Ionisationskammern

Zum Erfassen radioaktiver Strahlung habe ich einige Ionisationskammern gebastelt. Sie bestehen eigentlich alle aus einem Metallgehäuse und einem mittig postierten Draht. Ionisierende, in den Innenraum gelangende Strahlung erzeugt Elektronen-Ionen-Paare. Da zwischen Gehäuse und Drahtelektrode eine Spannung anliegt (wenige Volt bis zu 500V bei Geigerzählern), fließt dadurch ein sehr kleiner Strom. Dieser wird verstärkt und damit kann etwa ein kleiner Lautsprecher oder ein Zähler angesteuert werden.

Variante 1:

Für diese Variante sind lediglich 4 Stück Darlington-Transistoren vom Typ BC516 und BC517, einige Widerstände, ein Potentiometer, eine 9V-Batterie und ein Multimeter notwendig.


Variante 2:

Mit dieser ebenfalls sehr einfachen Variante messe ich etwa die Halbwertszeit von Radon-220. Diese beträgt lediglich 55.6 Sekunden und kann daher sehr gut im Rahmen einer Schulstunde/Laborstunde bestimmt werden. Hierfür befinden sich in einem luftdichten Gefäß thorierte Glühstrümpfe (Anm.: Diese findet man etwa auf ebay und kosten rund 5 Euro/Stück). Mit einer Spitze sauge ich die radioaktive Innenluft heraus und injiziere diese in die Ionisationskammer. Im Anschluss erfasse ich die Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t. Es müsste sich eine exponentielle Abnahme ergeben. Mit dem Potentiometer gleicht man zu Beginn des Versuchs noch ohne radioaktive Quelle die Ausgangsspannung auf 0 Volt ab.

Hier das Ergebnis meiner Messungen. Schön ist die expoenentielle Abnahme der Spannung U zu sehen. Die von mir bestimmte Halbwertszeit liegt bei rund 66 Sekunden (Sollwert wie gesagt 56 Sekunden).

 


Variante 3:

Auch für diese Ionisationskammer benötigt man nicht allzu viele Bauteile. Den N-Channel JFET 2n5484 habe ich ins Innere zweier BNC-Buchsen verfrachtet. Diesen einzulöten und dann schnell die beiden Buchsen zusammen zu führen war nicht ganz einfach. Als Gehäuse für die Ionisationskammer habe ich eine Metallhülse für Zigarren verwendet. Um Störungen zu minimieren sollte deren Öffnung mit einem Metallgitter versehen werden.

 

 


Variante 4:

Diese Variante beruht auf dem Schaltplan von Thomas Rapp: https://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/Detektoren/Ionisationskammer/images/schaltung.pdf

Sie ist doch etwas aufwendiger zu bauen. Die Ionisationskammer selbst besteht aus 3 Teilen: Dem geerdeten Gehäuse, einem inneren Gehäuse, an dem -30V anliegen und der zentralen Drahtelektrode, welche über einen 10 GOhm Widerstand geerdet ist und zum TLC 271 führt.

Mit einem Drehschalter ist die Spannungsverstärkung (1x/10x/100x) einstellbar. Weiters kann mit einem Potentiometer der offset eingestellt werden.

Bildquelle: https://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/Detektoren/Ionisationskammer/images/schaltung.pdf

 

  

 


Messungen mit der Ionisationskammer nach Thomas Rapp

1.) Messung des Ionisationsstroms ohne/mit einer/mit zwei Americium-241 Strahlungsquellen (Alphastrahler mit je ca. 1 µCi). Hier kommt mein Selbstbau-Pikoamperemeter zum Einsatz. 1 mV am Ausgang entspricht dabei einem Strom von 1 pA. Damit konnte ein Ionisationsstrom von rund 18 pA pro Am-241-Strahler gemessen werden.

 

2.) Messung der Halbwertszeit von Radon-220, welche bei 55.6 Sekunden liegt. Um die Halbwertszeit von Radon-220 zu bestimmen, führt ein Schlauch ins Innere der Ionisationskammer. Diesen verbinde ich dann mit einer Pumpe bzw. dem Behälter, in dem mehrere Thorium-Glühstrümpfe untergebracht sind. Mit dem exponentiellen Spannungsverlauf bin ich nur bedingt zufrieden, da er ziemlich verrauscht ist. Trotzdem kann man die Halbwertszeit von rund 1 Minute gut ablesen.