„Zählrohr“ – Bearbeiten

{{Dieser Artikel|beschreibt den Strahlungsdetektor. Für das elektronische Bauteil siehe [[Zählröhre]].}}

[[Datei:Geiger counter.jpg|mini|Strahlungsnachweisgerät mit Zählrohr]]
'''Zählrohre''' oder '''Strahlungsmessgeräte''' dienen zum Nachweis und zur Messung [[Ionisierende Strahlung|ionisierender Strahlung]], gehören also zu den [[Strahlungsdetektor|Strahlungs-]] und [[Teilchendetektor]]en.

Je nach Bauart und Betriebsspannung arbeitet das Zählrohr
*  als [[Ionisationskammer]],
* als '''Proportionalzählrohr''' (auch ''Proportionalzähler'')
* oder als '''Geiger-Müller-Zählrohr''' (auch ''Auslösezählrohr'', ''Geiger-Müller-Zähler'' oder ''Geiger-Müller-Indikator'' genannt).
Der häufig anzutreffende Ausdruck '''Geigerzähler''', der auf den deutschen Physiker [[Hans Geiger (Physiker)|Hans Geiger]] zurückgeht, bezeichnet fachsprachlich das Geiger-Müller-Zählrohr. Umgangssprachlich kann damit jedoch auch ein komplettes Strahlungsmessgerät gemeint sein, etwa ein [[Kontaminationsnachweisgerät]] oder ein [[Dosisleistungsmessgerät]]. Der Detektor in solchen Geräten ist oft, aber nicht immer, ein Geiger-Müller-Zählrohr.

Im Prinzip ist mit ein und demselben Zählrohr jede der drei genannten Betriebsarten möglich. Die meisten Zählrohre werden aber für eine bestimmte dieser Anwendungen optimiert gebaut.

== Aufbau ==
[[Datei:Geiger Mueller Counter with Circuit-de.svg|miniatur|Prinzipskizze eines Zählrohrs, hier mit dünnem Endfenster für energiearme und Teilchen-Strahlung]]
Die einfachsten Zählrohre bestehen aus einem an beiden Seiten verschlossenen zylindrischen Metallrohr, das die [[Kathode]] darstellt. Die [[Anode]], ein Draht von z.&nbsp;B. 0,1&nbsp;mm Durchmesser, befindet sich in der Achse des Zylinders und wird an einem Ende durch einen Isolator (Glas) aus dem Zählrohr herausgeführt. Der Rohrdurchmesser beträgt einige Zentimeter.

Solche Zählrohre sind zur Detektion von [[Gammastrahlung]] geeignet, da diese das Metallrohr durchdringt. Wenn auch [[Alphastrahlung|Alpha-]] und [[Betastrahlung]] detektiert werden sollen, darf das Zählrohr an einem Ende nur mit einer massearmen Folie (z.&nbsp;B. [[Glimmer]] oder [[Biaxial orientierte Polyester-Folie|biaxial orientierter PET-Folie]]) verschlossen sein (''Fensterzählrohr''). Die Folie muss dem Druckunterschied zur Außenluft standhalten, aber die Teilchen in das Zählrohr gelangen lassen.

Das Rohr ist mit einem Gas (''Zählgas'') gefürdtrfygr7xyzfzs4xzgx5y7xlt, wie unten ausführlicher beschrieben.

== Funktion ==
[[Datei:Kennlinie Zaehlrohr-GER.svg|miniatur|Schematische Charakteristik eines Zählrohrs. Senkrecht aufgetragen ist die beobachtete Impulshöhe bei einfallender Strahlung einheitlicher Teilchenenergie.]]
Zwischen Anode und Kathode wird eine Gleichspannung angelegt. Wenn ionisierende Strahlung einfällt, erzeugt sie in der Gasfüllung freie Elektronen, die im elektrischen Feld zur Anode wandern. Im Fall geladener Teilchenstrahlung ist die Zahl der Elektronen proportional zu der vom einfallenden Teilchen im Gas abgegebenen Energie.

Der weitere Vorgang hängt wesentlich von der Spannung zwischen Anode und Kathode ab, wie die abgebildete Kurve (''Charakteristik'') zeigt. Bei geringer Spannung [[Rekombination (Physik)|rekombiniert]] ein Teil der Elektronen auf dem Weg zur Anode wieder mit den Ionen. Der im Stromkreis auftretende Stromimpuls entspricht nur den Elektronen, die die Anode erreicht haben; dieser Anteil ist je nach dem Ort der Ionisation im Rohr verschieden groß und ergibt daher keine Aussage über die vom detektierten Teilchen abgegebene Energie. Dieser Bereich der angelegten Spannung heißt Rekombinationsbereich.

=== Ionisationskammer ===
Bei höherer Spannung – Größenordnung 100 Volt – erreichen alle freigesetzten Elektronen die Anode. Der im Stromkreis messbare Impuls ist damit proportional zu der Energie, die die Strahlung im Zählrohr abgegeben hat. Das Zählrohr arbeitet jetzt als [[Ionisationskammer]] und findet beispielsweise als [[Streustrahlung]]smessgerät Verwendung.

Soll die gesamte Energie eines Strahlungsteilchens erfasst werden, muss die Teilchenbahn im Gas enden, die Reichweite der Strahlung im Gas also kürzer als die Abmessung des Zählrohrs in Strahlenrichtung sein. Dementsprechend werden hierfür relativ große Zählrohre (bis zu etwa 1&nbsp;m lang) und Gasfüllungen bis zu einigen [[Bar (Einheit)|Bar]] Überdruck verwendet.

=== Proportionalzählrohr ===
Bei weiterer Erhöhung der Spannung werden die durch die Strahlung freigesetzten Elektronen aufgrund der hohen [[Elektrische Feldstärke|elektrischen Feldstärke]] dicht am Anodendraht so stark beschleunigt, dass sie durch Stöße mit den Gasatomen weitere Elektronen auslösen können. Es entstehen Elektronenlawinen mit je ''n'' Elektronen (''n'' kann bis zu 1&nbsp;Million betragen); dies wird auch ''Gasverstärkung'' genannt. Da die Lawinen nur in einem sehr kleinen Raumbereich nahe der Anode auftreten, ist die Größe des gemessenen Stromimpulses unabhängig vom Ort der ursprünglichen Ionisierung und nach wie vor proportional der Energie der einfallenden Strahlung. Deshalb heißt dieser Bereich der Betriebsspannung ''Proportionalbereich''. Der Impuls ist im Vergleich zum Ionisationskammerbetrieb ''n''-mal größer und daher leichter messbar.

Für Abmessungen und Gasdruck gilt das Gleiche wie bei Ionisationskammern. Da der Proportionalbereich in einem steilen Teil der Charakteristik liegt, muss die Betriebsspannung sehr genau konstant sein. Während eine Ionisationskammer z.&nbsp;B. auch parallele Plattenelektroden haben kann, ist beim Proportionalzählrohr die Feldgeometrie mit dem dünnen Anodendraht wesentlich. Die Zylinderform der Kathode ist dagegen nicht entscheidend; Proportionalzähler können je nach geometrischen Erfordernissen auch andere Formen haben und auch mehrere parallele Anodendrähte enthalten.<ref>Knoll (s. Literaturliste) S.&nbsp;166&nbsp;f.</ref>

Proportionalzählrohre bieten nicht nur die Möglichkeit, Teilchenenergien zu messen, sondern werden z.&nbsp;B. im [[Strahlenschutz]] wegen der guten Unterscheidungsmöglichkeit zwischen Alpha- und Betastrahlung verwendet. Auch die Hand-Fuß-Monitore für die Routinekontrolle beim Verlassen von [[Kontrollbereich]]en enthalten deshalb Proportionalzähler.

Aus der physikalischen Forschung ist z.&nbsp;B. das [[Homestake-Experiment|Homestake]]-Neutrinoexperiment zu nennen, wo Proportionalzähler eingesetzt wurden, um sehr seltene [[Beta-Zerfall|Beta-Zerfälle]] einer gasförmigen Probe sicher von anderer Strahlung unterscheiden zu können.<ref name="Cleveland1998" >{{cite journal|journal=Astrophysical Journal|volume=496|pages=505–526|date=1998|author=B. T. Cleveland et al|title=Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector|doi=10.1086/305343|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1086/305343/pdf}}</ref> In weiterentwickelter Form wird der Proportionalzähler als [[Vieldraht-Proportionalkammer]] und als [[Straw-Detektor]] auch in der [[Hochenergiephysik]] genutzt.

==== Proportionalzählrohre für Neutronen ====
[[Datei:boroncounter.svg|lang=de|mini|Neutronendetektion im BF<sub>3</sub>-Zählrohr]]
Auch [[Neutronenstrahlung]] kann mit Proportionalzählrohren gemessen werden. Zur Energiemessung an schnellen Neutronen (etwa 0,1 bis 6&nbsp;[[Elektronenvolt|MeV]]) wird als Zählgas [[Wasserstoff]] oder [[Methan]] von einigen Bar Überdruck verwendet. Aus dem damit gemessenen Energiespektrum der Rückstoßprotonen aus der elastischen Streuung lässt sich auf das [[Neutronenspektrum]] schließen.

Für langsame, insbesondere für [[thermische Neutronen]] eignet sich das Gas Bortrifluorid (BF<sub>3</sub>). Die beiden in der [[exotherm]]en [[Kernreaktion]] <sup>10</sup>B(n,<math>\alpha</math>)<sup>7</sup>Li gleichzeitig entstehenden Ionen, das Alphateilchen und der Lithium-Atomkern, führen zur Ionisation. Zwecks höherer Nachweiswahrscheinlichkeit wird oft BF<sub>3</sub> mit an B-10 [[Isotopentrennung|angereichertem]] Bor benutzt.

Statt der BF<sub>3</sub>-Gasfüllung kann auch eine borhaltige Schicht auf der Innenseite des Zählrohrs verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass als Zählgas z.&nbsp;B. [[Argon]] genutzt werden kann, das kürzere Impulse ergibt. Nachteilig ist dagegen, dass die Kernreaktion weniger Ionisationsenergie im Gas hinterlässt, denn aus [[Kinematik (Teilchenstoß)|kinematischen]] Gründen wird immer nur eines der beiden Ionen ins Rohrinnere emittiert; die Unterscheidung von Gammaimpulsen wird dadurch schwieriger.

Das seltene Heliumisotop [[Helium-3#Neutronendetektion|Helium-3]] kann ebenfalls als Neutronen-Zählgas dienen. Die auch hier exotherme Reaktion ist <sup>3</sup>He(n,p)<sup>3</sup>H. Helium-3 ist teurer als Bortrifluorid, ergibt aber eine höhere Nachweiswahrscheinlichkeit, denn es enthält keine anderen Atomkerne, der [[Wirkungsquerschnitt]] der Reaktion ist größer und es kann ein höherer Fülldruck verwendet werden. He-3-Zählrohre können bei höheren Temperaturen betrieben werden, bei denen Bortrifluorid sich zersetzen würde.

Auch die Bor- und Helium-3-Zählrohre werden im Proportional- und nicht im Geiger-Müller-Bereich (siehe unten) betrieben, um beispielsweise Gammastrahlung von Neutronenstrahlung unterscheiden zu können. Eine wichtige Anwendung (meist mit BF<sub>3</sub>-Zählrohr) ist der [[Long Counter]].

=== Geiger-Müller-Zählrohr ===
{{Anker|Geiger-Müller-Zählrohr}}
[[Datei:Zaehlrohr typ 70 031.jpg<!--Zählrohr 70 031 E 03.jpg-->|miniatur|Zerlegtes Geiger-Müller-Zählrohr für Gammastrahlung. Unten das eigentliche Zählrohr aus Glas mit Anodendraht in der Mitte und Wendeldraht als Kathode; in der Mitte [[Abschirmung (Strahlung)|Abschirmbleche]], die zwischen Zählrohr und Gehäuse angebracht werden, um die Empfindlichkeit für Strahlung verschiedener Energie zu verändern; oben das äußere Aluminiumgehäuse, Länge 30&nbsp;cm.]]
[[File:geiger-tube-sbm20.jpg|thumb|Geiger-Müller-Zählrohr SBM-20]]
Ab einer bestimmten noch höheren Spannung – im „Plateaubereich“ der oben abgebildeten Charakteristik – bewirkt jedes einfallende ionisierende Teilchen eine ''selbständige'' [[Gasentladung]], das heißt, auch jedes sekundär freigesetzte Elektron löst, bevor es die Anode erreicht, seinerseits mindestens ein neues Elektron aus. Auch wird [[Ultraviolett]]strahlung erzeugt, die an entfernten Stellen ionisiert, sodass die Entladung sich über das ganze Zählrohr ausbreitet. Der so arbeitende Zählrohrtyp heißt Geiger-Müller-Zählrohr. Die einmal eingeleitete (''gezündete'') Gasentladung „brennt“ unabhängig von Art und Energie der auslösenden Strahlung (daher die alternative Bezeichnung „Auslösezählrohr“) und erlischt erst, wenn sich durch die radial nach außen wandernde Ionenwolke die Feldstärke genügend verringert hat. Ein erneutes Zünden der Gasentladung beim Aufprall der Ionen auf die Rohrwand wird durch Zusatz eines ''Löschgases'' zum Füllgas verhindert (siehe unter Gasfüllung).

Die Stromimpulse sind also von einheitlicher Größe und so groß, dass sie u.&nbsp;U. ohne Verstärkung direkt in einem Lautsprecher als Knackgeräusche hörbar gemacht werden können. Zur Auslösung genügt schon ein einziges freigesetztes Elektron, der Detektor hat also die bestmögliche Empfindlichkeit. Der Plateaubereich der Arbeitsspannung heißt auch ''Geiger-Müller-Bereich''.

Verglichen mit anderen Detektoren hat das Geiger-Müller-Zählrohr wegen des Gasentladungsvorgangs eine relativ lange [[Totzeit (Teilchenmesstechnik)|Totzeit]] der Größenordnung 100&nbsp;Mikrosekunden. Daran schließt sich noch eine ähnlich lange Erholungszeit an, während der ein neuer Impuls nicht die volle Höhe erreicht.<br>
Die Totzeit entsteht dadurch, dass die Gasentladung durch einen hohen Widerstand, zum Beispiel 100&nbsp;Kiloohm, in der Hochspannungszuleitung strombegrenzt wird; das erneute Zünden nach dem Impuls wird durch einen Spannungseinbruch unterbunden. Durch einen Löschgaszusatz kann die Ionen-Lebensdauer verringert werden, sodass die Totzeit geringer wird.

Verwendet werden Geiger-Müller-Zählrohre beispielsweise zur Prüfung auf [[Kontamination (Radioaktivität)|Kontamination]] und für allgemeine Strahlenschutzzwecke. Information über Strahlenart und -energie lässt sich mit ihnen nur grob gewinnen, indem man Vergleichsmessungen mit verschiedenen zwischen [[Strahlenquelle]] und Zählrohr gebrachten [[Abschirmung (Strahlung)|Abschirmungen]] vornimmt.

== Gasfüllung ==
Als Zählrohrfüllung können viele verschiedene Gase, sogar Luft, dienen.<ref>C. Gerthsen: ''Physik'', 6. Aufl., Springer, 1960.</ref> [[Edelgas]]e wie z.&nbsp;B. Argon sind vorteilhaft zum Erzielen möglichst kurzer Impulse, weil sie keine negativen Ionen bilden, die viel langsamer als die Elektronen zur Anode wandern. Zur Detektion von Gammastrahlung wird Argon mit mehreren Bar Überdruck oder, wegen seiner hohen [[Ordnungszahl]], [[Xenon]] verwendet. Bei Ionisationskammern und Proportionalzählern wird oft ein Anteil einer gasförmigen Verbindung beigemischt, etwa Methan oder [[Kohlendioxid]]. Dieser Zusatz verringert durch unelastische Stöße die Temperatur der Elektronen und bewirkt so eine weitere Verkürzung des Stromimpulses,<ref>E. B. Paul: ''Nuclear and Particle Physics'', North-Holland, 1969, S.&nbsp;124.</ref> macht also den Detektor „schneller“. Er unterdrückt auch [[Ultraviolett]]strahlung, die zu überzähligen Impulsen führen könnte.<ref>Knoll (s. Literaturliste) S. 168.</ref>

Für den Geiger-Müller-Betrieb wird dem Gas [[Ethanol]]dampf oder ein [[Halogen]]gas ([[Chlor]] oder [[Brom]]) beigemischt. Dieses ''Löschgas'' sorgt dafür, dass nach dem Erlöschen der Gasentladung keine neue Zündung durch auf die Wand auftreffende Ionen erfolgt, indem seine Moleküle Energie durch [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziation]] statt durch Ionisation aufzehren.<ref>Paul (s. oben) S. 127.</ref>

Ortsfest betriebene Zählrohre sind in manchen Fällen nicht dicht verschlossen, sondern werden als ''Durchflusszähler'' mit langsam durchströmendem Gas betrieben. Dies vermeidet Probleme mit Verunreinigungen, chemischen Reaktionen des Gases oder kleinen Undichtigkeiten.<ref>{{Webarchiv | url=http://www.berthold.com/ww/en/pub/strahlenschutz/produkte/rpplcm/rpprodcontlb145_146.cfm | wayback=20090324011820 | text=Daten kommerzieller Strahlungsmonitoren als Beispiel}}.</ref> Bei Geiger-Müller-Zählern kann so der Ethanolzusatz, der sich im Zählrohrbetrieb sonst verbrauchen würde, konstant gehalten werden.

== Geschichte ==
[[Datei:Early Geiger counter, made by Hans Geiger, 1932. (9663806938).jpg|mini|Geigerzähler, 1932. [[Science Museum London]].]]
Ein Vorläufer der Zählrohre wurde erstmals 1913 von [[Hans Geiger (Physiker)|Hans Geiger]] beschrieben. Das Geiger-Müller-Zählrohr geht auf Geigers Entwicklungsarbeiten zusammen mit seinem Mitarbeiter [[Walther Müller (Physiker)|Walther Müller]] an der [[Christian-Albrechts-Universität zu Kiel]] zurück, deren Ergebnisse ab 1928 veröffentlicht wurden.<ref>H. Geiger, W. Müller: ''Elektronenzählrohr zur Messung schwächster Aktivitäten.'' In: ''Die Naturwissenschaften'', 16/31, S.&nbsp;617–618. (Vorgetragen und demonstriert auf der Kieler Tagung des Gauvereins Niedersachsen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft am 7. Juli 1928).</ref><ref>H. Geiger, W.Müller: ''Das Elektronenzählrohr.'' In: ''Physikalische Zeitschrift'' 29, S.&nbsp;839–841, (1928).</ref><ref>H. Geiger, W. Müller: ''Technische Bemerkungen zum Elektronenzählrohr.'' In: ''Physikalische Zeitschrift.'' 30, S.&nbsp;489–493. (1929).</ref><ref>H. Geiger, W. Müller: ''Demonstration des Elektronenzählrohrs.'' In: ''Physikalische Zeitschrift'' 30, S.&nbsp;523&nbsp;ff. (1929).</ref> Es war der erste bekannte und allgemein genutzte Detektortyp, der auf Teilchen oder Strahlungsquanten mit einem elektrischen Impuls reagierte. Die praktische Nutzung des Proportionalbereiches ist in elektronischer Hinsicht –&nbsp;Verstärkung der Impulse, Stabilität der Hochspannung&nbsp;– anspruchsvoller und wurde erst ab der Mitte des 20.&nbsp;Jahrhunderts zu einer Routinemethode.

Zu deutschen Herstellern von Geiger-Müller-Strahlungsmessgeräten und Streu-Strahlungsmessgeräten gehörte etwa die Frieseke & Hoepfner GmbH in [[Erlangen-Bruck]].<ref>''Strahlungsmeßgeräte für medizinische Anwendungen.'' In: ''Münchener Medizinische Wochenschrift.'' Band 95, Nr. 1, 2. Januar 1953, S. CXXXIV.</ref> 

Da die Impulse des Geiger-Müller-Zählrohrs für alle Teilchen gleich sind, eignet es sich vor allem zum ''Zählen'' der einfallenden Teilchen/Quanten. Die Bezeichnung „Geigerzähler“ oder „Geiger-Zählrohr“ erscheint daher natürlich. Diese Bezeichnung hat sich auf die später entwickelten Detektoren wie „Proportionalzähler“, „[[Szintillationszähler]]“ usw. übertragen, obwohl diese nicht nur zum Zählen, sondern auch zur Energiemessung und zur Unterscheidung von Strahlenarten dienen.<ref>Bernard L. Cohen: ''Concepts of Nuclear Physics''. New York usw.: McGraw-Hill, 1971, S.&nbsp;217.</ref>

== Literatur ==
* Glenn F. Knoll: ''Radiation detection and measurement.'' 2. Auflage, Wiley, New York 1989, ISBN 0-471-81504-7.
* Konrad Kleinknecht: ''Detektoren für Teilchenstrahlung''. 4. Aufl., Teubner 2005, ISBN 978-3-8351-0058-9
* Sebastian Korff: ''Das Geiger-Müller-Zählrohr. Eine wissenschaftshistorische Analyse mit der Replikationsmethode.'' In: ''NTM Zeitschrift für Geschichte der Wissenschaften, Technik und Medizin'', Band 20, Heft 4, 2012, S. 271–308, ([[doi:10.1007/s00048-012-0080-y]]).

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Geigerzähler}}
{{Commonscat|Geiger counters|Geigerzähler}}
{{Wikibooks|Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin/ Gasgefüllte Strahlungsdetektoren|Gasgefüllte Strahlungsdetektoren}}
* Rapp Instruments: [https://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/Detektoren/Geigercounter/Geigercounter.htm Bauanleitung Geiger-Müller-Zählrohr]
* [[Mineralienatlas:Geiger-Müller-Zähler]] Aufbau, Funktionsweise, Anwendung (Link vom 18. November 2016)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4131873-0}}

{{SORTIERUNG:Zahlrohr}}
[[Kategorie:Teilchendetektor]]
[[Kategorie:Dosimeter]]