Geiger-Müller-Zählrohr

Mit dem Geiger-Müller-Zählrohr wird radioaktive Strahlung gemessen. Dazu werden die Stromimpulse gezählt, die durch die ionisierende Strahlung entstehen.


Aufbau

Das Geiger-Müller-Zählrohr (auch Geigerzähler) ist eine verbesserte Version der Ionisationskammer.

Das Geiger-Müller-Zählrohr ähnelt einer kurzen Röhre, an die Stromkabel angeschlossen wurden.

Es besteht aus:

  • Einem negativ geladenen Metallzylinder mit Glimmerfenster
  • Einem positiv geladenen Draht
  • Einem Füllgas (meist Edelgase und Alkohol)
  • Einer Stromquelle mit Starkstrom
  • Einem Digitalzähler mit Signalverstärker
  • Einem Lautsprecher (optional)

Funktionsweise

Der Zylinder wird zunächst mit einem Edelgas befüllt. Dabei wird ein Unterdruck erzeugt.

Die Zylinderwand und der Draht dienen im Stromkreis als Kondensatoren.
Der Metallzylinder ist die negativ geladene Kathode. Der Draht ist die positiv geladene Anode.

Durch die unterschiedlichen Ladungen entsteht ein symmetrisches elektrisches Feld im Zylinder. Dieses ist in der Mitte, also direkt um den Draht, am stärksten und wird nach außen immer schwächer.

Das Glimmfenster dient dazu radioaktive Strahlungsteilchen von außerhalb in den Zylinder zu lassen und Verschmutzungen wie Staub aufzuhalten. Es besteht in der Regel aus einer dünnen Schicht Mineralien, die man Glimmer nennt.

Trifft nun die radioaktive, also ionisierende Strahlung mit ausreichend Energie auf das Gas in der Kammer, wird dieses ionisiert. Das bedeutet, es wird in positive Teilchen und einzelne Elektronen gespalten.

Die an Zylinder und Draht angelegte Spannung ist so hoch, dass die einzelnen Elektronen extrem stark von dem positiv geladenen Draht angezogen werden.

Da das elektrische Feld zum Draht hin immer stärker wird, wird auch die Beschleunigung und damit die Energie der Elektronen immer größer.

Dadurch kann jedes ausgeschlagene Elektron auf seinem Weg zur Anode zusätzlich weitere Elektronen aus anderen Gasteilchen schlagen. Diese schlagen ebenfalls wieder Elektronen aus und so weiter.

Aus einem einzelnen Elektron entsteht also eine ganze Lawine an Elektronen, die sich durch das Rohr bewegen. Deswegen nennt man das Ganze auch Elektronenlawine.

Die nun vielen positiv geladenen Gasteilchen wandern zu der negativ geladenen Zylinderwand.

Es fließt jetzt so lange ein Strom, bis alle Elektronen über den Draht aufgenommen wurden und die positiven Ionen wieder Elektronen aufgenommen haben.

Diesen kurzen Stromfluss misst das Messgerät und zeigt ihn als den Wert 1 an.

Treffen mehrere Strahlungsteilchen kurz hintereinander auf das Zählrohr, entstehen auch mehrere kurze Stromstöße.
Das Messgerät zeigt dann eine entsprechend höhere Zahl an.

Manche Geiger-Müller-Zähler besitzen auch zusätzlich einen Lautsprecher, der jedes Mal ein kurzes Knacken abgibt, wenn er von dem Strom durchflossen wird.

Bei extrem hoher Strahlung hört man mit dem Lautsprecher nur noch ein Rauschen und keine einzelnen Laute mehr.

Sonderfall Totzeit

Direkt nach einer Elektronenlawine sind nahezu alle Gasteilchen im Umfeld der Lawine ionisiert und es ist eine große Elektronenwolke um den Draht entstanden.

Trifft in dieser Zeit ein weiteres Strahlungsteilchen auf das Geiger-Müller-Zählrohr, kann es also keine weiteren Gasteilchen ionisieren und wird nicht registriert.

Durch die Elektronen und positiven Teilchen, die zu den entsprechenden Gegenpolen gewandert sind, wird das elektrische Feld zudem stark abgeschwächt.

Das heißt: Selbst wenn weitere Strahlung noch ein Gasatom ionisiert, wird dieses nicht mehr so stark beschleunigt und kann keine Elektronenlawine auslösen.

Die Anode muss also zunächst (nahezu) alle Elektronen aufnehmen.
Auf diese Weise wird die Elektronenwolke aufgelöst und das ursprüngliche elektrische Feld wiederhergestellt. Es kann wieder ein neuer Impuls gemessen werden.

Der Zeitraum, in dem keine weiteren Strahlungsteilchen gemessen werden können, heißt Totzeit.

Diese Zeit ist mit etwa 10^{-4} \:\text{s}104s10^{-4} \:\text{s} so kurz, dass du das fehlende Knacken des Lautsprechers bei vielen Strahlungsteilchen gar nicht hören kannst. Bei der genauen Anzeige der Impulsanzahl fehlen sie jedoch, sodass die genaue Anzahl nicht messbar ist.

Einsatzmöglichkeiten

Das Geiger-Müller-Zählrohr findet in Laboren und Industrie nur selten Anwendung. Das hat verschiedene Gründe:

  • Genaue Strahlungsart lässt sich nicht direkt feststellen
  • Nur ein Bruchteil der \gammaγ\gamma-Strahlung wird erfasst
  • Totzeit ist zu lang für genaue Messungen bei hohen Strahlungswerten
  • Füllgas muss bei Vielnutzung regelmäßig ausgetauscht oder aufgefüllt werden

Dennoch zählt das Geiger-Müller-Zählrohr zu den beliebtesten Messinstrumenten im Strahlenschutz. Besonders um schnell herauszufinden, ob Mensch oder Natur durch Strahlung akut gefährdet sind, ist es ideal. Dabei geht es weniger um genaue Nachkommastellen und mehr um schnelle und zuverlässige Reaktionen.

Das liegt an den Vorteilen des Zählrohrs:

  • Tragbare Bauweise
  • Zuverlässiges Messergebnis in Sekunden
  • Relativ genaue Einschätzung der allgemeinen Strahlenbelastung möglich
  • Messung aller drei Strahlungsarten

Beispiele

Verschiedene Messzeiten

Lea, Jan und du messen jeweils eine andere \alpha-α\alpha- Strahlungsquelle mit dem Geiger-Müller-Zählrohr. Leider habt ihr euch vorher nicht auf eine Messzeit geeinigt.

Leas Präparat hat 12025 Stromimpulse in 5 Minuten ausgelöst.

Dein Präparat hat 8064 Stromimpulse in 2 Minuten ausgelöst.

Jans Präparat hat 1107 Stromimpulse in 10 Sekunden ausgelöst.

Ihr möchtet die Präparate trotzdem anschaulich miteinander vergleichen können.

Überprüfe anhand der Impulse pro Zeit, welches Präparat die höchste Radioaktivität aufweist.

Tipp: Rechne die Impulse pro Zeit zunächst auf eine sinnvolle, gemeinsame Messzeit um.

Lösung

Am besten kannst du für alle drei Präparate die Impulse pro Minute berechnen.

Lea hat über 5 Minuten gemessen. Deswegen musst du ihren Impulswert durch 5 teilen:

\frac{12025}{5 \:\text{min}}=2405 \:\frac{1}{\text{min}}120255min=24051min\frac{12025}{5 \:\text{min}}=2405 \:\frac{1}{\text{min}}

Du hast 2 Minuten lang gemessen. Deswegen musst du deinen Impulswert durch 2 teilen:

\frac{8064}{2 \:\text{min}}=4032 \:\frac{1}{\text{min}}80642min=40321min\frac{8064}{2 \:\text{min}}=4032 \:\frac{1}{\text{min}}

Jan hat nur 10 Sekunden lang gemessen. Jede Minute besteht aber aus 60 Sekunden. Deswegen musst du seinen Impulswert mit 6 multiplizieren:

(1107\cdot 6) \:\frac{1}{\text{min}} =6642\:\frac{1}{\text{min}}(11076)1min=66421min(1107\cdot 6) \:\frac{1}{\text{min}} =6642\:\frac{1}{\text{min}}

Gemessen an den Impulsen pro Minute hat Jans Präparat die höchste Radioaktivität. Leas Präparat hat hingegen die geringste Radioaktivität.
Die Messzeit ist also sehr wichtig, um die Strahlungsgefahr mit dem Geiger-Müller-Zählrohr zu bestimmen. Moderne Geräte geben daher häufig schon von selbst die Impulse pro Minute an.

Verschiedene Strahlungsarten

Du hast ein strahlendes Gestein entdeckt und vermutest, dass es verschiedene Strahlungsarten aussendet. Die genauen Strahlungsarten kannst du jedoch nicht ohne Weiteres mit dem Geiger-Müller-Zählrohr bestimmen.

Wie kannst du herausfinden, ob \gammaγ\gamma-Strahlung dabei ist?

Lösung

Es gibt zwei gängige Möglichkeiten die \gammaγ\gamma-Strahlung zu messen:

Die \gammaγ\gamma-Strahlung lässt sich am schwersten abschirmen.
Du kannst deswegen zum Beispiel ein Aluminiumblech zwischen die Strahlungsquelle und das Geiger-Müller-Zählrohr bringen.
Dieses hält \alphaα\alpha- und \betaβ\beta-Strahlung auf und du misst nur noch die \gammaγ\gamma-Strahlung.

Die zweite Option ist etwas komplexer:

Die \gammaγ\gamma-Strahlung ist die einzige Strahlung, die nicht elektrisch geladen ist und keine Masse besitzt. Die \alpha-α\alpha-Strahlung ist zweifach positiv geladen und verhältnismäßig sehr schwer. Die \betaβ\beta-Strahlung ist einfach positiv oder negativ geladen und leicht.

Bringst du diese unterschiedlichen Teilchen also in ein Magnetfeld, werden sie durch die Lorentzkraft auch unterschiedlich stark und je nach Ladung in andere Richtungen abgelenkt.

Die \gammaγ\gamma-Strahlung durchquert das Magnetfeld gerade, also ohne Ablenkung.
Bringst du also hinter dem Magnetfeld ein Geiger-Müller-Zählrohr an, das auf derselben Höhe wie die Strahlungsquelle ist, misst du nur noch \gammaγ\gamma-Strahlung.
Dein Magnetfeld muss dazu natürlich eine ausreichende Größe und Stärke haben.

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