Sie hängt von der Spannung, der Größe des Zählrohrs und der Zusammensetzung des Füllgases ab.

Weiterhin erfassen einfache Geigerzähler nur die Anzahl der registrierten Impulse (Impulsrate), was keinen Rückschluss auf die Strahlungsart erlaubt. Die unterschiedliche Ionisierungsfähigkeit und kinetische Energie von z. B. Alpha- und Gammastrahlung bleibt unberücksichtigt. Um diesen Nachteil auszugleichen, können bestimmte Geiger-Müller-Rohre, so genannte Proportionalzählrohre, auch im Proportionalbereich betrieben werden, um nicht nur die Aktivität einer Strahlungsquelle, sondern auch deren Energiedosis ermitteln zu können.

Totzeitkorrektur

Zum Ausgleich des durch die Totzeit entstandenen Fehlers ist folgende Gleichung zu verwenden:

$M = \frac{M'}{1-T \cdot M'}$ wobei M' die gemessene Zählrate, T die Totzeit des Geigerzählers und M die korrigierte Zählrate ist.

Bei Werten für M' $\ll$ 1/T ist M' ≈ M. Bei Werten M' ≈ 1/T ist eine markante Abweichung zwischen beiden Werten festzustellen.

Literatur

• Glenn F. Knoll: Radiation detection and measurement. Wiley, New York 1979, ISBN 0-471-49545-X.

Weblinks

 Wiktionary: Geigerzähler – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Geigerzähler – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikibooks: Gasgefüllte Strahlungsdetektoren – Lern- und Lehrmaterialien

• Geigerzähler bei www.roro-seiten.de
• Wie funktioniert ein Geigerzähler?
• Rapp Instruments: Bauanleitung Geiger/Müller Zählrohr