Die in Ionenkammern auftretende kleine Impulsamplitude kann durch den Einsatz gasgefüllter Detektoren in anderer Weise behoben werden. Ein Proportionalzähler nutzt das Phänomen der Gasvervielfachung, um die Pulsgröße um Faktoren von Hunderten oder Tausenden zu erhöhen. Dadurch liegen Proportionalzählerpulse eher im Millivolt- als im Mikrovoltbereich und können daher wesentlich einfacher verarbeitet werden.

Gasvermehrung ist eine Folge der Bewegung eines freien Elektrons in einem starken elektrischen Feld. Wenn die Stärke des Feldes über etwa 104 Volt pro Zentimeter liegt, kann ein Elektron zwischen den Kollisionen genug Energie gewinnen, um eine Sekundärionisation im Gas zu verursachen. Nach einer solchen ionisierenden Kollision existieren zwei freie Elektronen anstelle des ursprünglichen. In einem gleichmäßigen elektrischen Feld unter diesen Bedingungen wächst die Anzahl der Elektronen exponentiell, wenn sie in eine Richtung gezogen werden, die der des angelegten elektrischen Feldes entgegengesetzt ist. Das Wachstum der Elektronenpopulation wird erst beendet, wenn sie die Anode erreichen. Die Erzeugung eines solchen Elektronenschauers wird als Townsend-Lawine bezeichnet und von einem einzelnen freien Elektron ausgelöst. Die Gesamtzahl der in der Lawine erzeugten Elektronen kann leicht 1.000 oder mehr erreichen, und die im Gas erzeugte Ladungsmenge wird ebenfalls mit demselben Faktor multipliziert. Die Townsend-Lawine findet in einer Zeitspanne von weniger als einer Mikrosekunde unter den typischen Bedingungen eines Proportionalzählers statt. Daher trägt diese zusätzliche Ladung normalerweise zu dem Impuls bei, der aus der Wechselwirkung eines einzelnen einfallenden Quants beobachtet wird.

In einem Proportionalzähler besteht das Ziel darin, dass jedes ursprüngliche freie Elektron, das entlang der Spur des Teilchens gebildet wird, seine eigene individuelle Townsend-Lawine erzeugt. Somit werden für jedes einfallende geladene Teilchen viele Lawinen gebildet. Eines der Designziele besteht darin, jede Lawine gleich groß zu halten, so dass die endgültige Gesamtladung, die erzeugt wird, proportional zur Anzahl der ursprünglichen Ionenpaare bleibt, die entlang der Teilchenspur gebildet werden. Die Proportionalität zwischen der Größe des Ausgangsimpulses und der Menge an Energie, die durch die einfallende Strahlung im Gas verloren geht, ist die Grundlage des Begriffs Proportionalzähler.

Praktisch alle Proportionalzähler sind mit einer Drahtanode mit kleinem Durchmesser konstruiert, die in einer größeren, typischerweise zylindrischen Kathode angeordnet ist, die auch zum Einschließen des Gases dient. Unter diesen Bedingungen ist die elektrische Feldstärke ungleichmäßig und erreicht in unmittelbarer Nähe der Drahtoberfläche große Werte. Fast das gesamte Volumen des Gases befindet sich außerhalb dieses Hochfeldbereichs, und Elektronen, die durch die einfallende Strahlung an einer zufälligen Position im Gas gebildet werden, driften zum Draht hin, ohne eine Sekundärionisation zu erzeugen. Wenn sie näher an den Draht herangezogen werden, werden sie dem ständig ansteigenden elektrischen Feld ausgesetzt, und schließlich wird sein Wert hoch genug, um die Einleitung einer Townsend-Lawine zu verursachen. Die Lawine wächst dann, bis alle Elektronen die Drahtoberfläche erreichen. Da fast alle Lawinen unter identischen elektrischen Feldbedingungen gebildet werden, unabhängig von der Position im Gas, an der das freie Elektron ursprünglich gebildet wurde, ist die Bedingung erfüllt, dass ihre Intensitäten gleich sind. Weiterhin kann die für die Lawinenbildung erforderliche hohe elektrische Feldstärke durch angelegte Spannungen zwischen Anode und Kathode von nicht mehr als einigen tausend Volt erreicht werden. In der Nähe der Drahtoberfläche variiert die elektrische Feldstärke umgekehrt mit dem Abstand vom Drahtzentrum, so dass in der Nähe der Oberfläche extrem hohe Feldwerte vorliegen, wenn der Drahtdurchmesser klein gehalten wird. Die Größe des Ausgangsimpulses nimmt mit der an das Proportionalrohr angelegten Spannung zu, da jede Lawine mit zunehmender elektrischer Feldstärke stärker wird.

Um eine Townsend-Lawine aufrechtzuerhalten, müssen die bei der Ionisation gebildeten negativen Ladungen als freie Elektronen verbleiben. In einigen Gasen besteht die Tendenz, dass neutrale Gasmoleküle ein zusätzliches Elektron aufnehmen und dadurch ein negatives Ion bilden. Da die Masse eines negativen Ions tausendmal größer ist als die Masse eines freien Elektrons, kann es zwischen Kollisionen nicht genügend Energie gewinnen, um eine Sekundärionisation zu verursachen. Elektronen binden sich nicht ohne weiteres an Edelgasmoleküle, und Argon ist eine der häufigsten Wahlmöglichkeiten für das Füllgas in Proportionalzählern. Auch viele andere Gasarten sind geeignet. Sauerstoff bindet jedoch leicht an Elektronen, so dass Luft unter normalen Umständen nicht als proportionales Füllgas verwendet werden kann. Proportionalzähler müssen daher entweder gegen Luftleckage abgedichtet sein oder als kontinuierliche Gasstromdetektoren betrieben werden, bei denen jegliche Luftverunreinigung durch kontinuierliches Durchströmen des Füllgases durch das aktive Volumen aus dem Detektor herausgefegt wird.

Für Proportionalzähler normaler Größe können nur schwer geladene Teilchen oder andere schwach durchdringende Strahlungen im Gas vollständig gestoppt werden. Daher können sie für Energiemessungen von Alphateilchen verwendet werden, jedoch nicht für Betateilchen mit größerer Reichweite oder andere schnelle Elektronen. Niederenergetische Elektronen, die durch Röntgenwechselwirkungen im Gas erzeugt werden, können ebenfalls vollständig gestoppt werden, und Proportionalzähler finden auch Anwendung als Röntgenspektrometer. Obwohl schnelle Elektronen nicht ihre gesamte Energie abgeben, führt der Gasvervielfachungsprozess zu einem Impuls, der im Allgemeinen groß genug ist, um aufgezeichnet zu werden, und daher können Proportionalzähler in einfachen Zählsystemen für Betateilchen oder Gammastrahlen verwendet werden.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.