Ionisationsdetektor

Moderner Geigerzähler

Der Geigerzähler (auch Geiger-Müller-Indikator oder Geiger-Müller-Zählrohr) zeigt eine mögliche ionisierende Strahlung an. Er wurde von dem Physiker Hans Geiger erfunden, von seinem Assistenten Walther Müller wesentlich verbessert und darum nach beiden benannt.

Aufbau

Prinzipskizze eines Geigerzählers

Der Hauptbestandteil des Geigerzählers ist ein Metallrohr, das die Kathode (−) bildet, in dessen Mitte sich ein Draht befindet, der als Anode (+) dient. Bei Zählrohren, die für die Detektion von Alpha-Strahlung gedacht sind, befindet sich am vorderen Ende ein strahlendurchlässiges Fenster (z.B. aus Glimmer oder Mylar), während im hinteren Teil ein Isolator steckt, der auch die Anode hält und sie von der Kathode isoliert. Zählrohre, die nur für Beta-Strahlung oder Gamma-Strahlung verwendet werden, können auch ohne dieses Fenster auskommen. Der Grund dafür liegt in einer höheren Reichweite letzterer, während Alpha-Strahlung nur eine geringe Eindringtiefe in Feststoffe hat. Das Fenster aus Glimmer oder Mylar ist sehr dünn, so dass es nur sehr schwer abdichtbar ist. 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 liegt eine Gleichspannung von mehreren hundert Volt an (ca. 400 Volt), die bewirkt, dass die elektrisch geladenen Teilchen des Gases, die Ionen, zu den Elektroden wandern.

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 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 Aktivität bzw. die Dosisleistung eines Präparates abschätzen zu können, werden diese Impulse außerdem von einer Zählerschaltung erfasst.

Wichtig ist, dass die Anode mit einem hochohmigen Widerstand von einem Megaohm oder mehr an die Hochspannung von meist 500 V angeschlossen wird. Hierdurch wird der Entladungsstrom begrenzt und die Strom-Entladung zum Erlöschen gebracht, da an dem mit dem Zählrohr in Reihe geschaltetem Widerstand eine Spannung abfällt, die die Zählrohrspannung entsprechend verkleinert, so 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, wird ein Teil der Elektronen auf dem Weg zur Anode wieder mit dem Füllgas rekombiniert und das Signal gibt keine Aussage über die Art der 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 entspricht ca. 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", d.h. 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). So wird das gesamte Zählrohr von der Entladung erfasst - d. h. jedes radioaktive Teilchen löst eine Entladung aus und kann so auch registriert werden.

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 anzupassen, um verwertbare Ergebnisse zu erhalten.

Einschränkungen

Unmittelbar nach dem Auslösen einer Gasentladung ist das Zählrohr für eine kurze Zeit (ca. 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, 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

• Geigerzähler bei www.roro-seiten.de
• Wie funktioniert ein Geigerzähler?