Aufbau, Ablauf, Kennlinie
Aufbau des Zählrohrs
Ein Geiger-Müller-Zählrohr ist ein Kondensator in Zylinderform, der ionisierende Strahlung in einzelne Stromstöße übersetzt.
- Elektroden:Metallrohr als Kathode (−), dünner Anodendraht (+) in der Achse; dazwischen einige hundert Volt.
- Füllung:Zählgas (meist Argon) bei niedrigem Druck plus etwas Löschgas.
- Fenster:hauchdünnes Glimmerfenster, damit auch \(\alpha\)- und \(\beta\)-Strahlung eindringen kann.
- Dünner Draht:die Feldlinien laufen radial auf den Draht zu und drängen sich dort zusammen — nur direkt am Draht ist die Feldstärke groß genug für eine Lawine.
Der Ablauf — vom Teilchen zum „Klick“
Ein eintretendes Teilchen löst in Sekundenbruchteilen eine Kettenreaktion aus:
- Primärionisation:Das Teilchen schlägt aus einem Gasatom ein Elektron heraus — ein erstes Elektron-Ion-Paar entsteht.
- Beschleunigung:Das elektrische Feld zieht das freie Elektron zum positiven Draht. Nahe am Draht wird das Feld extrem stark, das Elektron wird stark beschleunigt.
- Stoßionisation:Das schnelle Elektron schlägt beim Stoß weitere Elektronen frei. Diese werden ebenfalls beschleunigt und ionisieren weiter — die Zahl verdoppelt sich lawinenartig.
- Elektronenlawine:Aus einem Startelektron werden Millionen. Sie strömen auf den Draht und erzeugen einen kurzen Stromstoß.
- Zählimpuls:Der Stromstoß wird als Spannungsimpuls registriert und als „Klick“ hörbar gemacht. Das Löschgas stoppt die Entladung sofort wieder, damit das Rohr für das nächste Teilchen bereit ist.
Die Zählrohrcharakteristik \(n(U)\)
Präparat in festem Abstand, Spannung \(U\) langsam erhöhen, Zählrate \(n\) messen:
- Unter \(U_{\text{E}}\):Feld zu schwach, kaum Lawinen — das Rohr zählt nicht zuverlässig (\(U_{\text{E}}\) = Einsatzspannung).
- Plateau:Rate nahezu konstant — jedes Teilchen löst genau einen Impuls aus.
- Dauerentladung:das Rohr „zählt durch“; die Entladung kann es zerstören.
- Betriebspunkt:Spannung in der Mitte des Plateaus wählen.
Zählrate und Totzeit:
\(n = \dfrac{\Delta N}{\Delta t} \qquad\qquad n_{\text{wahr}} = \dfrac{n}{1 - n\cdot \tau}\)
Totzeit
Aufbau: Das Zählrohr ist ein zylinderförmiger Kondensator: Metallrohr als Kathode, dünner Draht als Anode, Zählgas mit Löschgas, Glimmerfenster.
Ablauf: Ein Teilchen ionisiert das Gas, die Elektronen werden zum Draht beschleunigt und lösen durch Stoßionisation eine Lawine aus. Der Stromstoß ist der Zählimpuls; das Löschgas beendet die Entladung.
Kennlinie: Unter der Einsatzspannung zählt das Rohr nicht zuverlässig, im Plateau ist die Rate nahezu konstant (Betriebspunkt in der Mitte), darüber droht Dauerentladung.
Betriebsspannung und eingeschossene Teilchen bestimmen, ob eine Elektronenlawine zündet und ein Impuls registriert wird. Die Kennlinie unten zeigt live, in welchem Bereich das Rohr arbeitet. Im Bereich-Quiz wird die angezeigte Spannung einem Bereich zugeordnet.
Jedes Teilchen löst eine volle Lawine aus — 1 Teilchen = 1 Impuls.
| eingeschossene Teilchen | 0 |
| registrierte Impulse | 0 |
| Nachweis | 1 : 1 zuverlässig |
In welchem Bereich arbeitet das Rohr? Die angezeigte Betriebsspannung gehört zu einem der drei Bereiche.
Allgemeine Hinweise
Betriebspunkt ins Plateau
Betriebsspannung immer in die Mitte des Plateaus legen. Dort ändert sich die Zählrate kaum, wenn die Spannung leicht schwankt — die Messung wird stabil.
Totzeit bedenken
Nach jedem Impuls ist das Rohr kurz „blind“ (\(\tau\approx 10^{-4}\,\mathrm{s}\)). Bei hohen Raten die wahre Zählrate \(n/(1-n\tau)\) berechnen.
Nulleffekt abziehen
Auch ohne Präparat klickt das Rohr — durch Untergrundstrahlung (Höhenstrahlung, natürliche Radioaktivität). Diesen Nulleffekt stets von der Messrate abziehen.