Ionisationskammer

Prinzip:

Eine der ältesten Detektoren für ionisierende Strahlen ist die Ionisationskammer. Schon Marie und Pierre Currie verwendeten bei der Entdeckung des Poloniums und Radiums eine Art der Ionisationskammer für Aktivitätsmessungen.
Eine Ionisationskammer besteht aus zwei Elektroden die über ein empfindliches Strommessgerät mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Durchquert ein ionisierendes Teilchen den Gasraum zwischen den Elektroden werden die gebildeten Ionen durch das elektrische Feld zu den Elektroden beschleunigt und am Strommessgerät kann ein Strom gemessen werden. Dieser Strom ist allerdings sehr klein und zur Messung sind hochempfindliche Geräte notwendig.
Je nach den Erfordernissen der Messung sind sehr verschiedene technische Ausführungen der Ionisationskammer bekannt. In der einfachsten Ausführung besteht eine Ionisationskammer aus einem aufgeladenem Blättchenelektrometer. Der durch die Strahlung einsetzende Ionisationsstrom entlädt das Elektrometer und aus der Entladezeit kann auf die Intensität der Strahlung geschlossen werden.

Aufbau:

Für den Selbstbau eignet sich der zylinderförmige, konzentrische Aufbau. Diese Anordung bietet ein gute Abschirmung der empfindlichen Messelektrode. Die zu messenden Ströme sind meist im Picoampere Bereich, eine gute Abschirmung gegen Netzbrumm und sonstige Störungen ist deshalb zwingend erforderlich. Ebenso muss das Auftreten von Kriechströmen zwischen Messelektroden verhindert werden. Diese Kriechströme werden durch einen geerdeten Schutzring zwischen den die Elektroden tragenden Elektroden verhindert.


Die Vorspannung sollte so hoch gewählt werden das alle Ionen auf den Elektroden gesammelt werden aber noch keine Stossionisation des Füllgases eintritt. Die im Anfangsbereich lineare Strom/Spannungs Kennlinie einer Ionisationskammer weist aber einer bestimmten Spannung eine Sättigung auf.
Ab dieser Spannung wird der Strom dann nur noch von der einfallenden Strahlung bestimmt.Je nach Abmessungen der Kammer werden einige Hundert Volt zur Erreichung dieses Betriebszustands benötigt.Besonders Augenmerk verdient der Stromverstärker. Da der Innenwiderstand der Ionisationskammer sehr hoch ist muss der Eingangswiderstand des Verstärkers entsprechend hohe Werte aufweisen. Füher waren hierzu aufwendige Schaltungen mit speziellen Elektrometerröhren notwendig. Mittlerweile werden bessere Daten mit Operationsverstärkern erreicht. Schon der Allzweck OP TLC 271 weist Biasströme von weniger als einem Picoampere auf während es spezielle Elektrometer OP's wie der AD 515 auf einige Femtoampere bringen.

Schaltung:

Die Eingangsstufe mit einem TLC 271 in Elektrometerschaltung ist direkt an der Kammer angebracht und besitzt eine Spannungsverstärkung von 3,5. Der Eingangswiderstand beträgt 10 Gigaohm. Nach einem Tiefpass (11 ms) folgt einer weiter Verstärker mit einstellbarer Verstärkung (1,10,100). Ein weiter Verstärker erlaubt eine Offset-kompensation und ändert die Polarität um eine positive Ausgangsspannung zu erhalten, eine positive Ausgangsspannung ist Voraussetzung für eine einfache Verarbeitung des Signals im PC.
Die positive und negative Versorgungsspannung für die OP's wird mit einem aktivem Spannungsteiler erzeugt. Die Vorspannung für die Kammer beträgt 30V und wird über eine Verdopplerschaltung erzeugt.

Betrieb:
Zum Test wurde der Auffängerelektrode über einen hohen Widerstand von 1000 Gigaohm ein einstellbarer Referenzstrom zugeführt. Aus dem Diagramm ist zu sehen, dass sich ein Strom von 10 Femtoampere gerade noch vom Rauschen abhebt, während ein Strom von 50 Femtoampere gut messbar ist. Man sieht, dass auch der billige Operationsverstärker TLC 271 durchaus in der Lage ist kleinste Ströme zu messen.
Das rechte Diagramm zeigt die Kennlinie der Kammer mit verschiedenen Teststrahlern. Den größten Effekt mit ca. 1,5 pA geben die Alpha Strahlen eines Americium-241 Strahlers aus einem Rauchmelder. Die schwächer ionisierenden Beta Strahlen des Strontium-90 Präparat ergeben trotz höherer Aktivität einen Strom von 250 fA. Nur etwa 100 fA Ionisationsstrom erzeugt die Strahlung eines Thorium getränkten Glühstrumpfes. Sehr gut ist das Sättigungsverhalten der Kennlinie zu sehen. Die Sättigungsspannung ist bei den kleinen Abmessungen der Kammer und den kleinen Strömen erstaunlich niedrig. Selbst beim Americium Strahler beträgt sie nur einige Volt, so dass die interne Vorspannung der Kammer von 30V völlig ausreicht.

Messung der Halbwertszeit von Thoriumemanation
Thoriumemanation ( Thoron oder Radon 220) ist ein radioaktives Edelgas das laufend aus Thoriumpräparaten gebildet wird. Thoron zerfällt mit der kurzen Halbwertszeit von 56 sec. Zur Bestimmung der Halbwertszeit wird die Luft über einem Thorium enthaltenden Glühstrumpf im Kreislauf durch die Ionisationskammer gepumpt. Nach dem Einschalten der Pumpe steigt der Ionisationsstrom durch die Aktivität des Thorons stark an und nach einigen Minuten stellt sich ein Gleichgewicht ein. Nach dem Ausschalten der Pumpe zerfällt dsa in der Ionisationskammer verbliebene Thoron mit seiner Halbwertszeit und aus der Abklingkurve der Aktivität kann die Halbwertszeit bestimmt werden.

An die geglätteten Abfallkurve wie eine Exponentialfunktion angepasst. Aus dieser Funktion kann die Abfallzeit auf 50% Aktivität mit zu 52,8 sec bestimmt werden. Der amtliche Wert beträgt wie erwähnt 56 sec.