Txt_2

Protokoll vom 14. + 20.02.2008
Messung Radioaktiver Strahlung
Versuch 1: Spitzenzähler
Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ)
+
-
NF-Verstärker
Aufbau
Eine Hochspannungsquelle ist mit positivem Potential von
an die Nadel des Zählrohrs
geschlossen. Das negative Potential, welches zusätzlich geerdet wurde, wird über einen
hochohmigen Widerstand der Größe
mit dem Zylinder des Zählrohrs verbunden. Parallel zum
Widerstand ist ein NF-Verstärker in Reihe mit einem Kondensator geschaltet, damit der Verstärker
bei Stromfluss keinen Schaden nimmt.
Versuchsdurchführung
Ein Radiumpräparat wird nun in die Nähe des Zählrohrs gebracht. Ab einer bestimmten Entfernung
beginnt der NF-Verstärker schlagartig Impulse in Form von hörbaren Klack-Geräuschen zu emittieren,
deren Frequenz sich mit abnehmendem Abstand zum Zählrohr erhöht. Hierbei ist auffällig, dass es
eine scharfe Grenze gibt, ab der schlagartig der elektrische Prozess mit einer hoher Frequenz startet.
Es wird also ein Leistungsprozess in Gang gesetzt, der nun im Folgenden erklärt werden soll.
Ein, zwischen Präparat und Zählrohr gebrachtes, Blatt Papier dämpft den Prozess auf wenige KlackGeräusche, was auf Löcher im Papier zurückzuführen ist, durch die die Strahlungsteilchen gelangen.
Der Leistungsprozess
Metallzylinder
Eine Hochspannung von
erzeugt ein stark elektrisches Radialfeld
zwischen Nadel und Zylinder. Dessen Feldliniendichte ist im Bereich der
Nadel höher, als am Rand des Zylinders und am höchsten an der
Nadelspitze, da an dieser Stelle die Feldlinien (gedachte Bahnen
positiver Probeladungen) nicht nur zum Zylinder sondern auch nach
vorne an das Gehäuse laufen können. Die Feldstärke ist hier somit am
größten.
+
-
Nadelspitze
Die Bedeutung des Widerstands
Kommt es nun zu einem Schluss des Stromkreises, hervorgerufen durch das Wandern von Ladungen
innerhalb des GMZs, so liegt eine Potentialdifferenz an dem Widerstand. Diese liegt so lange an, wie
der Stromkreis geschlossen ist und ein Strom fließen kann (
). Der Widerstand ist
parallel zum Niederfrequenz-Verstärker (NF-Verstärker) geschaltet, wodurch sich die
1
Philipp Schulz
Protokoll vom 14. + 20.02.2008
Potentialdifferenz in einem Verschieben von Ladungen innerhalb des parallelen Stromkreises
auswirkt. Diese Ladungsverschiebung bewirkt ein hörbares Klacken am Lautsprecher.
Die Bedeutung des Kondensators
Damit der Stromfluss nicht über den NF-Verstärker ausweicht, ist mit ihm ein Kondensator in Reihe
geschaltet. So wird zusätzlich der Verstärker vor zu hohen Spannungen geschützt. Der Kondensator
fungiert als dynamischer Widerstand, da er dynamisch auf sich verändernde
Wechselstromfrequenzen reagiert. Bliebe die Spannung unveränderlich, so läge am Kondensator ein
Gleichstrom der Frequenz
. Nach der Thomsonschen Schwingungsgleichung wäre unter diesen
Umständen der Widerstand
unendlich:
Bei einer hohen Wechselstromfrequenz wäre der dynamische Widerstand sehr klein, denn den
beiden Kondensatorplatten werden die Ladungen wieder entzogen, noch bevor die Platten sich
endgültig aufladen und somit einen kapazitiven Widerstand, durch die sich abstoßenden Ladungen,
aufbauen könnten.
Der Leitungsvorgang im GMZ
Für eine Wechselspannung muss es zu leitenden „Verbindungen“ innerhalb des GMZs zwischen
Nadel und Zylinder kommen. Ermöglicht werden kann dies per:
Ionisierung des Gases durch Strahlung
Die Wechselwirkung von der Energie der Strahlung mit den Molekülen des Gases lässt aufgrund von
unelastischen Stößen Elektronen frei werden. Das elektrische Feld im GMZ beschleunigt die
Elektronen zur Nadel und positive Restmoleküle zum Zylinder, wobei die Elektronen, aufgrund ihrer
geringen Masse stärker beschleunigt werden, als die Restmoleküle mit wesentlich höherer Masse.
Dieser Beschleunigungseffekt wird durch Polarität und Inhomogenität des Feldes verstärkt. Die
Elektronen wandern also in Bereiche zunehmender Feldstärke, also in Richtung der positiv geladenen
Nadel bis sie auf diese treffen. Dabei kommt es durch Elektronen, die mit hohen Geschwindigkeiten
auf weitere Gasmoleküle treffen zur sekundär-Ionisation. Um die Nadel herum bildet sich eine
Elektronenwolke! Diese Kettenreaktionen erst erzeugen einen messbaren Strom, den der NFVerstärker registriert, da nun genügend, durch sekundär-Ionisation frei gewordene Elektronen auf
die Nadel treffen. Liegt der Anteil der Rekombinationen von den Elektronen mit den Molekülen über
dem der Neubildungen kommt es zur Bildung von Gleichgewichten, womit ein hoher Stromfluss
ausgeschlossen wäre.
usw.
Dieser Prozess würde im Versuch nicht in solch einer gezeichneten Linearität ablaufen, jedoch bleibt
festzustellen, dass er sich zur Nadel hin deutlich verengt. (=> höhere Feldstärke)
2
Philipp Schulz
Protokoll vom 14. + 20.02.2008
In unserem Versuch muss es sich bei der gemessenen Strahlung hauptsächlich um -Teilchen
handeln, die diesen Prozess in Gang setzen, da wir mit einer ganz bestimmten Reichweite, zwischen
GMZ und Präparat, operieren müssen und sich der Prozess, selbst in geringer Reichweite, durch ein
Blatt Papier stoppen lässt.
Versuch 2: Ionisationskammer
+
/
-
Radioaktives Präparat
/
Durchführung
Das radioaktive Präparat (Radium) wird leitend mit dem Messfühler des Messverstärkers verbunden,
der durch den Isolator geführt wird (Spitze). Das Gehäuse wird über das Präparat gestülpt. Zwischen
Gehäuse und Spitze wird eine Hochspannung angelegt und gemessen wird der Strom, der durch
Ionisation entsteht. Es soll geprüft werden wie der Strom von der angeregten Spannung abhängt.
Beobachtung
Obwohl die Spannung höher als
geregelt wird, sind keine signifikanten Änderungen der
Stromstärke festzustellen. Dieser Bereich wird als Sättigungsbereich bezeichnet. Alle, durch die
Spannung erzeugten Ladungsträger wurden bereits als Strom gemessen. Das bedeutet, dass selbst
wenn die Spannung noch erhöht würde, wären keine Ladungsträger mehr da, die eine Spannung im
Stromkreis erzeugen könnten. Das entspricht der Eigenschaft des Präparats die Luft zu ionisieren.
/
1,7
Sättigungsbereich
1,5
1,3
1,1
Regression
0,9
0,7
0,5
/
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 800 850 900
1
3
Philipp Schulz
Protokoll vom 14. + 20.02.2008
Das verwendete Radium besitzt somit einen Sättigungsbereich von
von
.
ab einer Spannung
Die in Bereich 1 noch annähernd lineare Steigung (
) lässt sich durch eine hohe
Rekombinationswahrscheinlichkeit der ionisierten Ladungsträger begründen, da sie nach dem
Ionisationsvorgang nicht schnell genug von der niedrigen, angelegten Spannung angezogen werden
und stattdessen rekombinieren. Es kommt nur zu einem geringen Stromfluss.
Die Zählrohrcharakteristik
oder
/
oder
/
I
Rekombinationsbereich
Steig die
Spannung , so
nimmt die
Häufigkeit für
Rekombinationen
ab, bis alle
erzeugten
Ladungspaare die
Elektroden
erreichen können.
II
Sättigungsbereich
Alle erzeugten
Ladungsträger
fließen ab und
es kommen
keine neuen
hinzu.
III
Proportional-bereich
IV
Auslösebereich
V
Zerstörung
Primäre
Ladungsträger
erzeugen durch
Wechselwirkung mit
Molekülen sekundäre
Ladungsträger
(Sekundärionisation)
Die Energie der
Strahlung
proportional zu:
Primärladungen
Sekundärladungen
=> Energiemessung
Keine weiteren
Selbstständige
Sekundärladungen Gasentladung
können mehr
erzeugt werden.
Jedes einfallende
radioaktive
Teilchen erzeugt
den gleichen
Ladungsprozess.
=> Zählbereich
4
Philipp Schulz
Protokoll vom 14. + 20.02.2008
I.
Rekombinationsbereich
Ist keine Spannung am GMZ angelegt, so werden vom radioaktiven Präparat Ladungspaare erzeugt,
die jedoch sofort wieder rekombinieren, da sie nicht durch ein elektrischen Feld auseinander
gezogen werden können.
Steigt die Spannung an, so wird die Rekombination verringert und der Strom kann ansteigen, da nun
mehr Ladungsträger über die Elektroden abfließen können. Die Abnahme der Rekombinationen
erfolgt in Wirklichkeit exponentiell, ist hier aber stilisiert.
II.
Sättigungsbereich
Hier wurde die Spannung erreicht, die benötigt wird, um die Anzahl von Rekombinationen auf ein
Minimum zu bringen und alle Ionen zu den Elektroden zu ziehen. Aber zur Sekundärionisation reicht
die Geschwindigkeit der Elektronen noch nicht aus, da die Spannung zu niedrig ist.
III.
Proportionalbereich
Die Spannung ist nun ausreichend hoch, um Elektronen die Geschwindigkeit zu verleihen, die sie zur
Sekundärionisation benötigen. Dieser Vorgang löst zusätzliche Elektronen aus den Molekülen aus, die
ebenso zur Nadel wandern. Es ist ein Anstieg des Stroms festzustellen.
Wird die Spannung weiter erhöht, so können durch Sekundärionisation ausgelöste Elektronen
weitere Elektronen auslösen, da sie durch eine erhöhte Beschleunigung die, zur Sekundärionisation
benötigte Geschwindigkeit früher erreichen und weitere Moleküle ionisieren. Die Mittlere-FreieWeglänge (die Strecke die ein Elektron zurücklegen kann, ohne einen Stoßprozess auszulösen) sinkt.
Der Strom steigt weiter an.
IV.
Auslösebereich
Alle Prozesse möglicher Erzeugung von Sekundärladungen sind hier ausgereift. Das bedeutet, jedes
eintreffende -Teilchen hat den Ladungsanteil erzeugt, zu dem es fähig sein kann. Die
Ladungsprozesse finden nun auf der gesamten Länge des Drahtes statt.
ALLE Primärladungen können eine Sekundärladung erzeugen!
In diesem Bereich lässt sich das GMZ als Zählrohr verwenden.
V.
Zerstörung
Darunter wird verstanden, dass aufgrund des starken elektrischen Feldes Ladungsträger aus den
Elektroden herausgezogen und zusätzlich durch Ladungsträger der Höhenstrahlung, die auf die
Elektroden treffen, herausgeschlagen werden.
5
Philipp Schulz
Protokoll vom 14. + 20.02.2008
Gasgemisch mit niedrigerem
Druck, als der Umgebungsdruck
Todzeit
Geiger-Müller-Zählrohr
Glimmer, oder ein Material, welches die
radioaktive Strahlung passieren lässt
+
Positive Raumladungswolken
-
Zwischen jedem gemessenen Impuls liegt die Todzeit mit einer Dauer von
.
Diese Trägheit lässt sich anhand der unterschiedlichen Beweglichkeit von positiven Restmolekülen
und Elektronen erkennen. Während die Elektronen mit ihrer niedrigeren Masse schneller durch die
Nadel in den Stromkreislauf gelangen und somit bereits zur Messung beitragen konnten, sind die
positiven, wesentlich schwereren Restmoleküle noch auf dem Weg zum Zylinder. Das lässt eine
positive Raumladungswolke um die Nadel, mit ebenfalls positivem Potential, entstehen, die das
elektrische Feld auf ein Minimum abschwächt. Es muss erst abgewartet werden, bis die Ionen zum
Zylinder gewandert sind und dort neutralisiert wurden.
Die, für den Abbau der Raumladungszone benötigte Zeit wird als Todzeit bezeichnet. Erst wenn diese
Zone abgebaut ist, kann der nächste Impuls reproduzierbar ablaufen.
Ein Löschgas kann zu einer schnelleren Rekombination verhelfen.
Impuls 1
Impuls 2
Todzeit:
6
Philipp Schulz