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Einer dieser Detektoren, die eine elektrische Ladung mit Hilfe von elektrischen Feldern einsammeln, ist die Ionisationskammer. Sie besteht meist aus einem gasgefüllten, zylinderförmigen Gehäuse, in das zwei Elektroden eingebaut sind. Meistens stellt das Gehäuse selbst eine der beiden Elektroden dar, während die zweite Elektrode in Form einer langen, dünnen Metallstange zentriert in die zylindrische Kammer eingebracht wird.
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Abbildung 3-12 Die Ionisationskammer
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Im Prinzip besteht sie aus zwei gegenüberliegenden Kondensatorplatten, zwischen denen ein elektrisches Feld aufgebaut wird. In der Praxis wird die Ionisationskammer aber meist als zylinderförmiges Gefäß mit langer, dünner Innenelektrode gebaut.
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Zwischen den beiden Elektroden baut sich, so eine elektrische Spannung vorhanden ist, ein elektrisches Feld auf.
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Abbildung 3-13 Das elektrische Feld in einer Ionisationskammer
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Die Abbildung zeigt den Verlauf der elektrische Feldlinien in einer Ionisationskammer.
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Zu dieser Bauweise entscheidet man sich unter anderem aus einem wichtigen Grund. Da die Wahrscheinlichkeit, dass Ladungsträger rekombinieren, also wieder neutrale Atome bilden und somit für eine Messung verloren sind, stark mit der Geschwindigkeit sinkt, mit der sich die Elektronen und Ionen auf die Elektroden zu bewegen, möchte man möglichst hohe Feldstärken erreichen, um die Ladungsträger auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Gerade in der Nähe der mittleren, dünnen Elektrode sind die Feldlinien sehr dicht, was wiederum eine hohe Feldstärke bedeutet. Daher hat man in der Nähe der dünnen Elektroden eine hohe Ausbeute an Ladungsträgern.
Vom Prinzip her ist die Ionisationskammer aber ein einfacher Kondensator, und es spricht nichts dagegen, sich aus Gründen der verbesserten Anschaulichkeit die Ionisationskammer als zwei gegenüberliegende Kondensatorplatten vorzustellen:
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Abbildung 3-14 Die Ionisationskammer als Kondensator
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Eine Ionisationskammer ist ein gasgefüllter Kondensator. An den beiden Kondensatorplatten liegt eine Spannung, die zu einer Aufladung des Kondensators führt.
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Wenn nun ein geladenes Strahlungsteilchen wie etwa ein Elektron oder ein Heliumkern in das Füllgas des Kondensators eintritt, so erzeugt es entlang seines Weges positive und negative Ladungsträger, sogenannte Ionen.
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Abbildung 3-15 Die Ionisationskammer als Kondensator
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Wenn ein ionisierendes Teilchen in das Füllgas einer Ionisationskammer gelangt, erzeugt es dort eine große Zahl von Ionenpaaren entlang seines Weges durch das Medium.
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Diese freien Ladungsträger beginnen sofort, sich entlang der elektrischen Feldlinien zu bewegen. Wenn sie an den geladenen Kondensatorplatten ankommen, werden sie als Entladungsstrom registriert.
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Abbildung 3-16 Die Ionisationskammer als Kondensator
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Durch das elektrische Feld in der Ionisationskammer werden die entstehenden Ladungen sofort getrennt und abgesaugt. Je stärker das elektrische Feld ist, umso kleiner ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Ionen rekombinieren.
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Die Ströme, die sich durch diesen Ionenfluss ergeben, liegen für Ionisationskammern im Bereich von Piko Ampere (pA, 10-12 Ampere). So kleine Ströme können nur mehr mit speziellen Verstärkern und Messgeräten erfasst werden. In den Zeiten, als Viktor Hess mit seinen Versuchen im Ballon unterwegs war, gab es dergleichen freilich noch nicht. Hess konnte also nicht den Entladungsstrom direkt messen. Aber er sah die Möglichkeit, die Abnahme des Potentials zwischen den Kondensatorplatten zu bestimmen. Der Potentialverlust ergab sich daraus, dass die radiogenen Ionen mit der Zeit die ursprüngliche Ladung am Kondensator mehr und mehr ausglichen. Aus der Kondensatorgleichung Q = C·U ergibt sich, dass mit sinkender Ladung auch die Spannung am Kondensator abnehmen muss, da die Kapazität C für den Kondensator eine unveränderliche Konstante ist. Außerdem ersieht man aus der Kondensatorgleichung, dass man die Kapazität des Kondensators möglichst klein wählen muss, wenn man damit kleine Ionisationsströme messen will. Kleine Ströme führen zu kleinen Ladungsänderungen, die man erst als Änderung der Spannung ablesen kann. Also sollte die Spannungsdifferenz
möglichst groß sein, was man eben dadurch erreicht, dass die Kapazität C möglichst klein ist. [5,6]
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