Geigerzähler - die Funktion Schritt für Schritt erklärt

Geigerzähler - ein Blick in die Historie der Entwicklung

Menschen können radioaktive Strahlung nicht wahrnehmen. Daher ist es - nicht nur zur Strahlenüberwachung - wichtig, Geräte zu entwickeln, die Radioaktivität aufspüren und messen. Zudem sollen diese Geräte möglichst einfach anzuwenden sein.

• Der Geigerzähler, auch Zählrohr oder Geiger-Müller-Zähler genannt, ist ein Gerät zum Nachweis von sogenannter ionisierender Strahlung.
• Hans Geiger, der Erfinder des nach ihm benannten Geräts, arbeitete in den Jahren 1906-1912 am Institut von Ernest Rutherford (dem Entdecker des Atomkerns) in Manchester.
• Ihm fiel die Aufgabe zu, ein möglichst einfach zu handhabendes Gerät zum Nachweis radioaktiver Strahlung zu entwerfen und zu bauen. In dieser Zeit wurden nämlich Alphateilchen aus dem radioaktiven Zerfall nachgewiesen, indem diese auf einer speziellen Schicht einen Lichtblitz auslösten und dann - gefährlich und ermüdend für das Auge - einzeln gezählt werden mussten.
• Bereits im Jahr 1908 hatte Geiger die Grundform eines Zählrohrs entwickelt, in dem die radioaktive Strahlung in verdünnter Luft nachgewiesen wurde. Diese Grundform entwickelte Geiger dann zusammen mit Walter Müller (daher auch oft Geiger-Müller-Zählrohr) weiter.

Die Funktion eines Geigerzählers - so wird Strahlung nachgewiesen

• Ein Geigerzähler besteht prinzipiell aus einem metallischen Hohlzylinder, der mit einem verdünnten Gas gefüllt ist.
• Durch diesen Zylinder führt in Längsrichtung und mittig (dies wird auch koaxial genannt) ein dünner Draht.
• Dieser Draht ist vom ebenfalls aus Metall bestehenden Zylindermantel elektrisch isoliert.
• Nun legt man zwischen dem Zylindermantel und dem Draht eine (hohe) Spannung an. Diese Gleichspannung, die von der Größe des Rohrs aber auch vom Druck und der Art des Füllgases abhängig ist, muss so gewählt werden, dass es gerade keine (!) elektrischen Überschläge bzw. Entladungen in dem Zählrohr gibt.
• Das Zylinderrohr enthält außerdem eine Art Fenster (früher aus Glimmer), durch die radioaktive Strahlung in das Innere des Geigerzählers gelangen kann.
• Wenn Sie nun eine Strahlungsquelle, beispielsweise einen Alphastrahler, in die Nähe des Geigerzählers bringen, werden einige der Alphateilchen durch dieses Nachweisfenster in das Innere des Zählrohrs gelangen.
• Radioaktive Strahlung wie Alphateilchen aber auch Betateilchen sowie energiereiche Gammastrahlung hat die Eigenschaft, dass sie Atome ionisiert. Dabei werden durch die Energie der Strahlung den Atomen Elektronen entrissen: Es entstehen Ionen und freie Elektronen.
• Auf dieser Ionisierung durch radioaktive Strahlung beruht die Funktion des Geigerzählers: So entstehen auch in der Gasfüllung durch ein eintreffendes Alphateilchen positiv geladene Ionen und (negativ geladene) Elektronen.
• Diese geladenen Teilchen werden nun - je nach Ladung - entweder zum Draht oder zum Zählrohrmantel hin beschleunigt, denn entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.
• Auf ihrem Weg dorthin werden sie allerdings nicht nur schneller, sondern sie treffen auch auf weitere Atome, die wiederum ionisiert werden - eine Art Lawine aus Ladungen entsteht.
• Letztendlich entlädt sich diese Wolke aus Ionen bzw. Elektronen (Stichwort: Gasentladung) und bewirkt einen kurzen Stromfluss zwischen Wand und Draht.
• Geiger konnte diese Entladung nachweisen, indem er die Spannungsänderung - zunächst - als Ausschlag an einem empfindlichen Elektrometer nachwies.
• Die Anfangskonstruktion war jedoch noch nicht sehr empfindlich und wurde - ab 1928 dann zusammen mit Walter Müller - ständig weiterentwickelt. So ersetzten die beiden das Elektrometer durch einen Verstärker mit Zählwerk bzw. durch einen Lautsprecher, bei dem sich der Nachweis eines radioaktiven Teilchens dann durch ein Knacken bemerkbar machte. Nach diesem Prinzip arbeiten einige kleine und handliche Geigerzähler auch heute noch, die zu Vorführzwecken (Schule) oder zur einfachen Strahlungsüberwachung genutzt werden. 
• Arbeitete Geiger zu Anfang einfach mit verdünnter Luft als Füllung, erwiesen sich Edelgase, vor allem Argon, als gute Verbesserung der Zählrohreigenschaften.
• Und damit viele Teilchen nacheinander nachgewiesen werden können, muss die Entladung nach möglichst kurzer Zeit "gelöscht" werden, um das Zählrohr wieder in "Empfangsbereitschaft" zu bringen. Dies ist durch Zugabe geeigneter "Löschgase", vor allem organische Dämpfe, möglich.

Geigerzähler haben mit ihrer einfachen Funktion unzählige Anwendungsgebiete, die sich nicht nur auf Strahlenschutz und Forschung beschränken. Sie kommen auch in der Medizin, bei der Röntgendiagnostik und sogar in der Geologie oder Archäologie zum Einsatz. Und viele der kleinen Zählrohre sind sogar so handlich, dass sie mit spezieller Füllung und Batteriebetrieb von jedermann zu kaufen und zu bedienen sind.