Die neuen Messgeräte

6.3   Das Geiger-Müller-Zählrohr

Beim Geiger-Müller Zählrohr (GM-Zählrohr) handelt es sich um einen der ältesten Detektorentypen, die immer noch im Gebrauch sind. Es wurde bereits im Jahre 1928 von Hans Geiger und seinem Kollegen Müller vorgestellt.

Zu den entscheidenden Vorzügen des Zählrohres gehören, dass es nach einem sehr einfachen Konzept funktioniert, dass es unkompliziert zu handhaben und günstig in der Anschaffung ist.

Das GM-Zählrohr ist ein gasgefüllter Detektor und arbeitet mit Ionisation, also nach dem gleichen Prinzip wie die Ionisationskammer, wie sie im Kapitel 3.3.2.1 dargestellt ist. Der wesentliche Unterschied liegt in den Entladungskaskaden, die beim GM-Zählrohr auftreten.

In der Ionisationskammer kommen elektrische Felder zum Tragen, die gerade stark genug sind, um die radiogenen Ionen abzutransportieren. Im GM-Zählrohr sind die Spannungen hingegen so groß gewählt, dass die Elektronen auf ihrem Weg durch das Füllgas stark beschleunigt werden. Mit der Geschwindigkeit der Elektronen steigt auch deren Energie. Unterwegs stoßen die Elektronen immer wieder mit Atomen und Molekülen des Füllgases zusammen. Ist die Geschwindigkeit der Elektronen ausreichend angewachsen, so reicht deren Energie, um die gestoßenen Moleküle zu ionisieren. Dabei entstehen wieder neue Ladungsträger, nämlich negativ geladene freie Elektronen und positiv geladene Atomrümpfe, denen ein Elektron fehlt. Auch diese Ladungsträger werden nun im bestehenden elektrischen Feld des GM-Zählrohres beschleunigt und bei weiteren Stößen ihrerseits freie Ladungsträger erzeugen. Es bildet sich eine Ladungslawine aus, die als Entladungskaskade bezeichnet wird. Um die benötigten elektrischen Feldstärken zu gewährleisten werden auch beim GM-Zählrohr ein feiner Draht als Innenelektrode verwendet. In der Nähe des Drahtes entstehen durch die Spitzenwirkung sehr starke elektrische Felder.

In Gasen, wie sie typischerweise in GM-Zählrohren verwendet werden, treten solche Entladungskaskaden ab Spannungen von etwa 10⁶ V/m auf.

Bei solchen Spannungswerten ist die Gesamtzahl der Ladungsträger, die in der Entladungskaskade entstehen, noch proportional zu der Anzahl der Ionen, die direkt durch die Einwirkung einer radioaktiven Strahlung im Zählervolumen entstanden sind. Im Falle des GM-Zählrohres wird die Spannung aber so hoch gewählt, dass durch die Kettenreaktion der Ionenerzeugung eine elektrische Entladung über das ganze Kammervolumen stattfindet, egal wie groß das ursprüngliche Signal war. Mit einem GM-Zählrohr kann man daher nur einzelne radioaktive Ereignisse zählen, eine Information über die Energie der radioaktiven Strahlung geht hingegen verloren.

Durch diese großen, lawinenartigen Effekte, die jedes Strahlungsereignis verursacht erhält man bei der Arbeit mit dem GM-Zählrohr ein deutliches elektrisches Signal, das sich sehr einfach messen und zählen lässt. Aufwendige Messanordnungen mit Vorverstärkern und Verstärkern sind nicht notwendig. Daher eignet sich das GM-Zählrohr vor allem z.B. für Messungen im freien Feld, wo ohne großem finanziellen und technischen Aufwand schnelle Messungen durchgeführt werden sollen.

Dafür weist das Zählrohr auch einige Mängel auf:

• Informationen über die Energie der radioaktiven Strahlung gehen verloren.
• Das GM-Zählrohr weist eine unverhältnismäßig hohe Totzeit auf, die weit über der anderer Detektoren liegt. Das bedeutet, dass das GM-Zählrohr nach dem Nachweis eines radioaktiven Ereignisses lange braucht, bis sich so weit erholt hat, ein weiteres Ereignis nachweisen zu können.
• Das Zählrohr ist daher nur für geringere Zählraten geeignet und Totzeitkorrekturen müssen bereits bei wenigen hundert Ereignissen pro Sekunde vorgenommen werden, wo andere Detektorsysteme noch lange nicht ausgelastet sind.

Das Zählrohr hat eine beschränkte Lebensdauer, weil die Moleküle seines Füllgases während seines Gebrauches aufgespaltet werden. Irgendwann ist der Punkt erreicht, an dem so viele Moleküle zerstört wurden, dass sich die Entladungskaskaden nicht mehr ungehindert ausbilden können und ein zuverlässiger Betrieb unmöglich wird. Typische GM-Zählrohre haben eine Lebensdauer von etwa 10⁹ (eine Milliarde) Ereignissen. [5,6]