Was sind Zählrohre – Definition und Verwendung

Zählrohre sind Strahlungsdetektoren zum Nachweis und zur Messung ionisierender Strahlung. Zählrohre gehören also zu den Strahlungs- und Teilchendetektoren. Diese Detektoren messen die Ionisation, die entsteht, wenn ein einfallendes Teilchen ein Medium durchquert. Sie basieren auf der ionisierenden Wirkung von Strahlung. Damit ionisierende Strahlung auftritt, ist die kinetische Energie von Teilchen ( Photonen, Elektronen usw. ) ionisierender Strahlung ausreichend, und die Teilchen können Zielatome ionisieren (um Ionen durch Elektronenverlust zu bilden), um Ionen zu bilden. Durch ionisierende Strahlung können Elektronen aus einem Atom herausgeschleudert werden.

Die grundlegende Zählrohre bestehen aus einer Kammer, die mit einem geeigneten Medium (Luft oder einem speziellen Füllgas) gefüllt ist, das leicht ionisiert werden kann. Die am weitesten verbreiteten Arten dieser Detektoren basieren auf den Effekten, die erzeugt werden, wenn ein geladenes Teilchen durch ein Gas strömt. Das Betriebsmedium:

• sollten chemisch stabil (oder inert) sein, damit die sich bewegenden Ionisationselektronen nicht leicht von den Molekülen dieses Mediums eingefangen werden
• sollte einen niedrigen Wert des Ionisationspotentials (I) haben, um die Menge der Ionisation zu maximieren, die pro Energie erzeugt wird, die von einem einfallenden Partikel abgeschieden wird.
• sollten nicht sehr empfindlich gegenüber Strahlenschäden sein, damit sich ihre Reaktion auf einfallende Partikel bei Gebrauch nicht merklich ändert.

Typische in Detektoren verwendete Gase sind Argon und Helium , obwohl Bortrifluorid  (BF ₃ ) verwendet wird, wenn der Detektor zur Messung von Neutronen verwendet werden soll. Zählrohre werden in Kernkraftwerken häufig zur Messung von Alpha- und Betateilchen , Neutronen und Gammastrahlen eingesetzt . Die Detektoren arbeiten im Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich mit einer Anordnung, die für die Art der gemessenen Strahlung am empfindlichsten ist. Neutronendetektoren verwenden Ionisationskammern oder Proportionalzähler geeigneter Bauart. Kompensierte Ionenkammern, BF ₃ Zähler, Spaltzähler und Protonenrückstoßzähler sind Beispiele für Neutronendetektoren.

Grundprinzip von Zählrohre

Die Kammer hat eine Kathode und eine Anode, die auf einer hohen relativen Spannung gehalten werden, und die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Kapazität, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. Wenn ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. Das Verhalten der resultierenden Ionenpaare wird durch den Potentialgradienten des elektrischen Feldes innerhalb des Gases und die Art und den Druck des Füllgases beeinflusst. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen in Richtung der negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) wandern in Richtung der positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in dieser Region hindert die Ionen daran, sich mit den Elektronen wieder zu vereinigen. Das Sammeln dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. In Luft beträgt die durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Ions benötigt wird, ungefähr 34 eV, daher erzeugt eine 1 MeV-Strahlung, die vollständig im Detektor absorbiert wird, ungefähr 3 × 10⁴ Ionenpaare. Es ist zwar ein kleines Signal, dieses Signal kann jedoch mit Standardelektronik erheblich verstärkt werden.

Betriebsbereiche ionisierender Detektoren – Detektorspannung

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

• Rekombinationsregion. Bei niedriger Spannung ist das elektrische Feld nicht groß genug, um Elektronen und Ionen zu beschleunigen. Die Elektronen und Ionen können sich kurz nach ihrer Erzeugung rekombinieren, und nur ein kleiner Teil der erzeugten Elektronen und Ionen erreicht ihre jeweiligen Elektroden. Mit zunehmender Detektorspannung erreicht jedoch ein immer größerer Teil der erzeugten Ionen die Elektroden. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die Sättigungsspannung erreicht ist. Der Bereich der Betriebsspannung, in dem dies auftritt, wird als Rekombinationsbereich bezeichnet . Detektoren werden in diesem Bereich nicht betrieben, da weder die Anzahl der Rekombinationen noch die Anzahl der anfänglich erzeugten Ionenpaare genau bestimmt werden können.
• Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich bewirkt ein Spannungsanstieg keinen wesentlichen Anstieg der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare entspricht der Anzahl der durch die einfallende Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist die Kurve in diesem Bereich flach. Die Spannung muss höher sein als der Punkt, an dem dissoziierte Ionenpaare rekombinieren können. Andererseits ist die Spannung nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so ausgewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sind esbevorzugt für hohe Strahlungsdosisraten, da sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisraten beeinflusst.
• Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht , der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl es für jedes Primärereignis eine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.
• Begrenzte proportionale Region . Im begrenzten Proportionalbereich steigt der Gasverstärkungsfaktor nicht proportional zur Spannung weiter an. Zusätzliche Ionisationen und nichtlineare Effekte führen dazu, dass bei einer gegebenen angelegten Spannung keine Proportionalität des Ausgangssignals zur abgeschiedenen Energie vorliegt. Das elektrische Feld in der Kammer ist aufgrund der hohen positiven Ionenkonzentration verzerrt. Freie Elektronen sind viel leichter als die positiven Ionen, daher werden sie viel schneller zur positiven Zentralelektrode gezogen als die positiven Ionen zur Kammerwand. Die resultierende Wolke positiver Ionen in der Nähe der Elektrode führt zu Verzerrungen bei der Gasvermehrung. Dieser Bereich wird normalerweise als Erfassungsbereich vermieden.
• Geiger-Müller-Region . In der Region Geiger-Müller ist die Spannung und damit das elektrische Feld so stark, dass Sekundärlawinen auftreten können. Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht vom elektrischen Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine interagieren, wobei die gesamte Geigerröhre an dem Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die in der Region Geiger-Müller betrieben werden, können Gammastrahlen und auch alle Arten geladener Teilchen erfassen, die in den Detektor gelangen können. Diese Detektoren sind als Geigerzähler bekannt . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinenbereich entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch die Verwendung von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder sogar einfallende Strahlungsteilchen von Geigerzählern nicht unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von der Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.
• Entladungsregion . Schließlich erzeugt das elektrische Feld bei noch höheren Spannungen (oberhalb der Geiger-Müller-Region) eine kontinuierliche Entladung des Mediums, wobei die Kammer nicht mehr empfindlich gegenüber einfallender Ionisation ist. Dieser Bereich wird nicht zum Nachweis oder zur Messung ionisierender Strahlung verwendet. Wenn die Geiger-Röhrenspannung über das Ende des Plateaus erhöht wird, beginnt die Zählrate wieder schnell anzusteigen, bis eine kontinuierliche Entladung einsetzt, bei der die Röhre keine Strahlung erfassen kann und beschädigt werden kann.

Arten von Detektoren ionisierender Strahlung

Infolgedessen gibt es drei Grundtypen von Zählrohre , die nach der an den Detektor angelegten Spannung kategorisiert werden:

• Ionisationskammern,
• Proportionalzählrohr,
• Geiger-Müller-Zählrohr.

Wie bei anderen Detektoren können Ionisationskammern im Strom- oder Impulsmodus betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden Proportional- oder Geigerzähler fast immer im Pulsmodus verwendet. Detektoren ionisierender Strahlung können sowohl zur Aktivitätsmessung als auch zur Dosismessung eingesetzt werden. Mit dem Wissen über die Energie, die zur Bildung eines Ionenpaars benötigt wird, kann die Dosis erhalten werden.