DruckversionE-Mail senden

Nachweis radioaktiver Strahlung

Dass Wissenschaftler das erste Mal die Strahlung radioaktiver Stoffe mit einem Messgerät nachwiesen, liegt noch gar nicht so lange zurück: Vor gerade mal ein bisschen mehr als hundert Jahren wurden die ersten Messgeräte entwickelt. Zuerst die Ionisationskammer und der Szintillationsdetektor, dann die Nebelkammer und in den 1920er Jahren das Geiger-Müller-Zählrohr.

Seitdem hat sich viel getan: Heute kann man Radioaktivität mit Geräten messen, die in die Hosentasche passen. Allerdings gibt es umgekehrt auch Strahlungsmessgeräte, die mehr als eine Turnhalle füllen würden.

Was sind das für Messgeräte? Warum sehen sie so verschieden aus? Und: Wie funktionieren sie überhaupt? All diese Fragen beantwortet uns dieses Dossier...


Bildquelle: DAtF

Es klingt seltsam, aber mit ein paar Wolken und der Sonne fängt die Geschichte der Erfindung der Nebelkammer zur Messung der Radioaktivität an. Warum? Einfach weiterlesen!

So ging's los

Angefangen hat alles auf dem Gipfel des Ben Nevis, dem höchsten der Schottischen Berge. Dort beobachtete Charles Thomson Rees Wilson im Spätsommer 1894 die Farbspiele der Sonne im Nebel und den Wolken. Dies wollte er im Labor nachbilden - und erfand dabei die Nebelkammer.

... und so ging`s weiter 

Die Nebelkammer wurde ab 1910 zum wichtigsten Nachweisinstrument für die Strahlung radioaktiver Stoffe; mit ihr gelang unter anderem der Nachweis der Existenz des Neutrons. 

Über die Jahre wurde sie immer weiter verfeinert  und abgewandelt. So entstand zum Beispiel die Blasenkammer, von der jahrelang eine besonders große Ausgabe am Forschungszentrum CERN in Genf stand.

Wolken ins Labor

Um Wolken im Labor nachzubilden, füllte Wilson Glasflaschen mit feuchter Luft, die er schlagartig ausdehnte. So wollte er herausbekommen, wie stark Gase mit Dampf gesättigt sein müssen, bis sie Wolken bilden. Obwohl er die Luft extra staubfrei hielt, entdeckte Wilson seltsame Tröpfchenspuren.

Wer da an Kondensstreifen hinter Düsenflugzeugen denkt, der liegt gar nicht falsch - tatsächlich kommen die ähnlich zustande. Nur, dass im Falle von Wilsons Nebelkammer natürlich kein Flugzeug durch die künstliche Wolke in der Flasche flog, sondern winzige geladene Teilchen, die Spuren hinter sich herzogen.

Wie funktioniert die Nebelkammer?


Und welche Rolle spielt dabei die Radioaktivität? Ganz einfach: Ionisierende Strahlung erzeugt in der Kammer entlang der Flugstrecke geladene Gas-Ionen. Diese Spuren von Alpha- oder Beta-Teilchen sieht man als Tröpfchenspuren.

Wie unterscheidet man die Teilchen?

Jetzt haben wir natürlich wieder Fragen: Wie kann man denn eigentlich wissen, was gerade für ein Teilchen durch die Nebelkammer geflogen ist? An welchen Merkmalen könnte man zum Beispiel Alphateilchen (Heliumkerne) und Betateilchen (Elektronen) unterscheiden?

 

Merkmal    
Masse
taugt nicht zum unterscheiden
unterschiedlich
Ladung
taugt nicht zum unterscheiden
unterschiedlich
Farbe
taugt nicht zum unterscheiden
unterschiedlich
Aussehen
taugt nicht zum unterscheiden
unterschiedlich

Es dauerte noch einige Jahre, bis der Erfinder der Nebelkammer Charles Wilson auf eine geniale Idee kam: Wenn man die Nebelkammer in ein Magnetfeld stellt, dann werden alle elektrisch geladenen Teilchen, die hineinfliegen, abgelenkt: Die Lorenzkraft bringt sie auf eine krumme Bahn, und zwar je nach Ladung und Polung des Magnetfeldes in die eine oder andere Richtung.

So kann man ganz leicht Alpha- und Betateilchen aufgrund ihrer Flugbahn unterscheiden. Die Krümmung der Bahnen verrät außerdem etwas über Energie und Impuls der Teilchen. Alles, was gerade aus fliegt, kann nicht geladen sein.

 

Die Blasenkammer - eine Variation der Nebelkammer


Bildquelle: CERN

Wenn ein Teilchen nur wenige Gasatome ionisiert, dann hinterlässt es in einer Nebelkammer nur eine sehr schwache Spur. Also dachte sich der Physiker Donald Arthur Glaser eine Variante der Nebelkammer aus: Er erhitzte eine Flüssigkeit bis an den Siedepunkt und senkte anschließend schlagartig ihren Druck. Dadurch ist die Flüssigkeit „überhitzt” - und es bilden sich an Staubteilchen oder Ionen kleine Gasbläschen. Weil das leichter passiert als die Kondensation von Wasser in der Nebelkammer, reagiert die Blasenkammer empfindlicher auf einfallende Teilchen.

Jahrzehnte lang diente sie in der Kernphysik zur Erforschung kleinster Teilchen. Von 1973 bis 1984 stand am Forschungszentrum CERN in Genf ein besonders großes Exemplar, die Big European Bubble Chamber: 3,7 Meter breit und weit mehr als 150 Tonnen schwer. Im Laufe ihres Lebens wurden mit ihr 6,3 Millionen Fotos von Teilchenspuren geschossen.

Die dicksten Detektoren der Welt

Der Abschnitt über die Blasenkammer hat uns gezeigt, daß Messgeräte ziemlich groß werden können. Doch die „Big European Bubble Chamber” war noch ein Zwerg, verglichen mit den Detektoren, die heute in der Teilchenphysik eingesetzt werden - zum Beispiel bei der Erforschung von Quarks. Man nutzt sie in der Regel bei Kollisionsexperimenten, bei denen größere Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden und aufeinander prallen. Dabei entstehen neue Teilchen und Strahlung, die man mit den gewaltigen Detektoren vermisst.

Einer der größten Detektoren hat im September 2008 am CERN in Genf in den Betrieb aufgenommen: ATLAS. Ein anderer, ZEUS, arbeitet seit Jahren am Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg. In beiden steckt eine ganze Reihe von Messgeräten. Zu den heute verwendeten Messgeräten gehören Szintillationszähler, Halbleiterzähler und anderes mehr. Oft werden diese Detektoren aus hunderten oder sogar tausenden kleiner gleichartiger Nachweisinstrumente für Strahlung zusammengesetzt. 

Großdetektoren

Aktuell wird in einem Tunnel tief unterirdisch in der Nähe von Genf ein gewaltiges Experiment durchgeführt, ATLAS. In ihm prallen Protonen aufeinander und man will so den Ursprung der Masse erforschen, das Quark-Gluon-Plasma untersuchen und neue Teilchen jenseits der Supersymmetrie finden.

Die Abbildung ist ein Querschnitt eines solchen Großdetektors. Bei genauer Betrachtung lassen sich zwei Menschen erkennen, die davor stehen. Ganz schön groß...


Bildquelle: Max-Planck-Gesellschaft

Szintillationszähler

Neben der Nebelkammer gehören unter anderem Szintillatoren zu den ältesten Nachweisinstrumenten für Radioaktivität: Wenn energiereiche Teilchen in Kristalle (z. B. Zinksulfid) einfallen, dann werden sie gebremst und geben ihre Energie an die Kristallatome ab. Diese wiederum strahlen die Energie als Lichtblitze ab, was man schon mit bloßem Auge beobachten kann. Szintillation findet zum Beispiel auf manchen Uhr-Leuchtzifferblättern statt, und Ernest Rutherford machte damit Experimente mit Alpha-Strahlern.

Kombiniert man einen solchen Kristall mit einer Photodiode, dann löst jeder Blitz einen kurzen Stromstoß aus. So kann man zählen, wie viele Teilchen eingefallen sind.

Ein einzelner Szintillationszähler ist ungefähr so groß wie eine Hand. Doch die Detektoren werden nicht einzeln verwendet, sondern in Massen: Man bedeckt damit zum Beispiel Halbkugeln. Mit solchen „Insektenaugen” kann man nicht nur viele Teilchen einfangen, sondern auch bestimmen, wo die Teilchen durch die Kugelschale getreten sind.

Halbleiterzähler

Schon bald, nachdem der Halbleiter-Transistor erfunden war, entstanden die ersten Halbleiterzähler: Im Prinzip nichts anderes als Dioden mit einem p-n-Übergang, also zwei Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Dotierung. In der p-Schicht befinden sich „Löcher” und in der n-Schicht überzählige Ladungsträger; im Übergang zwischen beiden gleichen sich die Ladungen aus. Fällt hier aber ionisierende Strahlung ein, dann kann sie Elektron-Loch-Paare erzeugen, die als Stromfluss nachweisbar sind.

Halbleiterzähler sind viel empfindlicher als zum Beispiel Geiger-Müller-Zählrohre, weil die Strahlung im Halbleiter keine Gasmoleküle ionisieren muss; die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares braucht viel weniger Energie.

Andere Nachweis- und Messmethoden

Es gibt noch Dutzende andere Detektortypen und -abwandlungen. Wer das Modul über Energieumwandlung bereits durchgelesen hat, kennt zum Beispiel schon das blaue Tscherenkov-Leuchten im Kernreaktor. Es tritt auf, wenn sehr schnelle elektrisch geladene Teilchen im Wasser abgebremst werden und Energie loswerden müssen. Diesen Effekt kann man auch für den Bau von Detektoren nutzen - sie funktionieren dann so ähnlich wie ein Szintillationszähler.

Oder man kann das Geiger-Müller-Zählrohr, das gleich behandelt wird, abwandeln: In einer flachen Kammer kann man hunderte Drähte parallel spannen, und mehrere solcher „Drahtkammern” hintereinander anordnen. Je nachdem, welche Drähte einen elektrischen Impuls melden, weiß man, auf welchem Weg ein Teilchen durch die Kammern gesaust sein muss.

 

… und die kleinen Messgeräte

Aber: Es geht auch viel kleiner. Der Physiker Hans Geiger erfand zusammen mit seinem Doktoranden Walther Müller in den 1920er Jahren ein schlichtes Gerät, kaum größer als ein paar Zentimeter: Das Geiger-Müller-Zählrohr.

Dieses Instrument wird auch heute noch genutzt. Wenn irgendwo ionisierende Strahlung mit einem Gerät gemessen wird, das in unregelmäßigen Abständen klickt oder knackt, dann steckt wahrscheinlich ein Geiger-Müller-Zählrohr darin.

Das Geiger-Müller-Zählrohr

Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein ziemlich einfaches Instrument - aber sehr wirkungsvoll zum Messen der Aktivität. Es besteht aus einem Metallrohr, vorne und hinten verschlossen, in dessen Inneren sich ein dünner Draht aus Wolfram befindet. Das Röhrchen enthält außerdem Gas (zum Beispiel Luft) unter niedrigem Druck und etwas Alkoholdampf.

Zwischen Draht und Röhrchen wird eine hohe Spannung angelegt. Und wenn jetzt ionisierende Strahlung ins Röhrchen einfällt, dann... aber sehen wir selbst:

 

Messen in der Hosentasche

Natürlich messen Geiger-Müller- oder Halbleiterzähler ständig, wie viel Strahlung in der Umgebung eines Kernkraftwerks oder radiologischen Forschungslabors freigesetzt wird. Doch für die Angestellten im Kernkraftwerk ist vor allem wichtig, wie viel Strahlung sie über die Dauer ihrer Tätigkeit hinweg ausgesetzt waren - denn für diese so genannte Dosis gibt es gesetzliche Grenzwerte.

Aus diesem Grund trägt jeder, der mit Radioaktivität zu tun hat, ein Dosimeter mit sich herum - ein kleines Gerät, mit dem man die Strahlenexposition des jeweiligen Menschen bestimmen kann. Für Dosimeter gibt es verschiedene Bauformen; am weitesten verbreitet sind Film-, sehr viel seltener Stabdosimeter. Über die Werte, die die Dosimeter anzeigen, wird genau Buch geführt.

Filmdosimeter

Schon Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte, dass energiereiche Strahlung auch Filme belichten kann - Grundlage heutiger Röntgenaufnahmen. Das gleiche klappt auch bei anderen Wellenlängen als bei Röntgenstrahlung, zum Beispiel mit Gammastrahlung. Wie geht das vor sich? Die Strahlung ionisiert - genau wie das sichtbare Licht - eine Schicht aus Silberbromid im Film; bei der Entwicklung des Filmes entstehen an dieser Stelle Silberkörnchen und der Film wird an dieser Stelle dunkel.

Diese Tatsache wird in einem Filmdosimeter ausgenutzt: In einem kleinen Kästchen wird lichtdicht ein Film untergebracht, der obendrein von verschieden dicken Metallplättchen abgedeckt wird. Je höher die Energie der einfallenden Strahlung, desto mehr Plättchen werden durchdrungen und desto mehr Felder werden geschwärzt.

Das letzte Feld wird mit zwei Bleiplättchen abgedeckt, und zwar versetzt, so dass man bestimmen kann, aus welcher Richtung die Strahlung kam.


Bildquelle: Radioaktivität und Strahlenschutz

Stabdosimeter

Während man Filmdosimeter erst entwickeln muss, kann man bei Stabdosimetern sofort die Dosis ablesen, die den Körper getroffen hat.


Bildquelle: Radioaktivität und Strahlenschutz

Von außen sieht es aus wie ein Füllfederhalter; innen verbirgt sich eine Metallkammer, in der sich ein Metalldrähtchen befindet. Die Kammer wird elektrisch aufgeladen. Dadurch wird das Drähtchen vom Rand abgestoßen - das Prinzip des Elektroskopes. Ionisierende Strahlung, die in die Kammer einfällt, entlädt dieses Elektroskop. Folge: Das Drähtchen, das man wie einen Zeiger durch ein Glasfenster mit Skala sehen kann, wandert in Richtung Kammerrand. Ohne Strahlung entlädt sich das Elektroskop dagegen nur sehr langsam.

Dosimeter werden meistens so geeicht, dass sie gleich die Dosis in Sievert anzeigen.

Nachweis - Zusammenfassung

Nun haben wir eine guten Überblick über eine ganze Menge Messinstrumente, mit denen man Alpha- und Betateilchen oder Gammastrahlung nachweisen kann. In und um Kernkraftwerke oder Forschungslabors herum, in denen Strahlung entsteht, werden zur Überwachung meistens Geiger-Müller-Zähler bzw. Halbleiterzähler eingesetzt; zur Bestimmung der Körperdosis trägt jeder ein Dosimeter am Körper.

Jetzt stellt sich vielleicht die Frage: "Schön und gut, aber was wird denn nun eigentlich gemessen?" - Nun, ein Blick in das Dossier über Basisgrößen und -einheiten, oder in das Dossier über die Quellen der Radioaktivität liefert uns die Antworten...


Bildquelle: Radioaktivität und Strahlenschutz

Mit Hilfe der Dosimeter und anderen Messgeräte, wie einem Ganzkörper-Monitor, weiß man ziemlich genau, wie viel Strahlung und radioaktive Stoffe die Mitarbeiter in einem Labor oder Kernkraftwerk abbekommen und wie viel Strahlung an die Umwelt abgegeben wird. Darüber muss genau Buch geführt werden.

mit 854 Begriffen