Techniklexikon

Ionisationszähler

Teilchenphysik, Ionisationskammer, dient der Messung der durch einen Teilchendurchgang in einem Detektorvolumen (Kammer) erzeugten primären Ionisation. Gleichzeitig kann auch eine Ortsbestimmung durchgeführt werden. Die einfachste Form einer solchen Kammer besteht aus einer Anode und einer Kathode, die ein Volumen umschliessen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (z.B. Luft oder Argon) gefüllt sind (siehe Abb. 1).

Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungsträger und verhindert somit die Rekombination. Gasdetektoren zeigen  unabhängig vom speziellen Design des Detektors  eine typische Abhängigkeit der Signalstärke von der angelegten Spannung (siehe Abb. 2): 1. Im Rekombinationsbereich ist die angelegte Spannung sehr gering, und nach einer erfolgten Ionisation rekombiniert das erzeugte Ionen-Elektronen-Paar wieder und erzeugt somit kein Signal im Detektor. 2. Im Ionisationsgebiet ist die angelegte Spannung gerade ausreichend, um alle erzeugten Elektronen auf der Anode zu sammeln; es wird ein Strom erzeugt, der proportional zur Stärke der primären Strahlung ist (Ionenkammer). Er eignent sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (z.B. Alphastrahlung). 3. Wird die angelegte Spannung weiter erhöht, gelangt man in den Proportionalbereich; hier lösen die in der primären Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Kaskade von Sekundärionisationen aus, die als elektrischer Puls gemessen werden. Die Gasverstärkung bestimmt dabei die Grösse der durch Stossionisation erreichten Ladungswolke. Die Stärke des Signals ist proportional zur Energie des Primärteilchens. Häufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von Umwelt- und Labor-Kontaminationen. 4. Im Geiger-Müller-Bereich bewirkt das Primärteilchen eine vollständige Ionisation des Detektorgases (abgesehen von Totzeitverlusten). Geiger-Müller-Zählrohre werden zur Aktivitätsmessung von radioaktiven Materialien verwendet, da sie ihre Zerfälle pro Zeiteinheit messen können. Erhöht man die Spannung weiter, kommt es zur selbständigen Entladung des Detektors durch Erzeugung von Ladungsträgern aus der Kathode. In diesem Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden.

Ionisationskammern können auch mit Flüssigkeiten (flüssiges Argon oder Xenon) oder Halbleitermaterialien (Silizium oder Germanium, Ge(Li)-Detektor und Halbleiterdetektor) als Detektormaterial verwendet werden. Vorteil dieser Detektoren ist die höhere Dichte des Detektormaterials und damit die gegenüber Gasdetektoren wesentlich verbesserte Energieauflösung (besser als 1 %).

Ionisationszähler 1: Prinzipskizze der einfachsten Form eines Ionisationszählers, bestehend aus einer Anode und einer Kathode mit einem gasgefüllten Zwischenraum.

Ionisationszähler 2: Abhängigkeit der Signalstärke von der angelegten Spannung bei Gasdetektoren. Man kann im Verlauf des Graphen verschiedene Phasen unterscheiden: 1. Rekombination, 2. Ionisation, 3. Proportionalbereich, 4. Geiger-Müller-Bereich, 5. ständige Entladung.