Aufbau der Materie

Strahlungsdetektoren und Zählratenmessung

Welche Detektoren ionisierende Strahlung nachweisen, wie das Geiger-Müller-Zählrohr arbeitet und wie man Zählraten um den Nulleffekt korrigiert.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Strahlungsdetektoren wandeln ionisierende Strahlung über Ionisation oder Lichtblitze in Impulse um, gemessen als Zählrate in Impulsen pro Zeit.
  • Geiger-Müller-Zählrohr, Proportionalzählrohr, Ionisationskammer und Halbleiterdetektor weisen Röntgen- und radioaktive Strahlung nach, ein Atomabsorptionsspektrometer dagegen nicht.
  • Der Szintillationszähler erfasst Teilchenstrahlung und auch γ-Strahlung über Kristall und Photomultiplier.
  • Im gasgefüllten Geiger-Müller-Zählrohr wandern Elektronen zum positiven Zähldraht, vermehren sich durch Stoßionisation und erzeugen am Arbeitswiderstand einen Spannungsimpuls.
  • Der Nulleffekt wird von der Bruttozählrate abgezogen und klingt nicht ab: \(N(t) = (N_{\mathrm{ges}} - N_0)\cdot 2^{-t/T_{1/2}} + N_0\).

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Worum es geht

Ionisierende Strahlung sieht und spürt man nicht. Man braucht also Messgeräte, die jedes Teilchen oder Quant in ein elektrisches Signal übersetzen. In der Pharmazie begegnen sie dir beim Umgang mit Radiopharmaka und im Strahlenschutz.

Nachweisprinzip

Ionisierende Strahlung gibt ihre Energie an Materie ab. Detektoren nutzen dafür zwei Effekte. Entweder die Strahlung ionisiert ein Gas oder einen Halbleiter, und die freien Ladungen fließen als Strom. Oder sie regt einen Kristall zu Lichtblitzen an, die man elektrisch verstärkt.

In beiden Fällen entsteht je nachgewiesenem Ereignis ein Impuls. Ein Zähler summiert diese Impulse.

📖 Definition: Zählrate

Die Zählrate ist die Zahl der registrierten Impulse pro Zeit, etwa in Impulsen pro Minute. Sie ist proportional zur Aktivität des Präparats, aber nicht mit ihr identisch.

Detektorarten

Mehrere Gerätetypen weisen Röntgenstrahlung und radioaktive Strahlung gleichermaßen nach. Beide ionisieren, und darauf beruht die Messung.

Detektor Nachweisprinzip
Geiger-Müller-Zählrohr Ionisation eines Füllgases mit Lawinenverstärkung
Proportionalzählrohr Ionisation eines Gases, Impuls proportional zur Energie
Ionisationskammer Ionisation eines Gases ohne Verstärkung
Halbleiterdetektor Ladungsträgerpaare im Halbleiter
Szintillationszähler Lichtblitze im Kristall

Der Szintillationszähler arbeitet anders. Im Kristall erzeugt die Strahlung einen Lichtblitz. Dieser löst an der Photokathode eines Photomultipliers Elektronen aus. Eine Kette von Dynoden vervielfacht sie zu einem messbaren Impuls. Der Szintillationszähler erfasst Teilchenstrahlung und auch γ-Strahlung.

Schema mit Szintillatorkristall, aus dem ein Lichtblitz auf eine Photokathode fällt, gefolgt von mehreren Dynoden und einem Signalausgang.

Szintillationszähler: Der Kristall wandelt Strahlungsenergie in Licht, der Photomultiplier in einen elektrischen Impuls.

Ein Atomabsorptionsspektrometer gehört nicht in diese Reihe. Es misst, wie viel Licht freie Atome einer Probe bei ihrer Resonanzwellenlänge schlucken. Mit Radioaktivität hat das nichts zu tun.

Geiger-Müller-Zählrohr

Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein Metallzylinder mit dünnem Eintrittsfenster. In seiner Achse sitzt ein Draht. Das Rohr ist mit Gas gefüllt, also gerade nicht evakuiert. Ohne Gas gäbe es nichts zu ionisieren.

  1. Ionisation: Ein eintretendes Teilchen ionisiert entlang seiner Spur das Füllgas.
  2. Drift: Die freien Elektronen wandern zum positiven Zähldraht (Anode), der Zylinder ist die Kathode.
  3. Lawine: In Drahtnähe ist das Feld sehr stark. Die Elektronen ionisieren weitere Gasatome durch Stoßionisation, ihre Zahl wächst lawinenartig.
  4. Signal: Der kurze Stromstoß fließt durch den Arbeitswiderstand und erzeugt dort einen Spannungsimpuls, den der Zähler registriert.

Schema eines zylindrischen Zählrohrs mit zentralem Draht, Gasfüllung, dünnem Fenster und äußerer Schaltung aus Spannungsquelle, Widerstand und Zähler.

Aufbau des Geiger-Müller-Zählrohrs: Die Lawine am Zähldraht erzeugt am Arbeitswiderstand den Spannungsimpuls.

Nulleffekt

Ein Zählrohr tickt auch ohne Präparat. Kosmische Strahlung und natürliche Radionuklide der Umgebung liefern eine konstante Grundrate. Das ist der Nulleffekt oder Untergrund. Die Nettozählrate des Präparats erhält man, indem man diese Nullrate von der gemessenen Bruttozählrate abzieht.

Wichtig: Der Nulleffekt klingt nicht mit dem Präparat ab. Nur der Nettoanteil halbiert sich je Halbwertszeit. Die Messkurve nähert sich deshalb der Nullrate und nicht der Zeitachse.

Diagramm mit fallender Exponentialkurve, die sich einer horizontalen Linie oberhalb der Zeitachse annähert.

Gemessene Zählrate eines Präparats: Der Präparatanteil halbiert sich je Halbwertszeit, der Nulleffekt bleibt konstant.

Für die angezeigte Rate zur Zeit \(t\) korrigiert man zuerst, wendet dann das Zerfallsgesetz an und addiert den Untergrund wieder.

🧮 Formelauswendig können

\[N(t) = (N_{\mathrm{ges}} - N_0)\cdot 2^{-t/T_{1/2}} + N_0\]

\(N_{\mathrm{ges}}\): anfängliche Bruttozählrate, \(N_0\): Nullrate, \(T_{1/2}\): Halbwertszeit, alle Raten in Impulsen pro Minute.

Beispiel 1: Brutto 520 Imp/min, Nullrate 20 Imp/min, \(T_{1/2}\) = 3 h. Nach 6 h sind zwei Halbwertszeiten vergangen. Netto 500 Imp/min sinkt auf ein Viertel, also 125 Imp/min. Angezeigt werden 145 Imp/min.

Beispiel 2: Halbwertszeit bestimmen. Anfangs 420 Imp/min, nach 10 h noch 120 Imp/min, Nullrate 20 Imp/min. Netto fällt von 400 auf 100 Imp/min, also auf ein Viertel. Das sind zwei Halbwertszeiten, somit \(T_{1/2}\) = 5 h. Ohne Abzug ergäbe das Verhältnis 3,5 und ein falsches Ergebnis.

Quiz

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Aussage 1

Der Nulleffekt nimmt im Lauf einer Messung mit derselben Halbwertszeit ab wie das Präparat.

Der Nulleffekt bleibt konstant. Nur die Nettozählrate des Präparats halbiert sich je Halbwertszeit.

Aussage 2

Ein Szintillationszähler eignet sich auch zum Nachweis von γ-Strahlung.

Der Szintillationszähler erfasst Teilchenstrahlung und ebenso γ-Strahlung.

Aussage 3

Bei 300 Imp/min brutto, 20 Imp/min Nullrate und einer Halbwertszeit von 2 h zeigt das Zählrohr nach 2 h 160 Imp/min an.

Netto 280 Imp/min halbieren sich auf 140 Imp/min, plus 20 Imp/min Nullrate ergibt 160 Imp/min.

Aussage 4

Damit die Elektronen ungehindert zum Zähldraht gelangen, ist das Geiger-Müller-Zählrohr evakuiert.

Das Zählrohr ist mit Gas gefüllt. Die Strahlung ionisiert dieses Füllgas, sonst gäbe es kein Signal.

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