Ventura Dokument

LD
Handblätter
Physik
Atom- und Kernphysik
Radioaktivität
Nachweis von radioaktiver Strahlung
P6.4.1.4
Aufnahme der
Charakteristik eines
Geiger-Müller-Zählrohres
Versuchsziele
Aufnahme der Häufigkeit der Entladungsstöße eines Geiger-Müller-Zählrohres als Funktion der Zählrohrspannung für
eine konstante Strahlungsquelle.
Bestimmung der Einsatzspannung und des Arbeitsbereichs.
Grundlagen
Das 1928 von H. W. Geiger und seinem Mitarbeiter W. Müller
entwickelte Geiger-Müller-Zählrohr ist bis heute ein unentbehrliches Nachweisgerät für radioaktive Strahlung, das auch
Strahlung mit geringem Ionisationsvermögen registriert. Es
besteht aus einem Rohr, in dessen Achse ein dünner Draht
isoliert aufgespannt ist, und ist mit Edelgas bei einem Druck
von etwa 100 mbar gefüllt. Die Strahlung tritt stirnseitig durch
eine dünne Glimmerschicht ein. Zwischen der Wand als Kathode und dem Draht als Anode liegt über einen hochohmigen
Widerstand eine Spannung von einigen hundert Volt an. Die
Spannung ist so gewählt, daß noch keine selbständige Entladung auftritt.
Stromstoß, der endet, wenn alle Ionen die Kathode erreicht
haben. Am äußeren Widerstand entsteht ein kurzer Spannungsabfall, der über einen Koppelkondensator einem Zähler
zugeführt wird.
Bei niedrigen Zählrohrspannungen sind die Ladungslawinen
lokal begrenzt. Mit steigender Zählrohrspannung beginnen sie
sich auszubreiten, bis sie schließlich über das ganze Zählrohr
verteilt sind. Alle ionisierenden Teilchen, gleich welcher Art und
Energie, verursachen dann den gleichen Spannungsimpuls.
Die für eine konstante radioaktive Quelle gemessene Zählrate
wird unabhängig von der Zählrohrspannung. Ein Zählrohr, das
in diesem Bereich arbeitet, heißt Geiger-Müller-Zählrohr. Wird
die Zählrohrspannung weiter erhöht, tritt selbständige Gasentladung ein, die leicht zur Zerstörung des gesamten Zählrohrs
führt.
Einfallende radioaktive Strahlung ionisiert Gasatome im Zählrohr. Die freigesetzten Elektronen bewegen sich mit großer
Geschwindigkeit zum Draht, die positiven Ionen driften vergleichsweise langsam zur Wand. In der Nähe des Drahtes
werden die Elektronen stark beschleunigt und erzeugen durch
Stöße neue Ladungsträger oder regen Gasatome zur Emission
von Photonen an, die durch Photoionisation weitere Ladungsträger bilden können. Die Ladungsträger erzeugen einen
0909-Sel
Durch einen Löschprozeß muß verhindert werden, daß aus der
Kathodenoberfläche Sekundärelektronen ausgelöst werden
und dadurch der Entladungsprozeß von vorn beginnt. Bei
selbstlöschenden Zählrohren wird hierzu dem Edelgas ein
Löschgas (z. B. ein Halogen) beigemischt. Es absorbiert Photonen auf dem Weg zur Kathode weitgehend und verhindert
so, daß dort Elektronen durch Photoeffekt ausgelöst werden.
Außerdem übertragen die Edelgasionen ihre Ladung durch
Stöße auf Moleküle des Löschgases, so daß nur noch Löschgasionen die Kathode erreichen. Wegen ihres niedrigen Ionisationspotentials sind diese nicht in der Lage, dort Sekundärelektronen auszulösen, und der Entladungsprozeß erlischt.
Fig. 1
1
Schematischer Aufbau eines Geiger-Müller-Zählrohres
LD Handblätter Physik
P6.4.1.4
Aufbau
Hinweise:
Geräte
1 Fensterzählrohr
für a-, b-, g- und Röntgenstrahlen . . . . .
559 01
1 Ra 226-Präparat
559 430
. . . . . . . . . . . . .
1 Digitalzähler . . . . . . . . . . . . . . . .
575 48
1 Stativlochstab, isoliert, 25 cm
1 Großer Federstecker . . . . .
1 Anschlußstab . . . . . . . . .
2 Sockel . . . . . . . . . . . . .
590 13
591 21
532 16
300 11
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Das Fenster des Fensterzählrohrs (12−15 mm Glimmer) kann
leicht mechanisch beschädigt werden. Bei Beschädigung des
Fensters wird das Fensterzählrohr funktionsunfähig:
Glimmerfenster nicht berühren; Fensterzählrohr nur mit aufgesetzter Schutzkappe aufbewahren und Schutzkappe nur
während der Messung abnehmen; Schutzkappe vorsichtig abnehmen und aufsetzen, dabei nicht drehen und Belüftungsloch
nicht verschließen.
Bei zu hoher Betriebsspannung wird das Fensterzählrohr durch
selbständige Gasentladung beschädigt:
Maximale Betriebsspannung von 600 V nicht dauerhaft überschreiten.
Der Versuchsaufbau ist in Fig. 2 dargestellt.
– Großen Federstecker auf Anschlußstab montieren.
– Fensterzählrohr festklemmen, an Eingang A des Digitalzählers anschließen und Schutzkappe vorsichtig entfernen.
– Ra−226-Präparat mit 4-mm-Stecker in passender Höhe an
Stativlochstab befestigen und Präparat vorsichtig bis auf
etwa 1 mm Abstand an Fensterzählrohr heranführen.
Sicherheitshinweise
Beim Umgang mit radioaktiven Präparaten sind länderspezifische Auflagen zu beachten, in der Bundesrepublik Deutschland z. B. die Strahlenschutzverordnung
(StrlSchV). Die im Versuch verwandten radioaktiven Stoffe
sind nach StrlSchV für den Unterricht an Schulen bauartzugelassen. Da sie ionisierende Strahlung erzeugen, müssen beim Umgang dennoch folgende Sicherheitsregeln
befolgt werden:
Präparat vor dem Zugriff Unbefugter schützen.
Vor Benutzung Präparat auf Unversehrtheit überprüfen.
Zur Abschirmung Präparat im Schutzbehälter aufbewahren.
Zur Gewährleistung einer möglichst kurzen Expositionszeit und einer möglichst geringen Aktivität Präparat nur zur Durchführung des Experiments aus dem
Schutzbehälter nehmen.
Zur Sicherstellung eines möglichst großen Abstandes
Präparat nur am oberen Ende des Metallhalters anfassen.
Fig. 2
Aufbau zur Aufnahme der Charakteristik eines GeigerMüller-Zählrohres
Durchführung
– Digitalzähler einschalten oder ggf. Taste A drücken.
– Lautsprecher einschalten, Taste Rate einmal betätigen
(Torzeit: 1 s) und Taste Start Stop drücken.
– Zur Reduktion der Zählrohrspannung das Potentiometer A
nach links drehen, bis das akustische Signal verschwindet
und die angezeigte Zählrate Null wird; Zählrohrspannung
in der Meßwertanzeige ablesen und als Einsatzspannung
U0 notieren.
2
LD Handblätter Physik
P6.4.1.4
– Zählrohrspannung um weitere ca. 100 V reduzieren und
–
–
–
–
durch erneutes Drücken der Taste Rate die Torzeit auf 10 s
erhöhen.
Zählratenmessung mit Taste Start Stop starten, nach Ablauf der Torzeit die Zählrate R ablesen und mit der Zählrohrspannung U notieren.
Zählratenmessung mit Taste Start Stop anhalten, Zählrohrspannung um 40 V erhöhen und Zählratenmessung erneut
starten.
Zur Aufnahme weitere Meßdaten Zählrohrspannung insgesamt bis 640 V erhöhen (im Bereich der Einsatzspannung
U0 kleine Schritte wählen).
Abstanden zwischen Präparat und Zählrohr auf 10 mm
bzw. 20 mm vergrößern und weitere Meßreihen aufnehmen.
Fig. 3
Meßbeispiel
Einsatzspannung: U0 = 356 V
Zählrohrcharakteristik (Zählrate R in Abhängigkeit von der
Zählrohrspannung U) bei drei verschiedenen Abständen d
zwischen Präparat und Zählrohr
Tab. 1: Zählrate R in Abhängigkeit von der Zählrohrspannung
U bei drei verschiedenen Abständen d zwischen Präparat und
Zählrohr
d = 1 mm
d = 10 mm
d = 20 mm
R
R
s−1
s−1
R
s−1
240
0,0
0,0
0,0
280
0,0
0,0
0,0
320
0,0
0,0
0,0
352
0,0
0,0
0,0
U
V
356
0,2
0,8
0,4
360
526,2
307,6
101,1
364
1012,4
627,0
149,1
368
1090,7
690,3
146,2
372
1156,7
691,6
145,0
380
1132,6
725,9
148,9
400
1220,4
727,7
145,4
440
1210,4
732,2
156,6
Auswertung und Ergebnis
480
1223,1
743,2
152,6
520
1224,6
744,9
150,9
560
1205,1
737,3
153,0
Die Einsatzspannung beträgt ca. 356 V. Zwischen 380 V und
640 V arbeitet das Zählrohr als Geiger-Müller-Zählrohr. Die
Zählrohrcharakteristik weist ein Plateau auf.
600
1191,8
740,6
152,5
640
1219,4
747,8
154,9
Die Zählrate im Plateau hängt z. B. vom Abstand zwischen
Präparat und Zählrohr, also von der Aktivität am Ort des
Zählrohres ab.
LD DIDACTIC GmbH
⋅ Leyboldstrasse 1 ⋅ D-50354 Hürth ⋅ Phone (02233) 604-0 ⋅ Telefax (02233) 604-222 ⋅ E-Mail: [email protected]
© by LD DIDACTIC GmbH
Printed in the Federal Republic of Germany
Technical alterations reserved