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Geiger-Müller-Zähler

Das Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ) wurde Anfang des 20. Jhd von Hans Geiger und Walther Müller entwickelt, um eine Möglichkeit zu haben, die damals noch relativ neu entdeckte radioaktive Strahlung zu messen.


Aufbau und Funktionsweise

Das Zählrohr besteht in der Regel aus einem beidseitig abgeschlossenen Rohrstück, welches entweder aus einem elektrisch leitenden Material (Metall), oder aus elektrisch isolierendem Material (z.B. Glas), das jedoch innen elektrisch leitend beschichtet sein muss, hergestellt ist. In seinem Inneren befindet sich von der elektrisch leitfähigen Außenwand isoliert ein dünner Zähldraht. Dabei stellt der besagte Zähldraht die Anode, das Zählrohrgehäuse die Kathode dar. Befüllt ist der Zwischenraum mit einem Zählgas, welches das eigentliche Detektorvolumen (für Korpuskelstrahlung) darstellt.

Geiger-Müller-Zähler
Geiger-Müller-Zähler

Aufbau - Wirkungsweise

Wikipedia User: Stefan-Xp

Weiterhin unterscheidet man mehrere Bautypen von GM-Zählrohren:

  • Endfensterzählrohr
  • Mantelzählrohr
  • Becherzählrohr
  • Durchflusszählrohr
  • β-DL Zählrohr
  • etc.

Bei den in der Mineralogie gebräuchlichen Messgeräten finden hauptsächlich die ersten beiden Zählrohrarten Verwendung.

Das Endfensterzählrohr hat an einer Stirnseite ein dünnes Eintrittsfenster aus Glimmer oder Kunststoff, welches elektrisch leitend beschichtet ist. Dadurch ist es möglich, auch Korpuskelstrahlung zu detektieren, und somit Oberflächenkontaminationen nachzuweisen. Da hierzu das Endfenster sehr dünn gehalten werden muss, ist es entsprechend empfindlich gegen mechanische Einwirkung und große Druckunterschiede.

Das Mantelzählrohr ist auch stirnseitig verschlossen, so dass damit eigentlich keine Korpuskelstrahlung sinnvoll gemessen werden kann. Diese Zählrohre kommen hauptsächlich zur Detektion von γ-Strahlung zum Einsatz. Da die γ-Photonen nicht direkt messbar sind, muss hier der Umweg über eine Wechselwirkung mit Materie gegangen werden (genaueres siehe Einfache Grundlagen der nuklearen Messtechnik). Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ist im Zählrohrmantel für γ-Photonen deutlich größer, als im Zählgas, so dass ein Endfenster kontraproduktiv ist.

Geiger-Müller-Zähler
Geiger-Müller-Zähler

Endfensterzählrohr rechts, Mantelzählrohr(e) links

Wikipedia User: Zátonyi Sándor, (ifj.) Fizped

Da das GMZ im Auslösebereich betrieben wird, ist die angelegte HV relativ hoch (je nach Bauart zwischen 300V-500V). Diese hohe Beschleunigungsspannung bedingt bei jeder Teilchendetektion eine Komplettionisation des Zählrohrvolumens. Dies hat den Vorteil, dass am Ausgang über einen Widerstand und einen Koppelkondensator ein hoher Spannungsimpuls zur Weiterverarbeitung verfügbar ist. Eine Unterscheidung der auslösenden Teilchenenergie ist nicht mehr möglich. Da allerdings das gesamte Zählrohrvolumen ionisiert wird, muss diese Entladung wieder gestoppt werden, um ein neues Teilchen oder Photon detektieren zu können. Dies geschieht entweder über kurzes abschalten der HV am Zählrohr, was aber eine höhere Totzeit bedingt, oder aber durch sog. selbstlöschende Zählrohre. Diesen wird ein Löschstoff im Zählgas beigemengt, welcher aus großen Molekülen besteht (meistens Alkohole oder Halogenide). Diese absorbieren die Energie aus der Sekundärionisation und wandeln selbige in Wärme um. Dadurch wird der Ionisationsvorgang unterbrochen, das Zählrohr kann sich regenerieren. Dabei wird aber der Löschstoff zunehmend verbraucht, was zu einer Alterung der Zählrohre führt. Auch chemische Reaktionen der Löschstoffe mit dem Zählrohrmaterial führt über die Jahre auch ohne Gebrauch zur Degeneration der Zählrohre (daher ist bei Erwerb von älteren Gebrauchtgeräten darauf zu achten, dass diese womöglich nicht mehr die Spezifikationen des Herstellers erfüllen und angezeigte Werte nicht mehr unbedingt stimmen!).

Durch das große ionisierte Volumen dauert es auch relativ lange, bis sich das Zählgas wieder regeneriert hat und ein neues ionisierendes Teilchen/Photon detektiert werden kann. Dieser Vorgang wird in der sog. Totzeit zusammengefasst.


Geiger-Müller-Zähler
Geiger-Müller-Zähler

Dead - Time

Wikipedia User: Dougsim (Own work)

Je nach Strahlungsfluss ist darauf zu achten, die vom Hersteller vorgesehenen Betriebsparameter einzuhalten, da es sonst zu Fehlmessungen kommt. Diese werden bei zu hohem Strahlungsfluss durch die Totzeit des Messgerätes (Zählrohr+Auswerteelektronik) begrenzt, bei zu niedrigem Strahlungsfluss mit dem unterschreiten einer gesetzten Nachweisgrenze, da die Zählstatistik für eine vorgegebene Messzeit nicht mehr ausreichend ist. Es ist also nicht jedes GMZ für alle Messbereiche und Messanwendungen gleichermaßen geeignet. Der GMZ kann als Counter oder als Ratemeter betrieben werden. Die meisten in der Mineralogie verwendeten GMZ arbeiten als Ratemeter.


Anwendungsgebiete

Da es für die Detektion von Oberflächenkontamination in der Regel geeignetere Messgeräte gibt (alleine schon durch die in der Regel sehr kleinen Endfensterflächen bei GMZ), liegt die hauptsächliche Anwendung von GMZ in der Messung von β- und γ-Dosisleistung. Da man für die Messung von β-Dosisleistung spezielle Zählrohre benötigt, die Messung sehr messgeometrieabhängig ist und das Messen einer β-Dosisleistung meistens aufgrund ihrer guten Abschirmbarkeit nicht erforderlich ist, beschränkt sich die häufigste Anwendung auf die Messung von γ-Dosisleistung (Ortsdosisleistung, Äquivalentdosisleistung).

Da aber der Detektor nur Impulse liefert, muss eine Umrechnung aus diesen in die jeweilige Messgröße erfolgen. Dies wird mit dem Wirkungsgrad η und zur Ermittlung der Äquivalentdosis(-leistung) zusätzlich mit einem biologischen Wichtungsfaktor (α-Strahlung: 20; βγ-Strahlung: 1; n-Strahlung energieabhängig: 5-20) vollzogen. Das Ermitteln einer flächenspezifischen Aktivität erfordert noch eine Mittelungsfläche zur Berechnung. Die ausgegebenen Werte haben je nach Messgröße die Einheiten Impulse [imp], Impulse/Sekunde [ips], Bequerel [Bq], Bequerel/cm2 [Bq/cm²], Sievert [Sv] oder Sievert/Stunde [Sv/h]. Ältere Geräte oder Geräte aus dem Ausland haben oft noch das Röntgen [R] oder [rad] als Einheit, welche dann entsprechend umgerechnet werden müssen.

Geiger-Müller-Zähler
Geiger-Müller-Zähler

Tube energy compensation

Wikipedia User: Dougsim (Own work)

Wie überall gilt auch hier: Um ein belastbares Messergebnis zu erhalten, müssen die physikalischen Parameter einer Messung berücksichtigt und richtig angewendet werden. Erst dann lässt sich das Messergebnis interpretieren und eine Bewertung einer eventuellen Gefährdung daraus ableiten. Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch zu wissen, dass Messergebnisse unterschiedlicher Messgeräte im Rahmen der Zählstatistik nur vergleichbar sind, wenn diese in einem homogenen Strahlenfeld gemessen wurden. Dieses liegt aber in der Regel nicht vor, so dass (vor allem bei Kontaktmessungen) die Zählrohr- und Messgeometrie extrem in das Messergebnis eingeht, und es dadurch zu (teils extremen) Verfälschungen der Messwerte kommt. Somit sind solche Messergebnisse nur für jedes Messgerät, aber nicht untereinander vergleichbar. Weiterhin ist die Empfindlichkeit für γ-Photonen eines GMZ sehr energie- und raumwinkelabhängig.

Daher werden die Zählrohre durch vorschalten von Filterpaketen aus Blei, Zinn und Kunststoff in ihrer Efficiency (energie- und geometrieabhängiger Wirkungsgrad) für den vorgesehenen Messbereich linearisiert.

Sind diese Parameter für ein Messgerät nicht bekannt, so ist es trotzdem nicht gleich wertlos. Durch Relativmessungen der Impulsraten kann immer noch festgestellt werden, dass an einem Ort ein für diesen Detektor messbar höherer Strahlungsfluss vorliegt, als an einem anderen Ort. Damit ist die Aussagekraft einer solchen Messung aber auch schon erschöpft!


Beispielmessung

Charakteristik GMZ
Charakteristik GMZ

Charakteristik Geiger-Müller-Zähler

Hg
Geiger Müller-Zähler
Geiger Müller-Zähler

Geiger Müller Zähler; experimenteller Aufbau

Hg

Dem Diagram kann entnommen werden, dass der beschriebene kaskadenartige Ionisationsprozess bei dem verwendeten Geiger-Müller-Zähler erst ab 320 Volt stattfindet (Startspannung). Das Geiger-Müller-Messgerät wird in der Mitte des Plateaus bei 500 Volt betrieben (Betriebsspannung). Oberhalb einer Spannung von 750 Volt findet eine kaskadenartige Entladung auch ohne eintreffende Strahlung statt. - Hg


Beispiele für einen Geiger-Müller-Zähler

Geiger-Müller-Zähler
Geiger-Müller-Zähler

Detector - Gamma Scout

Wikipedia User: Dougsim (Own work)
Geiger-Müller-Zähler
Geiger-Müller-Zähler

Detector

Wikipedia User: Matylda Sęk pl.wiki, Cygaretka

Soweit die Grundlagen zum Geiger-Müller-Zähler. Ich möchte an dieser Stelle noch einmal auf den Artikel Einfache Grundlagen der nuklearen Messtechnik verweisen, wo einige der hier vorausgesetzten Sachverhalte erläutert werden. Für den interessierten Leser findet sich dort auch eine Auswahl an weiterführender Literatur. Sollte es noch Fragen oder Anmerkungen geben, können Sie mich jederzeit gerne kontaktieren.


Lexikonverweise


Quellangaben:


Einordnung