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Auslösezählrohre (Geiger-Müller-Zählrohre)
1. Wirkungsweise
Unterscheiden sich im Aufbau nicht von Proportionalzählrohren (gasgefüllte zylindrische
Anordnungen mit dünnem Zähldraht). Die Betriebsspannung oberhalb des
Proportionalitätsbereiches / im Auslösebereich. Gasverstärkung nicht mehr von der
Primärionisation unabhängig. Infolge der höheren elektrischen Feldstärke entstehen beim
Aufbau de Ladungsträgerlawinen in zunehmendem Maße angeregte Gasatome, die Photonen
emittieren.
Durch Photoeffekt an der Katodenwand und im Zählgas werden im ganzen Zählrohr
Sekundärelektronen gebildet, die neue Ladungsträgerlawinen auslösen. Im Gegensatz zu den
Proportionalzählrohren bleibt die Lawinenbildung jedoch nicht auf die Orte der
Primärionisation beschränkt, sondern breitet sich über das gesamte Zählrohr aus. Während die
gebildeten Elektronen in etwa 10^-8 s abgesaugt werden, baut sich um den Zähldraht eine
schlauchförmige Raumladungswolke schwerbeweglicher Ionen auf. Diese wirkt als virtuelle
Anode und setzt die Feldstärke in Nähe des Zähldrahtes so stark herab, daß die
Lawinenbildung zunächst abbricht.
Die in Auslösezählrohren erzeugte Ladungsmenge ist von der Primärladung unabhängig. Sie
ist nur eine Funktion der elektrischen Feldstärke und der Zähldrahtlänge. Zwischen dieser
Signalladung und der absorbierten Strahlungsenergie besteht also keine Proportionalität. Die
in das empfindliche Zählrohrvolumen einfallenden Teilchen lösen lediglich den
Entladungsvorgang aus. Unabhängig von der Primärionisation entstehen stets Impulse
gleicher Höhe. Damit Auslösezählrohre zur Zählung aufeinanderfolgender Teilchen
verwendet werden können, muß der einmal eingeleitete Entladungsvorgang abbrechen. Das
ist zunächst nicht der Fall. In etwa 10^-4 s wandern die positiven Ionen zur Katode und
können bei ihrer Neutralisation aus der Oberfläche Sekundärelektronen befreien. Außerdem
entstehen durch angeregte Gasatome Photoelektronen. Da inzwischen die elektrische
Feldstärke am Anodendraht wieder angestiegen ist, setzt durch diese Ladungsträger der
Entladungsvorgang von selbst erneut ein.
Die durch ein einziges Teilchen gezündete Entladung würde in eine Dauerentladung
übergehen und nicht zum Erlöschen kommen. Damit eine neue Gasentladung erst dann wieder
ausgelöst wird, wenn ein ionisierendes Teilchen das Zählrohr durchsetzt, muß durch
besondere Vorkehrungen die Unterbrechung dieses Vorganges erzwungen werden. Die
Löschung der Entladung kann auf zweierlei Weise erfolgen. Je nach der Art des
Löschprozesses unterscheidet man nichtselbstlöschende und selbstlöschende Zählrohre.
2. Löschung der Zählrohrentladung
Bei den mit ein- oder zweiatomigen Gasen gefüllten nichtselbstlöschenden Zählrohren
bewirkt eine äußere elektronische Schaltung die Löschung der Entladung. Die
Zählrohrspannung wird nach der Zündung der Entladung solange unter den zur Vermehrung
der Ladungsträger erforderlichen Wert abgesenkt, bis alle positiven Ionen den Katodenmantel
erreicht haben. Das läßt sich mit einem hochohmigen Arbeitswiderstand oder einem
speziellen elektronischen Löschkreis erreichen. Heute werden vorwiegend selbstlöschende
Zählrohre benutzt. Wenn man dem Zählgas (Argon) ein sog. Löschgas beimengt, bricht die
Entladung ohne äußere Hilfsmittel ab. Als Löschzusätze eignen sich mehratomige organische
Dämpfe und Gase (Ethanol, Methan) oder Halogene (Brom, Chlor). Eine oft verwendete
Zählrohrfüllung besteht aus Argon und Ethanol im Verhältnis 10:1 bei einem Gesamtdruck
von etwa 13 kPa. Der Löschzusatz beeinflußt den Entladungsmechanismus in zweifacher
Weise. Zunächst bildet sich auch in einem selbstlöschenden Zählrohr die erste
Ladungsträgerlawine aus. Die Löschgasmoleküle absorbieren nun aber weitgehend die längs
des Zähldrahtes von angeregten Edelgasatomen ausgesandten Photonen, so daß diese nicht bis
zur Katode gelangen und Photoelektronen befreien können. Außerdem übergeben die
positiven Edelgasionen den Löschgasmolekülen bei Zusammenstößen ihre Ladung, weil
deren Ionisierungsenergie geringer als die der Zählgasatome ist.
Anstatt der Zählgasionen wandern daher geladene Löschgasmoleküle zur Zählrohrwand. Die
bei der Neutralisation an der Katode freiwerdende Anregungsenergie führt in der Regel zur
Dissoziation der Moleküle, so daß auch die Bildung von Sekundärelektronen unterbleibt.
Damit kommt der Entladungsvorgang zum Stillstand. Eine Gasentladung kann erst dann
wieder gezündet werden, wenn ein neues Teilchen in das Zählrohr eintritt und das Füllgas
ionisiert.
3. Zählrohrcharakteristik
Bei konstanter Einstrahlung ergibt sich die Charakteristik eines Geiger-Müller-Zählrohres
durch Messung der Impulsrate in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Die Abb.2
zeigt schematisch eine solche Kennlinie. Erst ab einer bestimmten Mindestspannung, der
Einsatzspannung UE, beginnt das Zählrohr zu arbeiten. Dieser Spannungswert ist von der
Ansprechschwelle der Zählanordnung und von den Eigenschaften des Zählrohres abhängig.
Bei selbstlöschenden Zählrohren mit organischem Löschgas beträgt UE etwa 800 bis 1000 V.
Halogenzählrohre besitzen Einsatzspannungen zwischen 200 und 400 V. Oberhalb der
Einsatzspannung steigt die Impulsrate zunächst steil an und verändert sich zwischen den
Spannungswerten UP und UD nur noch wenig. Dieser Bereich annähernd konstanter
Impulsrate wird Zählrohrplateau genannt. Bei guten Zählrohren beträgt die Plateaulänge UD Up etwa 100 bis 200 V. Die Arbeitsspannung UA wird in das untere Drittel des Plateaus
gelegt. Meist betreibt man Auslösezählrohre etwa 100V oberhalb der Einsatzspannung: UA =
UE + 100V. Außer der Plateaulänge ist die Steigung s des Plateaus ein Kriterium für die Güte
von Zählrohren. Sie wird als relative Impulsratenänderung je 100 V Spannungsänderung
definiert und in Prozent je 100 V angegeben.
4. Zeitliches Auflösungsvermögen
Das zeitliche Auflösungsvermögen eines selbstlöschenden Geiger- Müller-Zählrohres steht in
engem Zusammenhang mit der bereits beschriebenen Ausbildung einer positiven
Raumladungswolke um den Zähldraht. Solange sich die Ionen in mittelbarer Nähe des
Anodendrahtes befinden, ist die elektrische Feldstärke soweit herabgesetzt, daß einfallende
Teilchen keinen Impuls auslösen können. Nach der Zündung einer Entladung ist daher das
Zählrohr während der sog. Totzeit tT für einfallende Teilchen unempfindlich. Mit
wachsendem Abstand des Ionenschlauches von der Anode nimmt die Feldstärke allmählich
zu, so daß erneut eine Lawinenbildung einsetzen kann. Die entstehenden Impulse sind
zunächst klein und erreichen erst nach Ablauf der Auflösungszeit tA die erforderliche
Minimalgröße u min, um das Zählgerät wieder zum Ansprechen zu bringen. Der Zeitabschnitt
von der Zündung einer Entladung bis zur Ausbildung von Impulsen der ursprünglichen Höhe
heißt Erholungszeit tE.
Die Abb.2 veranschaulicht diese charakteristischen Zeiten eines Zählrohres anhand der
schematischen Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Impulshöhe und der
Zählrohrspannung. Die Totzeit handelsüblicher Auslösezählrohre beträgt etwa 100 bis 300 µs.
Das zeitliche Auflösungsvermögen wird durch die etwas größere Auflösungszeit bestimmt.
Insbesondere bei hohen Teilchenflußdichten treten infolge der Auflösungszeit Zählverluste
auf. Von einer Zählanordnung werden daher grundsätzlich zu wenig Impulse registriert. Die
wahre Impulsrate kann bei bekannter Auflösungszeit tA aus der gemessenen Impulsrate tA
mit Hilfe des Auflösungsfaktors rechnerisch ermittelt werden.
5. Nachweiseffektivität
Unter der Nachweiseffektivität eines Zählrohres versteht man die Wahrscheinlichkeit, mit der
ein in das empfindliche Volumen eindringendes direkt oder indirekt ionisierendes Teilchen
einen Impuls auslöst. Es wird durch das Verhältnis der registrierten Impulszahl zur Anzahl
der einfallenden Teilchen ausgedrückt. Für - und ß-Teilchen ist das Ansprechvermögen
nahezu 100 %. Der Nachweis von Röntgen- und y-Strahlung beruht auf den aus der
Zählrohrwand befreiten Sekundärelektronen. Die Nachweiseffektivität hängt daher für diese
Strahlungsarten in starkem Maße von der Art und Dicke des Katodenmaterials ab. Während
für weiche Röntgenstrahlung eine Ansprechwahrscheinlichkeit bis zu 50 % erreichbar ist,
liegt sie für energiereiche Röntgen- und -Strahlung nur in der Größenordnung von 1 %.
6. Lebensdauer selbstlöschender Zählrohre
Selbstlöschende Zählrohre haben infolge der Dissoziation der Löschgasmoleküle eine
begrenzte Lebensdauer. Wenn die Plateaulänge 100 V unterschreitet und die Plateausteigung
10 % je 100 V übertrifft, ist die Grenze der Nutzungsdauer erreicht. Sie liegt bei Zählrohren
mit organischem Löschdampf in der Größenordnung von 10^8 Impulsen. Halogenzählrohre
besitzen dagegen eine Impulslebensdauer von mindestens 10^10 Impulsen, weil die
dissoziierten Halogenmoleküle wieder rekombinieren, so daß der Halogenanteil weitgehend
erhalten bleibt.
7. Zählrohrtypen und Anwendung
Geiger-Müller-Zählrohre sind im Gegensatz zu Proportionalzählrohren wegen der
Unabhängigkeit der Impulshöhe von der Primärionisation weder zur Messung der
Strahlungsenergie noch zur Teilchendiskriminierung geeignet. Sie können lediglich als reine
Zähler verwendet werden. Von Vorteil sind die großen Impulshöhen (1 bis 100 V), so daß der
Einsatz einfacher und robuster Impulszählgeräte oder Impulsdichtemesser möglich ist. Von
der Industrie werden für die verschiedensten Verwendungszwecke Zählrohre angeboten. Die
Ausführungsformen sind dem Aggregatzustand der Meßproben sowie der nachzuweisenden
Strahlungsart angepaßt. Die Abb. 3 zeigt den schematischen Aufbau von drei häufig
angewendeten Zählrohrtypen. Zylindrische Mantelzählrohre dienen zur Messung von
energiereicher ß- und y-Strahlung. Für den Nachweis von - und energiearmer ß-Strahlung
werden sog. Glocken- oder Endfensterzählrohre benutzt. Die Strahlung tritt durch ein dünnes
Glimmerfenster, das den Katodenzylinder abschließt, in das Zählrohrinnere. Radioaktive
Flüssigkeiten lassen sich mit Becher-, Eintauch- oder Durchflußzählrohren ausmessen.