Ionisationskammer

In der Ionisationskammer wird radioaktive Strahlung detektiert. Dazu wird ein Füllgas durch die Strahlung ionisiert und so ein messbarer Stromfluss erzeugt.


Aufbau

Die Ionisationskammer besteht aus einem Glaskasten mit Plattenkondensator darin. An den Kondensator sind eine Spannungsquelle und ein Messgerät angeschlossen.

Die klassische Ionisationskammer besteht aus:

  • Zwei Metallplatten, die als Anode und Kathode eines Plattenkondensators dienen

  • Einem Glas- oder Plastikgehäuse

  • Einem Füllgas (häufig Luft)

  • Einer Spannungsquelle

  • Einem Amperemeter, also einem Strommessgerät, mit Messverstärker

Funktionsweise

An die beiden Plattenkondensatoren wird ein Strom angelegt, um die Kondensatoren zunächst voll aufzuladen.

Durch die unterschiedlich geladenen Platten entsteht ein elektrisches Feld im Inneren der Ionisationskammer.

Trifft nun 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.

Durch das angelegte elektrische Feld kombinieren sich diese Teilchen nicht wieder, sondern bewegen sich voneinander weg:

Die Elektronen bewegen sich zu der positiv geladenen Anode. Die positiv geladenen Teilchen hingegen bewegen sich zu der negativ geladenen Kathode.

An den Kondensatorplatten sammelt sich so eine jeweils entgegengesetzte Ladung. Dadurch werden die Platten entladen und es fließt wieder ein Strom.

Je mehr Elektronen durch die Ionisation frei wurden, desto höher ist die Stromstärke. Aber auch bei sehr energiereichen Strahlungen, die eine hohe Ionisationsrate besitzen, ist der erzeugte Strom sehr gering.

Um den kleinen Strom leichter messen zu können, wird ein Mess- oder auch Signalverstärker eingebaut.

Einsatzmöglichkeiten

Die klassische Ionisationskammer hat vier große Vorteile:

  1. Du kannst die ganze Strahlungsquelle zwischen die Kondensatoren bringen, sofern deine Kammer und deine Kondensatoren groß genug sind.
    Dadurch kannst du die genaue Aktivität direkt über die Stromstärke bestimmen, ohne dich besonders mit dem Anteil an bestrahlter Fläche oder weiteren Rechnungen beschäftigen zu müssen.

  2. Der Aufbau ist einfach und alle Bauteile sind leicht und günstig zu besorgen.

  3. Du kannst sie nur mit Luft als Füllmedium betreiben. Das heißt, dass du die Kammer nicht perfekt abdichten musst. Du musst dann auch nicht regelmäßig andere, teure Gase besorgen und nachfüllen.

  4. Mit der Ionisationskammer lässt sich jede radioaktive Strahlung nachweisen.

Im Labor nutzt man die Ionisationskammer zum Beispiel um die Lage feinster radioaktiver Strahlen oder die Aktivität kleinerer Präparate zu bestimmen.

Im Rahmen des Strahlenschutzes wird sie selten auch als Anzeige für die aktuelle Strahlendosis in der Umgebung eingesetzt.


Beispiele

Aufbau einer Ionisationskammer

Jan hat eine eigene Ionisationskammer gebastelt. Dazu hat er einen normalen Plattenkondensator, eine Stromquelle und ein einfaches Messgerät wie folgt in einen Plastikbehälter eingebaut:

Im Aufbau der Ionisationskammer fehlt der Verstärker.

Nun lädt er seine Kondensatoren und bringt eine \gammaγ\gamma-Quelle zwischen die Kondensatorplatten.
Das Messgerät zeigt aber auch nach einer halben Stunde immer noch keinen Strom an.
Jan misst mit anderen Geräten nach: Die Kondensatorplatten sind richtig geladen und erzeugen auch ein elektrisches Feld.
Die Strahlungsquelle gibt konstant \gammaγ\gamma-Strahlung ab.

Erkläre, warum Jan keinen Strom messen kann.

Lösung

Der Stromfluss durch \gammaγ\gamma-Strahlungsteilchen ist in der Ionisationskammer sehr klein.
Er ist also da, aber leider zu gering für Jans einfaches Messgerät.

Deswegen sollte Jan sich auf jeden Fall noch einen Verstärker besorgen, der die Stromstärke für ihn messbar macht. Alternativ könnte er auch ein besseres Messgerät mit eingebautem Verstärker verwenden.

Strahlungsarten kombinieren

Lea und Jan untersuchen mit einer Ionisationskammer verschiedene Präparate.
Zuerst messen sie die verschiedenen Präparate einzeln. Dabei fällt auf, dass die \alphaα\alpha-Strahlung einen sehr hohen Strom erzeugt. Den Verstärker hätten sie fast nicht gebraucht. Die \betaβ\beta-Strahlung erzeugt einen mittleren Strom. Die \gammaγ\gamma-Strahlung erzeugt einen so kleinen Strom, dass die beiden den Verstärker fast ganz aufdrehen müssen, um überhaupt etwas zu messen.

Dann kommt Jan auf die Idee zwei Präparate zusammen zu legen. Lea legt das Präparat mir der \gammaγ\gamma-Strahlung zu dem mit der \alphaα\alpha-Strahlung.
Aber egal wie sehr sie auch am Verstärker dreht: Sie misst keinen Unterschied zu der \alphaα\alpha-Strahlung alleine.

Erkläre, weshalb Jan und Lea keinen Unterschied feststellen konnten.

Lösung

Die \gammaγ\gamma-Strahlung hat nur eine geringe Ionisationsrate und der Strom ist daher extrem klein.

Sind \alphaα\alpha- oder \betaβ\beta-Strahlung vorhanden, überlagern ihre großen Ströme den kleinen Strom der \gammaγ\gamma-Strahlung. Der Einfluss der \gammaγ\gamma-Strahlung ist dann nicht mehr messbar.

Hinzu kommt auch, dass die \alphaα\alpha-Strahlung viele Atome in kurzer Zeit ionisiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass die langsamer ionisierende \gammaγ\gamma-Strahlung noch auf nicht ionisierte Atome in der Umgebung des \alphaα\alpha-Präparats trifft, sinkt damit stark ab.

Kondensatorkapazität

Lea und Jan stehen im Labor und versuchen ihre Ionisationskammer richtig zusammenzusetzen.

Du möchtest dir eine eigene Ionisationskammer mit einem Kondensator, einer Stromquelle und ein paar Kabeln bauen. Da du kein Amperemeter hast, misst du stattdessen die Spannung mit einem Voltmeter.

Beim Einbau der Kondensatoren musst du dir aber noch eine maximale Kapazität für die Kondensatoren überlegen.

Du weißt, dass die Kondensatorgleichung Q=C\cdot UQ=CUQ=C\cdot U lautet.

Überlege, ob eine hohe oder eine geringe Kapazität deiner Kondensatoren sinnvoller für die Messung ist.

Lösung

Der Einfluss der Strahlung auf Spannung und Strom sind in der Ionisationskammer sehr gering. Daher solltest du versuchen einen möglichst großen Spannungsunterschied \Delta UΔU\Delta U zu erzielen.
Aus der Kondensatorgleichung ergibt sich:

\begin{aligned} Q&=C \cdot U \qquad&&| :C \\ \\U&=\frac{Q}{C} \end{aligned}Q=CU:CU=QC\begin{aligned} Q&=C \cdot U \qquad&&| :C \\ \\U&=\frac{Q}{C} \end{aligned}

Die Spannung und die Ladung können variieren, die Kapazität ist jedoch konstant. Damit ergibt sich für die Spannungsdifferenz:

\begin{aligned} \Delta U&=\frac{\Delta Q}{C} \end{aligned}ΔU=ΔQC\begin{aligned} \Delta U&=\frac{\Delta Q}{C} \end{aligned}

Um eine große Spannungsdifferenz \Delta UΔU\Delta U zu bekommen, sollte die Kondensatorkapazität CCC also möglichst gering sein.

Aber Achtung: Die Kapazität muss noch ausreichen, um ein elektrisches Feld zu erzeugen.

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