6.3 Detektoren

Bei Vorgängen in der Atomhülle werden Photonen ausgesendet, die wir mit unseren Augen wahrnehmen können. Bei Vorgängen im Atomkern werden Objekte emittiert, die so energiereich sind, dass wir sie mit unseren Sinnen nicht direkt wahrnehmen können. Erst die Entwicklung von geeigneten Geräten haben den Fortschritt in der wissenschaftlichen Erforschung der Kernphysik ermöglicht.

Die Forschungen zur Kernphysik begannen im Jahr 1896 als Becquerel beobachtete, dass Uransalze eine Photoplatte schwärzen konnten. In den folgenden Jahrzehnten lernten die PhysikerInnen, dass Atomkerne vier Arten von radioaktiver Strahlung aussenden können. Drei Arten haben Sie bereits in der Mittelstufe kennengelernt:

• Alpha-Strahlen: das sind Heliumkerne, die aus 2 Protonen und 2 Neutronen bestehen und elektrisch zweifach positiv geladen sind.
• Beta-Strahlen: das sind Elektronen, die auf extrem hohe kinetische Energien beschleunigt wurden.
• Gamma-Strahlen: das sind Photonen, die sich (wie alle anderen Photonen auch) mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und eine extrem große Energiemenge transportieren, denen also eine sehr große Frequenz bzw. eine sehr kleine Wellenlänge zugeordnet werden kann.

Die vierte Art der radioaktiven Strahlung sind Neutronen mit großer kinetischer Energie. Da Neutronen elektrisch neutral sind, kann man sie nicht durch elektrische oder magnetische Felder ablenken. Auch kann man Neutronen nicht wie Photonen durch Photodetektoren detektieren. Die Messung von freien Neutronen ist daher deutlich komplizierter als die Messung der anderen drei Arten radioaktiver Strahlung.

In vielen Jahren der Forschung zum radioaktiven Zerfall hat man Masse und Energie von radioatkiven Atomen und ausgesandten Quantenobjekten addiert und dabei festgestellt, dass bei der Energiebilanz Energie fehlt. Um die Energiebilanz zu reparieren, hat man die Existenz noch weiterer Quantenobjekte postuliert: Neutrinos.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Quantenobjekte, die eine sehr geringe Masse haben. Daher der Name: Neutrino als eine Art Mini-Neutron. Neutrinos haben nur eine sehr geringe Wechselwirkungswahrscheinlichkeit mit Materie, so dass Neutrinos leicht die gesamte Erde durchdringen können, ohne mit anderen Quantenobjekten wechselzuwirken. Neutrinos kann man nicht direkt mit Messgeräten nachweisen.

Die Quantenobjekte, aus welchen radioaktive Strahlung besteht, sind extrem klein und ein einzelnes Quantenobjekt transportiert nur eine extrem kleine Energiemenge. Die Einwirkung eines einzelnen Quantenobjekts auf ein Messgerät ist daher extrem schwach. Wenn man es schaffen möchte, einzelne radioaktive Quantenobjekte zu messen, muss man Messgeräte entwerfen, welche die Einwirkung von wenigen oder sogar einzelnen so stark verstärkt, dass das Messgerät ein Signal auslösen kann, welches wir mit unseren makroskopischen Sinnen wahrnehmen können.

Eines der ersten historischen Versuche für die indirekte Beobachtung solcher Quantenobjekte war der Öltröpfchenversuch von Millikan, mit dem die Ladung eines Elektron erstmals experimentell bestimmt werden konnte: ein ungeladenes Öltröpfchen fällt unter dem Einfluss der Schwerkraft und Luftreibung und wird dabei unter einem Mikroskop beobachtet. Wenn es einige Elektronen auffängt und dadurch aufgeladen wird, kann man mit Hilfe eines Kondensators ein Feld erzeugen, so dass die elektrische Kraft und die Schwerkraft vom Betrag gleich groß sind und das Tröpfchen schwebt. Auf der LEIFI-Physikseite können Sie nachlesen, wie man daraus die Ladung eines ELektrons bestimmen kann: Millikan-Versuch. Alpha-Strahlen und Beta-Strahlen bestehen aus geladenen Quantenobjekten, so dass man diese mit ähnlichen Experimenten wie dem Millikan-Versuch untersuchen könnte.

Gamma-Strahlen bestehen aus Photonen und Sie kennen nur eine einzige Wechselwirkung, mit welcher man Photonen detektieren kann: sie werden von Elektronen absorbiert. Freie Elektronen, welche die Photonen absorbiert haben, gewinnen kinetische Energie. Die gewonnene kinetische Energie lässt sich messen, so dass aus der Messung der kinetischen Energie der Elektronen auf die Energie der absorbierten Photonen geschlossen werden kann. Ein an ein Atom gebundenes Elektronen ändert seinen Energiezustand, wenn es ein Photon absorbiert, so dass sich der Zustand des Atoms ändert, an welchen das Elektron gebunden ist. Diese Zustandsänderung lässt sich mit geeigneten Methoden messen. Ist die Energie des Photons hinreichend groß, könnte das Elektron, welches das Photon absorbiert die Bindung an das Atom überwinden, so dass das Atom ionisiert wird. Sobald ein Atom ionisiert wurde, hat man wieder geladene Quantenobjekte, die mit elektrischen Feldern beeinflusst werden können.

Durchfliegt ein geladener Heliumkern (Alpha-Strahlung) ein Gas, dann kann dieser mit einem Hüllenelektronen wechselwirken und Energie auf dieses übertragen. Ist die übertragene Energie groß genug, kann das Hüllen-Elektron vom Atom abgetrennt werden, so dass das Atom als Ion zurückbleibt. Da das Alpha-Teilchen eine wesentlich größere Masse als das Elektron hat, wird es durch die Wechselwirkung mit dem Hüllenelektron kaum abgelenkt. Auf seiner fast geradlinigen Bahn durch das Gas wechselwirkt es mit vielen weiteren Atomen und verliert allmählich seine Energie, bis es zum Stillstand kommt. Es hinterlässt eine Spur von Ionen und freien Elektronen.

Diesen Mechanismus kann man nutzen, um das Alpha-Teilchen indirekt sichtbar zu machen. Erstmals hat sich Wilson im Jahr 1907 ein solches Experiment ausgedacht, für das er 1927 den Nobelpreis für Physik bekam: Wilsonsche Nebelkammer.

Zwei moderne Varianten der Wilsonschen Nebelkammer sind

• Expansionsnebelkammer ,
• Kontinuierliche Nebelkammer .

Ein einfacher Detektor ist ein Elektroskop-Detektor, das in einem gasgefüllten Volumen eingebaut ist. Zuerst wird das Elektroskop durch Ladungszufuhr von aussen aufgeladen. Der Zeiger und der Stab an welchem der Zeiger befestigt ist, stoßen sich gegenseitig ab. Die Auslenkung des Zeigers ist ein Maß für die Aufladung des Elektroskops. Tritt Kernstrahlung durch eine geeignete Öffnung (die wenig von der Strahlung absorbiert) in das Elektroskop ein, ionisiert die radioaktive Strahlung Gasatome. Freie Gasionen oder freie Elektronen werden je nach Ladung des Elektroskops von den geladenen Bauteilen angezogen. Wenn sich dann Ionen bzw. Elektronen auf dem Elektroskop ansammeln, wird ein Teil der Ladung des Elektroskops neutralisiert und das Elektroskop entlädt sich.

Aus der Entladung des Elektroskops kann man folgern, dass radioaktive Strahlung in das Elektroskop eingetreten sein muss. Damit eine Entladung beobachtet werden kann, müssen viele Gasatome ionisiert werden. Ein Elektroskop-Detektor ist daher ein sehr unempfindliches Messgerät.

In einem Gasionisationsdetektor wird in einer experimentellen Anordnung die Fähigkeit radioaktiver Strahlung genutzt, ein Gas ionisieren zu können. Der Aufbau eines solchen Detektors wird in folgender Darstellung abgebildet:

In einem Metallgefäß befindet sich ein Gas und in der Mitte des Metallgefäßes ist mittig ein Draht eingebaut. Vorne am Metallgefäß befindet sich ein dünnes Fenster, welches radioaktive Strahlung weitgehend passieren lässt. Zwischen dem mittig angeordneten Draht und der Metallhülle wird eine Spannung angelegt. Aufgrund des Aufbaus ist die Feldstärke in der Nähe des Drahts sehr hoch und nimmt nach außen hin ab. Ein Gasionisationsdetektor funktioniert wie folgt:

• Die radioaktive Strahlung dringt in das Gas ein, überträgt Energie an ein Hüllenelektron eines Gasatoms. Wenn die übertragene Energiemenge größer ist als die Ionisationsenergie der Atomsorte, verlässt das Elektron das Atom. Ein Gasatom, das weniger Elektronen als Protonen hat, ist elektrisch positiv geladen und wird Ion genannt. Es entsteht ein Elektron-Ion-Paar.
• Die freien negativ geladenen Elektronen werden in Richtung des positiv geladenen Drahts beschleunigt und von diesem aufgenommen.
• Die positiv geladenen Gasatome (Ionen) werden in Richtung der negativ geladenen Metallhülle beschleunigt. Erreichen die Ionen die Elektrode, nehmen sie Elektronen auf und werden dadurch wieder neutralisiert.
• Im Stromkreis entsteht dadurch eine Ladungsverschiebung, die über dem Widerstand \(R\) mit einem geeigneten Meßgerät gemessen werden kann.

Im folgenden Diagramm ist die Abhängigkeit der Anzahl der Gas-Ionen von der angelegten Spannung zwischen den Elektroden bei einer einfallenden Alpha-Strahlung (obere Messkurve) und einer einfallenden Beta-Strahlung (untere Messkurve) abgebildet.

Quelle: Weidner, Sells; Elementary Modern Physics; Allyn and Bacon; Boston 1973

Erklärung der Betriebsarten eines Gasionisationsdetektors

Bereich A: Rekombinationsbereich

• die angelegte Spannung ist noch klein, weswegen das elektrische Feld zwischen den Elektroden schwach ist.
• Wenn die ankommende radioaktive Strahlung ein Elektron-Ion-Paar bildet, dann wirken auf die Elektronen und die Ionen zwei Kräfte:
  • Ionen und freie Elektronen ziehen sich gegenseitig an
  • die geladenen Elektroden ziehen sehr schwach die Elektronen und Ionen an
• Da das elektrische Feld der Elektroden sehr schwach ist, können viele der Ionen und Elektronen rekombinieren und wieder neutrale Atome bilden, bevor sie die Elektroden erreichen.
• Die Ladungsverschiebung im äußeren Stromkreis ist so gering, dass radioaktive Strahlung nicht verlässlich gemessen werden kann.

Bereich B: Ionisationskammerbereich

• Wenn die Spannung zwischen den Elektroden so weit erhöht wird, dass keine Rekombinationen von Elektronen und Gasionen mehr stattfinden, die durch die radioaktive Strahlung erzeugt wurden, dann erreichen alle freien Elektronen und alle Gasionen die Elektroden.
• Ein einzelnes Quantenobjekt der radioaktiven Strahlung erzeugt relativ wenige Elektron-Ion-Paare. Wenn eine kontinuierliche radioaktive Strahlung in den Detektor eintritt, werden kontinuierlich Elektron-Ion-Paare erzeugt, so dass kontinuierlich Elektronen von den Elektroden aufgenommen bzw. abgegeben werden.
• Wenn der Widerstand \(R\) klein ist und in den Stromkreis ein Amperemeter (Stromstärkemessgerät) eingebaut wird, dann kann eine geringe aber relativ konstante Stromstärke gemessen werden.
• Da ein Quantenobjekt der Alpha-Strahlung (Helium-Kern) aufgrund seiner viel größeren Masse meist eine viel größere Energie transportiert als ein Quantenobjekt der Beta-Strahlung (Elektron), kann ein Alpha-Heliumkern viel mehr Gasatome ionisieren, als ein Beta-Elektron oder ein Gamma-Photon.

Bereich C: Proportionalbereich

• Wenn die Spannung weiter erhöht wird, werden die freien Elektronen, welche durch die radioaktive Strahlung aus einem Gasatom gelöst wurden, stark beschleunigt. Ab einer bestimmten Spannung gewinnen diese freien Elektronen so viel kinetische Energie, dass auch sie bei einer Wechselwirkung mit einem neutralen Gasatom dieses ionisieren können.
• Erhöht man die Spannung weiter, dann erreicht ein gelöstes Elektron wieder eine kinetische Energie, die größer ist als die notwendige Ionisationsenergie und kann ein weiteres Gasatom ionisieren. Es tritt ein Lawineneffekt ein: ein einziges durch ein Quantenobjekt aus der radioaktiven Strahlung gebildetes Elektron-Ion-Paar kann die Gesamtanzahl der Ionen um ein tausendfaches und mehr erhöhen, indem ein aus einem Gasatom gelöstes Elektron weitere Gasatome ionisiert, da es nach jeder Ionisation wieder beschleunigt wird.
• Der Lawineneffekt liefert einen beträchtlich vergrößerten Strom- bzw. Spannungsstoß. Dabei gilt, dass dieser Spannungsstoß um so größer ist, je größer die Energie des auslösenden Quantenobjekts der radioaktiven Strahlung ist. Ein Beispiel:
  • Ein hochenergetischer Alpha-Heliumkern ionisiert z.B. 1000 Gasatome. Der Lawineneffekt vergrößert die Anzahl um einen Faktor 10.000, so dass der Heliumkern 10.000.000 Ionen erzeugt hat.
  • Eine andere radioaktive Quelle liefert Alpha-Heliumkerne, die noch energiereicher sind. Ein Heliumkern ionisiert 3000 Gasatome. Der Lawineneffekt vergrößert die Anzahl wieder um einen Faktor 10.000, so dass der energiereichere Heliumkern 30.000.000 Ionen erzeugt hat.
• Der Spannungsimpuls ist proportional zur Energie eines ionisierenden Quantenobjekts aus der radioaktiven Strahlung. Daher nennt man diesen Bereich den Proportionalitätsbereich des Detektors.

Bereich D: Geiger-Müller-Zählbereich

• Bei sehr hohen Spannungen von vielen hundert Volt löst bereits ein einziges Quantenobjekt aus der radioaktiven Strahlung eine erhebliche Ionisationslawine aus.
• Die Anzahl der erzeugten Ionen ist dabei unabhängig von der Energie des Quantenobjekts, welches die Lawine ausgelöst hat.
• Wenn ein Gasionisationsdetektor im Geiger-Müller-Zählbereich betrieben wird, dann können einzelne Quantenobjekte aus der radioaktiven Strahlung detektiert werden.
• Die Energie einzelner Quantenobjekte kann aber nicht verglichen werden. Wenn ein Geiger-Müller-Zähler ein Messsignal liefert, dann weiß man nicht ob ein Alpha-Heliumkern, ein Beta-Elektron oder ein Gamma-Photon das Signal ausgelöst hat, man weiß nur, dass eines dieser drei Objekte im Zählrohr seine Energie abgegeben hat, also vorhanden war.

Bereich E: Dauerentladung

• Im Bereich E kommt es aufgrund der hohen Spannung zur Emission von Elektronen aus dem negativ geladenen Metallgefäß, so dass ständig eine Ladungslawine erzeugt wird.
• In diesem Spannungbereich kann keine radioaktive Ladung detektiert werden.

Im Kerncurriculum wird das Geiger-Müller-Zählrohr explizit genannt, daher soll die Funktionsweise eines Gasionisationsdetektors in dieser Betriebsweise nochmals genauer erklärt werden.

Erzeugung der Ladungslawine:

• Zwischen dem Draht und dem Metallgehäuse wird eine Hochspannung von mehreren hundert Volt angelegt.
• Wenn ein hochenergetisches Quantenobjekt (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung) durch das dünne Fenster in das Gasvolumen eintritt, ionisiert es mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Gasatom.
• Sobald ein Elektron-Ion-Paar entstanden ist, wird das freie Elektron von dem starken elektrischen Feld in Richtung des Metalldrahts in der Mitte des Geiger-Müller-Zählrohrs beschleunigt.
• Auf dem Weg zum Draht ionisiert das freie Elektron mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit ein weiteres Gasatom und wird nach der Wechselwirkung mit dem Gasatom erneut beschleunigt.
• Dieser Prozess wiederholt sich solange, bis das Elektron den Draht erreicht hat und von diesem aufgenommen wurde.
• Neben der Ionisation können die beschleunigten Elektronen Gasatome anregen, die dann energiereiche Photonen aussenden, welche den Ionisationsvorgang unterstützen.
• Auf diese Weise kann ein einzelnes Quantenobjekt der radioaktiven Strahlung eine Lawine von Ladungsträgern erzeugen.
• Die Ladungslawine kann mit einem geeigneten Messgerät gemessen werden, so dass ein Zähler seine Zahl um eins erhöht.

Totzeit:

• Nachdem sich eine Ladungslawine aufgebaut hat, kann das Geiger-Müller-Zählrohr solange keine weiteren Wechselwirkungen zwischen radioaktiver Strahlung und Gasatomen detektieren, bis alle freien Elektronen vom positiv geladenen Metalldraht aufgenommen und alle Gasionen an der negativ geladenen Metallwand neutralisiert wurden.
• Erst ein elektrisch neutrales Gas kann wieder ein weiteres Quantenobjekt der radioaktiven Strahlung detektieren.

Verringerung der Totzeit:

• Die Totzeit kann verringert werden, indem man einen hochohmigen Widerstand in den Stromkreis einbaut. Die von der Spannungsquelle anliegende Gesamtspannung verteilt sich auf das Zählrohr und den in Reihe geschalteten Widerstand. Sobald durch den Widerstand ein Strom fließt, fällt über diesem die Spannung \(U = R \cdot I\) ab. Je größer der Widerstand ist, desto größer ist der Spannungsabfall über diesem Widerstand, so dass die Spannung zwischen Draht und Metallgehäuse einbricht. Wird diese Beschleunigungsspannung kleiner als die für eine Ionisierung von Gasatomen notwendig, werden keine neuen Elektron-Ion-Paare mehr erzeugt und die Ionenlawine kommt zum Stillstand.
• Um die Photonenemission zu unterbinden, welche den Ionisationsvorgang unterstützt, kann ein weiteres Gas in das Geiger-Müller-Zählrohr gefüllt werden, dessen Atome geeignete Energieniveaus besitzt, um die emittierten Photonen zu absorbieren.
• Mit geeigneten Maßnahmen kann man die Totzeit auf Mikrosekunden reduzieren.

In einem Halbleiterdetektor befindet sich ein halbleitender Festkörper (z.B. Germanium) zwischen zwei Elektroden. Wenn ein Quantenobjekt einer radioaktiven Strahlung in den Halbleiterdetektor eindringt, wechselwirkt es zufällig mit einem Elektron, das an ein Halbleiteratom gebunden ist. Durch die Energiezufuhr verlässt das Elektron das Atom und kann sich im Festkörper bewegen. Das Halbleiter-Atom ist fest in das Kristallgitter des Halbleiters eingebaut und kann sich nicht bewegen. Aus dem Halbleiter-Atom ist durch den Verlust eines Elektrons ein Halbleiter-Ion geworden, dem ein Elektron fehlt. Dieses positiv geladene Halbleiter-Atom nennt man in Halbleitern ein "Loch".

Wenn eine Spannung an den Halbleiter angelegt wird, können "Löcher", die durch das Quantenobjekt der radioaktiven Strahlung entstanden sind, durch benachbarte Elektronen aufgefüllt werden. Es fließt ein Elektron-Loch-Strom.

Die herausgelösten freien Elektronen werden durch die angelegte Spannung bschleunigt und können dadurch weitere Elektron-Loch-Paare erzeugen. Bei einer hinreichend großen Spannung entsteht eine Elektron-Loch-Lawine, die von einem geeigneten Messgerät gemessen werden kann.

In einem Halbleiterdetektor ist der Strom, der gemessen werden kann, proportional zur Energie des Quantenobjekts der radioaktiven Strahlung, welches den Stromstoß ausgelöst hat. Mit geeigneten Materialien kann man Halbleiterdetektoren für sehr energiearme radioaktive Strahlung bauen, aber auch zur Detektion von extrem energiereicher radioaktiver Strahlung.

Vorteile eines Halbleiterdetektors:

• ein Halbleiterdetektor kann die Energie der Quantenobjekte radioaktiver Strahlung messen
• Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Quantenobjekt der radioaktiven Strahlung mit einem Elektron im Halbleiterkristall wechselwirkt ist sehr groß, da die Halbleiterkristallstruktur sehr dicht ist. Damit detektiert ein Halbleiterdetektor zuverlässiger radioaktive Strahlung als z.B. ein Geiger-Müller-Zählrohr.
• Die Totzeit eines Halbleiterdetektors (Nanosekunden) ist viel geringer als bei einem Geiger-Müller-Zählrohr (Mikrosekunden), so dass mit einem Halbleiterdetektor wesentlich höhere Zählraten gemessen werden können.