Leitfähigkeit von Gasen

 

 

Als Ladungsträger in Gasen kommen positive Gasionen und Elektronen, evt. auch negative Gasionen in Betracht:

 

 

µ+ - Beweglichkeit positiver Gasionen

µ- - Beweglichkeit von Elektronen, evt. auch von negativen Ionen

n  - Anzahl der Ladungsträger je Volumeneinheit

 

Damit genügend Ionen bzw. Elektronen zur Verfügung stehen, müssen neutrale Gasatome ionisiert werden. Dies kann z.B. durch äußere Einflüsse z.B. Einwirkung von Strahlung (unselbständige Entladung) oder etwa durch Stoßionisation (selbständige Entladung) geschehen. In jedem Fall muss die Ionisierungsenergie WI aufgebracht werden, um Ion-Elektronenpaare zu erzeugen. Um zu verhindern, dass die generierten Ionenpaare wieder rekombinieren, müssen die Ladungen während der Lebensdauer der Ionen durch ein elektrisches Feld abgesaugt werden.

 

Es sei a die Generationsrate g (pro s und m3 erzeugte Ionen-Elektronen-Paare). Die Rekombinationsrate r = bn+n- ist proportional den Konzentrationen der rekombinierenden Teilchen. Damit ergibt sich die Nettorekombinationsrate zu

 

 

Im stationären Fall folgt damit

 

 

Der Parameter a hängt z.B. von Intensität und Energie der ionisierenden Strahlung ab, b von der Lebensdauer der Ionen.

 

 

Teilchendetektoren - Ionisationskammer

 

Ionisationsdetektoren dienen zur Messung der Energie, die ein Teilchen beim Durchqueren eines Mediums durch Ionisation verliert. 
Ionisationskammern bestehen aus einer mit Gas gefüllten Kammer und zwei Kondensatorplatten. An den Platten liegt eine elektrische Spannung an (siehe rechte Abbildung). 

Schemaskizze einer Ionisationskammer

 

Tritt ein ionisierendes Teilchen in das Medium ein, erzeugt es auf seiner Flugbahn Elektronen-Ionen-Paare (siehe rechte Abbildung).

Ein Teilchen erzeugt Ionen-Elektronen-Paare auf seiner Flugbahn

 

Durch die anliegende Spannung werden die Ladungsträger getrennt und driften sofort entlang der elektrischen Feldlinien.

Die Bewegung der Ladungsträger wird als Stromstoß registriert (siehe rechte Abbildung).

Ionen und Elektronen werden durch das elektrische Feld getrennt

 

 

 

Durch Variation der angelegten Spannung erhält man unterschiedlich wirkende Detektoren (siehe rechte Graphik und die folgenden Erklärungen dazu):

 

Graphische Darstellung der Abhängigkeit zwischen angelegter Spannung und gemessener Pulsmenge

1.    Rekombinationsbereich
Die Elektronen und Ionen können kurz nach ihrer Erzeugung rekombinieren und nur ein kleiner Teil von ihnen erzeugt ein Signal. Dieser Bereich wird in keinem Detektor verwendet.

2.    Ionisationsbereich
Alle erzeugten Elektronen und Ionen tragen zum Signal bei. So entspricht das Signal der tatsächlichen Anzahl von Ionisationen. Dieser Bereich wird in der Ionisationskammer verwendet.

3.    Proportionalbereich
Die erzeugten Elektronen werden so stark beschleunigt, dass sie ihrerseits zusätzliche Atome ionisieren können. Das Ausgangssignal ist größer, aber immer noch proportional zur Anzahl der Ionisationen. Dieser Bereich wird in der Proportionalitätskammer bzw. Proportionalitätsröhre verwendet.

Möglichkeit der Energiemessung

4.    Geiger-Bereich
In diesem Bereich führt eine Ionisation zu Elektronen- und Ionenlawinen. Es entsteht ein sehr starkes Signal, das nicht mehr proportional zur Anzahl der Ionisationen ist. Dieser Bereich wird im Geiger-Müller-Zähler (H. Geiger, 1921) verwendet, der zur Detektierung von Ereignissen geeignet ist.

 

5.    Entladungsbereich
Bei genügend großer Spannung kommt es schließlich zum Spannungsdurchbruch, der eine kontinuierliche Entladung des Mediums zur Folge hat. Damit ist die Kammer für Ionisation durch einfliegende Teilchen nicht mehr empfindlich.

 

Ionisationskammern werden meist als Geiger-Müller-Zähler verwendet, um Strahlung zu detektieren. In Großdetektoren werden häufig Drahtkammern verwendet, deren Funktionsweise beruht auf dem Prinzip der Ionisationskammern. Manchmal verwendet man auch Proportionalitätsröhren, die als Matrix angeordnet werden, um eine zusätzliche Ortsauflösung zu erhalten.

 

In den Fällen 3-5 tritt Stoßionisation auf. Jedes Gasmolekül kann auf seinem Weg durch Stoß ein weiteres Molekül ionisieren, wenn es zwischen zwei Stößen mindestens die Ionisierungsenergie WI aufnimmt: eEl ³ WI

 

 

 

 

Die Vervielfachung ist bei schwacher Vervielfachung d nach der Townsend-Formel zu ermitteln:

 

 

Das Ionisierungsvermögen g ist hierbei proportional zur Energie (Fall 3).

Ist die Vervielfachung stark ( d(expgd-1) >1), so wächst der Strom lawinenartig an (Fall 5). Er muss durch Vorwiderstände stabilisiert werden.