Direkt zum Inhalt

Grundwissen

GEIGER-MÜLLER-Zählrohr

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Ein Geiger-Müller-Zählrohr (umgangssprachlich häufig Geigerzähler genannt) ist ein robustes Nachweisgerät für ionisierende Strahlung.
  • Mit Geiger-Müller-Zählrohren können \(\alpha\)- und \(\beta\)-Strahlung besonders gut nachgewiesen werden, \(\gamma\)-Strahlung wird jedoch nur zu einem kleinen Teil registriert.
  • Ein Geiger-Müller-Zählrohr wird meist an einen Digitalzähler oder einen Lautsprecher angeschlossen.
Aufgaben Aufgaben

Einfaches, robustes Messgerät

Für den Nachweis ionisierender Strahlung mit einer Ionisationskammer wird aufgrund des sehr kleinen Ionisationsstroms ein Messverstärker benötigt. Eine solche Messung ist sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Schon das Annähern des Experimentators kann den Ausschlag verändern. 

Das sog. Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ) ist hingegen ein sehr robustes Nachweisgerät für radioaktive Strahlung. Der Einsatz eines GMZ ist daher nicht nur auf das Labor beschränkt, sondern ist auch im Alltag problemlos möglich. So gibt es z.B. entsprechende Zählrohre die direkt mithilfe eine Minicomputers wie Raspberry Pi oder Arduino betrieben werden können.

Aufbau und Funktionsweise des GEIGER-MÜLLER-Zählrohres

Die folgende Animation zeigt den Aufbau und - sehr vereinfacht - die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs.

Abb. 1 Aufbau und sehr vereinfachte Funktionsweise des GEIGER-MÜLLER-Zählrohrs

Ein Zählrohr kann, abhängig von der Versorgungsspannung, in verschiedenen Bereichen betrieben werden. Hier beschreiben wir nur den GEIGER-MÜLLER-Bereich (Auslösebereich).

Zwischen dem positiv geladenen Zähldraht und dem negativ Zählrohrmantel herrscht ein zylindersymmetrisches elektrisches Feld, das um den Zähldraht am stärksten ist (höchste Feldliniendichte um den Draht).

Die radioaktive Strahlung erzeugt auf dem Weg durch das Füllgas Elektron-Ion-Paare.

Die Ionen bewegen sich (langsam) zum Zählrohrmantel, die Elektronen werden zum Zähldraht hin stark beschleunigt und bilden dabei ihrerseits weitere Elektron-Ion-Paare. Es kommt zur Ausbildung einer Elektronenlawine, die sich auf den Zähldraht zu bewegt.

Bei der Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomen des Füllgases kommt es im Auslösebereich auch zur Bildung von Photonen, die ihrerseits neue Ladungspaare bilden.

Das ganze Zählrohr wird von einer Entladung erfasst. Der fließende Strom verursacht am Widerstand R einen Spannungsimpuls, der vom Zähler registriert wird.

Im Auslösebereich ist die gebildete Ladungsmenge unabhängig von der Primärionisation, d.h. jedes radioaktive Teilchen löst eine Entladung aus.

Zwei unterschiedliche Typen von Geiger-Müller-Zählrohren

Im Schulbereich werden vorwiegend zwei Typen von GMZ eingesetzt:

Quelle: Uni Ulm

Das Endfensterzählrohr ist für α-, β- und γ-Strahlung geeignet. Es besteht aus einem festen Metallmantel und an der Vorderfront aus einem Fenster (meist Glimmer), welches selbst von α-Strahlung durchdrungen werden kann. In der Zählrohrachse verläuft der Zähldraht.

Quelle: Uni Ulm

Das Fingerzählrohr ist für β- und γ-Strahlung geeignet. Es besteht aus einem sehr dünnen Glasmantel, der für β- und γ-Strahlung durchlässig ist. In der Zählrohrachse verläuft der Zähldraht, die Außenelektrode stellt eine Drahtspirale dar.

Typischer Versuchsaufbau mit GMZ

Typischer Aufbau eines Versuchs mit Zählrohr und Präparat. Die Spannungsversorgung für das Zählrohr erfolgt durch das linke Gerät, das auch einen Lautsprecher für den akustischen Nachweis der Zählrohrimpulse enthält; das typische Zählrohrgeräusch für den Nachweis radioaktiver Strahlung kannst du hier hören.

Die vom Zählrohr kommenden Impulse werden mit dem Digitalzähler gezählt. Die Messdauer der Zählung kann am Digitalzähler voreingestellt werden.

Löschen der Zählrohrentladung

Das Löschen der Zählrohrentladung wird u.a. durch drei Effekte erreicht:

Hoher Zählrohrwiderstand (R > 1 MΩ): Die am Zählrohr anliegende Spannung Uzähl verringert sich mit zunehmendem Strom durch den Widerstand R und wird schließlich so klein, dass die Entladung abreißt.\[ U_\text{Zähl} = U_\text{Batt} - U_\text{R} \quad \Rightarrow \quad U_\text{Zähl} = U_\text{Batt} - I \cdot R \]Bei fester Batteriespannung ist die Spannung am Zählrohr umso kleiner, je größer I und R ist.

Füllgas: Durch Zusatz organischer Substanzen (z.B. Alkohol) zum Füllgas wird die Zahl der Photonen begrenzt, da diese von den organischen Zusätzen absorbiert werden. Im Allgemeinen wird die absorbierte Energie in den Molekülen in Schwingungsenergie umgesetzt, so dass keine neuen Ladungsträger durch die Photonen entstehen können.

Positive Raumladung: Die wenig beweglichen positiven Ladungen schwächen die Feldstärke um den Zählrohrdraht (vergleiche Skizze). Dieser Effekt vermindert die Stärke des elektrischen Feldes um den Zähldraht herum.