Geiger/Müller Zählrohr

Allgemeines:

Das wohl bekannteste Gerät zur Messung ionisierender Strahlung ist wohl der Geigerzähler. Schon Anfang der 50er Jahre kauften Abenteurer und Glücksritter Geigerzähler um damit in unwegsamen Gelände Uranvorkommen aufzuspüren und mit der boomenden Atomindustrie reich zu werden.
Das aktive Element in einem Geigerzähler ist das sogenannte Zählrohr das 1920 von den deutschen Physikern Geiger und Müller entwickelt wurde. Diese Geiger/Müller Zählrohr ist im Grunde eine >Ionisationskammer< mit einer speziellen Elektrodenanordnung und Betriebsparametern. Wie bei der Ionisationskammer erzeugt ein durchfliegendes Teilchen Ionisationspaare aus den Atomen der Gasfüllung. Durch hohe elektrische Felder werden nun die Elektronen so stark beschleunigt dass sie in der Lage sind weitere Atome zu ionisieren. Letztendlich entsteht eine Elektronenlawine durch die der ursprüngliche Strom verstärkt wird (Gasverstärkung). Bei sehr hohen Feldern genügt ein passierendes Teilchen um eine Gasentladung auszulösen die das gesamte Volumen des Zählrohrs erfasst. Die Vorgänge bei Zählrohr sind allerdings komplizierter als hier vereinfacht dargestellt. So spielen z.B. Fotoelektronen, die durch kurzwellige UV-Strahlung aus der Gasfüllung an der Kathode entstehen eine wichtige Rolle.

Aufbau:

Um die für eine Gasverstärkung notwendigen hohen Feldstärken zu erreichen wird eine Elektrode, die Anode, als dünner Draht oder scharfe Spitze ausgeführt.Die kleinen Krümmungsradien ergeben schon bei mäßigen Spannungen hohe Feldstärken. Nach dem rechtem Schema sind die meisten Zählrohre aufgebaut. In einer Metallhülse die mit isolierende Stopfen gasdicht verschlossen ist, ist axial ein dünner Draht gespannt. Das äußere Rohr ist der Katodenanschluss, der Draht die Anode. Der Anode wird über einen hochohmigen Widerstand von 1...1000 Megohm die Arbeitsspannung zugeführt. Über einen Koppelkondensator kann der Ausgangspuls abgenommen werden.

Mit einem käuflichen Zählrohr ist die Sache dann ganz simple. Ein Spannungsquelle mit einigen Hundert Volt, ein einfacher Transistorverstärker und ein Lautsprecher und schon hört man die kleinen Biester (Elektronen, Alphateilchen, Mesonen u.s.w.). Aber das ist natürlich keine wirkliche Herausforderung für Profibastler.

Selbstbau eines Zählrohrs

Interessanter ist es auch das Zählrohr selbst zu bauen was durchaus möglich ist. Während käufliche Zählrohre meist mit Edelgas/Halogenfüllung bei niedrigem Druck arbeiten bietet sich für den Selbstbau der Betrieb bei Atmosphärendruck an. Dadurch werden Dichtungs- und Ausgasprobleme vermieden. Normale Luft eignet sich leider nicht sehr gut für diese Zwecke, da der Sauerstoff einen negativen Einfluss auf die Gasverstärkung hat. Gut geeignet hingegen ist Argon, vorallem in Verbindung mit Kohlendioxid. Diese Gemisch 80% Ar + 20% CO₂ ist als Schweissschutzgas in kleinen Einwegflaschen in Baumärkten für wenig Geld erhältlich.

Links sind zwei der Selbstbauröhren zu sehen. Das obere ist aus Kupferrohr mit 1 mm Wandstärke, das untere aus V2A Rohr mit 0,2 mm Wandstärke.Die Endstopfen sind aus Plexiglas und der Zähldraht ist ein 0.125 mm Stahldraht. Zwei Messingröhrchen in den Plexiglasstopfen dienen zur Füllung mit Gas. Gedichtet sind die Zählrohre mit Heisskleber. Nachdem die Rohre mit dem Ar/CO₂ Gemisch auf Atmosphärendruck gefüllt sind werden die Messingröhrchen zugelötet.

Die Graphiken zeigen die Reaktion der beiden Zählrohre auf einen Strontium 90 Teststrahler. Natürlich schirmt das dicke Kupferrohr die Strahlung stärker ab als das dünnere V2A Rohr. Mit dem Kupferzähler werden 500 Impulse/min, mit dem V2A Zählrohr
14000 Impulse/min gezählt. Weder Strontium 90 noch das Folgeprodukt Yttrium 90 emittieren Gamma Strahlung. Strontium 90 emittiert Beta Strahlung mit 0.54 MeV, Yttrium 90 emittiert Beta Strahlung mit 2,26 MeV. So ist zuvermuten das die Zählrate des Kupferzählrohrs hauptsächlich von der energiereicheren durchdringenden Strahlung des Yttrium 90 stammt, zumal der Teststrahler schon über 20 Jahre alt ist und sich einiges an Yttrium 90 gebildet haben müßte.
Alle Messungen wurden mit einer Diskriminatoreinstellung von 500 mV gemacht. Die rechte Grafik zeigt die Kennlinie des V2A Zählrohrs. Da die Kennlinie kein Plateau aufweist ist zu vermuten das man sich mit diesen Spannungen noch im proportionalem Bereich des Rohres befindet und der eigentliche Auslösebereich erst bei höheren Spannungen erreicht würde.

Die Eingangsstufe der Auswerteelektronik ist mit einem Verstärker ausgestattet um auch noch kleine Impulse erfassen zu können. Auf den Verstärker folgt ein Komperator der sobald ein Eingangspuls den eingestellten Schwellwert erreicht einen Puls an das Monoflop abgibt. Das Monoflop erzeugt einen Ausgangspuls mit ca. 1m Dauer der an der Zähler weitergeleitet wird. Sicht- und hörbar wird der Puls durch eine LED und einen kleinen Lautsprecher.
Das erforderlich HV-Netzteil stammt aus der Sprüheinheit eines alten Laserdruckers. Diese Einheiten enthalten mesit sehr interessante Bauteile wie Minikaskaden, Wandlerstrafos, HV-Dioden und HV-Kondensatoren

Weder das Kupfer- noch das V2A Zählrohr zeigen eine Empfindlichkeit für die Alphastrahlung einer Americium 241 Quelle aus einem Rauchmeldert. Die zwar stark ionisierende aber wenig durchdringende Strahlung wird in der Rohrwand absorbiert. Aluminium hingegen vorallem in dünnen Schichten kann von den Alphastrahlen durchdrungen werden.
Mit einem Zähler aus Alurohr mit 0,5 mm Wandstärke (entleerter alter Elko) hebt sich die AM 241 Strahlung schon vom Nulleffekt ab.
Noch besser fuktioniert ein Zählrohr in dessen Wand ein Loch geschnitten und mit Haushalts Alufolie abgeklebt wird (rote Kurve). Möglich wäre auch ein Fenster aus dünner Cellophanfolie oder einem Glimmerplättchen. Beide Zähler sind mit der Ar/CO₂ Mischung gefüllt und benötigen Spannungen von circa 3000 V zum Betrieb.

Man sieht, der Bau von Zählrohren ist nicht schwierig und man benötigt keine besonderen Hilfsmittel wie z.B. Vakuumpumpen. Allerdings wurden keine Langzeitstudien hinsichtlich der Stabilitätder Kennlinien unternommen. Aber man kann die Rohre auch jederzeit neu füllen falls das notwendig werden sollte. Sehr gut bewährt hat sich Heisskleber für Dichtungs- und Isolieraufgaben, der den vor vielen Jahrzehnten von Experimentatoren viel verwendeten Siegellack voll ersetzen kann.