Vergleich SBM-20 vs. SI-39G Einleitung Nachdem die Firma Pollin Electronic einen Geigerzählerbausatz mit dem russischen Zählrohr SI-39G auf den Markt brachte wurden wir immer wieder gefragt, wie sich dieses Zählrohr im Vergleich zu dem im AATiS-Geigerzähler AS622 verwendeten Zählrohren SBM-20/STS-5 schlägt. Die nachfolgende Versuchsreihe gibt eindeutige Antworten auf diese Frage. Allgemeines Es wurden ein SBM-20 und ein SI- 39G verglichen. Bild 1 zeigt beide Zählrohre im direkten Größenvergleich. Dabei fällt sofort auf, dass das SBM-20 länger und dicker als das SI- 39G ist. Da ein größeres Detektorvolumen gleichbedeutend mit einer höheren Empfindlichkeit ist kann man bereits vorab vermuten, dass das SBM-20 als Sieger aus dem Vergleich hervorgehen wird. Die Frage ist nur, wie groß der Vorsprung vor dem SI-39G ist. Das SBM-20 hat ein Gehäuse aus sehr dünnem Metallblech mit einer Dicke von weniger als 100µm. Diese Metallhülle ist gleichzeitig die Kathode des Zählrohrs. Laut Datenblatt ist das SBM-20 zur Detektion von β und γ Strahlung geeignet. Im AATiS-Geigerzähler wird das Zählrohr mit ca. 400V Anodenspannung betrieben. Das SI-39G kommt in einem Glasgehäuse daher. Im Inneren ist ein Metallrohr zu sehen. Dabei handelt es sich um die Kathode. Diese hat eine verhältnismäßig dicke Wandung. Laut Datenblatt ist das Zählrohr zu Detektion von harter Gammastrahlung geeignet. Eine Internetrecherche ergab, dass damit Energien >1.2MeV gemeint sind. Die Tatsache, dass das SI-39G im gleichen Spannungsbereich wie das SBM-20 betrieben wird, vereinfachte die Testreihe. Beide Zählrohre wurden abwechselnd an denselben AATiS- Geigerzähler mit 400V Anodenspannung angeschlossen. Jede Messung erstreckte sich über 5 Minuten. Während dieser Zeit wurden die Zählrohrimpulse aufsummiert. Anschließend wurde die Impulsrate pro Minute (ipm) bestimmt. Bei Messungen an radioaktiven Präparaten ist es wichtig, dass die Nullrate des Zählrohrs vom Messergebnis abgezogen wird. Daher wurde im ersten Versuch die Nullrate der beiden Zählrohre bestimmt.
Versuch 1: Bestimmung der Nullrate Die Nullrate gibt an, wie viele Impulse das Zählrohr ohne radioaktives Präparat im statistischen Mittel liefert. Zur Bestimmung der Nullrate wurden beide Zählrohre ohne radioaktives Präparat betrieben. Es ergaben sich 27ipm für das SBM-20 und 8ipm für das SI-39G. Das stimmt gut mit den Angaben in den Datenblättern überein (SBM-20: 25-27 und SI-39G: 8-9). Versuch 2: Prüfstrahler aus Kaliumchlorid Kalium enthält einen geringen Anteil des radioaktiven Isotops K-40. Dieses ist ein β-strahler mit geringer Aktivität. Bei jedem β-zerfall werden auch hochenergetische γ Quanten mit einer Energie von 1.461MeV emittiert. Das SBM-20 zeigte eine deutlich erhöhte Zählrate von 101ipm. Beim SI-39G konnte überhaupt kein Anstieg der Zählrate festgestellt werden. Selbst die hochenergetischen γ Quanten wurden nicht messbar nachgewiesen. Versuch 3: Uranglasvase ohne und mit Acrylglasabschirmung Die für diesen Versuch verwendete Vase mit Uranglasur stammt aus den 1920er Jahren. Zur Herstellung von Uranglasur wird chemisch reines Uranoxid verwendet. Daher enthält Uranglasur so gut wie keine der starken γ Strahler Blei-214 und Bismut-214. Allerdings wird kräftige β-strahlung emittiert.
Wie erwartet lieferte das SBM-20 die mit Abstand höchste Impulsrate (5264ipm). Sie ist um den Faktor 14 höher als die Impulsrate des SI-39G (361ipm). Dennoch ist die Impulsrate des SI-39G deutlich erhöht. Da Uranglasur nur sehr wenig γ Strahlung emittiert steht die Frage, ob das SI-39G nicht doch β-strahlung nachweisen kann. Diese Frage kann verneint werden. Die erhöhte Zählrate des SI-39G ist auf Bremsstrahlung zurückzuführen. Bremsstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung die entsteht, wenn Elektronen stark abgebremst werden. Im Fall des SI-39G erfolgt diese Abbremsung der Elektronen (β-strahlung = Elektronen) in der Glashülle und in der Metallkathode. Die Energie der Bremsstrahlung reicht von Röntgenstrahlung bis hin zu Energien im γ Bereich, je nach der Bewegungsenergie der Elektronen und der Dichte des abbremsenden Materials. Das SI-39G registriert offensichtlich einen Teil der höherenergetischen Bremsstrahlung. Im nächsten Versuch wurde zwischen Vase und Zählrohr eine 8mm dicke Acrylglasplatte eingefügt. Diese absorbiert den größten Teil der β-strahlung. Da Acrylglas eine geringe Dichte hat, ist die entstehende Bremsstrahlung niederenergetisch und wird von den Zählrohren nahezu nicht registriert. Man kann davon ausgehen, dass die nun registrierten Zählimpulse nur durch γ Strahlung hervorgerufen wurden. Das SBM-20 zeigte eine um den Faktor 100 reduzierte Zählrate. Das ist nebenbei ein schöner Nachweis, dass Uranglasur wirklich sehr wenig γ Strahlung emittiert. Die Impulsrate des SI-39G war nur minimal erhöht. Das SBM-20 war bei diesem Versuch um den Faktor 9 empfindlicher. Versuch 4: Pechblende ohne und mit Acrylglasabschirmung Im nächsten Versuch wurde Pechblende verwendet. Diese enthält alle Glieder der Uran- Zerfallsreihe, darunter viele starke γ Strahler.
Bei der Messung ohne Abschirmung war das SBM-20 um den Faktor 11.5 empfindlicher. Die Messungen mit der 8mm Acrylglasabschirmung zeigten, dass Pechblende deutlich mehr γ Strahlung emittiert als die zuvor getestete Uranglasur. Dennoch war das SBM-20 wieder viel empfindlicher, diesmal um den Faktor 8. Versuch 5: Kupferschlackestein ohne und mit Acrylglasabschirmung Das Stück Pechblende aus dem vorangegangenen Versuch war leider sehr klein, so dass nur ein Teil der Zählrohre bestrahlt wurde. Daher wurde ein neuer Versuch mit einem Kupferschlackestein durchgeführt. Dieser Pflasterstein stammt aus dem Mansfelder Revier. Kupferschlacke entsteht bei der Verhüttung von Kupfererz als Abfallprodukt. Es ist ein glasartiges, extrem festes Material, aus dem früher Pflastersteine hergestellt wurden. Das Kupfererz im Mansfelder Revier ist von Uranerzen überlagert, die sich in der Kupferschlacke sammeln. Daher zeigt Kupferschlacke ähnliche γ Strahlung wie Pechblende, nur auf einem viel niedrigeren Strahlungsniveau. Die β-strahlung ist reduziert, da ein großer Teil der Strahlung bereits in dem Schlackestein selbst absorbiert wird. Wie man aus den Bildern sieht ist der Kupferschlackestein viel größer als die Zählrohre, so dass deren gesamtes Detektorvolumen zum Tragen kommt. Es wurde einmal ohne und einmal mit 8mm Acrylglasabschirmung gemessen. In beiden Fällen war das SBM-20 um den Faktor 7-8.5 empfindlicher als das SI-39G. Versuch 6: Cobalt-60 Präparat Eingangs wurde erwähnt, dass das SI-39G für die Messung von harter γ Strahlung ausgelegt ist. Die Messreihe wäre daher unvollständig, wenn man nicht auch in diesem Bereich vergleichen würde. Es ergab sich die Möglichkeit, Messungen an einem Cobalt-60 Schulpräparat durchzuführen. Cobalt-60 (Co-60) emittiert energiereiche γ-strahlung bei 1.17MeV und 1.33MeV. Das ist der untere Energiebereich harter γ-strahlung.
Bei diesem Versuch schlug sich das SI-39G deutlich besser, obwohl das SBM-20 immer noch die Nase vorn hatte. Diesmal war das SBM-20 aber nur noch um den Faktor 3.5 empfindlicher. Vermutlich wird das SI-39G bei noch höheren Energien immer mehr aufholen bzw. das SBM-20 bei hochenergetische γ-strahlung abbauen. Fazit Das SBM-20 war bei allen Versuchen klarer Sieger. Das SI-39G bestätigte die Angaben im Datenblatt. Es ist nicht zur Messung von β-strahlung geeignet und auch nur bedingt zur Messung niederenergetischer γ-strahlung. Sein eigentliches Anwendungsgebiet ist die Messung harter γ-strahlung. Unter diesem Aspekt ist es nicht nachvollziehbar, warum das SI-39G als Zählrohr für einen Bausatz ausgewählt wurde, denn es ist für die übliche Nutzung eines Geiger-Müller-Zählers denkbar schlecht geeignet. Möglicherweise erfolgte die Zählrohrauswahl unter rein ökonomischen Gesichtspunkten. Das SBM-20 stellte unter Beweis, dass es ein ausgezeichnetes Allround-Zählrohre für β- und γ-strahlung ist. Allein die Zählrate von 101ipm auf dem Kaliumchlorid-Teststrahler spricht für seine Empfindlichkeit. Gleiches gilt auch für seinen Vorgänger, das STS-5, welches nahezu identische Daten hat. Die hohe Empfindlichkeit des SBM-20 war der Grund, warum es im AATiS-Geigerzähler AS622 Verwendung findet. Dessen moderne Spannungsversorgung aus einer einzigen 1.5V AA-Batteriezelle bei gleichzeitig sehr niedriger Stromaufnahme (1-2mA ohne Anzeigemodul AS602 und 10-12mA mit Anzeigemodul AS602) sind eine sehr gute Ergänzung zu diesem ausgezeichneten Zählrohr. Wem das SBM-20 noch nicht empfindlich genug ist, der kann durch die Verwendung der Zählrohre vom Typ SBM-19/STS-6 nochmals eine Steigerung um den Faktor 2-3 erzielen. Erweiterungsbausätze mit diesen Zählrohren werden vom AATiS von Zeit zu Zeit angeboten (siehe: http://www.aatis.de).
Tabelle der Messergebnisse Messung SBM-20 SI-39G Impulse ipm Netto Impulse ipm Netto Verhältnis SBM-20/SI-39G Nullrate 137 27 42 8 3.38 KCl-Teststrahler 640 128 101 41 8 0 nicht bestimmbar Uranglasur 26457 5291 5264 1848 370 361 14.57 Uranglasur + 8mm Acryl 289 58 50 59 12 3 8.94 Pechblende 30143 6029 6001 2659 532 523 11.47 Pechblende + 8mm Acryl 4309 862 834 558 112 103 8.09 Kupferschlacke 646 129 102 121 24 16 6.44 Kupferschlacke + 8mm Acryl 352 70 43 70 14 6 7.68 Cobalt-60 782 156 129 224 45 36 3.54