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
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. |
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Tritt
ein ionisierendes Teilchen in das Medium ein, erzeugt es auf seiner Flugbahn
Elektronen-Ionen-Paare (siehe rechte Abbildung). |
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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). |
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Durch Variation der angelegten Spannung erhält man
unterschiedlich wirkende Detektoren (siehe rechte Graphik und die folgenden
Erklärungen dazu):
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.
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
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.