Et Geiger-Müller (GM)-rør eller en Geigerteller er en type strålingsdetektor som kan brukes til å detektere alle typer ioniserende stråling som beta-, alfa-, gamma- og nøytronstråling. Den første versjonen av GM-røret ble utviklet i 1908 av Hans Geiger. Den var i stand til å detektere kun alfapartikler. Senere, i 1928 ble det introdusert en forbedret versjon av Hans Geiger og Walther Müller som kunne detektere alle typer ioniserende stråling. GM-røret er på lik linje med ionisasjonskamre og proporsjonale tellere en gassfylt strålingsdetektor.G. Knoll (2000)."Radiation Detection and Measurement" 3rd ed. New York, USA: Wiley GM-røret har vanligvis en sylindrisk form, men det eksisterer også noen typer som har forskjellige utforming, f.eks. pannekake telleren. I tillegg, finnes det mange forskjellige typer GM-rør som er tilpasset forskjellige anvendelser.Centronic. "Databook on Geiger Müller Tubes". Croydon, UK Utformingen av detektoren avhenger i stor grad av type stråling som detekteres. GM-rør er oftest det beste alternativet når det skal lages enkle og økonomiske strålingsdeteksjonssystemer som ikke krever energisensitivitet.G. A. Johansen and P. Jackson (2004). "Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurements" West Sussex, UK: John Wiley & Sons Ltd. Dette skyldes at disse detektorene er robuste og veldig økonomiske. GM-rørets begrensninger er imidlertid dets lange dødtid, begrensede levetid og svake stoppeeffektivitet for gammastråling.

Beskrivelse og Virkemåte

GM tellere består av to elektroder; en tynn anode og en katode som omringer anoden. Anoden er støttet fra den ene enden og er elektrisk isolert fra katoden. Rommet mellom anoden og katoden er fylt med en bestemt type gass som egentlig er detektorens sensitive volum der deteksjon av ioniserende stråling finner sted. Detektoren forsynes med høyspenning mellom anoden og katoden ved hjelp av en ekstern generator. Størrelsen på denne høyspenningen avhenger av ulike faktorer slik som detektorens størrelse, fyllgassens sammensetning og trykk. Høyspenningen setter opp et elektrisk felt inne i detektoren. Dette feltet går fra anoden til katoden og er sterkest i nærheten av anoden på grunn av den sylindriske geometrien.

Hvis r er avstanden fra anoden, a er anodens radius, b er GM-rørets indre radius og V er spenningen så kan størrelsen på det lokale elektriske feltet ved et vilkårlig punkt i det sensitive volumet beregnes slik:

Når r øker så minker størrelsen på det elektriske feltet og den minimale verdien finnes da ved katodens indre overflate.

Når en innkommende partikkel kolliderer med et av gassmolekylene i det sensitive volumet dannes det et ionepar, dvs. ett fritt elektron og et positivt ladet ion, som da blir tiltrukket til deres respektive elektroder som følge av det elektriske feltet. Med andre ord blir det frie elektronet tiltrukket til anoden mens det positive ionet blir tiltrukket til katoden. Underveis vil det elektriske feltet i tillegg akselerere både det frie elektronet og det positive ionet. På grunn av den store massen er imidlertid hastighetsøkningen til det positive ionet betydelig mindre enn hastighetsøkningen til det frie elektronet. Dette betyr at det akselererte elektronet kan kollidere med flere gassatomer underveis mot anoden. Dette vil føre til at flere ionepar dannes i gassen. Denne prosessen kalles også Townsend skred. I tillegg kan de eksiterte gassatomene henfalle til grunntilstanden ved utsendelse av UV-fotoner som også kan absorberes gjennom fotoelektrisk effekt andre steder i det sensitive volumet eller i katoden. Produktet er da et fritt elektron og et positivt ladet gassatom, dvs. et ionepar. Disse UV-fotonene vil forplante seg langs hele det sensitive volumet til detektoren og føre til flere Townsend skred. Dermed er tellerens hele sensitive volum involvert i deteksjonsprosessen. Denne prosessen er også kalt som gassmultiplikasjon som forteller hvor mange ionepar dannes i fyllgassen per innkommende partikkel. For eksempel er multiplikasjonsfaktoren til proporsjonale tellere på ganske ubetydelig i forhold til GM-rør som har en multiplikasjonsfaktor på . Alle ladningene som er produsert i løpet av denne gassmultiplikasjonsprosessen, skal etter en viss tid (noen mikrosekunder) samles ved de respektive elektrodene. Det dannes da en viss strøm i detektoren som kan måles ved hjelp av andre eksterne elektroniske komponenter.

Mekanismen som avslutter signaldannelsen er på en måte selve gassmultiplikasjonen. I denne gassmultiplikasjonsprosessen dannes det flere ionepar. Forplantningen av de positive ionene gjennom fyllgassen skjer mye saktere enn forplantningen av de negative elektronene. Tiden som trengs for å samle alle negative elektroner ved anoden er langt mindre enn den tiden som trengs for å samle alle positive ioner ved katoden. Dette fører til dannelse av en positivt ladet ionesky rundt anoden som reduserer størrelsen på det elektriske feltet rundt anoden til en verdi som er langt mindre enn den kritiske verdien som trengs for videre dannelse av ionepar. Denne situasjonen kan visualiseres ved at den positive ioneskyen fører til en midlertidig økning i anodens tykkelse som svekker det elektriske feltet. For en gitt høyspenning trengs det til enhver tid et bestemt antall positive ioner for å avslutte gassmultiplikasjonsprosessen. Dette vil si at hver eneste gang fyllgassen ioniseres så må det samles ca. samme antall ladninger ved elektrodene for at det elektriske feltet faller under den kritiske verdien. Alle pulser som genereres av et GM-rør har derfor samme amplitude. Disse pulsene kan dermed ikke gi informasjon om egenskapene til den innkommende strålingen. Disse detektorene sies derfor å være ikke-energisensitive og kan ikke anvendes i tilfeller som krever ulike respons ved ulike strålingsenergier, f. eks. gammaspektroskopi. Dessuten kan de ikke brukes til å skille mellom forskjellige typer ioniserende stråling. GM detektorer kan bare fortelle oss hvorvidt det finnes stråling til stede og styrken på dette strålingsfeltet.

For ett gitt GM-rør øker pulsamplituden når høyspenningen økes. Dette er fordi en større høyspenning fører, i utgangspunktet, til et sterkere elektrisk felt inne i detektoren. Da må det dannes en enda tettere positiv ionesky rundt anoden før det elektriske feltet faller under den kritiske verdien. Overspenning er definert som differansen mellom den høyspenningen som detektoren forsynes med og den minimale høyspenningen som trengs for signaldannelse, og pulsamplituden øker omtrent proporsjonalt med denne overspenningen.

Vanligvis blir edelgasser foretrukket som fyllgass i GM-rør. De vanligste edelgassene som blir brukt som fyllgass i GM-rør er argon, neon og helium. Den gjennomsnittlige forandringen i elektronenergien i fyllgassen avhenger av forholdet mellom størrelsen på det elektriske feltet og gasstrykket (E/p). Høyere gasstrykk krever dermed sterkere elektrisk felt for å produsere et gitt antall eksiterte gassmolekyler i et gitt akselerasjonsvolum. Derfor konstrueres forseglede GM-rør med gasstrykk mye lavere enn det atmosfæriske trykket. Dette sørger for at gassmultiplikasjonen skjer ved mye svakere elektrisk felt, altså ved mye lavere høyspenning. I permanente installasjoner der GM-rør anvendes for måling av stråling er det viktig å velge en passende høyspenningsverdi. Ionepar som er produsert i fyllgassen vil gå gjennom rekombinasjon og danne nøytrale atomer dersom det elektriske feltet er altfor svakt. Det elektriske feltet mellom anoden og katoden må derfor være høy nok til at ionepar som dannes i gassen separeres og tiltrekkes til de respektive elektrodene.

Slukking og Dødtid

Så snart de positive ionene når katoden blir disse nøytralisert i katodens indre eller ytre overflater gjennom kollisjoner med atomene i katoden. Ionene tar opp elektroner fra katodeoverflaten, og i denne prosessen blir en viss energimengde frigjort. Denne energien kan formuleres slik:

der er ionisasjonsenergien til gassmolekylene, er den energien som trengs for å frigjøre et elektron fra katodeoverflaten og er den energien som er frigjort når de positive ionene nøytraliseres i katoden. Det er en viss sannsynlighet for at det blir frigjort flere elektroner fra katoden dersom den frigjorte energien er større enn den energien som trengs for å rive et elektron fra katodeoverflaten. Dette kalles også arbeidsfunksjon. Denne sannsynligheten er veldig liten, men den høye ionetettheten i katoden sørger for at det er en god sjanse for at det blir frigjort minst ett elektron fra katoden under nøytraliseringsprosessen. Dette elektronet kan da penetrere helt inn til fyllgassen der det blir akselerert mot anoden ved hjelp av det elektriske feltet mellom katoden og anoden. I nærheten av anoden vil elektronet produsere et Townsend skred som da kan føre til en repetisjon av hele deteksjonsmekanismen. I teorien er det mulig for et GM-rør å produsere slike kontinuerlige repetitive pulser etter den initiale syklusen. Dette er selvsagt uønsket og kan forebygges enten gjennom den såkalte ekstern slukking eller intern slukking. Ekstern slukking betyr at høyspenningen som GM-røret forsynes med, blir redusert til under den kritiske verdien i en viss periode. Dette må gjøres umiddelbart etter at en puls er registrert i de eksterne sensorene. Høyspenningen kan først økes til den normale verdien når alle positive ioner er nøytralisert i katoden og alle elektroner er samlet i anodeoverflaten. Det svakere elektriske feltet i fyllgassen vil da forebygge videre dannelse av flere skred. Intern slukking kan gjennomføres ved tilsetting av en annen komponent i fyllgassen. Denne komponenten kalles ”slukkegass” og har som funksjon å forebygge produksjon av kontinuerlige pulser i GM-røret. Denne slukkekomponenten har et ionisasjonspotensial som er lavere enn ionisasjonspotensialet til den primære fyllgassen. En viss konsentrasjon (vanligvis 5-10 %) av slukkekomponenten skal sørge for at alle de positive fyllgass ionene kolliderer med slukkegass atomene mens de forplanter seg mot katoden og blir nøytralisert der. Da er det i stedet de positivt ladde slukkegassionene som blir tiltrukket til katoden. Disse slukkegassmolekylene har mye mer komplekse strukturer enn de vanlige fyllgassmolekylene. Dette fører til at den frigjorte energien går med til å bryte disse komplekse molekylene ned. På denne måten blir frigjøring av flere elektroner fra katoden forbygget.

Alle GM-rør som anvendes i praksis inneholder derfor denne slukkekomponenten. I mange kommersielle utgaver av GM-rør ble det brukt organiske gasser (f. eks. etylalkohol) som slukkegass. Ulempen med å anvende organiske gasser er at disse blir gradvis brukt opp under nedbrytingen. Dette begrenser levetiden til denne type GM-rør. Den gjennomsnittlige levetiden til et GM-rør som bruker en organisk slukkegass re ca. tellinger. I dag bruker, imidlertid, de fleste kommersielle GM-rør halogengass som slukkegass (f. eks. klor og brom). Fordelen med å bruke disse er rett og slett økt levetid og mer stabil operasjon. Dette er fordi halogengassmolekylene kan rekombineres spontant etter nedbrytingen i katoden.