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Nachweis radioaktiver Strahlung


 

Allgemeines über radioaktive Strahlung:

Die Strahlung radioaktiver Stoffe besteht aus einzelnen Teilchen (beispielsweise Alpha-Teilchen). Diese Teilchen, die von einem Atom(kern) emittiert werden, sind in der Regel sehr energiereich und übertragen daher Energie auf andere Stoffe (wenn dieses zusammentreffen). Wird nun Energie übertragen, kann das "getroffene" Atom bzw. Molekül ionisiert werden (dazu muss eine bestimmte Energiemenge übertragen werden). Da der Mensch über kein Sinnesorgan für diese Teilchen bzw. radioaktive Strahlung verfügt, müssen zum Nachweis radioaktiver Strahlung technische Messgeräte verwendet werden.  Für den Nachweis radioaktiver Stoffe bzw. deren Teilchen verwendet man eine Nebelkammer oder ein Zählrohr. In diesem Kapitel soll der Aufbau und die Funktionsweise eines Zählrohrs vorgestellt werden.


Der Nachweis radioaktiver Strahlung mit Hilfe eines Zählrohrs

Wie eingangs erwähnt, besteht radioaktive Strahlung aus Teilchen, die mit Hilfe eines Messgerätes nachgewiesen werden können. In der Regel verwendet man heute ein Geiger-Müller-Zählrohr, das aus einem Zählgerät und einem Lautsprecher besteht. Die Funktionsweise eines Zählrohrs bzw. eines Geiger-Müller-Zählrohrs ist folgende: 

Ein Zählrohr enthält einen dünnen zylinderförmigen Metallmantel, in dem sich ein Draht befindet. Wie bei allen modernen Sensoren, basiert das Prinzip eines Zählrohrs auch auf der Erzeugung und Messung eines Spannungsimpulses (d.h. es wird kurzzeitig "Spannung" erzeugt, die gemessen wird). Damit der Draht (während der Messung) nicht durch den Metallmantel beeinflusst wird, wird der Draht gegenüber dem Metallmantel bzw. dem Gehäuse isoliert.

Damit nun ein Spannungsimpuls erzeugt und gemessen werden kann, ist der Draht mit einer Spannungsquelle verbunden. Ohne nun genauer auf den Aufbau des Stromkreises einzugehen (siehe dazu die Kapitel im Bereich Elektronik), wird der Draht mit dem positiven Pol der Spannungsquelle und der Metallmantel mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden.

Das Zählrohr ist gefüllt mit einem Edelgas, dieses dient zur Erzeugung von Elektronen, die einen Spannungsimpuls erzeugen. Gelangt nun radioaktive Strahlung durch das sogenannte Glimmerfenster in das Innere des Zählrohrs, trifft die "Strahlung" auf die Gasteilchen und ionisiert diese. Durch die Ionisierung der Gasteilchen entstehen Elektronen, die anschließend nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang sei die Bedeutung der Ionisation der Gasteilchen erwähnt. Durch die Ionisation der Gasteilchen entstehen geladene Teilchen. Dadurch wird das Gas im Zählrohr elektrisch leitend und führt (in Kombination) mit den Elektronen zu einem Stromfluss mit einer bestimmten Stärke. Durch diesen Stromfluss ändert sich auch der Widerstand (und gemäß dem Ohmschen Gesetz auch die Spannung). Jede Spannungsänderung führt anschließend zu einem Knacksen im Lautsprecher, was wir am Geiger-Müller-Zählrohr wahrnehmen können.

Leider ist die "reale" Funktionsweise eines Zählrohrs bzw. Geiger-Müller-Zählrohr doch etwas komplizierter. Denn die "radioaktive Strahlung", die durch das "Fenster" in den Innenraum des Zählrohrs gelangt, würde nur wenige Elektronen (durch Ionisation der Gasteilchen) freisetzen. Daher muss die bisher erwähnte Funktionsweise etwas abgewandelt werden.

Damit mehr Elektronen "detektiert" werden können, verwendet man ebenfalls ein bekanntes Prinzip aus der Elektrotechnik. Der Draht, befindet sich am positiv geladenen Pol der Spannungsquelle. Erhöht man die Spannung (auf mehrere hundert Volt), so wirkt ein stärkeres elektrisches Feld erzeugt. Die Elektronen, die durch die Ionisation der Gasteilchen erzeugt wurden, werden nun stärker von dem positiv geladenen Draht angezogen. Durch diese "Beschleunigung" steigt die Energie der Elektronen. Dadurch haben die Elektronen (zu einem bestimmten Teil) genug Energie,um aus weiteren Atomen (beispielsweise dem Edelgas) Elektronen herauszustoßen. Dadurch kommt es zu einer Kettenreaktion. Diese Kettenreaktion hat zwei Folgen, zum einen Erhöht sich die Zahl der Elektronen, die den Stromfluss darstellen, zum anderen steigt die Zahl der ionisierenden bzw. ionisierten Teilchen.

Wie bereits erwähnt, führt die Ionisation der Gasteilchen zu geladenen Teilchen, die innerhalb des Zählrohrs nun einen Stromfluss ermöglichen. In dem Stromkreis zwischen Draht, Metallmantel und Spannungsquelle wird noch ein Widerstand eingebaut. Fließt nun ein Strom (durch die Ionisation der Gasteilchen), tritt nun auch gemäß dem Ohmschen Gesetz an dem Widerstand eine Teilspannung auf. Gemäß den Kirchhoffschen Regeln sinkt dadurch die Teilspannung am Zählrohr. Diese beträgt (nur) noch  U(Zählrohr) = U (Spannungsquelle) -  I · R  (Teilspannung am Widerstand)

Nun sind Zählrohre so gebaut, dass die Spannung soweit absinkt, dass diese nicht mehr ausreicht, um wie oben beschrieben, Elektronen zu beschleunigen bzw. einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Dadurch bricht die Kettenreaktion ab. Dadurch wird das Gas nicht mehr ionisiert und steht für das nächste radioaktive Teilchen bereit, dass durch das Glimmerfenster in den Innenraum des Zählrohrs tritt und eine erneute Ionisation auslöst. Dadurch erzeugt jedes einzelne Teilchen einer radioaktiven Strahlung eine Spannungsänderung am Widerstand, die gemessen wird. Jeder dieser Spannungsänderungen (auch als Spannungsimpuls bezeichnet) erzeugt ein Knacksen im Lautsprecher.

Aufbau eines Zählrohrs


Ein Zählrohr kann aber nicht nur qualitativ verwendet werden (radioaktive Strahlung vorhanden), sondern auch quantitativ. So wird der Quotient aus Zahl der Knackse durch den Zeitintervall (=vergangene Zeit) als die sogenannte Zählrate bezeichnet. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass ein radioaktiver Stoff radioaktive Strahlung nicht gleichmäßig emittiert (= statistischer Effekt)

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