Was ist Geigerzähler – Geiger-Müller-Detektor – Definition

Der Geigerzähler, auch als Geiger-Müller-Zähler bekannt, ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst. Dieses Gerät ist nach den beiden Physikern benannt, die 1928 den Zähler erfunden haben. Strahlendosimetrie
Detektor für ionisierende Strahlung - Geigerrohr
Detektor für ionisierende Strahlung – Geigerrohr

Der Geigerzähler , auch als Geiger-Müller-Zähler bekannt , ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst . Dieses Gerät ist nach den beiden Physikern benannt, die 1928 den Zähler erfanden. Müller war Schüler von Hans Geiger.  Der Geigerzähler wird häufig in Anwendungen wie der Strahlendosimetrie, dem Strahlenschutz , der Experimentalphysik und der Nuklearindustrie eingesetzt. Ein Geigerzähler besteht aus einer Geiger-Müller-Röhre (dem Sensorelement, das die Strahlung erfasst) und der Verarbeitungselektronik, die das Ergebnis anzeigt.

Der Geigerzähler kann ionisierende Strahlung wie Alpha-  und  Betateilchen ,  Neutronen und  Gammastrahlen  mithilfe des Ionisationseffekts erfassen , der in einer Geiger-Müller-Röhre erzeugt wird, die dem Instrument ihren Namen gibt. Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen der Geiger-Müller-Region entsprechen .

Visualisierung der Ausbreitung von Townsend-Lawinen mittels UV-Photonen. Quelle: wikpedia.org Lizenz: CC BY-SA 3.0

In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen (Gasverstärkung) werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt . 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 durch das elektrische Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine wechselwirken, wobei die gesamte Geiger-Röhre am Prozess beteiligt ist.

Durch diese Lawinen wird unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 10 erreichen ) mit Form und Höhe erzeugt. Der Spannungsimpuls wäre in diesem Fall groß und leicht erfassbar ≈ 1,6 V. Der technische Vorteil eines Geigerzählers ist seine einfache Konstruktion und seine Unempfindlichkeit gegen kleine Spannungsschwankungen. Es ist sehr nützlich für die allgemeine Messung von Kernstrahlung, hat aber zwei wichtige Nachteile.

  • Gasionisationsdetektoren - Regionen
    Dieses Diagramm zeigt die Anzahl der im gasgefüllten Detektor erzeugten Ionenpaare, die je nach angelegter Spannung für konstant einfallende Strahlung variiert. Die Spannungen können in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und der Gasart und dem Druck stark variieren. Diese 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) nützlich sind, um ionisierende Strahlung zu erfassen. Alphateilchen sind ionisierender als Betateilchen und als Gammastrahlen, so dass durch Alpha mehr Strom in der Ionenkammerregion erzeugt wird als durch Beta und Gamma, aber die Teilchen können nicht unterschieden werden. Alphateilchen produzieren im proportionalen Zählbereich mehr Strom als Beta. Durch die Art der Proportionalzählung ist es jedoch möglich, Alpha-, Beta- und Gammapulse zu unterscheiden. In der Geigerregion gibt es keine Unterscheidung zwischen Alpha und Beta, da ein einzelnes Ionisationsereignis im Gas zur gleichen Stromabgabe führt.

    Da die Impulshöhe unabhängig von Art und Energie der Strahlung ist, ist eine Unterscheidung nicht möglich. Es gibt keinerlei Informationen über die Art der Ionisation, die den Puls verursacht hat.

  • Aufgrund der großen Lawine, die durch eine Ionisierung verursacht wird, benötigt ein Geigerzähler eine lange Zeit (etwa 1 ms), um sich zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zu erholen. Geigerzähler können daher aufgrund der „ Totzeit “ der Röhre keine hohen Strahlungsraten messen .

Es gibt einen subtilen, aber wichtigen Unterschied zwischen Ionisationskammern und Geigerzählern . Eine Ionisationskammer erzeugt einen Strom, der proportional zur Anzahl der pro Sekunde gesammelten Elektronen ist (es findet keine Verstärkung statt). Dieser Strom wird gemittelt und verwendet, um einen Anzeigewert in Bq oder μSv / h zu steuern. Proportional- und Geigerzähler funktionieren auf diese Weise nicht. Stattdessen verstärken sie jeden der einzelnen Ionisationsstöße, sodass jedes Ionisationsereignis separat erfasst wird. Sie messen daher die Anzahl der ionisierenden Ereignisse (weshalb sie als Zähler bezeichnet werden). Während Ionisationskammern im Strom- oder Impulsbetrieb betrieben werden können, werden in fast immer Proportionalzähler oder Geigerzähler eingesetztPulsmodus . Im Gegensatz zu Proportionalzählern werden GM-Zähler aufgrund ihrer Empfindlichkeit, der einfachen Zählschaltung und der Fähigkeit, Strahlung mit niedrigem Strahlungspegel zu erfassen, hauptsächlich für tragbare Instrumente verwendet .

 

Grundprinzip der Geigerzähler

Detektor für ionisierende Strahlung - Grundschema
Detektoren ionisierender Strahlung bestehen aus zwei Teilen, die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem empfindlichen Material, das aus einer Verbindung besteht, die sich bei Bestrahlung verändert. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare Signale umwandelt.

Der Geigerzähler hat eine Kathode und eine Anode, die auf Hochspannung gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. In einem Geigerzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas von 5–10% eines organischen Dampfes oder eines Halogengases, um ein störendes Pulsieren durch Löschen der Elektronenlawinen zu verhindern.

Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. 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 ist, ungefähr 3 × 10 4Ionenpaar. 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 zur negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) zur positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in diesem Bereich verhindert, dass sich die Ionen mit den Elektronen rekombinieren. In unmittelbarer Nähe des Anodendrahtes wird die Feldstärke groß genug, um Townsend-Lawinen zu erzeugen. 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 von diesen Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der primären Ionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Der hohe Verstärkungsfaktor des Geigerzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer. Der Geigerzähler ist daher ein viel empfindlicheres Gerät als andere Kammern. Aus diesem Grund wird es häufig zum Nachweis von Gammastrahlen und Beta-Partikeln mit niedrigem Pegel verwendet.

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 den Einsatz von „Lösch“ -Techniken verbessert .

Die Sammlung all dieser Elektronen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. Jeder Impuls entspricht einer Gammastrahlen- oder Neutronenwechselwirkung. Die Impulshöhe ist nicht proportional zur Anzahl der ursprünglich erzeugten Elektronen. Geigerzähler sind daher nicht in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Da der Prozess der Ladungsverstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich verbessert, ist die anschließende elektronische Verstärkung normalerweise nicht erforderlich.

Quenching – Dead Time – Geigerzähler

Totzeit - Detektor - Lähmbar - Nicht lähmbarIn einem Geigerzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas von 5–10% eines organischen Dampfes oder eines Halogengases, um ein störendes Pulsieren durch Löschen der Elektronenlawinen zu verhindern. Der Geigerzähler sollte keine Störimpulse abgeben und sich schnell in den passiven Zustand zurückversetzen, bereit für das nächste Strahlungsereignis. Argon und Helium sind die am häufigsten verwendeten Füllgase und ermöglichen den Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Für die Neutronendetektion sind He-3 und BF 3 (Bortrifluorid) die am häufigsten verwendeten Gase.

Für jedes in der Kammer gesammelte Elektron bleibt jedoch ein positiv geladenes Gasion übrig. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. 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. Schließlich bewegen sich die positiven Ionen vom positiv geladenen zentralen Draht zur negativ geladenen Wand und werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert. Diese Atome kehren dann in ihren Grundzustand zurück, indem sie Photonen emittieren, die wiederum eine weitere Ionisierung und damit störende Sekundärentladungen erzeugen. Die durch diese Ionisation erzeugten Elektronen bewegen sich in Richtung des zentralen Drahtes und werden unterwegs multipliziert. Dieser Ladungsimpuls steht in keinem Zusammenhang mit der zu erfassenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von verbessert „Lösch“ -Techniken .

Die Löschgasmoleküle haben eine schwächere Affinität zu Elektronen als das Kammergas; Daher nehmen die ionisierten Atome des Kammergases leicht Elektronen aus den Löschgasmolekülen auf. Somit erreichen die ionisierten Löschgasmoleküle anstelle des Kammergases die Kammerwand. Die ionisierten Moleküle des Löschgases werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert, und die freigesetzte Energie bewirkt keine weitere Ionisierung, sondern eine Dissoziation des Moleküls. Diese Art des Abschreckens wird als  Selbstabschrecken  oder  inneres Abschrecken bezeichnet , da Röhren die Entladung ohne externe Unterstützung stoppen.

Für Geigerzähler ist auch eine externe Löschung möglich, die manchmal als “ aktive Löschung “ oder “ elektronische Löschung “ bezeichnet wird. Beim elektronischen Löschen wird eine vereinfachte Hochgeschwindigkeits-Steuerelektronik verwendet, um die Hochspannung zwischen den Elektroden nach jeder Entladungsspitze für eine feste Zeit schnell zu entfernen und wieder anzulegen, um die maximale Zählrate und Lebensdauer der Röhre zu erhöhen.

Sonderreferenz: US-Ministerium für Energie, Instrumantation und Kontrolle. DOE Fundamentals Handbook, Band 2 vom 2. Juni 1992.

Detektion von Alpha, Beta und Gammastrahlung mit Geiger-Müller-Zähler

Geigerzähler werden aufgrund ihrer Empfindlichkeit, einfachen Zählschaltung und Fähigkeit zur Erfassung von Strahlung mit niedrigem Pegel hauptsächlich für tragbare Instrumente verwendet . Obwohl Geigerzähler hauptsächlich für die Detektion einzelner Partikel verwendet werden, sind sie auch in Gamma-Vermessungsmessgeräten zu finden. Sie können fast alle Arten von Strahlung erfassen, es gibt jedoch geringfügige Unterschiede in der Geiger-Müller-Röhre. Die Geiger-Müller-Röhre erzeugt jedoch eine Impulsausgabe, die für alle detektierte Strahlung gleich groß ist, so dass ein Geigerzähler mit einer Endfensterröhre nicht zwischen Alpha- und Betateilchen unterscheiden kann.

Es gibt zwei Haupttypen der Geigerrohrkonstruktion :

  • Endfenstertyp . Damit Alpha- und Betateilchen von Geigerzählern erkannt werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein . Dieses „ Endfenster “ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster besteht üblicherweise aus Glimmer mit einer Dichte von ca. 1,5 – 2,0 mg / cm 2damit energiearme Beta-Partikel (z. B. aus Kohlenstoff-14) in den Detektor gelangen können. Die Effizienzreduzierung für Alpha ist auf den Dämpfungseffekt des Endfensters zurückzuführen, obwohl der Abstand von der zu prüfenden Oberfläche ebenfalls einen signifikanten Effekt hat. Idealerweise sollte eine Alpha-Strahlungsquelle aufgrund der Dämpfung in der Luft weniger als 10 mm vom Detektor entfernt sein.
  • Fensterloser Typ . Gammastrahlen haben nur sehr geringe Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Geigerzähler verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen (dünnwandige Röhren) zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet.
    • Ein dickwandiges Rohr wird zur Detektion von Gammastrahlung oberhalb von Energien von etwa 25 KeV verwendet. Dieser Typ hat im Allgemeinen eine Gesamtwandstärke von etwa 1-2 mm Chromstahl.
    • Eine dünnwandige Röhre wird für Photonen mit niedriger Energie (Röntgen- oder Gammastrahlen) und Beta-Teilchen mit hoher Energie verwendet. Der Übergang von dünnwandigem zu dickwandigem Design erfolgt bei einem Energieniveau von 300–400 keV. Oberhalb dieser Ebenen werden dickwandige Designs verwendet, und unterhalb dieser Ebenen ist der direkte Gasionisationseffekt vorherrschend.

Manchmal wird ein „Pfannkuchen“ -Design der Geiger-Müller-Röhre bevorzugt. Dieser Detektor ist eine flache Geigerröhre mit einem dünnen Glimmerfenster mit größerer Fläche. Flache Geiger-Röhren wie diese werden als „Pfannkuchen“ -Röhren bezeichnet. Solche Rohre sind zum Schutz mit einem Drahtgitter versehen. Diese Konstruktion bietet einen größeren Erfassungsbereich und damit eine höhere Effizienz, um die Überprüfung zu beschleunigen. Der Druck der Atmosphäre gegen den niedrigen Druck des Füllgases begrenzt jedoch die Fenstergröße aufgrund der begrenzten Festigkeit der Fenstermembran.

Detektion von Neutronen mit Geigerzähler

Da die Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen, sind sie in erster Linie mit starken Kernkräfte jedoch nicht beschränkt auf elektrische Kräfte. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen normalerweise in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in gemeinsame nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Es ist nicht üblich, aber Geigerzähler können auch zur Neutronendetektion verwendet werden. In diesem Fall muss das Geiger-Müller-Rohr die Innenseite des Rohrs mit Bor beschichtet haben, oder das Rohr muss Bortrifluorid (BF 3 ) oder Helium-3 als Füllgas enthalten.

Die ankommenden Neutronen produzieren Alpha-Teilchen, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind 10B (n, alpha) 7Li- Reaktionen, die von einer Gamma-Emission von 0,48 MeV begleitet werden .

(n, alpha) -Reaktionen von 10B

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen verursacht eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.