Ultraviolette Strahlen: Ihre Erzeugung, Messung und Anwendung in Medizin, Biologie und Technik [2. erw. Aufl. Reprint 2020] 9783112356104, 9783112356098

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MEYER-SEÎTZ ULTRAVIOLETTE STRAHLEN

ULTRAVIOLETTE STRAHLEN IHRE ERZEUGUNG, MESSUNG UND ANWENDUNG IN MEDIZIN, BIOLOGIE UND TECHNIK VON

A. E. HERBERT MEYER UND ERNST OTTO SEITZ DR. PHIL.

DR. PHIL.

MIT EINEM GELEITWORT VON PROFESSOR DR. B. R A J E W S K Y Direktor des Kaiser-Wilhelm-Institute für Biophysik Frankfurt/Main

MIT 261 ABBILDUNGEN UND 58 TABELLEN

2. E R W E I T E R T E A U F L A G E

BERLIN 1949

W A L T E R D E G R U Y T E R & CO. VORMALS G. J . GÖSCHEN'SCHE VERLAGSHANDLUNG - J . GUTTENTAG, VERLAGSBÜCHHANDLUNG - GEORG REIMER KARL J . TRÜBNER VEIT & COMP.

A L L E RECHTE VORBEHALTEN WALTER DE G R U Y T E R & CO., VORMALS G. J . GÖSCHEN'SCHE VERLAGSHANDLUNG J . GUTTENTAG, VERLAGSBUCHHANDLUNG - GEORG REIMER - K A R L J . T R Ü B N E R - VEIT & COMP. ARCHIV Nr. 527349. PRINTED IN GERMANY GESAMTHERSTELLUNG VON J . J . AUGUSTIN, GLÜCKSTADT

Geleitwort Noch vor wenigen Jahren schien die Entwicklung auf dem Gebiete der praktischen Verwendung von ultravioletten Strahlen, abgesehen von gewissen technischen Anwendungen und apparativen Neuerungen, in ihren Grundzügen zum Stillstand gekommen zu sein. Den weitaus größten Teil nahm dabei die Verwendung der ultravioletten Strahlung für therapeutische Zwecke ein: Lupus- und RachitisBekämpfung sind hier, neben anderen medizinischen Anwendungen, als besonders markante Beispiele zu nennen. Verschiedene technische Anwendungen, vor allem die Lumineszenzanalyse, ergänzten diesen praktischen Geltungsbereich des UVLichtes. Bezeichnenderweise befand sich auch die einschlägige, rein wissenschaftliche Forschungsarbeit in einer gewissen Stagnation. Die neuere Zeit brachte jedoch einen bemerkenswerten Aufschwung und eine bedeutende Ausweitung des gesamten UV-Gebietes. Sowohl die technisch-apparative Seite, als auch die Grundlagen-Forschung und die praktische Verwendung der UV-Strahlung in der Medizin und in der Technik erfuhren so wesentliche Bereicherung, daß in vieler Hinsicht neue Perspektiven und neue Wege eröffnet wurden. Es unterliegt heute keinem Zweifel, daß der UV-Forschung und -Technik in naher Zukunft große Erfolge beschieden sein werden. Die Wirkungen des UV-Lichtes gehören heute schon zu den reizvollsten Gebieten der biophysikalischen Forschung. Die Anwendung der UVStrahlen als struktur-analytisches Werkzeug (Absorptions- und WirkungsspektrumsAnalyse) in der Biochemie und Biologie, neue Erkenntnisse über die Erythem- und Pigmentbildung, neue Wege in der Prophylaxis und Therapie der Rachitis, die Einführung der UV-Prophylaxis in die Arbeitshygenie, steigende technische Anwendung sind die Wegweiser der sich anbahnenden Entwicklung. So kommt das neue Buch für die Physik, Technik und Anwendungen der UVStrahlung zu rechter Zeit, um so mehr, als es die erste zusammenfassende Darstellung des gesamten Gebietes ist. Es ist sehr zu begrüßen, daß die Autoren sich entschlossen haben, das reiche im Laufe der vieljährigen Arbeit auf diesem Gebiet von ihnen gesammelte eigene, sowie bisher im wissenschaftlichen und technischen Schrifttum zerstreute Material in systematischer Darstellung den interessierten Kreisen zugänglich zu machen. Es bestand ein dringendes Bedürfnis nach einem solchen Werke. Daß es von zwei besonderen erfahrenen Fachvertretern geschrieben wurde, welche die volle Möglichkeit hatten, das gesammelte Material und die prinzipiellen Fragestellungen aus eigener praktischer Erfahrung heraus zu redigieren bzw. zu erläutern, erhöht den Wert des vorliegenden Buches ganz besonders. Es ist ein umfassendes und zuverlässiges Nachschlagewerk entstanden, daß als Führer und wertvoller Berater dem Neuling und als erfahrener Auskunfterteiler dem Fachmann dienen wird. Den Verfassern und dem Verlag gebührt großer Dank dafür, daß sie das Buch mit zahlreichen Figuren, Tafeln und Tabellen versehen haben, die vieles für die praktische Arbeit und für die Forschung Wissenswertes und Erforderliches enthalten. Dadurch ist dem neuen Werk das Interesse der einschlägigen Kreise, ja die Unentbehrlichkeit bei Studium und Bearbeitung der neuzeitlichen Probleme des UV-Lichtes gesichert. F r a n k f u r t a. M., 10. November 1941.

B. R a j e w s k y .

Vorwort zur 1. Auflage Wohl selten gehört auf einen wissenschaftlich-technischen Gebiet die Kenntnis der Strahlungsquellen, die Beherrschung der Meßtechnik und die Erfahrung über zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Biologie und Technik so eng zueinander, wie gerade auf dem Gebiet der ultravioletten Strahlen. Das im Anhang zusammengestellte Schriftenverzeichnis zeigt, daß die Originalliteratur vielfältig zersplittert und nur bei genauer Kenntnis des in- und ausländischen Schrifttums dem Einzelnen erschlossen ist. Wir haben es daher bei unseren eigenen Arbeiten stets bedauert, daß keine zusammenfassende Darstellung vorhanden ist, aus der über die den praktisch arbeitenden Mediziner, Biologen und Physiker interessierenden Fragen auf dem Gebiet der ultravioletten Strahlen zuverlässige und erschöpfende Auskunft zu holen ist. Bei der Sichtung des Schrifttums ergab sich weiter die bedauerliche Erkenntnis, daß viele der heranzuziehenden Arbeiten an einem Grundübel kranken. Oft kennt der auf dem Gebiet der Strahlenerzeugung arbeitende Techniker die Forderungen der Meßtechnik und die verschiedenen Anwendungen der Strahlung nur mangelhaft, oder der Meßtechniker ist über die Eigenschaften der Strahlenquellen selbst unzureichend im Bilde. Der Mediziner, Biologe, Chemiker und Physiker, der die ultravioletten Strahlen als Handwerkszeug verwendet, oder die Einwirkung dieser Strahlung auf die tote oder lebende Materie untersucht, setzt den Wert seiner Arbeit oft dadurch herab, daß er bei der Auswahl der anzuwendenden Strahlenquellen nicht alle Möglichkeiten erschöpft oder die meßtechnischen Anforderungen nicht genügend berücksichtigt, so daß die qualitative und quantitative Auswertung seiner Ergebnisse oft Schwierigkeiten bereitet. Es erschien daher nützlich, das von uns gesammelte Material in einer zusammenfassenden, das Wesentliche hervorhebenden Darstellung den interessierten Kreisen als Grundlage für weiteres Arbeiten zu unterbreiten. Zu diesem Verfahren wurden wir von Herrn Prof. Dr. B. Rajewsky, Kaiser-Wilhelm-Institut für Biophysik, Frankfurt a. M. in zahlreichen Diskussionen ermuntert. Wir hoffen, daß das vorliegende Buch seine Aufgabe erfüllen wird. Wir haben uns bemüht, die Darstellungsform möglichst einfach und auch den Nichtfachmann der jeweiligen Arbeitsrichtung verständlich zu halten. Nach einem einleitenden Kapitel, das der Klärung der Grundbegriffe und einer Übersicht über das gesamte Gebiet gewidmet ist, haben wir im ersten Hauptteil unseres Buches, die Strahlenerzeugung behandelt, wobei wir uns auf die Darstellung derjenigen Eigenschaften der Strahlungsquellen beschränkten, die für die praktische Anwendung wichtig sind. Ausführlicher wurden die Gesetzmäßigkeiten der Gasentladung, speziell der Quecksilber Hochdruckentladung, behandelt. Auch hinsichtlich der Kohlenbogenlampen und der Temperaturstrahler ist das Wesentliche zusammengestellt worden. Besondere Sorgfalt haben wir auf die Beschreibung und Diskussion der bei der natürlichen UV-Strahlenquelle — der Sonne — gewonnenen Erkenntnisse verwendet. Durch zahlreiche Tabellen und Kurvendarstellungen hoffen wir, diesen der Strahlenerzeugung gewidmenden Teil zu einem zuverlässigen Nachschlagewerk über alle praktisch wertvollen UV-Strahlenquellen gestaltet haben.

Vili

Vorwort zur 1. Auflage

Die Meßtechnik forderte gleichfalls eine gründliche und das gesamte ineßtechnische Rüstzeug umfassende Bearbeitung. Wir haben versucht, an einer Reihe von Beispielen die einzelnen Aufgaben der Meßtechnik lebendig zu beschreiben und für alle Anwendungen eine klare Arbeitsanweisung herauszuarbeiten. Meßverfahren, die lediglich historisches Interesse haben, haben wir zwar erwähnt, uns aber im wesentlichen auf die neuere, objektive Spektralphotometrie beschränkt. Als Hilfsmittel für die Zerlegung in enge, bzw. breite Spektralbereiche wurden die Monochromatoren, bzw. die verschiedenen Filterverfahren behandelt. Unter den Strahlungsempfängern wurden Thermoelemente, Photozellen und Photoelemente bevorzugt. Die Verwendung der photographischen Platte für Strahlungsmessungen wurde nur in den Grundzügen besprochen. Bei den Strahlungsquellen und Meßinstrumenten haben wir die in Deutschland im Handel nicht erhältlichen nur dann herangezogen, falls ihnen eine grundsätzliche Bedeutung zukommt. Die getroffene Auswahl, namentlich auch unter den Meßinstrumenten, soll keinerlei Werturteil darstellen. Es konnte unter der großen Fülle brauchbarer Geräte nur eine kleine Auswahl charakteristischer Vertreter verschiedener Typen besprochen werden. Hinsichtlich der Anwendung der UV-Strahlung konnten wir uns im Bezug auf die Lumineszenzerscheinungen kurz fassen, da auf diesem Gebiet bereits ein umfangreiches Sonderschrifttum besteht. Dagegen sind die biologisch-medizinischen Anwendungen in ihren Grundlagen ausführlich beschrieben worden. Einen weiten Raum nimmt hierbei das klassische Gebiet der Erythem- und Pigmenterzeugung ein. Gerade dieses auch weiteren Kreisen bekannte Gebiet haben wir benutzt, um die charakteristischen Eigenschaften und die einschlägige Arbeitsmethodik der biologischen Strahlungswirkungen zu erläutern. Eines der wichtigsten Anwendungsgebiete der UV-Strahlung in der Medizin ist die Bekämpfung der Rachitis. Wir haben uns bemüht, die Rolle der UV-Strahlung auf diesem wichtigen Gebiet der Volkswohlfahrt in größerem Zusammenhang zu bringen. Bei der Beschreibung der übrigen medizinischen Anwendungen haben wir uns dagegen auf eine referierende Wiedergabe beschränkt, wolbei wir im wesentlichen den bekannten Darstellungen von Guthmann, Jüngling und anderen folgten. Auf dem Gebiete der technischen Anwendungen haben wir zwar möglichst Vollständigkeit angestrebt, bei der großen Anzahl der Anwendungsmöglichkeiten konnten aber viele nur erwähnt werden. Das vorliegende Buch soll den Stand der gegenwärtigen Kenntnisse objektiv wiedergeben, ohne die geschichtliche Entwicklung besonders zu berücksichtigen. Die einzelnen Autoren, auf deren Arbeiten wir uns stützen, wurden im allgemeinen im Text nicht genannt; sie sind aber durch in Klammern gesetzte Ziffern, die im Schrifttumsverzeichnis wiederkehren, leicht aufzufinden. Diese umfaßt alle wichtigen Arbeiten, vor allem der letzten Jahre. Wir haben es nach einigen Hauptgesichtspunkten entsprechend der Einteilung dieses Buches gegliedert und die ausführlichen Titel der Arbeiten genannt, so daß es auch selbständig benutzt werden kann. Das ausführlich gehaltene Inhaltsverzeichnis wird zusammen mit dem Stichwortregister die Benutzung des Buches erleichtern. Wir möchten an dieser Stelle alle diejenigen Herren erwähnen, die uns bei der Abfassung dieses Buches unterstützt haben. Besonders danken wir Herrn Prof. Dr. B. Rajewsky, der uns sowohl bei der Lesung des Manuskriptes als auch der Korrektur viele wertvolle Ratschläge gegeben hat. Herr Prof. Dr. F. Holtz, Berlin, gewährte uns freundlicherweise Einblick in sein Manuskript zu dem im Auftrag der Reichsärzteführung aufgenommenen Rachitisschulungsfilm, wofür wir auch hier danken möchten. Schließlich verpflichten uns zu besonderem Dank die Herren C. Braband, Berlin durch wertvolle Mitarbeit bei Abfassung des physikalischen

Vorwort zur 2. Auflage

IX

Teiles und Dr. F. Lauster, Hanau, Geschäftsführer der Quarzlampen Gesellschaft m.b.H., Hanau a. Main, durch wertvolle Ratschläge und verständnisvolle Förderung dieser Arbeit. Wir danken auch unserem Mitarbeiter, Herrn Dipl. Ing. W. Lötz, der uns bei der Anfertigung der Abbildungsunterlagen zur Seite stand, sowie den zahlreichen Firmen, die uns durch Überlassung von Druckstöcken und von teilweise unveröffentlichtem Material unterstützt haben. H a n a u , im November 1941.

A. E. H. Meyer.

E. 0 . S e i t z .

Vorwort zur 2. Auflage Unser Buch ist von der Fachwelt günstig aufgenommen worden. Wir danken den zahlreichen Referenten für die in ihren Besprechungen und teilweise auch in Zuschriften geäußerten Wünsche und Anregungen, denen wir bei der Bearbeitung der 2. Auflage weitgehend folgten. Ihr Erscheinen war schon für 1944 vorgesehen, sie kam aber nicht mehr zum Druck. Nach Kriegsende bereitete es ungewöhnliche Mühe, die verlorengegangene Schrifttumssammlung wieder aufzubauen und das Manuskript und die Abbildungsunterlagen zu rekonstuieren. Wir danken dem Verlag für sein großes Verständnis, mit dem er die durch diese Schwierigkeiten bedingte Verzögerung des Ausdruckes hinnahm. Als positiver Gewinn dieser Verzögerung muß gewertet werden, daß dadurch die Möglichkeit geschaffen wurde, die bis heute im Inland herausgekommene neue Literatur mitverarbeiten zu können und vor allem die angelsächsische Literatur, die uns erst zugänglich wurde, als das Buch im Wesentlichen schon abgeschlossen war. Wir mußten uns entschließen, um diese Literatur auszuwerten, das letzte Kapitel, das der „Technischen Anwendung'" gewidmet ist, völlig umzuarbeiten. Wir danken den Herren D. A. Jones, Slough, Bucks, England und H. Laub, Ph. D., Newark N. J. USA, die uns freundlicherweise eine reiche Sammlung angelsächsischen Schrifttums übersandten. Der Gesamtumfang unseres Buches hat, trotz Beschränkung auf das Wesentlichste um 7 Druckbogen zugenommen, die Zahl der Abbildungen ist von 217 auf 261, die der Tabellen von 40 auf 58 gestiegen, der Schrifttumsnachweis von 710 auf 1334 Nummern. Die Halbtonbilder haben wir auf eingeschlossenen Bogen, die möglichst in der Nachbarschaft der betreffenden Textstelle angeordnet wurden, untergebracht. Ursprünglich war diese Maßnahme ein Ausweichen vor der Beschaffungsschwierigkeit einwandfreien Papieres, wurde aber auch nach Wegfall dieser Schwierigkeit beibehalten, da nach unseren eigenen Erfahrungen das Arbeiten mit auf Kunstdruckpapieren gedruckten Büchern bei künstlicher Beleuchtung wegen der unvermeidlichen Reflexe eine Qual ist. Leider ist infolge der Zonengrenzen und der Kriegsfolgen eine so weitgehende Umschichtung im Kreise der Hersteller von Strahlungsquellen und Meßgeräten erfolgt, daß die von uns gebrachten Angaben lückenhaft sein müssen und nicht in allen Fällen auf den derzeitigen Stand gebracht werden konnten. Wir haben vielmehr bewußt den früheren Hersteller auch dann genannt, wenn das Weiterbestehen seines Betriebes uns nicht bekannt war.

X

Vorwort zur 2. Auflage

Den Aufbau und die Gliederung haben wir, da sie sich bewährt haben, beibehalten. Wir haben aber zahlreiche Tabellen, die den Fluß des Textes stören und oft getrennt benutzt werden, aus dem Text herausgezogen und im Anhang gebracht. Die Zahl der Tabellen haben wir außerdem durch die Hinzunahme verschiedener Zusammenstellungen der Materialeigenschaften erweitert. Wir hoffen, die Brauchbarkeit des Buches dadurch noch erhöht zu haben. Bei den künstlichen Strahlenquellen sind die Edelgashöchstdrucklampen neu hinzugekommen, die kugelförmigen Hg-Höchstdrucklampen ausführlicher behandelt und bei den Kohlenbogenlampen neuere Ausmessungen herangezogen worden. Auch Großbestrahlungsanlagen wurden eingehender besprochen. Das Material über Sonnen- und Himmelstrahlung wurde durch Hinzunahme neuer Tabellen besser auswertbar gemacht. Im meßtechnischen Kapitel wurden die Probleme der Kolorimetrie und Absorptions-Spektral-Photometrie etwas ausführlicher behandelt und dabei die photographische Methode stärker herangezogen. Erweitert wurde auch die Darstellung der Lumineszenzmikroskopie und der Ultraviolettmikroskopie. Das meßtechnische Kapitel kann durchaus selbständig als Monographie über die Methoden der objektiven Spektralphotometrie benutzt werden. Die Darstellung der biologischen und medizinischen Grundlagen und Anwendungen konnte an einigen Stellen gleichfalls durch neue Erkenntnisse bereichert werden. Beachtung verdienen die Sulfhydrylkörperhypothese und die Ausführung über die Dosisabhängigkeit der medizinischen Wirkung von UV-Bestrahlung. Wir mußten es uns aber versagen, auf die neuere Quantenbiologie breiter einzugehen, da dies den Rahmen unseres Buches gesprengt hätte und hierüber neue Monographien erschienen sind bzw. erscheinen werden. Die technischen Anwendungen der UV-Strahlung haben eine bedeutende Ausweitung erfahren. Eine Sonderstellung nimmt hierbei die Entkeimung gasförmiger, flüssiger und fester Medien ein, die sowohl für allgemeine hygienische Zwecke, als auch in der Nahrungsmittel- und pharmazeutischen Industrie in USA vorangetrieben wurde. Auch der Einsatz der UV-Strahlung für photochemische Verfahren in großtechnischem Maßstab hat Fortschritte gemacht, über die berichtet wird. Herr cand. phye. W . Kirohhoff hat uns beim Lesen der Korrekturen dankenswerterweise unterstützt. Besonderen Dank sagen wir HerrnDirektor Franz Günther, Quarzlampen GmbH, Hanau, für die freundliche Unterstützung unserer Arbeiten. Hanau, Frühjahr 1949.

A. E. H e r b e r t Meyer.

E. 0. Seitz.

Inhalt Kapitel I

A l l g e m e i n e Ü b e r s i c h t und G r u n d b e g r i f f e . . . . .

Seite

1

1. Einleitung. 2. Geometrische Optik. 3. Strahlungsenergie. 4. Wellennatur der Strahlung. Einteilung des UV. 5. Spektrum. 6. Graphische Darstellung von Spektren. 7. Wellenlängenabhängigkeit von Reflexion, Brechung, Streuung und Absorption. 8. Lichtquanten. 9. Physikalische Wirkungen. 10. Photochemische Wirkungen. Kapitel I I

E r z e u g u n g von U V - S t r a h l e n

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11. Möglichkeiten der UV-Erzeugung. A. G a s e n t l a d u n g s s t r a h l e r

12

a) G r u n d s ä t z l i c h e s zur G a s e n t l a d u n g 12. Lichterscheinungen in der Gasentladung. 13. Entladungsträger. 14. Anregung und Trägerbildung. 16. Zündspannung, Klemmenspannung. 16. Austrittsarbeit und Kathodenfall. 17. Glühkathode, Oxydkathode. 18. Feldkathode und Bogenkathode. 19. Glimmentladung, Bogenentladung. 20. Positive Säule, Gradient.

12

b) E l e k t r i s c h e E i g e n s c h a f t e n von E n t l a d u n g s r ö h r e n 21. Kennlinie, Charakteristik. 22. Stabilitätsbedingungen. 23. Verluste im Vorschaltwiderstand. 24. Wechselstrom. 25. Wechselstromentladung. 26. Klemmenspannung und ihre Messung. 27. Leistungsmessimg, Verzerrungsfaktor. 28. Stabilität bei verschiedenen Vorschaltgeräten. 29. Vorschaltgeräte, insbesondere Drossel. 30. Zündhilfe.

19

c) Q u e c k s i l b e r - E n t l a d u n g 31. Allgemeines über Niederdruck- und Hochdruckentladung. 32. Gradient. 33. Spektrum der Hg-Entladung. 34. Druckabhängigkeit der Lichtausbeüte. 35. Übersicht über die Größen, von denen die Strahlungsausbeute abhängt. 86. Ausbeute der Resonanzlinien 254 m(i und 185 m/i. 37. Ausbeute der Linien 366 mfi. 38. Ausbeute für verschiedene UV-Bereiche. 89. Tabellarische Zusammenstellung der Ausbeute für die einzelnen Linien. 40. Kontinuumstrahlung. 41. Eignung der Hg-Entladung als Strahlungsnormal. 42. Einfluß des Vorschaltgerätes auf die spektrale Energieverteilung. 43. Schlußfolgerung.

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d) S o n s t i g e M e t a l l d a m p f - o d e r G a s e n t l a d u n g e n 44. Metalldampfentladungen. 45. Waaserstoff- und Edelgasentladungen.

38

e) Q u e c k s i l b e r - H o c h d r u c k l a m p e n 42 46. Einleitung. 47. Quarzlampe S 300 als typischer Vertreter einer Hg-Hochdrucklampe mit Glühelektroden. 48. Zündung. 49. Dosierung der Hg-Menge. 50. Einbrennvorgang. • 51. Einfluß der Netzspannungsänderungen. 52. Spektrale Werte. 53. Betrieb in waagerechter und senkrechter Brennlage. 54. Abnahme des Strahlungsflusses während des Betriebes. 55. Vorschaltgeräte. 56. Glaslampe. 67. Höchstdrucklampe. 58. Hg-Hochdrucklampen mit flüssigen Elektroden. f) H a n d e l s ü b l i c h e E n t l a d u n g s l a m p e n 69. Quarzlampen für allgemeine UV-Zwecke. 60. Hg-Hochdrucklampen mit Filterung, sowie Hg-Niederdrucklampen. 61. UV-Normallampe nach Krefft, Rößler und Rüttenauer. 62. Hg-Lampen mit eingebautem Temperaturstrahler. 63. Wasserstoffund Edelgaslampen. 64. Spektrallampen und Eisenbogenlampe.

55

XII

Inhalt Seite

B. T e m p e r a t u r s t r a h l e r

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65. Allgemeines. Schwarzer K ö r p e r . 66. Strahlungsgesetze des schwarzen Körpers. 67. U V - S t r a h l u n g des schwarzen Körpers. 68. Strahlung von nicht-schwarzen K ö r p e r n , insbesondere W o l f r a m . 69. Wolframglühlampen einschließlich Wolframbandlampen. 70. F a r b t e m p e r a t u r , schwarz© Temperatur. 71. Wolframpunktlichtlampe. 72. Strahlungsquellen mit Gasentladungs- und Temperaturstrahlung. C. B o g e n l a m p e n m i t a b b r e n n e n d e n E l e k t r o d e n u n d F u n k e n s t r e c k e n

71

73. Allgemeines. 74. Elektroden. 75. Elektrische Verhältnisse. 76. Strahlung. 77. Eingeschlossener Lichtbogen. 78. Hochstrombogen, insbesondere Beckbogen. 79. F u n k e n strecke. D. D i e S o n n e

80

80. E x t r a t e r r e s t r i s c h e Strahlung der Sonne. 81. Absorption und Streuung in der E r d a t m o s p h ä r e . H i m m e l s s t r a h l u n g . 82. Gesamtbestrahlungsstärke der Sonnen- u n d H i m melsstrahlung. 83. Gesamtbößtrahlungsstärke der Sonnen- und Himmelsstrahlung im UV-B. 84. E i n f l u ß d e r Meereshöhe auf die Bestrahlungsstärke im UV-B. 85. E i n f l u ß der Bewölkung. 86. U V - K l i m a der Großstadt. 87. Sonnen- und Himmelsstrahlung im UV-A. Zusammenfassung. Kapitel I I I

Messung der U V - S t r a h l u n g

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A. S p e k t r a l e Z e r l e g u n g

91

88. Grundlagen. 89. Monochromator-Prinzip. 90. Prismen. Dispersion. 91. Auflösung. 92. Lichtstärke. 93. Spektrale Reinheit. 94. Doppelmonochromator. 95. Handelsübliche S p e k t r a l a p p a r a t e . B. S t r a h l u n g s e m p f ä n g e r m i t i h r e n e l e k t r i s c h e n M e ß g e r ä t e n

98

96. Thermoelement. 97. Galvanometer. 98. Galvanometerverstärker. 99. Nichtselektivität. 100. E i c h e n des Thermoelementes. 101. Selektive Strahlungsempfänger. 102. Prinzipschaltbild der Photozelle. 108, Vakuumzelle. 104. Gasgefüllte Zelle. 106. Fehlerquellen u n d Meßgenauigkeit bei Photozellen. 106. Messung des Photozellenstromes m i t Galvanometer. 107. Elektrometeranordnungen. 108. Verstärkerröhren u n d ihre A n w e n d u n g . 109. Lichtzähler. 110. Photoelement. 111. Winkelabhängigkeit der E m p f i n d l i c h k e i t von Strahlungsempfängern (Cosinus-Gesetz). 112. Allgemeine V o r s i c h t s m a ß n a h m e n beim Arbeiten mit Strahlungsempfängern. 113. Photographische Platte. C. A l l g e m e i n e s ü b e r A r b e i t e n m i t S p e k t r a l a p p a r a t e n

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114. Aufstellung u n d J u s t i e r u n g der Spektralapparate. 115. Einstellung des Spaltes. 116. Aufstellung d e r Strahlenquelle. 117. Anordnung des Strahlungsempfängers. 118. Strahlungsschwächungsmittel. D. A l l g e m e i n e E i g e n s c h a f t e n d e r F i l t e r u n d i h r e H a n d h a b u n g

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119. Allgemeines. 120. Durchlässigkeit, Durchlassungsvermögen, E x t i n k t i o n , Diabatie. 1-21. Filterkombination. 122. Einfluß der Schichtdicke auf das Durchlassungsvermögen. 123. Lambert-Beersches Gesetz. 124. Beispiel der Berechnung eines Filters. HilfsN o m o g r a m m . 125. A n g a b e n über die üblichen Filter. 126. Änderung des Filters d u r c h Bestrahlimg. 127. Temperatureinfluß. 128. Störung durch Eigenfluoreszenz des Filters. 129. Metallfilter. 130. Durchlässigkeit von Gasen und Dämpfen. 131. Filterdurchlässigkeit a u ß e r h a l b des U V . 182. Durchlässigkeit der menschlichen H a u t , des Blutes u n d d e r Schutzsalben. 183. D e r Monochromator als Filter. Varioilluminator. E. S p e k t r a l e Z e r l e g u n g o h n e P r i s m a 134. Filter-Monochromatoren. 135. Kontrolle durch Gegenfilter. 136. ChristiansenFilter. 137. A u s n ü t z u n g der chromatischen Fehler von Linsen. 138. Polarisations-Interferenz-Filter. 139; Verwendung der Totalreflexion zur spektralen Trennung.

149

Inhalt

XIII

F. Durchführung von verschiedenen Spektralmessungen

Seite

156

a) B e s t i m m u n g der D u r c h l ä s s i g k e i t und des E x t i n k t i o n s k o e f f i z i e n t e n von F i l t e r n 156 140. Aufgabensteilling. 141. Strommessungsverfahren. 142. Strahlungsschwächungsverfahren. 143. Photographisches Verfahren. 144. Prüfung von Filtern für Strahlungsmessungen oder für biologische Versuche. 146. Absorptions-Spektrophotometrie. 146. Eichsubstanzen für Extinktionsmessungen. 147. Kolorimetrie. b) B e s t i m m u n g des R e f l e x i o n s v e r m ö g e n s 164 148. Allgemeines. 149. Messimg der spiegelnden Reflexion. 150. Messimg der diffusen Reflexion. 151. Daten über das Reflexionsvermögen verschiedener Stoffe. c) B e s t i m m u n g der s p e k t r a l e n E m p f i n d l i c h k e i t v o n s e l e k t i v e n S t r a h lungsempfängern 169 162. Allgemeines. Bestimmung der relativen spektralen Empfindlichkeitsverteilung. 168. Allgemeine Angaben über die absolute Eichung. 164. AbsoluteEichung aufBestrahlungsstärke. 155. Absolute Eichung auf Strahlungsfluß und Ausbeute. 166. Ermittlung der absoluten Empfindlichkeit bei Eichung mit einem Wellenlängenbereich. 157. Absolute Eichung mit UV-Normal. 158. Bestimmung der Wellenlängenabhängigkeit biologischer und photochemischer Vorgänge. 169. Mit lichtstarken Monochromatoren erreichbare Bestrahlungsstärken. 160. Mehrfilterverfahren zur Ermittlung von spektralen Empfindlichkeiten. d) M e s s u n g der s p e k t r a l e n E n e r g i e v e r t e i l u n g von L i n i e n s p e k t r e n 177 161. Aufstellung. Monochromatordurchlässigkeit. 162. Bestimmung der relativen spektralen Energieverteilung. 163. Anschluß der relativen Messung an eine absolute bei einer Wellenlänge. 164. Anschluß der relativen Messung an die absolute Messung eines Wellenlängenbereiches, insbesondere mit einer absolut geeichten Photozelle. e) M e s s u n g der s p e k t r a l e n E n e r g i e v e r t e i l u n g von k o n t i n u i e r l i c h e n S p e k t r e n 181 165. Lineare Dispersion. 166. Relative Messung. 167. Absolute Messung. 168. Energieverteilung in einem aus Kontinuum und Linien bestehenden Spektrum. f) D u r c h f ü h r u n g von s p e k t r a l e n M e s s u n g e n m i t der p h o t o g r a p h i s c h e n Platte 184 169. Arbeiten mit Schwärzungsmarken. 170. Anwendungen. 171. Bestimmung der Brechungszahl. G. S t r a h l u n g s m e s s u n g e n o h n e s p e k t r a l e Z e r l e g u n g , i n s b e s o n d e r e u n t e r V e r w e n d u n g von F i l t e r n und p h o t o c h e m i s c h e n U m s e t z u n g e n . D o s i m e t r i e . . . 187 172. Aufgabenstellung. a) S t r a h l u n g s m e s s u n g e n u n t e r V e r w e n d u n g v o n F i l t e r n 188 173. Strahlungsempfänger und Filter. 174. Die Kadmiumzelle in ihrer Verwendung für integrierende Strahlungsmessungen. 175. Die Natriumzelle in ihrer Verwendung für integrierende Strahlungsmessungen. 176. Das Photoelement (Sperrschichtzelle) für integrierende Strahlungsmessungen. 177. Das Thermoelement für integrierende Strahlungsmessungen. 178. Kontrolle durch Gegenfilter. 179. Fehlermöglichkeiten bei Verwendung von Filtern. 180. Bestimmung des Strahlungsflusses mit der Ulbrichtschen Kugel. 181. Differenzverfahren. 182. Auswahl unter den für die Bewertimg von UV-Strahlern in Frage kommenden Filtermeßmethoden. 183. Übersichtmessung im Gesamtspektrum. 184. Fluoreszenzverfahren. b) P h o t o c h e m i s c h e M e ß v e r f a h r e n 186. UV-Schnellmesser. 186. Jodmethode. 188. IG-Dosimeter.

187. Azeton-Methode und andere.

200

c) D o s i m e t r i e 204 189. Dosimetrie. 190. Biologische Einheiten und biologisch begründete Einheiten der UV-Strahlung.

XIV

Inhalt Kapitel IV

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P h y s i k a l i s c h e , b i o l o g i s c h e und p h o t o c h e m i s c h e Wirkungen der U V - S t r a h l e n und ihre Anwendung 208 A. F l u o r e s z e n z u n d P h o s p h o r e s z e n z n e b s t A n w e n d u n g e n 208 191. Allgemeines. 192. Resonanzfluoreszenz bei Gasen und Dämpfen. 193. Stokes'sches Gesetz. Energetische Ausbeute. 194. Abhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung vom Aggregatzustand. 195. Leuchtphosphore. 196. Anwendung der Fluoreszenz und Phosphoreszenz in der UV-Meßtechnik. 197. Analysenlampe. 198. Anwendungsbeispiele der Fluoreszenzanalyse. 199. Photographische Aufnahmen im Fluoreszenzlicht und im reflektierten UV. 200. Titration mit fluoreszierenden Indikatoren. 201. Ergänzende Bemerkungen zur Fluoreszenzanalyse. 202. Fluoreszenzspektrum. Messung der Fluoreszenzhelligkeit und -färbe. 203. Fluorometrie. 204. Fluoreszenzmikroskopie. 205. Ultraviolettmikroskopie. 206. Anwendung der Leuchtstoffe in der Lichttechnik. B. D i e b i o l o g i s c h e n G r u n d w i r k u n g e n d e r U V - S t r a h l u n g 223 207. Einleitung und Allgemeines über Wirkungsmechanismen. 208. Zellzerstörende Wirkungen. 209. Photochemische Wirkungen. 210. Auswertung der biologischen Strahlungsreaktionen. C. E r y t h e m u n d P i g m e n t 227 a) E r s c h e i n u n g u n d E n t s t e h u n g 227 211. Allgemeines. Äußere Erscheinungsformen. 212. Abhängigkeit von der Dosis. 213. Abhängigkeit von der Wellenlänge. 214. Additivität der Wirkung von Strahlung verschiedener Wellenlängen. 21&. Verschiedene Abhängigkeiten der Erythemempfindlichkeit. 216. Lichtbiologische Konstitutionsforschung. 217. Absolute Erythemempfindlichkeit. 218. Einfluß der Unterteilung der Dosis. 219. Anatomie und Physiologie der menschlichen Haut. 220. Entstehung des Erythems. 221. Pigmentierung. 222. Strahlengewöhnung. 223. Schlußfolgerungen. bj Methodik von E r y t h e m - u n d P i g m e n t i e r u n g s - V e r s u c h e n 240 224. Allgemeine Bedeutung solcher Versuche. 225. Optische und elektrische Einstellung der Strahlenquelle. 226. Wahl der ¡Teststelle. 227. Zeitpunkt der Ablesung. 228. Bestrahlungstreppen. 229. Ablesung der Bestrahlungstreppe. 230. Bestimmung der Erythemschweilendosis. 231. Bestimmung der Erythemgradation. 232. Lichtbiologische Konstitutionsforschung. 283. Einteilung der UV-Strahler nach Erythemschwelle und Erythemgradation. 234. Pigmentierungsversuche. o) L i c h t s c h u t z m i t t e l 247 235. Allgemeines. Forderung an Lichtschutzmittel. 286. Arten der Lichtschutzmittel. 237. Bestimmung der Schutzwirkung durch Messimg der spektralen Durchlässigkeit. 238. Bewertung der Lichtschutzmittel. 239. Zusammenstellung der wichtigsten LichtSchutzmittel. 240« Sonstige Eigenschaften der Lichtschutzmittel. D. B i o l o g i s c h e W i r k u n g e n d e r U V - S t r a h l u n g u n d i h r e A n w e n d u n g in d e r Medizin 252 241. Allgemeine Bemerkungen. 242. Spektrale Wirkungskurven. 248. Wirkung der UV-Strahlung auf Eiweißkörper. 244. Zellzerstörende insbesondere bakterientötende Wirkung. 245. Praktische Anwendung der bakterientötenden Wirkung. 246. Konjunktivitis. 247. Sichtbarkeit von UV-Strahlung. 248. Genmutation. 249. Beeinflussung des Atmungsfermentes. 250. Krebsentstehung durch UV. 251. Fördernde und antagonistische Wirkung von Strahlung anderer Spektralgebiete. 252. Lichtsensibilisatoren. 253. Allgemeine therapeutische Wirkungen. 254. Dosisabhängigkeit der verschiedenen allgemeinen UV-Wirkungen. Bergarbeiterbestrahlung. 255. Unspezifische Anwendung der UV-Bestrahlung bei Gesunden. 256. Gegenanzeige der UV-Bestrahlung. 257. Tuberkulose. 258. Hautkrankheiten. 259. Bestrahlung von Wunden. 260. Bestrahlung v o n Blut und anderen Körpersäften. 261. Bestrahlung bei Operationen. 262. UV-Bestrahlung in der Zahnheilkunde. 263. Mitogenetische oder Gurwitsch-Strahlung.

Inhalt

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E. R a c h i t i s u n d V i t a m i n D 271 284. Medizinische Grundlagen und Erscheinungsformen der Rachitis. 266. Heilung der Rachitis durch Vitamin D. 266. Ungünstige Nebenerscheinungen bei Vitamin-DAnwendung. 267. Verschiedene Vitamin-D-Arten und ihre Entstehung. 268. Die internationale Vitamin-D-Einheit. 269. Bedarf an Vitamin D. 270. Bestimmung des Vitamin D. 271. Natürliches Vorkommen von Vitamin D. 272. Wellenlängenabhängigkeit der Rachitisheilung und Vitamin-D-Bildung. 273. Rachitisheilung durch Bestrahlung des menschlichen Körpers. 274. Bestrahlung von Arzneimitteln und Nahrungsmitteln (ohne Milch). 275. Grundsätzliches über Milchbestrahlung. 276. Technische Ausführung der Milchbestrahlung. 277. Rachitisbekämpfung als Aufgabe der Volkswohlfahrt. F. T h e r a p e u t i s c h e L a m p e n u n d i h r e B e w e r t u n g 281 278. Allgemeines. 279. Reflektor. Ausleuchtung des Bestrahlungsfeldes. 280. Reflektor. Verstärkungsfaktor. 281. Übersicht über die auf dem deutschen Markt befindlichen therapeutischen Lampen. 282. Hg-Hochdrucklampen mit festen Glühelektroden. 283. Hg-Hochdrucklampen mit flüssigen Hg-Elektroden. 284. Hg-Niederdrucklampen. 285. Andere Metalldampflampen. 286. Bogenlampen mit abbrennenden Elektroden. 287. Glühlampen. 288. Speziallampen 289. Vergleich verschiedener Lampentypen untereinander und mit der Sonne. 290. Bewertung verschiedener therapeutischer Lampen hinsichtlich Erythem- und Pigmenterzeugung. 291. Vergleich verschiedener therapeutischer Lampen hinsichtlich anderer biologischer Wirkungen. 292. Rechnerische Bewertung von UV-Strahlern, wenn absolute spektrale Energieverteilung und biologische Wirkungskurve bekannt sind. G. T e c h n i s c h e A n w e n d u n g v o n U V - S t r a h l e r n 293. Überblick.

296

a) L u f t e n t k e i m u n g 296 295. Strahlenquellen 294. Grundlagen der Luftentkeimung durch UV-Strahlen. und ihre Anordnung. ' 296. Anwendung der Luftentkeimung in der Industrie. b) E n t k e i m u n g f l ü s s i g e r M e d i e n 300 297. Entkeimung klarer, farbloser Flüssigkeiten. Wasserentkeimung. 298. Entkeimung trüber Flüssigkeiten, wie Milch, Obstsaft und dergleichen und von Teigen. c) E n t k e i m u n g f e s t e r S t o f f e 303 299. Lebensmittelfrischhaltung. 300. Entkeimung von Gefäßen. 301. Getreideentmuffung. d) V e r s c h i e d e n e A n w e n d u n g e n auf l e b e n d e O b j e k t e 305 302. Insektenfang. 303. Anwendung der UV-Strahlen bei der Tierzucht. 804. Anwendung der UV-Strahlen bei der Pflanzenaufzucht. e) V e r s c h i e d e n e p h y s i k a l i s c h e A n w e n d u n g e n 305 305. Anwendung der Fluoreszenz. 306. Ionenerzeugung. Ozonisierung. 807. Aufhebung des Zündverzugs bei bestrahlten Funkenstrecken. 308. Optische Telephonie mit UVStrahlung, •f) A n w e n d u n g in d e r P h o t o c h e m i e 307 309. Bleichen. Farbechtheitsprüfung. 310. Prüfung von Geräten auf Tropensicherheit. 311. Kesselsteinverhütung. 312. Lacklederhärtung. 313. Lichtpauserei. 314. Anwendung von UV-Strahlern in der photographiechen Technik. 315. Herstellung korafreier Filmkopien. 316. Grundsätzliches zu photochemischen Arbeiten. 317. Photochlorierung. 318. Anordnung zur "Durchführung photochemischer Umsetzungen. 319. Anwendung ultravioletter Strahlung zur Polymerisation von Kunststoffen. 320. Vitamin-D-Bildung durch UV-Bestrahlung von Flüssigkeiten. 821. VitaminD-Bildung duroh UV-Bestrahlung fester Stoffe, insbesondere Hefebestrahlung. 322. Schlußbemerkung.

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Anhang

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Tabelle A Bezeichnungen für Strahlungsgrößen Tabelle B Umrechnung verschiedener Leistungs- und Energiemaße Tabelle C Daten über Quarzlampen (Hochdrucklampen) Tabelle D Daten über Hg-Hochdrucklampen mit Filterung Tabelle E D a t e n über Quarzlampen (Höchstdrucklampen) Tabelle F Spektrale Daten des UV-Normals Tabelle G Spektrale D a t e n des UV-Normals in integraler Darstellung Tabelle H Relative spektrale Energieverteilung von Hg-Hochdrucklampen Tabelle I Umrechnung für Durchlassungsvermögen und Extinktion E r l ä u t e r u n g e n zu Tabelle I Tabelle K Werte der Extinktion für verschiedene Schottfilter Tabelle L Brechungszahlen von festen Körpern und von Flüssigkeiten Tabelle M Strahlungsfluß verschiedener UV-Strahlertypen

322 322 323 324 325 326 328 329 330 331 332 334 337

Schrifttum

338

Sachverzeichnis

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Kapitel I

Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe^ 1. Einleitung. Die ultravioletten (UV) Strahlen und die sichtbaren und infraroten Strahlen bilden das Gebiet der optischen Strahlen, weil sie in ihren physikalischen Eigenschaften weitgehend übereinstimmen. Die gleichfalls zu den elektromagnetischen Strahlen gehörenden Röntgenstrahlen bzw. die Rundfunkwellen liegen jenseits der optischen Strahlen und zeigen besonders hinsichtlich Erzeugung und Anwendung wesentliche Unterschiede gegenüber den optischen Strahlen, so daß sie gänzlich außerhalb des Rahmens dieses Buches liegen, während sichtbares Licht und infrarote Strahlung gelegentlich gestreift werden. Innerhalb der optischen Strahlen nehmen die UV-Strahlen in vielfacher Hinsicht eine Sonderstellung ein. Zunächst fehlt für sie ein unmittelbares Sinnesorgan, wie es für die sichtbaren Strahlen im Auge vorhanden ist. Daher sind die UV-Strahlen erst spät entdeckt worden (J. W. R i t t e r 1801). Dabeikommt den UV-Strahlen eine vielseitige Wirkung wie kaum Strahlen eines anderen optischen Gebietes zu, da sie tief in das Gefüge der Atome und Moleküle einzugreifen vermögen und daher diese physikalisch und chemisch verändern. Bevor auf die speziellen Eigenschaften der UV-Strahlen eingegangen wird, sollen die allgemeinen Gesetzmäßigkeiten kurz behandelt werden, die für das ganze Gebiet der optischen Strahlen gelten, und die im folgenden als kurze Wiederholung gebracht werden. 2. Geometrische Optik. Ausbreitung. Ein UV-Strahl bewegt sich im leeren Raum gradlinig stets in derselben Richtung weiter und zwar geschieht dies mit der Lichtgeschwindigkeit von rd. 300000 km/sek. R e f l e x i o n u n d Brechung. Trifft ein UV-Strahl auf einen Körper auf, so wird ein Teil des Strahles reflektiert, der andere Teil dringt in den Körper ein. Dabei erfährt sowohl der reflektierte als auch der eindringende Strahl im allgemeinen eine Richtungsänderung. Dafür gelten die bekannten Spiegelungs- und Brechungsgesetze. Die Spiegelung wird in der Praxis viel verwendet, um die UV-Strahlen in eine bestimmte Richtung zu lenken oder sie durch Reflektoren in gewünschter Weise zu bündeln. Von der Brechung wird bei der Verwendung von Prismen und Linsen Gebrauch gemacht. 3. Strahlungsenergie. Jede Strahlung ist mit einem Energietransport in Richtung des Strahles verbunden. Man kann die Energie nachweisen und messen, indem man die Temperaturerhöhung eines Strahlungsempfängers mißt, der die Strahlung restlos oder zu einem bekannten Bruchteil absorbiert. 1) Ziffern in Klammern, z. B. [128], verweisen auf das Schrifttumverzeichnis auf S. 338 bis 382. Hinweise auf andere Textstellen erfolgen durch fette Ziffer, die den einzelnen Absätzen zugeordnet und fortlaufend durch das ganze Buch geführt sind, z. B . 61.

1

Ultraviolette Strahlen

2

I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

Die gesamte Energie, die von einer Strahlungsquelle sekundlich in den Raum ausgesandt wird, nennt man S t r a h l u n g s f l u ß 1 ) (Lichtstrom2)), den man in Watt mißt. Unter S t r a h l u n g s a u s b e u t e versteht man das Verhältnis des Strahlungsflusses zur Leistungsaufnahme der Strahlungsquelle3). Da man beide Größen in Watt mißt, ist die Ausbeute eine dimensionslose Zahl kleiner als 1, bzw. in v. H. ausgedrückt, kleiner als 100. Die auf eine Fläche von 1 cm2 pro Sekunde auftreffende Energie heißt B e s t r a h l u n g s s t ä r k e (Beleuchtungsstärke2)) und wird in Watt/cm 2 gemessen. In der Meteorologie wird diese Größe auch in cal/cm2 • min angegeben4). Hat man bei parallelen Strahlen auf piner senkrecht zu den Strahlen angeordneten Fläche eine Bestrahlungsstärke B, so wird sich bei Drehung um den Winkel a die Bestrahlungsstärke auf B cos a verringern (Cosinusgesetz). B e i s p i e l : Beträgt die Bestrahlungsstärke auf einer senkrecht zum Strahl stehenden Fläche B = 100, so ist die Bestrahlungsstärke B' auf einer um a = 30° gegen den Strahl geneigten Fläche nur B' = B • cos a = 100 • 0,866 = 86,6.

Für viele von der Strahlung bewirkte Änderungen ist das Produkt aus der Bestrahlungsstärke und der Einwirkungsdauer, B e s t r a h l u n g oder D o s i s (Belichtung2)) genannt, wichtig. Diese Größe wird gemessen in Watt • sek/cm2 oder cal/cm2. B e i s p i e l : Wirkt eine Bestrahlungsstärke B = 0,034 Watt/cm 2 während der Zeit t = 220 sek ein, so ist die auf eine Fläche auftreffende Bestrahlung B • t = 0,034 • 220 = 7,6 Watt • sek/cm®. Es ist zu beachten, daß die Bestrahlung nur die auftreffende, nicht aber die von der Fläche aufgenommene Energie angibt, da im allgemeinen nur ein Teil der Strahlen absorbiert wird.

Oft ist auch die Kenntnis der S t r a h l d i c h t e (Leuchtdichte2)) einer Strahlungsquelle wesentlich, die in Watt/cm 2 • Winkel angegeben wird. Diese Größe gibt an, welche Energie in der Sekunde von der Flächeneinheit der Strahlungsquelle in die Raumwinkeleinheit5) ausgestrahlt wird. Die s p e z i f i s c h e A u s s t r a h l u n g (spez. Lichtausstrahlung) dagegen gibt die von 1 cm2 Fläche in den Halbraum in 1 Sekunde abgestrahlte Energie an. Die Dimension ist Watt/cm 2 . Durch Multiplikation der Strahldichte mit der strahlenden Fläehe (in cma) erhält man die S t r a h l s t ä r k e (Lichtstärke), die in Watt/Winkel gemessen: wird. A b s t a n d s g e s e t z . Bei einer punktförmigen Strahlungsquelle nimmt die Bestrahlungsstärke umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes ab. Dieses Gesetz gilt mit genügender Genauigkeit auch bei nicht punktförmigen Strahlungsquellen, wenn der Abstand ein Vielfaches der größten Abmessung des strahlenden Teiles der Strahlungsquelle beträgt. B e i s p i e l : Ist in der Entfernung r = 2 m die Bestrahlungsstärke B = 0,01 Watt/cm 2 = 10 mWatt/cm 8 , so ist diese in r' = 4 m: B' = B • r 2 /r' 2 = 10 • 22/42 = 2,5 mWatt/cm 2 .

4. Wellennatur der Strahlung. Einteilung des UV. Die UV-Strahlung ist wie jede elektromagnetische Strahlung ein Schwingungsvorgang. Ein solcher ist durch die F r e q u e n z charakterisiert, d. h. durch die Anzahl der Schwingungen in der Sekunde. x ) Eine vollständige Aufstellung aller üblichen Begriffe und Definitionen ist imAnhang in Tabelle A enthalten. Wir benutzen im folgenden die von der Fachgruppe für Strahlenkunde der Deutschen Lichttechnischen Gesellschaft vorgeschlagenen Bezeichnungen. a ) Die entsprechenden in der Lichttechnik üblichen Bezeichnungen sind eingeklammert beigefügt. 8 ) In manchen Fällen ist es zweckmäßig, den Strahlungsfluß nicht auf die Leistungsauftiahme des vollständigen Strahlers, sondern auf den für die Strahlungsaussendung wesentlichen Teil, also z. B. bei Hg-Lampen auf die positive Säule, zu beziehen. 4 ) 1 cal/cm 2 • min = 69,7 mWatt/cm 2 . Vgl. auch Tabelle B im Anhang. s ) Die Raumwinkeleinheit schneidet aus der Oberfläche einer Kugel von 1 cm Radius eine Fläche von 1 cm 2 heraus.

I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

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In dem hier betrachteten UV-Gebiet hegt die Frequenz etwa zwischen 0,75 und 1,5 • 1016 Schwingungen pro sek. Aus der Fortpflanzungsgeschwindigkeit c = 3 • 1010 cm/sek und der Frequenz v ergibt sich die Wellenlänge X aus der Gleichung X = cjv. Sie liegt im U V zwischen 2 und 4 • 10~B cm. Im allgemeinen gibt man die Wellenlänge jedoch entweder in ¡x (0,2—0,4 fi) oder m/t (200—400 m/j.) oder in Ängström 1 ) (2000 bis 4000 Ä ) an. I m folgenden werden wir die Wellenlänge meist in m/i angeben. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die optischen Medien verschieden ist, fällt auch die Wellenlänge der Schwingung verschieden aus, je nach dem Medium, in dem sie sich ausbreitet, während die Frequenz vom Medium nicht berührt wird. Trotzdem charakterisiert man aber die Strahlung durch die Wellenlänge, und zwar durch diejenige im Vakuum 2 ). Aus praktischen Gründen teilt man die UV-Strahlung in drei Gebiete ein, entsprechend einem Vorschlag von C o b l e n t z [439]: U V - A 315 bis 400 m/z UV-B 280 bis 315 m/i UV-C unterhalb 280 m/i3). Die Abgrenzung zwischen U V - A und UV-B ist unter dem Gesichtspunkt geschehen, daß die meisten biologischen Wirkungen ihre langwellige Grenze bei etwa 315 m/t haben. Die Grenze bei 280 m/i ist willkürlich, da wichtige biologische Wirkungen, wie Erythembildung, Rachitisheilung und Bakterientötung von Strahlung sowohl des UV-B als auch des UV-C hervorgerufen werden; für die Wahl dieser Grenze ist das Minimum der Erythemkurve (vgl. Abb. 198) bei dieser Wellenlänge maßgeblich gewesen. Strahlung aus dem UV-B nennt man auch Dorno-Strahlung. 5. Spektrum. Die Vielzahl der in einem Strahl vorhandenen Schwingungen verschiedener Frequenzen bzw. Wellenlängen nennt man ein S p e k t r u m . Folgen in einem Spektrum die Wellenlängen lückenlos aufeinander, spricht man von einem k o n t i n u i e r l i c h e n S p e k t r u m . Anderenfalls liegt ein diskontinuierliches Spektrum vor. Hier unterscheidet man zwischen L i n i e n - und B a n d e n s p e k t r u m . Die Linienspektren bestehen aus einer mehr oder weniger großen Zahl einzelner feiner Linien, die deutlich voneinander getrennt sind. Die Bandenspektren bestehen zwar auch aus einzelnen sehr dicht gehäuften Linien, die aber deutlich aus sehr vielen Einzellinien bestehende Gruppen (Banden) bilden. Glühende feste Körper senden stets ein kontinuierliches Spektrum aus; zum Leuchten angeregte Atome in einer Gas- oder Dampfatmosphäre (z. B. Quecksilberbogen) zeigen dagegen ein Linienspektrum, angeregte Moleküle aber ein Bandenspektrum. Sowohl Atome als auch Moleküle können unter besonderen Bedingungen auch ein kontinuierliches Spektrum liefern. Sind in einer Strahlungsquelle mehrere verschiedenartige Vorgänge an der Lichtaussendung beteiligt, so können Mischspektren auftreten. Als Beispiel sei hierfür der Kohlenbogen genannt, bei dem einerseits die glühenden Kohlen ein kontinuierliches Spektrum, der eigentliche Lichtbogen aber ein Banden- oder Linienspektrum liefert. 6. Graphische Darstellung von Spektren. Die von einer Strahlenquelle einer Fläche von 1 cm 2 zugestrahlte Leistung, die Bestrahlungsstärke, verteilt sich auf die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums. Die Beschreibung der Verfahren, diese Verteilung zu ermitteln, ist die Hauptaufgabe des Kapitels I I I . *) Viooo m m = 1 V- = 2)

1000

= 10000 A.

Beträgt die Wellenlänge im Vakuum 300 m(i, so ist sie in Luft 299,9 mfj., in Wasser 223 m|j. und in Quarzglas 201 m(i. ") Dieses Gebiet wird gelegentlich [534, 1090] in U V - C ! (240 bis 280 m¡x) und UV-Cg (200 bzw. 220 bis 240 mfx) unterteilt.

1*

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I . Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

Die Bestrahlungsstärke, die in Watt/cm2 gemessen wird, wird bei einem Linienspektrum für die.einzelnen Linien nacheinander ermittelt. Die Darstellung kann in der Weise erfolgen (Abb. la), daß man die gemessene Bestrahlungsstärke über der Wellenlänge als Strecke aufträgt. Das Spektrum stellt sich also als eine Anzahl von einzelnen Strichen dar. Die gesamte Bestrahlungsstärke, gemessen über alle Wellenlängenbereiche, ergibt sich als die Summe der den einzelnen Linien zugeordneten Strecken. [W/cm*]

O)

Wellenlonge [Wart]

b)

ni

Wellenlänge-

[w/cm$

k . C)

I

A

Ii*.

Wellenlänge —-

Wellenlänge

A b b . 1. Graphische Darstellung der spektralen Energieverteilung, a, d und g f ü r Linienspektrum, 6, e und h f ü r kontinuierliches Spektrum, c, / und i für Mischspektren. I n d e m linken Abbildungsteil (a, b, e) als Folge von Strecken, in der Mitte (d , e, f) als Folge v o n F l ä c h e n u n d im rechten Abbildungsteil ( g , h, i) als Integralkurven.

Ein kontinuierliches Spektrum denkt man sich lückenlos in Wellenlängenbereiche konstanter Breite zerlegt, für die einzeln die Bestrahlungsstärke wiederum in Watt/cm 2 ermittelt wird. In der graphischen Darstellung trägt man diese Bestrahlungsstärken wiederum als Striche auf, so daß das kontinuierliche Spektrum aus Strichen zusammengesetzt ist, die in konstantem Abstand voneinander angeordnet sind (Abb. l b ) . Die Breite des Wellenlängenbereiches ist je nach der Art des kontinuierlichen Spektrums zu wählen. Je mehr Einzelheiten das Spektrum aufweist, um so feiner erfolgt die Unterteilung, damit diese Feinheiten nicht verloren gehen. Die gesamte Bestrahlungsstärke über das gesamte Spektrum ergibt sich wiederum als die Summe der einzelnen Strichlängen.

I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

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Die vielfach verwendete Breite von 1 m¡x für den Wellenlängenbereich ist bereits so klein, daß sie bei der graphischen Darstellung nicht angewendet werden kann, so daß diese Art der Darstellung in den meisten Fällen nicht zweckmäßig ist. Außerdem wird die Aufteilung des Spektrums in einzelne Striche als unnatürlich empfunden. Die dem Wesen des kontinuierlichen Spektrums am besten entsprechende Wiedergabe besteht darin, daß man die Bestrahlungsstärke der einzelnen Wellenlängenbereiche über einem linearen Wellenlängenmaßstab als flächenhafte Balken darstellt, wie dies in Abb. 1 e geschehen.ist. Die Fläche eines Balkens ist ein Maß für die dem entsprechenden Spektralbereich zukommende Bestrahlungsstärke. Diese wird also durch ein Produkt aus der Größe E und AX dargestellt, wobei die letztere Größe die Breite des Spektralbereiches angibt und die Dimension einer Länge hat, während die Größe E zunächst als reine Rechengröße zu betrachten ist. Damit das Produkt aus E und AX die Dimension der Bestrahlungsstärke (Watt/cm 2 ) bekommt, muß die Größe E die Dimension Watt/cm 3 haben. Man bezeichnet deshalb die Größe E als Bestrahlungsstärke pro Wellenlängenbereich AX. Während die Dimension stets Watt/cm 3 ist, hängen die Zahlenwerte davon ab, welchen Wellenlängenbereich AX man zugrunde legt. Oft wird AX = 1 cm gewählt, während wir im folgenden stets AX = Im¡i setzen. Um die in Watt/cm 2 pro Wellenlängenbereich 1 cm — wofür man auch Watt/cm 3 schreibt — angegebene Bestrahlungsstärke in Watt/cm 2 pro 1 m/j, umzurechnen, sind die Ordinatenwerte um den Faktor 107 zu verkleinern. Es gilt also: 50 Watt/cm 3 = 50 • 10"7 Watt/cm 2 je 1 m/u = 5 ^Watt/cm 2 je 1 m/i. Das Spektrum ergibt sich bei der Abb. l e als die Summe der lückenlos aneinandergereihten Balken. Wenn man nun solche Feinheiten im Spektrum darstellen muß, daß es schwierig wäre, die Balken einzeln anzugeben, kann man auf ihre Wiedergabe verzichten. Man zeichnet dann nur noch die die Balken umschließende Kurve, bei der bei genügend kleiner Wahl von AX die Treppen natürlich nicht mehr in Erscheinung treten. Auch wenn man in einem derartigen Fall die einzelnen Balken nicht mehr zeigt, ist unbedingt zu beachten, daß nicht die Kurve, sondern die zwischen Kurve und Abszissenachse liegende Fläche als Maß für die Bestrahlungsstärke angesehen werden muß. In derselben Darstellungsweise kann auch ein Linienspektrum wiedergegeben werden (Abb. ld), wobei die den einzelnen Linien zugehörige Bestrahlungsstärke als flächenhafter Balken dargestellt wird. Man wird die Breite des Balkens so wählen, daß selbst die am engsten benachbarten Linien als getrennte Balken wiedergegeben werden können, sofern man nicht mehrere Linien in einen Balken zusammenfassen kann. Bei einem Linienspektrum ist also die Breite des Balkens eine beliebig zu wählende Rechengröße, die in keiner Beziehung zu der natürlichen Breite der Linie steht, die außerordentlich viel kleiner ist. Die Höhe der Balken hat die Dimension Watt/cm 3 , während für die Bezifferung der Ordinate das oben Gesagte gilt. Dieser Art der Darstellung der einzelnen Linien durch Balken entspricht das Bild, das man im Spektrographen erhält, wenn man den Eintrittspalt hinreichend breit wählt. Daher ist es weniger unnatürlich, das Linienspektrum als Folge zahlreicher breiter Balken darzustellen, als umgekehrt das kontinuierliche Spektrum gemäß Abb.lb als Folge einzelner Striche. Die Vorteile der Darstellung nach Abb 1 d und e zeigen sich besonders dann, wenn es sich darum handelt, ein Spektrum wiederzugeben, das außer dem Kontinuum einzelne Linien aufweist. Bei der flächenhaften Darstellung entsprechend den Abb. l d und l e werden die den Linien zugeordneten Balken auf die dem Kontinuum zugeordnete Fläche aufgesetzt, so daß sich ein Bild nach Abb. l f ergibt. Wenn man quantitativ angeben soll, welcher Anteil in den verschiedenen Spektralbereichen bei einer sowohl Kontinuum als Linienspektrum ausstrahlenden Strahlen-

6

I . Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

quelle auf das Linienspektrum bzw. das Kontinuum entfällt, gibt Abb. l f durch Vergleich der Flächen ein sinnfälliges Maß, während aus Abb. l c das entsprechende Maß erst durch Addieren der den verschiedenen Spektren zugehörigen Strecken erhalten werden kann. Es soll deshalb im folgenden bei der Darstellung kontinuierlicher Spektren oder zusammengesetzte* Spektren stets die Darstellung gemäß Abb. l e und f gewählt werden, während es sich bei Betrachtung von reinen Linienspektren empfiehlt, die Darstellung nach Abb. l a zugrunde zu legen. Auch wenn es sich um die Darstellung anderer Strahlungsgrößen, z. B. Strahlungsfluß (Watt), Strahldichte (Watt/cm2) handelt, kann man zwischen der streckenund flächenhaften Darstellung wählen, wobei wiederum wie oben für die Wahl der Darstellungsart dieselben Gesichtspunkte maßgebend sind. Die Dimension der Ordinate wird bei der flächenhaften Darstellung erhalten, wenn man die für die Strahlunsgröße selbst geltende Dimension durch cm dividiert. Die Dimension der Ordinate ergibt sich bei dieser Darstellung für den Strahlungsfluß zu Watt/cm und für die Strahldichte zu Watt/cm3. Weniger gebräuchlich, aber in gewissen Fällen vorteilhaft, ist die integrale Darstellung. Bei dieser wird jeder Wellenlänge der Integralwert z. B. der Bestrahlungsstärke zugeordnet, wobei diese Größe zwischen der kurzwelligen Grenze A0 des Spektrums und der gerade 'betrachteten Wellenlänge X summiert wird. In dieser Darstellung zeigt sich ein reines Linienspektrum als ein aus waagerechten und senkrechten Teilen bestehender Kurvenzug, da nur an der Stelle einer Spekttallinie die Summe einen Zuwachs erhält, wobei die Höhe des Sprunges gleich der von dieser Linie hervorgerufenen Bestrahlungsstärke ist. Ein kontinuierliches Spektrum ergibt eine gekrümmte, monoton ansteigende Kurve, wobei die Neigung der Kurve umso größer ist, je größer die Bestrahlungsstärke des Kontinuums ist. Sowohl beim Linienspektrum als auch beim Kontinuum ist die Bezeichnung der Ordinate die gleiche, nämlich W/cm2 bei der Bestrahlungsstärke. Man kann infolgedessen ungezwungen ein aus Kontinuum und Linien gemischtes Spektrum darstellen. Der Vorteil der integralen Darstellung besteht darin, daß man dieBestrahlungsstärke eines Wellenlängenbereiches sofort aus der Abbildung entnehmen kann, der Nachteil darin, daß Feinheiten des Spektrums leicht unterdrückt werden. In Abb. l h ist z. B. das doppelgipfelige Maximum von Abb. l b bzw. l e als solches nicht zu erkennen. Bei der Darstellung eines kontinuierlichen Spektrums gemäß Abb. 1 e und f ist unbedingt ein l i n e a r e r W e l l e n l ä n g e n m a ß s t a b anzuwenden. Wenn in besonderen Fällen dies nicht möglich ist, muß bei einer Änderung des Wellenlängen-Maß stabes auch der Ordinaten-Maßstab geändert werden. Legt man nämlich der Darstellung einen solchen Wellenlängen-Maßstab zugrunde, bei dem etwa die Wellenlängen nach großen Werten zu dichter zusammenrücken, so würde hierbei die Bestrahlungsstärke für den Bereich von 1 m/i bei großen Wellenlängen einen schmäleren Balken ergeben als bei kleinerer Wellenlänge, bei der in der Darstellung die Wellenlängen weiter auseinanderliegen. Damit aber unbedingt jeder Balken ein Maß für die in den betreffenden Wellenlängenbereich fallende Bestrahlungsstärke ist, muß bei einer Veränderung des Wellenlängen-Maßstabes der Ordinaten-Maßstab, also die Höhe der Balken, in umgekehrtem Verhältnis geändert werden. Wenn man also ein kontinuierliches Spektrum über einer logarithmischen oder reziproken Wellenlängenskala darstellt, darf die gleichzeitige Änderung des Ordinaten-Maßstabes, die für die einzelnen Wellenlängen verschieden ausfällt, nicht vergessen werden. Diese wellenlängenabhängige Änderung des Ordinaten-Maßstabes hat zur Folge, daß der Kurvenverlauf gegenüber der Darstellung über der linearen Wellenlängenskala ganz anders ausfällt. Insbesondere wird sein Maximum an einer

I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

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anderen Stelle liegen. Das Gleiche gilt für den Fall, daß man die spezifische Ausstrahlung nicht über der Wellenlänge, sondern über der Frequenz aufträgt, wobei man die spezifische Ausstrahlung 2 dann für einen Frequenzbet \ f f ü -10t 'oft/m \-vsfi reich angibt. Zur Erläuterung ist in Abb. 2 eine spektrale I i Í Verteilung einmal über einer mfesp 'Z.AUSÍtruhlurg&tY,fatt/cffi / linearen Wellenlängenteilung :&§ t und außerdem über einer line/ aren Frequenzteilung dargestellt. Die letztere stimmt mit II.. einer reziproken Wellenlängenteilung überein. Man sieht, daß der Kurvenverlauf in beiden Wellenlange Fällen verschieden ist, und daß insbesondere die Lage des MaWellenlange — ximums von der Wahl des Abszissenmaßstabes abhängt. Das ist dadurch begründet, daß man einmal die spezifische Ausstrahlung für den Frequenzbereich Av, das andere Mal für den Wellenlängenbereich AA bringt 1 ). Jede andere Art der Darstellung, die den obigen Gesichtspunkten nicht Rechnung trägt, ist falsch. Da die Bezifferung der Ordinate bei einer nicht linearen, z. B. logarithmischen Frequenz • Wellenlängenteilung, Schwie- Abb. 2. Spektrale Energieverteilung eines schwarzen rigkeiten bereitet, sollte bei Körpers von T = 2500° K, oben bezogen auf gleiche kontinuierlichen Spektren stets Wellenlängenbereiche, unten auf gleiche Frequenzbeeine lineare Teilung angewen- reiche. Die gesamte spezifische Ausstrahlung ist in Fällen gleich. Der Maßstab wurde so gewählt, det werden. Bei der Integral- beiden daß die zwischen Kurve und Abszissenachse liegende darstellung allerdings bestehen Fläche oben und unten die gleiche ist. diese Beschränkungen nicht. 7. Wellenlängenabhängigkeit von Reflexion, Brechung, Streuung und Absorption. Da nicht mit Strahlung einer einzigen Wellenlänge, sondern mit einem Spektrum zu rechnen ist, so ist es wichtig, zu prüfen, inwieweit die eingangs genannten Gesetzmäßigkeiten von der Wellenlänge abhängen. Für die Reflexion ergibt sich, daß der Winkel, unter dem der Strahl reflektiert wird, wellenlängenunabhängig ist, daß daBezeichnet man mit I). die Strahlenenergie je Wellenlängenbereich AXund mit J v diejenige je Frequenzbereich Av, so sind diese Größen durch die Gleichung Ix • AA = J v • Av verbunden. Aus der Gleichung v =2 c/A (vgl. 4) folgt durch Differenzieren für hinreichend Meine AA und Av: Av = — c • AA/A . Aus diesen Werten ergibt sich I\ • AX = Iv • c • AA/A» oder I v = Ix • A2/c. Die Größe A2/c gibt an, wie sich im vorliegenden Beispiel die Ordinate ändert, wenn man von einer Darstellung über der Wellenlänge, auf eine über der Frequenz übergeht. In entsprechender Weise erfolgt die Umrechnung, wenn zu der Darstellung über einer anderen Funktion der Wellenlänge übergegangen wird.

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I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

gegen das Verhältnis der reflektierten Energie zur auffallenden, das R e f l e x i o n s v e r m ö g e n , von der Wellenlänge abhängt. Bei der Brechung dagegen hängt auch die Größe der Ablenkung, die der Lichtstrahl beim Übergang in das andere Medium erfährt, von der Wellenlänge ab. Dieser Vorgang ist von großer praktischer Bedeutung: auf ihm beruht die Zerlegung eines Strahlengemisches in die einzelnen Wellenlängen mittels Prismen (Spektralapparat, Spektrometer, Monochromator). Normalerweise wird kurzwellige Strahlung stärker gebrochen als die längerwellige und dabei das Wellenband im kurzwelligen Teil stärker auseinandergezogeri als im langwelligen. Diese Zerlegung durch Brechung heißt Dispersion. Beim Durchgang durch ein Medium erfährt der Strahl eine wellenlängenabhängige A b s o r p t i o n . Das spektrale Absorptionsvermögen ist für eine chemische Substanz kennzeichnend und kann daher oft zu ihrer Bestimmung verwendet werden. Ausgewählte Substanzen bestimmter spektraler Absorption werden als F i l t e r verwendet, um die Zusammensetzung eines Strahlungsgemisches in gewünschter Weise zu ändern. Gehen optische Strahlen durch ein Medium, in dem kleine, meist kolloidale Teilchen suspendiert sind (z. B. Nebeltröpfchen oder Staub), so wird ein Teil der Strahlung aus der ursprünglichen Richtung unregelmäßig abgelenkt. Dieser Vorgang, der S t r e u u n g heißt, ist gleichfalls von der Wellenlänge abhängig. Er hängt außerdem von den mittleren Abmessungen der streuenden Teilchen ab. Der gleiche Vorgang findet auch an Molekülen statt. Bei allen durch die Einwirkung von Strahlung auf die Materie hervorgerufenen Vorgängen physikalischer, photochemischer oder biologischer Art ist die Kenntnis der spektralen Absorption notwendig, da nachdem Grotthus-Draperschen Gesetz nur absorbierte Strahlung eine Wirkung hervorrufen kann. Die reflektierte oder durchgelassene Energie ruft keine Wirkungen hervor. 8. Lichtquanten. Es zeigt sich, daß man die Strahlungsvorgänge nicht erschöpfend erklären kann, wenn man das Licht lediglich als Wellenerscheinung betrachtet. Es erweist sich vielmehr als notwendig, anzunehmen, daß die Energie der Strahlung nicht beliebig unterteilt werden kann, sondern daß die Strahlungsenergie in „Energie-Atome" aufgeteilt werden muß, die selbst nicht weiter teilbar sind. Diese nennt man L i c h t q u a n t e n oder Energiequanten. Das einzelne Lichtquant besitzt um so mehr Energie, je größer die Frequenz, bzw. je kleiner die Wellenlänge der Schwingung ist. Der formelmäßige Ausdruck hierfür ist Q = h-v

(1)

=

h

J

?.

Er besagt, daß die Energie Q eines Lichtquants gleich dem Produkt aus einer universellen Konstanten h = 6,61 • 10~33 Watt • sek2, der sogen. Planckschen Konstanten, und der Frequenz v ist1), bzw. aus der Lichtgeschwindigkeit c = 3 • 1010 cm/sek und der Wellenlänge X (in cm) berechnet werden kann. Die in einem Lichtquant von der Wellenlänge X enthaltene Energie ist aus Abb. 3 zu entnehmen. A.200

220

010,0 SS 4o

2W «

260

Wellenlänge A — 280 300 320

3*0

360

380 WOmfi

6Jl s SP » » & « 7,0 eß 44 6,0 lß Sf " Energie eines üchtquanfes 0 von der Wellenlänge X—»•

5,0 W waftsek

Abb. 3. Rechenstab zur Ermittlung der Energie Q eines Lichtquants von der Wellenlänge X. *) Die Größe h hat die Dimension Energie • Zeit, also einer Wirkung. Daher wird h auch das Wirkungsquantum genannt.

I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

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Um die Größe eines Lichtquants zu veranschaulichen, sei ein konkretes Beispiel überschlagsweise gerechnet. Ein Lichtquant der Wellenlänge 366 mjx hat 5,4 • 10 - 1 9 Watt-sek. Eine moderne Hg-Hochdrucklampe von 250 Watt Leistungsaufnahme strahlt von dieser Wellenlänge etwa 10 Watt in den Raum aus; in I m Abstand fallen also auf eine Fläche von 1 cm2 etwa 10~4 Watt. Das sind demnach in der Sekunde rund 2 • 10 14 Lichtquanten der Wellenlänge 366 m[x.

9. Physikalische Wirkungen. Zu welchen Vorgängen die absorbierte Energie führen kann, wird im folgenden gezeigt: Wir betrachten zunächst die physikalischen Umsetzungen. Beim P h o t o e f f e k t bewirkt die auf eine Metallfläche auffallende Strahlungsenergie einen Austritt von kleinsten, negativ geladenen elektrischen Ladungsträgern, den Elektronen, wobei derAustritt eines jeden Elektrons die Absorption eines Lichtquants zur Voraussetzung hat. Bei gleicher Zusammensetzung der Strahlung ist die Zahl der austretenden Elektronen, der Photostrom, proportional der Bestrahlungsstärke. Man benutzt daher den Photoeffekt vielfach in den Photozellen für Strahlungsmessungen. Der Photoeffekt ist ausgeprägt wellenlängenabhängig. Dieser, sich an der Oberfläche abspielende Vorgang läßt den inneren Aufbau der Materie unberührt im Gegensatz zum sog. inneren Photoeffekt, bei dem die Auslösung der Elektronen im Innern des bestrahlten Stoffes vor sich geht, wobei die Elektronen zunächst im bestrahlten Stoff verbleiben oder wandern. Als Folge treten unter Umständen chemische Umsetzungen ein. Ein anderer Vorgang bei der Absorption der Strahlung, be dem gleichfalls der bestrahlte Stoff keine dauernde Änderung erleidet, ist die Fluoreszenz. Fluoreszierende Stoffe sind imstande, Strahlung zu absorbieren und diese nach einer sehr kurzen Zeit als Fluoreszenzlicht wieder auszustrahlen. Dieses ist in seiner spektralen Zusammensetzung vielfach unabhängig von der spektralen Zusammensetzung der erregenden Strahlung und charakteristisch für den betreffenden Stoff, jedoch muß die Wellenlänge der erregenden Strahlung kleiner sein als die des Fluoreszenzlichtes (Gesetz von Stokes). Die absorbierte Strahlung kann bei bestimmten Stoffen auch, anstatt unmittelbar als Fluoreszenzstrahlung ausgesandt zu werden, aufgespeichert werden, um erst eine gewisse Zeit nach Beginn der Einwirkung der auftreibenden, erregenden Strahlung allmählich als Licht in langsam abnehmender Helligkeit ausgestrahlt zu werden. Solche Stoffe nennt man Leuchtphosphore. Die Erscheinung heißt Phosphoreszenz. Fluoreszenz und Phosphoreszenz faßt man unter dem Begriff Lumineszenz zusammen. Im günstigsten Fall kann für jedes absorbierte Lichtquant ein Lichtquant der Lumineszenzstrahlung ausgesandt werden. Die Beobachtung des für einen Stoff charakteristischen Lumineszenzlichtes erfolgt am besten bei ausschließlicher Erregung mit unsichtbarem UV, da das Auge in diesem Falle beim Betrachten des meist lichtschwachen Lumineszenzlichtes nicht durch die erregende Strahlung gestört wird. Nach diesem Prinzip arbeitet die Analysenlampe. Die Fluoreszenz wird in der Meßtechnik benützt, da die Fluoreszenzhelligkeit eines Leuchtstoffes als Maß für die Bestrahlungsstärke der auffallenden UV-Strahlung dienen kann. Neuerdings hat die Lumineszenz große praktische Bedeutung erlangt, da es mit ihrer Hilfe gelingt, UVStrahlung in Licht umzuwandeln und auf diese Weise bei Hg-Lampen für Beleuchtungszwecke die Lichtausbeute zu erhöhen oder die Lichtfarbe in gewünschter Weise zu ändern. Neben diesen spezifischen Vorgängen bei der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie gibt es noch einen unspezifischen Vorgang, der ebenfalls ohne Veränderung des bestrahlten Stoffes vor sich geht: der bestrahlte Körper kann sich erwärmen. Die Wärmewirkung kann für Meßzwecke verwendet werden, wenn der bestrahlte Körper alle Strahlung absorbiert und daher die Erwärmung dem auftreffenden Strahlungsfluß proportional ist. In den meisten Fällen dagegen ist sie un-

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I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

erwünscht oder nebensächlich. Das zuerst Genannte gilt vor allem dann, wenn der zu untersuchende Vorgang temperaturabhängig ist. 10. Photochemische Wirkungen. Die wichtigste Wirkung absorbierter UVStrahlung, auf der ein wesentlicher Teil ihrer Anwendung in Biologie und Technik beruht, ist jedoch die durch sie hervorgerufene p h o t o c h e m i s c h e Veränderung in den bestrahlten Körpern. Durch die Strahlungsabsorption können auch Reaktionen bewirkt werden, die unter Zuführung von Energie verlaufen. Im einzelnen sind also möglich: Spaltung, Anlagerung (Polymerisation), Umsetzung von Molekülen und Umwandlung von Isomeren. In der Technik sind zum Beispiel wichtig: die Photographie, die mit ihr verwandte Lichtpauserei, das Ausbleichen von Farbstoffen, die Bildung von Vitamin D aus Ergosterin, in der Biologie die zuletzt genannte Vitaminbildung im lebenden Körper, die Zelltötung, auf der die bakterientötende Wirkung beruht, die Beeinflussung des Stoffwechsels der lebenden Organismen. Alle diese Wirkungen werden in der Medizin teils einzeln, teils in Zusammenwirkung zur Heilung zahlreicher Krankheiten, wie z . B . der Rachitis oder der Tuberkulose, verwendet. Die photochemische Reaktion zeichnet sich dadurch aus, daß die umgesetzte Menge nur abhängig von der absorbierten wirksamen Strahlenmenge, aber unabhängig von der Temperatur ist. Das ist verständlich, wenn man bedenkt, daß die bei Absorption eines Strahlenquants dem einzelnen Molekül oder einem Komplex aus mehreren Molekülen zugeführte Energie sehr viel größer ist, als die durch Temperaturerhöhung bewirkbare. Wegen der in einem solchen Fall bewirkten „Temperaturerhöhung" spricht man von einer Punktwärme. Freilich unterscheidet sich der Mechanismus dieser „Temperaturerhöhung" von den üblichen sehr wesentlich. Findet man aber bei photochemischen Prozessen einen Einfluß der Temperatur, dann ist dies ein Zeichen dafür, daß nicht ein einfacher Vorgang vorliegt, sondern als Folge der eigentlichen photochemischen Umsetzung F o l g e r e a k t i o n e n eingetreten sind, in denen die durch den primären Lichtabsorptionsvorgang entstandenen Produkte mit den übrigen im System befindlichen Partnern weiter reagieren, und die ihrerseits, wie die gewöhnlichen chemischen Reaktionen, temperaturabhängig sind. Von diesen chemischen Folgereaktionen sind die K e t t e n r e a k t i o n e n zu unterscheiden, die dann auftreten, wenn durch die Absorption des Strahlenquants ein Vorgang angestoßen wird, der unter Energieabgabe verläuft. Die dabei freiwerdende Energie kann durch Stoß an ein zweites Molekül abgegeben werden, dieses anregen und somit ebenfalls zur Reaktion befähigen. So folgt auf die Absorption eines einzigen Lichtquants eine Kette von Sekundärreaktionen. Diese Kettenreaktionen sind ungeheuer häufig; in ihnen spielt das absorbierte Lichtquant mehr die Rolle eines auslösenden Momentes. Um einen Begriff von den bei photochemischen Umsetzungen möglichen Ausbeuten zu geben, soll unter Benutzung der in 8 gegebenen Daten eine willkürlich angenommene Umwandlung durchgerechnet werden. E s wird hierbei angenommen, daß die auffallende Strahlung absorbiert wird und pro absorbiertes Quant gerade ein Molekül neu gebildet wird, so daß demnach bei einer Bestrahlungsstärke von 2 • 1014 Quanten/cm 2 • sek und einer bestrahlten Oberfläche von 100 cm 2 in der Sekunde 2 • 1016 Moleküle entstehen. Da ein Mol jeder Substanz L = 6 • 10a8 Moleküle [L = L o s c h m i d t s c h e Zahl) enthält, würden somit in der Sekunde 3 • 10~s Mol entstehen. Dies entspricht bei einem Molekulargewicht von 100 einer Masse von 3 • 10 - 8 g/sek oder 10 mg/Std. Obwohl diese Mengen vielleicht recht klein erscheinen, sind sie unter Umständen doch wichtig und imstande, große Wirkungen hervorzurufen. Einerseits weil — z. B. bei den Vitaminen — schon kleine Mengen genügen, die erstrebte Wirkung hervorzurufen, andererseits weil — z. B. bei der'Bestrahlung desjMenschen — mit einer großen Oberfläche gerechnet werden kann. Wenn man annimmt, daß die spezifische Wärme des bestrahlten Stoffes 0,3 ist, erfährt ein Molekül beim angenommenen Molekulargewicht 100, also von der absoluten Masse 1,65 • 10 - 2 2 g durch Absorption eines Strahlenquants der Wellenlänge 366 m|x einen Energiezuwachs, der einer „Temperaturerhöhung" um 2600° C entsprechen würde.

I. Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe

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Von großer Wichtigkeit ist bei der Einwirkung von Strahlung auf Materie die als S e n s i b i l i s a t i o n bezeichnete Erscheinung. Durch Zusatz eines Sensibilisators zum reagierenden System werden an sich nicht wirksame Wellenlängen wirksam gemacht. Der Sensibilisator nimmt dabei an der Reaktion nicht teil. Er dient zur Übertragung der von ihm absorbierten Energie auf die Reaktionspartner. In der Biologie ist diese Erscheinung z. B. bei verschiedenen Überempfindlichkeitskrankheiten gegen Licht wichtig, bei denen angenommen wird, daß ein im Blut vorhandener Farbstoff (Hämatoporphyrin) als Sensibilisator wirkt.

K a p i t e l II

Erzeugung von UV-Strahlen 11. Möglichkeiten der UV-Erzeugung. Die Erzeugung von UV-Strahlen ist auf zwei grundsätzlich verschiedenen Wegen möglich. Man benutzt entweder die Strahlung hoch erhitzter fester Körper oder elektrisch angeregter Gase oder Dämpfe. Strahlenquellen der ersten Art faßt man unter dem Begriff Temperaturstrahler zusammen. Zu ihnen gehören die Glühlampen in ihren verschiedenen Ausführungsformen. Diese Strahler senden ein kontinuierliches Spektrum aus, dessen UV-Anteil jedoch im allgemeinen sehr gering ist, so daß sie als UV-Strahler nur selten verwendet werden. Die Strahlung von elektrisch angeregten Gasen oder Dämpfen wird in den Gasentladungsstrahlern ausgenützt. Ein typischer Vertreter ist die Quecksilberlampe. Das Spektrum der Gasentladungsstrahler besteht vorwiegend aus Linien. Da eine große Zahl von Gasen und Dämpfen bei Anregung einen erheblichen Energieanteil im UV liefert, haben unter den UV-Strahlern die Gasentladungslampen die größte technische Bedeutung. Offene Bogenlampenmit abbrennenden Elektroden nehmen eine Zwischenstellung ein, da bei ihnen sowohl die Temperaturstrahlung der Elektroden als auch die Strahlung der Gasentladung eine Rolle spielt. Um das Verständnis der elektrischen und spektralen Eigenschaften der Gasentladungsstrahler zu erleichtern, werden einige allgemeine Betrachtungen über die physikalischen Vorgänge in Gasentladungen vorausgeschickt.

A. Gasentladungsstrahler a) Grundsätzliches zur Gasentladung [143, 188, 216, 276, 291] 12. Lichterscheinungen in der Gasentladung. Legt man an die Elektroden in einem abgeschlossenen zylindrischen Glasrohr eine Gleichspannung von mehreren 100 Volt, so geht — wenn der Gasdruck einige Torr1) beträgt — zwischen den Elektroden eine E n t l a d u n g über. Vor der negativen Elektrode, K a t h o d e genannt, liegt eine leuchtende Schicht, das negative Glimmlicht. Zwischen Glimmlicht und Kathode liegt meist ein Dunkelraum, über dessen Bedeutung später in 16 zu sprechen sein wird. An das Glimmlicht schließt sich im allgemeinen in Richtung zur positiven Elektrode, der sog. Anode, die positive Säule an, die oft einen großen Teil des Querschnittes des Entladungsgefäßes mit einem gleichmäßigen Leuchten erfüllt. 1 Torr = 1 m m Quecksilbersäule = 1 mm Hg, zum Teil auch als tor bezeichnet.

A. Gasentladungsstrahler

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Die Größe und Gestalt der einzelnen Leuchtgebilde hängt im wesentlichen vom Druck des Füllgases ab, während die Farbe der Lichterscheinungen vor allem von der Art der Gasfüllung abhängt und für jede Gasfüllung charakteristisch ist. Zur Strahlungsaussendung wird vorwiegend die positive Säule und nur selten das Glimmlicht herangezogen. 13. Entladungsträger. Die Träger der Entladung sind kleinste elektrisch geladene Masseteilchen, die E l e k t r o n e n und Ionen. Die Elektronen sind negativ geladen. Ihre Ladungsmenge ist die kleinste bekannte Elektrizitätsmenge (Elementarladung). Die Ionen dagegen bestehen entweder aus Atomen oder Molekülen, die ein oder mehrere Elektronen abgegeben haben und daher positiv geladen sind, oder aus solchen, die ein oder mehrere Elektronen zusätzlich gebunden haben (negative Ionen). Ihre Masse ist daher mehrere Größenordnungen (2000 bis 400000 mal) größer, ihre Bewegung infolgedessen viel träger als die der Elektronen. Der Entladungsstrom ist daher überwiegend ein Konvektionsstrom von Elektronen, die sich an der relativ nahezu stillstehenden, tatsächlich aber langsam zur Kathode wandernden Ionenwölke vorbeibewegen, obwohl die Zahl der positiven Ionen je cm3 der positiven Säule etwa gleich der Zahl der Elektronen ist. In den Metalldampf- und Edelgasentladungen, die später vorwiegend behandelt werden, treten überwiegend Elektronen und positive Ionen, jedoch kaum negative Ionen auf. 14. Anregung und Trägerbildung. Die aus der Kathode austretenden Elektronen werden durch das zwischen den Elektroden befindliche elektrische Feld beschleunigt. In der Gasfüllung der Entladungsröhren stoßen die Elektronen auf ihrem Wege zur Anode mit den Atomen oder Molekülen des Gases zusammen. Ist die Elektronengeschwindigkeit klein, so erfolgen die Zusammenstöße elastisch, d. h. das Elektron verliert dabei keine Energie. Es ändert nur seine Bewegungsrichtung. Von einer bestimmten Geschwindigkeit der Elektronen ab gibt aber das Elektron seine Bewegungsenergie beim Zusammenstoß an das getroffene Atom ab, das dadurch in einen angeregten Zustand 1 ) gerät. Nach einer sehr kurzen Zeit gibt das Atom die aufgenommene Energie in Form von Strahlung ab. Dieser Vorgang stellt die wesentlichste Art der Lichterzeugung in der Gasentladung dar. Ist die Geschwindigkeit des Elektrons noch größer, dann vermag es sogar ein Elektron aus dem Atom herauszuschlagen, so daß das Atom zu einem positiven Ion wird. Nach dem Zusammenstoß und nach der Abgabe seiner Energie an ein Atom beginnt das Elektron von neuem seinen Flug mit geringer Geschwindigkeit und wird durch das elektrische Feld beschleunigt, um wiederum kurze Zeit später seine Energie an ein anderes Atom abzugeben, wenn seine Geschwindigkeit groß genug geworden ist. Infolge der zahlreichen Zusammenstöße bewegt sich das Elektron in unregelmäßigen Zickzackbahnen in vielfachen Umwegen von der Kathode zur Anode und erzeugt dabei zwischen zahlreichen elastischen und nicht ionisierenden Zusammenstößen bei einer Anzahl von ionisierenden Zusammenstößen eine große Zahl von Ladungsträgern, die ihrerseits nach denselben Gesetzmäßigkeiten das elektrische Feld durchlaufen. In entgegengesetzter Richtung wie die eben geschilderte Trägererzeugung läuft der Vorgang der Trägervernichtung. Die Elektronen vereinigen sich mit den positiven Ionen vor allem an den den Entladungsraum begrenzenden Wänden, sowie auch in geringem Maße im Gasraum, unter gegenseitigem Ladungsaustausch zu neutralen Gasatomen. Diesen Vorgang nennt man Rekombination. Nach dem B o h r sehen Atommodell besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Kern, um den Elektronen auf bestimmten Bahnen kreisen. Wird nun dem A t o m Energie zugeführt, etwa durch Stoß von Elektronen, so springt ein Elektron des Atoms auf eine entferntere Bahn. In diesem Zustand nennt man das Atom angeregt. Die bei der Rückkehr des Elektrons zur Grundbahn freiwerdende Energie wird als Strahlung ausgesandt.

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II. Erzeugung von UV-Strahlen

In jeder Gasentladung findet eine fortgesetzte Erzeugung von Ionen und Elektronen statt, die sich im elektrischen Feld bewegen und dabei die Stromleitung durch den Gasraum besorgen. Diese erfolgt vorwiegend durch die Elektronen wegen ihrer größeren Beweglichkeit. Im Gleichgewichtszustand ist dann die Zahl der in der Zeiteinheit neugebildeten Ladungsträger gleich der Zahl der verschwindenden Ladungsträger. Es werden also viel mehr Elektronen als positive Ionen in der Zeiteinheit erzeugt. 15. Zündspannung. Klemmenspannung. Auf Grund dieser Anschauungen ergibt sich zwanglos eine wichtige Eigenschaft der Gasentladungen. Ein Gasraum ist nämlich an sich ein Isolator, Infolge äußerer Einflüsse (Höhenstrahlung, Badioaktivität) werden fortwährend einige wenige Ionen oder Elektronen gebildet. Ist die an den Elektroden hegende Spannung verhältnismäßig niedrig, so werden die im Gasraum vorhandenen Ladungsträger zu den Elektroden hin bewegt, ohne daß sie indessen unterwegs neue Ionen zu erzeugen imstande sind. Dieser Strom der stillen Vorentladung ist so schwach, daß er nur mit sehr empfindlichen Strommessern nachgewiesen werden kann. Steigert man allmählich die Spannung an den Elektroden, so werden nunmehr die jeweils vorhandenen Ladungsträger so weit beschleunigt, daß sie das neutrale Gas zu ionisieren vermögen. Die neu entstandenen Ionen und Elektronen ihrerseits bewegen sich ebenfalls unter dem Einfluß der Spannung zwischen den Elektroden, genau wie die ursprünglich vorhandenen Ladungsträger. Oberhalb eines bestimmten Grenzwertes, der Zündspannung, nimmt die Neubildung von Ionen lawinenartig sehr rasch zu, bis der Strom so groß ist, wie er mit Rücksicht auf die im Stromkreis befindlichen Widerstände und dieErgiebigkeit der Stromquelle sein kann. Es ergibt sich also die grundlegende Eigenschaft einer selbständigen Gasentladung, daß sie stets zum Betrieb eine gewisse Mindestspannung benötigt. Diejenige Mindestspannung, die zur allerersten Einleitung der Entladung erforderlich ist, nennt man die Zündspannung. Sie hat die größte praktische Bedeutung, da sie eine untere Grenze für die äußere Betriebsspannung darstellt, die aber im praktischen Betrieb aus Gründen der Sicherheit erheblich überschritten werden muß. Wenn die Entladung eingesetzt hat, so ist die zur weiteren Aufrechterhaltung derselben benötigte Klemmenspannung wesentlich niedriger. Sie muß aber stets noch so hoch sein, daß die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode genügend beschleunigt werden, damit sie die Gasfüllung ausreichend ionisieren können.. Die beiden erwähnten Mindestspannungen (Zündspannung, Klemmenspannung) hängen von der Art der Gasfüllung, dem Gasdruck und Rohrdurchmesser, Länge und Form der Entladungsröhre ab, ferner von der Beschaffenheit und dem Zustand der Kathode. Je leichter ein Gas TAX ionisieren ist, um so niedriger ist die zum Betrieb erforderliche Mindestspannung. In Abhängigkeit vom Gasdruck ergibt sich ein Minimum der Klemmenspannung und eines der Zündspannung. Dieses Minimum liegt bei um so größerem Druck, je kleiner der Elektrodenabstand ist, während eine Vergrößerung des Durchmessers der Entladungsröhre in umgekehrtem Sinn wirkt. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis wird bei Entladungsröhren der Gasdruck so gewählt, daß die Zündspannung möglichst niedrig ist. 16. Austrittsarbeit und Kathodenfall. Der Einfluß der Kathode ist sowohl in theoretischer als auch praktischer Hinsicht von besonderer Bedeutung, so daß die Verhältnisse an der Kathode ausführlich behandelt werden müssen. Für die im Innern der Kathode befindlichen Elektronen wirkt die Kathodenoberfläche als Wehr, das nur von denjenigen Elektronen überschritten werden kann, die infolge ihrer Temperaturbewegung eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit besitzen. Die Geschwindigkeit der Elektronen hängt von der Temperatur der Kathode ab. Bei kalten Elektroden reicht sie infolge der niedrigen Temperatur nicht für den Austritt aus der

A. Gasentladungsstrahler

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Kathodenoberfläche aus. Auf Kosten der Energie der positiven Ionen können die im Innern der Elektrode befindlichen Elektronen die Oberfläche verlassen. Diese Art der Elektronenerzeugung erlaubt jedoch nur eine kleine Stromdichte einer Kathode zu entnehmen. Später (in 17) werden bessere Verfahren zur Lieferung von Elektronen besprochen. Die für den Austritt eines Elektrons erforderliche Energie nennt man die Aust r i t t s a r b e i t . Da die zu überwindende Kraft den gleichen Einfluß auf das Elektron ausübt wie ein elektrisches Gegenfeld, kann man die Größe der Austrittsarbeit durch diejenige Spannung eines Gegenfeldes kennzeichnen, dessen Überwindung der Austrittsarbeit des Elektrons gleichwertig ist. Die Austrittsarbeit, die daher in Elektronen-Volt angegeben wird, ist eine Stoffkonstante, die stark von der Oberflächenbeschaffenheit, z. B. Gasbeladung, Oxydation, abhängt. Sie beträgt (vgl. Tabelle 1) 0,5 bis 10 Elektronen-Volt und ist am niedrigsten bei den Alkalimetallen und Erdalkalimetallen. Je niedriger die Austrittsarbeit, um so größere Stromdichten sind an einer kalten Kathode zulässig. Tabelle 1 K a t h o d e n f a l l und A u s t r i t t s a r b e i t [143] ElektrodenWerkstoff

Aluminium Barium Bariumoxyd Eisen Kalium Kalzium Magnesium Molybdän Natrium Nickel Platin . . . ' . Quecksilber Strontium Wolfram

Kathodenfall bei Entladung an kalten Elektroden in Argon in Neon Volt Volt 100 93

120 —

—

— •

165 64 ¡¡¡93 119 131 131

160 68 86 94 115 75 140 152

—

—

— —

93 —

—

126

Elektronen-Austrittsarbeit 1 ) Elektronen-Volt 1,8-- 4 , 0 1,6-- 2 , 3 1,0 3,9-- 4 , 8 0,5-- 2 , 0 1,7-- 3 , 3 1,8-- 3 , 7 3,2-- 4 , 3 1,8-- 2 , 1 3,7-- 4 , 6 3,6-- 6 , 5 4,0-—4,75 1,8-—2,15 4,3-- 5 , 4

Die aus der Kathode austretenden Elektronen haben zunächst eine sehr kleine Geschwindigkeit. In dem Maße, wie sie sich von der Kathode entfernen, bewegen sie sich schneller und erst in einer bestimmten Entfernung von der Kathode haben sie die Geschwindigkeit erreicht, die sie zur Ionisierung befähigt2). Der vor der Kathode liegende Spannungsabfall, der sowohl die oben erwähnte Austrittsarbeit als auch den Spannungsabfall im Dunkelraum umfaßt, heißt Kathodenfall. Es zeigt sich, daß die Größe dieses Kathodenfalles fast nicht von der Anordnung und dem Abstand der Elektroden und vom Gasdruck abhängt. Er liegt vielmehr für ein bestimmtes Kathodenmaterial und eine Gasfüllung fest (vgl. Tabelle 1). l

) Die an zweiter Stelle angeführten Werte gelten für die reinen Metalle, während die erste Zahl eine in der Mehrzahl der Fälle durch Oberflächenschichten verkleinerte Austrittsarbeit darstellt. a ) Die geringe Geschwindigkeit der Elektronen in der Nähe der Kathode erklärt auch den sog. Dunkelraum, in dem nämlich die Elektronengeschwindigkeit nicht einmal zur Anregimg der Gasatome zum Leuchten ausreicht.

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I I . Erzeugung von UV-Strahlen

Bei Edelgasen ist der Kathodenfall bei allen in Frage kommenden Kathodenwerkstoffen kleiner als 220 Volt. Dadurch erklärt sich, daß man die edelgasgefüllten Glimmlampen an den üblichen Netzspannungen betreiben kann. Der Kathodenfall stellt eine untere Grenze für die kleinstmögliche Klemmenspannung einer selbständigen Gasentladung dar. Beträgt z. B. der Kathodenfall von Aluminium in Neon 120 Volt, so kann auf keine Weise eine Entladung an Aluminiumelektroden mit einer kleineren Spannung als 120 Volt erhalten werden. Es ist zu erwähnen, daß der Kathodenfall bei einem bestimmten Werkstoff genau so wie die Austrittsarbeit von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt und daher in der Praxis mit erheblicher Streuung bei den in der Tabelle 1 angeführten Werten zu rechnen ist. Die Zahlentafel läßt weiterhin erkennen, daß für Netzspannungen unter 110 Volt nur die Alkaliund Erdalkalimetalle als Kathode in Frage kommen. Da aber Alkalidämpfe die meisten Gläser angreifen, werden vorwiegend die Erdalkalimetalle zur Herabsetzung der Austrittsarbeit bei Kathoden verwendet, und zwar als Überzug auf Elektroden aus festen Metallen, z. B. Eisen, Nickel, Wolfram oder Molybdän. Die Drahtkathoden der 110-Volt-Glimmlampen tragen an ihrer Oberfläche eine Schicht von aufgedampftem Barium, das die Zündung bei der genannten Spannung ermöglicht. 17. Glühkathode, Oxydkathode. In einer Entladungsröhre mit kalten Elektroden ist der Kathodenfall sehr hoch. Daher kann eine solche Entladung nur mit niedriger Stromdichte betrieben werden, da sonst die Wärmeerzeugung ander Kathode zu groß ist und die Kathode schmelzen würde. Die Wärmeerzeugung an der Kathode ist nämlich durch die Größe Vt • i gegeben, wenn F* der Kathodenfall und i die Stromstärke bezeichnet. Nimmt man z. B. eine Glimmentladung in Neon mit Eisenelektroden (Vi = 150 V) an, so würden bei einer Stromstärke von 0,2 A an der Kathode 150 V x 0,2 A = 30 W umgesetzt werden, welche durch Abstrahlung der aus diesem Grunde großflächig ausgebildeten Elektroden abgeführt werden. Würde man die Röhre mit einem größeren Strom, etwa 2 A betreiben, so stiege die Belastung der Kathode stark an und zwar auf 300 W. Einer solchen Leistung läßt sich jedoch die Größe der Elektrode nicht anpassen. Will man mit größeren Stromstärken arbeiten, so besteht der einzige Ausweg zur Herabsetzung des Wärmeumsatzes an der Kathode in der Erniedrigung des Kathodenfalles. Der Kathodenfall kann nun sehr stark erniedrigt werden, wenn man Glühk a t h o d e n verwendet, die bei einer hohen Temperatur arbeiten können. Bei hoher Temperatur der Kathode wird die kinetische Energie der Elektronen so groß, daß die Elektronen die sie zurückhaltenden Kräfte überwinden können. Elektroden dieser Art, die eine t h e r m i s c h e E l e k t r o n e n e m i s s i o n aufweisen, können für sehr hohe Stromstärken (100 A und mehr) gebaut werden. Die Heizung der Elektrode kann durch einen besonderen Heizstrom erfolgen, doch zieht man heute bei Entladungslampen im allgemeinen vor, die Heizung durch den Entladungsstrom selbst vornehmen zu lassen, weil man dann auf eine zusätzliche Stromeinführung verzichten kann. Die Temperatur, die zur thermischen Elektronenemission nötig ist, hängt bei gegebener Stromstärke und Elektrodenoberfläche vom Werkstoff der Kathodenoberfläche ab. Bei den meisten reinen Metallen sind sehr hohe Temperaturen von 2000 bis 2500° C erforderlich, so daß nur hochschmelzende Metalle, wie Wolfram und Molybdän, für solche Glühelektroden Verwendung finden können. Bei den Erdalkalimetallen Barium, Strontium und Kalzium dagegen kommt man bereits mit Temperaturen von 800 bis 900° C aus. Die bei verschiedenen Temperaturen und Werkstoffen bei 1 cm 2 Kathodenoberfläche erreichbaren Elektronenemissionen sind aus Abb. 4 zu entnehmen, in der die Arbeitsbereiche durch stärkere Strichdicke hervorgehoben sind. Bei Glühkathoden liegt der Kathodenfall unterhalb von 10 Volt,

A. Gasentladungsstrahler

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so daß bei ihnen der Leistungsumsatz an der Kathode (Kathodenfall mal Stromstärke) auch bei größeren Stromstärken in erträglichen Grenzen bleibt. Nach einem Vorschlag von W e h n e l t bildete man die Glühkathode als elektrisch geheiztes Band aus Platin aus, das mit Erdalkalioxyden bedeckt war. Obgleich man später erkannte, daß die Emission der Elektronen ausschließlich auf das Erdalkalimetall zurückzuführen ist und nicht auf die betreffenden O x y d e , blieb nach der ersten Ausführungsform die Bezeichnung O x y d k a t h o d e erhalten. Daneben ist die Bezeichnung W e h n e l t 2000 woo 3000°C Temperatur —— K a t h o d e oder a k t i v i e r t e a E l e k t r o d e üblich. Das Trä- Abb. 4. Der Emissionsstrom je cm Oberfläche einer Glühgermetall ist bèi diesen Ka- kathode für BaO- und SrO-Paste auf Platin (1), Thorium auf Wolfram (2), Molybdän (3) und Wolfram (4) in Abthoden von geringerer Bedeu- hängigkeit von der Temperatur der Kathode. Nach Espe tung. 18. Feldkathode und Bogenkathodc. Auch bei Verwendung von Quecksilber als Kathode ist eine Erhöhung der Stromstärke auf 1 A und beliebig mehr möglich, obwohl hierbei keine thermische Emission auftritt. Bei der Hg-Elektrode hefern andere Vorgänge die erforderlichen Elektronen. Es entstehen nämlich an der Ansatzstelle der Entladung sehr starke elektrische Kräfte, die aus der Metalloberfläche Elektronen herausreißen. Kathoden, die nach diesem Grundsatz arbeiten, nennt man Feldkathoden. Nach einer neueren Auffassung (vgl. [296a]) arbeitet die B o g e n k a t h o d e so, daß der Stromtransport in unmittelbarer Nähe der Kathode ausschließlich durch Jonen erfolgt, die aus einem Gebiet der Gasentladung stammen, in dem infolge der sehr hohen Temperatur des Lichtbogens durch thermische Jonisation des Gases eine ausreichende Trägererzeugung stattfindet. Als wesentlich erkennt man bei diesen Bógenkathoden die scharfe Einschnürung des Lichtbogens unmittelbar vor der Kathode zu einem scharfen Brennfleck. Dieser ruft wohl eine starke Temperaturerhöhung der Kathode hervor, aber die hierdurch (z. B. an Elektroden aus hochschmelzenden Stoffen wie Wolfram oder Kohle) bewirkte glühelektrische Emission ist nicht ausreichend, den Bögenstrom zu tragen und für die Bogenkathode nicht wesentlich. 19. Glimmentladung, Bogenentladung. Je nach den Vorgängen an der Kathode — hoher oder niedriger Kathodenfall — sind zwei Hauptformen der Entladung zu unterscheiden. Die G l i m m e n t l a d u n g mit hohem Kathodenfall ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger vorwiegend durch Trägerstoß — sei es der Elektronen oder Ionen — erzeugt werden, und zwar sowohl an der Kathode, als auch im Gasraum. Die Temperatur der Kathode ist im allgemeinen nicht erhöht. Die Stromdichte an der Kathode ist sehr niedrig (einige mA/cm2). Von der Glimmentladung ist die Bogenentladung zu unterscheiden, bei der die Kathode — etwa infolge dér erhöhten Temperatur — einen wesentlichen Teil der Ladungsträger erzeugt. Die kathodische Stromdichte kann bis zu 1000 A/cm2 und mehr betragen. 2

Ultraviolette Strahlen

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I i . Erzeugung von ÜV- Strahlen

Beispiele für eine Bogenentladung sind die Kohlenbogenlampe und die Quecksilberlampe. Eine Bogenentladung kann sich nur dann ausbilden, wenn die Kathode befähigt ist, entweder als Glüh- oder Bogenkathode zu arbeiten. Der Hg-Lichtbogen, sowie alle anderen Metalldampflichtbogen, können sowohl mit der einen, als auch mit der anderen Kathode arbeiten, ohne daß sich dies in der ausgesandten Strahlung bemerkbar macht. Die Zündung der Bogenentladung kann auf dreierlei Art erfolgen: durch Kontakt der Elektroden, Fremdheizung der Glühkathode oder auf dem Wege über eine Glimmentladung. Bei der Kontaktzündung werden beide Elektroden bis zur Berührung genähert oder durch eine leitende Verbindung überbrückt, z. B. durch einen Hg-Faden. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt bei Aufhebung der Verbindung bzw. der Berührung. Bei Metalldampf bogenlampen mit durch die Entladung aufgeheizten Glühelektroden benutzt man den dritten Weg, den der Glimmentladung, vgl. auch 30. Man füllt das Entladungsgefäß mit einemEdelgas von einigen Torr Druck als Zündgas. Beim Anlegen der Netzspannung bildet sich eine Edelgasglimmentladung an den noch kalten Elektroden aus, die allmählich zu einer Erwärmung der Elektroden und Verdampfung des den Lichtbogen tragenden Metalls führt, so daß die Glimmentladung in eine Bogenentladung umschlägt. Dieser Vorgang ist meist innerhalb einer Sekunde1) abgeschlossen. Bei den bisherigen Betrachtungen wurde vorausgesetzt, daß die Entladungsröhre mit Gleichstrom betrieben wird. In der Praxis spielt aber gerade der Betrieb mit Wechselstrom eine wichtige Rolle. Dieser ist bei einer Glimmentladung im allgemeinen möglich. Bei gleicher Ausbildung der beiden Elektroden arbeiten sie abwechselnd als Kathode, bzw. Anode. Für eine Bogenentladung mit thermischen Elektroden gilt das gleiche. Dagegen läßt sich eine Bogenentladung mit Feldkathoden nur unter besonderen Bedingungen mit Wechselstrom betreiben, etwa durch Anwendung von Spannungen oberhalb von 600 Volt. 20. Positive Säule, Gradient. Da die Strahldichte des negativen Glimmlichtes gering ist, wird bei den praktischen Anwendungen als UV-Strahler allein die von der p o s i t i v e n Säule ausgesandte Strahlung ausgenutzt. In der positiven Säule findet die Anregung der Atome und die Aussendung von Strahlung statt. Dies bedingt einen Verbrauch von Energie in der positiven Säule. Außerdem erfolgt eine dauernde Erzeugung von Ladungsträgern, die sich zum Teil an der Wandung wieder neutralisieren, wodurch diese erwärmt wird. Dieser Vorgang erfordert ebenfalls Zuführung von Energie. Man hat festgestellt, daß in der positiven Säule einer gegebenen Gasentladung die je cm Länge verbrauchte Leistung (die sogen, s p e z i f i s c h e L e i s t u n g , gemessen in Watt/cm) längs der ganzen Entladungsbahn konstant und für den Entladungsvorgang und die Strahlenemission kennzeichnend ist. Der Wattverbrauch je cm Entladungsbahn hängt von der Gasart, sowie vom Gasdruck, von Stromstärke und Rohrdurchmesser ab. In vielen Fällen gibt man aber den Quotienten aus spezifischer Leistung und Stromstärke an, der den Spannungsabfall je cm Entladungsbahn, den sogen. Gradienten, darstellt, der in Volt/cm gemessen wird. Der Gradient hängt von den gleichen Größen ab wie die spezifische Leistung. Bei unedlen Gasen, Wasserstoff, Luft, Stickstoff, ist der Gradient wesentlich größer als bei Edelgasen und Metalldämpfen. Die Abhängigkeit des Gradienten vom Druck ist sehr groß. Bei sehr kleinem Gasdruck hat man hohe Gradientwerte, weil die Elektronen große Gasstrecken durchfliegen müssen, bevor sie ein Gasteilchen l ) Hiervon ist der Einbrennvorgang 60 zu unterscheiden, der wegen des allmählichen Ansteigens des Metalldampfdruckes auf den Betriebswert mehrere Minuten dauert.

A. Gasentladungsstrahler

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treffen und ionisieren können. Läßt man den Gasdruck ansteigen, dann werden die ohne Zusammenstoß zu durchfliegenden Strecken kürzer und die Ionisierung tritt häufiger ein, so daß der Gradient sinkt. Steigt aber der Druck weiter an, so werden die Zusammenstöße der Elektronen mit den Gasteilchen schließlich so häufig, und der Anteil der dabei jeweils verlorenen Elektronenenergie so groß, daß der Gradient dann wieder ansteigt. Weniger ausgeprägt ist die Abhängigkeit des Gradienten von der Stromstärke und vom Rohrdurchmesser. Mit größer werdender Stromstärke oder wachsendem Rohrdurchmesser nimmt der Gradient ab. Diese Verhältnisse werden für den technisch wichtigen Fall der Hg-Entladung in 32 ausführlich besprochen. Die Kenntnis des Gradienten ist z. B. bei Quecksilberlampen wichtig, um sich über den Betriebsdampfdruck zu orientieren. Die Klemmenspannung 1 ) einer Entladungsröhre setzt sich zusammen aus Kathodenfall, Spannungsabfall in der positiven Säule und Spannungsabfall vor der Anode. Bei langgestreckten Entladungsröhren mit glühenden Oxydelektroden kann der Gradient mit praktisch meist ausreichender Genauigkeit ermittelt werden, indem man von der gemessenen Klemmenspannung 8 bis 15 Volt für den Spannungsabfall vor den Elektroden in Abzug bringt und die Differenz, die gleich dem Spannungsabfall in der positiven Säule ist, durch die Länge der Entladungsbahn dividiert [138, 142, 186], b) Elektrische Eigenschaften von Entladungsröhren2) [143, 191, 216, 291] 21. Kennlinie, Charakteristik. Um die elektrischen Eigenschaften der Gasentladungsröhren klar und übersichtlich darzustellen, soll als Beispiel eine lediglich mit Edelgas gefüllte Entladungsröhre betrachtet werden. E s sei angenommen, daß eine langgestreckte Röhre mit Gleichstrom betrieben wird und an ihren Enden mit einer Anode sowie mit einer festen Glühkathode ausgestattet ist, die die zum Betrieb der Entladung erforderlichen Elektronen zu liefern imstande ist. Die Röhre soll mit einer Spannungsquelle betrieben werden, deren Spannung mindestens so hoch ist, daß die Entladung einsetzt. E s ist dabei erforderlich, daß zwischen Spannungsquelle und Röhre ein den Entladungsstrom begrenzender Widerstand eingeschaltet ist. Die Schaltung ist in Abb. 5 dargestellt, in der als Spannungsquelle eine Batterie N dient. Der Widerstand ist mit R und die Entladungsröhre mit B bezeichnet. Der Entladungs- Abb. 5. Prinzipschaltbild einer Entladungsröhre. B Entlastrom wird mit dem Amperemeter A gemessen, die dungsröhre. R StabilisierungsSpannung an der Entladungsröhre mit dem Volt- widerstand, N Spannungsmeter Vb, die am Widerstand mit dem Voltmeter Vr quelle, A Amperemeter, VB und die an der Spannungsquelle mit dem Volt- bzw. VR Voltmeter zur Messung Klemmenspannung an der meter U. Bei gegebener Spannung der Batterie und der Entladungsrohre bzw. am gegebenem Widerstand beobachtet man einen be- Widerstand, U Voltmeter zur stimmten Entladungsstrom I und eine bestimmte Messung der Netzspannung. Spannung VB an der Entladungsröhre, dieK 1 e m m e n Spannung 3 ). Diese beiden Größen I und VB können durch Veränderung des Wider1) Vgl. 21. ) Die folgenden Betrachtungen gelten im wesentlichen auch für Bogenlampen mit abbrennenden Elektroden. s) Die Bezeichnung Brennspannung, die vielfach gleichlautend mit Klemmenspannung verwendet wird, soll für eine besondere Größe der Wechselstromentladung vorbehalten bleiben (vgl. 25 u. 26). 2» 2

20

II. Erzeugung von UV-Strahlen

standes beeinflußt werden. Man beobachtet, daß bei Verkleinerung des Widerstandes die Stromstärke zunimmt, und daß gleichzeitig die Klemmenspannung der Entladungsröhre abnimmt, während die Spannung am Widerstand zunimmt, denn die Summe der beiden Teilspannungen ( V B + Vr) muß (bei Gleichspannung) stets gleich der Spannung (U) der Spannungsquelle sein. Mißt man die zu den verschiedenen Werten der Stromstärke gehörigen Klemmenspannungen und trägt die Spannungswerte in Abhängigkeit von der Stromstärke graphisch auf, so erhält man die in Abb. 6 schematisch dargestellte Kurve, die man als K e n n l i n i e oder Charakteristik bezeichnet, da sie für die betreffende Entladungsröhre charakteristisch ist. Im vorliegenden 2 3 Falle ist die Kennlinie f a l l e n d bzw. negaStromstärke — 1 Abb. 6. Stromspannungskennlinie einer tiv ), weil mit steigendem Strom die KlemGleichstromentladung. menspannung abnimmt. Alle Gasentladungsröhren, auf die später eingegangen wird, besitzen eine fallende Kennlinie (mit Ausnahme der Hg- und Edelgashöchstdruckentladungen, vgl. 45 und 57) und müssen daher mit ¡einem strombegrenzenden Vorschaltwiderstand betrieben werden. Man sieht dies aus folgender Überlegung: Verringert man nämlich den Vorschaltwiderstand einer solchen Gasentladung schrittweise, bis er ausgeschaltet ist, so steigt die Stromsträrke mehr und mehr bis zu einem außerordentlich hohen Wert an, der von der Größe des noch vorhandenen inneren Widerstandes der Spannungsquelle und des Widerstandes der Zuleitungen abhängt. Dieser Strom ist meist so groß, daß er zur Zerstörung der Röhre führt. Es ist ein Trugschluß, anzunehmen, man könne eine Gasentladungsröhre, die beispielsweise eine Klemmenspannung von 120 Volt hat, ohne einen Vorschaltwiderstand an einer Spannungsquelle von ebenfalls 120 Volt betreiben. Wegen der fallenden Kennlinie treten nämlich labile Zustände ein. Jede zufällige kleine Erhöhimg der Stromstärke bewirkt ein Steigen der Leitfähigkeit in der Gasentladung und damit eine weitere Steigerung der Stromstärke, mit der ein erneutes Steigen der Leitfähigkeit verbunden ist, so daß die Stromstärke, soweit die sonst im Stromkreis vorhandenen Widerstände es zulassen, weiter und weiter ansteigt. Nur unter besonderen Bedingungen, z. B. bei hoher spezifischer Belastung, kann die Kennlinie positiv werden. 22. Stabilitätsbedingungen. Ist von einer Gasentladungsröhre die Kennlinie bekannt, und hat man festgelegt, mit welchen elektrischen Betriebsdaten man sie betreiben möchte, so ist es möglich, die in Frage kommenden Werte der Netzspannung und des Vorschaltwiderstandes auf graphischem Wege zu ermitteln. Der durch Klemmenspannung und Entladungsstrom gegebene Arbeitspunkt muß einerseits auf der Kennlinie liegen, andererseits auf der sog. W i d e r s t a n d s g e r a d e n . Diese Widerstandsgerade gibt an, welche Klemmenspannung bei verschiedenen Stromstärken zur Verfügung steht. Man erhält die Widerstandsgerade, wenn man den der Netzspannung zugeordneten Punkt mit dem dem Kurzschlußstrom entsprechenden Funkt verbindet. Wird nämlich der Anordnung, bestehend aus Spannungsquelle und Vorschaltwiderstand, ein großer Strom entnommen, dann tritt ein großer Spannungsabfall am Vorschaltwiderstand auf, so daß die zum Betrieb der Gasentladung zur Verfügung stehende Klemmenspannung niedrig ist, während umgekehrt bei kleiner Stromentnahme sich eine größere Klemmenspannung ergibt, die für den Grenzfall einer unendlich kleinen Stromstärke gleich der Netzspannung ist. In der Darstellung der Abb. 7 schneidet daher die Widerstandsgerade 3 die Ordinatenachse in einem Wert, der der Netzspannung entspricht. Der Verlauf der Widerstandsgeraden im einzelnen ist durch die Gleichung (2) VB = U — I • B Ein elektrisches Gerät mit steigender, bzw. positiver Kennlinie ist z. B. ein Ohmscher Widerstand oder eine Glühlampe, an denen mit steigendem Strom die Spannimg ansteigt.

A. Gasentladungsstrahler

21

gegeben, in der U die Netzspannung, VB die f ü r die Gasentladung zur Verfügung stehende K l e m m e n s p a n n u n g , I die S t r o m s t ä r k e u n d R die Größe des Vorschalt Widerstandes ist. Man sieht a u s der Gleichung, daß VB gleich Null wird, wenn U = IK • R. Diese Stromstärke IK n e n n t m a n den Kurzschlußstrom. E r stellt d e n v größtmöglichen Wert der S t r o m s t ä r k e d a r , der der A n o r d n u n g e n t n o m m e n werden k a n n . I n der A b b . 7 ergibt er sich als der S c h n i t t p u n k t der W i d e r s t a n d s g e r a d e n 3 mit der Abszissenachse. Die Größe des Vorschaltwiderstandes k a n n der D a r s t e l l u n g der Abb. 7 als Quotient Netzspann u n g / K u r z s c h l u ß s t r o m e n t n o m m e n werden. J e kleiner der Vorsehaltwiderstand ist, u m so flacher v e r l ä u f t bei gleichem Maßstab die Widerstandsgerade. D u r c h den oben e r w ä h n t e n A r b e i t s p u n k t l ä ß t sich n u n eine Schar von Widerstandsgeraden zeichnen, die verschiedenen Widerständen u n d Abb. 7. Widerstandsgeraden u. StromN e t z s p a n n u n g e n entsprechen.- F ü r einen stabilen spannungskennlinie einer GleichstromBetrieb ist Voraussetzung, d a ß die Widerstandsentladung. gerade a m A r b e i t s p u n k t steiler v e r l ä u f t als die Kennlinie der Gasentladung. I n diesem Fall wird bei einer zufälligen Z u n a h m e des Stromes die f ü r die Entladungsstrecke zur Verfügung stehende S p a n n u n g verringert, so d a ß die S t r o m z u n a h m e rückgängig g e m a c h t wird. W e n n dagegen die Widerstandsgerade flacher als die Kennlinie ist, t r i t t diese selbsttätige Kompensation nicht auf, so d a ß es nicht zur Stabilisierung der E n t l a d u n g k o m m t . Die gestrichelte Gerade scheidet also von vornherein aus. Die verbleibenden Widerstandsgeraden besagen, d a ß der Betriebspunkt entweder m i t hoher N e t z s p a n n u n g und großem Vorschaltwiderstand (Gerade 1) oder aber piit niedrigerer N e t z s p a n n u n g u n d kleinerem Vorschaltwiderstand (Gerade 3) oder auch mit Zwischenwerten (Gerade 2) erreicht werden k a n n . E r f a h r u n g s g e m ä ß m u ß die Netzspannung im allgemeinen mindestens d a s l,3fache der K l e m m e n s p a n n u n g betragen. Vielfach ist es von Wichtigkeit, festzustellen, wie sich bei gegebenem Vorschaltwiders t a n d u n d gegebener Kennlinie eine Ä n d e r u n g der N e t z s p a n n u n g auf die Betriebsdaten auswirkt. Die Widerstandsgerade behält d i e N e i g u n g bei u n d verschiebt sich parallel (Gerade 4), so d a ß sie n u n m e h r d u r c h den der neuen N e t z s p a n n u n g entsprechenden P u n k t d e r O r d i n a t e n achse geht u n d die Kennlinie e n t w e d e r schneidet oder nicht schneidet. I n dem letzteren Fall m u ß die E n t l a d u n g erlöschen. I n d e m a n d e r n Fall stellen sich die durch den neuen Schnittp u n k t der Widerstandsgeraden m i t der Kennlinie gegebenen B e t r i e b s d a t e n ein. Aus d e m dargestellten Beispiel ergibt sich, d a ß die E r h ö h u n g d e r N e t z s p a n n i m g u m e t w a 10 v. H . eine Z u n a h m e des Stromes u m etwa 18 v. H . u n d eine A b n a h m e der K l e m m e n s p a n n u n g u m etwa 16 v. H . zur Folge h a t . E s sei jedoch d a r a u f h i n g e w i e s e n , d a ß die Verhältnisse von Fall zu F a l l verschieden liegen u n d im einzelnen an H a n d der Kennlinien diskutiert werden müssen.

23. Verluste im Vorschaltwiderstand. Der Vorschaltwiderstand ist also zum Betrieb der Entladungsröhren unentbehrlich. Man muß dabei mit in Kauf nehmen, daß ein beträchtlicher Teil der dem Netz entnommenen Leistung im Vorschaltwiderstand meist nutzlos in Wärme umgesetzt wird. Da die Leistung eines Stromverbrauchers bei Gleichstrom gleich-dem Produkt aus Stromstärke und Spannungsabfall am Verbraucher ist, verteilt sich die dem ^Tetz entnommene Leistung proportional den Spannungsabfällen auf Vorschaltwiderstand und Entladungsröhre. Wenn, wie es oft der Fall ist, die Klemmenspannung gleich der halben Netzspannung ist, dann geht etwa die halbe Leistung im Vorschaltgerät verloren. 24. Wechselstrom. Bei den obigen Ausführungen wurde Betrieb mit Gleichstrom vorausgesetzt, weil dabei die Verhältnisse am leichtesten zu überschauen sind. Ungleich wichtiger als Gleichstrom ist aber heute Wechselstrom, für den das oben Gesagte in großen Zügen ebenfalls Gültigkeit behält. Zur Erleichterung des Verständnisses müssen z u n ä c h s t einige grundsätzliche B e t r a c h tungen ü b e r Wechselstrom vorausgeschickt werden. Bei einem Netz, das die übliche 50periodige Wechselspannung liefert, d u r c h l ä u f t die S p a n n u n g die i n A b b . 8 a i n K u r v e UN dargestellten W e r t e der S p a n n u n g SOmal in der Sekunde. Schaltet m a n a n ein solches Netz einen Verbraucher mit O h m s c h e m Widerstand, so ist der Strom in j e d e m Augenblick proportional der in diesem Augenblick vorhandenen Spannung.

22

I I . Erzeugung von UV-Strahlen

Die Stromkurve ist daher in Abb. 8a der Spannungskurve ähnlich. Kennzeichnend für den O h m s c h e n Widerstand ist die Tatsache, daß Strom und Spannung jeweils gleichzeitig Null sind und zu jeweils denselben Augenblicken ihre Maximalwerte im selben Sinn erreichen. Strom und Spannung haben gleiche Phase. Bei Wechselstrom gibt es aber außer dem Ohmschen Widerstand auch andere Widerstandsarten: Induktivitäten und Kapazitäten. Bei den ersteren, die z.B.durch eine Drosselspule verkörpert werden, ist der durch die Drossel fließende Strom nicht der in jedem Augenblick vorhandenen Spannung proportional, sondern hinkt hinter der Spannung nach, und zwar um 1 / 1 Periode (Abb. 8b). H a t die Selbstinduktion außerdem noch einen O h m schen Widerstand, wie es praktisch bei den Drosseln stets der Fall ist, so liegt die Phasenverschiebung zwischen den f ü r rein O h m s c h e n und rein induktiven Widerstand liegenden Werten (Abb. 8 c). Eine entgegengesetzte Phasenverschiebung zeigt der Kondensator (Abb. 8d), bei dem der durch ihn fließende Strom der Spannung um 1 / i Periode voreilt. Abb. 8. Zeitlicher Verlauf von SpanDa die Wechselstromgrößen der Stromstärke nung und Stromstärke an verschie- und der Spannung periodisch schwanken, kennzeichdenen Wechselstromwiderständen, a) net m a n sie durch einen zeitlichen Mittelwert. DieOhmscher Widerstand, 6) Selbst- sen kann m a n auf verschiedene Weise bilden. Man induktion, c) Selbstinduktion mit spricht vom Effektivwert, wenn die Mittelung so vor-, O h m sehen Widerstand und d) Kon- genommen wird, daß die Wärmewirkung des Stromes densator. zugrunde gelegt wird. Dieser Wert, der auch qua« dratischer Mittelwert heißt, wird von den meisten technischen Meßinstrumenten angezeigt. Bei wechselstrombetriebenen Gasentladungen gibt man Strom und Spannung vorzugsweise in Effektivwerten an 1 ). Bei Gleichstrom ist die Leistungsaufnahme eines Stromverbrauchers unmittelbar gleich dem Produkt aus Stromstärke und Klemmenspannung. Bei Wechselstrom gilt dies nur für jeden einzelnen Zeitmoment, so daß man, u m die Leistungsaufnahme zu bekommen, über den Verlauf einer Periode mittein muß. Diese Mittelung nimmt das Wattmeter vor. Wenn über die ganze Periode s t e t s der Strom der an den Klemmen des Verbrauchers liegenden Spannung proportional ist, z. B. bei der Glühlampe, ist auch bei Wechselstrom die Leistungsaufnahme gleich dem Produkt aus Stromstärke und Spannung (in Effektivwerten). Tritt dagegen im Verbraucher eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auf •— sei es, daß er eine Selbstinduktion, Kapazität oder eine Gasentladungsstrecke enthält — so ist das Produkt aus Effektivwert der Stromstärke I und Effektivwert der Spannung F, Schemleistung (in Voltamp. gemessen) genannt, größer als die Leistimgsaufnahme L, die sog. Wirkleistung. Das Verhältnis Wirkleistung zu Scheinleistung nennt man Leistungsfaktor, cos • 1-3,2 fi

-I§ 1 5 •5

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230

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Abb. 29. Spektrale Energieverteilung einer Wasserstoffentladungsröhre in relativem Maßstab. Nach Gonsalves [162].

Die Resonanzlinien der Edelgase Neon, Argon, Krypton und Xenon liegen im kurzwelligen UV unterhalb 200 mji. (Schumann-UV) und außerhalb des Bahmens dieses Buches [106a]. Glimmlampen mit Füllungen dieser Edelgase zeigen ein schwaches Linienspektrum auch im TTV, weshalb vor allem Argonglimmlampen zur Anregung von Fluoreszenzfarben z. B. bei Hinweisschildern in der Luftschutzbeleuchtung [860] Verwendung fanden. Bei hohen Drucken aber (untersucht wurden Diucke "bis zu 37 at) tritt bei allen genannten Edelgasen ein kontinuierliches Spektrum [206] auf, das in seiner spektralen Energieverteilung etwa der eines schwarzen Körpers von 5200° K entspricht (vgl. Abb. 30 und 31). Es reicht weit ins UV. Die Strahlstärke im UV (vgl. Abb. 32 und 33) steigt bei allen Drucken mit wachsender Stromstärke an, und zwar etwa proportional der l,5ten Potenz der Stromstärke. Der Gradient nimmt, wie auch bei der Hg-Höchstdruckentladung mit zunehmendem Strom i. a. leicht zu, so daß solche Entladungen bei Gleichstrombetrieb mit Klemmenspannungen dicht unterhalb der Netzspannung unter Vorschaltung eineB Widerstandes kleinen Ohm-

A. Gasentladungsstrahler

41

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Abb. 30. Spektrale Energieverteilung der Krypton-Höchstdruckentladung bei 35 a t und 25 Amp. Stromstärke. Nach S c h u l z [275b]. Abb. 31. Spektrale Energieverteilung der Xenon-Höchatdruckentladung bei 35 at und 26 Amp. Stromstärke. Nach S c h u l z [275b].

Abb. 32. Krypton-Höchstdruckentladung. Abhängigkeit der Strahlstärke S im UV-A von der Stromstärke I. Nach S c h u l z [275c]. Abb. 33. Xenon-Höchstdruckentladung. Abhängigkeit der Strahlstärke S im UV-A von der Stromstärke I. Nach S c h u l z [275c].

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II. Erzeugung von UV-Strahlen

wertes, also mit relativ geringem Verlust im Vor schaltgerät, betrieben werden können. Die Werte des Gradienten sind wesentlich niedriger als bei der Hg-Entladung vergleichbaren Druckes, nämlich nur etwa 30 V/cm bei 36 at für Kr und Xe gegenüber rund 150 V/cm bei Hg. Die Lichtaüsbeute nimmt bei allen vier Gasen bei konstantem Druck mit wachsender Stromstärke zu bzw. bei konstanter Stromstärke bei wachsendem Druck und erreicht für Ne, Ar, Kr und Xe für 36 at und 30 Amp Werte von rund 15, etwa 15, 18 bzw. 35 Hlm/Watt. Die UV-Ausbeute geht der Lichtausbeute etwa parallel. Die Xenon-Höchstdruckentladung ist demnach am wirtschaftlichsten. Demgemäß wurde auch in erster Linie eine Xenon-Höchstdrucklampe entwickelt (vgl. 63) [275 a bis b]. e) Quecksilber-Hochdrucklampen [197, 198, 203, 291] 46. Einleitung. Nachdem im vorhergehenden Kapitel die elektrischen und spektralen Eigenschaften der Hg-Entladung behandelt wurden, soll nunmehr an Hand einiger typischer Beispiele die technische Ausführungsform der Hg-Hochdrucklampen sowie ihre Betriebsweise und Eigenschaften besprochen werden. Die im Handel erhältlichen UV-Strahler für allgemeine oder technische Anwendungen werden in 59 bis 64 ausführlich behandelt. 47. Quarzlampe S 300 als typischer Vertreter einer Hg-Hochdrucklampe mit Glühelektroden. Wir behandeln zunächst die wegen ihrer weiten Verbreitung und ihrer vielseitigen Verwendbarkeit auf therapeutischem und technischem Gebiet wichtigste Quarzlampe Typ S 3001), die als erste ihrer Art seit 1932 bekannt ist. Sämtliche anderen Hg-Hochdrucklampen mit festen Glühelektroden zeigen im 5 ch wesentlichen ein ähnliches Verhalten [140, 233]. Die Hg-Lampe S 300 besteht aus einem rohrförmigen Entladungsgefäß aus Quarzglas (Abb. 34), auch als „Brenner" bezeichnet. Das Rohr, das entweder gestreckt oder zu einem U gebogen sein kann, ist an den beiden Enden mit je einer festen aktivierten Glühelektrode ausgerüstet, sorgfältig entlüftet und mit Edelgas (Argon) von einigen Torr Druck gefüllt. Es enthält ferner eine sehr kleine Menge Quecksilber, die so beAbb. 34. Ansicht und Schnitt messen ist, daß das Quecksilber im Betrieb vollständig eines Hg-Hochdruckbremiers, v e r d a m pr f t . Das Entladungsgefäß ist vakuumdicht verTyp S 300. L = Leuchtrohr, B = Blende E = Elektrode F = Stromdurchführung, ' Sch = Metallschellen, H = Haltevorrichtung. 1

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schlössen. Die vakuumdichte Stromemiührung bereitet bei Röhren aus Glas im allgemeinen keine Schwierigkeiten, dagegen ist eine unmittelbare Einschmelzung von metallischen Stromeinführungen 2 ) in Quarzglas außer-

) Hersteller: Quarzlampen Gesellschaft m. b. H., Hanau. ) Bei der Herstellung einer hochvakuumdichten Einschmelzung wird das Glas, in dem die Einschmelzung erfolgt, bis zum Erweichen erhitzt (bei Quarzglas also etwa auf 1700° C). Das Metall muß also bei dieser Temperatur beständig sein und beim Abkühlen am Quarzglas haftenbleiben,obwohl es sich 5 bis lOmalso stark zusammenzieht wie das Quarzglas. Außerdem muß eine technisch brauchbare Einschmelzung die bei jeder Inbetriebnahme erfolgende Temperaturwechselbeanspruchung mehrere tausendmal aushalten. Bei diesen Beanspruchungen kommen als Stromzuführung nur Molybdän, Wolfram, Tantal und ähnliche hochschmelzende Metalle in Frage. Außer der im Text beschriebenen Folieneinschmelzung [211] läßt sich eine vakuumdichte Stromeinführung in Quarzglas auch unter Verwendung von einem oder mehreren Übergangsgläsern [175] ermöglichen, die man zwischen Metall und Quarzglas anordnet, und deren Wärmeausdehnungsbeiwerte passend abgestuft sind. 2

A. Gasentladungsstrahler

43

ordentlich schwierig, da alle Metalle sich wesentlich stärker als Quarzglas ausdehnen. Die Stromeinführung des S 300-Brenners besteht deshalb aus einer weniger als etwa 20 ¡x dicken Folie ausMolybdän, die unmittelbar in Quarzglas vakuumdicht eingeschmolzen wird. Bei diesen geringen Dicken überwiegen die Haftkräfte des Metalles am Quarz gegenüber den durch die Abkühlung entstehenden Kräften. Solche Folieneinschmelzungen können mit Strömen von 10 A und mehr belastet werden. Die Elektroden 1 ) (Abb. 35) bestehen aus drei ineinandergeschachtelten Nickelnäpfchen, zwischen denen bzw. auf denen die Aktivierungsmasse, vorwiegend aus Erdalkalioxyden bestehend, aufgebracht ist. Diese Elektrode heizt sich im Betrieb von selbst auf die zur Elektronenemission erforderliche Temperatur von etwa 800° C auf und kann daher einpolig eingeschmolzen werden, Abb. 35. Abb. 36. da sie nicht durch einen besonderen HeizBecherelektrode. Plättchenelektrode. ström geheizt werden muß. Das Elektroden- Schnitt einer aktivierten Elektrode für J-- N • J J T II I I • J I 6He-Hochdrucklampen mit Stromzufuhgefaß ist gegen das Leuchtrohr hin durch eine rungsdraht (rechts). Einschnürung der Quarz wandung oder Blende abgegrenzt, welche die von der Elektrode zerstäubten Stoffe auffängt, so daß die Wandung des Leuchtrohres über längere Betriebszeit klar bleibt. 48. Zündung. Ein auf dem Leuchtrohr angebrachter Zündstreifen bewirkt in Verbindung mit der Edelgasgrundfüllung, daß beim Anlegen der Spannung an den Brenner zunächst eine Glimmentladung in dem Edelgas 2 ) entsteht, die zu einer Aufheizung der Elektroden führt, so daß zwischen den nunmehr heißen Glühelektroden eine Bogenentladung im Edelgas übergehen kann. Gleichzeitig erwärmt sich bei diesem Vorgang auch die Brennerwandung und damit steigt der Hg-Dampfdruck. Schließlich wird die Entladung ausschließlich vom Hg getragen. Der Übergang von der Edelgas- in die Hg-Entladung spielt sich in einigen Sekunden ab. 49. Dosierung der Hg-Menge. Durch die im Entladungsgefäß umgesetzte Leistung erfolgt eine weitere Erwärmung desselben und somit eine weitere Verdampfung des Hg. Die mittlere Dampfdichte im Entladungsgefäß, d. h. die in 1 cm 3 enthaltene Zahl der Hg-Atome, richtet sich hierbei nach der Temperatur der kältesten Stelle. In das Entladungsgefäß ist nur soviel Hg (beim Brenner S 300 etwa 15 mg) eingebracht, daß es zur Erreichung des gewünschten Dampfdruckes von etwa 1 at ausreicht, aber bereits vor Erreichung des Endwertes der Temperatur völlig verdampft. Von diesem Punkt an bleibt die Dampfdichte konstant, der Dampf wird überhitzt — ist untersättigt — und der Dampfdruck steigt nur noch langsam nach Maßgabe der Gasgesetze an. Brenner, die nur eine so kleine Hg-Menge enthalten, daß bei den normalen Betriebsbedingungen alles Hg verdampft ist, nennt man „dosierte Brenner". Der Dampfdruck und damit die Brennspannung kann deshalb nie über einen im voraus festgelegten Wert ansteigen, sei es, daß der Brenner in freier Luft, oder in einem geschlossenen Gehäuse brennt und daher sehr heiß wird. Dagegen ist eine zu starke Abkühlung durch Eintauchen in Wasser oder durch zu starkes Anblasen mit einem Gebläse zu vermeiden, sofern dies zu einer Kondensation des Hg führt. Eine Für Brenner kleiner Abmessung kann man die Elektrode (Abb. 36) aus mehreren Plättchen aus schwerschmelzendem Metall aufbauen, die in geringem Abstand auf einem Stift aufgereiht sind, und die auf ihrer Oberfläche die aktivierenden Oxyde tragen. Sehr gut bewährt hat sich auch eine Elektrode, die aus einer Wolframwendel besteht, in deren Innern ein aus Wolframpulver und Aktivierungsstoffen gepreßtes und gesintertes Stäbchen angeordnet ist. a ) Enthielte der Brenner kein Edelgas, so könnte die Zündimg nicht mit den normalen Netzspannungen vorgenommen werden, da der geringe Hg-Dampfdruck bei Zimmertemperatur (nämlich etwa 0,001 Torr) eine wesentlich höhere Zündspannung erfordert.

44

I I . Erzeugung von UV-Strahlen

Kontrolle für zulässige Größe der Kühlung besteht in der Messung der Klemmenspannung, die nur unwesentlich (einige Volt) unter dem Wert bei ungekühltem Brenner liegen darf. 50. Einbrennvorgang. Das Verhalten der Hg-Dampfdichte spiegelt sich in den Betriebsdaten wieder. Nach 32 bedingt die Erhöhung der Dampfdichte bzw. des Dampfdruckes von einem gewissen Wert ab eine Zunahme des Gradienten. Mit der Erwärmung steigt also die Klemmenspannung an, wie dies Abb. 37 zeigt. Zu Beginn des Einbrennvorgangesbeträgt die Klemmspannung etwa 15 bis 25 Volt und steigt im Verlauf von einigen Minuten auf etwa 130 Volt an. Das Vorschaltgerät (Drossel oder Ohmscher Widerstand1)) bedingt das entgegengesetzte Verhalten der Stromstärke. Der Anlaufstrom des Brenners S 300 ist 5Mb Zeit nach dem Zünden 5 A, der allmählich während Abb. 37. Zeitlicher ¡Verlauf ¡der[elektrischen;)Brenndaten des Einbrenn-Vorganges auf eines Hg-Hochdruckbrenners Typ 6300 beim Einbrennen. 2,3 A abnimmt. Das Verhältnis Außerdem zeitlicher Verlauf des Strahlungsflusses der des Anlaufstromes zum BeLinie 366 mji in relativen Einheiten. Serienmäßiges Vorschaltgerät mit Drossel.' Schaltung nach Abb. 41. Netz- triebsstrom beträgt etwa 2; es hängt von der Höhe der Klemspannung von 220 V Wechselstrom. menspannung ab, sowie von Netzspannung und Vorschaltgerät. Vgl. auch [286]. Die Brennerleistung nimmt, wie die Klemmenspannung, während des Einbrennens zu, jedoch in geringerem Maße als diese. Auch der Strahlungsfluß wächst allmählich bis zu einem Endwert an. Weil sich während des Einbrennens nicht nur die Strahlstärke, sondern auch die spektrale Zusammensetzung ändert, ist es unbedingt notwendig, mit dem Beginn der Bestrahlung zu warten, bis die Hg-Lampe eingebrannt ist, da sonst die verabreichte Strahlungsdosis weder ihrer Größe, noch ihrer spektralen Zusammensetzung nach angegeben werden kann. Für das Auge ist der eingebrannte Zustand sinnfällig etwa an der Einschnürung der Entladung, der hohen Leuchtdichte und der weißeren Leuchtfarbe zu erkennen. Man bezeichnet eine Hg-Hochdrucklampe dann als praktisch eingebrannt, wenn der Strahlungsfluß bzw. die erzeugte Bestrahlungsstärke 80 bis 90 v. H. des Endwertes erreicht hat, denn die letzten 10 bis 20 v. H. werden langsam durchlaufen. 51. Einfluß der Netzspannungsänderungen. In Abb. 38 ist dargestellt, wie die einzelnen Brennerdaten sich ändern, wenn die Netzspannung vom Sollwert abweicht. Es handelt sich dabei um eine S 300-Lampe, bei der der Brenner mit einer festeingestellten Drossel betrieben wird. Man sieht, wie die Klemmenspannung verhältnismäßig wenig von der Netzspannung abhängt: bei Überschreiten der Sollspannung nimmt sie ein wenig ab, bei Unterschreiten steigt sie zunächst an und fällt dann rasch ab, weil die Brennerleistung nicht mehr ausreicht, um alles Hg im Dampfzustand zu halten. Die Brennerleistung ist genau wie der Brennerstrom stark abhängig von der *) Das andere Verhalten eines Kondensators ist in 55 behandelt.

A. Gasentladungsstrahler

45

Netzspannung. Beide ändern sich im gleichen Sinn wie die Netzspannung, aber in viel stärkerem Maße. Eine Änderung der Netzspannung um 10 v. H. ruft eine Änderung des Stromes von 22 v. H. und der Brennerleistung von etwa 35 v. H. hervor. Es ist daher wichtig, durch richtige Einstellung des Vor*200% schaltgerätes auf die vorhandene Netzspannung für richtige Belastung zu sorgen. Bei Überbelastung wird der Brenner frühzeitig zerstört, bei Unterbelastung besteht die Gefahr, daß er nur langsam einbrennt oder sogar den vorgesehenen Dampfdruck nicht erreicht. Außerdem wirkt sich die Netzspannungsänderung auch auf die ausgesandte Strahlung aus. Man sieht aus der Abb. 38, daß sich der Strahlungsfluß in den verschiedenen Spektralbereichen etwas verschieden ändert, im wesentlichen aber ähnlich Nefzspannungsabweichung wie die Bremierleistung [278, L'Brennerleistung 4> -Lichtstrom 284]. Wenn ein Ohmscher Eg Klemmenspannung 366'Strahlungsstrom %366 Widerstand als Vorschaltwidert - ßrennersrrom D = " ¡mUV-ß stand verwendet wird, ist bei Wechselstrombetrieb die Ab- Abb. 38. Abweichung der elektrischen und strahlungsEigenschaften der Hg-Hochdrucklampe hängigkeit der elektrischen und technischen S 300 vom Normalwert in Abhängigkeit von der relaStrahlungsdaten von der Netz- tiven Abweichung der Netzspannung von der Spanspannung geringer als nach nungsemstellung des Vorschaltgerätes (Daten wie Abb.'37). Nach S e i t z [278]. Abb. 38. Man tauscht allerdings für diesen Vorteil den Nachteil der größeren Verluste und der geringeren Stabilität gegenüber plötzlichen Netzspannungsschwankungen ein. Die Vorschaltgeräte haben meist eine Umschaltmöglichkeit auf verschiedene Netzspannungen, meist in Form von Anzapfungen des Widerstandes oder der Drossel. Man sollte sich stets überzeugen, ob die gemessene Netzspannung mit der Einstellung des Vorschaltgerätes etwa übereinstimmt. Wenn nämlich bei einer Netzspannung von beispielsweise 230 Volt das Vorschaltgerät auf 220 Volt eingestellt ist, so ist der Brenner überlastet und wird früher reparaturbedürftig. Bei Versuchen, bei denen es auf genaue Einhaltung der Betriebsbedingungen ankommt, ist daher stets anzuraten, Spannung und Stromstärke (entweder des Brenners oder Netzes) messend zu verfolgen und in Veröffentlichungen anzugeben. Ferner sollte aber auch die UVStrahlung selbst gemessen werden, worüber später Näheres gesagt wird. Der Wert mancher Veröffentlichungen leidet darunter, daß sie keinen Anhalt über die Versuchsbedingungen enthalten. Diese Kontrolle der Brennerdaten ißt besonders dann erforderlich, wenn der Brenner unter ungewöhnlichen Bedingungen brennt, z. B. bei starker Kühlung durch Ventilatoren, so daß die Gefahr besteht, daß die Wandung zu kalt und der normale Betriebsdampfdruck nicht erreicht wird. In diesem Fall ist die Kühlung soweit zu drosseln, bis der Brenner die vorgeschriebenen elektrischen Betriebswerte hat.

46

II. Erzeugung von UV-Strahlen

Das in Abb. 38 dargestellte Verhalten der Hg-Hochdrucklampe bei Netzspannungsschwankungen ist durch die Dosierung der Hg-Menge bedingt, die bewirkt, daß die Dampfdichte in der Entladungsröhre praktisch unabhängig von den Betriebsdaten ist. Dies bedeutet aber, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie der HgHochdrucklampen festliegt und im wesentlichen den gleichen Verlauf zeigt, wie die in 21 Abb. 6 und in 22 Abb. 7 besprochene Kennlinie. Die dort gebrachten Überlegungen können auch für an Wechselstrom betriebene Hg-Hochdrucklampen übernommen werden, sofern sie mit einer dosierten Hg-Menge versehen sind. Andernfalls würde jede äußere Änderung der Betriebsdaten die Dampfdichte ändern und sich damit die Kennlinie so nach oben oder unten verschieben, bis sie der neuen Dampfdichte entspricht. Derartige nicht dosierte Hg-Brenner neigen daher bei Netzspannungsschwankungen zum Erlöschen und können auch nicht in abgeschlossenen Geräten betrieben werden, da sie hierbei zu heiß werden. Sie scheiden daher für viele Anwendungen aus. Wenn sich dagegen die Netzspannung bei einer dosierten HgHochdrucklampe in gewissen Grenzen ändert, kann sich der Arbeitspunkt nur auf der durch die eingebrachte Hg-Menge festgelegten Kennlinie bewegen. Der jeweilige Arbeitspunkt ist durch den Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der Kennlinie bestimmt. Bei konstantem Widerstand verschiebt sich die Widerstandsgerade parallel in der Weise, daß sie die Ordinatenachse in dem der neuen Netzspannung entsprechenden Punkte schneidet. Wird die Netzspannung so weit erniedrigt, daß die Widerstandsgerade die Kennlinie nicht mehr schneidet, dann muß die Entladung erlöschen. 52. Spektrale Werte. Die spektralen Werte des S 300-Brenners aus Quarz entsprechen etwa den in Tabelle 2 (siehe S. 35) für 400 bis 800 Torr und 2 bis 4 A angeführten. Für den hier interessierenden UV-Bereich sind in Tabelle H (siehe Anhang, S. 329) für den Quarzbrenner S 300 und für einige andere Hg-Hochdrucklampen die relativen Strahlungsflüsse zusammengestellt. Es wurde dabei der Wert für 366 m/z = 100 gesetzt. Die absoluten Werte des Strahlungsflusses erhält man, wenn man für die einzelnen Lampen die absoluten Werte für die Wellenlänge 366 mju nach Tabelle C (siehe Anhang, S. 323) berücksichtigt. Die absolute Bestrahlungsstärke ergibt sich aus dem Strahlungsfluß nach Gleichung 43 (Seite 178). Bei den praktisch in Frage kommenden Netzspannungsschwankungen ändert sich die spektrale Energieverteilung nur unwesentlich. Die mitgeteilten Daten sind Mittelwerte über eine größere Anzahl neuer Brenner. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Brennern des gleichen Typs sind nicht groß. Für Meßzwecke, z.B. Eichung von Monochromatoren und Photozellen, muß die individuelle Energieverteilung der verwendeten Lampe besonders bestimmt werden. Eine Übersicht, wie sich die Strahlung der Hg-Hochdrucklampe S 300 auf die verschiedenen Spektralbereiche des Gesamtspektrum verteilt, wird in Tabelle 41 (Seite 289) gegeben. 53. Betrieb in waagerechter und senkrechter Brennlage. Bei einer gestreckten Hg-Hochdrucklampe stellt sich der Lichtbogen bei senkrechter Lage des Entladungsgefäßes in dessen Achse ein, bei waagerechter wird der Lichtbogen nach oben gekrümmt und nähert sich der Rohrwand. Dies führt zu einer größeren Wärmeabgabe und damit zu einer Verschlechterung der Strahlungsausbeute um einen geringen Betrag. Diese Ausbiegung nach oben ist um so stärker, je größer die Dampfdichte und der Rohrdurchmesser sind. Eine Hg-Hochdrucklampe aus Quarz kann trotzdem in jeder beliebigen Lage betrieben werden [142], 54. Abnahme des Strahlungsflusses während des Betriebes. Die Hg-Hochdrucklampen unterliegen einer Alterung. Nach längerem Betrieb schlägt sich auf der Rohrwandung zerstäubtes Elektrodenmaterial nieder. In gewissen Fällen tritt auch eine Veränderung der Gefäßwandung selbst auf. Beide Vorgänge bewirken eine Herab-

47

A. Gasentiadungsstrahler

Setzung des Strahlungsflusses. Auch die Zusammensetzung der Strahlung wird geändert, da die Strahlung kürzerer Wellenlängen durch die Niederschläge auf der Wandung bzw. durch die Veränderung der Wandung selbst stärker geschwächt werden als langwelligere. Abb. 39 zeigt, wie die zeitliche Änderung der sichtbaren Strahlung, des UV der Wellenlänge 366 m fi und desbiologisch wichtigen UV-Gebie» tes von 280 bis 316 m/u ver^ läuft. Nach 800 Betriebsstunden ist das Licht um 10 v. H., die Strahlung 366 m/n um 20 v. H. und die UVStrahlung im Gebiet um 300 m(i um 25 v. H. geschwächt. Die angegebenen Werte gelten angenähert auch für den S 500- und S 700-BrenWob 100 ner, jedoch für sämtliche Srennstumfen S-Brenner nur dann, wenn Abb. 39. Zeitliches Abklingen des Strahlungsflusses während der Lebensdauer zweier Hg-Hochdrucklampen (S 300 und Alpinalampe A 150) bei normalen Betriebsbedingungen, für Licht größere Unterschiede in der (fr), für UV-A (b) und UV-B (c). Nach S e i t z [278]. Belastung der Hg-Lampe gegenüber den normalen Werten — hervorgerufen durch Netzspannungsänderungen — ausgeschaltet sind. Außerdem ist zu beachten, daß der Abfall des Strahlungsflusses davon abhängt, ob die Hg-Lampe bei gleicher Gesamtbetriebsdauer jeweils nur kurze Zeit, oder ohne größere Pause im Betrieb ist. In dem letzteren Falle erfolgt die Abnahme der Strahlungsflüsse langsamer. Bei den der Abb. 39 zugrunde liegenden Messungen herrschten etwa Verhältnisse, wie sie im Durchschnitt der Praxis entsprechen. Voraussetzung für eine geringe Ab% jw nähme ist weiterhin eine gute ¿so 280 m w s*o 3io m m w *r

I 160

jf"

-Dichtung

Ü 120 M 1.100

ift

§= 60 n

I

7

61,2 23.3 41.4 6,8

113,8 92,8 129,0 91.6

108,0 107,0 121,0 81,5

Lessing

Eisen Nickel Wolfram Foto-Effekt

41,5 40,8 27.7 54.2 41,0

41.8 26,0 28.9 26,4 240

34.8 10,3 20.9 10,5 | 150

42,9 50,2 40.8 17.6

92,8 95,4 101,6 98,3

109,9 103,5 108,0 86,5 15,8

UV-Normal

.

202

|

34,2

Conrodft 1007 ZO.IAmp 837Watt

Abb. 82. Registrierkurve der spektralen Energieverteilung des Lichtbogens zwischen Magnesiumkohlen (Conradty 4007). Nach B r e t t s c h n e i d e r [119].

C. Bogenlampen mit abbrennenden Elektroden und Fun kenstrecken

77

le 15 einzelnen S p e k t r a l g e b i e t e n . t e l : 40 V , 10,0 A u n d 403 W a t t . Die Messungen nach S p a l t e 2 ) . . .5) erfolgten m i t einem element u n d die nach 16) m i t einer gefilterten Cd-Zelle. S c h n e i d e r [119]. Direkt pig- E r y t h e m mentieren- w i r k s a m e de StrahStrahlung lung

Kurzwelliges Infrarot 0,7.. .1,4M

Rot

Gelb

Grün

Blau

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

100,0 124,9 112,5 123,5 113,0 140,0 106,0 128,9 107,0

100,0 432,0 304,0 87,6 88,8 134,6 65.4 74.5 136,5

100,0 297,5 318,0 90.5 75.6 125,0 53,0 65,5 98,5

100,0 82,5 259,0 78,9 62,7 104,5 42.0 58.1 71,5

100,0 169,0 407,0 46,4 72.8 171,0 61.9 54,2 107,0

100,0 90.4 306,0 94,0 48,2 139,5 22.5 27,0 90,2

100,0 204,0 270,0 88,0 71,8 116,2 54,4 68,0 96,2

100,0 24,7 69.2 72.3 60,9 60,2 22.4 25,4 37,3

100,0 12,6 30,9 73.3 56.4 64,6 36,2 23,1 36,9

118,6 144,0 91,0 »62,3 99,6 96,0 99,6

129,9 287,5 582,0 137,0 223,0 40,1 127,5

109,0 341,0 58.6 99,0 229,0 32.7 96,3

80,6 330,0 542,0 87,5 178,0 24,5 79,1

331,0 466,0 60,0 159,0 377,0 34,8 171,0

41,3 362,0 55,7 116,0 243,0 18,6 97,5

84,0 332,0 53,8 116,8 226,5 36,5 65,2

23,2 73,0 60,2 81,0 125,7 56,0 44,6

89.0 31.1 63.2 79,1 134,5 47,8 67.3

111,0 161,5 147,7 101,2

96,1 160,0 154,0 160,5

91,1 154,8 121,3 144,3

99,9 120,3 110,0 114,8

104,0 176,0 191,0 147,0

106,6 131,5 175,0 129,5

105,8 127,3 145,0 118,5

77,8 64,6 105,7 28,0

88,9 522,0 827,0 126,2

109,0 106,0 111,0 141,8 28,3

73,5 79,3 61,9 244,8 6,05

62,2 74,7 63,5 315,8 178

57,5 70,3 48,0 272,0 169

56,8 81,6 53,2 418,0 23,4

48,3 70,0 37,9 279,0 122

62,8 73,3 62,8 32,3 71,4

42.6 47,8 20.7 58,5 93,5

46,1 32.6 21.7 21,1 532

Violett

Lichtstrom

Wellenlänge Abb. 83. Registrierkurve der spektralen Energieverteilung des Lichtbogens zwischen W o l f r a m k o h l e n (Siemens). Nach B r e t t s c h n e i d e r [119].

78

II. Erzeugung von UV-Strahlen

bringen Registrierkurven von derartigen Lichtbogen. Bei diesen Messungen wurde bei Wellenlängen oberhalb 351 m[x die Empfindlichkeit des Registriergalvanometers auf V 10 herabgesetzt, um die starken Banden oberhalb dieser Wellenlängen zu erfassen. Die'mit verschiedener Empfindlichkeit registrierten Bereiche sind in den Abbildungen durch einen senkrechten Strich getrennt. Wegen der nicht vorgenommenen Reduzierung auf konstante spektrale Spaltbreiten können aus ihnen keine quantitativen Schlüsse gezogen werden. T a b e l l e 16 S p e k t r a l e E n e r g i e v e r t e i l u n g von K o h l e n b o g e n im UV (in relativen Einheiten). (Betriebsdaten wie bei Tabelle 14). Nach B l e i b a u m [115] Meßmethode: Monochromator und Photozelle

1.

2.

3.

4.

5.

Spektralbereich in m(x

Weißbrandkohlen

Blaubrandkohlen

Radioaktivkohlen

Schneeweißkohlen

5 9 24 56 218

77 94 106 118 288

37 91 107 98 228

6 27 35 61 180

2 1 7 . . . 2491 249...282/ 2 8 2 . . . 314 3 1 4 . . . 3481 348...399/

T J v r

UV-B

UV_A u v A

77. Eingeschlossener Lichtbogen. Der störende Abbrand, der zu einem häufigen Wechsel der Kohlen führt, wird bei dem eingeschlossenen Lichtbogen weitgehend vermieden. Bei diesem brennt der Lichtbogen in einem nahezu geschlossenen Gehäuse, so daß eine Verarmung an Sauerstoff eintritt. Nach diesem Prinzip arbeitet die Kandem-Bogenlichtsonne1), von der Abb. 84 einen Längsschnitt zeigt. Bei dieser Lampe besteht das Gehäuse aus Metall. Für den Strahlenaustritt ist eine Öffnung vorgesehen, die im wesentlichen nur die Strahlung des Bogens hindurchläßt. Trotz dieser Öffnung tritt eine wesentliche Verringerung des Abbrandes auf. Bei den sonstigen Lampen mit eingeAbb. 84. Längsschnitt durch die Kandem- schlossenen Lichtbogen verhütet ein GlasBogenlichtsonne für 6 A Gleichstrom. Nach kolben weitgehend das Hinzutreten von M a t h i e s e n [231]. Frischluft, wie z. B. bei den für Pauszwecke verwendeten Kohlenbogenlampen [118, 231, 294], 78. Hochstrombogen, insbesondere Beckbogen. Eine interessante Ausbildung der Kohlenbogenlampen liegt in dem Hochstrombogen vor, der durch eine Stromdichte von 100 bis 150 A/cm 2 der positiven Säule gekennzeichnet ist. Dieser Wert ist 3—5 mal so groß, wie bei den normalen im vorstehenden behandelten Kohlenbogen. Beim Hochstrombogen höhlt sich die anodische Kohle tief aus, wobei aus dem Krater Dampf der Elektrodensubstanz (Kohle- bzw. Metallsalz) mit großer Geschwindigkeit ausströmt. Diese Gase bilden die stark strahlende Anodenflamme, die vom Krater weg und wegen des thermischen Auftriebes etwas nach oben gerichtet ist. In der Anodenflamme wird der Dampf auf etwa 5000 bis 7000° C aufgeheizt. Hersteller: Körting u. Mathiesen A. G., Leipzig W 35.

C. Bogenlampen mit abbrennenden Elektroden und Funkenstrecken

79

Die Energie des heißen Gases entstammt dem Anodenfall, der höher als bei der Kohlenbogenlampe ist. Infolgedessen steigt die Klemmenspannung beim Übergang vom normalen zum Hochstrombogen stark an; die Kennlinie des Hochstrombogens ist deshalb positiv, so daß auch ein Betrieb ohne Vorschaltwiderstand möglich ist. Die räumliche Stellung der negativen Elektrode, sowie deren Zusammensetzung beeinflußt die Anodenflamme nicht wesentlich [149...153, 169a, 275], Zwischen Fußpunkt der Anodenflamme und negativer Kohle brennt die Entladung in Form einer auf schmalem Durchmesser zusammengedrängten positiven Säule. Infolge dieser Kontraktion ist die Säulentemperatur zu etwa 10000° K anzunehmen. Eine praktisch wichtige Form des Hochstrombogens ist der Beck bogen1), bei dem der Docht der positiven Kohle einen hohen Gehalt an Zerfluoriden besitzt. Infolgedessen werden in der Anodenflamme Zerdämpfe zur Strahlung angeregt, die durch eine besonders starke Strahlung im sichtbaren Gebiet bekannt sind. Die Gesamtstrahlung des Hochstrombogens setzt sich aus der Strahlung des Kraters, der Anodenflamme und der kontrahierten Säule zusammen. Entsprechend der hohen Temperatur dieser zur Strahlung beitragenden Teile von 4120° K bzw. 5000 bis 7000° K bzw. 10000° K, ist die Strahlungsausbeute in dem Hochstrombogen sehr groß. Sie steht an der Spitze des technisch erreichbaren. Wegen der im Vergleich zu normalen Bogenlampen hohen Temperatur ist beim Hochstrombogen der UV-Anteil verhältnismäßig hoch. Die Zyanbanden bei 360 und 385 m/t treten im Beck-Bogen gleichfalls auf [274]. Der Abbrand der Kohlen ist beträchtlich. Für einen Beckbogen von 150 A beträgt er beispielsweise bei einer Dicke der positiven Kohle von 14 mm bzw. der negativen Kohle von 11 mm 30 bzw. 70 cm je Stunde. 79. Funkenstrecke. Auch der elektrische Funken kann als UV-Strahlenquelle verwendet werden. Prinzipiell handelt es sich auch hierbei um eine Gasentladung, jedoch sind die Anregungsbedingungen von denen der Gasentladungslampen und der Bogenlampen insofern grundlegend verschieden, als eine große Elektrizitätsmenge stoßweise zwischen den Elektroden übergeht. Hierbei findet eine starke Ionisierung statt, so daß im Funkenspektrum vorzugsweise die Linien ausgesendet^werden, die dem ionisierten Atom des Metalls der Elektroden entsprechen [490], Die Funkenstrecke wird an die Sekundärseite eines Hochspannungstransformators (mindestens 500 VA) angeschlossen (Abb. 85), der eine Sekundärspannung von etwa 4000 bis 8000 V liefert. Parallel zur Funkenstrecke F wird meistens ein Kondensator K (etwa 0,02 ¡uF) vorgesehen, um den Strahlungsfluß zu erhöhen. Die Funkenstrecke liefert ein Linienspektrum desjenigen Metalls, aus dem die Elektroden bestehen. Meist werden Aluminium, Magnesium, Zink, Kadmium oder Eisen dafür verwendet. Außer den Linien der Elektrodenmetalle treten stets aus der Atmosphäre oder dem Gas des Funkenraumes stammende Linien im Spektrum l)

Hersteller: A E G und Zeiß-Ikon.

einer Funkenstrecke.

II. Erzeugung von UV-Strahlen

80

auf. Wolframstifte von 3 mm 0 weisen einen gleichmäßigen Abbrand und eine große Linienzahl im Spektrum auf. Sie haben sich, wie auch eine Kombination einer Eisen- mit einer Nickelelektrode in der Praxis als Strahlenquelle für spektrographische Aufnahmen gut bewährt. Man wird auf die Funkenstrecke dann zurückgreifen, wenn es sich darum handelt, mit kurzwelligem UV unter 250 m/n zu arbeiten 1 ). Die zeitliche Konstanz des Funkenlichtes ist über kurze Zwischenräume betrachtet nicht gut, und man muß sich deshalb stets mit einer integralen Konstanz begnügen. Wenn es sich darum handelt, konstante Anregungsbedingungen zu schaffen, wie sie z. B. bei der quantitativen Spektralanalyse erforderlich sind, empfiehlt sich der Feußnersche Funkenerzeuger, der mit einer Steuerung der Funkenfolge durch einen Synchronunterbrecher arbeitet. Moderner ausgebildete Funkenstrecken sind c§ 7uu i i I i ^xgchmrzerKorper in [159] beschrieben, die eine vielseitige hol 1001 Einstellbarkeit bzw. einen geräuscharmen I«" / Betrieb erlauben. I•SÄ I» \ Läßt man den Funken nicht in Luft ntenKttS!teroder in Stickstoff übergehen, sondern in frQ fttriken § 20 einem mit Wasser gefüllten Gefäß, dann I 0, ZOO 250 300 350 WfSO 500 550 600 6S0rrp erhält man besonders bei Verwendung von Aluminium oder Wolfram als ElektrodenWellenlänge— material eine hoch intensive kontinuierAbb. 86. Spektrale Verteilung der Strahlung eines U n t e r w a s s e r f u n k e n s und eines liche Strahlung, die wie Abb. 86 zeigt, sich bis 200 mfi erstreckt. In der Abbildung schwarzen Körpers von T = 10000 °K. Nach W y n e k e n . [303]. ist zum Vergleich noch das Spektrum dee schwarzen Körpers mit einer (nicht realisierbaren) Temperatur von 10 000° K eingezeichnet [106, 303], Praktisch monochromatische Strahlung aus dem Wellenlängengebiet 278 bis 285 m¡x liefert dei Funken zwischen Magnesiumelektroden in Luft oder Stickstoff.

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D. Die Sonne [120, 132]. 80. Extraterrestrische Strahlung der Sonne. Die Sonne hat eine Oberflächen temperatur von etwa 6000° K. Sie strahlt daher ein kontinuierliches Spektrum aus das im wesentlichen mit der Strahlung eines schwarzen Körpers gleicher Temperatui übereinstimmt. Die Wellenlänge maximaler Emission liegt bei 460 m/i, also im Blau grünen. Die Sonnenstrahlung erfährt bereits in den äußersten Schichten der Sonn« eine Absorption. Durch die in der Photosphäre der Sonne enthaltenen heißen Dämpf« treten nämlich die für die einzelnen" Dämpfe charakteristischen Absorptionsliniei auf, die unter dem Namen F r a u e n h o f e r s c h e Linien bekannt sind, und die im ge samten Spektrum vom Infrarot bis zum UV auftreten. In bezug auf die biologischer Wirkungen der Strahlung können jedoch die F r a u e n h o f e r s c h e n Linien außer Be tracht bleiben, da sie jeweils nur in kleinsten Wellenlängenbereichen eine Verrin gerung der spektralen Energie hervorrufen. Von den F r a u e n h o f e r s c h e n Liniei macht man als Wellenlängenmarke Gebrauch, z. B. wenn es sich darum handelt *) Bei Zink-Elektroden liegen starke Linien bei 203, 206, 210, 214 m|j., bei Kadmium Elektroden bei 214, 219, 226, 232, 257 m[x. j

D.. Die Sonne

81

die Erstreckung des Sonnenspektrums in das UV zu ermitteln. Die am Rande der Erdatmosphäre herrschende Bestrahlungsstärke beträgt im Durchschnitt 0,132 Watt/cm2 ( = 1 , 9 cal/cma • min.) Infolge des veränderlichen Abstandes der Erde von der Sonne ist dieser Wert, die Solarkonstante, im Winter etwa 7 v. H. größer als im Sommer. 81. Absorption und Streuung in der Erdatmosphäre. HimmelsstraMung. Eine einschneidende Änderung erfährt die Sonnenstrahlung in der Erdatmosphäre. Infolge des erheblichen Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre wird die Strahlung oberhalb 1,5 (i absorbiert, so daß nur der kurzwellige Teil des Infrarot zur Erdoberfläche gelangt. Das extrem kurzwellige UV unterhalb 175 m/t wird in den allerobersten Schichten der Atmosphäre in Höhen oberhalb von 100 km vom Sauerstoff absorbiert. Die Strahlung zwischen 175 und 290 m/t wird von dem in der Atmosphäre enthaltenen Ozon nicht durchgelassen. Zwischen dem Gebiet der Sauerstoff- und Ozon-Absorption ist eine Durchlässigkeitslücke bei etwa 210 m/t vorhanden, die jedoch so wenig Strahlung hindurchläßt, daß diese nur mit den empfindlichsten Methoden nachweisbar ist [184, 185, 234], Die Absorption im Ozon spielt für den UV-Haushalt der Sonnenstrahlung eine wesentliche Rolle. Die Ozonmenge entspricht im Durchschnitt einer Schicht von 3 mm Dicke, wenn das Ozon bei normaler Temperatur und normalem Druck von 1 at vorhanden wäre. Die Ozonmenge ändert sich in unserer Breite im Laufe des Jahres. Das Ozon befindet sich hauptsächlich in einer Höhe von 20 bis 30 km. In den erdnahen •—jj n sowie in den erdfernen Schichten ist der Ozongehalt geringer. Je nach der von der Strahlung t. durchlaufenen Dicke der Atmosphäre schwankt I die auf die Erdoberfläche auftreffende UV-Strahi lung ungeheuer stark in ihrer Energie. Wenn die I«ii S Sonne im Zenit steht, ist daher die UV-Bestrahlungsstärke am größten [127, 160, 577]. Die von den Sonnenstrahlen zu durchdringende Luftstrecke wird durch die L u f t m a s s e d gekennzeichnet, wobei einer Sonnenhöhe von 90° V K AY (Zenit) die Luftmasse 1 zugeordnet wird. Für JY andere Sonnenhöhen h errechnet sich die Luftmasse aus der Gleichung M = 1/sin h. So ergibt 3 itci sich beispielsweise für eine Sonnenhöhe von 30° die Luftmasse 2. Die den verschiedenen Luftmassen bzw. Sonnenhöhen entsprechende spektrale Bef)S 300 305 310 37S 380 32S strahlungsstärke im UV-B des Sonnenspektrums ist in Abb. 87 wiedergegeben. Man sieht aus Abb. 87. Spektrale Verteilung der Bestrahlungsstärke der Sonnendieser Abbildung, wie nicht nur die Bestrahlungs- strahlung für verschiedene Sonnenstärke von der Sonnenhöhe abhängt, sondern wie höhe h, bzw. Luftmassen m. Nach B ü t t n e r [120]. sich auch die kurzwellige Grenze der uns erreichenden Sonnenstrahlung mit größer werdenden Luftmassen nach längeren Wellenlängen zu verschiebt [252], Die kürzeste überhaupt nachgewiesene Wellenlänge der Sonnenstrahlung wurde im Polargebiet bei 286 m/t gemessen. D o m o hat in Davos 293 m/t als kürzeste Wellenlänge ermittelt. Diese verschiebt sich vom Juli bis Dezember um 12 m/t (für mittags), also bis 305, m/t, und um 18 m/t (für 8 bzw. 16 Uhr). Im Sommer schwankt die Lage der kürzesten Wellenlänge von morgens bis abends innerhalb eines Bereiches von 20 m/t. Später wurde ; in Arosa Strahlung bis herab zu 287 m/t nachgewiesen [160a].

/

!

6

Ultraviolette Strahlen

82

II. Erzeugung von UV-Strahlen

Die Sonnenhöhe und damit die Luftmasse hängt von der geographischen Breite des Beobachtungsortes ab, ferner von Jahres- und Tageszeit. Z.B. beträgt im Winter mittags bei etwa 50° nördl. Breite die Sonnenhöhe etwa 16,5° und erreicht erst im März Werte von etwa 40°, um schließlich im Mittsommer bis zu 63,5° anzusteigen. Man kann der Abb. 87 entnehmen, daß im Mittwinter, selbst mittags, nur eine verschwindend geringe UV-Strahlung unterhalb 320 ra// die Erdoberfläche erreicht. Außer der erwähnten Absorption durch das Ozon erfährt ein Teil der Strahlung auf dem Weg durch die Atmosphäre eine weitere Veränderung. Sie wird an den Luftmolekülen oder an Schwebeteilchen gestreut. Bei diesem Vorgang wird die Strahlungsenergie nicht vermindert. Vielmehr tritt nur eine Ablenkung der Strahlen aus ihrer ursprünglichen Richtung ein, von denen ein Teil schließlich als H i m m e l s Strahlung zur Erde gelangt. Der Vorgang der Lichtstreuung ist gleichfalls wellenlängenabhängig und zwar tritt im UV eine besonders starke Streuung auf. Daher kommt es, daß bei feinem Dunst die von der Himmelsstrahlung herrührende UV-Bestrahlungsstärke die von der Sonne unmittelbar herrührende übertrifft. Es ist deshalb notwendig, bei der UV-Behandlung im Freien nicht nur die UV-Strahlung der Sonne in Rechnung zu ziehen, sondern die allseitig einfallende UV-Strahlung des Himmels zu berücksichtigen [218, 219], Angaben über die von der Sonne hervorgerufenen Bestrahlungsstärken beziehen sich —wenn nicht anders angegeben —auf eine Ebene senkrecht zur Strahlrichtung. Die Himmelsstrahlung wird meist durch die auf der Horizontalebene erzeugte Bestrahlungsstärke gekennzeichnet. Unter Globalstrahlung versteht man die von Sonne und Himmel der Horizontalfläche zugestrahlte Energie aller Spektralbereiche. Die Globalstrahlung G hängt in einfacher Weise von der Sonnenhöhe h (zwischen 25 und 60°) ab. Sie ist nach [168b] gegeben durch die Gleichung (6) G = 22,3 sin h (5,8—l/^sin h) mW/cm 2 Gleichung (6) gilt für 8 Torr Wasserdampfdruck der Luft. Bei 3 Torr setze man 5,5 statt 5,8. 82. Gesamtbestrahlungsstärke der Sonnen- und Himmelsstrahlung. Für die durch die Sonne hervorgerufene Erwärmung sowohl der Erde als auch des einzelnen Menschen bei der Sonnenstrahlung ist die wichtigste Größe die Gesamtbestrahlungsstärke, wie sie in Tabelle 17 angegeben ist. Die extraterrestrische Gesamtbestrahlungsstärke herrscht an der Außenseite der Erdatmosphäre. Sie ändert sich im Laufe des Jahres nur um kleine Beträge, die durch den wechselnden Abstand Erde-Sonne bedingt sind. Die Nordhalbkugel der Erde ist insofern begünstigt, als dort im Winter eine etwas größere Gesamtbestrahlungsstärke herrscht. Die Bestrahlungsstärke ist für die genannten vier Orte im Jahr nur wenig verschieden. Die Globalstrahlung (siehe Tabelle 18), also die Strahlung von Sonne und Himmel auf die Horizontalfläche, zeigt dagegen größere Unterschiede, da sich hierbei der jahreszeitliche Abhängigkeit der Sonnenhöhe voll auswirkt. Beachtlich ist der hohe Wert der Globalstrahlung der Arktis in den Sommermonaten. Die extraterrestrische Globalstrahlung ist natürlich die Strahlung der Sonne allein, da die Himmelsstrahlung erst in der Erdatmosphäre entsteht. 83. Gesamtbestrahlungsstärke der Sonnen- und Himmelsstrahlung im UV-B. Die Abb. 88 zeigt abhängig von der Sonnenhöhe bei klarem wolkenlosen Himmel die gesamte auf einer horizontalen Fläche vorhandene UV-Bestrahlungsstärke im UV-B, also die Summe von Sonnen-UV und Himmels-UV, des weiteren die beiden einzelnen Komponenten. Die Himmelsstrahlung wird hierbei gleichfalls auf eine horizontale Fläche bezogen, während die von der Sonne erzeugte UV-Bestrahlungsstärke auf eine

83

ÌX Die Sonne

Tabelle 17 Mittagswerte der Sonnenstrahlung in mW/cm2 (klare Tage), gemessen senkrecht zur Strahlrichtung Nach B ü t t n e r [120]

Extraterrestrisch

Zugspitze (47°, 2962 m)

Davos (47°, 1600 m)

Nizza (44°)

Potsdam (52»)

1 2 3

140 139 137

107 110 113

97 103 105

88 90 92

71 78 78

4 5 6

134 132 131

113 110 108

105 103 101

94 94 89

88 89 88

7 8 9

131 132 133

110 109 110

100 101 102

88 88 88

84 82 84

10 11 12

136 138 140 135

109 109 107

101 107 93 101

90 88 86 90

81 69 67 80

Monat

Mittel

110

Tabelle 18 Mittagswerte aller Tage der G e s a m t s t r a h l u n g von Sonne und Himmel auf die ebene Horizontalfläche (Globalstrahlung) in mW/cm2 Nach B ü t t n e r [120]

Monat

Extraterrestrisch

Zugspitze

Paris

Helsinki

Arktis (73°N)

1 2 3

53 66 86

30 43 55

17 28 41

4 14 32

0 5 27

4 5 6

104 112 116

60 56 63

54 56 61

43 49 60

47 52 46

7 8 9

114 107 91

62 57 63

62 49 47

55 36 27

49 34 23

10 11 12

64 55 51

49 33 26

30 19 13

14 6 4

13 0 0

Ebene senkrecht zum Strahleneinfall gemessen ist. Es ist in der Abbildung zu beachten, daß der Maßstab für die Gesamtstrahlung halb so groß ist, wie für das Himmels- und Sonnenlicht allein. Aus der Abb. 88 ergibt sich, daß der Anteil der Himmelsstrahlung an der Strahlung von Sonne und Himmel, beide auf der Horizontalfläche gemessen, für mittlere Sonnenhöhen zwischen 50 und 80 v. H. liegt. Für die Praxis ergibt sich daraus die wichtige Tatsache, daß man auch bei Vermeidung der unmittelbaren Sonnenstrahlung, also im Schatten der Sonne, einen Sonnenbrand davontragen kann. Man kann also eine UV-Therapie auch bei Vermeidung der starken Gesamtstrahlung der Sonne betreiben, die bei Kranken eine unerwünschte und schädliche Wärmestauung hervorzurufen imstande ist [106].

84

II. Erzeugung von UV-Strahlen

Aus Abb. 88 kann man zunächst den Gang der Bestrahlungsstärken im Laufe eines Tages ermitteln, indem man die während des Tages vorkommenden Sonnenhöhen aus Abb. 89 entnimmt und dann die den Sonnenhöhen zugeordneten Werte der Bestrahlungsstärke aus der Abb. 88 abliest. Außerdem gibt Abb. 88 den Gang der Kurve

800

H10

B -SS Min

Platte aufweisen. Es gilt: 703 § 02 < £Ö

L

(7)

-v =

AI/AK.

Die lineare Dispersion, die in mm/m/z (oder mm/A) gemessen wird, ist in der Kurve v der Abb. 95 wiedergegeben, und zwar für den in der Kurve A behandelten Spektralapparat. Der Verlauf der Dispersionskurve hängt vom Prismenmaterial, Prismenwinkel und Abstand des Austrittsspaltes vom Prisma ab. Die Dispersionskurve muß für jeden Spektralapparat gesondert ermittelt werden. Hierzu vgl. 165. Beim Arbeiten mit Spektralapparaten spielen folgende Forderungen eine Rolle: Auflösung, Lichtstärke und spektrale Reinheit. Abb. 95. Schematische Darstellung des Verlaufes von Dispersion A und linearer Dispersion v für prismatische Zerlegung.

A. Spektrale Zerlegung

93

91. Auflösung. [511) Ist AI der Abstand zweier Linien, die bei der Wellenlänge X gerade eben noch mit Sicherheit getrennt werden können, so bezeichnet man das Verhältnis X/AX als das A u f l ö s u n g s v e r m ö g e n , das als Grenzwert bei hinreichend schmalem Eintrittsspalt erreicht werden kann. Unterhalb einer sehr kleinen Spaltbreite erhält man nämlich keinesfalls reelle Bilder des Spaltes, sondern nur Beugungsfiguren. Mit solch engem Spalt arbeitet man beim Spektrographen. Das Auflösungsvermögen hängt von der Dispersion des Prismas und von dessen Basislänge ab. Bei Monochromatoren ist die Aufgabenstellung eine andere, da man zwecks Erzielung größerer Strahlungsflüsse meist mit verhältnismäßig weitem Eintrittsspalt arbeitet, so daß das oben definierte Auflösungsvermögen nicht erreicht wird. Unter T r e n n s c h ä r f e verstehen wir den reziproken Wert des Wellenlängenabstandes zweier Linien, die in der Bildebene zwei Spaltbilder erzeugen, die sich gerade eben berühren. Die Trennschärfe hängt, wie das Auflösungsvermögen auch, vom Prisma ab und ist für die verschiedenen Spektralgebiete verschieden. Sie ist jedoch außerdem umgekehrt proportional der Breite des Eintrittsspaltes, so daß man bei kleineren Spaltbreiten eine größere Trennschärfe als bei größeren Spaltbreiten erhält. Ob man die Strahlungsflüsse der beiden Linien getrennt erfassen kann, hängt schließlich von der Breite des Austrittsspaltes ab. Hierzu vergleiche 116. Die Anforderungen an die Trennschärfe sind außerordentlich verschieden. Bei biologischen, photochemischen und technischen Untersuchungen braucht die Trennschärfe meist nicht groß zu sein. Man wird z. B. im allgemeinen darauf verzichten können, im Hg-Spektrum die drei Linien 365,0, 365,5 und 366,3 mp bzw. 433,9, 434,7 und 435,8 m/x voneinander zu trennen. Bei den in diesem Buch angegebenen spektralen Energieverteilungen der Hg-Brenner ist stets vorausgesetzt, daß die angegebenen Liniengruppen jeweils gemeinsam gemessen werden. 92. Lichtstärke. Die Lichtstärke ist genau wie bei photographischen Apparaten durch das Verhältnis der freien Öffnung des Objektives zu seiner Brennweite (relative Öffnung) gegeben. Eine große Lichtstärke kann daher eher bei kleinen als bei großen Brennweiten erreicht werden, da der Vergrößerung des Objektivdurchmessers über etwa 10 cm ein prohibitiver Preis entgegenstehen würde. Eine relative Öffnung von 1:4,5 ist schon als gut anzusehen. Ist die Brennweite des Kollimatorobjektivs von der des zweiten Objektivs verschieden, haben aber beide den gleichen Durchmesser, dann ist die Lichtstärke allein durch die Lichtstärke des Kollimatorobjektives bestimmt. Um die Strahlung gut auszunützen, muß stets die Höhe des Prismas gleich dem Durchmesser der Objektive sein. Die Öffnung des Kollimatorobjektivs spielt, wie in 116 ausgeführt wird, eine wesentliche Rolle bei der Ausleuchtung des Spaltes. Einige bei guten Monochromatoren erreichbaren Bestrahlungsstärken am Austrittsspalt sind in 159 angegeben. 93. Spektrale Reinheit. Die aus dem Austrittsspalt des Monochromators austretenden Strahlen enthalten außer der eingestellten Wellenlänge noch mehr oder minder Strahlen der anderen im unzerlegten Strahl vorkommenden Wellenlängen. Dies ist auf verschiedene Ursachen zurückzuführen. Einmal können nämlich die Strahlen durch Bläschen, Schlieren oder Spannungen in den Linsen oder im Prisma zum Teil unregelmäßig abgelenkt werden, oder aber es können Strahlen der nicht erwünschten Wellenlängen, welche durch Blenden oder Schwärzungen im Monochromatorinnern beseitigt werden sollten, durch mehrfache Reflexion doch wieder zum Austrittsspalt gelangen. Durch Einbau von Blenden und sorgfältige Schwärzung des Monochromatorinneren gelingt es zwar, diese Streustrahlung stark herabzudrücken, jedoch nicht völlig zu beseitigen. Die durch Fehler der Optik hervorgerufene Streustrahlung läßt sich durch Verwendung ausgesuchten Materials und sorgfältigste

94

III. Messung der UV-Strahlung

Verarbeitung fast vollständig beseitigen. Dies bedingt natürlich entsprechende Preise der guten Spektralapparate. Auch chromatische und andere Fehler der Optik können die spektrale Reinheit beeinträchtigen. Bei Spiegelmonochromatoren treten zwar keine chromatischen Fehler auf. Dagegen ist, da man meist mit schiefen Bündeln arbeitet, mit zum Teil erheblichen Fehlern durch Astigmatismus zu rechnen, deren Einfluß in [453, 468] ausführlich behandelt ist. Auf spektrale Reinheit ist bei allen den Untersuchungen allergrößter Wert zu legen, bei denen eine stark ausgeprägte Wellenlängenabhängigkeit auftritt. In diesem Fall kann nämlich eine verhältnismäßig schwache Streustrahlung aus einem Wellenlängengebiet hoher spezifischer Wirksamkeit völlig den Effekt der eingestellten intensiven Strahlung überdecken, falls Strahlung dieser Wellenlänge eine geringere Wirksamkeit zukommt. Bei engem Eintrittsspalt ist die Streustrahlung verhältnismäßig schwach, so daß bei photographischen Aufnahmen mit dem Spektrographen kaum Fehler durch Streustrahlung auftreten. Man kann sie in diesem Fall durch einen kurzen Eintrittsspalt weiter herabsetzen. Gerade bei biologischen Untersuchungen mit dem Monochromator muß man aber auf hohe Bestrahlungsstärke Wert legen und ist daher gezwungen, mit weitem Eintrittsspalt zu arbeiten, so daß die Streustrahlung vielfach einen merklichen Einfluß ausüben kann. Es ist daher wichtig, sich von der spektralen Reinheit der vom Monochromator gelieferten Strahlung zu überzeugen, indem man mit einem Spektrographen die aus dem Austrittsspalt austretende „monochromatische" Strahlung untersucht, etwa durch eine photographische Probeaufnahme, die nur Strahlung der eingestellten Wellenlänge zeigen darf. Wenn die spektrale Reinheit nicht genügt, dann kann diese mit verschiedenen Hilfsmitteln verbessert werden. Ein einfaches und dabei oft ausreichendes Mittel besteht in der Anwendung von Filtern, die das störende Streulicht absorbieren (vgl. 144). 94. Doppelmonochromator. Mit rein optischen Mitteln erzielt man die höchste Reinheit, wenn man zwei Monochromatoren hintereinanderschaltet 1 ). Meist sind diese zu einer Einheit, einem D o p p e l m o n o c h r o m a t o r zusammengebaut [589,590]. Eine solche Bauart 2 ) ist in Abb. 96 wiedergegeben. Jede der beiden Monochromatorhälftenbestehtin bekannter Weiseaus Eintrittsspalt, Kollimatorobjektiv, Prisma, zweitem Objektiv und Austrittsspalt. Der Austrittsspalt der ersten Hälfte ist identisch mit B

Abb. 96. Doppelmonochromator (nach v a n C i t t e r t ) . S und S' Eintritts- bzw. Austrittsspalt, A und A' Trieb zum Einstellen der Spaltbreite, P und P' 60° Prismen aus Quarz, E und E' Feinstelltrieb zum Fokussieren der Linsen, R Mittelspalt mit B, Reguliervorrichtung für seine Breite, G Feintrieb zur Verstellung des Mittelspaltes, Lx, L 2 und L2 bzw. L\, und L\ Linsen. i) Eine behelfsmäßige Ausführung stellt der Vorzerleger dar, der eine Zerlegung mit einfachen Mitteln bewirkt. 8 ) Hersteller: Kipp und Zonen, Delft.

A. Spektrale Zerlegung

95

dem Eintrittsspalt der zweiten Hälfte. Die Einstellung auf die einzelnen Wellenlängen erfolgt durch Verschieben des mittleren Spaltes. Die Prismen, sowie der Endaustrittsspalt stehen fest. Lediglich für die Linsen ist u. U. eine Verschiebung zum Zwecke der Fokussierung nötig. In der Nähe des Mittelspaltes sind noch Hilfslinsen L 3 , L'3 angebracht, die die Öffnung des Objektives L2 auf die Öffnung des Objektivs L'2 abbilden. Dies ist notwendig, damit unabhängig von der Stellung des Mittelspaltes die durch ihn hindurchtretende Strahlung auch von dem zweiten Kollimatorobjektiv voll erfaßt wird. Eine andere elegante Ausführung eines Doppelmonochromators arbeitet mit A u t o k o l l i m a t i o n . Hierbei wird das Prisma doppelt ausgenützt, indem an geeigneter Stelle ein Spiegel angebracht ist, der die Strahlung in umgekehrtem Strahlengang nochmals durch die Anordnung schickt. Lichtstarke Konstruktionen sind beispielsweise in [487, 656, 706] beschrieben. 96. Handelsübliche Spektralapparate. Bei der großen Anzahl der im Handel befindlichen Spektralapparate ist es unmöglich, sie alle zu beschreiben. Wir beschränken uns darauf, als typische Beispiele einige bewährte Geräte zu besprechen, ohne daß die Auswahl ein Werturteil bedeuten soll. [501a] Für photographische Spektraluntersuchungen, die einen Überblick über das gesamte Spektrum im UV geben sollen, wird zweckmäßigerweise ein Gerät mit einer einfachen Zerlegung durch ein Prisma benutzt. Ein Gerät dieser Bauart ist der U n i v e r s a l s p e k t r o g r a p h 1 ) (Abb. 97), bei dem das UV-Spektrum auf einer Platte vom Format 9 x 1 2 cm untergebracht wird. Der Universalspektrograph ist sehr viel-

Abb. 97. Universalspektrograph.

seitig verwendbar, da er erstens auch mit einer größeren Kamera (13 X18 cm) verwendet werden kann und da bei ihm zweitens das Prisma gegen ein Gitter ausgewechselt werden kann, um Untersuchungen im sichtbaren Gebiet durchzuführen. In diesem Fall sind außerdem die UV-Objektive auszuwechseln. Die photographische Platte kami in üblicher Weise senkrecht zur Aufnahmerichtung verschoben werden, um mehrere Aufnahmen auf ein und derselben Platte aufnehmen zu können. Die relative Öffnung beträgt etwa 1:20, die lineare Dispersion 0,20 mm/m// bei 300 m/i. Für die Untersuchung von linienreichen Spektren dienen Spektrographen großer Dispersion, z. B. der Q u a r z - S p e k t r o g r a p h „Qu 24"1) (Abb. 98), dessen Dispersion 0,74 mm pro m/x für die Wellenlänge 300 m/z beträgt. Die höhere Dispersion erreicht man durch eine größere Brennweite. Der „Qu 24" besitzt eine ausgezeichnete Bildgüte der Spektrallinien, so daß Linien mit einem Wellenlängenunterschied Hersteller: Carl Zeiss, Jena.

96

I I I . Messung der UV-Strahlung

Abb.|98.

Quarzspektrograph „Qu 24".

von O.OS mju bei 300 my. einwandfrei getrennt wiedergegeben werden. Die wirksame Öffnung des Gerätes ist 1:11. Die beschriebenen Spektrographen können auch als Monochromatoren verwendet werden, wenn man an Stelle der Halterung für die photographische Platte in der Bildebene einen verschiebbaren Spalt anordnet, der zweckmäßig durch einen Präzisionstrieb an die Stellen der verschiedenen Wellenlängen gebracht werden kann. Zugleich mit dem Spalt muß in diesem Fall auch das Strahlungsmeßgerät (Photozelle oder Thermoelement) verschoben werden, das starr mit dem Spalt verbunden ist. Die Verwendung des Spektrographen als Monochromator ist ein Notbehelf. Das Arbeiten mit den eigentlichen Monochromatoren ist einfacher und zuverlässiger. Der S p i e g e l - M o n o c h r o m a t o r 1 ) 3 4 (Abb. 99) besitzt eine lichtstarke Optik. Die relative Öffnung beträgt 1 : 6 , 7 . mm^E!!^ Dies ist möglich geworden, indem man 2—¡LliM & ® I " . jH für die Abbildung des Eintrittsspaltes auf dem Austrittsspalt an Stelle von Objektiven Hohlspiegel verwendet.

Abb. 99. Spiegelmonochromator (geöffnet), 1 und 6 Eintritts- bzw. Austrittsspalt, 7 Feineinstellung der Spaltbreite, 2 und 5 Hohlspiegel, 3 Planspiegel gemeinsam mit Prisma 4 auf einem mittels>,des Triebes 9, bzw. der Ferneinstellung 10, drehbaren Tisch. *) Hersteller: C. Zeiss, Jena.

Abb. 100. Schematische Zeichnung des Strahlenganges im Spiegelmonochromator. Bedeutimg der Zeichen wie in Abb. 99, 4a Drehpunkt des Prismentisches.

TAFEL 5 Z u Seite 06, 97 und 98

f:

A b b . 69. W o 1 f ram b a ndlainpe. Diese L a m p e ist auch mit einem in der Ausstrahlungwichtung liegenden HillMinit aufgeschmolzenem b z w . a u f g e k i t t e t e m Quarzglas- oder Steinsalzfenster erhältlich.

A b b . 103. V a k u u m thermoelement. Nach 1-1 a s e [522],

A b b . 102. Ansicht des Autokolliuiationsspiegeldoppelmonochromators. S1 und Eintritts-, b z w . Austrittsspalt, M Einstellung der Breite des Mittelspaltes.

Walter

»»

45

0,046

0,046

UviolGlas

9»

7 (3 0 )

10

0,3

5

2...3

0,012

20...30

0,08

Z e i s s , zehnfach

50

C. M ü l l e r

1,0

0,025

etwa 0,13

Quarz od. Glas

Pyrowerk

Flußspat

Zeiss

>t

»»

0,025

Die kleinste mit einem Thermoelement nachweisbare Leistung beträgt etwa 2 • 10-» W a t t [695], Neben den Thermoelementen werden zur Strahlungsmessung gelegentlich auch die B o l o m e t e r , Radiometer und Mikroradiometer [593] verwendet. Diese Geräte sind jedoch neuerdings durch die Entwicklung von guten Thermoelementen stark in ihrer Bedeutung zurückgetreten, so daß wir von ihrer Behandlung absehen können. 97. Galvanometer. Zum Messen der Thermo-EMK werden heute ausschließlich Drehspulgalvanometer von niedrigem äußeren Grenzwiderstand Ra1) und hoher Spannungsempfindlichkeit und möglichst kurzer Schwingungsdauer T (volle Periode) verwendet. F ü r Strahlungsmessungen, bei denen große Bestrahlungsstärken zur Verfügung stehen, z. B. bei Gesamtstrahlungsmessungen, ist es verhältnismäßig leicht, ein passendes Galvanometer auszuwählen, da unter Umständen sogar die Empfindlichkeit von guten Zeigergalvanometern ausreicht. Bei Messungen mit spektral zerlegter Strahlung kommen nur die höchst empfindlichen Spiegelgalvanometer in Betracht. I n Tabelle 24 sind die wichtigsten Daten für eine kleine Auswahl von handelsüblichen Instrumenten angegeben, die nur zeigen soll, mit welchen Empfindlichkeiten man bei den einzelnen Typen rechnen muß. Außer den genannten Gal*) Unter „äußerem Grenzwiderstand" ist derjenige äußere Widerstand zu verstehen, bei welchem gerade schwingungsfreie, aperiodische Einstellung des Zeigers erfolgt. Ist der äußere Widerstand größer als der Grenzwiderstand, so treten Schwingungen auf, bei niedrigerem äußeren Widerstand kriecht der Zeiger.

7*

IOC

I I I . Messung der ÜV-Strahlung

Tabelle 24 G a l v a n o m e t e r [304, 666, 667] Typ

l.

Dauer einer -Äußerer Innerer StromVollGrenzwider- EMK-KonWiderstand stante') konstante2) 1 periode ) stand Ohm 10-» V/mm 10-» A/mm sek Ohm T Rg Ce3) Ra Ci 2. 3. 4. 5. 6.

P a s c h e n , astatisches Nadelgalvanometer

6

12

K i p p & Zonen, ZernickeZc

7

20

20

K i p p & Z o n e n , Modell A

7

340

200 000

S i e m e n s , Supergalvanometer5)

8

480 11

75000 2,5

Zeiss, Schleifengalvanometer

0,6

6 . . . 20

Tragbares Zeigergalvanometer

2...3

Dr. B. L a n g e , tragbares Lichtzeigergalyanometer

1. . .2

15 5000

3 3,5

15 9000

Hartmannu. Braun, Lichtmarkengalvanometer HLM 1 HLM 3

3 424) —

704)

—

45...75

—

100 000

—

20 60 000

1000

5000

—

0,02 0,07

100 0,5

4

vanometern gibt es noch hochempfindliche Iristrumente, bei denen nicht extremste Strom- bzw. EMK-Konstanten angestrebt werden, sondern bei denen neben einer Stabilität des Nullpunktes vor allem kurze Einstellzeit im Vordergrund steht. Solche Instrumente wird man bei registrierenden Messungen oder in Verbindung mit Galvanometer-Verstärkern (vgl. 98) verwenden. 98. Galvanometerverstärker. Wenn das Galvanometer eine hohe Störungsfreiheit und eine hohe Nullpunktsicherheit besitzt, kann man die Ableseempfindlichkeit durch verschiedene Anordnungen erhöhen. Genannt seien die Galvanometerverstärker, bei denen der Lichtzeiger des Galvanometers so auf ein Thermoelement oder eine Differential-Photozelle fällt, daß bei einer sehr kleinen und nicht unmittelbar zu messenden Ablenkung des Lichtzeigers in dem Thermoelement bzw. Photozelle ein Strom erzeugt wird, der mit einem zweiten, unempfindlicheren Galvanometer gemessen werden kann. Mit derartigen Einrichtungen lassen sich Strom*) Entspricht etwa der Einstellzeit bei aperiodischer Dämpfung. a) Bei Skalenabstand 1 m oder bei Zeigergalvanometer bei der im Instrument vorliegenden Zeigerlänge. а) Um die EMK-Konstante Ce eines Galvanometers aus der Stromkonstante Ci zu errechnen, muß man Ci mit (Rg + Ra) multiplizieren, da bei einer.Messung mit einem Thermoelement nicht die Klemmenspannung, sondern die EMK im Stromkreis bestimmt werden soll. 4) Magnetischer Nebenschluß so gewählt, daß Einstellung aperiodisch erfolgt. б ) Dieses Galvanometer hat zwei verschiedene Spulen, so daß es sowohl für Strom als auch für Spannungsmessungen geeignet ist.

B. Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

101

messungen bis an die theoretische Grenze der Empfindlichkeit durchführen. Der Bolometerverstärker nach Seil arbeitet mit Ablenkung eines Luftstromes, der eine ungleichmäßige Erwärmung zweier Bolometer zur Folge hat [666], Daneben sind auch optische Methoden gebräuchlich. Das Autokollimationsfernrohr1) gestattet eine Verfeinerung der Ablesung entsprechend einer Fernrohrablesung aus 15 m Entfernung bei einem Raumbedarf von nur 1,5 m. Mit diesen Verfahren gelingt es, die Empfindlichkeit bis zu der durch die thermische Unruhe des Galvanometers gegebenen Grenze zu steigern. 99. Nichtselektivität. Beim Arbeiten mit Thermoelementen kann man stets damit rechnen, daß Proportionalität zwischen absorbiertem Strahlungsfluß und Thermo-EMK besteht. Die Schwärzung des Strahlungsempfängers wird durch eine aufgebrachte dünne Schicht bewirkt, die aus Kienruß oder besser aus Platinmohr [415] mit einem Bindemittel besteht. Diese hat im Sichtbaren eine Absorption von 97 v. H. In den benachbarten Spektralbereichen ist das Absorptionsvermögen noch nicht genau gemessen. Es ist anzunehmen, daß es im Infraroten abnimmt, während im UV vermutlich die Absorption in der allerobersten Schicht des verhältnismäßig schlecht leitenden Rußbelages erfolgt, so daß der Wärmeübergang auf die Lötstelle dadurch behindert sein kann. Eine Schwärzung mit Platinmohr, die diesen Nachteil nicht zeigt, soll deshalb besser sein [415], Nach den bisherigen Erfahrungen kann man aber annehmen, daß die Unterschiede in der Schwärzung die Meßergebnisse nicht wesentlich beeinträchtigen, so daß das Thermoelement als nichtselektiv gelten kann. Der Proportionalitätsfaktor zwischen absorbiertem Strahlungsfluß und Thermo-EMK kann also als wellenlängenunabhängig angesehen werden [518]. 100. Eichen des Thermoelementes. Das Thermoelement (wie auch das Bolometer) läßt sich eichen, indem m a n es einer b e k a n n t e n Bestrahlungsstärke aussetzt. Als Strahlungsnormal verwendet m a n die H e f n e r - L a m p e ' ) , die in 1 m Abstand eine Bestrahlungsstärke von 90 (iW/cm 2 erzeugt, u n d zwar in waagerechter Richtung. Die H e f n e r - L a m p e wird durch die auf 40 m m Höhe regulierte F l a m m e von p r i m ä r e m Isoamylazetat a n r u n d e m 8 m m dicken Docht in einem 0,15 m m starken Neusilberrohr dargestellt. Kohlensäure, sowie Wasserdampf in der L u f t und der Barometerstand sind zu berücksichtigen. Beglaubigte H e f n e r - L a m p e n sind im Handel erhältlich. S t a t t der H e f n e r - L a m p e werden vorteilhaft künstlich gealterte Kohlenfadenlampen verwendet, die m i t Unterlast brennen, und f ü r die die PhysikalischTechnische Reichsanstalt f ü r eine bestimmte Ausstrahlungsrichtung und f ü r verschiedene Strombelastungen die Bestrahlungsstärke angibt. Beim Arbeiten mit dem Thermoelement, insbesondere beim Eichen, sind stets gewisse Vorsichtsmaßnahmen zu beachten. D a bekanntlich alle Körper Wärmestrahlen aussenden, m u ß m a n vermeiden, d a ß sich die T e m p e r a t u r aller derjenigen Körper, die dem Thermoelement Strahlung zusenden könnten, während der Messung verändert. Von besonderem Einfluß ist die Klappe, m i t der der zu messende Strahlungsfluß abgeschirmt, bzw. freigegeben wird. Sie wird zweckmäßig durch Wasserkühlung auf konstanter Temperatur gehalten. U m die Strahlung der heißen r—fflon —p lOOan nicht leuchtenden Verbrennungsgase von d e m Thermoelement fern zuhalten, ist in 10 cm E n t f e r n u n g vor der H e f n e r - L a m p e eine Blende von 5 cm Durchmesser aufzustellen. Außerdem sind zwischen dieser Blende u n d dem Strahlungsempfänger noch weitere Blenden anzuordnen, d a m i t ausschließlich solche Strahlung zur Messung gelangt, SchMorzesTuch '(100100cm)mit die von der leuchtenden Strahlungsquelle selbst h e r r ü h r t . (150 'Wem) Öffnung 10*15071 Beim Arbeiten m i t geeichten Kohlenfadenlampen sind die von der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt auf dem Abb. 104. Anordnung zum Eichschein angeführten Arbeitsbedingungen einzuhalten. Eichen von Thermoelementen. Die Abb. 104 zeigt die übliche Anordnung. Nach C o b l e n t z [446].

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T

*) Hersteller: Siemens u . Halske, Berlin. 2 ) N u r zulässig, falls das Thermoelement kein Fenster h a t , d a dieses die Strahlung der Hefnerlampe absorbiert. I n diesem Fall erfolgt die Eichung mit Kohlenfadenlampen, deren Strahlung durch das Fenster n u r wenig geschwächt wird. Der Grad der Schwächung läßt sich auf einfache Weise ermitteln.

III. Messung der UV-Strahlung

102

Da die durch Bestrahlung erzeugte EMK meist sehr klein ist, muß auf die Vermeidung von solchen Thermokräften geachtet werden, die in der Verbindungsleitung von dem Thermoelement zum Galvanometer entstehen können, z. B. dann, wenn zwei verschiedene Metalle sich berühren. Daher sind nur Kupfer oder solche Metalle zu verwenden, deren Thermokraft gegen Kupfer klein ist. Wichtig ist auch ein guter thermischer Schutz der Thermosäule, die etwa durch Einbau in einen massiven Metallklotz bewirkt werden kann. Andernfalls treten störende Nullpunktsschwankungen auf [446]. "Über das Arbeiten mit nichtselektiven Strahlungsempfängern in Verbindung mit Filtern wird in 154, 177, 181 und 183 Näheres gesagt.

101. Die selektiven Strahlungsempfänger. Die selektiven Strahlungsempfänger, zu denen Photozellen1) und Photoelemente (Sperrschichtzellen) gehören, besitzen in vielen Fällen große Vorteile vor den nichtselektiven Strahlungsempfängern. Da sie beide auf dem lichtelektrischen Effekt (vgl. 9) beruhen, weisen sie eine ausgeprägte Wellenlängenabhängigkeit auf. Dies ist aus Abb. 105 ersichtlich, in der die spektralen Empfindlichkeitskurven verschiedener Photozellen2) wiedergegeben sind. In diesen Kurven ist der Photostrom, bezogen auf gleiche Energie des auftreffenden Strahlungsflusses eingetragen. Allen Zellen ist gemeinsam, daß oberhalb einer gewissen Wellenlänge, der sogen. G r e n z w e l l e n l ä n g e 3 ) überhaupt kein Photoeffekt vorhanden ist, daß die Empfindlichkeit ein ausgeprägtes Maximum zeigt, und danach wieder absinkt. Man kann die Zelle für den jeweils zu untersuchenden Spektralbereich so wählen, daß ihr Empfindlichkeitsmaximum in diesen Bereich fällt. Man vermindert auf diese Weise den Einfluß etwa vorhandener Streustrahlung. Photozellen und Photoelemente sind wesentlich empfindlicher als die Thermoelemente und arbeiten außerdem trägheitsfrei. Bei Photozellen ist weiterhin die Anwendung von Röhrenverstärkern möglich. 100

v.H. 90 80

%eo %

r «e

30 SO 10

°m

220

260

280

300

320

Wellenlänge

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350

380

W

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— -

Abb. 105. Relative spektrale Empfindlichkeit verschiedener P h o t o z e l l e n . K und Ca AEGZellen [304],iX* Kaliumzelle mit zusammengesetzter Kathode nach K l u g e [555], Cd nach F r i e d r i c h und F i s c h e r [489], Th und U nach F o r s y t h e [481], Ti nach C o b l e n t z u n d S t a i r [125].

In Abb. 105 sind die Ordinaten der Empfindlichkeitsmaxima — bzw. bei der Kadmiumzelle die Empfindlichkeit für die Wellenlänge 260 mp, — gleich 100 gesetzt. Hersteller: Allgemeine Elektricitätsgesellschaft, Berlin; Günther u. Tegetmeyer, Braunschweig; Infram G. m. b. H . , LeipzigC 1 (Pressler-Zellen). Schrifttum: [479, 671,673a], 2 ) Photoelement siehe Abb. 121. ') Die Grenzwellenlänge liegt bei um so größeren Wellenlängen, je kleiner die Austrittsarbeit (Tabelle 1, S. 16) der Photokathode ist.

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B. Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

Die Abbildung gibt daher keinen Überblick über die mit den einzelnen Photozellen erreichbare absolute Empfindlichkeit. Diese ist bei der Natriumzelle besonders hoch, die im UV von 220 bis 350 mfj, bei gleicher Bestrahlungsstärke größere Photoströme gibt, als alle anderen Zellen. Diese wird man daher nur dann verwenden, wenn man von ihrer langwelligen Grenze Gebrauch machen will. 102. Prinzipschaltbild der Photozelle. Der Aufbau einer Photozelle und ihr Prinzipschaltbild ist in Abb. 106 dargestellt. In einem entweder evakuierten (Vakuumzelle) oder mit Edelgas (Edelgaszelle) gefüllten Gefäß aus Glas oder Quarzglas befindet sich eine lichtelektrische Metallschicht, die Photokathode K, die meist auf der Gefäßwandung selbst aufgebracht ist. Ihr gegenüber ist ein metallischer Auffänger, die Anode A, die aus einem Netz oder einem Draht besteht, gut isoliert angeordnet. Kathode und Anode sind mittels Einschmelzungen aus dem Gefäß herausgeführt. Zwischen Anode und Kathode wird mit Hilfe einer Spannungsquelle N eine Spannung, die Saugspannung, von der Größenordnung 150 bis 200 V angelegt. In Reihe mit Batterie und Photozelle ist ein Schutzwiderstand R (etwa 50000 Ohm) und das GalvanoAbb. 106. Prinzipschaltbild meter G geschaltet. Für Meßzwecke einer Photozelle. P Photo- achte man darauf, daß der Kriechweg zelle, A Anode, K Kathode, G Galvanometer, N Span- zwischen den Elektroden hinreichend Abb. 108. nungsquelle, R Schutzwider- groß ist, um keine IsolationsschwierigPreßler stand. keiten zu haben. In Abb. 1Ö7 (siehe Maschenzelle. Tafel 6 vor Seite 97) und 108 sind zwei bewährte Ausführungsarten dargestellt. 103. Yakuumzelle. Wird eine Photozelle bestrahlt, so treten aus der Kathode K Elektronen aus, welche durch die positive Saugspannung der Anode A zu dieser gezogen werden. Mißt man bei konstanter Be180 strahlung bei einer V a k u u m z e l l e die AbhänL gigkeit des Galvanometerstromes von der Saug1SHn Inspannung, so erhält man die Kennlinie v der spart nung Abb. 109. Man sieht, daß bei kleinen Werten der 'S §120 Saugspannung der Strom zunächst noch niedrig -§ ist. und dann mit steigender Saugspannung anf steigt. Oberhalb der sogen. Sättigungsspannung / 80 ist der Strom praktisch unabhängig von der SO Saugspannung. Dieses Verhalten läßt sich so erklären, daß es bei kleinen Saugspannungen nicht gelingt, sämtliche aus der Kathode aus20 V tretenden Elektronen zur Anode herüber zu € ziehen. Es bildet sioh vielmehr vor der Kathode Saugspannung —" eine Raumladung aus, die erst bei größeren 109. Abhängigkeit des PhotoSaugspannungen überwunden werden kann. Im Abb. zellenstromes von der Saugspannung Gebiet der Sättigungsspannung erreichen alle bei konstanter Belichtung, e edelaus der Kathode austretenden Elektronen die gasgefüllte Zelle, v Vakuumzelle. Anode. Bei Messungen mit Vakuumphotozellen arbeitet man ausschließlich in diesem Gebiet, weil dann der Strom praktisch unabhängig von der Saugspannung und von den sonst im Stromkreis befindlichen Wider-

/

/

/

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III. Messung der UV-Strahlung

ständen ist. Um einen Begriff von den mit Vakuumphotozellen erreichbaren Strömen zu geben, sei erwähnt, daß man für Strahlung der Wellenlänge 366 m//, bei Natrium-, Kalium» und Zäsiumzellen (Vakuumzellen) mit Ausbeuten von etwa 1 bis 4 mA je Watt Strahlungsfluß rechnen kann. Die Ausbeute einer Kadmiumzelle für Strahlung der Wellenlänge 254 m/x, beträgt demgegenüber nur 1 / 100 der angegebenen Werte. 104. Gasgefällte Zelle. Der schwache Strom einer Photozelle kann durch eine Gas- oder meist Edelgasfüllung verstärkt werden ( g a s g e f ü l l t e o d e r E d e l g a s zellen). Durch Stoßionisation im Gas werden von den primär ausgelösten Photoelektronen weitere Ionenpaare in dem Edelgas gebildet, so daß der primäre Photostrom vervielfacht wird. Die so erreichbare Verstärkung beträgt etwa 10 bis 20 und kann unter günstigen Umständen bis auf 100 gesteigert werden. Bei Edelgaszellen nimmt der Strom mit zunehmender Saugspannung zu (vgl. Abb. 109 Kurve e) und erreicht keine Sättigung. Beim Überschreiten einer gewissen Spannung setzt eine Glimmentladung ein. Da diese eine fallende Kennlinie besitzt, muß durch einen Schutzwiderstand R (mindestens etwa 50000 Ohm) dafür gesorgt werden, daß der während des Glimmens auftretende Strom so niedrig bleibt, daß eine Beschädigung der Zelle vermieden wird. Man vermeide überhaupt eine Glimmentladung, da durch sie leicht eine Empfindlichkeitsänderung, ja sogar eine Zerstörung der Photokathode auftritt. Die praktisch anwendbare Saugspannung liegt meist bei etwa 50 bis 80 v. H. der Glimmspannung. Beim Nachweis äußerst schwacher Strahlungsflüsse kann man in Ausnahmefällen bis auf einige Volt an die Glimmspannung herangeben. Es ist zu beachten, daß durch den Photostrom ein Spannungsabfall am Schutzwiderstand hervorgerufen wird, um den sich die an der Zelle herrschende Saugspannung erniedrigt. Wegen der starken Abhängigkeit des Stromes von der Saugspannung sind daher verschieden starke Photoströme bei gleicher Batteriespannung verschiedenen wirksamen Saugspannungen zuzuordnen, wenn der Widerstand R und damit auch der Spannungsabfall an R zu groß ist. Der Photostrom ist dann nicht mehr der Bestrahlungsstärke proportional. Die gasgefüllten Zellen besitzen nicht die gute zeitliche Konstanz der Vakuumzellen, und zwar ändert sich nicht nur die absolute Empfindlichkeit, sondern auch die spektrale Verteilung der Empfindlichkeit. Auch zeigen sich bei diesen Zellen gewisse Trägheits- und Nachwirkungserscheinungen. 105. Fehlerquellen ond Meßgenauigkeit bei Photozellen. Die Empfindlichkeit ist nicht auf der ganzen Oberfläche der Photozelle gleichmäßig, da bei der Herstellung der Zelle die Bedeckung mit dem lichtelektrischen Metall nicht gleichmäßig genug durchgeführt werden kann. Man muß deshalb während einer Meßreihe jede Veränderung der Ausleuchtung der Photozelle vermeiden. Am besten ist es infolgedessen, den lichtelektrischen Belag der Photozelle voll und ganz auszuleu chten, da dann eine etwaige zufällige Verschiebung der Zelle nur wenig in Erscheinung treten wird. Wenn man dagegen — wie dies beim Arbeiten mit Spektralgeräten oft der Fall ist — mit eng begrenztem Lichtbündel arbeitet (Bild des Spaltes auf der Photozelle), so ist eine kritische Prüfung der Methode erforderlich, wenn es sich um die Erreichung der höchst erzielbaren Genauigkeit von etwa 10~4 handelt. Es darf weder, die Spaltbreite — sofern dadurch die Beleuchtung auf der Kathode geändert wird — noch die Stellung der Strahlenquelle verändert werden. Selbst die Einbringung von optischen Flächen in Form von polierten Glasflächen ist bedenklich. Bei technischen Messungen geringerer Genauigkeit kann dagegen öfters von der angegebenen Fehlerquelle abgesehen werden. Die Messungen mit Photozellen setzen meist voraus, daß der auffallende Strahlungsfluß einen proportionalen Photostrom hervorruft. Diese Voraussetzung ist

B. Strahlungsempfänger m i t ihren elektrischen Meßgeräten

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jedoch nicht immer erfüllt, und zwar um so weniger, je größer das Verhältnis der zu messenden Strahlungsflüsse ist und je genauer die Messung durchgeführt werden soll. Bei gasgefüllten Zellen sind Abweichungen von 10—20 v. H. möglich. Größere Abweichungen sind öfters beobachtet worden. Bei Vakuumzellen können einzelne Exemplare bei einem Meßbereich 1:6 innerhalb 0,1 v. H. proportional arbeiten, jedoch können auch hier größere Abweichungen auftreten. Es ist deshalb stets notwendig, sich von dem proportionalen Arbeiten innerhalb der geforderten Meßgenauigkeit durch Ausmessung eines bekannten Filters, am besten eines Graufilters, zu überzeugen [563, 632], Bei Messungen, deren relative Genauigkeit größer als 0,1 v. H. sein soll, ist es deshalb unerläßlich eine solche Meßanordnung zu benutzen, bei der die Bestrahlungsstärke auf der Photozelle für alle Messungen einer Meßreihe konstant gehalten wird (vgl. das Strahlungsschwächungsverfahren 142). Die Frequenzabhängigkeit spielt bei lichtelektrischen Zellen eine Rolle, wenn es sich um Wechsellichtmethoden (Seite 111) handelt, oder wenn mit rotierendem Sektor gearbeitet wird. Bei Frequenzen von 60 Hz und weniger, wie sie bei dem rotierenden Sektor angewendet werden, gilt das Talbotsche Gesetz, das besagt, daß der Photostrom dem zeitlichen Mittelwert der Bestrahlungsstärke entspricht [613, 648]. 106. Messung des Photozellenstromes mit Galvanometer. Zur Messung mit Photozellen verwendet man Galvanometer1) mit hohem inneren Widerstand. Der äußere Grenzwiderstand sollte möglichst groß sein, da der Photozellenkreis einen praktisch unendlich großen Widerstand besitzt. Hat man ein Galvanometer mit zu geringem äußeren Grenzwiderstand, dann muß man einen so kleinen Widerstand parallel zum Galvanometer vorsehen, daß sich das Meßsystem aperiodisch einstellt. Diese Maßnahme hat jedoch eine Einbuße an Empfindlichkeit zur Folge. Beim Arbeiten m i t spektral zerlegtem Licht k a n n m a n u n t e r günstigen Bedingungen m i t einem Galvanometer m i t der S t r o m k o n s t a n t e von 10 - 8 bis 10~' A a u s k o m m e n . U n t e r Stromk o n s t a n t e ist derjenige S t r o m zu verstehen, der bei einem Skalenabstand v o n 1 m einen Ausschlag von 1 m m h e r v o r r u f t . E s gibt Spiegelgalvanometer m i t einer S t r o m k o n s t a n t e bis zu 7 • 10 - 1 1 A je S k t . u n d weniger. Sollte die Galvanometerempfindlichkeit nicht ausreichen, k a n n m a n sie durch ein einfaches b a l l i s t i s c h e s Verfahren erhöhen, sobald d a s Galvanometer eine Schwingungsdauer von einigen Sekunden besitzt-; u n d d a h e r f ü r ballistische Messungen geeignet ist. Die Schaltung ist in Abb. 110 wiedergegeben. An Stelle des Galvanometers wird zunächst ein hochisolierender ungeladener K o n d e n s a t o r G von etwa 1 M i k r o f a r a d in d e n Stromkreis eingeschaltet. D u r c h den P h o t o s t r o m i wird der K o n d e n s a t o r w ä h r e n d der Zeit t (Stellung 1 des Umschalters U) aufgeladen, d a n n mittels des Umschalters U (Stellung 2) über d a s Galvanometer O ballistisch entladen, u n d der erste U m k e h r p u n k t des Lichtzeigers, d. h . der ballistische Ausschlag abgelesen. Der Ausschlag, dividiert d u r c h die Aufladezeit t, ist unmittelAbb. 110. Schaltung zur balb a r ein Maß f ü r den P h o t o s t r o m i. E s gelingt m i t dieser listischen Messung des Photoballistischen Methode bei einer Aufladezeit von 1 Minute zellenstromes. die Empfindlichkeit f a s t zu verzwanzigfachen gegenüber der normalen bei Ausschlagsmessung. Die Schaltung nach A b b . 110 erlaubt einen schnellen Übergang von der ballistischen zur direkten Strommessung durch Übergang auf Stellung (2) des Umschalters. Die Begrenzung der Aufladezeit h a t d u r c h Belichtung u n d Verdunkeln der Zelle zu erfolgen u n d nicht d u r c h Bet ä t i g u n g des Umschalters, weil sonst der Ausschlag nicht von d e m Galvanometernullpunkt, sondern v o n dem, d e m P h o t o s t r o m entsprechenden Ausschlag zu rechnen wäre. An die K o n d e n s a t o r e n ist hinsichtlich der Isolation die F o r d e r u n g zu stellen, d a ß sie innerhalb der in B e t r a c h t k o m m e n d e n Aufladezeit höchstens einige v. H . ihrer L a d u n g verlieren d ü r f e n . Dieser Verlust k a n n m i t einer K o r r e k t u r berücksichtigt werden. W i d e r E r ') Vgl. Tabelle 24 (S. 100).

III. Messung der UV-Strahlung

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warten, findet man selbst unter den gewöhnlichen Blockkondensatoren, wie sie z. B. in Rundfunkgeräten verwendet werden, hinreichend gut isolierende Exemplare. Ein Meßbeispiel mag das Gesagte erläutern. Bei einer ballistischen Konstanten von 1,5 • 10~10 A • sek/mm 1 ) erhält man bei einer Aufladezeit von t = 30 sek einen Ausschlag von 90 mm. Die im Kondensator aufgespeicherte Elektrizitätsmenge Q ist dann Q = 90 • 1,5 '10 - 1 0 A • sek. Durch Division mit der Aufladezeit erhält man die in 1 sek geflossene Elektrizitätsmenge, d. h. die Stromstärke. Der Strom errechnet sich also zu

« - S - Ü ^ S ^ - M - u r » * . Man sieht, daß man zu dieser Rechnung die Kapazität des Kondensators überhaupt nicht zu kennen braucht. Dagegen bedingt die Kapazität die Höhe der Spannung, bis zu der sich der Kondensator auflädt. Je kleiner die Kapazität ist, um so größer wird diese Spannung. D a sie eine Gegenspannung im Photostromkreis darstellt und daher klein bleiben muß, empfiehlt es sich, Kapazitäten von etwa 1 ¡xF zu wählen. In dem obigen Beispiel beträgt dann die Aufladespannung nur 0,014 Volt 2 ).

Bei Messungen tritt oft das Bedürfnis auf, Stromstärken, die sich um mehrere Größenordnungen unterscheiden, mit e i n e m Instrument zu messen. Um trotzdem mit annähernd gleichen Ausschlägen arbeiten zu können, empfiehlt es sich, einen Nebenschlußregler lt. Abb. 111 zu verwenden, der die Empfindlichkeit in Stufen, z . B . v o n 1:3, zu ändern gestattet. Der äußere Widerstand und damit die Dämpfung bleiben dabei konstant. Im allgemeinen läßt sich sagen, daß man bei Verwendung von Photozellen nach Möglichkeit mit einem Abb. 111. Nebenschlußregler Galvanometer arbeiten sollte, das den großen Vorzug zum Regeln der Galvanometer- der geringsten Störanfälligkeit und besten Konstanz empfindlichkeit. aufweist. BeiMessungen mit spektral zerlegter Strahlung~eines Hg-Hochdruckbogens kann man im allgemeinen damit rechnen, mit einem Galvanometer auszukommen. 107. Elektrometeranordnungen. Außer mit dem Galvanometer kann man Photoströme auch mit dem E l e k t r o m e t e r 3 ) oder mit V e r s t ä r k e r a n o r d n u n g e n messen. Diese Verfahren haben den Vorteil, daß man noch kleinere Ströme messen kann, und daß die Einstellzeit meist kleiner als bei einem Spiegelgalvanometer ist, bei dem sie einige Sekunden beträgt. Die am meisten verwendete Schaltung ( H o c h o h m s c h a l t u n g , S c h a l t u n g m i t s t a t i o n ä r e m A u s s c h l a g ) zeigt Abb. 112. In den Stromkreis der Photozelle P ist ein hochohmiger Widerstand B von 1 bis 10000 Megohm eingeschaltet, an dem durch den Photostrom ein diesem proportionaler Spannungsabfall hervorgerufen wird. Diesen mißt man mit dem Einfadenelektrometer E [724], Der wesentlichste Teil des Elektrometers ist ein dünner Platindraht oder platinierter Quarzfaden D von wenigen ¡x Dicke, der in einem zwischen zwei Schneiden 8 gebildeten elektrischen Feld gespannt ist. Der eine Pol der zu messenden Spannung wird mit dem Faden, der andere mit dem Elektrometergehäuse verbunden. Unter dem Einfluß dieser elektrischen Spannung bewegt sich der Faden in Richtung zur entgegengesetzt geladenen Schneide. Der Ausschlag wird mit einem Mikroskop gemessen, das ein Okularmikrometer hat. Die Empfindlichkeit eines Einfadenelektrometers nimmt zu mit steigender Schneidenspannung, mit geringer werdendem Schneidenabstand und mit Verringerung der elastischen Spannung des Fadens. Die Spannungskonstante Diese Konstante besitzt das Supergalvanometer von Siemens u. Halske. ) Die Spannung V errechnet sich aus der Gleichung V = Q • 10 6 /C, wobei die Werte für Q in A • sek und für C in Mikrofarad einzusetzen sind. 8 ) Hersteller: Fa. Prof. Dr. M. Th. Edelmann u. Sohn, München; Günther u. Tegetmeyer Braunschweig; E. Leybolds Nachf., Köln-Bayenthal; C. Zeiss, Jena. a

B. Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

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eines guten Einfadenelektrometers beträgt bis zu 10"2 V/Skt. Um die Stromkonstante der Anordnung zu erhalten, ist die Spannungskonstante durch den Wert des Meßwiderstandes R zu dividieren. Wegen der Bemessung der Größe von R vgl. 112. Ein handliches Elektrometer mit Lichtmarkenablesung ist in [626] beschrieben. Die höchsten im Handel erhältlichen Widerstände haben einen Widerstand von 109 Ohm 1 ), so daß man bei den oben genannten Spannungskonstanten des Elektrometers mit Stromkonstanten von 10"11 bzw. 10~12 A/Skt. rechnen kann. Unter Benützung von Flüssigkeitswiderständen kommt man zu Werten bis 1010 Ohm und mehr. Bevor m a n einen Widerstand bei elektrometrischen Messungen verwendet, ist es unbedingt erforderlich, sich von seiner Eignung zu überzeugen. Der Widerstand darf weder

JSch

1MS 50 -mV

50 200V

Abb. 112. Elektrometerschaltung für die Methode der Messung mit stationärem Ausschlag.

Abb. 112a. Kompensationsschaltung zur Verwendung bei einer Schaltung nach Abb. 112.

bei den in Frage kommenden Belastungen seinen Widerstandswert ändern, noch darf er zeitliche Änderungen zeigen. Außerdem darf er keinen merklichen Temperaturkoeffizienten haben und beim Anlegen der Spannung keine Polarisation zeigen. Zum Prüfen des Elektrometernullpunktes kann der Faden mit dem Erdungsschalter Sch geerdet werden [500, 513, 574], Beim Arbeiten mit dem Elektrometer sind noch zwei andere Methoden gebräuchlich. Man spricht von E n t l a d e - und A u f l a d e s c h a l t u n g , je nachdem ob das Elektrometer entladen oder aufgeladen wird. Beide Verfahren haben den Vorteil, daß bei ihnen ein zeitlicher Mittelwert des Photostromes gemessen wird, SQ daß kurzzeitige Schwankungen des Strahlungsflusses wenig stören. Aus der Vielzähl der möglichen Schaltungen greifen wir die beiden am häufigsten verwendeten heraus. Bei der E n t l a d e s c h a l t u n g , für die in Abb. 113 eine gebräuchliche Schaltung angegeben ist, wird ein Kondensator G zu Beginn der Messung auf eine Spannung V 1 aufgeladen, z. B. durch kurzzeitiges Anlegen der Spannungsquelle N mittels des Schalters Sch. Die Spannung V wird mit dem Elektrometer Z gemessen. Da die Elektrometerspannung gleich der Saugspannung an der Photozelle ist und daher zwischen 50 und 200 V hegen wird, braucht man ein verhältnismäßig unempfindliches Abb. 113. Schaltung des Elektrometers für Messung des Photozellenstromes nach der Entlademethode.

*) Hersteller: Siemens u. Halske, Berlin; C. Zeiss, Jena.

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III; Messung der UV-Strahlung

Elektrometer. Meist verwendet man ein Zweifadenelektrometer, oder aber das Einfadenelektrometer in einer Schaltung, bei der die eine Schneide mit dem Faden verbunden ist. Unter dem Einfluß der Bestrahlung der Photozelle wird der Kondensator über die Photozelle allmählich entladen, so daß sich nach der Bestrahlungszeit t die Spannung am Elektrometer auf V2 erniedrigt hat. Maßgeblich für die Entladegeschwindigkeit ist außer der Größe des Photostromes diejenige des Kondensators C. Der Strom errechnet sich aus der Gleichung v V2 (8) i = C 1 Z unmittelbar in Ampere, wenn die Kapazität C in Farad und die Spannungen in Volt und die Zeit t in Sekunden eingesetzt werden. Die Gleichung setzt voraus, daß innerhalb des Spannungsbereiches V1 bis V2 der Photostrom konstant ist, wie es nur bei Vakuumzellen im Sättigungsgebiet der Fall ist. Durch Wahl der Kapazität hat man es in der Hand, die Empfindlichkeit in weiten Grenzen zu verändern. Je kleiner die Kapazität, um so höher ist die Empfindlichkeit. Die kleinste erreichbare Kapazität ergibt sich aus Eigenkapazität von Photozelle, Zuleitungen und Elektrometer, für die man mindestens mit etwa 10"11 Farad rechnen muß. Folgendes Beispiel kennzeichnet die mit der Entlademethode erzielbare Stromempfindlichkeit: Für V1 — V2 = 20 V, G = 10"11 F und t = 100 sek errechnet sich aus Gleichung (8) i = 2 • 10-!2 A. Bei edelgasgefüllten Photozellen ändert sich der Photostrom während des Entladungsvorganges, weil er von der Saugspannung V abhängt. Infolgedessen gilt die obige Gleichung nicht. Da die Verhältnisse unübersichtlich sind, begnügt man sich damit, diejenige Zeit zu ermitteln, in der die Spannung von einem Anfangswert Vx auf einen Endwert V2 absinkt, wobei diese Werte völlig willkürlich (V1 — V2 etwa 10 bis 50 V) gewählt werden können, aber für alle Ablesungen einer Versuchsreihe übereinstimmen müssen. Als Maß für den Strom nimmt man den reziproken Wert der Entladezeit. Bei unzureichender Isolation beobachtet man bei verdunkelter Zelle eine spont a n e Entladung des Elektrometers. Ist diese nicht zu groß, kann man sie als Korrektur in der Weise berücksichtigen, daß man von dem bei Bestrahlung gemessenen Strom den bei^verdunkelter Zelle gemessenen abzieht. Die Entladeschaltung wird oft in der Meteorologie nach einem Vorschlag von D o m o in Verbindung mit einer Kadmiumzelle verwendet. Die zum Teil noch übliche Angabe des Stromes in V/sek ist, weil die Größe der Kapazität meist nicht genannt ist, kein sinnvolles Maß und sollte daher nicht benützt werden. Beider A u f l a d e s c h a l t u n g , für die in Abb. 114 eine typische Schaltung gebracht ist, wird das Elektrometer durch die Batterie N über die Photozelle aufgeladen, nachdem zu Beginn der Messung die Ertrometers zur Messung von dung aufgehoben ist. Die Aufladeschaltung ähnelt Photoströmen nach der* Aufweitgehend der nach Abb. 112 mit dem Unterschied, lademethode. daß der Widerstand R unendlich groß ist. Die Aufladegeschwindigkeit des Elektrometers ist dem Photostrom proportional, der aus Gl. (8) berechnet wird, wobei F x = 0 ist. Da man bei der Spannungsmessung von Null ausgeht, kann man die wesentlich empfindlicheren Einfadenelektrometer ver-

B. Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

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wenden. Bei der gewählten Schaltung bedingt dies eine höhere Stromempfindlichkeit als bei der Entladeschaltung nach Abb. 113. Bei einem Endausschlag des Elektrometers von 1 V kann man daher Ströme von 10 -13 A bei einer Aufladezeit von 100 sek gut messen, wenn man, wie bei dem vorherigen Beispiel, eine Kapazität von 10 - 1 1 F annimmt. Die Aufladeschaltung, sowie die Hochohmschaltung sind nicht nur bei Vakuum-, sondern auch bei gasgefüllten Zellen anwendbar, da sich die Saugspannung an der Photozelle während der Messung praktisch nicht ändert. Beim Arbeiten mit einem Elektrometer, besonders bei höchster Empfindlichkeit muß man damit rechnen, daß keine genaue Proportionalität zwischen Elektrometerspannung und Ausschlag vorhanden ist. Außerdem tritt oft eine Inkonstanz der Empfindlichkeit und eine Wanderung des Nullpunktes auf. Diese Nachteile können sich bei allen beschriebenen Methoden, insbesondere beim Einfadenelektrometer, zeigen. Man vermeidet diese Nachteile durch K o m p e n s a t i o n des Elektrometerausschlages, so daß das Elektrometer nur als Nullinstrument arbeitet. Das Kompensationsverfahren, das bei allen Elektrometermethoden anwendbar ist, sei im folgenden für die Hochohmmethode beschrieben. Bei der in Abb. 112 dargestellten Schaltung wird durch den Photostrom eine Spannung am Widerstand R hervorgerufen, die einen Ausschlag des Elektrometers bewirkt. Um diesen zu kompensieren, wird nach Abb. 112a in die Verbindungsleitung zwischen Widerstand R und Erde ein Potentiometer Po eingeschaltet, das eine Spannung umgekehrter Polung wie die durch den Photostrom an R erzeugte hervorruft. Man ändert nun die Potentiometerspannung solange, bis das Elektrometer die Spannung Null anzeigt. Dann ist die am Voltmeter V abgelesene Spannung gleich derjenigen am Widerstand R. Für das Voltmeter kann jedes genaue Drehspulvoltmeter verwendet werden. Kompensation bei der Auflademethöde siehe [402, 560, 671]. 108. Verstärkerröhren und ihre Anwendung. [657] Die Elektrometer bedürfen stets einer sorgsamen Behandlung. Man ist daher vielfach dazu übergegangen, diese durch V e r s t ä r k e r r ö h r e n zu ersetzen. Bei einer Elektronenröhre mit Steuergitter hängt der Anodenstrom von der Gitterspannung ab. E s ist daher grundsätzlich möglich, kleine Ströme, entsprechend der Schaltung mit Elektrometer (vgl. Abb. 112), dadurch zu messen, daß man in dem Photozellenkreis (nach Abb. 115) einen hochohmigen Widerstand RA anordnet. Der an ihm auftretende Spannungsabfall wird dem Steuergitter SO einer Verstärkerröhre zugeführt. Eine Änderung der Gitterspannung führt im Arbeitsbereich zu einer proportionalen Änderung des Anodenstroms, wie dies z. B . aus Abb. 116 ersichtlich ist. Die für das Arbeiten als Verstärker kennzeichnende Größe ist die Steilheit, die in der Abb. 116 die Neigung der Kennlinie bestimmt und die errechnet wird als

worin die bei einer Änderung der Steuergitterspannung um AVg auftretende Änderung des Anodenstromes ist. Die Größe der Verstärkung einer einzelnen Verstärkerröhre ergibt sich als Produkt von Steilheit und Gitterwiderstand RG. Man sucht deshalb mit beiden Größen möglichst hoch zu gehen. Dies führt jedoch zu in sich widersprechenden Forderungen. Der Gitterwiderstand RQ muß wesentlich kleiner sein als der Isolationswiderstand des Steuergitters gegenüber der Kathode. Diesen kann man durch Sonderausführungen bei den sogenannten E l e k t r o m e t e r r ö h r e n (Abb. 117) (siehe Tafel 6 vor Seite 97) genügend hoch steigern. Bei diesen ist z. B. das Steuergitter nicht im Sockel herausgeführt, sondern getrennt. Man beobachtet aber, daß selbst bei Beachtung dieser Vorsichtsmaßnahmen ein meßbarer Gitterstrom auftritt, der

110

III. Messung der UV-Strahlung

einen störenden Nebenschluß zu dem Gitterwiderstand R 0 bildet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die positiven Ionen vom negativen Gitter angezogen werden. Man kann diesen Ionenstrom dadurch unschädlich machen, daß man mit niedrigen Anodenspannungen (von etwa 6 V) arbeitet, die unterhalb der Ionisierungs- und Anregungsspannung der in der Röhre vorhandenen Restgase liegen. Der Gitterstrom bei der Elektrometerröhre T 114 ist auf diese Weise auf etwa 10-14 A erniedrigt worden. Damit ist es möglich-geworden, mit dieser Verstärkerröhre Ströme bis 10-13 A zu messen. Die angegebenen Maßnahmen zur Verringerung des Gitterstromes bedingen aber andererseits eine geringe Steilheit. Selbst bei Anwendung eines Raumladungsgitters RL ist die Steilheit einer Elektrometerröhre mit 55 fiAfV wesentlich kleiner als die einer gewöhnlichen Rundfunkröhre [402, 403, 454, 471,517, 539,551, 612, 622,681,722],

mA

OM 03

! Abb. 116. Messung von Photozellen strömen mit Hilfe von Verstärkerröhren. Gestrichelt gezeichnet ist ein Hilfsstromkreis zur Kompensation des Anodenruhestromes.

•t

•e 1 V Gitterspannung Vç

Abb. 116. Abhängigkeit des Anodenstromes von der Gittervorspannung V0 für die Elektrometerröhre T 114.

Um einen Überblick über die praktisch erreichbaren Verstärkungsfaktoren zu geben, sind in Tabelle 25 einige Beispiele angeführt. Man sieht, daß bei einem zu messenden Strom von 10-12 A und bei einem Gitterwiderstand von 1010 Ohm eine Gitterspannungsänderung von 10-2 (Spalte 2) zu erwarten ist, welche eine Änderung des Anodenstromes von 0,55 fiA bei einem Anodenruhestrom von 80 ¡xk hervorruft. Die Verstärkung beträgt demnach 550000. Der Anodenruhestrom ist 150 mal so groß wie die Änderung des Anodenstromes. Um eine derartig geringe Änderung überhaupt messen zu können, benützt man einMeßinstrument so hoher Empfindlichkeit, daß dessen Endausschlag etwa der Größe der zu messenden Änderung entspricht. Dafür kommt etwa ein tragbares Galvanometer mit einem Endausschlag von 1 fiA in Betracht. Der Anodenruhestrom muß dann durch eine Kompensationsschaltung vom Ableseinstrument ferngehalten werden (s. Abb. 115). Die Durchführung der Messung setzt ferner voraus, daß der Anodenruhestrom eine Konstanz von über 1 zu 15000 aufweist, wenn der zu messende Strom auf 1 v. H. genau bestimmt werden soll. Dies erreicht man nur durch sorgfältigste Konstanthaltung aller Spannungen, vor allem aber der Heizspannung der Kathode. E s ist hierbei zu beachten, daß die Heizakkumulatoren einen nicht zu vernachlässigenden Temperaturkoeffizienten haben. Es sind viele Kunstschaltungen angegeben worden, im wesentlichen Brückenschaltungen unter Benützung einer zweiten identischen Elektrometerröhre, in denen

111

B . Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

man einen Teil der unvermeidlichen Schwankungen selbsttätig kompensiert. Auf diese Weise läßt sich bei einem Verstärkungsfaktor von 10® eine Stromkonstante von 2 • 10-16 A/mm erreichen, wobei die durch äußere Einflüsse bewirkte Unruhe nur ± 0,5 mm, entsprechend 10"18 A, beträgt [459], Eine ausführliche Behandlung von verschiedenen Schaltungen ist in [611] und [459] zu finden. Wesentlich einfacher wird die Handhabung der Röhre, wenn man nicht anstrebt, die Empfindlichkeit von Elektrometern zu erreichen bzw. die von Spiegelgalvanometern zu übertreffen, sondern wenn man sie lediglich benützt, um statt der ortsgebundenen Spiegelgalvanometer robustere Zeigergalvanometer verwenden zu können. Von dieser Anwendung der Elektrometerröhre wird gern Gebrauch gemacht. Daher ist in Tabelle 25 Spalte 5 auch ein derartiges Beispiel angegeben. Man sieht, daß man einen Strom von 10-9 A sehr gut mit einem Zeigergalvanometer (Endausschlag rd. 6 • 10-5 A ) messen kann. Die Anforderungen an die Konstanz des Anodenruhestromes sind hierbei wesentlich geringer und daher mit einem geringeren experimentellen Aufwand zu verwirklichen [201], T a b e l l e 25 Verstärkung mit E l e k t r o m e t e r r ö h r e n ( A E G - R ö h r e T 114) Steilheit 65 jxA/V. Anodenruhestrom 80 [iA, Gitterstrom 10 -14 A Meßstrom in A

Gitterwiderstand in Ohm Gitterspannungsänderung, hervorgerufen durch Meßstrom in Volt . Anodenstromänderung in ¡jA Verstärkung Anodenruhestrom Anodenstromänderung Erforderliche Konstanz des Anodenruhestromes, wenn die Anodenstromänderung auf rd. 1 v. H . genau bestimmt werden soll

10

1 0 -io

-IA

1.

2.

3.

10»

1010

10-3

io-2

0,05

0,55

55000

550000

1500

150

1:10 6

1:10 4

io-»

4.

5.

1011

10»

10»

io-1

IO-1

1

5,5

5,5

55

5500000

55000

55000

15

1:10 3

15

1:103

1,5

1:10 2

Auch unter Verwendung normaler Rundfunkröhren gelingt es, wenn man mehrere Verstärkerstufen hintereinanderschaltet, die gleichen Verstärkungen wie bei dem zuletzt beschriebenen Beispiel zu erreichen. In Abb. 118 ist eine bewährte Schaltung eines dreistufigen Verstärkers wiedergegeben, aus der die Daten der Schaltelemente zu entnehmen sind. Neben diesen Gleichstromverstärkern gibt es noch die technisch einfacher zu beherrschenden Wechselstromverstärker, bei denen man den Vorteil hat, daß man nicht die hohe Konstanz des Anodenruhestromes benötigt. Wegen der Verwendung solcher Verstärker zum Verstärken von Photoströmen in Tonfilmanlagen sind sie weitgehend technisch durchentwickelt. Ihre Anwendung zu Meßzwecken setzt ¡voraus, daß der die Zelle treffende Lichtstrom entweder von sich aus intermittierenden Charakter hat, wie bei den wechselstrombetriebenen Entladungsröhren, oder daß Idas Licht durch eine rotierende Lochscheibe in ein Wechsellicht umgewandelt wird.

III. Messung der UV-Strahlung

112

Die Bedeutung des Wechselstromverstärkers wird dadurch eingeschränkt, daß man mit dem gleichen Gerät entweder nur bei Wechselstromentladungsröhren, oder nur bei Gleichstromentladungsröhren messen kann, da man die ersteren ohne Lochscheibe messen muß, während bei den letzteren die Lochscheibe erforderlich ist. Eine besondere Ausgestaltung .einer Verstärkerschaltung hegt dem Mekapion 1 ) zugrunde, das im Prinzip ein Lichtsummenzähler ist. Der vom Lichtstrom bewirkte Photostrom wird in Stromstöße umgewandelt, deren Zahl in der Zeiteinheit dem Lichtstrom unmittelbar proportional ist. Die Zahl der Stromstöße wird mit einem Zählwerk oder durch Abzählen ermittelt [678, 679, 689]. Neuerdings wird die Sekundärelektronenvervielfachung für Meßzwecke herangezogen. Bei dieser erzeugen die an der Photokathode ausgelösten Photoelektronen beim Auftreffen auf eine Metallplatte Sekundärelektronen. Durch eine geeignete Kaskadenanordnung läßt ^.vif on.wi 1/ Oh.nnu . 1 _ ° _ sich eine starke Stromverstärkung rWH» r l i - H r * erreichen, die gegenüber derjenigen durch eine Gasfüflung (vgl. 104) den Hi i Rt C Vorteil des trägheitsfreien Arbeitens aufweist [414]. © i f f W ' " © P K *4 tuet e§ tj, >5f

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Abb. 118. Verstärkung des photoelektrischen Stromes durch dreistufigen W i d e r s t a n d s v e r s t ä r k e r . Zellenkreis und Verstärker einschließlich Batterien sind metallisch abgeschirmt. Ph—Z Photozelle, W Widerstand, bestehend aus 1, 5 und 10 Megohmeinheiten (Dralowid),' durch Abgreifen zwischen 1 und ungefähr 125 Megohm variierbar. P 1 und P % Potentiometer zur Einstellung der Gittervorspannung, mA Milliamperemeter (Empfindlichkeit: 4,5 mA bei vollem Ausschlag). Nach K r e f f t und P i r a n i [201].

1

I Abb. 119. Prinzipschaltung eines L i c h t z ä h l e r s . LZ Zählrohr mit Fenster F, R Hochohmwiderstand, E Elektrometer, G Kondensator, V Verstärker, Z Zählwerk, N Hochspannungsbatterie. Nach R a j e w s k y [635].

109. Lichtzähler. [427, 464a, 455, 461, 467, 525, 617, 618, 634, 635, 636, 639, 642, 649]. Bei einer Reihe von biologischen oder physikalischen Problemen ist es wichtig, kleinste Strahlungsflüsse zu messen, die der Messung mit Photozelle nicht zugänglich sind. Man arbeitet dann mit dem Lichtzähler. Dieser ist ein Zylinderkondensator LZ, der aus einer lichtelektrischen Metallschicht auf der Innenwand eines Metallzylinders und einem in dessen Achse ausgespannten hooh isolierten dünnen Metalldraht besteht. Als lichtelektrische Schicht werden Zink, Messing, Kadmium oder Graphit verwendet. In dem Metallzylinder ist ein Fenster F für den Strahleneintritt vorhanden. Der Vakuumdicht abgeschlossene Lichtzähler besitzt eine Argonfüllung (etwa 100 Torr) mit Zusatz von Alkoholdampf (etwa 10 Torr), Bewährt hat sich vor allem auch eine Füllung von Methylal CH2(OCH3)2 [617,618]. An den Lichtzähler wird über einen Hochohmwiderstand R eine Gleichspannung von 1000 bis 2000 Volt angelegt (vgl. Abb. 119), die so bemessen wird, daß sich gerade eben noch keine selbständige Glimmentladung ausbildet. Wird nun an der licht!) Hersteller: Ing. B. Pichler & Co., Wien VII.

B. Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

113

elektrischen Schicht durch die Strahlung ein Elektron ausgelöst, so bildet sich eine Entladung aus. Durch den Widerstand R wird in Verbindung mit dem Alkoholzusatz bewirkt, daß die Entladung bereits in Bruchteilen einer Sekunde wieder erlischt, so daß also bei Bestrahlung des Lichtzählers jeweils nur einzelne Stromstöße auftreten. Ihre Anzahl in der Zeiteinheit ist der Bestrahlungsstärke proportional. Da nicht jedes auftreffende Lichtquant an der lichtelektrischen Schicht ein Elektron auslöst und auch nicht jedes ausgelöste Elektron eine Entladung einleitet, besteht nur eine statistische Beziehung zwischen Anzahl der auftreffenden Lichtquanten und der Zahl der Stromstöße. Die Ermittlung der Stromstöße erfolgt mit einem Elekrometer, meist aber mit einem Zählwerk, das über einen Verstärker angeschlossen wird. Der Verstärker hegt parallel zum Hochohmwiderstand R. Wegen der statistischen Natur der Stromstöße muß vor allem bei kleinen Strahlungsflüssen über ausreichend lange Zeit gemittelt werden. Die Genauigkeit der Messung mit dem Zählrohr hängt von der Zahl N der gemessenen Stromstöße ab. Die mittlere Genauigkeit der Messung des Strahlungsflusses ist dann 1/j/iV. Um also eine Genauigkeit von 5 bzw. 2 v. H. zu erreichen, muß man mindestens 400 bzw. 2500 Stöße zählen. Im Hinblick auf den Verstärker wird man den Widerstand R möglichst groß wählen; jedoch bedingt ein zu großer Widerstand eine Zeitkonstante, die zu einer geringen Auflösung der einzelnen Stöße führt. Eine Schaltung mit einer großen Auflösung ist in [503a] beschrieben. Ein anderes Verfahren besteht darin, statt die Impulse zu zählen, sie in einer Thyratronschaltung so zu verstärken, daß jeder Impuls einer bestimmten Elektrizitätsmenge im Anodenkreis entspricht. Man kann dann den zeitlichen Mittelwert dieses aus einzelnen Impulsen bestehenden Stromes mit einem Galvanometer hinreichend großer Schwingungsdauer messen. Dieser ist proportional der Zahl der Impulse [702a], Der Lichtzähler stellt das empfindlichste Strahlungsmeßgerät überhaupt dar, mit dem man mit einer Meßgenauigkeit von 3 bis 5 v. H. und einer Meßzeit von 10 bis 12 Min. eine Bestrahlungsstärke von 9 • 10~18 Watt/cm 2 nachweisen kann, obgleich die Quantenausbeute bei Lichtzählern nur 1 f m bis 1/10 derjenigen einer Photozelle ist. Der Lichtzähler spricht außer auf die zu messende optische Strahlung auch auf die stets vorhandene kosmische Strahlung und die radioaktive Strahlung der Erde an, so daß auch bei verdunkeltem Lichtzähler Stromstöße auftreten, deren Zahl von der Stoßzahl im Hauptversuch abgezogen werden muß. Durch eine geeignete Eisenpanzerung des Lichtzählers läßt sich dieser Dunkeleffekt stark herabdrücken. 1 110. Photoelement. Für spektrale Messungen Wm-^" ifTTffl mmmmmdwmmMtä weniger gebräuchlich, jedoch bei den später zu besprechenden Meßverfahren (siehe 176) sehr wichtig ist das P h o t o e l e m e n t , auch S p e r r s c h i c h t z e l l e 1 ) genannt [579]. Der Aufbau und die Schaltung eines Photoelements sind in Abb. 120 schematisch dargestellt. Das Photoelement besteht aus einem scheiben- Abb. 120. Schnitt }durch ein förmigen Metallträger m (Eisen, Kupfer), einer auf- P h o t o e l e m e n t . m metalligeschmolzenen oder aufgewachsenen Halbleiterschicht sche Grundplatte, h Halbleiterg Gegenelektrode, die h (Selen, Kupferoxydul) und einer dünnen lichtdurch- schicht, als dünne, durchsichtige Schicht lässigen metallischen Gegenelektrode g (Silber, Gold, über h ausgebreitet ist, O GalPlatin). Zum Schutz ist darüber noch eine Lackvanometer. x ) Hersteller: Süddeutsche Apparate-Fabrik, Nürnberg 2; Electrocell-Gesellschaft Berlin-Steglitz; Fa. Dr. B. Lange, Berlin-Zehlendorf.

8

Ultraviolette Strahlen

114

III. Messung der UV-Strahlung

Schicht aufgetragen. Die größte Bedeutung besitzen Selen-Photoelemente, da die Kupferoxydul-Photoelemente nur für rote und ultrarote Strahlung empfindlich sind. Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung eines Selen-Photoelementes ist in Abb. 121 wiedergegeben. Man sieht, daß zwar das Maximum der Empfindlichkeit im Sichtbaren liegt, daß sie aber weit in das UV hineinreicht. Die Photoelemente benötigen keine Saugspannungen, da sie eine selbständige PhotoEMK liefern. Zwischen der Photo-EMK und der auftreffenden Bestrahlungsstärke besteht kein linearer Zusammenhang, wie aus Abb. 122 ersichtlich ist, wohl aber zwischen Bestrahlungsstärke und Kurzschlußstrom in einem weiten Bereich. Den Kurzschlußstrom mißt man dann, wenn der Instrumentwiderstand klein ist gegenüber dem inneren Widerstand1) des Photoelementes. Der innere Widerstand wird aber größer mit abnehmender Bestrahlungstärke, so daß man dann mit verhältnismäßig hohen Galvanometerwiderständen (u. U. bis zu 1000 Ohm und mehr) arbeiten kann. Se Photoekment TypeSSOMuKp

i

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Wellenlänge In A —

7000

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Abb. 121. Spektrale Empfindlichkeit eines Photoelementes in absolutem Maße. Nach R o ß l e r [645].

r

ap

qo

op lumen

Abb. 122. Charakteristik eines Photoelementes. Nach L a n g e [579]. ¿0 Kurzschlußstrom, ex PhotoEMK, R innerer Widerstand.

Man hat allerdings kürzlich festgestellt [421], daß einerseits bei der Messung des Kurzschlußstromes die Empfindlichkeit mit abnehmender Bestrahlungsstärke auf dem Photoelement abnimmt, daß man aber andererseits ein proportionales Arbeiten für ein beschränktes Intervall erreichen kann, wenn man einen besonders bemessenen Widerstand in den Photostromkreis einschaltet. Im sichtbaren Gebiet hat es sich herausgestellt [466], daß die Verteilung der Empfindlichkeit von der auffallenden Belichtung abhängt. Dies bedeutet, daß die spektrale Empfindlichkeitskurve nach Abb. 121 für ein und dasselbe Photoelement ganz verschieden ausfällt, je nachdem ob man bei großer oder kleiner Bestrahlungsstärke auf dem Photoelement mißt. Diese Erscheinung ist auf dem UVGebiet noch nicht bestätigt, sicherlich aber auch dort vorhanden. Wichtig ist der relativ große Temperaturkoeffizient des Photoelementes, der bei einem äußeren Widerstand größer als 1000 Ohm 0,8 bis 1,5 v. H. je 1° C beträgt, bei einem kleinen äußeren Widerstand 0,08 bis 0,1 v. H. je 1° 0. Bei Photoelementen ist schon bei sehr niedrigen Frequenzen (50 Hz) eine merkliche Frequenzabhängigkeit vorhanden, die verschieden groß ist und außerdem von äußeren Bedingungen (Größe der beleuchteten Fläche, äußerer Widerstand) abhängt [499, 592]. *) Darunter versteht man den Quotient Leerlaufspannung: Kurzschlußstrom.

B. Strahlungsempfänger mit ihren elektrischen Meßgeräten

116

Man kann damit rechnen, daß die Stromausbeute eines Selen-Photoelementes etwa mindestens 20mal so groß ist wie die einer Alkaliphotozelle. Man kann daher in vielen Fällen mit einem Zeigergalvanometer messen. Jedoch treten bei sehr kleinen Bestrahlungsstärken (Photoströme unter 10 -8 A) prinzipielle Fehler auf [510], Die schon bei mittleren Bestrahlungsstärken vorhandenen Ermüdungs- und Erholungserscheinungen machen sich dann besonders stark bemerkbar. Dazu kommen Proportionalitätsabweichungen. [474, 507] Für UV-Messungen sind nicht alle Photoelemente gleichmäßig geeignet. Die erwähnten Empfindlichkeitsschwankungen treten bei manchen Zellen stärker auf als bei anderen. Dies gilt sogar für Zellen des gleichen Typs, so daß man u. U. gezwungen ist, eine brauchbare Zelle aus einer größeren Zahl herauszusuchen. Ein konstantes Verhalten erreicht man, indem man die Lackschicht entfernt und die Zelle in ein Quarzrohr einbaut und dieses evakuiert. Zellen mit aufgekitteten Quarz fenstern an Stelle einer Lackschicht sind im Handel1) erhältlich und haben sich für Messungen im UV gut bewährt [703]. 111. Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit von Strahlungsempfängern (Cosinus Gesetz). [534] Fällt auf einen Strahlungsempfänger Strahlung aus behebigen Auffallrichtungen auf, dann wird die Strahlung nur dann richtig gemessen, wenn jeder Teillichtstrom entsprechend dem Cosinus des zwischen Flächennormale und Einfallsrichtung gebildeten Winkels bewertet wird. Für die geschwärzten Auffangscheiben von Thermoelementen bzw. Thermosäulen trifft dies zu, sofern nicht durch dem Thermoelement vorgeschaltete Blenden eine Begrenzung auf einen bestimmten Raumwinkel eintritt. Auch bei Photozelien ist diese Bedingung im allgemeinen bis zu ziemlich großen Winkeln von etwa 70° einigermaßen befriedigend erfüllt. Dagegen sind bei Photoelementen, namentlich wenn diesen zur Abgrenzung enger Spektralbereiche Filtersätze von zum Teil erheblicher Dicke vorgeschaltet sind, beträchtliche Abweichungen vorhanden. Bei der Verwendung von Photoelementen im sichtbaren Gebiet kann man sich durch die verschiedensten Maßnahmen, z. B. auch durch Vorschaltung von gewölbten Trübglasschirmen helfen. Dieses Mittel versagt jedoch im ultravioletten Spektralgebiet, da getrübte, UV-durchlässige Medien, z. B. Mattquarz, eine starke wellenlängenabhängige Durchlässigkeit aufweisen. Bewährt hat sich jedoch die Vorschaltung einer kleinen Ulbricht'schen Kugel mit geeignet angebrachtem Schatter [581, 582], durch die eine cosinusgetreue Messung über dem gesamten Winkelbereich bewirkt wird Die Abb. 123 zeigt in Kurve a die Winkelabhängigkeit des aus Filterkombination und Photoelement bestehenden, unkorrigierten Meßgerätes. Die einzelnen Meßpunkte bei Kurve b sind mit dem gleichen Meßgerät aber unter Vorschaltung einer kleinen Ulbricht'schen Kugel gewonnen, während die Kurve b selbst die theoretisch zu erwartende Winkelabhängigkeit eines cos

5 s

\ \ \

\0 - - - -

310

360

380

WO

HO m/l

Abb 128. Spektrale Empfindlichkeit der Agfa-UV-Platte und der Autolithplatte für verschiedene Schwärzungsgrade. Nach K ö n i g [659].

Der Vorteil der Agfa-UV-Platte 1 ) zeigt sich, wie aus der letztgenannten Abbildung ersichtlich ist, erst bei Wellenlängen unterhalb 250 m//, da sie eine auf das kurzwellige He Agfa -Seh tmonn- k UV ansprechende Sensibilisierung besitzt. / Andere photographische Schichten (normale \ Agfo-UV-PloHe^ Platten und auch Sonderplatten für tech/ nische Zwecke—wie die oben erwähnte Auto" A g f a - U V - P k i t f e . a^ohne be, lithplatte —) sind zweckmäßig unterhalb von / Sens ibriisieruni y 250 mfi durch Einreiben mit Vaseline oder Maschinenöl, die beide stark fluoreszieren, zu sensibilieren, wobei jedoch diese Stoffe vor dem Entwickeln durch Lösungsmittel entAbb. 129. Abhängigkeit der Gradation fernt werden müssen. Die besten Ergebnisse Y von der Wellenlänge für verschiedene erhält man durch Sensibilisierung mit einer Photoplatten. Nach A r e n s [406], öprozentigen alkoholischen Lösung von salizylsaurem Natrium, wodurch sich eine Empfindlichkeit im Gebiet von 70 bis 300 m¡i ergibt [405, 553, 608]. Bei der UV-Spektralplatte läßt sich die Sensibilisierung nach einem kurzen Wässern abwischen [406]. Im sog. S c h u m a n n - U V , also im UV zwischen 95 und 180 m/x verwendet man eine gelatinearme Schicht, da in diesem Bereich bereits die Absorption in der Gelatineschicht so groß ist, daß die Strahlung nicht an die Bromsilberkörner herankommt. p

*

J

) H e r s t e l l e r : Agfa, Berlin SO 36.

C. Allgemeines über Arbeiten, mit Spektralapparaten

123

C. Allgemeines über Arbeiten mit Spektralapparaten 114. Aufstellung und Justierung der Spektralapparate. Die neuzeitlichen Spektralapparate werden meist von den Herstellern in derart vorzüglicher Beschaffenheit geliefert, daß man auf Grund der mitgelieferten Gebrauchsanweisung die Aufund Einstellung vornehmen kann. Der Einstellung zugänglich sind im allgemeinen die Spalte, die Linsen und das Prisma. Der Spalt, dessen Öffnung an einem Mikrometertrieb auf 0,01 mm genau abgelesen werden kann, muß sich beim Zudrehen genau schließen, muß also parallele Schneiden haben. Etwa vorhandene Staubteilchen lassen sich am besten entfernen, indem man vorsichtig mit einem Hölzchen oder Holundermark an dem Spalt entlangfährt. Staub verursacht bei geringen Spaltbreiten helle Lichtstreifen senkrecht zu den Spektrallinien, die mit gleicher Schärfe das ganze Spektrum durchziehen. Die Reinigung des Spaltes darf nur sehr vorsichtig vorgenommen werden. Staubfasern entfernt man mit einem feinen Haarpinsel. Andere Verunreinigungen mit einem Streifen von weichem nicht fasernden Papier von einigen mm Breite. Dieser wird bei geöffnetem Spalt zwischen die Spaltbacken gebracht. Nun schließt man den Spalt und schiebt den Papierstreifen vorsichtig genau in Richtung der Spaltbacken, ja nicht senkrecht dazu, und läßt den Papierstreifen los. Öffnet man den Spalt, so fällt der Streifen von selbst heraus. Der Spalt muß im Brennpunkt des ihm zugeordneten Objektivs stehen. Da der Brennpunkt nur bei Achromaten für alle Wellenlängen an der gleichen Stelle ist, muß man bei Monochromatoren und bei nicht chromatisch korrigierten Linsen diese von Hand nach einer Skala einstellen. Bei manchen Geräten geschieht diese Einstellung selbsttätig zusammen mit der Wellenlängeneinstellung. Die letztere erfolgt entweder durch Verschieben eines Spaltes oder durch Drehen des oder der Prismen, wiederum mit Hilfe eines Mikrometertriebes. In jedem Fall ist es unbedingt nötig, durch Ausmessen eines bekannten Linienspektrums, z. B. des Hg-Spektrums, zu prüfen, ob die Wellenlängenteilung stimmt, und ob nicht eine Korrektur anzubringen ist. Die gleiche Prüfung hat bei Spektrographen in bezug auf die Wellenlängenskala zu erfolgen, die auf die Platte aufkopiert werden kann. Diese Skala ist nicht für exakte Bestimmung von Wellenlängen vorgesehen. Diese kann vielmehr nur durch Aufdrucken eines sehr linienreichen Spektrums, etwa des Eisens, erfolgen [601], Bei Spektrographen ist weiterhin darauf zu achten, daß die photographische Platte in dem richtigen Winkel zur optischen Achse geneigt ist, so daß im gesamten Spektralbereich alle Linien gleichmäßig scharf abgebildet werden. Eine Probeaufnahme zeigt die richtige Justierung [560]. Die Beseitigung fehlerhafter Justierung, sofern sie nicht durch einfache Verstellung der Linsen und Prismen an Hand der Anleitung vorgenommen werden kann, sollte nur von erfahrenen Fachkräften durchgeführt werden. In solchen Fällen ist es stets ratsam, den Apparat an den Hersteller einzusenden. Überhaupt muß davor gewarnt werden, eigenmächtige Änderungen vorzunehmen. 115. Einstellung des Spaltes [646], In der Ebene des Austrittsspaltes eines Monochromators werden monochromatische Bilder des Eintrittsspaltes erzeugt. Bei einem Linienspektrum erhält man so viel Bilder wie Wellenlängen im Spektrum vorliegen. Die Größe der Bilder hängt von den Abmessungen des Eintrittsspaltes und dem Abbildungsverhältnis des Monochromators ab. Das letztere wird meist 1 : 1 sein, so daß also im folgenden angenommen werden kann, daß die Bilder des Eintrittsspaltes dieselbe Größe haben, wie der Eintrittsspalt selbst1). Wenn man eine Linie zu messen x)

Von der Krümmung der Spaltbilder kann bei dieser Betrachtving abgesehen werden.

124

III. Messung der UV-Strahlung

hat, in deren Umgebung keine anderen Linien vorhanden sind, kann der Eintrittsspalt sehr breit gewählt werden. Die Abmessung des Austrittsspaltes wird etwas größer genommen als das Bild des Eintrittsspaltes, damit man sicher ist, daß die gesamte Strahlung der Linien vom Austrittsspalt erfaßt wird. Im allgemeinen muß man jedoch damit rechnen, daß in der Nähe der zu messenden Linien andere Linien vorhanden sind, auf die bei der Bemessung der Spaltbreiten Rücksicht genommen werden muß. Der E i n t r i t t s s p a l t mit der Breite a (in mm gemessen) darf höchstens so groß sein, daß sich die Bilder der beiden Linien mit dem Wellenlängenabstand A k auch nicht teilweise überdecken. Die Bedingung hierfür lautet: (12)

AI > a .

Hierin ist A I der in der Ebene des Austrittsspaltes vorhandene und in mm gemessene Abstand der beiden Linien, der sich aus dem Wellenlängenabstand JA (in m/j) und der linearen Dispersion v (in m m j m / z ) errechnet zu (13) AI = AX • v . Da die lineare Dispersion v mit zunehmender Wellenlänge stark abnimmt, ist bei konstanter Breite des Eintrittspaltes des Monochromators die Bedingung der getrennten Abbildung im kurzwelligen Bereioh bereits bei kleinerem Wellenlängenabstand der Linien erfüllt, als im langwelligen Bereich. Die Einstellung des Austrittsspaltes hängt wesentlich von den Aufgaben ab, die der Messung zugrunde liegen. Um den Einfluß der Austrittsspaltbreite zu zeigen, betrachten wir ein Spektrum mit zwei Linien mit dem Wellenlängenabstand A I bei der Breite des Austrittsspaltes ß (in mm) und a b c bewegen den Austrittsspalt von kleineren nach größeren Wellenlängen zu (Abb. 130). Die Stellung des Austrittsspaltes kennzeichnen wir durch die Stellung der Spaltmitte. Ist der Austrittsspalt nur wenig breiter als das Bild des Eintrittsspaltes (Fall a), so steigt beispielsweise der Photostrom einer hinter dem Austrittsspalt angeordneten Photozelle zunächst linear an, solange die Linie noch nicht ganz vom Austrittsspalt erfaßt ist. Er erreicht dann einen Maxitritts- und Austrittsspalt auf die malwert, der über einen kleinen Bereich konhinter dem Austrittsspalt gemessenen stant bleibt, solange während des DurchwanPhotozellenströme bei bestimmtem derns des Austrittsspaltes die gesamte StrahAbstand A l benachbarter Spektrallinien. Oben geben die weißen Rechtlung vom Austrittsspalt erfaßt wird, und sinkt ecke die Bilder des Eintrittsspaltes dann wieder auf Null ab. Bei weiterer Bewegung für zwei Spektrallinien mit dem Weldes Austrittsspaltes wiederholt sich diese Erlenlängenabstand A I wieder. Die Breite des Austrittsspaltes ist durch scheinung, sobald der Austrittsspalt das Bild Schraffierung angedeutet. Unten sind der zweiten Linie erreicht. Die Größe des maxidie bei Verschiebung des Austrittsmalen Ausschlages ist dem der Linie zukomspaltes gemessenen Photozellenströme menden Strahlungsfluß proportional, so daß über dem jeweiligen Ort der Spaltsich aus dem Verhältnis der maximalen Ausmitte aufgetragen. schläge das Energieverhältnis der Linien und A2, in angenommenem Beispiel zu 2 : 1, ergibt. Dabei ist vorausgesetzt, daß Monochromatordurchlässigkeit und Photozellenempfindlichkeit in dem betrachteten, meist kleinen Wellenlängenbereich als konstant angesehen werden können. Wiederholt man diesen Vorgang mit weitem Austrittsspalt, so wird der Photostrom bereits eher ansteigen und später gegen Null gehen, so daß er bei einer be-

125

C. Allgemeines über Arbeiten mit Spektralapparaten

stimmten Breite des Austrittsspaltes zwischen den beiden Linien nicht mehr den Nullwert erreicht (FaH b). In diesem Fall wird also bei einer Einstellung des Austrittsspaltes auf eine zwischen Xx und X2 liegende Wellenlänge gleichzeitig Strahlung von beiden Linien vom Austrittsspalt aufgenommen. Man hat noch zwei getrennte Maxima, zwischen denen ein Minimum liegt, in dem aber im Gegensatz zu Fall a der Photostrom nicht Null wird. Eine getrennte Bestimmung der Strahlungsflüsse der einzelnen Linien ist auch hier möglich, wenn man auf die Maxima des Photozellenstromes einstellt. Bei noch größerer Breite des Austrittsspaltes verschwindet das Minimum zwischen den beiden Maxima, bis schließlich der Austrittsspalt so breit ist, daß er die Strahlung beider Linien gleichzeitig aufnimmt (Fall c). Der Spalt ist dann auf eine zwischen den beiden Linien liegende mittlere Wellenlänge einzustellen; der Ausschlag an Stelle des Maximums gibt den Strahlungsfluß der Summe der beiden Linien wieder, die beiden Sattel rechts und links vom Maximum entsprechen dem Strahlungsfluß der einzelnen Linien. An Hand der besprochenen Fälle läßt sich die Bedingung für die Breite des Austrittsspaltes ableiten, wenn man benachbarte Linien getrennt bzw. gemeinsam messen will. Die Bedingung für die vollständige Trennung der Strahlung beider Linien (Fall a) ist, wie sich aus Abb. 130 ergibt, (14) AX • v = AI > a + ß oder nach ß aufgelöst: ß < AI — a. Diese Formel bedeutet, daß der Austrittsspalt nicht breiter sein darf als der Zwischenraum zwischen den Linien. Wie oben gezeigt, kann man in vielen Fällen auch mit weiterem Austrittsspalt arbeiten (Fall b), für den die Bedingung lautet: (15) AI = AX • v > ß. In diesem Fall darf also der Austrittsspalt nicht breiter sein als der Abstand von Linienmitte zu Linienmitte. Die Bedingung für die gemeinsame Messung benachbarter Linien (Fall c) lautet: (16) ß > AI + a oder ß — a > AI = AX • v, da der Austrittsspalt mindestens so breit sein muß, daß er beide Linien ganz umfaßt. Die Bedingung besagt aber, daß die Breite des gemeinsam zur Messung gelangenden Wellenlängenbereiches durch die Differenz der Spaltbreiten bestimmt ist. Bei diesen Überlegungen wurde angenommen, daß die Spektrallinien selbst nur eine so geringe eigene Breite haben, daß von ihr abgesehen werden kann. Bei der Hochdruckentladung aber haben die Spektrallinien eine nicht zu vernachlässigende eigene Breite. Dazu kommt noch, daß beim Arbeiten mit Monochromatoren mehrere dicht beieinander liegende Linien zu einer Gruppe zusammengefaßt werden, die einer Wellenlänge zugeordnet wird. Tabelle 26 U n g e f ä h r e Werte der L i n i e n b r e i t e n des UV-Normals Nach R ö ß l e r [646]

A in m|i

AA in mjj.

A

AA

A

AA

230,2 232,3 235,8 237,7 239,9 244,6 246,4 248,2 257,6 260,3

0,5 0,5 0,5 0,4 0,7 0,5 0,5 0,6 0,6 0,7

264,0 265,2 269,9 275,3/6,0 280,4 289,4 292,5 296,7 302,2/2,6 312,6/3,2

0,4 0,6 0,9 1,5 1,0 0,9 0,6 0,9 1,0 1,5

334,1 365,0/6,3 390,6 404,7 407,8 435,8 491,6 546,1 577,0/9,0 623,4

1,4 2,4 2,9 1,4 0,6 3,0 1,1 3,2 3,9 3,8

A 671,6 690,7 708,2/9,2 772,9 816,3/9,7 875,8/8,4 898,8/9,1 941,9/4,3 1014

AA 4,8 3,5 j 5,6 \ 4,9 5,7 i 10,3 11,1 8,5 15,5

126

I I I . Messung der UV-Strahlung

In der vorstehenden Tabelle 26 sind für die einzelnen Linien des UV-Normals die beim Arbeiten mit Monochromatoren in Betracht zu ziehenden Linienbreiten zusammengestellt, die nicht den wahren Linienbreiten gleichgesetzt werden dürfen. Bei der Bemessung der Breite des Austrittsspaltes nach den oben angegebenen Formeln muß der Größe AI bzw. AX die halbe Summe dieser Linienbreiten der betreffenden Linien zugerechnet werden. B e i s p i e l : Es sollen die Linien 405 und 408 m/j, des UV-Normals gemeinsam gemessen werden. Um die Breite des Austrittsspaltes ß bei vorgegebenem Eintrittsspalt a = 0,2 mm zu berechnen, bestimmt man zunächst, welcher Wellenlängenbereich AI vom Austrittsspalt durchgelassen werden muß: AX = 407,8 — 404,7 + 0,5 • (0,6 + 1,4) = 3,1 + 1 = 4,1 m¡i oder in mm umgerechnet, wenn die Dispersion für diese Wellenlängen 0,13 mm/m(i ist: AI = AI • v = 4,1 • 0,13 = 0,53 mm.

v —

Aus Gleichung (16) ß > a + AX ergibt sich, daß der Austrittsspalt eine Breite ß von mindestens 0.2J+ 0,5 = 0,7 mm haben muß. Die verschiedenen Breiten der einzelnen Linien einer Gasentladungslampe sind für die einzelnen Exemplare eines Typs dieselben. Man kann sogar annehmen, daß sie für Hg-Hochdxucklampen mit einem Dampfdruck von etwa 1 at keine wesentliche Abweichung gegenüber den Werten der Zahlentafel zeigen. Sie werden nach dem in 168abeschriebenen Verfahren bestimmt. Dagegen ist noch zu prüfen, inwieweit die Werte der Tabelle 26 von dem verwendeten Monochromator abhängen. Soll ein Spektrum mit konstant gehaltenem Ein- und Austrittsspalt durchgemessen werden, dann ist die Breite der beiden Spalte unter Berücksichtigung des Abstandes benachbarter Linien, deren geometrischer Linienbreite und linearen Dispersion des Monochromators festzulegen. Z. B. wird man mit einem Eintrittsspalt von 0,1 mm und einem Austrittsspalt von 0,7 mm die Linien des UV-Normals zwischen 230 und 436 mfi getrennt messen, mit Ausnahme der Linien 405 und 408 m/i, die aber gerade noch gemeinsam gemessen werden können. Dagegen wird die Liniengruppe 275/6 bei den gewählten Spaltbreiten nicht voll erfaßt [646], Beim Doppelmonochromator gelten die oben gebrachten Überlegungen für die Wahl des Eintritts- und Mittelspaltes, während die Breite des Austrittsspaltes etwas größer als der Mittelspalt zu wählen ist. Ein Doppelmonochromator ist als die Hintereinanderschaltung von zwei Einfachmonochromatoren anzusehen. Der Mittelspalt ist gleichzeitig Austrittsspalt des ersten und Eintrittsspalt des zweiten [647a, 647b]. Bei der Wahl der Spaltbreite beim S p e k t r o g r a p h e n kommen andere Gesichtspunkte in Betracht. Wenn es sich darum handelt, eine möglichst vollständige Auflösung zu erreichen, stellt man den Spalt eng und zwar ist es zweckmäßig, eine ganz bestimmte Spaltbreite zu verwenden, die von dem Wellenlängengebiet, innerhalb dessen die aufzulösenden Linien liegen, und von dem Öffnungsverhältnis des Kollimators abhängt. Bezeichnet man dessen Öffnungszahl, also das Verhältnis der Brennweite zu der Ausdehnung des Lichtbündels senkrecht zur Spaltrichtung, mit k, die Wellenlänge mit X, so ist die f ö r d e r l i c h e Spaltbreite k • X. Bei diesem Wert der Spaltbreite erreicht man etwa % des Auflösungsvermögens, das man bei sehr engem Spalt erreichen kann. Wählt man die Spaltbreite kleiner als die förderliche, so sinkt die Helligkeit, wenn auch das Auflösungsvermögen (von 0,78 auf 1,00) noch etwas ansteigt. Wählt man dagegen die Spaltbreite größer als die förderliche, z. B. dreimal so groß, so kann man eine Steigerung der Helligkeit im Linienspektrum (von 0,78 auf 0,93) erreichen bei gleichzeitiger Abnahme des Auflösungs-

C. Allgemeines über Arbeiten m i t Spektralapparaten

127

vermögen (von 0,78 auf 0,31). Bei k = 20 und X = 300 mfi beträgt die förderliche Spaltbreite demgemäß 6 ¡z [501a]. Man darf nicht übersehen, daß häufig Linien mit einer merklichen Eigenbreite vorkommen, bei denen also die auf der Platte gemessene Linienbreite nicht durch die Auflösung des Spektrographen bedingt ist. Diese Eigenbreite darf nicht mit einer Überstrahlung bei stark überexponierten Linien verwechselt werden. 116. Aufstellung der Strahlenquelle. Bei den meisten Anwendungen ist es notwendig, die Strahlung der Lichtquelle gut auszunützen, damit der im Austrittsspalt zur Verfügung stehende Strahlungsfluß möglichst groß ist. Dies erreicht man durch richtige Wahl der B e l e u c h t u n g des E i n t r i t t s s p a l t e s . Diese hängt von der beabsichtigten Anwendung ab. Für den Monochromator kommen im wesentlichen folgende drei Anwendungen in Frage: a) Erzeugung monochromatischer Strahlung für biologische oder physikalische Untersuchungen, b) Messung der relativen spektralen Energieverteilung von Strahlern, c) spektraler Vergleich verschiedener Strahler hinsichtlich ihrer Strahlstärke. Bei der Erzeugung monochromatischer Strahlung (Fall a) kommt es vor allem darauf an, einen großen Strahlungsfluß im Austrittsspalt zu erzeugen. Günstigste Ausnützung für diesen Fall liegt vor, wenn der Strahler große Strahldichte besitzt, und wenn er so nahe am Eintrittsspalt aufgestellt wird, daß seine leuchtende Fläche die gleiche oder eine größere Ausdehnung hat als der vom Kollimator erfaßte Raumwinkel (Stellung 1 und 2 der Abb. 131). Rückt man die Strahlenquelle näher an den

Spalt heran, z. B. nach Stellung 1, so tritt kein größerer Strahlungsfluß in den Monochromator ein, da die Zunahme an Bestrahlungsstärke auf dem Spalt dadurch ausgeglichen wird, daß nur ein Teil der Strahlenquelle innerhalb des Öffnungskegels des Monochromators liegt. Kann der Strahler wegen zu kleiner Ausdehnung oder wegen zu hoher Temperatur nicht so nahe am Spalt aufgestellt werden, daß diese Bedingung erfüllt ist, dann muß man zwischen Lichtquelle und Spalt einen Kondensor aufstellen, der die Lichtquelle auf den Eintrittsspalt abbildet, meist in natürlicher Größe (Stellung 4 der Abb. 131), und der mindestens die gleiche relative Öffnung wie der Kollimator aufweist. Stattdessen kann man auch entsprechend der Stellung 5 der Abb. 131 eine Linse unmittelbar vor dem Eintrittsspalt vorsehen, die die Lichtquelle auf das Kollimatorobjektiv abbildet. Brennweite dieser Linse und Abstand der Strahlenquelle vom Spalt werden so gewählt, daß das Bild der Strahlenquelle im Kollimatorobjektiv entsteht, und daß das Bild der Strahlenquelle das Kollimatorobjektiv gerade gleichmäßig ausleuchtet. Bei dieser Anordnung kann sich ein chromatischer Fehler der Kondensorlinse nicht so stark bemerkbar machen wie bei Stellung 4. Bei dieser führen nämlich die Brennweitenunterschiede für die einzelnen

128

I I I - Messung der UV-Strahlung

Wellenlängen zu einer verschieden großen Abbildung der Strahlenquelle auf dem Spalt und damit zu einer in den einzelnen Spektralbereichen verschiedenen Ausblendung. Bei der Ausmessung der spektralen Energieverteilung (Fall b) muß beachtet werden, daß die spektrale relative Energieverteilung an verschiedenen Stellen der Strahlungsquelle verschieden sein kann. Z. B. setzt sich die Strahlung eines Kohlenbogens zusammen aus der Strahlung der Gassäule und der heißen Elektroden. Man muß also sowohl die Strahlung der Säule wie die der Elektroden gleichzeitig und im richtigen Verhältnis erfassen, wenn man die spektrale Energieverteilung der gesamten Strahlung ermitteln will. Der Strahler muß daher so vor dem Spalt angeordnet werden, daß entweder die gesamte Strahlung von dem Öffnungskegel des Monochromators (siehe Stellung 2 und 3 der Abb. 131) erfaßt wird oder aber ein solcher Teil, der die gleiche Energieverteilung wie die gesamte Strahlungsquelle aufweist. Diese Möglichkeit hat praktische Bedeutung bei langgestreckten Hg-Lampen, bei denen man in der Richtung der Achse eine konstante Energieverteilung hat. Dagegen hat der Kern des Lichtbogens eine andere spektrale Energieverteilung als die Randzonen. Es genügt also, einen beliebigen Längsabschnitt der Säule, der z. B. durch eine Blende abgegrenzt sein kann, zur Messung heranzuziehen. Dagegen muß unbedingt darauf geachtet werden, daß auch die Randzonen vom Öffnungskegel erfaßt werden [154], Wenn man die für die spektrale Ausmessung gültige Mindestentfernung nicht aus den Abmessungen des Strahlers und des Öffnungskegels berechnen kann, bestimmt man die spektrale Energieverteilung für verschiedene Entfernungen vom Spalt und stellt fest, von welcher ab keine Änderung in der relativen Energieverteilung auftritt. Wenn man mit einem Spektrographen die Unterschiede in der Verteilung der Strahldichte an verschiedenen Stellen der strahlenden Oberfläche, z. B. bei einer Hg-Hochdrucklampe, zeigen will, ordnet man diese waagerecht an und bildet die Entladung auf den Spalt ab. Es erscheint dann das Spektrum des Kerns der Entladung eingesäumt durch das Spektrum der Randzonen. Wenn die spektrale Strahldichte über der strahlenden Oberfläche nicht konstant ist, stellt man die auszumessende Strahlenquelle unter Verzicht auf einen Kondensor in einer hinreichenden Entfernung vor dem Spalt auf. Bei einem Monochromator des Öffnungsverhältnisses 1: 4 muß bei einer Verwendung der UV-Normallampe der Abstand Strahler—Spalt mindestens 20 cm sein. Bei anderen Strahlern und anderen Monochromatoren werden sich andere Mindestentfernungen ergeben. Auf den Kondensor wird man auch deshalb verzichten, da er wegen seiner chromatischen Abweichungen zu Fehlern Anlaß geben kann [478, 643]. Bei dem Fall c handelt es sich um einen spektralen Vergleich verschiedener Strahler hinsichtlich ihrer Strahlstärke (und nicht ihrer spezifischen Ausstrahlung oder ihrer Strahldichte). Er geschieht in derselben Weise wie unter b) geschildert; jedoch ist zusätzlich noch auf folgendes zu achten. Soll inimittelbar hinter dem Monochromator der Vergleich absolut geschehen, oder soll an Hand einer Spektralaufnahme eine Abschätzung der Strahlstärke vorgenommen werden, dann müssen die zu vergleichenden Strahlenquellen in demselben Abstand vor dem Spalt aufgestellt werden, und zwar richtet sich der Abstand nach der Strahlenquelle mit den größten Abmessungen. Diese Strahlenquelle muß mit ihrer ganzen Ausdehnung noch im Öffnungskegel des Spektralapparates liegen. Gegen diese Regel wird häufig verstoßen, wenn man eine nahezu punktförmige Lichtquelle, z. B. eine Kohlenbogenlampe in einer Spektralaufhahme einer räumlich ausgedehnten Strahlenquelle, z. B. einer Hg-Lampe gegenüberstellt. Wenn die beiden Strählenquellen zu nahe vor dem Spalt angeordnet sind, wird zwar praktisch die Strahlung der gesamten

C. Allgemeines über Arbeiten mit Spektralapparaten

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Oberfläche der punktförmigen Strahlenquelle von der Optik des Monochromators erfaßt, während die vielleicht in Wirklichkeit viel stärkere Hg-Lampe wegen ihrer größeren Längsausdehnung nur mit einem Bruchteil ihrer Oberfläche zur Wirkung gelangt. Infolgedessen erscheint bei einer solchen fehlerhaften Anordnung die Kohlenbogenlampe zu stark im Vergleich zu der Hg-Lampe [490]. Zweckmäßig wird man aber den Vergleich verschiedener Strahlenquellen so durchführen, daß man für jede einzeln gemäß b) die relative Energieverteilung mißt, und dann auf anderem Wege mit einem geeichten Thermoelement die Absolutmessung anschließt: entweder durch eine Messung der Gesamtstrahlung oder eines durch Filter isolierten schmalen Bereiches oder einer einzelnen, gleichfalls durch Filter isolierten Linie. Die Kenntnis der spektralen Durchlässigkeit der Filter und der relativen Energieverteilung gestattet dann die absolute Auswertung, wie in 163, 164 und 167 beschrieben. Ein Sonderfall zu b) liegt vor, wenn die spektrale Verteilung von Strahlenquellen gemessen werden soll, bei denen aajn wesentlicher Teil der Strahlung durch Reflektoren oder sonstige optische Mittel beeinflußt wird, speziell dann, wenn mehrere Strahlenquellen vorhanden sind, deren Mischung mittels des Reflektors geschieht. In diesen Fällen interessiert nicht die spektrale Verteilung des Strahlungsflusses der Strahlenquelle selbst, sondern diejenige der Bestrahlungsstärke im üblichen Bestrahlungsabstand. Für derartige Messungen empfiehlt es sich, in dem bestimmten Bestrahlungsabstand eine diffus reflektierende Scheibe anzubringen, z. B. eine mit Magnesiumoxyd (MgO) bestäubte Aluminium-Platte, deren spektrales Reflexionsvermögen über den ganzen Wellenlängenbereich hinreichend konstant ist (vgl. Abb. 160). Diese Scheibe ist als sekundäre Strahlenquelle aufzufasssen, deren Aufstellung relativ zum Spalt nach den unter b) gegebenen Gesichtspunkten geschieht. Die Strahldichte des MgO-Schirmes ist außerordentlich viel geringer als die der Strahlenquelle selbst, so daß bei solchen Messungen große Anforderungen an die Empfindlichkeit der Apparatur gestellt werden [229, 412], Oder aber man geht so vor, daß man vor dem Eintrittsspalt des Monochromators eine kleine Ulbricht'sche Kugel der in 111 (vgl. Abb. 124) geschilderten Bauart anordnet. Man mißt in dieser Anordnung die spektrale Energieverteilung auf der Eintrittsöffnung der Meßkugel. Wegen der geringen Durchlässigkeit der Meßkugel und der sehr geringen Strahldichte der diffus gestreuten Strahlung werden auch bei dieser Methode hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit der Apparatur gestellt [168a, 168b, 581, 582]. Die Prüfung der richtigen Einstellung der Strahlungsquelle zum Spektralapparat kann dadurch geschehen, daß man an das Kollimatorobjektiv ein dünnes Papierblatt hält, das bei weit geöffnetem Eintrittsspalt einen gleichmäßig beleuchteten Kreis zeigen muß. Wenn man nun den Eintrittsspalt bis auf etwa 0,02 mm schließt, so soll dem Auge des Beobachters, das durch das Kollimatorobjektiv auf den Spalt — evtl. mit Hilfe eines kleinen Spiegels — blickt, auch bei seitlicher oder nickender Bewegung des Kopfes der Spalt in allen Teilen der Linse gleichhell erscheinen. Dies wird durch geringe Justierbewegungen der Strahlenquelle erreicht [595], Wenn man dagegen durch den Austrittsspalt nach dem Eintrittsspalt blickt, so sieht man, wiederum bei weit geöffneten Spalten und bei Einstellung des Monochromators auf eine in der Strahlenquelle vorhandene sichtbare Wellenlänge, die Strahlenquelle in derjenigen Ausdehnung, wie sie vom Kollimatorobjektiv erfaßt wird. Auf diese Weise kann man schnell feststellen, ob alle für die Strahlung wichtigen Teile der Strahlenquelle zur Messung beitragen. 117. Anordnung des Strahlungsempfängers. Die Anordnung des Strahlungsempfängers hinter dem Austrittsspalt kann auf zweierlei Weise geschehen. Das einfachste Verfahren ist die Anbringung unmittelbar hinter dem Austrittsspalt. Man '9

Ultraviolette Strahlen

130

I i i . Messung der UV-Strahlung

wird es bei Strahlungsempfängern mit linearer Ausdehnung, wie z. B. bei Thermosäulen, bevorzugen. Es läßt sich auch bei Photozellen ohne weiteres anwenden. Bei dem anderen Verfahren wird eine Linse unmittelbar am Austrittsspalt angeordnet, die das zwischen Prisma und Austrittsspalt im Monochromator vorhandene Objektiv auf den Strahlungsempfänger abbildet. Auf diesem erhält man eine kreisrunde, gleichmäßig ausgeleuchtete Fläche. Ob die Abbildung verkleinert, vergrößert oder in natürlicher Größe erfolgt, richtet sich nach den Abmessungen des Strahlungsempfängers. 118. Strahlungsschwächungsmittel. In vielen Fällen ist es notwendig, die Bestrahlungsstärke, bzw. den Strahlungsfluß in einem bestimmten Maß zu schwächen, wobei meist die zusätzliche Forderung aufgestellt wird, daß die Schwächung in einem bestimmten Spektralbereich konstant sein soll. Da nach dem bekannten Abstandsgesetz (vgl. 3) die Bestrahlungsstärke umgekehrt mit dem Quadrat des Abstandes in berechenbarer Weise abnimmt, läßt sie sich durch Abstandsänderungen variieren. Wie angegeben, gilt dieses Gesetz nur für solche Entfernungen, die groß im Vergleich zu den Abmessungen der Strahlenquelle sind. Für kleinere Entfernungen muß eine empirische Eichung der Anordnung mit einer der unten angeführten Schwächungsvorrichtungen vorgenommen werden. In Verbindung mit Spektralapparaten sind bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Strahlenquelle und Spalt die Bedingungen hinsichtlich der gleichmäßigen Ausleuchtung des Kollimators zu beachten (vgl. 116). Zur Schwächung mittels Graufilter kommen im UV-Gebiet nur dünne Metallschichten aus Platin oder Rhodium, die auf Quarzglas niedergeschlagen sind, in Frage. Solche Schichten lassen sich in definierter Durchlässigkeit herstellen. Der spektrale Verlauf der Durchlässigkeit ist in einem typischen Beispiel in Abb. 143 dargestellt. Eine Rußschicht zeigt für den Bereich 250 bis 340 mfi eine lineare Abhängigkeit von der Wellenlänge [684], Da ein geringer Gang der Durchlässigkeit mit der Wellenlänge auch bei den besten Rhodiumfiltern noch vorhanden ist, verbessert man derartige Graufilter durch Kombination mit einem geeigneten Filter, bei dem der spektrale Verlauf der Durchlässigkeit ein gegenläufiges Verhalten zeigt, wie^dies in [696] für Wellenlängen oberhalb 300 mp geschehen ist. Eine nichtselektive Schwächung erreicht man durch Verwendung von aus Draht hergestellten Maschennetzen, von denen gegebenenfalls mehrere hintereinander geschaltet werden können. Dabei ist jedoch der Moireeffekt zu beachten, damit die Durchlässigkeitspunkte der Netzkombination möglichst gleichmäßig auf die Filterfläche verteilt sind. Man kann mit derartigen Netzen den Strahlungsfluß bis auf einige wenige v. H. schwächen. Zweckmäßig werden die Netze in Form eines Pendels z. B. voy dem Eintrittsspalt eines Spektralapparates angeordnet, so daß sie senkrecht zur Strahlrichtung schwingen. Wenn man mit Abbildung der Lichtquelle arbeitet, kann man durch Verwendung einer Irisblende in dem der Abbildung dienenden Objektiv gleichfalls die Strahlung meßbar schwächen, und zwar läßt sich hierbei jeder gewünschte Grad der Schwächung einstellen, während die vorher genannten Mittel nur jeweils um Stufen zu schwächen gestatten. Eine wichtige Voraussetzung für die Anweiidung der Irisblende besteht in der völlig gleichmaßigen Verteilung der Bestrahlungsstärke an derjenigen Stelle, an der die Irisblende aufgestellt wird. Diese Bedingung ist nur schwer mit großer Genauigkeit zu erfüllen. Der rotierende Sektor besteht aus zwei gegeneinander drehbaren Scheiben mit je zwei Ausschnitten von 90°. Es kann jede Lichtdurchlässigkeit zwischen 0 und 50 v. H. stufenlos eingestellt werden. Sie ergibt sich aus der Größe des öffnungs-

C. Allgemeines über Arbeiten mit Spektralapparaten

131

Winkels a zu a/180°. Den rotierenden Sektor stellt man so auf, daß seine Drehachse exzentrisch zum Strahlenbüschel liegt, so daß dieses bei der Rotation des Sektors periodisch unterbrochen wird. Infolgedessen ist bei der Anwendung des rotierenden Sektors zu prüfen, ob der Strahlungsempfänger das Talbot'sehe Gesetz befolgt [623]. Für Photozellen ist dies nach 105 der Fall. Hinsichtlich der photographischen Platte sei auf 113 verwiesen. Gleichfalls ist bei der Verwendung des rotierenden Sektors in Verbindung mit wechselstrombetriebenen Entladungsröhren, z. B. der WasserstoffLampe, Vorsicht am Platze, damit nicht ein sogenannter Stroboskopeffekt zustande kommt. Man wählt deshalb die Unterbrechungszahl des rotierenden Sektors klein im Vergleich zu der Frequenz der Wechselstromentladung und außerdem so, daß sie kein ganzzahliger Bruchteil der Lampenspeisefrequenz1) ist. Außerdem muß die Zahl der Belichtungsintervalle bei Belichtung insgesamt einige hundert betragen, wenn man auf 1 v. H. genau messen will. Das bedingt eine untere Grenze für die Belichtungszeit. Der rotierende Sektor hat vor anderen Schwächungsmitteln den Vorzug, daß er an beliebiger Stelle im Strahlengang aufgestellt werden kann. Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen sich die Verstellung und Ablesung des Öffnungswinkels, dem die Durchlässigkeit proportional ist, während des Betriebes der rotierenden Scheibe vornehmen läßt. Der rotierende Sektor kann ohne weiteres zu Präzisionsmessungen Verwendung finden [564], Die Nachteile des rotierenden Sektors werden z. B. durch den Pool'schen Sektor [631] vermieden, der aus einem Sektor bestimmten Ausschnittes besteht, der aber im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Sektor zentral zum Strahlenbüschel angebracht ist und rotiert. Er wird an der Stelle aufgestellt, an der eine angenähert gleichmäßige Ausleuchtung vorhanden ist. Am Pool'schen Sektor wird also nicht die Belichtungszeit, sondern die Bestrahlungsstärke selbst meßbar herabgesetzt, so daß Schwarzschildexponent, Intermittenz- und Stroboskopeffekt keine Fehler hervorrufen können. Auch im ultravioletten Gebiet kann das von optischen Apparaten her gebräuchliche Verfahren der Lichtschwächung durch zwei gegeneinander drehbare Polarisations-Prismen verwendet werden. Besser als die Nicoischen Prismen sind die verkürzten Glan-Thompson-Prismen mit einem Öffnungswinkel von 30°. Die Prismen müssen aber mit einem UV-durchlässigen Kitt verarbeitet sein. Der übliche Kanada-Balsam ist im UV undurchlässig. Die Durchlässigkeit ist zwar stufenlos einstellbar, jedoch ist die Lichtstärke der Anordnung meist gering. Außerdem ist zu beachten, daß die austretende Strahlung polarisiert ist. Dies ist in vielen "Fällen bedenklich, da z. B. der lichtelektrische Effekt ausgesprochen von der Polarisationsrichtung des Lichtes abhängig ist. In Verbindung mit photographischen Aufnahmen des Spektrums hat sich der Stufenblendenkondensor 2 ) von H a n s e n sehr bewährt. Er erlaubt die gleichzeitige Aufnahme desselben Spektrums in abgestufter Bestrahlungsstärke und ist daher zum Drucken von Schwärzungsmarken sehr gut geeignet, auch wenn der Strahlungsfluß der Strahlungsquelle Schwankungen unterworfen ist [512]. Die Strahlenschwächung kann auch mit Hüfe von reflektierenden Schichten vorgenommen werden. Eine Quarzglasscheibe reflektiert im UV etwa 4 bis 6 v. H. (vgl. Fußnote 3 auf S. 133). Durch mehrfache Reflexionen kann man leicht Schwächungen im Verhältnis 1: 106 erhalten, die sich mit anderen Mitteln nicht erreichen lassen. Der Nachteil, daß man nur in groben Stufen etwa von 1: 20 arbeiten kann, spielt deshalb keine Rolle. Die geringe Wellenlängenabhängigkeit der Reflexion kann rechnerisch berücksichtigt werden [525]. Es ist zu beachten, daß die Frequenz der ausgesandten Strahlung gleich der 2 doppelten Netzfrequenz ist. ) Hersteller: C. Zeiss, Jena.

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132

I I I . Messung der UV-Strahlung

D. Allgemeine Eigenschaften der Filter und ihre Handhabung 119. Allgemeines. Filter verwendet man, um aus einer Strahlung bestimmter Zusammensetzung eine nach Wunsch abgeänderte Strahlung für Meßzwecke wie auch für Bestrahlungsversuche zu gewinnen. Als Filter lassen sich alle Stoffe verwenden, welche die Eigenschaft besitzen, für Strahlung bestimmter Wellenlängengebiete durchlässig zu sein, für Strahlung anderer Wellenlängengebiete dagegen nicht. Außerdem gibt es Filter, die in einem möglichst weiten Spektralgebiet eine gleichmäßige von 1,00 verschiedene Durchlässigkeit aufweisen und daher als Graufilter verwendet werden. Filter können vorliegen als Glasfilter oder als Flüssigkeitsfilter bei Verwendung von anorganischen oder organischen chemischen Stoffen oder als Gelatinefilter. Schließlich kommen noch dünne, durchsichtige Schichten einiger Metalle sowie einige Gase in Frage. Man besitzt eine große Mannigfaltigkeit von Filtern, die man zur Übersicht in vier Gruppen einteilen kann: 1. Filter mit definierter kurzwelliger Grenze, die also Strahlung unterhalb der Grenzwellenlänge nicht durchlassen, dagegen für Strahlung oberhalb dieser Wellenlänge gut durchlässig sind. 2. Filter mit definierter langwelliger Grenze, die also Strahlung größerer Wellenlänge als die Grenzwellenlänge nicht durchlassen. 3. Filter, die nur einen engen Spektralbereich durchlassen, also sowohl eine kurzwellige, als auch eine langwellige Grenze besitzen. Solche Filter sind verhältnismäßig selten, sie sind aber meßtechnisch besonders wertvoll. Man kann jedoph oft ein Filter der Gruppe (3) durch Kombination von Filtern der Gruppe (1) mit solchen der Gruppe (2) herstellen. 4. Graufilter, die die auftreffende Strahlung in dem Arbeitsbereich in einem bestimmten Verhältnis gleichmäßig schwächen. In der Abb. 132 sind Filter der drei ersten Gruppen idealisiert dargestellt. Jedoch muß man beachten, daß die Durchlässigkeitskurven von Filtern im allgemeinen keine recht—1 — eckige, sondern eine glockenförmige Gestalt beV r\ sitzen (s. Kurve 4 der Abb. 132). Gute Filter 3 1 sind solche mit möglichst steil verlaufender Durch11 lässigkeitskurve. A . Ws/Ientinge « Der H a u p t v o r t e i l der Filter tritt in Erscheinung, wenn man sie in Verbindung mit StrahAbb .132. Idealisierte Darstellung des Durchlässigkeitsverlaufes v o n lungsquellen benutzt, die ein Linienspektrum ausFiltern. senden, da es dann vielfach möglich iöt, Filter zu finden, deren allmählich gegen null gehende Durchlässigkeit in ein Gebiet fällt, in dem keine Linien vorhanden sind. Es gelingt bei Verwendung von Filtern und Gasentladungsstrahlern sogar monochromatische Strahlung großen Strahlungsflusses zu gewinnen, wie man ihn sonst nur unter Benützung eines lichtstarken Monochromators erhält (vgl. 134). Oft genügt auch eine angenäherte Monochromasie, d. h. die Verwendung enger Spektralbereiche. Bei der Verwendung von Filtern sollte man stets an Hand der Durchlässigkeitskurve der Filter bzw. der Filterkombination und der relativen Energieverteilung der verwendeten Strahlungsquelle die hinter dem Filter vorhandene spektrale Energieverteilung berechnen, um einen Überblick zu haben, wie weit die Strahlung wirklich monochromatisch ist.

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D. Allgemeine Eigenschaften der Filter und ihre Handhabung

133

120. Durchlässigkeit. Durchlassungsvermögen, Extinktion, Diabatie. In 120 bis 123 wird monochromatische und parallel gebündelte Strahlung vorausgesetzt. Als Durchlässigkeit D einer Schicht wird das Verhältnis D = des durch die Schicht hindurchgegangenen Strahlungsflusses zu "dem auffallenden Strahlungsflusse 0O bezeichnet. Die Durchlässigkeit D ist stets ein echter Bruch, sie ist von dem Strahlungsfluß 0 O unabhängig, so daß Schichten gleicher Dicke aus demselben Stoff stets den gleichen Bruchteil absorbieren. Deshalb ist ein Filter allein durch die Angabe der Durchlässigkeit für die verschiedenen Wellenlängen vollkommen gekennzeichnet. Da die Durchlässigkeit stets wellenlängenabhängig ist, muß man sie Wellenlänge für Wellenlänge messen. Man stellt ihren spektralen Verlauf zweckmäßig in einer Kurve dar. Die Durchführung von Durchlässigkeitsmessungen ist in 140 bis 147 beschrieben. An jeder Übergangsstelle von einem optischen Medium in ein anderes mit anderem Berechnungsindex wird ein Teil der auffallenden Strahlung reflektiert. Je nachdem, ob bei der Messung der Durchlässigkeit oder nachträglich rechnerisch diese Verluste ausgeschaltet sind oder nicht, unterscheidet man zwischen „Durchlässigkeit ohne Reflexionsverlust" und „Durchlässigkeit 'mit Reflexionsverlust". Die letztere Größe soll im folgenden als Durchlässigkeit D schlechthin, die erste als D u r c h l a s s u n g s v e r m ö g e n D*1) bezeichnet werden. Zwischen diesen Größen ist bei Angabe von Meßergebnissen immer scharf zu unterscheiden2). Die Größen D und D* sind durch die Beziehung verbunden: D = D* • E. Darin bedeutet R den Reflexionsfaktor3). Für manche Zwecke, z. B. für numerische Rechnungen ist ea vielfach zweckmäßig, an Stelle des Durchlassungsvermögens mit der E x t i n k t i o n E zu rechnen, die sich aus dem Durchlassungsvermögen D* wie folgt ergibt: (17)

E = log 1 ¡D* = — log i P = log E — log D.

In dem Filterkatalög von Schott [659] sind nicht die Durchlässigkeiten oder Extinktionen für die einzelnen Filtergläser angeführt, sondern die sogenannten Diabatiewerte. Unter der D i a b a t i e B versteht man die Größe (18)

B = 1 —log E,

wenn E die Extinktion ist. Da also die Diabatip bilogarithmische Werte der Durchlassungsvermögen sind, liegen sie in engen Grenzen, bei den üblichen Filtergläsern zwischen 4,7 und 1. Sie sind also leicht mit einer gleichmäßigen Genauigkeit zu tabulieren. Tabelle 27 zeigt eindringlich diese Verhältnisse.

Der gleichbedeutende Ausdruck „Durchlässigkeit ohne Berücksichtigung der Reflexionsverluste" sollte vermieden werden, weil auß dieser Formulierung nicht zwingend hervorgeht, ob Durchlässigkeitswerte ohne Reflexionsverluste gemeint sind, oder ob nicht berücksichtigt wurde, daß ein Teil der Strahlenschwächung von Reflexionsverlusten herrührt. 2 ) Werte des Durchlassungsvermögens können bis zu 100 v. H., Werte der Durchlässigkeit dagegen bestenfalls bis etwas über 90 v. H. ansteigen ; daran kann man oft in Veröffentlichungen erkennen, welchen der zwei Werte der Autor mitteilt. a ) Nach der Theorie beträgt das Reflexionsvermögen r bei senkrechtem Auftreffen der Strahlen an j e d e r Fläche r = [(n — l)/(n + l)] a , wenn n der Brechungsindex ist. Bei einer planparallelen Platte mit z w e i reflektierenden Flächen ist mit einem Reflexionsverlust von insgesamt 0,06 bis 0,10 (6 bis 10 v. H.) zu rechnen. So wie n ist auch r wellenlängenabhängig und nimmt nach kürzeren Wellenlängen zu. Der Reflexionsfaktor B ist B = 1 - — 2 r . Im UV begeht man bei Gläsern im allgemeinen keinen Fehler, wenn man in Unkenntnis der genauen Werte B = 0,92 setzt.

134

III. Messung der UV-Strahlung

Tabelle 27 Vergleich zwischen Diabatie B, E x t i n k t i o n E und Durchlassungsvermögen D* D* in v. H.

99,90

99,0

79,4

20

E B

10

1

0,0004

0,004

0,100

0,699

1

2

3

4

4,36

3,36

2,00

1,16

1,00

0,70

0,52

0,40

0,1

0,01

Das Lambert'sehe Gesetz (vgl. 123) ergibt sich für die Diabatiewerte wie folgt (19) B = B 0 — logd wenn d die Schichtdicke und B0 die Diabatie für die Längeneinheit ist, im Schottkatalog für 0,1 mm. Beim Ubergang von einer Schichtdicke auf eine andere kommt man mit einer Addition aus, während man beim Rechnen mit Extinktionen eine Multiplikation ausführen muß. 121. Filterkombination. Bei der Hintereinanderschaltung verschiedener Filter erhält man die Durchlässigkeit (bzw. das Durchlassungsvermögen)i der Filterkombination für die betreffende 'monochromatische Strahlung, wenn man die Werte der Durchlässigkeiten (bzw. Durchlassungsvermögen) der einzelnen Filter miteinander multipliziert, oder die ¿(-Werte addiert. Hintereinanderschaltung eines Filters mit der Durchlässigkeit 0,6 und eines Filters der Durchlässigkeit 0,8 (fu dieselbe Wellenlänge) ergibt somit eine Durchlässigkeit von 0,48. 122. Einfluß der Schichtdicke auf das Durchlassungsvermögen. In einem^homogenen Körper hängt das Durchlassungsvermögen für monochromatische Strahlung in einfacher Weise von der Dicke der durchstrahlten Schicht ab. Liegt ein homogenes Medium der Schichtdicke d (in cm) vor, so errechnet sich das Durchlassungsvermögen für diese Schichtdicke aus demjenigen D* für 1 cm Schichtdicke auf folgende Weise: Man unterteilt die Schicht in einzelne Schichten von je 1 cm Dicke. In jeder von diesen wird der Strahlungsfluß um den Wert D* herabgesetzt. Bei einer Schichtdicke von d cm wird also der Strahlungsfluß um den Faktor (D*)d herabgesetzt. Das Durchlassungsvermögen einer Schicht von der Dicke d beträgt also (D*)d. Die genaue rechnerische Ableitung kommt, wenn man zu Unendlich kleinen Schichtdicken übergeht, auf dem Wege über e-Funktionen zu einem identischen Potenzausdruck. Auch diese Betrachtungen gelten nur für monochromatische Strahlung. Bei einem großen Durchlassungsvermögen nahe bei 1,0 ist die Änderung des Durchlassungsvermögens bei Vergrößerung der Schichtdicke gering. Ist dagegen das Durchlassungsvermögen für die Einheit der Schichtdicke klein, z. B. 0,10, dann wird dieses bei Verdoppelung bzw. Verdreifachung auf 0,10 2 bzw. 0,103, also auf 0,01 bzw. 0,001 herabgesetzt. Zum Umrechnen auf beliebige Schichtdicken dient die Gleichung (20) log P f _ ¿i log P f — ¿2 worin DJ das Durchlassungsvermögen für die Schicht d v der entsprechende Wert für die Schicht d2 ist. Für das praktische Rechnen ist es vorteilhaft, sich der Gleichung (21)

=

Ii

zu bedienen, in der E = log 1 ¡D* ist. Die zu jedem Werte von D* gehörigen Werte für E sind in Tabelle I im Anhang wiedergegeben.

D. Allgemeine Eigenschaften der Filter und ihre Handhabung

135

Ein Beispiel möge die Benutzung der Tabelle erläutern: Beträgt das Durchlassungsvermögen für eine bestimmte Wellenlänge D* = 0,60 bei einer Schichtdicke von 2 mm, so entnimmt man E aus der Tabelle zu 0,222. Der Ü7-Wert für die Schichtdicke 3 mm errechnet sich dann zu 0,222 • 3/2 = 0,333. Hierfür findet man in der Tabelle ein Durchlassungsvermögen von 0,465. Oder: ein bestimmtes Filter habe für eine bestimmte Wellenlänge bei gegebener Dicke v o n 1,2 mm die Durchlässigkeit D = 0,23. Das Durchlassungsvermögen kann also zu D* = D/R = 0,23/0,92 = 0,25 angesetzt werden. Es wird nun gefordert, das Filter in solcher Schicht zu verwenden, daß die Durchlässigkeit höchstens 0,010 beträgt, entsprechend einem Durchlassungsvermögen von 0,011. Dann errechnet sich die gesuchte Mindestschichtdicke x aus den Werten für E1 = 0,602 und E2 = 1,959 und der vorhandenen Dicke d = 1,2 mm aus der Gleichling (21) x = 1,2 • 1,959/0,602 = 3,9 mm.

Diese Überlegungen gelten nur für monochromatische Strahlung oder für enge Spektralbereiche, falls in diesen Bereichen die Durchlässigkeit nicht wellenlängenabhängig ist. 123. Lambert-Beersches Gesetz. [565] BeiLösungen hängt das Durchlassungsvermögen außer von der Schichtdicke auch von der Konzentration ab. Nach Lambert und Beer wird das Durchlassungsvermögen durch die Gleichung1) (22)

D* = 10-* •:

5 10

I1 3; §

§

\\

/AY

/ 0.01, 500

\

\

\Böckstr\

/ /

S

\

öm^

\

V \

600

*

00

\

J 1 1

800

r

f

v: 'V 900

s

\» V V

1000

Wellenlänge

V \\

\ \

5 Cm

IVO

/\

""

1200

\

i c m

\\ \\

\ V

Wl

1300

nOOm/u

1500

Abb. 146. Spektrales Durchlassungsvermögen (in logarithmischem Maßstab) einiger wichtiger Flüssigkeitsfilter im Gebiete von 500 bis 1500 mii. Daten über die Filter siehe Abb. 139, S. 140.

132. Durchlässigkeit der menschlichen Haut, des Blutes und der Schutzsalben. Bei biologischen Versuchen ist eine besondere Art von Filtern naturgegeben, die von den obersten Schichten des bestrahlten Gegenstandes gebildet wird, wenn die spezifische Wirkung erst in tieferen Schichten erfolgt. Bei Bestrahlungen des Menschen findet diese Filterwirkung in der Hornhaut statt. Diese filtert einen Teil der Strahlung, vor allem das kurzwellige UV, weg, so daß die Strahlung an der Stelle, an der sie eine biologische Wirkung hervorruft, eine ganz andere spektrale Zusammensetzung aufweist als die auf die Haut auftreffende Strahlung. Näheres über die spektrale Durchlässigkeit der Haut und deren Bedeutung für die biologischen Vorgänge ist in 219 (Abb. 202) zu finden. Es sei hier nur darauf hingewiesen, daß die Übertragung der Schlußfolgerungen von Reagenzglasversuchen an biologischem Material auf die Verhältnisse beim Menschen nur bei Berücksichtigung der Strahlenfilterung in der Haut zulässig ist. Für die Therapie (260) ist die Durchlässigkeit des Blutes wichtig, die deshalb in Abb. 147 dargestellt ist. Das Blutserum erweist sich als verhältnismäßig gut UV-durchlässig, die Blutkörperchen dagegen absorbieren bereits das UV in sehr dünnen Schichten [401, 505, 682, 683], Das Bedienungspersonal in Bestrahlungsräumen oder der Bergsteiger bei Gletscherwanderungen ist oft längere Zeit großen UV-Bestrahlungsstärken ausgesetzt, so daß zur Vermeidung von unliebsamen Verbrennungen ein Strahlenschutz not10*

III. Messung der UV-Strahlung

148

wendig ist. In diesen Fällen ist auf der Haut ein Schutzfilter anzubringen, das UV unterhalb 320 mju starkfschwächt oder vollständig absorbiert. Näheres siehe 235 bis 240.

(

0.80 f 0.60

I

y - ßlutkorpercher fOxyhämog obin)oHcw A I

• 220

/

Bluts9rum (Sc"acht 0.2mm)

2 8/utL'ichicht 1/U)

lutkörperchen * Sern7}

frf t j

&0

1 N

•

260

^

280

300 320 3*0 360 380mp W0 Wellenlänge —»• Abb. 147. Spektrales Durehlaseimgsvermögen des menschlichen Blutes und seiner Bestandteile. Nach S u h r m a n n [682].

133. Der Monochromator als Filter. Yarioilluminator. Wenn es sich darum handelt, die Empfindlichkeit eines Strahlenempfängers durch Vorschalten von Absorptionsfiltern (oder durch Verwendung der Filterdifferenzmethode, vgl. 181) in ihrem spektralen Verlauf an eine biologische oder photochemische Wirksamkeitskurve derart anzupassen, daß der mit dieser Anordnung zu messende Wert unmittelbar Aufschluß gibt über die Größe der bei Anwendung beliebiger Strahlenquellen zu erwartenden Wirkung, macht die Angleichung der Empfindlichkeitskurve oft Schwierigkeiten, bzw. ist genügend genau nur unter untragbarer Einbuße an Gesamtempfindlichkeit möglich. Zumindest zur Herstellung einer Präzisionsanordnung, auf deren Messungen die mit einfacheren Anordnungen, deren Angleichung nicht strengsten Anforderungen genügt, erhaltenen Meßwerte bezogen werden können und' sollen, wird man den Monochromator heranziehen müssen. Dieser wird hierbei als Filter beliebig einstellbarer Durchlässigkeit verwendet in einer Anordnung, die man auch wohl als V a r i o i l l u m i n a t o r bezeichnet. Jeder Doppelmonochromator mit gegenläufiger Dispersion läßt sich in einen solchen Varioilluminator umbauen. Bei diesem wird der Mittelspalt durch eine Blende ersetzt, die nur den gewünschten Wellenlängenbereich durchläßt und innerhalb dieses Bereiches Strahlung jeder Wellenlänge durch Wahl der Blendenhöhe nur in dem Maße, das der Wirksamkeit der betreffenden Wellenlänge entspricht. Der die Blende in ihrer Höhe begrenzende Kurvenzug ist aus der Dispersion des Monochromators, seiner spektralen Durchlässigkeit und der spektralen Empfindlichkeit des Strahlenempfängers so festzulegen, daß die resultierende Empfindlichkeit der Anordnung in ihrer spektralen Verteilung mit der zu realisierenden Wirkungskurve übereinstimmt. Das den Austrittsspalt verlassende Strahlengemisch ruft dann in der hinter diesem angeordneten Photozelle einen Photostrom hervor, der unmittelbar der zu erwartenden Wirkung proportional ist. Mit diesem Prinzip lassen sich sämtliche Wirkungskurven exakt reproduzieren. Man kann auf diese Weise auch eine Meßvorrichtung herstellen, welchen den Strahlenfluß im Gebiet des UV-A, UV-B und UV-C einer jeden beliebigen Strahlenquelle bei Abgrenzung dieser Bereiche durch ideale Rechteck-Kurven, vgl. 119, zu messen

E . Spektrale Zerlegung ohne Prisma

149

gestattet. Der die Blende hierbei begrenzende Linienzug ist aber durchaus nicht rechteckig, vielmehr so gekrümmt, daß für jede Wellenlänge das Produkt aus Monochromatordurchlässigkeit und Empfindlichkeit der zum Messen zu verwendenden Zelle und Ordinate der Blendenöffnung konstant wird. Der Linienzug läuft also invers zu der nach 162 zu ermittelnden spektralen Empfindlichkeitskurve der aus Monochromator und Photozelle bestehenden Anordnung, wobei der Abszissenmaßstab der Dispersion des Monochromators Rechnung zu tragen hat [402, 559 a, 584, 585, 586, 587, 712]. Mit dem Varioilluminator kann man, bei Verwendung einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum auch ein Spektrum konstanten Strahlungsflusses je Wellenlängenbereich AI herstellen. Oder es läßt sich z. B. in biologischen Versuchen die Wirkung der Zumischung von Strahlung aus beliebig zu wählenden Wellenlängenbereichen zur Wirkung der Strahlung einer fest eingestellten Wellenlänge untersuchen [490], Der Einfachmonochromator bietet dieselben Möglichkeiten. Hierbei ist die berechnete Blende an Stelle des sonst gebräuchlichen Austrittsspaltes zu setzen und die aus der Blende austretende spektral zerlegte Strahlung durch eine Linse genügend großen Durchmessers zu einem Strahlengemisch zu vereinigen. Diese Linse wird so aufgestellt, daß auf dem Strahlungsempfänger ein Bild des Kollimatorobjektives entworfen wird.

E. Spektrale Zerlegung ohne Prisma 134. Filter-Moiiochromatoren. Die Herstellung monochromatischer Strahlung kann, wenn nicht besonders hoheAnforderungen an spektrale Reinheit zu erfüllen sind, mit Hilfe von Metalldampflampen und Filtern erfolgen. Bei dieser Kombination hebt der ziemlich große Abstand zwischen den einzelnen Linien die Nachteile auf, die darauf beruhen, daß die Filterdurchlässigkeitskurven keine Rechteckform besitzen [676], Um möglichst viele Linien zur Verfügung zu haben, muß man außer der HgHochdruck-Lampe andere Strahlungsquellen verwenden, die in Form von Spektrallampen, vgl. 64, im Handel erhältlich sind. In Frage kommen die Cd-, Zn- und TlLampe. Die monochromatisch darstellbaren Linien und die dazu geeigneten Filter sind in Tabelle 31 angegeben [425, 527, 677]. Vor Verwendung der Filtermonochromatoren empfiehlt es sich, unter Benützung der für den Lampentyp charakteristischen relativen spektralen Energieverteilung und der Durchlässigkeit der Filter die hinter der Filterkombination vorhandene spektrale Energieverteilung überschlagsweise zu berechnen (wie dies für ein Beispiel in Tabelle 32 durchgeführt ist), um zu prüfen, ob die erreichte Monochromasie für den geplanten Verwendungszweck ausreicht. Für dieses Beispiel ergibt sich, daß der Versuch, bei der Quecksilber-Hochdrucklampe die Strahlung der Wellenlänge 366 m/z zu isolieren durch die Verwendung des Filters UG 2 allein nicht gelingt, da ein hoher Anteil von Strahlung der Wellenlänge 313 m^ und 334 mju mit durchgelassen wird. Dieser läßt sich durch das Filter B G 12 beseitigen, allerdings auf Kosten der Durchlässigkeit für Strahlung der Wellenlänge 366 m/u. Ob der auch dann noch vorhandene geringe Anteil an Strahlung der Wellenlänge 334 mn (etwa 0,4 v. H.) bei der vorgesehenen Verwendung stören kann, ist von Fall zu Fall zu entscheiden. Der Anteil von 334 m¡i kann durch Erhöhen der Schichtdicke von BG 12 herabgesetzt werden. Selbstverständlich bedeutet jede erhöhte Anforderung an Monochromasie einen Verlust an Bestrahlungsstärke.

III. Messung der UV-Strahlung

150

T a b e l l e 31 Filter-Monochromatoren LampentyP

in

A

Filter (Flüssigkeitsfilter in 20 mm Schichtdicke)

Durchlässigkeit für A in v. H.

Zusatzfilter zur Unterdrückung der Infrarotstrahlung

Chlor-Brom + UG 5 (3 mm) 10 H20 (oder Bäckström) Zn 308 UG 5 (3 mm) + Bäckström 6 -(- Pikrinsäure (16 mgß) HgH 313 UG 5 (3 mm) + Kaliumchromat) 35 CuS0 4 (57 g/l, 10 mm) (150 mg/Z) HgH 313 UG 5 (3 mm) + GG 19 (3 mm) 10 + WG 5 ( 3 mm) >J >> Cd UG 5 (3 mm) + Bäckström 326 6 + Kaliumchromat (150 mgß) HgH 334 UG 5 (3 mm) + Bäckström 10 >3 »> + Salpetersäure Zn 328 UG 5 (3 mm) + Bäckström 2 »» >• + Salpetersäure —35 T1 8 352 UG 2 (2 mm) + BG 12 (2 mm) —53 + Bäckström (halbe Schichtdicke und halbe Konzentration) HgH 366 UG 2 (2 mm) + BG 12 (4 mm) 26 CuS0 4 + BG 19 (2 mm) T1 378 30 UG 2 (2 mm) + GG 18 (2 mm) Jf HgH 405 5 GG 4 (1,5 mm) + UG 3 (9 mm) HgH 436 BG 12 (4 mm) + GG 3 (4 mm) 20 HgH 40 546 OG 1 (1 mm) + BG 11 (20 mm) + BG 18 (3 mm) HgH 577/9 OG 2 (2 mm) + BG 18 (1 mm) 35 55 fi + VG 3 (1 mm) Soweit nähere Angaben über die Filter nicht gebracht sind, so sind diese aus den Unterschriften zu den Abb. 139 und 144 zu entnehmen. Nach [240]. HgN

254

)>

>>

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T a b e l l e 32 S p e k t r a l e R e i n h e i t des F i l t e r - M o n o c h r o m a t o r s f ü r die Linie 366 m^ des U V - N o r m a l s Wellenlänge in m[j. Durchlässigkeit von BG 12 (4 mm) in v. H. ,, UG2 (2 mm) in v. H „ BG 1 2 + U G 2 i n v . H Relative spektrale Energieverteilung der HgHLampe in relat. Einheiten Relative spektrale Energieverteilung hinter UG 2 allein in relat. Einheiten Relative spektrale Energieverteilung hinter UG 2 + BG 12 in relat. Einheiten

313

334

366

405

0 7,3 0

0 25 0

2,3 64 1,5

35 71 25

55 0,03

29

67

7

100

48

2,1

17

4,5

71

0,01

0

0

0,1

25

0,01

302

0,02

In Tabelle 32 sind für die Werte der spektralen Energieverteilung nur die Werte des Linienspektrums des UV-Normals berücksichtigt. Wie aus Tabelle F (siehe Anhang S. 327) hervorgeht, spielt aber der kontinuierliche Anteil des Spektrums einer Hg-Hochdrucklampe eine nicht unerhebliche Rolle. Unter Berücksichtigung des Kontinuums ergibt sich bei Benutzung eines anderen, auf S. 172 erwähnten Filtersatzes rechnerisch die in Abb. 148 wiedergegebene spektrale Energieverteilung hinter

E. Spektrale Zerlegung ohne Prisma

151

dem Filter. Man sieht daraus, daß außer der Linie 366 m¡x das Kontinuum zum durchgelassenen Strahlungsfluß einen Beitrag von etwa 10 v. H. liefert (vergl. S. 173). Außerdem ist die Durchlässigkeit für die Linie 33im.fi zu erkennen, die sich IkH. tos Martmum aerKurre fìtgr 0,6 durch Erhöhung der Schichtdicke bei der Ordinato 3S96hH. von BG 12 erheblich schwächen läßt. 05 Aus diesem Beispiel geht hervor, daß -¿S3* man den Einfluß der kontinuierlichen Strahlung auch von Hg-HochI«» drucklampen mit einem Dampfdruck von etwa 1 at nicht vernachlässigen darf. |«2 Die Anforderungen hinsichtlich spektraler Reinheit sind von dem Anwendungszweck abhängig. Man •X3fi A«sr kann stets eine größere Reinheit dajh. durch erreichen, daß man größere 120 Ì60 hW 560 Filterdicken anwendet. Allerdings Waller, länge wird dabei stets die Durchlässigkeit Abb. 148. Spektrale Energieverteilung des UVdes Filtersatzes für die hindurchzu- Normals bei Vorschaltung der Filter U G 2 ( 2 m m ) , lassende Linie herabgesetzt. In BG 12 (2 mm), B G 19 (2 mm) und CuS0 4 zur Isou n g der Linie 366m[/.. Man beachte, daß der Balwelcher Weise die Durchlässigkeit l i e r ken für 366 m// eine Länge von 2,70 m hat. von der spektralen Reinheit abhängt. ist aus Abb. 149 [677] ersichtlich. Bei Verwendung eines nicht selektiven Strahlungsempfängers, z. B. des Thermoelementes ist bei einer Gesamtdicke des Filtersatzes von 2 mm nur eine Rein90°/o heit von 94,5 v. H. zu erreichen, die bei Vergrößerung Na-Zelle, 80 der Schichtdicke auf 3, bzw. /^(teinhen 4 mm auf 98 bzw. 99 v. H. / steigt. Gleichzeitig ist die /Photo-yf 70 ¡element/ N. Durchlässigkeit für die Linie N N 366 m/i von 58 'auf 57, bzw. SO X 47 v. H. gesunken. Wenn f-Thermoe! 'ment tgkeif man also bei der spektralen SO Reinheit bereits nahe an den Wert 1 herangekommen ist, «0f so ist die weitere Zunahme an Reinheit nur durch eine m —^ GesamtfH 'erdicke 30 verhältnismäßig große Eini Viemotltment buße an Durchlässigkeit zu 3mm erreichen. Na-Zells 2mm Wie aus der Abb. 149 • Dicke des UGZ-filters weiterhin hervorgeht, ändert Abb. 149. Abhängigkeit der erreichbaren Reinheit (besich die erreichbare Reinzogen auf verschiedene Strahlungsempfänger) bzw. Durchlässigkeit des verwendeten Filtersatzes von der heit, wenn man einen andeDicke des Filtersatzes, bestehend aus UG 2 und WG 2 ren Strahlungsempfänger als Gläsern. Strahlenquelle: Hg-Hochdrucklampe aus das Thermoelement verwenQuarzglas. Nach S t a a t s [677]. det. Bei einem selektiven Strahlungsempfänger, z. B. Natriumzelle, ist nämlich nicht der gesamte optische Spektralbereich wie beim Thermoelement zu berücksichtigen. Man erreicht des-

f

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90 •

Abb. 202. Spektrale Durchlässigkeit verschiedener Hautschichten, nach B a c h e m [902, 903] Kurve 1 für Hornschicht 0,03 mm dick, Kurve 2 für Epidermis 0,05 mm dick, Kurve 3 für Epidermis und Papillarschicht 0,5 m m dick, Kurve 4 für die gesamte aus Epidermis und Corium bestehende Haut, 2 mm dick.

Man sieht, daß in dem hier in Betracht kommenden Bereich unterhalb 300 mp die Durchlässigkeit der Hornhaut nur gering ist. Die Hornhaut besteht aber aus verhornten, abgestorbenen Zellen, die am Stoffwechsel nicht mehr teilnehmen, so daß die in ihnen sich vollziehenden photochemischen Prozesse keine primären biologischen Wirkungen hervorzurufen imstande sind. Die Hornhaut wirkt daher ausschließlich als Strahlenfilter, das vor. allem die Strahlung unterhalb von 200 m/z von den tieferen lebenden Schichten fern hält. Die nächste Kurve (2) gibt die Durchlässigkeit der Oberhaut an, die aus Hornhaut, Glanzschicht und Keimschicht besteht. Der Abstand der Kurven (1) und (2) gibt an, welcher. Teil der auf die Hautoberfläche auffallenden Energie in den neu hinzugekommenen Schichten, also in der Übergangs- und Keimschicht absorbiert wird. In entsprechender Weise ist die Durchlässigkeit der Oberhaut einschl. der darunter befindlichen Papillarschicht als Kurve (3) wiedergegeben. Man sieht, daß keine UV-Strahlung über die Papillarschicht hinaus eindringt. Die Eindringungstiefe in der Haut ist also etwa 0,5 mm [902, 903].

C. Erythem und Pigment

237

220. Entstehung des Erythems. Die beiden Maxima der Erythemkurve entsprechen zwei verschiedenen selektiven Wirkungen. Die Wellenlängenabhängigkeit ergibt sich aus der aktiven Absorption in dem Eiweiß der lebenden Zelle und aus der passiven Absorption in der darüber liegenden, nur als Strahlenfilter wirkenden Hornhaut. Die Eiweißstoffe haben ein Maximum der Absorption bei 265 m/u. Welche von diesen Stoffen in Betracht kommen, ist noch fraglich. Man kann z. B. an die Nukleinsäuren denken. Obgleich noch nicht alle Einzelheiten geklärt sind, ergibt sich für die Erythemerzeugung durch Strahlung von 250 m/z etwa folgendes Bild. Aus Reagenzglasversuchen weiß man, daß sich der Eiweißbaustein Histidin durch Bestrahlung mit UV unterhalb 270 mfi in Histamin umwandelt. Dieser Stoff aber ist bekanntlich ein Kapillargift, das eine Erweiterung der Hautkapillaren hervorruft, die nach außen hin als Erythem in Erscheinung tritt. Es liegt daher nahe, das UV-Erythem nach Bestrahlung mit UV unterhalb 270 m/j, auf die photochemische Bildung von Histamin zurückzuführen. Da in der Haut nur ein beschränkter und außerdem geringer Vorrat von Histidin vorhanden ist, so kann die Rötung mit zunehmender Dosis nur wenig ansteigen. Daß kurzwelliges UV ein Erythem von flacher Gradation liefert, erscheint daher verständlich. Das Histamin läßt sich in der Haut erst beim Auftreten des Erythems nachweisen, im Blut dagegen bereits während der Bestrahlung [963]. Das längerwellige UV (um 300 m/i), das an sich zur photochemischen Bildung von Histamin nicht fähig ist, wird in stärkerem Maße als die kürzerwellige Strahlung von der Hornhaut durchgelassen, so daß es in den tieferen Schichten eine stärkere Wirkung entfalten kann. Diese besteht in einer unmittelbaren Zerstörung der Zellen, — indem die Thymonukleinsäure des Zellkerns angegriffen wird — aus denen dabei histaminähnliche Substanzen austreten. Durch mikroskopische Untersuchungen der Zellen mit UV konnte unmittelbar gezeigt werden, daß in der Zelle praktisch die Absorption des UV im Zellkern in den Vordergrund tritt, und daß der spektrale Verlauf dieser Absorption mit dem der Thymonukleinsäure übereinstimmt [912]. Mithin muß der Angriff der UV-Strahlen nach dem Gesetz von G r o t t h u s - D r a p e r vorwiegend an dem Zellkern erfolgen. Diese Anschauung erhält dadurch eine wesentliche Stütze, daß die Absorptionskurve der Thymonukleinsäure unter Berücksichtigung der UV-Durchlässigkeit der Hornhaut einen Verlaufhat, der befriedigend mit dem der Erythemkurve übereinstimmt [928]. Da bei der Zellzerstörung eine unvergleichlich größere Histaminmenge freigesetzt werden kann, als bei der unmittelbaren photochemischen Bildung von Histamin, wird bei der Bestrahlung mit UV von 300 m/t mit zunehmender Dosis eine starke Zunahme der Rötung auftreten und das Erythem eine steile Gradation zeigen. Da nach dieser Hypothese bei Bestrahlung mit UV-B das Histamin erst auf dem Umweg über die Zellzerstörung wirksam wird, ist es verständlich, daß dieses Erythem eine längere Latenzzeit als das durch kurzwelliges UV hervorgerufene hat [922, 923, 928, 1039]. 221. Pigmentierung. Auf stärkere Erythemgrade folgt eine länger dauernde Hautbräunung, das P i g m e n t . Dieses Pigment rührt von dunklen Melaninkörnern her, die nach der vorherrschenden Theorie aus einem wohl dem Dopa (Dioxyphenylalanin) ähnlichen, in der Haut vorhandenen Stoff vermittels eines Fermentes, der Dopa-Oxydase, unter dem Einfluß der Bestrahlung gebildet werden. Dièse Pigmentneubildung geschieht an der Grenzschicht zwischen Keim- und Papillarschicht (vgl. 219). Unter dem Einfluß einer Lichtentzündung, des Erythems, steigen die Pigmentkörper in die Höhe und verblassen nach 8 bis 10 Tagen. Diese, einem Erythem folgende Pigmentierung hat eine ziemlich lange£Latenzzeit und führt zu einem meist fahlbraunen Pigment und geht beim Abschuppen der Haut im Verlauf weniger Wochen zurück [948, 949, 958],

238

IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

Von dieser Pigmentierung, die vor allem durch Strahlung unterhalb 310 m^ hervorgerufen wird, ist eine zweite Art Pigmentierung zu unterscheiden, die durch Strahlung größerer Wellenlänge erzeugt wird. Sie entsteht ohne vorausgegangenes Erythem im unmittelbaren Anschluß an die Bestrahlung. Die Pigmentierung erreicht ihr Maximum bereits nach einer Stunde. Ein derartiges Pigment wird durch UV zwischen 310 und 400 m/i hervorgerufen (Abb. 203). Da diesem Pigment keine Entzündung, also kein Erythem vorausgeht, kann es nicht durch Emporsteigen von Pigmentteilchen in oberflächennahe wo Hautschichten entstehen. Eine Besonderheit ist noch darin zu sehen, daß 80 diese Pigmentierung bei Kompression der Haut, also bei Behinderung der SO Durchblutung während der Bestrahlung nicht auftritt [927, 929 bis 932, 933, % 943, 944, 955]. Es hat sich gezeigt, daß es sich bei der Pigmentierung durch 20 langwelliges UV im Gegensatz zu der Pigmentierung, die einer Bestrahlung MO ¡00 320 m m 580 mit UV-B 1 )undUV-Cfolgt,nichtum eine Wellenlänge • Pigmentneubildung unter Beteiligung Abb. 203. Spektrale Wirkungskurve der direkten Pigmentierung. Nach H e n s c h k e und der Dopa-Oxydase handelt, sondern S c h u l z e [943]. lediglich um eine stärkere Färbung an sich schon vorhandener Pigmentteilchen. Diese Färbung"erfolgt unter dem Einfluß der Bestrahlung mit langwelligem UV durch Einwirkung des Blutsauerstoffes [946] und bleibt deshalb bei Behinderung der Durchblutung aus. Die Pigmentierung durch langwelliges UV setzt also früher erfolgte Pigmentierungen auf Grund von Pigmentneubildung unter dem Einfluß von Bestrahlungen mit kurzwelligem UV voraus. Da keine neuen Pigmentteilchen durch Bestrahlung mit langwelligem UV gebildet werden können, sondern die bereits vorhandenen stärker gefärbt werden, hat die durch langwelliges UV erzeugte Pigmentierung eine flache Gradation, die zudem mit zunehmender Wellenlänge abnimmt [959—961]. Die individuelle Pigmentierungsempfindlichkeit ist verschieden groß. Im Gebiet maximaler Wirkung, etwa bei Wellenlänge 340 m¡x kann man damit rechnen, daß zur Erreichung der Pigmentierungsschwelle im Mittel eine Dosis von 20 Wattsek/cm 2 erforderlich ist. Das ist aber das 300—lOOOfache der Dosis, die bei 297 mfi (vgl. 217) zum eben sichtbaren Erythem führt. Die durch langwelliges UV hervorgerufene Pigmentierung hat eine rötlichbraune Färbijng und ist beständiger als die Pigmentierung, die auf ein Erythem folgt [943, 94:4, 975], Das unterschiedliche Verhalten der beiden Pigmentarten geht besonders deutlich aus Abb. 204 a und 204b hervor. In Abb. 204 a ist die sofortige Bildung der Pigmentierung noch während der Bestrahlung mit langwelligem UV zu ersehen, während in Abb. 204b das Auftreten der Pigmentierung bei Bestrahlung mit der Wellenlänge 298 m/j, erst nach einer Latenzzeit festzustellen ist. Dieser Pigmentierung geht außerdem ein starkes Erythem voraus. Bezüglich Erythem und Pigment lassen sich bei Bestrahlnng mit der Sonne drei Reaktionstypen unterscheiden: Die erste Gruppe, die sowohl mit Erythem als auch mit direkter Pigmentierung reagiert, umfaßt 77 v. H. Diese Gruppe besitzt rötliche gesund erscheinende Haut mit normaler Hautfunktion. Die zweite Gruppe reagiert nur mit Erythem und zeigt keinerlei direkte Pigmentierung; sie umfaßt V.H.

/

//

») UV-A umfaßt den Bereich 315 bis 400 m(x, UV-B den von 280 bis 315 m|x und UV-C den unterhalb 280 mjx. Vgl. 4.

C. Erythem und Pigment

239

9 v. H. Diese Gruppe hat blasse ungesund erscheinende Haut, zur Sommersprossenbildung neigend, meist hellblonde Haarfarbe. Die dritte Gruppe reagiert mit direkter Pigmentierung ohne Erythem und umfaßt 14 v. H. Diese Gruppe besitzt stark pigmentierte lederartige Haut, Pigmentierung auch an unbestrahlten Hautpartien. Bei der ersten Gruppe beträgt bei Ablesung 24 Stunden nach der Bestrahlung die Schwellenzeit für die direkte Pigmentierung 20 min, für das Erythem 51 min. Man sieht aus diesen Zahlen, daß man sich bräunen kann, ohne Erythem zu bekommen. Bei der zweiten Gruppe ist die Erythemschwellenzeit 37 min, bei der dritten Gruppe die Zeit für die Pigmentierungsschwelle 22 min. Die Angaben beziehen sich auf eine Sonnenhöhe von 50° [974 a, 947 b].

1 I

Schluß der Einstrahlung-^

i

\y2

3

worin die Indizes 1, 2 und 3 die Bedeutung 297, 302 und 313 m/i haben. Nach [940] ist h = 0,1 «1 «2 = 0,6

a, =

0,3.

Die mittlere Durchlässigkeit des Lichtschutzmittels, bezogen auf die Sonnenstrahlung und das Erythem, ist also: (55)

DEryth. Sonne = 0,1 • D297

m/l

+ 0,6 • D302

mfl

+

0,3 •

DS l3m/i

In entsprechender Weise wird die Durchlässigkeit für die langwellige UV-Strahlung der Sonne, die unmittelbare Pigmentierung hervorrufen kann, errechnet: (56) Dpign,. Sonne — 0,1 • ¿>313 m/t + 0,45 • D334 mfl + 0,35 • Z)366 mfl + 0,1 • Z>405 mfl Bei der Bewertung der Lichtschutzmittel ist zu berücksichtigen, daß diese im allgemeinen in einer dünneren Schicht als 10 fi aufgetragen werden, nämlich in einer Schicht von 9 ¡x (Salben und Creme) bzw. von 7 n (Öle und Wasser). Die in 235 genannten Grenzwerte einer Durchlässigkeit von 20 (bzw. 10 v. H.) im erythemerzeugenden Spektralbereich erniedrigen sich daher auf 15 v. H. (7 v. H.) bei Salben und Creme und auf 10 v. H. (4 v. H.) bei Ölen und Wasser, wenn man die Durchlässigkeitsmessung bei einer Schicht von 10 ß Dicke vornimmt. 239. Zusammenstellung der wichtigsten Lichtschutzmittel. In den Tabellen 39 sind alle wichtigen erhältlichen Lichtschutzmittel1) aufgeführt, soweit sie eine Höchstdurchlässigkeit im erythemerzeugenden Spektralbereich von 50 v. H. be-

i

phenylb enzimidazoM sulfosaures Natrium!

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Tonnin

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280

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§ 'A pq

cö 1,15

0,7 bis 1,15

17 83 78 80 59

UV-A

UV-B

0,4 bis 0,7

0,32 bis 0,4

0,28 bis 0,32

< 0,28

33 13.4 15.5 13,5

46 3,4 4,7 5

3,5 0,2 1,1 0,9

0,5 0,01 0,7 0,3

0,00 0,00 0,00 0,3

2,5

15

7

8,5

8

) Hersteller: Quai zlampen G esellschaft in . b . H . , H a nau. ) Hersteller: Ing. J. Linder, Wien.

2

19

Ultraviolette Strahlen

UV-C

290

IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirktingen der UV-Strahlen

druckbogen, die Glühlampe, die Ultra-Vitaluxlampe, den Kohlenbogen (Reinkohlen) und die Sonne wieder. Man sieht, daß bei sämtlichen künstlichen Strahlern ein erheblicher Anteil der Strahlung im langwelligen Infrarot liegt, während die Sonne in diesem Spektralgebiet nur wenig Strahlung aussendet. Dagegen zeichnet sich die Sonne durch einen hohen Prozentsatz sichtbaren Lichtes aus, der von keiner der anderen Strahlungsquellen erreicht wird. „Was die zweckmäßigste Energieverteilung im Spektrum betrifft, so spielt bisweilen sowohl in der wissenschaftlichen Diskussion als auch ganz besonders in der Reklame der Begriff der Sonnenähnlichkeit eine Rolle. Aber abgesehen davon, daß es nur sehr schwer möglich ist. selbst durch Kombination mehrerer Lichtquellen wirkliche Sonnenähnlichkeit zu erreichen, erscheint es durchaus zweifelhaft, ob dies ein erstrebenswertes Ziel ist, oder ob es nicht vielmehr besser ist, die Lichtquelle dem jeweiligen Anwendungszweck anzupassen" ( F r i e d r i c h und S c h r e i b e r [491]). Es wurde trotzdem gelegentlich versucht, eine gewisse Sonnenähnlichkeit zu erreichen. Dies geschieht einerseits durch eine Wellenlängenbegrenzung im kurzwelligen UV durch ein Glasfilter und im langwelligen Infrarot durch ein Wasserfilter. Andererseits ist es — gleichgültig von welcher Lampe man ausgeht — erforderlich, das Spektrum im langwelligen pigmentbildenden UV-A und im sichtbaren Gebiet aufzufüllen. Bei der Hg-Hochdrucklampe ist im Gebiet der roten und kurzwelligen infraroten Strahlung eine Ergänzung notwendig. Die Aufgabe, einen wirklich sonnenähnlichen Strahler herzustellen, ist noch nicht technisch gelöst, da vor allem die Auffüllung im langwelligen UV Schwierigkeiten macht. Außerdem wird durch die erforderliche vielfache Filterung die Ausbeute sehr schlecht, so daß die Leistungsaufnahme sehr groß gewählt werden muß, zumal die Forderung nach Sonnenähnlichkeit ähnliche Bestrahlungsstärken wie bei der Sonne bedingt [196, 1254, 1269, 1304]. Eine theoretisch denkbare Kombination aus Hg-Hochdrucklampen, Glühlampen und den benötigten Flüssigkeits- und Glasfiltern und Reflektoren würde z. B. eine Leistungsaufnahme von 4000 Watt erfordern. Sie wäre damit imstande, in 50 cm Abstand ein Feld von 30 cm Durchmesser mit einer mittleren Bestrahlungsstärke von rd. 100 mW/cm 2 (wie bei der Sonne) auszuleuchten. Dabei würden auf UV-B, UV-A, sichtbares Gebiet und kurzwelliges Infrarot etwa die der Sonnen- und Himmelsstrahlung entsprechenden Energieanteile entfallen. Bei der Verwendung einer solchen Lampe würden auch dieselben Bestrahlungszeiten wie bei der natürlichen Sonnen- und Himmelsstrahlung erforderlich und zulässig sein. Eine derartige künstliche Strahlenquelle vermöchte die Heliotherapie auf ihrem eigensten Anwendungsgebiet, dem der chirurgischen Tuberkulose (vgl. 257) zu entthronen. Da aber gerade auf diesem Gebiet langdauernde Kuren (von 6 bis 36 Monaten) in geschlossenen Anstalten üblich sind, ist kaum anzunehmen, daß künstliche Strahlenquellen der geschilderten Art sich in der Praxis einführen werden. Um festzustellen, wieweit bei Großbestrahlungsanlagen die Sonnenähnlichkeit unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit erfüllt ist, wurden Messungen in drei verschiedenen Bestrahlungsräumen durchgeführt [168a, 168b], Der erste mit einer Grundfläche von 8 x 4,5 m war an den Wänden mit 60 Ultra-Vitalux-Reflektorlampen bestückt, der zweite mit einer Grundfläche von 4 X 4 m mit 8 Quarzlampen S 700, der dritte gleichfalls mit 4 x 4 m mit einer Kandem-Sonnenlampe (vgl. auch Abb. 240) dient zur Bestrahlung von liegenden Personen. I n der Tabelle 42 sind die Ergebnisse zusammengefaßt. Der Bewertung der Anlagen wurde die Bestrahlungsstärke im UV-A zugrundegelegt, die bei der natürlichen Bestrahlung mit Sonne und Himmel etwa lOmal so groß ist, wie bei den drei künstlichen Strahlern. Wenn man weiterhin berücksichtigt, daß bei diesen wegen des Gehaltes an UV-B und UV-C die Bestrahlungszeiten etwa 1 / 10 derjenigen bei der Sonne sind, so ergibt sich, daß die

291

F. Therapeutische Lampen und ihre Bewertung

den einzelnen Patienten zugeführte Dosis von Strahlung aus dem Gebiet UV-A bei der Sonne lOOmal so groß ist, wie bei den künstlichen Strahlern, wobei allerdings die Kandemlampe besser abschneidet, als die Anlagen mit Quecksilberlampen. Legt man dem Vergleich den im sichtbaren und infraroten Spektralbereich liegenden Energieanteil zugrunde, so schneiden die künstlichen Strahlenquellen im Licht ähnlich ungünstig ab, wie im UV-A, im Infraroten übertreffen sie die Sonne und besitzen vor allem eine unerwünschte zu langwellige Strahlung (vgl. hierzu auch Tabelle 41). T a b e l l e 42 Vergleich v e r s c h i e d e n e r G r o ß b e s t r a h l u n g s a n l a g e n . N a c h H e r m a n n [168a, 1681»]. Bestrahlungsraum Strahlungsquelle

Höchste Zahl der gleichzeitig bestrahlten Patienten

Sonne -jHimmel

unbegr.

Gesamt-Leistungsaufwand (kW) Leistungsaufwand je Patient = spez. Leistung (Watt/Patient) Bestrahlungsdauer (Minuten) Leistung • max. Bestrahlungsdauer / Patient = max. Energie je Patient (kWh/Patient) Max. Stromkosten je Bestrahlung und Patient bei 1 kWh = 0,20 DM (DM/Patient) Mittlere wirksame Bestrahlungsstarke für A 316—400 m(i (|jiWatt/cm 2 ) Gütefaktor — mittl. wirks. Bestrahlungstärke/spez. Leistimg Mittl. wirks. Dosis (315—400 mjz) je Patient u. Bestrahlung (Wattsec/cm 3 )

I

II

III

UVR-Lampe (Osram)

S 700 (Hanau)

KandemSonnenlampe (Körting)

20

10

—

18

—

900

560

5—35

3—15

12—60

0,526

0,140

0,560

0,11

0,03

0,11

688

456

782

0,76

0,81

1,40

0,83

0,25

1,68

60—360

'

—

—

4590 —

49,6

5,6

8 4,5 560

Beachtlich ist die hohe Leistungsaufnahme der Strahler, die sich in den Stromkosten auswirkt. In Bezug auf die Kosten je Bestrahlung und je Patient schneidet die Quarzlampe S 700 am besten ab. Bei einem genauen Vergleich müßte man allerdings auch die durch den Anschaffungspreis bedingten Amortisationskosten und außerdem einen Betrag für die laufende Erneuerung der Strahler berücksichtigen. Da die allgemeine unspezifische UV-Therapie, vor allem aber die Ausgleichsbestrahlung gesunder berufstätiger Menschen, wie in 253 und 255 gezeigt wurde, auf dem Reiz beruht, der sowohl durch die gelinde Zellzerstörung in der Oberhaut 19*

292

IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

als auch durch die Bildung von Vitamin D und anderer Wirkstoffe (z.B. Histamin) in der Haut hervorgerufen wird, ist die Forderung nach „Sonnenähnlichkeit" nicht zu rechtfertigen. Um kurzdauernde Bestrahlungen verabreichen zu können, muß eine künstliche Strahlenquelle an UV-B reicher sein als die Sonne. Gleichzeitig vorhandenes UV-C ist eher nützlich, bestimmt nicht schädlich. Über den therapeutischen Nutzen von UV-A und Licht bei der allgemeinen unspezifischen UV-Therapie liegen aber noch zu wenig gesicherte Ergebnisse vor, so daß damit die Forderung nach „Sonnenähnlichkeit" künstlicher UV-Strahlenquellen heute noch nicht wissenschaftlich überzeugend begründet werden kann. Es ist also festzustellen, daß jeder künstliche UV-Strahler für die allgemeine unspezifische Therapie, insbesondere für die Bestrahlung gesunder Menschen zum Ausgleich für den durch das Berufsleben erzwungenen Mangel an Sonnenbestrahlung, geeignet ist, sofern sein ausgeleuchtetes Feld groß genug ist, eine Ganz-Körperbestrahlung vorzunehmen, und wenn seine Strahlung ferner imstande ist, ein UVErythem hervorzurufen. Die Auswahl unter den in Frage kommenden UV-Strahlern wird man dann nicht nach dem Gesichtspunkt der rein gefühlsmäßig beurteilten „Sonnenähnlichkeit" treffen — von der alle auf dem Markt befindlichen leistungsfähigen UV-Strahler gleichweit entfernt sind und bleiben werden — sondern nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten: leichte und bequeme Bedienung, hoher Wirkungsgrad der UV-Strahlenerzeugung. Für die spezifische Anwendung der UV-Strahler für zahlreiche Krankheiten in der Hand des Arztes erfolgt die Auswahl gleichfalls nicht nach dem Grade ihrer „Sonnenähnlichkeit", sondern ausschließlich nach der für den speziellen Krankheitstyp erprobten Eignung. In Tabelle 43 sind für einige besonders verbreitete UV-Strahler, wie sie für allgemeine Ganzkörperbestrahlung gesunder Personen oft verwendet werden, bzw. die vom Arzt nach spezieller Indikationsstellung als Heilpaittel herangezogen werden, zahlenmäßige Angaben gemacht. Diese betreffen die elektrische Leistung, die Größe T a b e l l e 43 Angaben über Leistungsaufnahme bei 220 V Wechselstrom, ausgeleucht e t e s Feld und Erythemdosis für einige handelsübliche UV-Strahler [304]

Lampe

S 100 S 300 S 500 S 700 Ultra-Vitalux (Reflektortyp) . . . . Kwarza-Bona Kadmium-Lampe Kandem-Bogenlichtsonne Kandem-Sonnenlampe Albertus- Sonne Ulvir Perihel 1

) Gleichzeitig 3 Personen. Gleichzeitig 8 Personen. ) Je nach Kohlensorte.

2 ) 3

Netzleistung in kW bei 220 V

Abstand von Lampe in m

Durchmesser bzw. Größe des ausgeleucht. Feldes in m

Erythemdosis für normale nicht vorbestrahlte Haut in min, etwa

0,30 0,30 0,56 0,70 0,30 0,25 0,6 1,8 4,5 1,0 0,7 0,04

0,5 0,5 1 1 0,5 0,5 1 1 2 0,50 1 0,5

0 0,30 0 0,60 0 0,90 1,8 X 1,8 0 0,35 0,7 X 0,5 0 0,6 0,8 X 1,3 4X4 0 0,35 0 0,10 0 0,20

3 2 1 l1) 6 4 1 6 6«) 6—25») 10 10

F. Therapeutische Lampen und ihre Bewertung

293

des gleichmäßig ausgeleuchteten Feldes in dem vorgeschriebenen Bestrahlungsabstand und die Bestrahlungszeit zur Erreichung eines mittleren Erythems. An Hand dieser Zahlentafel kann je nach dem in Frage kommenden Verwendungszweck eine geeignete Strahlenquelle ausgesucht werden. Vergl. auch Tabelle M, S. 337. 290. Bewertung verschiedener therapeutischer Lampen hinsichtlich Erythemund Pigmenterzeugung. Die in Tabelle 41 gewählte Darstellung gibt zwar in großen Zügen einen Überblick über die Strahlungsverteilung auf einige wichtige Bereiche. Bei dem ausgesprochen selektiven Verhalten der UV-Reaktionen ist aber eine Ergänzung erforderlich. Hinsichtlich Erythem und Pigment, also den beiden am meisten erforschten UV-Reaktionen, gibt die folgende Tabelle 44 die gewünschte Charakterisierung, in der für eine Reihe von UV-Strahlern die relativen Werte der Gradation des Erythems und der Pigmentierung (Erythem- bzw. Pigmentierungscharakter) angegeben sind, vgl. 231. Diese Werte sind einfachheithalber auf die UV-Normallampe bezogen, für die die Gradation in beiden Fällen gleich 1 gesetzt wurde. Eine relative Gradation größer als 1 bedeutet, daß jeweils das längerwellige UV im Verhältnis zum kurzwelligen stärker vertreten ist als bei der UV-Normallampe. Die Reihenfolge in der Tabelle 44 ist nach steigender Gradation gewählt worden. Man sieht, daß die Anordnung nach steigender Gradation dieselbe Reihenfolge ergibt wie die Anordnung nach steigenden Verhältnissen UV-B/UV-C. T a b e l l e 44 B i o l o g i s c h e und p h y s i k a l i s c h e Bewertung von U V - S t r a h l e r n . Nach Friedrich [924], Strahler Wolframkohlenbogenlampe UV-Normallampe S 300-Lampe Alpinalampe A 150 Ca-Hochdruck-Lampe Nickelkohlenbogenlampe (20 A) Ultra-Vitalux S 100-Lampe Cd-Hochdrucklampe mit Uviolglas

relative ErythemGradation

relative PigmentierungsGradation

UV-B uv-c

0,81 1,00 1,03 1,16 1,22 1,39 1,66 1,66 1,8

0,84 1,00 1,00 1,12 1,18 1,46 1,54 1,54 1,84

0,87 1,00 1,04 1,56 1,76 3,23 67,5 67,5 90,3

291. Vergleich verschiedener therapeutischer Lampen hinsichtlich anderer biologischer Wirkungen. Da Erythem und Pigmentierung die therapeutische Leistung nicht kennzeichnen, kann aus dieser Tabelle kein Werturteil entnommen werden. Die Rachitisheilung und die allgemein umstimmende und leistungssteigernde WirWirkung würden, als Kriterium gewählt, eine andere Reihenfolge ergeben. Man sieht, daß die Bewertung je nach der im Vordergrund stehenden Anwendung ganz verschieden ist. Um dies zu erläutern, sei noch eine weitere Tabelle 45 gebracht, welche die Brauchbarkeit verschiedener therapeutischer Strahler für zahlreiche Hautkrankheiten angibt. 292. Rechnerische Bewertung von UV-Strahlern, wenn absolute spektrale Energieverteilung und biologische^Wirkungskurve bekannt sind. Für beliebige biologische Wirkungen, deren spektrale Abhängigkeit bekannt ist, kann eine Bewertung verschiedener UV-Strahler rechnerisch vorgenommen werden, sofern die spektrale Verteilung ihrer Bestrahlungsstärke vorliegt. Man braucht nur Wellen-

294

IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

Tabelle 45 R i c h t l i n i e n f ü r die S t r a h l e n b e h a n d l u n g H a u t k r a n k e r . Nach S c h u l t z e [1256],

Zeichenerklärung: + + — sehr gute Erfolge; + = gute Erfolge; ( + ) = Erfolg unsicher: — = erfolglos; 1 = keine Erfahrungen vorliegend.

1. Akne vulgaris (Pickel) 2. Akne conglobata 3. Alopecia areata (kreisförm. Haarausfall) 4. Ekzema sebörrhoicum 5. Ekzema acutum 6. Ekzem lokalisiert u. Liehen chron. simpl 7. Erysipel (Rose) 8. Ichthyosis (Fischschuppenkrankheit) 9. Liehen ruber planus (Knötchenflechte) 10. Liehen ruber accuminatus . 11. Pityriasis rosea 12. Pityriasis versicolor 13. Pruritus senilis und Pruritus bei Diabetes (Jucken) 14. Psoriasis (Scnuppenflechte) 15. Pyodermien (eitrige Hautentzündung) 16. Trichophytia prof. 17. Tuberkulose (lokale Bestrahlung) 18. Tuberkulose (allgemeine BeBestrahlung) 19. Ulcus cruris (Unterschenkelgeschwür)

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Dermatosen

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Hg-Hochdrucklampe

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KandemBogenlichtsonne mit ConradtyKohlen 4004; 60 und 18 A

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+ + (+) (+)

+ + —

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+

länge für Wellenlänge die spektrale Bestrahlungsstärke B x mit der spektralen Wirksamkeit Sx zu multiplizieren, und die Produkte Bx • Sx zu addieren. Bei einem Linienspektrum führt man diese Rechnung für die einzelnen Linien durch, bei einem kontinuierlichen Spektrum für Wellenlängenbereiche passend gewählter Breite. Bei einem kontinuierlichen Spektrum kann aber auch an Stelle der Zerlegung in Bereiche und anschließender Sümmierung unmittelbar eine Integration treten. Wenn die spektralen Bestrahlungsstärken verschiedener UV-Strahler im absoluten Maße bekannt sind, liefert das Ergebnis dieser Rechnung ein vergleichbares Maß für die Gasamtwirkung der betreffenden Strahlungsquellen hinsichtlich des behandelten biologischen Effektes [497, 901], Voraussetzung für diese Berechnung ist, daß die zur Erreichung gleichen Wirkungsgrades erforderliche Bestrahlungszeit in beiden Fällen nicht zu sehr voneinander verschieden ist, weil bei der biologischen Reaktion das B u n s e n - R o s c o e s c h e Gesetz nur bedingt gilt (vgl. hierzu 218). Das Ergebnis einer solchen Rechnung soll für zwei Strahlenquellen dargestellt werden. In Abb. 245 ist die spektrale Bestrahlungsstärke Bx einer Hg-Hochdrucklampe durch einzelne Bai-

295

F. Therapeutische Lampen und ihre Bewertung

ken wiedergegeben, während die nach der ErythemWirksamkeit gewertete Bestrahlungsstärke Bf durch schraffierte Balken wiedergegeben ist. Die gesamte Erythemwirkung ergibt sich dann als die Summe über die Flächen der schraffierten Balken. In ähnlicher Weise wurde die Rechnung für die Sonne durchgeführt. Die Kurve A der Abb. 246 gibt die spektrale Bestrahlungsstärke Bx für die Sonne an, wobei die gesamte Bestrahlungsstärke durch die Fläche zwischen Kurve A und Abszissenachse gegeben ist. Die nach der Erythemwirksamkeit gewertete Bestrahlungsstärke der Sonne BA • Sx ist dann durch die Kurve B dargestellt. Die von dieser Kurve umschlossene Fläche gibt die gesamte Erythemwirksamkeit der Sonne an. Sind die Bestrahlungsstärken bei der Hg-Hochdrucklampe und Sonne im gleichen Maßstab dargestellt, dann geben die Flächen in beiden Fällen 70 unmittelbar das Verhältnis der Erythemwirksamkeit beider Strahlungsquellen wieder, andernfalls'ist der Maßstabunterschied zu berücksichtigen. Vgl. 213. «\JI

I

i I

A

J

1 53 I r

260 180 300 Wellenlänge —-

320.-nM 3¥>

Abb. 245. Spektrale Verteilung der Bestrahlungsstärke (Gesamthöhe der Balken) u n d Erythemwirkung (sehraf-. fierter Teil) f ü r die Linien des UVNormals ; n a c h Tabelle F und 38. Die Strahlung des Wellenlängenbereiches von 252 bis 258 rnu ist der Wellenlänge 254 m/i zugeordnet worden.

290

300 310 Wellenlänge

320m/u 330 —

Abb. 246. Spektrale Verteilung der Bestrahlungsstärke der Sonne (Kur ve A, f ü r die Luftmasse 1,5 ; u n d Meereshöhe Om) und deren Erythemwirkung (Kurve B). Nach Tabelle 20 und 38.

Aus Abb. 246 kann weiterhin entnommen werden, daß für die Sonnenstrahlung der Schwerpunkt der Erythemwirkung bei 307 m/i liegt. Man sieht, daß der Schwerpunkt durchaus nicht mit dem Maximum der betreffenden Wirkungskurve, das beim Erythem bekanntlich bei 297 m/i liegt, übereinzustimmen braucht. Durch Abfilterung des kurzwelligen Anteils der Sonnenstrahlung, z. B. durch ein Fensterglas, rückt der Schwerpunkt der Wirkung noch weiter nach längeren Wellen zu. Damit wird aber die Gradation des Erythems steiler (vgl. 212). In entsprechender Weise lassen sich Überlegungen auch für andere biologische Wirkungen durchführen, wenn die spektrale Wirkungskurve bekannt ist [497, 901]. Die Überlegungen dieses Absatzes geben nur einen ungefähren Anhalt, wie er für überschlagsmäßige Betrachtungen genügt, da — wie in 214 gezeigt wurde — eine zuverlässige Berechnung nicht möglich ist.

296

IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern 293. Überblick. Bei der technischen Anwendung von UV-Strahlung werden zum Teil auch biologische Wirkungen ausgenutzt. So wird z.B. bei der Luftentkeimung oder in Geräten, die zur Sterilisation von Wasser dienen, und in Kälteanlagen bei der Lebensmittelfrischhaltung die keimtötende Wirkung verwendet. Diese Wirkung wird ferner bei der Entmuffung dumpfig gewordenen Getreides ausgenutzt. Bei der Aufzucht von Pflanzen und Tieren wird UV-Strahlung eingesetzt. Schließlich ist als eine biologische Anwendung besonderer Art noch der Insektenfang zu nennen. Die Anregung von Leuchtstoffen sowohl in der Fluoreszenz-Analyse als auch in der Erzeugung von Licht stellt eine technische Ausnutzung einer physikalischen Wirkung der UV-Strahlung dar. Auch die Ionenbildung in UV-durchstrahlter Luft beruht auf einer physikalischen Wirkung und hat Bedeutung bei der Herstellung unipolar iopisjerter.Luft, wie sie in Klimakammern für therapeutische Zwecke neuerdinge angewendet wird. Ein sehr großer Teil der Anwendung von UV-Strahlen in der Technik beruht aber auf photochemischen Wirkungen. Hier sind zu nennen: das Bleichen von Farbstoffen (z. B. in der Farbechtheitsprüfung oder für das Bleichen von Elfenbein); ferner die Alterung von Lacken und speziell die Härtung von Lackleder. Neuerdings wird UV-Strahlung auch in Tropenräumen zur Prüfung technischer Erzeugnisse auf Tropenfestigkeit angewandt. Sehr umfangreich ist die Anwendung auf dem Gebiet der Beeinflussung lichtempfindlicher Schichten, zu denen sowohl die Lichtpauserei gehört, als auch die Erzeugung photographischer Kontaktkopien und Vergrößerungen, ferner die Aufnahme von Reproduktionsunterlagen bei Ausleuchtung mit den hoch aktinischen UV-Strahlen. Ein besonderer Ausschnitt aus diesem Gebiet ist die Herstellung von Filmkopien, speziell solchen mit kornfreien Schichten, die z. B. auf dem Chromat- oder Ozaphan-Verfahren beruhen. Schließlich sei als besonders aussichtsreiches Gebiet für die Zukunft noch die Anwendung ultravioletter Strahlen auf dem Gebiet der Photochlorierung und der Polymerisation von Kunststoffen und überhaupt auf dem Gebiet der synthetischen Erzeugung chemischer Produkte genannt.

a) Luftentkeimung [1415, 1468, 1486, 1537—1641, 1544—1547, 1550, 1553]. 294. Grundlagen der Luftentkeimung durch UV-Strahlen. Zahlreiche Infektionskrankheiten werden durch in der Luft schwebende Keime übertragen. Räume, die von vielen Menschen benutzt werden, wie z. B. Schulen, Kinos, Theater, Büros, Werkstätten u. s. f. enthalten stets eine überreiche Menge der verschiedensten Keime. Diese vermögen sich wegen ihrer Kleinheit und der infolge der natürlichen Ventilation herrschenden Luffcbewegung stundenlang schwebend zu erhalten und erreichen unter Umständen alle Räume eines Gebäudes. Durch die stetige Zumischung von Frischluft wird ihre Konzentration zwar herabgesetzt, aber in Zeiten von Epidemien genügt diese Senkimg des Bakterienspiegels durch Ventilation nicht, namentlich nicht in überfüllten Räumen. Besondere Bedingungen herrschen wieder in Krankenanstalten, speziell in Seuchenstationen oder in Operationsräumen. Auch in der gewerblichen Wirtschaft spielt die Verseuchung der Luft durch schädliche Keime eine Rolle. Es sind hier meist nicht Krankheitserreger, die gefürchtet werden, sondern Hefen und Schimmelpilze, welche die Haltbarkeit der hergestellten Pro-

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

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dukte gefährden. Es ist dabei leider immer so, daß die für das Produkt speziell gefährlichen Keime auch stets zahlreich zur Stelle sind, da sie im betreffenden Baum an zufällig verstreuten Resten des Produktes ihren spezifischen Nährboden finden. Das Problem der Luftentkeimung ist daher von großem hygienischen und volkswirtschaftlichen Interesse und wurde besonders in den Vereinigten Staaten von Amerika eingehend studiert. Dabei spielt die Entkeimung der Luft durch UVStrahlen eine besondere Rolle. In trockener Luft schwebende pathogen« Keime zeigen eine etwa 20—50 mal so große Empfindlichkeit gegenüber UV-Strahlung wie Keime in feuchter Luft, in Nährlösung oder auf Agar-Platten. Über die Wellenlängenabhängigkeit der Bakterientötung ist in 244 ausführlich berichtet. Das Maximum der Empfindlichkeit liegt bei Wellenlänge 265 mji.. Strahlung der mit hoher Ökonomie erzeugbaren Resonanzlinie 254 m(j. besitzt sömit hohe bakterizide Wirkung. Bei allen bisher in diesem Buch besprochenen Bestrahlungsproblemen wird die zur Einwirkung kommende Bestrahlungsdosis als Produkt der auftreffenden Bestrahlungsstärke (Watt/cm2) mal der Bestrahlungszeit (sek) gemessen. Sie ergibt sich in Wattsek/cm2 (vgl. auch Tabelle B im Anhang). Bei der Luftentkeimung liegt nun ein räumliches Problem vor, bei dem die Dosis, die einem gegebenen Volumen zugestrahlt wird, anzugeben ist. Die Einheit des Strahlungsflusses (Watt) in einem gleichförmigen, parallelen Strahlenbündel von Querschnitt 1 (cm2), fortschreitend um die Strecke 1 (cm), durchstrahlt das Einheitsvolumen (cm8) mit der räumlichen Bestrahlungsstärke 1. In USA definiert man die räumliche Bestrahlungsstärke bei Problemen der Luftentkeimung als das Produkt aus Bestrahlungsstärke auf einer Fläche in Watt/cm2 mal dem Volumen in cm3 in einer Dimension (Watt • cm) Durch Multiplikation mit der Bestrahlungszeit ergibt sich die Dosis in der Dimension Wattsek-cm. Die Entkeimung der Luft durch UV-Strahlen hängt ab von der Art der abzutötenden Keime, von der Art ihrer Verteilung als Schwebekörper, von der Luftfeuchtigkeit, von den Abmessungen des zu entkeimenden Raumes, von Typ und Leistungsaufnahme der Strahlenquellen und ihrer Anordnung im Raum, von der Einwirkungsdauer der Strahlung, von der Gleichmäßigkeit der Bestrahlung und von der Luftbewegung. Um alle diese Abhängigkeiten zusammenzufassen,, wird die entkeimende Wirkung einer Strahlenquelle gemessen durch die Verminderung der Anzahl schwebender Keimejm der Volumeneinheit, und zwar nimmt man als Bezugsgröße die Verminderung der Keimzahl in der Volumeneinheit, wie sie durch einmaligen Luftwechsel im Räume im Sinne der Lüftungstechnik erreicht wird. Die UV-Dosis, die einmaligem Luftwechsel hinsichtlich Senkung des Bakterienspiegels gleichwertig ist, nennt man auch eine L e t h e . Beispiel: In einem kugelförmigen Raum von 2 m Radius hängt im Mittelpunkt eine Quecksilberniederdruck- Quarzlampe von 10 Watt Leistungsaufnahme in der positiven Säule, also von etwa 15 Watt einschließlich Elektrodenverlusten. Bei einer Ausbeute von etwa 30 v. H. für Strahlung der Wellenlänge 254 m[x erhält man also 3 Watt Strahlung der genannten Wellenlänge. In einer Stunde ergibt dies 3 X 3600 Wattsek. Beim angenommenen Radius von 200 cm hat man also 3 X 3600 X 200 = 2160 • 103 Wattsek-cm. Handelt es sich z. B. um Bakterium Coli, schwebend in trockener Luft und Strahlung der Wellenlänge 254 m[j,, so entsprechen 1000 Wattsek-cm etwa 8 m 3 frischer Luft. Die 2160 Wattsek>cm entsprechen also 8 • 2160 = 17 300 m3. Der Rauminhalt der Kugel ist 33,5 m 3 . Wir erhalten also bei einstündiger Bestrahlung eine bakterientötende Wirkung entsprechend einem 17 300/33,5 = 580maligem Luftwechsel ( = 580 Lethe).

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IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

Die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens wird deutlich, wenn man bedenkt, daß ohne Belästigung durch Zugluft bestenfalls 20maliger Luftwechsel in der Stunde vorgenommen werden könnte. Wenn in dem zu entkeimenden Raum eine dauernde Nachlieferung neuer Keime erfolgt, so stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Nachlieferung und Vernichtung ein, etwa so, daß die mit Bestrahlung sich einstellende Endkonzentration an Keimen nur ein kleiner Teil — etwa der 10. Teil oder weniger — des sonst vorhandenen Wertes ist. Berechnungsunterlagen für die Ausrüstung von Räumen mit Entkeimungslampen sind in [1404, 1473] enthalten. 295. Strahlenquellen und ihre Anordnung. Für die Luftentkeimung werden wegen der hohen Strahlenausbeute in der bakteriziden Strahlung der Wellenlänge 254 m[i. Quecksilberniederdrucklampen aus Quarzglas oder Spezialgläsern etwa entsprechend dem Phosphatglas (vergl. Abb. 46, S. 50) verwendet. Die geringe Leistungsaufnahme dieser Lampen von etwa 10—25 Watt ist ausreichend. Sie ist erwünscht, weil solche Lampen viele Stunden im Betrieb sind. Deshalb sind niedrige Stromkosten und lange Lebensdauer der Lampe wichtig. Außerdem ist dann die durch die Lampe verursachte Erwärmung der Raumluft gering. Entweder werden die Lampen nackt montiert oder mit Reflektoren guten Reflexionsvermögens für Strahlen der Wellenlänge 254 ma versehen, vorzugsweise mit Reflektoren aus Aluminium. Die Anordnung der Lampe in dem zu entkeimenden Raum richtet sich nach der Art der Benutzung des Raumes [1203]. In Räumen, in denen zahlreiche Personen sich längere Zeit aufhalten, z. B. Schulen, Kinos, Theatern, muß für eine indirekte UV-Durchstrahlung des Raumes gesorgt werden, so daß keine Strahlung die ungeschützten Augen der Personen treffen kann (Konjunktivitisgefahr, vgl. 246) . Als Anstrichfarbe für Decke und Wände werden Ölfarben auf Zink- oder Bleiweißbasis empfohlen, da deren Reflexionsvermögen kleiner als 10 v. H. ist. Die UV-Bestrahlungsstärke am Ort der Personen muß so niedrig liegen (weniger als 0,1 ¡¿W/cm4 Strahlung der Wellenlänge 254ni[x), daß auch bei mehrstündigem Aufenthalt keine Erytheme entstehen. In solchen Fällen werden die Strahlenquellen etwa 2 bis 2,50 m hoch über dem Fußboden angeordnet und zwar nach unten abgeschirmt und möglichst gleichmäßig verteilt. Man durchstrahlt also nicht den ganzen Raum, sondern rechnet damit, daß die nicht direkt bestrahlte Luft infolge der natürlichen Luftbewegung immer wieder die Bestrahlungszone durchläuft und nach Entkeimung in den nicht bestrahlten Teil des Raumes absinkt. Die Entkeimüngsleistung einer Strahlenquelle wird dadurch auf einen gewissen Bruchteil ihrer Leistungsfähigkeit gegenüber dem oben durchgerechneten Beispiel herabgesetzt. Als Erfahrungsregel hat sich ergeben, daß je Person rund 200 W em Strahlung der Wellenlänge 254 m|x vorzusehen sind, wodurch trotz dauernder Nachlieferung von Bakterien eine Senkung des Bakterienspiegels auf 1 / 10 und weniger erreicht wird. Wird der Raum von dem Bakterienträger verlassen, so wird die betreffende Bakterienart in wenigen Minuten restlos eliminiert. Beim Entwerfen derartiger Anlagen errechnet man die Anzahl der erforderlichen HgNiederdrucklampen unter Annahme von 20 v. H. Strahlenausbeute für Wellenlänge 254 mfi und zwar der Lampe einschließlich Elektrodenverluste, indem man von 1000 W em je Person ausgeht. Als Lichtweg in cm setzt man den mittleren Abstand der Lampe gegen die von direkter Strahlung erreichten Wände und Decke ein. In USA h a t man namentlich in Schulen eine Herabsetzung von typischen Infektionskrankheiten des Schulalters (Masern, Mumps, Röteln, Windpocken und dgl.) auf ein Drittel bis ein Fünftel der Krankheitsfälle in Schulklassen ohne Luftentkeimung festgestellt [1405, 1408, 1447, 1448, 1468,1489, 1503. 1548], Um ungeeignete Vorrichtungen vom Markt fernzuhalten, wurden Mindestforderungen an die Strahlenquellen und ihre Installation aufgestellt [1557],

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

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Wenn die Räume dagegen nur von wenigen Personen benutzt werden und die Anforderungen an Keimfreiheit der Luft strenger sind, wird die Anordnung der Strahlenquelle so getroffen, daß eine direkte Bestrahlung namentlich der besonders zu schützenden Teile des Raumes erfolgt. Die sich im Räume aufhaltenden Personen müssen ihre Augen durch Brillen gegen die UV-Strahlen schützen. In dieser Weise verfährt man z. B. in Operationsräumen, speziell wenn es sich um die Durchführung langdauernder Operationen handelt, z. B. bei Plastiken in der Lungen-Chirurgie. Eine Anordnung zeigt Abb. 247. Die Erfolge dieser Operationsraumbestrahlung sind sehr ermutigend. Es wird über raschere Wundheilung, Fieberfreiheit des Patienten und Herabsetzung der Infektions- und Todesfälle berichtet [1432, 1441, 1442, 1491, 1504, 1554, 1556], Bei der dritten Art [der Anwendung wird zwischen zwei Räumen oder zwei Raumteilen, die gegeneinander abzuschirmen sind, um — etwaauf Seuchenstationen—Misch infektionen zu verhindern, ein Strahlenvorhang angebracht. Das ist eine etwa 20—30 cm breite Zone mit einer großen UV-Bestrahlungsstärke. Die Strahlung wird durch einen Reflektor derart A b b . 2 4 7 . Anordnung der UV-Strahler (A) in gebündelt, daß bei üblicher, lang- einem Operationsraum. (B Operationstisch, C Bedauernder Benutzung des Raumes leuchtungslampe). Nach O v e r h o l t und B e t t s eine schädliche Einwirkung unab[1491], geschirmter, direkter Strahlung auf das Auge vermieden wird. Die Wirksamkeit solcher Strahlenvorhänge wurde experimentell im Tierversuch ermittelt. In zwei gleichartigen Räumen wurden jeweils auf der einen Seite mit Lungentuberkulose infizierte Kaninchen, auf der anderen Seite gesunde Tiere gehalten. In dem einen Raum war zwischen den beiden Käfigreihen ein Strahlenvorhang angebracht, im anderen nicht. Im letzteren erkrankten und starben im Laufe eines Jahres sämtliche Tiere an Tbc, im Versuchsraum mit dem Strahlenvorhang blieben die ursprünglich gesunden Tiere auch über iy 2 Jahre von Lungen-Tbc verschont. Vorversuche hatten gezeigt, daß Lungentuberkulose durch in der Luft schwebende Keime übertragen wird, und daß TbcBazillen durch UV-Bestrahlung, wenn nicht abgetötet, so doch in ihrer Virulenz geschädigt werden [1286, 1450, 1476,1518, 1543, 1558], Erprobung auf Scharlach-und Diphtheriestationen zeigte, daß erwartungsgemäß Mischinfektionen durch diese Maßnahme auf ein bedeutungsloses Maß herabgedrückt werden können [1408, 1426, 1447, 1448, 1503, 1521], 296. Anwendung der Luftentkeimung in der Industrie. In der pharmazeutischen Industrie, speziell bei der Herstellung von Seren und Penizillin muß vermieden werden, daß das an sich sterile Güt beim Abfüllen in die sterilen Ampullen während des Abfüllvorganges durch pathogene Keime aus der Luft befallen wird und damit zu einer Gefahrenquelle werden kann [1424, 1425]. Man sorgt durch Anbringung zahlreicher, direkt strahlender UV-Strahler für keimfreie Raumluft. Eine solche Anlage zeigt z. B. Abb. 248 auf Tafel 19 nach Seite 304. Man kann aber auch die Bestrahlung auf die unmittelbare Umgebung der Abfüllvorrichtung beschränken.

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IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

In Molkereien, Brauereien, Süßmostereien und in Betrieben für die Herstellxing von Fleisch- und Fischkonserven ergibt sich gleichfalls auf den Abfüllstationen ein Anwendungsgebiet für den Einsatz von UV-Strahlung. Hierbei handelt es sich im allgemeinen nicht um die Beseitigung pathogener Keime, sondern um die Beseitigung von Gärungs- und Schimmelerzeugern, also von Hefe- und Schimmelpilzen. Auch dieses Problem ist aussichtsreich, doch ist eine größere UV-Strahlungsleistung einzusetzen als bei den bisher beschriebenen Anwendungen wegen der geringen Strahlungsempfindlichkeit dieser Schädlinge, ganz besonders im Sporenstadium [1509a]. Ähnlich hegt das Problem in der Käserei, z. B. wenn in der Camembert-Fabrikation der Befall der mit dem echten Camembertschimmel geimpften, reifenden Käse durch wilden und den Geschmack beeinträchtigenden Schimmel verhindert werden muß. Auch hier muß die Raumluft keimfrei gehalten werden. Eine Bestrahlung der Käse selbst ist dabei zu vermeiden, um die Entwicklung desCamembertschimmels nicht zu stören. b) Entkeimung flüssiger Medien 297. Entkeimung klarer, farbloser Flüssigkeiten. Wasserentkeimung. Während bei der Entkeimung von Luft oder Gasen, die in 294—296 besprochen wurden, im allgemeinen der Einsatz von UV-Strahlern kleiner Leistungsaufnahme genügt, müssen bei der Entkeimung von Flüssigkeiten Geräte größerer Leistungsaufnahmen verwendet werden, für die vorzugsweise die Hg-Hochdrucklampen in Frage kommen. In Abb. 249 (auf Tafel 19 nach S. 304) und 250 ist ein für Wasserentkeimung speziell geschaffenes Gerät dargestellt, der sogenannte U s t e r 1 ) [1409, 1414, 1434, 1438, 1455, 1456, 1464, 1465]. In den ringförmigen, zylindrischen Bestrahlungsraum strömt das Wasser tangential ein und durchsetzt ihn unter lebhafter Durchwirbelung, so daß sämtliche Flüssigkeitsteilchen wirksam bestrahlt werden. Die Schichtdicke der bestrahlten Flüssigkeit ist 25 mm. Die Innenwandung des Bestrahlungsraumes wird von einem Quarzrohr gebildet. In der Achse ist ein HgBrenner S 700 angebracht. Während die Eindringungstiefe von UV-Strahlen in klares Wasser (vgl. Abb. 142) sehr groß ist, muß bei vielen technisch verwendeten Wässern mit einer gewissen Trübung 5E3 durch kolloidale Teilchen und auch durch die im Abb des Wasser schwebenden Mikroorganismen gerechnet werW 250. Schnittzeichnung flfioprptiT.lifiimiiTKTOfTorni'flc o o VV aöocl ülHilioli UUiliiöliDlaLoo

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Hersteller: Quarzlampen m.b H., Hanau.

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

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Keime bei einigermaßen vorgereinigtem Wasser im allgemeinen nicht zu rechnen [1409, 1485, 1501, 1510, 1529]. Auch Hg-Niederdrucklampen aus Quarz wurden versuchsweise für die Wasserentkeimung verwendet. Bis zu 4 Hg-N-Röhren, etwa 100 cm lang und von je 25 Watt Leistungsaufnahme werden parallel angeordnet. Die zu bestrahlende Flüssigkeit fließt durch 6 bis 8 Quarzrohre von 10 bis 15 mm lichter Weite, die parallel zu den Hg-Lampen aufgestellt sind, und die durch Schlauchverbindungen für das Bestrahlungsgut hintereinander geschaltet sind, um eine langdauernde Bestrahlung zu erreichen. Die Anordnung ist in einem innen mit reflektierender Oberfläche versehenen Rohr untergebracht. Wegen des hohen Strömungswiderstandes dieser Rohre muß die Flüssigkeit unter einem hohen Druck von 5—6 Atm. durch das Rohrsystem durchgepreßt werden. Die Durchwirbelung der Flüssigkeit ist wegen Überschreitung der Reynolds'schen Zahl sehr gut und daher auch die Entkeimungsleistung bei einem Durchsatz von einigen 100 1 je Stunde [1527]. Die Wasserentkeimung mit UV-Strahlen wird in Brauereien und Molkereien vielfach angewandt, da man in solchen Betrieben wegen der Empfindlichkeit der mit dem Wasser zu behandelnden Nahrungsmittel (Bier, Butter) durch Chlorierung entkeimtes Wasser nicht verwenden kann. Die Anwendung ist vor allen Dingen da gegeben, wo Brauereien und Molkereien ihr Wasser aus eigenen Brunnen beziehen, während bei Verwendung städtischen Leitungswassers auf eine zusätzliche Entkeimung verzichtet werden kann. Das entkeimte Wasser dient zum Waschen von Hefe und Gebinden in Brauereien bzw. zum Waschen der Butter in den Molkereien. Man erreicht durch),Verwendung entkeimten Wassers für diese Zwecke eine größere Haltbarkeit der erzeugten Produkte, weil das Hineinschleppen von Keimen beim Waschprozeß vermieden wird. Die durchströmenden Flüssigkeiten erfahren im Uster nur eine geringfügige Temperaturerhöhung. Ohne durchströmende Flüssigkeit darf das Gerät nicht betrieben werden, da sonst die Hitzeentwicklung die Dichtung und auch den Brenner zerstört. In einer besonderen Ausführungsart des Gerätes ist dafür gesorgt, daß die Inbetriebsetzung des Brenners nur bei gleichzeitigem Durchfluß der Flüssigkeit erfolgen kann. Namentlich bei eisen- und bikarbonathaltigem Wasser erfolgt unter dem Einfluß der Bestrahlung eine Ausscheidung eines braunen Niederschlages auf der äußeren Wandung des Quarzzylinders, der den Brennerraum vom Bestrahlungsraum trennt. Diese bräunliche Schicht, die eine starke Schwächung der UV-Strahlen bewirkt, muß deshalb in regelmäßigen Abständen, etwa durch Spülen des Gerätes mit verdünnter Salzsäure, entfernt werden. Das ganze Gerät ist leicht auseinandernehmbar gebaut, so daß auch eine mechanische Reinigung des Quarzzylinders und ein Einoder Ausbau der Hg-Hochdrucklampe leicht möglich ist. Für Versuchszwecke verwendet man oft das UVM-Gerät (vgl. Abb. 251 auf Tafel 19 nach Seite 304), dessen Bestrahlungsraum als zylindrischer Ringraum von 6,5 mm Schichtdicke ausgebildet ist, in dessen Achse der Strahler S 700 angeordnet ist. Das Bestrahlungsgefäß ist vollständig aus Quarzglas hergestellt. Zwischen dem Bestrahlungsgefäß und der Strahlenquelle kann noch ein gleichfalls ringförmig ausgebildeter Kühlmantel vorgesehen werden, durch den man entweder Kühlwasser oder auch eine Filterflüssigkeit durchströmen lassen kann. Damit aus dem Kühlwasser keine UV-Strahlen zurückhaltende Niederschläge ausfallen, wird man vorzugsweise destilliertes Wasser zum Kühlen verwenden, das im Kreis herumgepumpt und in einem Austauschkühler auf die Anfangstemperatur zurückgekühlt wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, ein solches Umlaufkühlsystem einschließlich Umwälzpumpe entweder ganz aus Quarz, Glas oder Mipolam

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IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

herzustellen, da Metallteile in diesem Kühlkreis zur Auflösung von Metallteilchen und zum Niederschlag dieser Metallteilchen auf der Wand des durchstrahlten Kühlzylinders Anlaß geben. Stehen von dem zu bestrahlenden Stoff nur kleine Mengen zur Verfügung, z. B. bei der Sterilisation von Seren, so benutzt man vorteilhaft folgendes Gerät, das gleichzeitig erlaubt, die Schichtdicke zu verändern. Ein kleiner UV-Strahler, etwa der Hg-Hochdruckbrenner Typ S 100 gestreckter Form (vgl. Abb. 56, auf Tafel 3 nach S. 56) wird in der Achse eines außen genau geschliffenen und polierten Quarzglaszylinders von etwa 25—30 mm Durchmesser aufgestellt. Dieser ist die Innenwandung des Bestrahlungsraumes, während die andere von einem koachsial angeordneten und auf bestimmte Durchmesser genau gebohrten und polierten Metallzylinder gebildet wird. Man erhält Ringräume einstellbarer Schichtdicke je nach Wahl des Innendurchmessers des Metallzylinders. Gegebenenfalls kann das Gefäß durch Umgeben mit einem Thermostaten auf bestimmte Temperatur eingestellt werden. Zwischen Strahlenquelle und Flüssigkeit lassen sich Glas- oder Flüssigkeitsfilter zwecks Aussonderung oder Unterdrückung bestimmter Spektralbereiche unterbringen. Die Entkeimung von Serum durch UV-Bestrahlung wäre wünschenswert, um den Zusatz von Chemikalien, die zur Haltbarkeitsverbesserung üblicherweise zugesetzt werden, vermeiden zu können. Es muß aber sorgfältig geprüft werden, ob durch die UV-Strahlen nicht außer der erwünschten Abtötung der Keime eine störende Veränderung des Serums selbst stattfindet. 298. Entkeimung trüber Flüssigkeiten, wie Milch, Obstsaft und dergleichen und von Teigen. An sich wäre der Einsatz der UV-Strahlen, zum Beispiel bei der Entkeimung von Obstsäften, sehr erwünscht, um die zum Sterilisieren erforderlichen Temperaturen von 80° C auf etwa 60° oder noch weniger senken zu können, womit die Vitamine, Fruchtsäure und Aromastoffe geschont würden. Hierfür reicht das Uster-Gerät wegen der großen Schichtdicke und der geringen Eindringungstiefe der Strahlung nicht aus [1536], Wesentlich besser geeignet als der Uster-Apparat ist die Apparatur, wie sie in 275 für die Bestrahlung von Milch zwecks Vitaminisierung beschrieben wurde (vgl. Abb. 227 u. 228 auf Tafel 14 vor Seite 265) und auch die in 297 geschilderte Anordnung von Quecksilberniederdruckröhren. Recht wirkungsvoll ist auch ein Verfahren, bei dem eine waagerecht liegende Walze aus einem von der Flüssigkeit nicht angreifbaren Material in einen Behälter mit der zu entkeimenden Flüssigkeit teilweise eintaucht. Beim Umlauf nimmt die Walze einen dünnen Flüssigkeitsfilm mit, der von über der Walze angeordneten UV-Strahlern bestrahlt und vor dem Wiedereintauchen in den Vorratsbehälter abgestreift und entnommen wird. Wenn die Flüssigkeit gegen Luft und Ozon empfindlich ist, kann man sie auch durch einen leicht schräg gelagerten Hohlzylinder aus Quarzglas leiten, der sich dauernd umwälzt und dadurch auf der Innenseite mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm überzieht. Man bestrahlt dann von außen durch die UV-durchlässige Wandung des Gefäßes hindurch. Zähe Flüssigkeiten breitet man in flache Schalen aus, die leicht geneigt sind oder mechanisch gekippt werden. Die träge fließende Flüssigkeit wird durch quer zur Strömungsrichtung stehende Wehre umgeschichtet. Dadurch werden immer wieder neue Oberflächenschichten der Strahlung ausgesetzt. Bei der Bestrahlung von Teigen oder Wurstmassen werden die UV-Strahler über der Knet- und Mischmaschine angebracht. Auch hierbei entstehen dauernd neue Oberflächen, die wirkungsvoll bestrahlt werden können.

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

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c) Entkeimung fester Stoffe 299. Lebensmittelfrischhaltung. Wenn es gelingt, den Befall aufzubewahrender Lebensmittel durch Bakterien und Schimmelsporen zu verhindern, dann ist naturgemäß eine erhebliche Steigerung der Haltbarkeit gegeben. In vielen Fällen ist auch eine Vernichtung von etwa auf den Lebensmitteln sitzenden Krankheitskeimen wichtig. Man hat deshalb frühzeitig daran gedacht, zu konservierende Lebensmittel durch UV-Bestrahlung für längere Zeit genußfähig zu erhalten. Da aber in den meisten Lebensmitteln bei normaler Temperatur natürliche Abbauprozesse verlaufen, die mit einer Einwirkung von Bakterien nichts zu tun haben, gelingt eine Lebensmittelfrischhaltung lediglich durch UV-Bestrahlung keinesfalls. Es hat sich aber gezeigt, daß die Temperatur des Kühlraumes, die z. B. Fleisch etwa + 4° C beträgt, bei gleichzeitiger Anwendung von UV-Strahlung um ungefähr 5° höher gewählt werden kann. Wenn man Fleisch vor Einbringung in den Kühlraum allseitig mit bakterientötender Strahlung aus dem Wellenlängengebiet 240 bis 300 m// bestrahlt, dann kann es entweder während der normalen Lagerzeit in einem Kühlraum heraufgesetzter Temperatur und damit ersparter Kälteleistung aufbewahrt werden, oder aber man kann bei der üblichen Lagertemperatur die Lagerzeit um etwa 3 Tage verlängern [1457, 1477, 1488, 1524, 1525, 1549, 1552],

Abb. 252. Abb. 253. Abb. 262. Beeinflussung des Bakterienbefalls einer Fleischprobe durch UV-Bestrahlung v o r E i n b r i n g u n g in den Kühlraum. Temperatur + 2,5° C, Luftfeuchtigkeit 98 v. H. Nach S t i l l e [1525]. Abb. 263. Beeinflussung des Bakterienbefalls einer Fleischprobe durch UV-Bestrahlung w ä h r e n d der A u f b e w a h r u n g im Kühlraum. Temperatur + 5°C, Luftfeuchtigkeit 85—90 v. H. Die Angabe „Schattenseite" bezieht sich auf die mittlere Kurve. Nach S t i l l e [1525].

In Abb. 252 und 253 wird als Beispiel das Ergebnis zweier Versuche gebracht. Bei dem ersten (Abb. 252) wurde das Fleisch vor dem Einbringen in den Kühlraum bestrahlt und damit in dem betreffenden Fall die Haltbarkeit um etwa einen Tag verlängert. Bei dem zweiten Versuch (Abb. 253) wurden die Proben während der Aufbewahrung im Kühlraum bestrahlt. Es zeigte sich ein deutlicher Unterschied zwischen der bestrahlten Seite und der Schattenseite.

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IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

Gerade bei Fleisch, dem je Gewichtseinheit wertvollsten Lebensmittel, ist der Einfluß zusätzlicher UV-Bestrahlung am besten untersucht worden. Sämtliche an der Oberfläche sitzende Bakterien werden durch die UV-Bestrahlung in der Tat vernichtet. Es gelingt aber nicht, in etwas tieferen Schichten oder in Falten und Nischen der Fleischprobe sitzende Keime durch die ja nicht tief eindringende Strahlung zu treffen. Von diesen Stellen aus erfolgt zwangsläufig ein allmählicher Befall mit zersetzenden Keimen. Dadurch erklärt sich die oben genannte verhältnismäßig geringfügige Verlängerung der Haltbarkeit UV-bestrahlten Fleisches bei den üblichen Kühltemperaturen. Immerhin ist diese Wirkung so beachtlich, daß sie in den angelsächsischen Ländern, in denen eine andere Art des Fleischgenusses als bei uns Gewohnheit ist, starken Eingang gefunden hat. In den Vereinigten Staaten verlangt nämlich der Verbraucher ein völlig abgehängtes mürbes Fleisch und hierbei ist es zweifellos ein großer Gewinn, wenn das Abhängen des Fleisches wegen der vergrößerten Haltbarkeit durch die UV-Bestrahlung bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden kann, wodurch der Reifungsprozeß des Fleisches schneller vonstatten geht. Bei Verzicht auf.die UV-Bestrahlung würde aber bei dieser erhöhten Temperatur das Fleisch zu schnell verderben. Erfahrungen an anderen Nahrungsmitteln liegen in Deutschland noch nicht vor, doch werden die Verhältnisse kaum günstiger liegen als beim Fleisch. Die Wirkung der UV-Strahlung auf frisch zu erhaltende1 Lebensmittel ist in vielen Fällen aber auch eine destruktive, nicht eine förderliche, z. B. wird Butter durch UV-Bestrahlung rascher ranzig (Oxydation). In solchen Fällen wird die Verpackungsart der Ware zweckmäßig so gewählt, daß kein Licht, insbesondere aber keine UV-Strahlen das Lebensmittel erreichen können [1423,1475], 300. Entkeimung von Gefäßen. Vorratsgefäße, Glasballons und dergl., oder Verpackungsgefäße, wie Haschen und Ampullen versuchte man — schon teilweise mit Erfolg — durch UV-Strahlen zu entkeimen, um einzufüllende sterile Güter haltbar zu erhalten. Eine Einfühlung dieses Verfahrens in die Praxis scheint wenig aussichtsreich, da das UV-Verfahren dem chemischen und thermischen Verfahren gegenüber nicht überlegen ist. In den Vereinigten Staaten ist in Gaststätten die Entkeimung von Trinkgefäßen durch UV-Bestrahlung schon weit verbreitet. Bei uns ist die Bakterienfurcht der Bevölkerung geringer, so daß dieser Vorschlag kaum Eingang in die Praxis gewinnen wird [1407, 1522], Sowohl für das Haltbarmachen von Lebensmitteln durch UV-Bestrahlung als auch für die Entkeimung von Trinkgefäßen und anderer Eßgeräte kommen UVStrahler kleinen Leistungseinsatzes^ in Frage, also vorzugsweise Quecksilber-Niederdrucklampen von 3 bis höohstens^lö Watt Leistungsaufnahme, wie sie in 68 beschrieben sind [1549]. 301. Getreideentmuffung. Wenn nicht vollkommen lufttrockenes Getreide längere Zeit gelagert wird, bekommt es einen muffigen Geschmack, der es zur menschlichen Nanrung ungeeignet macht. Diese Geschmaoksänderung wird durch einen Befall durch Bakterien und Schimmelsporen hervorgerufen. ¡Es wurde berichtet, daß eine Bestrahlung dumpfig gewordenen Getreides mittels leistungsfähiger HgHochdmcklampen aus Quarz den Bakterien- und Schimmelbefall beseitigt, dadurch dem Getreide den dumpfigen Geschmack nimmt und es wieder genußfähig macht [1430,1514]. Wegen der geringen Eindringungsfähigkeit der UV-Strahlung muß bei diesem Entmuffungsvorgang das Getreide in dünnen Schichten ausgebreitet werden und dabei zweckmäßig noch so bewegt werden, daß jedes Korn möglichst allseitig der Bestrahlung ausgesetzt wird. Trotzdem entgehen z. B. die in den Furchen des Getreidekornes sitzenden Keime der Vernichtung.

TAFEL 19 Zu Seite 300 und 30]

Abl>. 248. Luft entkeim mig in einer p h a r m a z e u t i s c h e » F a b r i k (Penieillinwerk).

A b b . 249.

Wasserentkeimungsgerät „Uster'\

Walter de U m y t c r & Co., Meyer-Scitz, Ultraviolett« Strahlen

Abb. 251. B e s t r a h l u n g s g e r ä t , , U Y M " zum B e s t r a h l e n von Flüssigkeiten und Oasen m i t HgHochdrucklampen, T y p S 700.

TAFEL 20 Zu Seite 310 u n d 313

A b b . 256. Großanlage z u r H e r s t e l l u n g von Lackleder d u r c h UV-Kostralihing. Nach L a u s t e r [1464, 1405].

A b b . 259. L i c h t p a u s m a s c h i n o ,.Metein I'

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

305

d) Verschiedene Anwendungen auf lebende Objekte 302. Insektenfang. Das menschliche Auge vermag, wie in 247 erwähnt wurde, nur sehr intensive UV-Strahlen als schwachen Lichtschein wahrzunehmen. Viele Insektenarten aber haben dagegen Augen, die für UV-Strahlen empfindlich sind [1460, 1496]. Nur so kann man sich erklären, daß nachts betriebene Hg-Hochdrucklampen (auch wenn ihr sichtbares Licht durch Verwendung einer nur für UV-durchlässigen, aber Licht zurückhaltenden Sülle abgeschirmt wurde) Insekten in großen Mengen anlocken. In Ländern mit großer Insektenplage, z. B. Ägypten, hat man dieses Verfahren in der Praxis angewendet. In der Nähe der Hg-Lampe werden die Insekten mittels eines Gebläses angesaugt und vernichtet. 303. Anwendung der UV-Strahlen bei der Tierzucht. Jungtiere brauchen — ähnlich wie Säugling und Kleinkind — zur Verhütung von Rachitis Vitamin D, das entweder mit der Nahrung dargeboten oder in Form von Lebertran oder Hefepräparaten verabreicht werden muß, oder aber im wachsenden Organismus selbst durch UV-Bestrahlung gebildet wird. Die direkte Bestrahlung hat sich bei Kücken, Ferkeln und Kälbern bewährt. So behandelte Tiere erwerben keine Rachitis, haben größere Freßlust und bessere Ausnutzung des Futters. Sie wachsen rascher zu marktfähigen Tieren heran. Erwachsene Hühner zeigen bei Anwendung systematischer UV-Bestrahlung größere Legeleistung und bessere Ausbildung der Eierschalen. Die gefürchtete Knochenerweichung der ¿ühe wird durch UV-Bestrahlung vermieden. Bei Schafen hat man beobachtet, daß der Wollertrag steigt und die Wolle hochwertiger wird. Augenschutz der Tiere ist nicht notwendig, wenn man während des Fütterns bestrahlt, bei Stalltieren durch über den Boxen aufgehängte UV-Strahler, die etwa über dem hinteren Drittel der Körperlänge angeordnet sind. Zweckmäßig wird dann die Lampe an einer Art Laufkatze über der Boxenreihe aufgehängt und kann auf diese Weise leicht nacheinander zur Bestrahlung mehrerer Tiere benutzt werden. [1555].

304. Anwendung der UV-Strahlen bei der Pflanzenaufzncht. Das pflanzliche Leben ist in noch viel stärkerem Maße als das tierische an die Einwirkung des Lichtes gebunden. Die Kohlensäureassimilation erfolgt im grünen Blatt unter dem Einfluß der Belichtung, wobei das Chlorophyll eine bedeutsame Rolle spielt. Bei künstlicher Pflanzenaufzucht im Gewächshaus kann man sowohl das Keimen als auch die Entwicklung der Pflanze durch künstliche Verlängerung des Tages durch künstliche Lichtquellen fördern. Zumischung von UV-C zur künstlichen Beleuchtung schädigt die Pflanzen in allen Fällen. UV-B ist, auch in größeren Dosen, bei ausgesprochenen Hochgebirgspflanzen nützlich, von Pflanzen des Tieflandes wird es nur in sehr mäßigen Dosen vertragen. UV-A (und auch UV-B) scheinen hinsichtlich der Förderung der Keimung keinen Vorteil zu bieten, scheinen aber nach eingetretener Keimung die Entwicklung der künstlich aufgezogenen Pflanze zu einem kräftigen, leistungsfähigen Individium zu fördern, das auch nach Überpflanzung ins Freie seinen im Freien aufgezogenen Artgenossen gegenüber seinen Vorsprung behalten soll [ 1 4 3 6 , 1 4 3 7 , 1 4 9 3 , 1494, 1495, 1526, 1534, 1535]. Gemüse- und Blumensamen behalten die Keimfähigkeit 10 Jahre lang (sonst 5 Jahre), wenn sie nach dem Ernten bestrahlt und in abgeschlossenen Behältern aufbewahrt werden [ 1 4 5 2 — 1 4 5 4 ] . e) Verschiedene physikalische Anwendungen 305. Anwendung der Fluoreszenz. In 191 bis 206 ist bereits ausführlich über die Anregung der Fluoreszenz durch UV-Bestrahlung und ihre technische Anwendung berichtet worden. Es sei deshalb hier auf diese Abschnitte verwiesen. 20

Ultraviolette Strahlen

306

IV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

306. Ionenerzeugung. Ozonisierung. UV-Bestrahlung der Luft ruft eine Ionisierung der Luft hervor. Besonders wirkungsvoll gestaltet sich diese Ionisierung, wenn man eine Flüssigkeit zerstäubt, wodurch an sich schon eine gewisse Ionisierung auftritt (Wasserfall-Elektrizität, Lenard-Effekt) und zusätzlich die zerstäubte Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Zerstäuberdüse mit UV bestrahlt. Es tritt dann etwa eine Verzehnfachung der Ionisierungswirkung, die durch die Zerstäubung allein hervorgerufen werden kann, auf. Vorzugsweise entstehen kleine und mittelschwere negative Ionen, welche imstande sind, bei der Atmung verhältnismäßig tief (bis zu den Lungenalveolen) einzudringen. Diese Ionen werden außerdem in starkem Maße vom Körper zurückgehalten. Dadurch ist es gelungen, eine günstige Beeinflussungsmöglichkeit bei gewissen allergischen Krankheiten und Asthma zu schaffen. Abb. 254 zeigt ein Ionisierungsgerät, mit dem für Klimakammern, aber auch für Krankenzimmer im Heim bzw. in Krankenhäusern eine Versorgung der Luft mit den genannten mittelschweren negativen Ionen bewirkt werden kann [1428, 1461, 1482, 1528]. Frischluft

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Abb. 254. Kleine ortsveränderliche Bewetterungs- und Ionisierungsapparatur. f Klappen zum Regeln des Lufteintritts, b Ventilator, c Düsen zum Vernebeln von Wasser, d UV-Strahler S 100, e Filter aus Raschig-Ringen zum Ausscheiden der Flüssigkeitstropfen. Nach K ü s t e r [1461].

Die UV-Bestrahlung der Luft bewirkt gleichzeitig eine Bildung von Ozon und in geringem Maße auch von nitrosen Gasen. Z. B. bilden sich in einem nicht ventilierten Raum von 50 m 3 beim Betrieb einer Hg-Hochdrucklampe Typ S 500 nach einer Stunde 3 mg/m3 Ozon und 0,50 mg/m3 Stickoxyd. Diese Gase sind giftig. Ein Gehalt von 500 mg/m3 Stickoxyd vermag eine Katze zu töten. Man sieht, daß die entstandene Menge dieser Gase jedenfalls weit unter der toxischen Dosis liegt. Es empfiehlt sich aber, bei längerdauerndem Betrieb von Hg-Hochdrucklampen aus Quarz für ausreichende Belüftung des Raumes zu sorgen. Bei dem oben beschriebenen Ionisierungsgerät zur Klimatisierung von Krankenräumen ist die Erzeugung von Ozon und nitrosen Gasen durch die gleichzeitige Anwendung des zerstäubten Wassers völlig unterdrückt, da die Bildung dieser Gase in einem mit Feuchtigkeit gesättigten Raum nicht erfolgt [1416, 1417, 1421, 1422, 1439, 1533]. 3OT. Aufhebung des Zündverzugs bei bestrahlten Funkenstrecken. Funkenstrecken werden in der Technik recht vielseitig verwendet: in der Hochspannungstechnik z. B. sowohl als Schaltelement als auch als Meßinstrument für sehr hohe Spannungen. In der chemischen Spektralanalyse werden die zu untersuchenden Stoffe auf Elektroden einer Funkenstrecke aufgebracht und in der Funkenstrecke zum Leuchten angeregt. In allen Fällen soll zwischen den Elektroden der Funken-

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

307

strecke beim Anlegen der Spannung der Funkendurchbruch verzögerungsfrei stattfinden. Dazu ist es erforderlich, die Elektroden mit UV zu bestrahlen, damit die dort ausgelösten Photoelektronen eine konstante Vorionisierung der Funkenstrecke schaffen. Unterläßt man diese UV-Bestrahlung, dann erfolgt der Funkendurchbruch unregelmäßig je nach der zufällig gerade vorhandenen Anzahl Ladungsträger im Feld zwischen den Elektroden. Bei Meß- und Schaltfunkenstrecken werden meist Kugeln aus Kupfer verwendet. Wegen der lichtelektrischen Grenzwellenlänge von Kupfer (260 m/u) verwendet man eine Hg-Hochdrucklampe aus Quarz oder eine Hg-Niederdrucklampe für die UV-Bestrahlung. Die Bestrahlung mit einer fremden UV-Quelle kann man vermeiden durch Anwendung einer nahe der Hauptfunkenstrecke angeordneten, bereits bei niederer Spannung ansprechenden Hilfsfunkenstrecke, deren Strahlung an den Hauptelektroden die Photoelektronen auszulösen imstande ist [1445, 1551]. 308. Optische Telephonie mit UV-Strahlung. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiete der drahtlosen Telephonie mit kurzen elektrischen Wellen hat die optische Telephonie ihre Existenzberechtigung beibehalten und ihren Anwendungsbereich erweitert. Die optische Strahlung läßt sich nämlich noch viel schärfer bündeln und richten, als die kurzen elektromagnetischen Wellen, so daß die Sendung nicht unbefugt abgehört werden kann. Besonders sicher wird das vermieden, wenn man mit unsichtbarer Strahlung arbeitet, also mit UV t oder Infrarot. Der Nachteil der optischen Telephonie ist, daß man nur zwischen zwei Punkten fernsprechen kann, die in gegenseitiger optischer Sicht liegen. In Tabelle 30 (S. 146) finden sich Angaben über die Reichweite von UV-Strahlung bei klarer Sicht. Bei Dunst und Nebel ist die Reichweite außerordentlich gering. Die zu verwendende UV-Strahlenquelle muß möglichst punktförmig sein und eine möglichst große Strahldichte aufweisen, damit die optische Ausnutzung durch den Scheinwerfer gut wird. Vorzugsweise werden deshalb Hg-Hochdrucklampen sehr hohen Hg-Dampfdruckes verwendet. Die Modulation der Strahlung mit Sprachfrequenz kann entweder mechanisch mittels eines auf einer Membran sitzenden schwingenden Spiegels oder einer Blende erfolgen oder mittels Kerr-Zellen, die jedoch einen großen Energieverlust bedingen. Man kann aber auch den Entladungsstrom selbst mit der Sprachfrequenz modulieren [189, 297, 298]. In diesem Fall wird man z. B. die Hg-Hochdrucklampe mit Gleichstrom betreiben und ihr über Kondensatoren die verstärkte Sprachfrequenz aufdrücken. Die Modulation kann bis auf 50 v. H. getrieben werden, während bei einer mechanischen Modulation Werte bis zu 100 v. H. möglich sind. Auf der Empfängerseite wird der sprachmodulierte Lichtstrom in einer UV-empfindlichen Photozelle in elektrische Stromschwankungen umgewandelt, die gegebenenfalls über einen Verstärker in einem Telefon abgehört werden können [1478—1480]. f) Anwendung in der Photo chemie 309. Bleichen. Farbechtheitsprüfung. Die meisten Farbstoffe verändern sich durch Bestrahlung mit Licht und noch mehr durch Bestrahlung mit UV. In vielen Fällen geht die Zerstörung des Farbstoffes soweit, daß die von ihm bedeckte Probe farblos wird. Diesen Umstand nützt man aus beim Bleichen. Zu diesem Zweck werden insbesondere UV-Strahlen eingesetzt, z. B. auch zum Bleichen vergilbter aus Elfenbein bestehender Klaviertasten. Sie werden auch verwendet zum Bleichen natürlicher Zähne im Munde. Der Bleichprozeß wird gefördert durch gleichzeitiges Bepinseln mit Wasserstoffsuperoxyd [1455, 1459, 1464, 1465]. 20»

308

TV. Physikalische, biologische und photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

Der Farbstoffchemiker verschafft sich Aufschluß über die Beständigkeit seiner Farbstoffe, indem er sie unter natürlichen Bedingungen der Sonnen- und Himmelsstrahlung aussetzt. Ein solcher Versuch ist zeitraubend, zumal man dabei vom Wetter abhängig ist. Es ist gelungen, eine Kurzzeitprüfung unter Verwendung künstlicher Strahlenquellen durchzuführen, wobei die Strahlungseigenschaften der Sonnen-bzw. Himmelsstrahlung weitgehendnachgeahmt werdenkonnten [1419,1420], Die erzielte Bestrahlungsstärke ist 50mal so groß wie bei der Sonne. In Abb. 255 ist ein solches Gerät1) dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einer Glühlampe hohen Leistungseinsatzes, deren Strahlung durch Reflektoren und Linsen auf einer kleinen Fläche gesammelt wird. Durch vorgeschaltete Glasfilter und eine Küvette mit Wasser wird eine Angleichung des Spektrums an das Spektrum der Sonne erreicht und die Erwärmung der zu bestrahlenden Probe in zulässigen Grenzen gehalten. Die Probe wird zusätzlich mittels Ventilator gekühlt. Mit diesem Gerät werden Ergebnisse erzielt, die mit den unter natürlichen Bedingungen erhaltenen Ergebnissen völlig übereinstimmen und wegen der größeren Bestrahlungsstärke in einem Bruchteil der Zeit durchgeführt werden können. Wegen des komplizierten Aufbaues und der aufzuwendenden hohen elektrischen Leistung hat sich das Gerät jedoch nur in solchen Fällen eingebürgert, in denen es auf die genaue Nachahmung der natürlichen Verhältnisse ankommt. Ein ähnliches Gerät, das mit einer HochleistungsAbb. 255. Gerät zur LichtechtheitsprüBogenlampe als Strahlenquelle arbeitet, und fung. Die Strahlenquelle B' befindet eich das die gleichzeitige Bestrahlung von 14 Proim Brennpunkt eines elliptischen Reflek ben ermöglicht, ergibt bei einer Bestrahlungstors, der von einem Schutzmantel N umgebenist. Dieser Baum ist wassergekühlt. zeit von 5 x 6 Stunden ein Ergebnis, das einer In B" befindet sich die zu untersuchenBestrahlung von einem Jahr Tageslicht entde Probe, die durch die beiden Federn V' und V" gehaltert wird. Bei C ist ein spricht. Der schnellen Prüfung stehen die hohen Betriebskosten entgegen [1451]. Kupfersulfatfilter vor die Probe geschaltet. Die Probe wird durch den VentilaSehr oft genügt es aber, die Kurzzeittor B gekühlt. Der die Probe halternde prüfung so zu führen, daß Farbstoffe, deren metallische Kähmen wird durch bei a Verhalten gegenüber der natürlichen Bestrahein- und bei b austretendes Wasser gekühlt. Nach C u s t e r s [1419]. lung bereits bekannt ist, in* der Herstellung laufend -überwacht werden. Man kann dann auch eine Strahlenquelle verwenden, die in ihren spektralen Eigenschaften von der Sonnenstrahlung abweicht, wenn nur ein für allemal für den betreffenden Farbstoff die Beziehung zwischen seinem Verhalten gegen die künstliche Strahlenquelle und seinem Verhalten gegen die Sonne bestimmt wird [1443, 1444, 1451, 1455, 1464, 1465, 1498, 1499, 1500, 1519, 1520, 1532], Oft ist es der UV-Anteil des Spektrums, der für Veränderung der Farbe verantwortlich ist. Man wird deshalb für die abgekürzte Farbechtheitsprüfung vorzugsweise starke UV-Strahler (z. B. Hg-Hochdrucklampe) einsetzen. Gegebenenfalls l

) Hersteller: N. V. Philips Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Holland).

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

309

kann man dureh Vorschaltung von Filtern Strahlung kürzerer Wellenlänge als 280 m/n unterdrücken und damit bessere Vergleichsmöglichkeiten mit dem Verhalten vor der Sonne schaffen. In ähnlicher Weise kann auch die Beständigkeit von Lacken und anderen Schutzanstrichen durch eine UV-Bestrahlung untersucht werden. Zweckmäßig verbindet man diese Lichtechtheitsprüfung mit einer Prüfung der Temperaturund Wetterbeständigkeit. Auf diese Weise können Lacke einer sehr wirkungsvollen Dauerprüfung unterzogen werden. Es gelingt dabei, in kurzer Zeit Ergebnisse zu erzielen, die sonst erst nach monatelanger Lagerung im Freien zustande gekommen wären. Diese künstliche Alterung hat den großen Vorzug, daß ihre Prüfbedingungen genau eingestellt werden können [1431, 1470, 1497, 1512, 1513], Hierher gehört auch die laufende Überwachung des als Pigmentstoff für Anstrichfarben viel verwendeten Lithopons (Zinkweiß), die auf Grund einer Vereinbarung der betreffenden Hersteller mit der Quarzlampe vorgenommen wird, damit Qualitätsänderungen rechtzeitig erkannt werden. 310. Prüfung von Geräten auf Tropensicherheit. Die Beanspruchung technischer Produkte in den Tropen unterscheidet sich von der in mittleren Klimaten erheblich. Man unterscheidet zwei Arten tropischen Klimas. Einmal ein feuchtwarmes Klima, bei dem die Luft fast immer wasserdampfgesättigt ist, während die maximale Temperatur nur selten 40°G überschreitet, und bei dem die Strahlung der Sonne keine sc wichtige Rolle spielt. Dann aber das ausgesprochene Wüstenklima, das sich durch hohe Lufttrockenheit auszeichnet bei gleichzeitig vorhandener starker Sonnenstrahlung. Ganz besonders für dieses zuletzt beschriebene Tropenklima ist die Prüfung aller elektrischen Geräte auch unter dem Gesichtspunkt der Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung wichtig. Um Nachahmung der natürlichen Bestrahlungsverhältnisse zu sichern, wird verlangt, daß die Gesamtbestrahlungsstärke durch Glühlampen zu erzeugen ist, und daß sie am Orte des Prüflings mit der der Sonne übereinstimmt (rund 0,1 W/cm 2 ); ferner soll der UV-Anteil der Strahlung folgenden Bedingungen genügen: Eine Hg-Hochdrucklampe aus Quarzglas, die bei einem Betriebsdampfdruck des Hg von 1 bis 10 at arbeitet, ist durch ein vorzuschaltendes Filterglas zu filtern. Das Durchlassüngsvermögen des Filterglases soll für Strahlung kleinerer Wellenlängen als 270 m^w weniger als 1 v. H., für Strahlung größerer Wellenlänge als 320 m/j, 80 v. H. und mehr betragen. Die UV-Bestrahlungsstärke am Orte des Prüflings soll mit der einer UV-Normallampe (vgl. 61) in 50 cm Abstand bei gleicher Filterung übereinstimmen. Diese Bedingungen werden z. B. so verwirklicht: Der Versuchskasten oder Versuchsraum wird zweckmäßig an den Seitenwänden und der Decke mit gebeiztem Aluminiumblech verkleidet, um gute Strahlenausnutzung zu erhalten und um auch die Strahlen nach Hin- und Herreflexion an dieser Aluminiumabdeckung möglichst allseitig einfallen zu lassen. Die Strahlenquellen werden etwa 1 m über dem Boden des Versuchsraumes angebracht. Mit guter Näherung wird die verlangte Bestrahlungsstärke und Strahlenmischling erreicht, wenn man je m 2 Bodenfläche 4 bis 6 kW Glühlampen und 0,6 kW Hg-Quarzlampen vorsieht. Geeignete Filtergläser werden von dem Erzeuger der Hg-Hochdrucklampen mitgeliefert. Recht einfach gestaltet sich die Bestückung des Tropenprüfraumes, wenn man Ultra-Vitaluxlampen der neuen Type mit Innenreflektor (vgl. 62) wählt und die Gesamtbestrahlungsstärke auf den erforderlichen Wert von 0,1 W/cm 2 durch die genügende Anzahl Lampen richtig einstellt, da dann der geforderte UV-Anteil mit der vorgeschriebenen Filterung sich zwangsläufig einstellt [196]. Auf beide Weisen unterliegt der Prüfling einer Temperaturbeanspruchung und UV-Bestrahlung, wie sie angenähert der Tropensonne entspricht. In diesen Tropen-

310

IV. Physikalische, biologische lind photochemische Wirkungen der UV-Strahlen

räumen kann z. B. das Verhalten von Lackanstrichen, ferner von Kunststoffen, wie sie für Gehäuse verwendet werden, und außerdem das Verhalten von Isolierstoffen, z. B. Gummi oder Kunstharz gegen tropische Beanspruchung geprüft werden [1515, 1530]. 311. Kesselsteinverhütung. Die Abscheidung des Kalkes aus dem Speisewasser im Dampfkessel erfolgt im allgemeinen als fester Belag auf der Kesselwandung, dessen Entfernung mühevoll ist. Bestrahlt man dagegen das Kesselspeisewasser vor dem Eintritt in den Kessel mit einem starken UV-Strahler, so soll sich der Kalk in Form von Schlamm niederschlagen, der leicht entfernt werden kann [1531]. Der Effekt soll darauf beruhen, daß Elektronen frei werden und Ionen auf der Teilchenoberfläche auftreten. 312. Lacklederhärtung. Die Erzeugung haltbarer Lackleder gelingt nur unter dem Einfluß von UV-Bestrahlung. Früher wurde das Lackleder im Freien tagelang der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Man benötigte große Flächen und war vor allem von der Witterung abhängig. Um auch in Zeiten mit geringer Sonnenscheindauer lieferfähig zu sein, mußten große Lagerbestände gehalten werden. Deshalb ist die Herstellung von Lackleder technisch in großem Maßstab durch Bestrahlung mit HgHochdrucklampen üblich. Man ist damit von der lang dauernden Behandlung der Häute in der meist ungenügend vorhandenen Natursonne unabhängig geworden und kann in einem Bruchteil der Zeit eine viel größere Erzeugung bewältigen. Abb. 256 (auf Tafel 20 vor S. 305) zeigt einen Ausschnitt aus einer Lacklederfabrik. Man sieht die ausgespannten Häute in langen Reihen angeordnet, die einen Bestrahlungsgang durchlaufend von starken UV-Strahlern bestrahlt werden. Das Verfahren ist wirtschaftlich und das Erzeugnis qualitativ unübertroffen [1455, 1464, 1465, 1532], 313. Lichtpauserei. In der Lichtpauserei wird von einem Original, einer Zeichnung, Brief oder Aktenstück eine Vervielfältigung dadurch hergestellt, daß man Strahlung durch das Original hindurch auf ein strahlenempfindliches Papier fallen läßt. An den Stellen, an denen das Original beschrieben ist oder Zeichenstriche enthält, wird das strahlenempfindliche Papier nicht verändert, während an den den unbedeckten Stellen des Originals entsprechenden Stellen des strahlenempfindlichen Papiers eine photochemische Veränderung auftritt. Durch Behandeln mit einer Flüssigkeit oder mit Dämpfen wird diese Schicht gleichzeitig entwickelt und fixiert, so daß schließlich eine originalgetreue positive (oder negative) Kopie vorliegt. Eine besondere Bedeutung auf dem Gebiet der Lichtpauserei haben die sogenannten Ozalid-Papiere, deren lichtempfindliche Schicht Diazo-Verbindungen enthält, welche nach dem Belichten in einem trockenen Verfahren mit Ammoniakdampf entwickelt werden. Die Pausen sind daher gut maßhaltig. Die spektrale Absorption der lichtempfindlichen Schicht zeigt Abb. 257. Die Empfindlichkeit hegt vorwiegend im Violetten und langwelligen UV. Dadurch ist dieses Papier, wie auch alle anderen Lichtpauspapiere gegen das normale Tageslicht und Glühlampenlicht weitgehend unempfindlich, so daß es auch in nichtverdunkeltem Baum gehandhabt werden kann. Als Strahlenquelle für die Lichtpauserei benötigt man deshalb eine Strahlenquelle, die reich ist an UV-Strahlen. Als Strahler kommen hauptsächlich Kohlenbogenlampen und die Hg-Hochdrucklampen in Betracht. Die Kohlenbogenlampe ist zwar sehr verbreitet, hat aber gewisse Nachteile. Sie erfordert nämlich eine stete Wartung, bedingt durch den Abbrand und die Auswechselung der Kohlen. Außerdem ist oft die Staubentwicklung störend, die eine laufende Sauberhaltung der Pausflächen erfordern. Man verwendet vorzugsweise eine geschlossene Kohlenbogenlampe, bei der der Lichtbogen in einem abgedichteten Hohlkörper aus Glas, also in einem sauerstoffarmen Raum brennt , und bei der die Strahlung von der leuchtenden Gasstrecke und nur zum

311

G. Technische Anwendung von UV-Strahlern

kleinen Teil von den Elektroden herrührt. Ein solcher Lichtbogen ist im^Vergleich zu den verhältnismäßig großen Abmessungen des Pausgutes als punktförmig anzusehen. Um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Pausfläche zu erreichen, ist es daher notwendig, entweder den Abstand zwischen Lichtquelle und Pausgut relativ groß zu halten und für die Lichtquelle besonders gebaute Reflektoren zu verwenden oder die Pauslampe während der Bestrahlung zu bewegen oder mehrere Strahlungsquellen nebeneinander anzuordnen. Die gleichmäßige Ausleuchtung ist bei den Licht-

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05 r, rotierender 130, 131, 161 Sektoirentreppe 242, Tafel 12 Sekundärelektronenvervielfacher 112 . Selbsttumkehr 32, 51, 209 Selenjphotoelement, siehejPhotoelement Senkrechte Brennlage 46* Sensibilisation 11, 122, 260 Sichtbarkeit im UV 258, 305 Silberfilter 144, 145

Sach verz eiohnis Solarca-Lampe 69 Solarien, siehe Bestrahlungsgang, CGroßbestrahlungsanlage und Zentralhöheensonne Solarisation 119, 144 Solarkonstante 81 Sonne 80, 90, 289, 291 Sonnenähnlichkeit 289 Sonnenhöhe 81, 85, siehe auch Luftmaisse Spalt, Spalteinstellung 123—127 Spasmophilie 271, 272 Spektralapparat, allgemein 91—97 - , Aufstellung 123 —, Justierung 123 Spektrale Energieverteilung, siehe ECnergieverteilung Spektrale Spaltbreite 181 Spektrale Zerlegung 91—97 Spektrallampe 61 Spektralphotometrie Spektrograph, Spektroskop 91—97 Spektrum, allgemein 3, 91 —, Darstellung 3—7 —, H g 30, Tafel 1 u. 2 Sperrschichtzelle siehe Photoelement Spiegelmonochromator 96, 97 Sporen 257 Stabilität 20, 25 Statistische Methode 244—246 Steilheit 109, 110, 119 Stephan-Boltzmann'sches Gesetz 62 Sterilamp 58, 298 Sterilisation 296—304 Stickoxyde 306 Stickstoff, Durchlässigkeit 145 Stoffwechsel 261—262 Stokes'sche Gesetz 9, 209 Strahldichte 2, 322 Strahlengewöhnung 239 Strahlenquelle, Aufstellung 127 Strahlstärke 2, 322 Strahlungsausbeute 2, 31—36, 179, 3222 Strahlungsempfänger 98—122 —, Eichung der 101, 169—177 Strahlungsenergie 1 Strahlungsfluß 2, 322 Strahlungsgesetz 62 Strahlungsmenge 2, 322 Strahlungsmessung 170, 193 Strahlungsnormal 36, siehe auch UV-Mormal Strahlungsschwächung 130 Strahlungsschwächungsverfahren bei Messung der Durchlässigkeit 159 Streufeldtrafo 25, 49 Streulicht 93, 162, 182, 184 Streuung 8, 81 Stroboskopeffekt 131 Stromeinführung 42 Stromkonstante 100, 107, 111 Strommessungsverfahren der Durchlässigkeit 157 Stromspannungskennlinie 19 Stufenblendenkondensor 131 Substitutionsverfahren 159 Sulfhydrylkörper 226, 252, 261

389

Sulfochlorierung 316 Superdruck, siehe Höchstdruck 252, 261 T Talbotsches Gesetz 105, 120, 131 Tartrazinfilter 141, 191 Tauchlampe 317 Technische Anwendungen 296—319 Telephonie, optische 1^6, 307 Tellurentladung 39 Tempaxglas 142 Temperatur, wahre u. schwarze 67, 68 Temperatureinfluß bei Filtern 144 Temperatur strahier 62—70 Tetanie 271 Thalliumentladung 39, 61, 175 Therapeutische Lampen 281—295 , Bewertung 289—295 • —, Filterung 284 , Mindestanforderungen 283 Therapeutische Wirkungen 260 Therapie, allgemeine 260—268 —, spezifische 269—271, 276 Thermoelemente 98—102, 169, 192, 197, 199 Thiochrommethode 218 Thoriumzelle 102 Thymonukleinsäure, s. Nukleinsäure Tierbestrahlung 305 Titanzelle 102 Titration 217 Tonfilm 314 Torr 12 Totalreflexion 154 Trägerbildung 13 Treffertheorie 225, 255, 256 Trennschärfe 93 Trinkglasentkeimung 304 Tropensicherheitsprüfung 309 Tuberkulose 257, 269, 288, 290, 299 U Übergangsgläser 42 Überhitzter Dampf 28, 43 Übersichtsmessungen 199 UG-Filter 139, 147, 213, 333 Ulbricht'sche Kugel 115, 116, 129, 165, 166, 193 Ultrakop 311, 312 Ultrarot siehe I n f r a r o t Ultra-Vitaluxlampe 69, 70, 266—268, 284, 285, 289—294 Ulvirlampe 287, 292 Umrechnungstabelle 322, 330 U m s t i m m u n g 261 Unspezifische therapeutische Anwendungen 260—268

Unterwasserfunken 80 Uranzelle 102 Uster-Sterilisationsapparat 300, 301, Tafel 19 UV-A, UV-B, UV-C 3, 148, 197 UV-Normal 58, 125, 126,1326—328 —, Messungen mit 172, 177, 178

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Sachverzeichnis

UV-Mikroskopie 221 UV-Spektralplatte 122 Uviolglas 60, 51, 57, 142, 188, 189 V Vakuum-Thermoelement 98, Tafel 5 Vakuumzelle 103 Varioilluminator 148 Vergrößerungsgeräte 313 Verschiebungsgesetz von Wien 63 Verstärker, Verstärkerröhren 109 Verstärkungsfaktor, Reflektor 283 Verzerrungsfaktor 22, 24 Vigantol 273, 278 Vitalux 67, 287, 289 Vitamin A 275 Vitamin B : Nachweis 218 Vitamin C 275, 280 Vitamin D 190, 226, 260, 271—281, 286 —, Absorption 275 —, Bedarf 273, 278 ' —; Bestimmung 274 —, E n t s t e h u n g 273 —, Einheit 273 —, Nachweis 274 —, techn. Herstellung 318 —, Vorkommen 275 Viton 206 Vorschaltgerät, Vorschaltwiderstand 4, 21, 25, 36 Vorsichtsmaßnahmen bei Strahlenmessungen 116, 162 W Waagerechte Brennlage 46 Wachstumshemmungen von Gewebekulturen 225, 227, 253 Wadsworth-Fuchs-Aufstellung 97 W a h r e Temperatur 67 Wasser, Durchlässigkeit 142, 147 — Reflexionsvermögen 168 Wasserstoff-Entladung 39 Lampen 60 Wechsellicht 111 Wechselstromentladung 22 Wechselstromverstärker 111, 112, 160 Wehnelt-Kathode 17 Wellenlänge 2, 3, 7

Wellenlängenteilung, Eichung 123 Wellenzahl 163 Wendeldrahtlampe 66, 68 WG-Filter 138, 195, 196, 332 Widerstandsgerade 20, 21 Wiederzündung 23, 24 Wien'sches Gesetz 63 Winkelabhängigkeit 115, 116 Wirkungsgrad, siehe Ausbeute, Ökonomie — bei biologischen Messungen 173, 174, 230 Wirkungskurven, spektrale: Bestimmung 173, 174 , Werte 230, 238, 253—258, 275, 276 eines Strahlers 231, 295 Wismut-Entladungen 38, 57 Wolfram, Bandlampe 66, 177 — -Bogenlampe 76, 77 Funken 80 — -gedochtete Elektroden 76, 77, 337 —, Glühelektronenemission 17 — -Glühlampe 66, 68, 287, 289 — -Punktlichtlampe 68 —, Strahlungseigenschaften 64, 65 Wundbestrahlung 270 X Xenon-Entladung 40—42 — Lampe 60, 61 Z Zählrohr, siehe Lichtzähler Zäsiumzelle 102 Zahnheilkunde 271 Zellzerstörende Wirkung 224, 237, 252, 254, 260 Zentralhöhensonne 284, Tafel 15 Zer 7, 75, 79 Zerammoniumnitrat 142, 216 Zinkentladung 38, 39, 57, 61 Zinksulfidmethode 202 Zitratbehandlung bei Rachitis 272 Zündhilfe 26 Zündspannung L4 Zündstreifen 43 Zündung 14, 18, 23, 43 Zündverzug 306 Zweizellenmethode 159, 164 Zyan 74, 79