Zählrohr

Grundprinzip und Bauformen

Zählrohre, auch Strahlungsmessgeräte, dienen zum Nachweis und zur Messung ionisierender Strahlung. Sie gehören damit zu den Strahlungs- und Teilchendetektoren. Je nach Bauart und Betriebsspannung können sie als Ionisationskammer, Proportionalzählrohr oder Geiger-Müller-Zählrohr arbeiten. Grundsätzlich sind alle drei Betriebsarten mit demselben Zählrohr möglich; meist wird ein Rohr jedoch für eine bestimmte Anwendung optimiert.

Der Ausdruck „Geigerzähler“ bezeichnet fachsprachlich ein Geiger-Müller-Zählrohr. Umgangssprachlich kann er auch ein vollständiges Messgerät meinen, etwa ein Kontaminationsnachweisgerät oder ein Dosisleistungsmessgerät. Dessen Detektor ist oft, aber nicht immer, ein Geiger-Müller-Zählrohr.

Aufbau und Wirkungsweise

Ein einfaches Zählrohr besteht aus einem beidseitig verschlossenen zylindrischen Metallrohr als Kathode, also der negativ wirkenden Elektrode. In seiner Achse liegt ein Anodendraht, beispielsweise mit 0,1 mm Durchmesser. Er wird durch einen Glas-Isolator aus dem Rohr geführt. Der Rohrdurchmesser beträgt einige Zentimeter; das Rohr enthält ein Zählgas.

Metallwandige Rohre eignen sich für Gammastrahlung, weil diese das Metall durchdringen kann. Für Alpha- und Betastrahlung besitzt ein Fensterzählrohr an einem Ende eine massearme Folie, beispielsweise aus Glimmer oder biaxial orientierter PET-Folie. Sie muss den Druckunterschied zur Außenluft aushalten, soll die Teilchen aber in das Rohr eintreten lassen.

Spannungsbereiche und Ionisationskammer

Zwischen Anode und Kathode liegt eine Gleichspannung. Einfallende ionisierende Strahlung erzeugt im Gas freie Elektronen. Diese wandern im elektrischen Feld zur Anode. Bei geladener Teilchenstrahlung ist ihre Zahl proportional zu der Energie, die das Teilchen im Gas abgibt.

Bei geringer Spannung rekombiniert, also vereinigt sich, ein Teil der Elektronen wieder mit Ionen. Der gemessene Stromimpuls hängt dann vom Ort der Ionisation ab und erlaubt keine Aussage über die abgegebene Energie. Dies ist der Rekombinationsbereich.

Bei höherer Spannung in der Größenordnung 100 Volt erreichen alle freigesetzten Elektronen die Anode. Das Rohr arbeitet dann als Ionisationskammer; der Impuls ist proportional zur im Zählrohr abgegebenen Energie. Ionisationskammern werden beispielsweise als Streustrahlungsmessgeräte eingesetzt. Soll die gesamte Teilchenenergie gemessen werden, muss die Teilchenbahn im Gas enden. Dafür können Zählrohre bis etwa 1 m lang sein und Gasfüllungen bis zu einigen Bar Überdruck enthalten.

Proportionalzählrohre und Neutronennachweis

Bei weiter erhöhter Spannung ist das Feld nahe dem dünnen Anodendraht so stark, dass Elektronen durch Stöße weitere Elektronen aus Gasatomen auslösen. Es entstehen Elektronenlawinen mit jeweils n Elektronen, wobei n bis zu 1 Million betragen kann. Diese Gasverstärkung vergrößert den Stromimpuls um den Faktor n. Da die Lawinen nur nahe der Anode auftreten, bleibt der Impuls unabhängig vom ursprünglichen Ionisationsort und proportional zur Energie der einfallenden Strahlung. Dieser Bereich heißt Proportionalbereich.

Die Betriebsspannung muss hier sehr genau konstant sein, weil der Proportionalbereich in einem steilen Teil der Charakteristik liegt. Der dünne Anodendraht ist für die Feldgeometrie wesentlich; die Kathode kann auch andere Formen haben oder mehrere parallele Anodendrähte enthalten. Proportionalzählrohre messen Teilchenenergien und unterscheiden Alpha- von Betastrahlung gut. Deshalb werden sie im Strahlenschutz und in Hand-Fuß-Monitoren eingesetzt. Weiterentwicklungen sind die Vieldraht-Proportionalkammer und der Straw-Detektor.

Auch Neutronen lassen sich so messen. Für schnelle Neutronen von etwa 0,1 bis 6 MeV dient Wasserstoff oder Methan bei einigen Bar Überdruck als Zählgas. Aus dem Energiespektrum der Rückstoßprotonen aus elastischer Streuung kann auf das Neutronenspektrum geschlossen werden. Für langsame, besonders thermische Neutronen eignet sich Bortrifluorid, BF_{3}. Bei der exothermen Kernreaktion ^{10}B(n,\alpha)^{7}Li ionisieren das zugleich entstehende Alphateilchen und der Lithium-Atomkern das Gas; häufig wird an B-10 angereichertes Bor verwendet.

Alternativ kann eine borhaltige Schicht auf der Rohrinnenseite liegen. Dann kann etwa Argon als Zählgas verwendet werden und die Impulse sind kürzer. Allerdings gelangt aus kinematischen Gründen stets nur eines der beiden Reaktionsionen ins Rohrinnere; dadurch bleibt weniger Ionisationsenergie im Gas und Gammaimpulse lassen sich schlechter unterscheiden. Auch Helium-3 dient als Zählgas: ^{3}He(n,p)^{3}H. Es ist teurer als BF_{3}, bietet aber eine höhere Nachweiswahrscheinlichkeit und kann bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Bor- und Helium-3-Rohre arbeiten im Proportionalbereich, damit Gamma- und Neutronenstrahlung unterschieden werden können; eine wichtige Anwendung ist der Long Counter.

Geiger-Müller-Zählrohr und Zählgas

Bei noch höherer Spannung im Plateaubereich löst jedes einfallende ionisierende Teilchen eine selbständige Gasentladung aus. Sekundär freigesetzte Elektronen erzeugen weitere Elektronen; außerdem breitet sich die Entladung durch entstehende Ultraviolettstrahlung über das ganze Rohr aus. Das Geiger-Müller-Zählrohr heißt daher auch Auslösezählrohr: Die Gasentladung brennt unabhängig von Art und Energie der auslösenden Strahlung.

Die Impulse sind stets gleich groß und können unter Umständen ohne Verstärkung als Knackgeräusche hörbar sein. Schon ein einzelnes freigesetztes Elektron reicht zur Auslösung aus; die Empfindlichkeit ist daher bestmöglich. Das Verfahren liefert aber kaum Information über Strahlenart und -energie. Diese kann nur grob durch Vergleichsmessungen mit unterschiedlichen Abschirmungen zwischen Quelle und Zählrohr gewonnen werden. Geiger-Müller-Rohre werden beispielsweise zur Kontaminationsprüfung und für allgemeine Strahlenschutzzwecke verwendet.

Die Gasentladung endet, wenn eine nach außen wandernde Ionenwolke das elektrische Feld ausreichend schwächt. Die Totzeit beträgt wegen dieses Vorgangs etwa 100 Mikrosekunden; daran schließt sich eine ähnlich lange Erholungszeit an, in der ein neuer Impuls nicht seine volle Höhe erreicht. Ein hoher Widerstand, zum Beispiel 100 Kiloohm in der Hochspannungszuleitung, begrenzt den Strom und verhindert das erneute Zünden durch den Spannungseinbruch. Ein Löschgas verhindert zusätzlich eine neue Zündung, wenn Ionen auf die Rohrwand treffen.

Als Füllgase kommen auch Luft und viele andere Gase infrage. Edelgase wie Argon erzeugen kurze Impulse, weil sie keine langsamen negativen Ionen bilden. Für Gammastrahlung wird Argon mit mehreren Bar Überdruck oder Xenon verwendet. Ionisationskammern und Proportionalzählern werden oft Methan oder Kohlendioxid beigemischt: Der Zusatz verkürzt den Stromimpuls und unterdrückt Ultraviolettstrahlung. Im Geiger-Müller-Betrieb dienen Ethanoldampf oder Chlor beziehungsweise Brom als Löschgas; ihre Moleküle verbrauchen Energie durch Dissoziation statt durch Ionisation. Ortsfeste Rohre können als Durchflusszähler mit langsam strömendem Gas betrieben werden, um Verunreinigungen, chemische Reaktionen, Undichtigkeiten und den Verbrauch des Ethanolzusatzes auszugleichen.