Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ)

Schlagwörter: GMZ, Geiger-Müller-Zählrohr, Ionisation, Radioaktivität, Strahlung, Stoßionisation, Stossionisation

Das Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ) ist ein Gerät zum Nachweis radioaktiver Strahlen. Das GMZ wurde 1928 von Hans Geiger und Walter Müller entwickelt.

Das Geiger-Müller-Zählrohr besteht im Wesentlichen aus einem zylinderförmigen Metallrohr, in dessen Mitte sich ein Draht befindet. Dieser Draht ist vom Metallrohr isoliert angebracht. Am Kopf des Zählrohrs befindet sich ein für die Strahlung durchlässiges Fenster aus Glas oder Glimmer.

Der Innenraum des Geiger-Müller-Zählrohrs ist mit einem Edelgas bei Unterdruck befüllt.

Das Metallrohr erfüllt die Funktion einer Kathode, der Draht dient als Anode.

Zwischen Kathode und Anode wird eine Spannung zwischen 200 V und  560 V angelegt.

Das Gas zwischen Kathode und Anode ist ein Isolator. Es kann kein Strom fließen.

Tritt ionisierende Strahlung in das Zählrohr ein, so kommt es bei Zusammenstößen mit Atomen der Gasfüllung zur Ionisation.

Aus einigen Atomen werden Elektronen herausgeschlagen. So entstehen einzelne Elektronen (negative Ladungsträger) und positive Ionen der Gasfüllung.

Die angelegte Spannung beschleunigt die Elektronen in Richtung der Anode. Dabei stoßen die beschleunigten Elektronen mit weiteren Gasatomen zusammen und ionisieren diese (Stoßionisation). Die Stoßionisation löst einen lawinenartigen Effekt aus. Die dabei freigesetzten Elektronen realisieren den Stromfluss zwischen Kathode und Anode. Über dem Widerstand R wird vom Zähler ein Spannungsimpuls registriert und am Lautsprecher als Knack ausgegeben. 

Die nebenstehende Abbildung zeigt ein defektes Geiger-Müller-Zählrohr. Bei dem Zählrohr ist das Fenster kaputt. Im Innenraum ist deutlich die drahtförmige Anode zu erkennen.

Totzeit des Zählrohrs

Wie oben beschrieben, werden durch die radioaktive Strahlung Gas Atome im Zählrohr ionisiert. Durch Stoßionisation erzeugen die beschleunigten Elektronen weitere freie Ladungsträger (Elektronen und Ionen). Die Elektronen, die sehr klein, leicht und somit gut beweglich sind, bewegen sich schnell zur Anode. Die positiven Ionen sind aufgrund ihrer relativ großen Masse nicht so beweglich und gelangen nicht so schnell zur Kathode. Dadurch bildet sich um den Draht (Anode) eine positive Raumwolke, die das elektrische Feld abschirmt.

Tritt jetzt radioaktive Strahlung in das Zählrohr ein, so ist die Feldwirkung auf die durch Ionisation entstandene Ladungsträgerpaar so gering, dass der oben beschriebene Lawineneffekt durch Stoßionisation nicht auftritt. Erst wenn alle positiven Ladungsträger zur Zählrohrwand gelangt sind, ist das Feld wieder stark genug. Diesen Zeitraum, in dem weitere ionisierte Atome nicht registriert werden können, bezeichnet man als TOTZEIT des Zählrohres.

Diese Totzeit der hier genutzten Zählrohre liegt in einer Größenordnung von  100 µs.

Zählrohrcharakteristik

Was in einem Geiger-Müller-Zählrohr passiert, ist neben der zu registrierenden radioaktiven Strahlung maßgeblich von der Spannung abhängig, die am Zählrohr anliegt. Hier müssen wir im Wesentlichen zwischen 4 Bereichen unterscheiden:

  1. Rekombinationsbereich: Das Feld zwischen Kathode und Anode ist so schwach, dass die Elektronen und die Atomrümpfe rekombinieren können. Zwischen Kathode und Anode fließt kein Strom.
  2. Sättigungsbereich: Das Feld zwischen Anode und Kathode ist so stark, dass alle durch die Strahlung ionisierten Atomrümpfe die Kathode und alle herausgeschlagenen Elektronen die Anode erreichen.
  3. Proportionalitätsbereich: Das Feld zwischen Kathode und Anode ist so stark, dass die herausgeschlagenen Elektronen so stark beschleunigt werden, dass sie weitere Atome ionisieren.
  4. Das Feld ist so stark, dass es zur selbstständigen Ionisation kommt. Dieser Bereich ist zur Messung nicht geeignet. 

Es gibt zu den Bereichen der Zählrohrcharakteristik im Netz auch weitere, teilweise feinere Einteilungen, die dann auch die zu messende Strahlung berücksichtigen.

Ladungstransport - Stromfluss

Damit ein Strom fließen kann, müssen freie Ladungsträger vorhanden sein. Diese können

  • bereits im Stoff vorhanden sein (z.B. freie Ladungsträger in Metallen)
  • im Stoff gewonnen werden (Ionisation, z.B. Stoßionisation)

Stoßionisation

Wenn schnelle Elektronen auf Atome oder Moleküle treffen, so können sie diese ionisieren – Stoßionisation. Dabei werden Elektronen aus den Atomen bzw. Molekülen herausgeschlagen. Zurück bleiben die herausgeschlagenen Elektronen und die Ionen der Atome bzw. Moleküle. Beide Stoßpartner sind jetzt elektrisch geladen. Wenn diese Ionisation in einem elektrischen Feld erfolgt, dann werden Elektronen und Ionen beschleunigt und können weitere Atome bzw. Moleküle ionisieren. Es kann ein Lawineneffekt entstehen.

Der Effekt der Stoßionisation wird z.B. im GMZ und in Gasentladungslampen genutzt. Blitze sind auch Folge der Stoßionisation.

Stoßionisation

Schritt 1: Ein schnelles Elektron (e1) Trifft auf ein Atom. Dabei wird ein Elektron (e2) aus dem Atom herausgeschlagen.

Schritt 2: Es bleibt ein Ion (Atom mit einem fehlenden Elektron, positiv geladen) zurück. Die Elektronen (e1) und  (e2) bewegen sich weiter und treffen auf weitere Atome.

Neben den Stößen von schnellen Elektronen, können auch

zur Stoßionisation führen.

Wenn die Elektronen und die Ionen wieder rekombinieren, dann wird elektromagnetische Strahlung frei. Diese Strahlung kann auch im sichtbaren Spektrum, im UV-Bereich oder IR-Bereich liegen.  passieren.