Wir ziehen um. 
Jeder hier kennt Geigerzähler, manche wissen eventuell auch schon wie sie funktionieren.
Viele haben sich schon einen Geigerzähler selber gebaut, aber alle besorgen sich fertige Detektoren dafür.
Dabei ist der Aufbau an sich absolut simpel, ein Geiger Müller Zählrohr ist wirklich nur ein Rohr (die Kathode) mit einem Draht (Anode) in der Mitte.
Zwischen Anode und Kathode liegt eine Hochspannung an, und der Raum zwischen ihnen ist mit Gas gefüllt. Wenn nun ionisierende Strahlung das Gas trifft wird es ionisiert, und die Elektronen & Ionen werden entsprechend dem elektrischen Feld zu den jeweiligen Elektroden beschleunigt.
Da ein coaxiales elektrisches Feld zum Innenleiter hin eine immer höhere Feldstärke hat werden die Elektronen immer stärker beschleunigt, hierbei sammeln sie weiter kinetische Energie bis sie genug haben um das Gas, durch das sie fliegen, weiter zu ionisieren. Dadurch entstehen weitere Elektronen-Ionen Paare, die durch den beschriebenen Prozess immer weitere Paare erzeugen, bis es einen beachtlichen Strom gibt und es im Gas eine Glimmentladung gibt.
Hier sieht man die Entladung super:
https://www.youtube.com/watch?v=CxkPjTVsM-o
Den Strom kann man messen, und jeder Impuls ist eben ein Tick des Geigers.
Der Effekt nennt sich Gasverstärkung; wenn die Verstärkungso groß ist, dass sie zu einer "richtigen" Entladung führt ist man im "Geiger Bereich" und nenn sie auch Townsend Avalanche.
Der Verstärkungsfaktor ist abhängig von vielen Faktoren, wie den Durchmessen der Anode & Kathode, der Anodenspannung, aber auch dem Gas und dessen Druck.
Ist die Verstärkung zu niedrig haben die Elektronen nicht genug Energie um weiter zu ionisieren, ist sie zu hoch hat man eine Gasentladungslampe.
Aber was ist wenn sie "genau in der Mitte" liegt?
Wenn die Gasverstärkung typischerweise einen Faktor von 10² bis 10⁴ hat ist man im sogenannten "Proportionalbereich". Hier ist das Ausgangssignal kein binäres (Entladung vs keine Entladung), sondern proportional zu der Zahl der ursprünglichen Ionenpaare.
Damit kann man unglaublich viel Information aus seinem Detektor ziehen, im Gegensatz zu dem "Strahlung da oder auch nicht" vom Geigerzähler.
Eine der einfachsten Anwendungen ist die Unterscheidung von verschiedenen Teilchen, wie zb. Alpha und Beta.
Alphastrahlung hat eine sehr große Energie von 2 bis 10 MeV pro Teilchen und gibt aufgrund der hohen Masse diese Ladung über eine ehr kurze Strecke ab, in Luft sind das wenige Centimeter.
Betastrahlung hat meist weniger Energie, von 50 keV bis 2 MeV pro Teilchen, und gibt diese vorallem über eine viel größere Strecke ab, bei 100 keV über knapp 13 cm in luft, bei 1 MeV schon fast 4 Meter.
Wenn ein Teilchen das Gas im zähler trifft erzeugt es Elektronen-Ionen Paare und verliert dabei eine genau bekannte Energie bei jeder ionisation, je nach Gas 20 bis 40 eV pro paar.
Damit kann man dann ganz einfach ausrechnen wie groß das zu erwartende Signal ist, wenn man die Geometrie seines Detektors kennt.
Nehmen wir an unser Zähler hat 4 cm Durchmesser, ist mit Argon bei Raumdruck gefüllt und wird mit einem 4 MeV Alpha getroffen.
Das Teilchen wird nach ca. 27 mm gestoppt, gibt also seine komplette Energie an das Gas ab. In Argon werden 26 eV pro Paar benötigt, damit haben wir in etwa 154000 Elektron-Ionen Paare.
Bestrahlen wir nun den gleichen Detektor mit 500 keV Betastrahlung würden die Betas ~140 cm weit im Argon fliegen, geben also nur knapp 2.8% ihrer Energie im Detektor ab.
Diese 2.8% erzeugen knapp 540 Ladungspaare im Gas.
Hier sieht man schön, dass Alphas und Betas in einem Proportionaldetektor sehr unterschiedliche Signalamplituden geben und damit einfach zu unterscheiden sind.
Ein Geigerzähler würde bei beidem einen Impuls geben, und damit die Information über das Teilchen komplett verwerfen.
Aber genug der Theorie, wie sieht so ein Detektor im echten Leben aus?
Ich habe zwei verschiedene Varianten gebaut, einen so genannten 2 pi Zähler, und ein klassischeres Zählrohr.
Der 2 pi Zähler heißt so, weil er eine Halbkugel abdeckt (kugeloberfläche ist 4*pi*r², => "2 pi" = Halbkugel), und damit theoretisch 50% aller Teilchen Detektieren kann die von der Probe aus abgeschickt werden. Er besteht aus einer Edelstahl-Halbkugel mit zwei Schlauchtüllen für Gas ein- und auslass, und einer BNC Buchse als "Durchführung" und um den Anodendraht zu halten.
Die Anode ist eine Schleife aus 60 µm dickem Draht und hängt einfach an dem BNC, in etwa mittig in der Halbkugel.
https://www.youtube.com/watch?v=Wpvgp-UbHcQ
Mein zweiter Zähler ist eine klassische coaxiale Konstruktion, aus einem Alurohr mit einem 60 µm Draht entlang der Mittelachse als Anode.
Das Rohr hat dann noch ein Fenster aus Mylar folie bekommen, um Gas drinnen zu behalten, aber Alphas rein zu lassen.
Alu schweißen ist nicht meine stärke, aber es hält, und das ist das wichtigste
Auf den Bildern hat das rohr noch doppelseitiges Klebeband drauf, damit habe ich das Mylar befestigt.
Die anode wird mit einer Feder auf spannung gehalten, das sieht man auf dem letzten bild.
https://www.youtube.com/watch?v=p0EoeG-ofic
Ich bin ziemlich zufrieden mit den Ergebnissen die ich hier erreicht habe, der nächste Schritt wäre ein dichtes Rohr das ich einmal fülle und dann ohne konstanten Gasfluss betreiben kann.
Das wird aber ein bisschen schwerer, denn mit dem fragilen fenster kann ich nicht einfach evakuieren und befüllen, da muss ich mir noch etwas überlegen.
Hoffe ihr fandet das hier interessant, Fragen sind immer gerne gesehen!
Lukas
