Geigerzähler / Personendosimeter

Als Geigerzähler werden verschiedene Geräte bezeichnet, mit denen es möglich ist, ionisierende Strahlung zu messen. Der Begriff bezieht sich auf das von den Physikern Geiger und Müller entwickelte Geiger-Müller-Zählrohr, wird aber auch für Geräte anderer Bauart benutzt. Die Geigerzähler dienen in vielen Fällen direkt dem Personenschutz, sie können aber auch eingesetzt werden, um in abgeschirmten Bereichen die dort freigesetzte ionisierende Strahlung zu überwachen.

Ionisierende Strahlung ist mit einer kinetischen Energie ab 5 Elektronenvolt so energiereich, dass sie in der Lage ist, neutrale Atome oder Moleküle durch Herauslösen von Elektronen zu positiv geladenen Ionen zu verändern. Es gibt verschiedene Arten ionisierender Strahlung, die sich in Eigenschaften und Wirkung unterscheiden. Dazu gehören die Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sowie die Neutronen- und die Röntgenstrahlung. Sie entstehen entweder beim natürlichen Zerfall radioaktiver Elemente oder als Haupt- bzw. Nebeneffekt technischer Geräte.

Viele Bereiche, von denen bekannt ist, dass dort erhöhte Mengen an ionisierender Strahlung zu erwarten sind, unterliegen gesetzlichen Vorschriften zum Strahlenschutz. Dies betrifft vor allem Strahlung im beruflichen Umfeld. Die Umsetzung einzelner Vorgaben wird dabei direkt durch staatliche Stellen unterstützt und überwacht. So erfolgt beispielsweise in Deutschland die Ausgabe und Auswertung von amtlich zugelassenen Personendosimetern für überwachungspflichtige Personen direkt durch die für den Strahlenschutz zuständigen Behörden der Bundesländer. Aber auch in der Freizeit, in der Wohnung und durch Nahrungsmittel kann man erhöhter Strahlenbelastung ausgesetzt sein. Das gasförmige Radon kann sich beispielsweise in der Raumluft anreichern, wenn es aus dem natürlichen Untergrund oder aus Baumaterialien freigesetzt wird. Pilze und Wild sind vor allem in Südbayern und im Bayrischen Wald noch immer durch das beim Reaktorunfall in Tschernobyl freigesetzte Cäsium-137 belastet.

Zusätzlich zu den Geräten für die per Gesetz oder Verordnung vorgeschriebenen Messungen können elektronische Geigerzähler verwendet werden, um im betrieblichen oder privaten Umfeld festzustellen:

- wie stark die ionisierende Strahlung an einem bestimmten Ort ist,
- wie hoch die persönliche Strahlendosis innerhalb bestimmter Zeiträume ist,
- ob die Strahlung einer bestimmte Quelle zugeordnet werden kann,
- wie stark vorgefundenes oder angeliefertes Material strahlt,
- ob Lebensmittel unnatürlich hohe Strahlenwerte aufweisen.

Egal ob Strahlung aus technischen oder medizinischen Anwendungen, natürliche Strahlung in der Umgebung oder durch Radon in Innenräumen, die Höhe der Strahlenbelastung kann durch geeignete Geigerzähler bestimmt werden. Moderne elektronische Geigerzähler gibt es mit verschiedenen Mess-, Warn- und Auswertefunktionen. Bei der Auswahl eines Modells sollte darauf geachtet werden, dass das Gerät alle gewünschten Funktionen bietet.

Es gibt Geigerzähler, die speziell für Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung ausgelegt sind und andere, die verschiedene Arten ionisierender Strahlung erfassen können. Geräte die sowohl Alpha-, Beta- als auch Gammastrahlung aufnehmen, ermitteln die durch alle Strahlungsarten verursachte Gesamtaktivität. Bei einigen dieser Geigerzähler kann durch das Vorschalten von Filtern die Alphastrahlung oder die Alpha- und Betastrahlung abgeschirmt werden.

Was bedeuten die Messwerte in CPM, CPS, Gray und Sievert?
Grenzwerte und Messwerte für ionisierende Strahlung werden meist in Mikro- oder Millisievert oder in Mikrosievert pro Stunde oder Millisievert pro Jahr angegeben. Ein Geigerzähler ermöglicht das Zählen der durch die energiereiche Strahlung ausgelösten Ionisationen bzw. Impulse. Diese können als Gesamtanzahl oder als Anzahl pro Minute oder Sekunde angegeben werden, abgekürzt als counts per minute - CPM bzw. counts per second -CPS. Bei längerer Messdauer werden für die zeitbezogenen Werte Durchschnittswerte gebildet. Die meisten Geigerzähler können bei dieser Zählung weder den Energiegehalt noch die Art der Strahlung unterscheiden. Dazu gibt es spezielle Geräte. Über im Geigerzähler hinterlegte Berechnungsalgorithmen können die gezählten Impulse der Gesamtstrahlung aber in die Äquivalentdosis in Sievert umgerechnet werden. Die Äquivalentdosis wurde definiert, um einen Wert angeben zu können, der den Energiegehalt und die unterschiedliche Gefährlichkeit der Strahlungstypen berücksichtigt. Zur Unterscheidung von der Energiedosis, bei der die Wirkung auf biologisches Gewebe noch nicht gewichtet ist, wird diese in Gray und die Äquivalentdosis in Sievert angegeben.

Da Gammastrahlung eine sehr viel höhere Reichweite hat und sowohl beim Alpha- als auch beim Betazerfall auftritt, wird bei Routinemessungen zur Überwachung der Umgebung häufig nur die Gammaortsdosisleistung erfasst. Mit speziellen Geräten ist es aber auch möglich, das Energiespektrum der Strahlung spektroskopisch auszuwerten und festzustellen, welche Radionuklide in welchem Maße zur Ortsdosisleistung beitragen. Dies ermöglicht eine detaillierte Bewertung der Gefährdung und gezielte Gegenmaßnahmen.

Viele Geigerzähler sind für bestimmte Einsatzgebiete optimiert. An ausgewählten Standorten im Freien messen Geigerzähler kontinuierlich die Ortsdosisleistung der Strahlung und senden die Messwerte in elektronischer Form weiter, damit sie an anderer Stelle ausgewertet werden können. Diese Geigerzähler müssen vor allem witterungsunempfindlich sein und über eine Schnittstelle zur Datenübertragung verfügen.

In Kernkraftwerken, Forschungslaboren und technischen Anlagen in denen Strahlung freigesetzt werden kann, gibt es oft gesondert abgeschirmte Zonen und spezielle Kontrollbereiche. Vor dem Verlassen einer solchen Zone werden Personen und Materialien oft mit einem fest installierten, speziell auf die örtliche Belastung abgestimmten Geigerzähler überprüft. Die Messwerte müssen direkt vor Ort ausgewertet werden, damit sofort eingeschritten werden kann. Dadurch wird verhindert, dass kontaminierte Kleidung oder kontaminiertes Material die Schutzzone verlassen. Diese Geigerzähler verfügen deshalb über Alarmierungsfunktionen.

Elektronische Geigerzähler können als mobile Handgeräte zur schnellen Prüfung der aktuellen Strahlenbelastung an verschiedenen Messstellen verwendet werden. Sie ermöglichen beispielsweise die schnelle und unkomplizierte Kontrolle von Lebensmitteln oder Baustoffen, aber auch Prüfungen bei Verdacht auf erhöhte Strahlenbelastung in Innenräumen oder an charakteristischen Stellen im Freien. Bei diesen Geräten sollte darauf geachtet werden, welche Strahlungsarten messbar sind. Für häufige Überprüfungen ist es praktisch, wenn im Geigerzähler verschiedene Alarmgrenzen eingestellt werden können.

Die meisten der amtlich vorgeschriebenen Personendosimeter, können erst nach der vorgegebenen Tragezeit ausgewertet werden. Deshalb werden sie auch als passive Dosimeter bezeichnet. Im Gegensatz dazu können zusätzliche elektronische Geigerzähler die Dosis, die auf eine Person wirkt anzeigen und bei erhöhten Werten sofort optische oder akustische Alarme geben. Die zu schützende Person kann bei Alarm sofort reagieren, beispielsweise indem sie die Gefahrenquelle ausschaltet, abschirmt oder sich aus der Gefahrenzone entfernt. Diese Geigerzähler können außerdem genutzt werden, um vor längerem Aufenthalt in der Nähe einer Strahlenquelle zu messen, wie gut eine Abschirmung gegen Strahlung wirkt.

Feuerwehren müssen für Vorfälle mit verstrahltem Material oder in verstrahlter Umgebung Einsatzkräfte schulen und spezielle Schutzanzüge und Messgeräte vorhalten. Diese werden zum Beispiel bei Einsätzen in Kliniken, radiologischen Praxen oder Forschungseinrichtungen und bei Verkehrsunfällen mit Fahrzeugen, die radioaktives Material transportieren benötigt. Zu den Messgeräten gehören Geigerzähler als Dosisleistungswarngeräte mit denen beispielsweise die Absperrgrenze festgelegt werden kann und andere Gerätetypen mit denen Kontaminationen nachgewiesen oder ausgeschlossen werden können.

Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein von den Physikern Geiger und Müller entwickeltes Gerät, mit dem radioaktive Strahlung gemessen werden kann. Häufig werden die Geiger-Müller-Zählrohre, aber auch andere Geräte zur Messung der Radioaktivität, als Geigerzähler bezeichnet. Ein ursprünglicher Geigerzähler besteht auch wirklich aus einem Rohr und macht die Intensität der radioaktiven Strahlung durch charakteristische, Einzelgeräusche zählbar. Aufwendigere Varianten können diese Zahl auch anzeigen oder speichern. Am vorderen Ende des Metallrohrs befindet sich ein strahlendurchlässiges Fenster durch das die Strahlung in das Rohr gelangt. Der hintere Teil des Rohrs ist mit einem isolierenden Material verschlossen, in dem auch der in der Mitte des Rohres verlaufende Draht fixiert ist. Der Hohlraum ist mit einem leicht unter Druck stehenden Edelgas gefüllt.

Tritt nun ionisierende Strahlung in das Geiger-Müller-Zählrohr ein, so trennt diese beim Auftreffen auf Atome des Edelgases Elektronen aus deren äußerer Hülle. Dadurch wird aus dem neutralen Gasatom ein positiv geladenes Ion. Da im Geigerzähler zwischen metallischer Umhüllung und Draht eine Gleichspannung von mehreren hundert Volt anliegt, fließt durch die nun geladenen Teilchen Strom. Das Außenrohr dient als Katode und der Draht als Anode. Die Elektronen werden aufgrund der elektrischen Feldkraft in Richtung Anode beschleunigt und kollidieren hierbei mit weiteren Gasmolekülen. Die zusätzlich freigesetzten Elektronen verstärken den Stromfluss zwischen Anode und Kathode, der mit einem in den Stromkreis eingeschalteten Widerstand in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Dieses Signal wird elektronisch verstärkt und je nach Ausstattung des Gerätes hör- oder sichtbar gemacht.

Beim ursprünglichen Geigerzähler wird die eingedrungene Strahlung als spezifisches Knackgeräusch wahrnehmbar. Je mehr ionisierende Strahlung in den Geigerzähler gelangt, desto kürzer sind die Abstände zwischen den einzelnen akustischen Signalen. Viele moderne Geigerzähler können heute zusätzliche Alarmtöne bei Erreichen voreingestellter Strahlenwerte geben, Signal- und Alarmlämpchen aufleuchten lassen, die von der Strahlung erzeugten Impulse zählen oder die ermittelten Zahlenwerte als Gesamtsumme oder auf eine Zeiteinheit bezogen speichern und auf einem Display anzeigen.

Schon im 16. Jahrhundert schrieb Paracelsus: „Alle Dinge sind Gift, und nichts ist ohne Gift; allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift sei.“ Ein Dosimeter ist ein Messgerät, das die Dosis - also die Menge – einer, meist aus der Umwelt einwirkenden, Belastung misst und anzeigt. Bei einem Dosimeter werden fast immer Einzelwerte der Messgröße über eine bestimmte Zeitdauer kontinuierlich addiert, um daraus eine zeitbezogene Gesamtdosis zu ermitteln. Personendosimeter erfassen also die Menge und Intensität der auf eine Person einwirkenden Belastung, die Personendosis. Durch die Personendosimeter soll verhindert werden, dass Menschen über längere Zeit unkontrolliert Einwirkungen ausgesetzt werden, von denen bekannt ist, dass sie den Organismus schädigen. Dies betrifft vor allem solche Einwirkungen, die nicht direkt wahrnehmbar oder in ihrer schädigenden Wirkung schwer abschätzbar sind. Personendosimeter werden vor allem eingesetzt, um bei Menschen die erhöhten Strahlenbelastungen ausgesetzt sind, weil sie sich in Gefahrenbereichen aufhalten müssen, die persönliche Strahlendosis zu überwachen. Diese Personendosimeter erfassen die Menge an ionisierender Strahlung, die über einen bestimmten Zeitraum auf die Person einwirkt. Die Geräte werden nach der festgelegten Tragezeit ausgetauscht und ausgewertet, um festzustellen, ob die Grenzwerte für die Maximalbelastungen nach der Strahlenschutzverordnung bzw. nach der Röntgenverordnung eingehalten werden.

Zu den Bereichen, in denen erhöhte Strahlenbelastung auftritt, gehören:
- Medizinische Diagnostik und Therapie
- bestimmte Forschungseinrichtungen
- Kernkraftwerke
-Transport, Lagerung, Verarbeitung radioaktiven Materials
- Anwendung ionisierender Strahlung in Industrie und Gewerbe

Auch Flugpersonal und Vielflieger sind zusätzlichen Belastungen ausgesetzt, da die natürliche ionisierende Strahlung aus dem All in großen Höhen stärker wirkt. In Deutschland beträgt der Durchschnittswert für die jährliche Belastung aus allen natürlichen Strahlenquellen laut Angaben des Bundesamtes für Strahlenschutz 2,1 Millisievert. Dabei schwanken die Einzelwerte in Abhängigkeit von Aufenthaltsort und Ernährungsgewohnheiten zwischen einem und zehn Millisievert pro Jahr. Für die amtliche Überwachung von Beschäftigten, die durch ihre Tätigkeit erhöhter Strahlung ausgesetzt sind, dürfen nur die dafür zugelassenen Personendosimeter eingesetzt werden. Zusätzlich können aber auch elektronische Personendosimeter mit speziellen Anzeige- und Warnfunktionen eingesetzt werden, wenn sie für die jeweilige Strahlungsart geeignet sind. Bei gepulster Strahlung, die beispielsweise in Röntgengeräten und im Linearbeschleuniger entsteht, liefern die derzeit verfügbaren elektronischen Personendosimeter aber noch keine ausreichend verlässlichen Messwerte. Neben den Geräten zur Erfassung ionisierender Strahlung sind auch Personendosimeter für andere Messgrößen verfügbar. Beispielsweise gibt es Geräte, mit denen die Lärmdosis, der ein Beschäftigter an seinem Arbeitsplatz ausgesetzt ist, gemessen werden kann.