Geigerzähler – Messen der Radioaktivität

Was ist ein Geiger-Müller-Zählrohr?

Hast du in den Nachrichten oder in einem Film schon einmal den Begriff Geigerzähler gehört? Der vollständige Name dieses Geräts, von dem dabei die Rede ist, ist Geiger-Müller-Zählrohr. Mithilfe dieses speziellen Zählrohrs kann man radioaktive Zerfälle, also Gammastrahlung, Alphastrahlung und Betastrahlung $($auch $\gamma$-, $\alpha$- und $\beta$-Strahlung$)$, nachweisen. Da für den Nachweis von $\gamma$-Strahlung der Aufbau leicht verändert werden muss, konzentrieren wir uns in diesem Text auf den Nachweis von $\alpha$- und $\beta$-Strahlung.
Die Erfinder des Geiger-Müller-Zählrohrs waren Hans Geiger und Walther Müller, die ihre Überlegungen und Forschungsergebnisse etwa im Jahr 1928 veröffentlichten. Wir wollen uns im Folgenden damit beschäftigen, wie ein Geiger-Müller-Zählrohr funktioniert.

Wie ist ein Geiger-Müller-Zählrohr aufgebaut?

Ein Geiger-Müller-Zählrohr besteht in der Regel aus einem Zylinder aus Metall, der mit dem sogenannten Zählgas gefüllt ist. Als Zählgas wird meistens ein Edelgas gewählt, das mit Unterdruck in die Kammer des Zylinders gefüllt ist. In der Mitte des Zylinders, genau entlang seiner Symmetrieachse, befindet sich ein dünner Draht. Zwischen dem Draht und dem Zylinder liegt eine sehr hohe Spannung an, wobei der Draht positiv geladen ist, also die Anode bildet, und der Zylinder negativ geladen ist und die Kathode bildet. Zwischen Draht und Zylinder ist also ein elektrisches Feld ausgebildet. Die Stirnseite des Zylinders ist mit einem sehr dünnen Fenster verschlossen, das für $\alpha$- und $\beta$-Strahlung durchlässig ist.

Die Spannung zwischen Kathode und Anode liegt über einen hohen Widerstand $R$ an. Parallel zum Widerstand ist ein Zählgerät geschaltet, das bei einem ausreichend hohen Stromimpuls ausgelöst wird.

Wie funktioniert ein Geiger-Müller-Zählrohr?

Befindet sich vor dem Fenster des Geiger-Müller-Zählrohrs ein radioaktives Präparat, können die beim Zerfall entstehenden $\alpha$- und $\beta$-Teilchen durch das Fenster in das Zählrohr eindringen. In beiden Fällen handelt es sich um ionisierende Strahlung – also Strahlung, die bei Zusammenstößen Elektronen aus Atomen herausschlagen kann.

Nehmen wir an, ein $\alpha$-Teilchen tritt in das Zählrohr ein. Im Zählrohr trifft es nach einer kurzen Strecke mit einem Edelgasatom der Füllung zusammen und ionisiert es. So entstehen ein positiv geladenes Ion und ein freies Elektron.

Durch das elektrische Feld zwischen Kathode und Anode werden Ion und Elektron in unterschiedliche Richtungen beschleunigt. Die Ionen werden in Richtung des Zylindermantels beschleunigt, bewegen sich allerdings aufgrund ihrer großen Masse langsam. Die Elektronen werden durch die hohe, anliegende Spannung stark in Richtung des Drahts beschleunigt. Ihre Geschwindigkeit wird dabei so groß, dass sie auf ihrem Weg zur Anode selbst Gasatome bei Zusammenstößen ionisieren können. So entsteht eine Elektronenlawine, die nach kurzer Zeit die Anode erreicht. Dadurch kommt es zu einem plötzlichen Spannungsabfall bzw. Stromimpuls, der am Zähler registriert wird. Der Stromimpuls wird dabei als ein Ereignis, also als ein Zerfall, gezählt. Beim Geiger-Müller-Zählrohr hängt die Anzahl an Elektronen-Ionen-Paaren, die erzeugt wird, und damit die Höhe des Stromimpulses, nur von der anliegenden Spannung und dem Füllgas ab, aber nicht von der Energie der einfallenden Strahlung. Für eine bestimmte Betriebsspannung und ein bestimmtes Füllgas sieht das gemessene Signal also für alle Teilchen gleich aus. Was das für den Gebrauch des Geiger-Müller-Zählrohrs bedeutet, erklären wir weiter unten.

Was ist die Totzeit beim Geiger-Müller-Zählrohr?

Wenn ein Teilchen in das Geiger-Müller-Zählrohr eingetreten ist und eine Elektronenlawine erzeugt hat, dauert es eine gewisse Zeit, bis die Elektronen über die Anode abgeflossen sind. Solange sich die Elektronenlawine in unmittelbarer Nähe der Anode befindet, schirmt sie das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode ab. Wenn innerhalb dieser Zeit ein weiteres Teilchen in das Zählrohr eintritt und ein Gasatom ionisiert, wird das freie Elektron deswegen nicht in Richtung der Anode beschleunigt. Es rekombiniert, also vereint sich wieder, nach kurzer Zeit mit dem Edelgasion. Es wird also nicht als Ereignis gezählt.
Die Zeit, die vergeht, bis ein eintreffendes Strahlungsteilchen wieder eine Lawine auslösen kann, nennt man deswegen Totzeit. In diesem Zeitraum ist das Zählrohr blind für radioaktive Zerfälle. Beim Geiger-Müller-Zählrohr beträgt die Totzeit etwa 100 Mikrosekunden.

Wozu benutzt man ein Geiger-Müller-Zählrohr?

Da die Höhe der Strompulse nicht von der Energie der Strahlung abhängt, kann mit einem Geiger-Müller-Zählrohr auch keine Aussage zur Energie getroffen werden. Auch die Art der Strahlung kann nur grob bestimmt werden. Dazu werden Abschirmungen unterschiedlicher Dicke vor das Fenster des Zählrohrs gehalten, die beispielsweise $\alpha$-Strahlung abschirmen, aber $\beta$-Strahlung passieren lassen.

Das Geiger-Müller-Zählrohr ist insbesondere dafür geeignet, die Aktivität $A$ eines Stoffs zu bestimmen. Die Aktivität bezeichnet die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde. Ihre Einheit ist das Becquerel $\pu{Bq}$, das in SI-Einheiten $\frac{1}{s}$ entspricht:

$[A] = 1~\frac{1}{s} = 1~\pu{Bq}$

Das Geiger-Müller-Zählrohr wird daher zum Beispiel im Strahlenschutz eingesetzt. Die Aktivität allein hat allerdings keine Aussagekraft zur gesundheitsschädlichen Wirkung radioaktiver Strahlung. In diesem Fall müssen andere Faktoren wie der Abstand zur Strahlungsquelle, die Art der Strahlung und so weiter berücksichtigt werden.

Will man ein Zählrohr dazu benutzen, die Energie der Strahlung festzustellen, muss man niedrigere Spannungen zwischen Anode und Kathode verwenden. Diese Art von Zählrohr heißt Proportionalzählrohr.

Geiger-Müller-Zählrohr – Zusammenfassung

Wir fassen die wichtigsten Punkte zum Geiger-Müller-Zählrohr noch einmal zusammen:

• Das Geiger-Müller-Zählrohr wurde um 1928 von Hans Geiger und Walther Müller entwickelt.
• Es dient dem Nachweis radioaktiver Zerfälle.
• Das Geiger-Müller-Zählrohr basiert auf der ionisierenden Wirkung radioaktiver Strahlung.
• Mit dem Geiger-Müller-Zählrohr kann die Aktivität $A$ eines radioaktiven Strahlers bestimmt werden. Die Energie der Strahlung kann nicht ermittelt werden.

In diesem Video wird dir das Geiger-Müller-Zählrohr auf einfache Weise erklärt. Du erfährst die Grundlagen zu Funktion und Anwendung des Geiger-Müller-Zählrohrs. Damit wird ein Referat zu diesem Thema kein Problem mehr für dich sein.