Geigerzähler

  Der Geigerzähler (auch Geiger-Müller-Indikator oder Geiger-Müller-Zählrohr) zeigt eine mögliche ionisierende Strahlung an. Er wurde nach den Physikern Hans Geiger und Walther Müller benannt.

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Aufbau

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 der längeren Lebensdauer letzterer: 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) mit geringem Druck (um 200 hPa absolut). Zwischen Anode und Kathode liegt eine Gleichspannung von mehreren hundert Volt an.

Funktionsweise

  Tritt 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 um 500 V angeschlossen wird. Hierdurch wird der Entladungsstrom begrenzt und die Strom-Entladung zum Erlöschen gebracht.

Arbeitsbereiche des Geiger-Müller-Zählers

  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 Zählgas 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 Zählgas rekombinieren 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 Zählgases weitere Elektronen auslösen können. Die Größe des gemessenen Stroms ist aber weiter proportional zur Energie der einfallenden Strahlung (Proportionalbereich).

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. 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) 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 Zählgases 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.

Tatsächliche Zählrate

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

wobei M' die gemessene Zählrate, T die Totzeit des GMZ und M die tatsächliche Zählrate ist.

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

Siehe auch

Literatur

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