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Wie funktioniert ein Geigerzähler?

Messung radioaktiver Strahlung mit dem Geiger-Müller-Zählrohr

Wie funktioniert ein Geigerzähler? Das Geiger-Müller-Zählrohr bildet die Grundlage für den Geigerzähler. Bild: (c) Mineralium.de
Wie funktioniert ein Geigerzähler? Das Geiger-Müller-Zählrohr bildet die Grundlage für den Geigerzähler. Bild: (c) Mineralium.de
Eine verbreitete Methode zur Messung radioaktiver Strahlung beruht auf einem Zählrohr nach dem Geiger-Müller Prinzip. Dieses Zählrohr besteht meist aus einem als Kathode (-) fungierenden Metallrohr, das mit einem Edelgas – Helium, Argon oder Neon – unter vermindertem Druck (ca. 200 hPa) gefüllt ist. Durch die mittlere Achse dieser Röhre ist ein Draht (meist Wolfram) als Anode (+) gespannt. Zwischen der Kathode und der Anode wird eine Hochspannung von mehreren hundert Volt angelegt.

Ionisierende Strahlung

Beim radioaktiven Zerfall von Kobalt zu Nickel entsteht unter Abgabe eines Elektrons ionisierende Gamma-Strahlung. Foto: (c) Mineralium.de
Beim radioaktiven Zerfall von Kobalt zu Nickel entsteht unter Abgabe eines Elektrons ionisierende Gamma-Strahlung. Foto: (c) Mineralium.de
Mit einem Geigerzähler lässt sich ionisierende Strahlung messen. Ionisierende Strahlung heißt allgemein jede Strahlung, die es vermag, ein Elektron aus einem Atom oder Molekül herauszuschlagen. Derartige Strahlung geht auch von radioaktiven Stoffen aus, weshalb man häufig von „radioaktiver Strahlung“ spricht. Genau genommen ist allerdings nur das Material radioaktiv, das ionisierende Strahlung aussendet, nicht die Strahlung selbst. Beim Zerfall radioaktiver Stoffe entsteht ionisierende Strahlung, die in Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung unterteilt wird. Alphastrahlung und Betastrahlung bestehen aus geladenen Teilchen. Gammastrahlen bestehen aus Photonen oder Quanten.

Geigerzähler in Aktion

Beim Eintreffen der ionisierenden Strahlung entsteht eine Kaskade von Sekundärteilchen, die zur Sättigung des Zählrohrs führt. Bild: (c) Mineralium.de
Beim Eintreffen der ionisierenden Strahlung entsteht eine Kaskade von Sekundärteilchen, die zur Sättigung des Zählrohrs führt. Bild: (c) Mineralium.de
Wenn nun ein ionisierendes α- oder β-Teilchen oder ein ionisierendes γ-Quant in das Geiger-Müller-Zählrohr eindringt, spaltet dieses beim Eindringen Elektronen von den Atomkernen des darin befindlichen Edelgases ab. Aufgrund der hohen Spannung im Zählrohr wird das Elektron (-) mit großer Beschleunigung zur Anode gezogen (+). Das Elektron wird so stark beschleunigt, dass weitere Teilchen beim Zusammentreffen mit dem Elektron ionisiert werden und so eine ganze Kaskade von Sekundärteilchen entsteht, die zu einer „Sättigung“ des Zählrohrs führen. Durch diese Wechselwirkungen entsteht eine Kettenreaktion: Unzählige Elektronen erreichen den Anodendraht und das ionisierte Gas wird für kurze Zeit leitend. Der Stromkreis schließt sich.

Die Elektronen fließen über den Widerstand zum Pluspol. Nach dem Ohmschen Gesetz entsteht über diesem Widerstand eine Spannung. Diese Spannung wird über einen parallel angeschlossenen Verstärker elektronisch verstärkt und schließlich durch einen Zähler gemessen oder über einen Lautsprecher durch ein Knackgeräusch akustisch widergegeben. So entsteht das typische Knackgeräusch eines Geigerzählers. Das Knacken signalisiert also: Ein ionisierendes Teilchen hat das Geiger-Müller-Zählrohr betreten.

Was ist die „Totzeit“?

Bei einer bestimmten Spannung im Geiger-Müller-Zählrohr erreicht die Anzahl der Elektronen einen 'Plateubereich'. Sobald dieser sog. Geiger-Müller-Bereich erreicht ist, erfolgt die Messung eines Impulses. Bild: (c) Mineralium.de
Bei einer bestimmten Spannung im Geiger-Müller-Zählrohr erreicht die Anzahl der Elektronen einen 'Plateubereich'. Sobald dieser sog. Geiger-Müller-Bereich erreicht ist, erfolgt die Messung eines Impulses. Bild: (c) Mineralium.de
Nach dieser Gasentladung folgt eine kurze sog. „Totzeit“, in der das Zählrohr für weitere Impulse unempfänglich ist: In der beschrieben Kettenreaktion entstehen durch das Abspalten der Elektronen entsprechend viele positiv ionisierte Teilchen (+). Die positiven Ionen werden von der Kathode (-) angezogen, bewegen sich aber langsamer als die Elektronen. So wird die Kathode kurzzeitig von der Vielzahl der Ionen (im Bereich von 108 Teilchen) abgeschirmt. Durch das Abschirmen der Kathode sinkt die im Geiger-Müller-Rohr bestehende Spannung zwischen Anode und Kathode drastisch ab. Dies hat zur Folge, dass neu ionisierte Teilchen und Elektronen nicht mehr entsprechend beschleunigt werden; die Kettenreaktion stoppt. Der Stromkreis wird unterbrochen und der Zähler misst kein Signal mehr. Wenn also ein zweites ionisierendes Teilchen direkt nach dem ersten in das Geiger-Müller-Rohr eintritt, wird es unter Umständen nicht registriert. Dieses Intervall heißt „Totzeit“ (je nach Bauart ca. 0,1-0,3 Millisekunden). Erst wenn die Ionenwolke sich an der Kathode entladen hat, kann eine neue Messung erfolgen. Durch spezielle Zusätze im Zählrohr, wie z.B. Halogene oder Alkoholdampf wird die Gasentladung wieder „gelöscht“, so dass der Prozess erneut ausgelöst werden kann. Die Totzeit-Abweichung der Messergebnisse lässt sich mithilfe der folgenden Formel annähernd korrigieren:

M = M’
  1 – T * M’

M’ = gemessene Zählrate des Geigerzählers
T = Totzeit des Geigerzählers
M = korrigierte Zählrate des Geigerzählers

Messung verschiedener Strahlungsarten

Ein moderner Geigerzähler. Foto: (c) Mineralium.de
Ein moderner Geigerzähler. Foto: (c) Mineralium.de
Durch Verwendung spezieller Zählrohrgase wie z.B. Bortrifluorid kann aufgrund der stattfindenden Kernreaktion auch Neutronenstrahlung nachgewiesen werden. Zählrohre nach dem Geiger-Müller-Prinzip finden Verwendung in den handelsüblichen Geigerzählern, die zum Nachweis radioaktiver Strahlung z.B. im Bergbau, in der Nuklearmedizin sowie im Umwelt- und Strahlenschutz eingesetzt werden. Viele handelsübliche Geigerzähler können entweder nur Alpha-Strahlung detektieren oder sind nur für Beta- und Gamma-Strahlen geeignet. Bei dem Geigerzähler Gamma-Scout etwa lässt sich mithilfe einer 1 mm Aluminium-Folie, die sich vor die Eintrittsöffnung schieben lässt, die Durchlässigkeit auf die Strahlungsarten β und γ einschränken. Wahlweise kann auch eine 3 mm starke Aluminium-Folie vor die Öffnung geschoben werden, um die α- und β-Strahlung abzuschirmen und ausschließlich γ-Strahlung zu messen.

Maßeinheiten zu Radioaktivität und Strahlung

Die Radioaktivität eines Stoffes wird durch die Anzahl der pro Sekunde zerfallenden Teilchen angegeben. Radioaktivität = Anzahl der Zerfälle / Sekunde. 1 Becquerel entspricht dabei dem Zerfall von genau einem Kern pro Sekunde.

Ein einfacher Geigerzähler zählt schlichtweg die Anzahl der empfangenen Impulse oder rechnet die Anzahl der Impulse auf einen bestimmten Zeitraum zu einer Pulsrate in CPS (counts per second) um. Je länger die Messung erfolgt, desto genauer kann die Pulsrate ermittelt werden.

Viele Geigerzähler können aber auch die Strahlenbelastung für den menschlichen Körper messen. Die vom menschlichen Körper aufgenommene Strahlungsmenge wird in Sievert (Sv) angegeben, wobei 1 Sv einer Energiedosis von einem Joule pro Kilogramm (J/Kg) entspricht. Diese sog. Äquivalentdosis ist die vom Körper aufgenommene Energiedosis der ionisierenden Strahlung. Da sich Alpha, Beta- und Gammastrahlung für den Körper unterschiedlich schädlich auswirken, wird die Energiedosis mit einem Korrekturfaktor multipliziert, der die biologische Wirkung der jeweiligen Strahlungsarten berücksichtigt.