Ultraviolette Strahlen: Ihre Erzeugung, Messung und Anwendung in Medizin, Biologie und Technik [Reprint 2020 ed.] 9783112341728, 9783112341711

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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. Rajewsky

Direktor des Kaiser-Wilhelm-Institutes für Biophysik, Frankfurt a. M .

M i t 2 1 7 A b b i l d u n g e n und 40

BERLIN VERLAG vormals

WALTER

O. J . G ö s c h e n ' s c h e

buchhandlung

—

Tabellen

1942

DE

GRUYTER

& CO

V e r l ags ha nd I u n g — J. G u t t e n t a g ,

Georg Reimer

—

Karl

J. T r ü b n e r

Verlags-

— Veit & Comp.

Archiv-Nr. 5 2 7 3 4 2 Alle Rechte, insbesondere das Übersetzungsrecht, von der Verlagshandlung vorbehalten • Copyright 1942 by Walter de Gruyter & Co., Berlin • Printed in Germany • Druck von Walter de Gruyter & Co., Berlin W 35

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 Rachitis-Bekämpfung sind hier, neben anderen medizinischen Anwendungen, als besonders markante Beispiele zu nennen. Verschiedene technische Anwendungen, vor allem die Lumineszenzanalyse, ergänzten diesen praktischen Geltungsbereich des UV-Lichtes. 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 UV-Strahlen als struktur-analytisches Werkzeug (Absorptionsund Wirkungsspektrums-Analyse) 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 Arbeitshygiene, steigende technische Anwendung sind die Wegweiser der sich anbahnenden Entwicklung. So kommt das neue Buch über 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 besonders 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, das. 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. Frankfurt a. M., 10. November 1941

B. R a j e w s k y

Vorwort Wohl selten gehört auf einem 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 Vorhaben 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 dem 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 Quecksilberhochdruckentladung, 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 gewidmeten Teil zu einem zuverlässigen Nachschlagewerk über alle praktisch wertvollen UV-Strahlenquellen gestaltet zu haben.

Vorwort

V

Die Meßtechnik erforderte gleichfalls eine gründliche und das gesamte meßtechnische 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 in 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, wobei wir im wesentlichen den bekannten Darstellungen von GOTHMANN, 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 stützten, wurden im allgemeinen im Text nicht genannt; sie sind aber durch kursiv gesetzte Ziffern, die im Schrifttumsverzeichnis wiederkehren, leicht aufzufinden. Dieses 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 . R A J E W S K Y , 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 veipflichten uns zu besonderem Dank die Herren C. BRABAND, Berlin,

VI

Vorwort

durch wertvolle Mitarbeit bei Abfassung des physikalischen Teiles und Dr. F. LAUSTER, Hanau, Geschäftsführer der Quarzlampen Gesellschaft m. b. H., Hanau a. M., 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. Hanau, im November 1941 A. E. H . M e y e r , E. O. S e i t z

Inhaltsverzeichnis Kapitel I Allgemeine Ubersicht und Grundbegriffe i 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

1

K a p i t e l II Erzeugung von U V - S t r a h l e n 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

11 11

a) G r u n d s ä t z l i c h e s z u r G a s e n t l a d u n g 1 2 Lichterscheinungen in der Gasentladung. 1 3 Entladungsträger. 14 Anregung und Trägerbildung. 1 5 Zündspannung. Klemmenspannung. 16 Austrittsarbeit und Kathodenfall. 1 7 Glühkathode. Oxydkathode. 18 Feldkathode. 19 Glimmentladung. Bogenentladung. 20 Positive Säule. Gradient

11

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 v o n E n t l a d u n g s r ö h r e n 2 1 Kennlinie. Charakteristik. 22 Stabilitätsbedingungen. 23 Verluste im Vorschaltwiderstand. 24 Wechselstrom. 25 Wechselstromentladung. 26 Klemmenspannung und ihre Messung. 27 Leistungsmessung. Verzerrungsfaktor. 28 Stabilität bei verschiedenen Vorschaltgeräten. 29 Vorschaltgeräte, insbes. Drossel. 30 Zündhilfe

18

c) Q u e c k s i l b e r - E n t l a d u n g 3 1 Allgemeines über Niederdruck- und Hochdruckentladung. 32 Gradient. 3 3 Druckabhängigkeit der Lichtausbeute. 34 Übersicht über die Größen, von denen die Strahlungsausbeute abhängt. 35 Ausbeute der Linie 254 m ß . 36 Ausbeute der Linie 366 m^u. 37 Ausbeute für verschiedene UV-Bereiche. 38 Tabellarische Zusammenstellung der Ausbeute für die einzelnen Linien. 39 Kontinuumstrahlung. 40 Eignung der HgEntladung als Strahlungsnormal. 41 Einfluß des Vorschaltgerätes auf die spektrale Intensitätsverteilung. 42 Schlußfolgerung

25

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 43 Metalldampfentladungen. 44 Wasserstoffentladung

36

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 45 Einleitung. 46 Quarzlampe S 300 als typischer Vertreter einer Hg-Hochdrucklampe mit Glühelektroden. 47 Zündung. 48 Dosierung der Hg-Menge. 49 Einbrennvorgang. 50 Einfluß der Netzspannungsänderungen. 5 1 Spektrale Intensitätsverteilung. 52 Betrieb in waagerechter und senkrechter Brennlage. 53 Intensitätsabnahme während des Betriebes. 54 Vorschaltgeräte. 55 Glaslampe. 56 Höchstdrucklampe. 57 Hg-Hochdrucklampen mit flüssigen Elektroden

37

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 58 Lampen für allgemeine UV-Zwecke. 59 Hg-Hochdrucklampen mit Filterung, sowie Hg-Niederdrucklampen. 60 UV-Normallampe. 61 Wasserstofflampe. 62 Spektrallampen und Eisenbogenlampe

53

VIII

Inhaltsverzeichnis

B. T e m p e r a t u r s t r a h l e r 63 Allgemeines. Schwarzer Körper. 64 Strahlungsgesetze des schwarzen Körpers. 65 UV-Strahlung des schwarzen Körpers. 66 Strahlung von nicht-schwarzen Körpern, insbes. Wolfram. 67 Wolframglühlampen einschl. Wolframbandlampen. 68 Farbtemperatur. Schwarze Temperatur. 69 Wolframpunktlichtlampe. 70 Strahlungsquellen mit Gasentladungs- und Temperaturstrahlung

63

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 Allgemeines. 72 Elektroden. 73 Elektrische Verhältnisse. 74 Strahlung. 75 Eingeschlossener Lichtbogen. 76 Beck-Bogen. 77 Funkenstrecke

70

D. D i e S o n n e 78 Extraterrestrische Strahlung der Sonne. 79 Absorption in der Erdatmosphäre. 80 Streuung in der Erdatmosphäre. Himmelsstrahlung. 81 Gesamtbestrahlungsstärke der Sonnen- und Himmelsstrahlung im UV-B. 82 Einfluß der Meereshöhe auf die Bestrahlungsstärke im UV-B. 83 Einfluß der Bewölkung. 84 UV-Klima der Großstadt. 85 Sonnen- und Himmelsstrahlung im UV-A. Zusammenfassung

75

K a p i t e l III Messung

der

UV-Strahlung

83

A. S p e k t r a l e Z e r l e g u n g 86 Grundlagen. 87 Monochromator-Prinzip. 88 Prismen. Dispersion. 89 Auflösung. 90 Lichtstärke. 91 Spektrale Reinheit. 92 Doppelmonochromator. 93 Handelsübliche Spektralapparate

83

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 94 T h e r m o e l e m e n t . 95 Galvanometer 96 Galvanometer Verstärker. 97 Nichtselektivität. 98 Eichen des Thermoelementes. 99 S e l e k t i v e S t r a h l u n g s e m p f ä n g e r . 100 Prinzipschaltbild der Photozelle. 101 Vakuumzelle. 102 Gasgefüllte Zelle. Vergleich zwischen Vakuum- und gasgefüllten Zellen. 103 Messung des Photozellenstromes mit Galvanometer. 104 Elektrometeranordnungen. 105 Verstärkerröhren und ihre Anwendung. 106 Lichtzähler. 107 Mekapion. Zusammenfassung. 108 Photoelement. 109 Allgemeine Vorsichtsmaßnahmen beim Arbeiten mit Strahlungsempfängern. 110 P h o t o g r a p h i s c h e P l a t t e

89

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 i n Aufstellung und Justierung der Spektralapparate. 112 Einstellung des Spaltes. 113 Aufstellung der Strahlenquelle. 114 Anordnung des Strahlungsempfängers. 115 Strahlungsschwächungsmittel

111

D. A l l g e m e i n e E i g e n s c h a f t e n der F i l t e r u n d i h r e H a n d h a b u n g 118 116 Allgemeines. 117 Durchlässigkeit. Durchlassungsvermögen. 118 Filterkombination. 119 Einfluß der Schichtdicke auf das Durchlassungsvermögen. 120 LambertBeersches Gesetz. 121 Beispiel der Berechnung eines Filteis. Hilfsnomogramm. 122 Angaben über die üblichen Filter. 123 Änderung des Filters durch Bestrahlung. 124 Temperatureinfluß. 125 Störung durch Eigenfluoreszenz des Filters. 126 Metallfilter. 127 Durchlässigkeit von Gasen und Dämpfen. 128 Filterdurchlässigkeit außerhalb des UV. 129 Durchlässigkeit der menschlichen Haut, des Blutes und der Schutzsalben 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 133 130 Filter-Monochromatoren. 131 Kontrolle durch Gegenfilter. 132 ChristiansenFilter. 133 Ausnutzung der chromatischen Fehler von Linsen. 134 Monochromator als Filter. Varioilluminator F. D u r c h f ü h r u n g

von

verschiedenen

a) B e s t i m m u n g d e r D u r c h l ä s s i g k e i t von Filtern

Spektralmessungen und des

: .

137

Extinktionskoeffizienten 137

Inhaltsverzeichnis

IX

135 Strahlenquelle. Spalt. Anordnung des Filters. 136 Strahlungsschwächungsverfahren. 137 Strommessungsverfahren. 138 Fehlermöglichkeit durch Streulicht. 139 Bestimmung des Extinktionskoeffizienten b) B e s t i m m u n g d e s R e f l e x i o n s v e r m ö g e n s 140 Allgemeines. 141 Messung der spiegelnden Reflexion. 142 Messung der diffusen Reflexion. 143 Daten über das Reflexionsvermögen verschiedener Stoffe c) B e s t i m m u n g d e r 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 144 Allgemeines. Bestimmung der relativen spektralen Empfindlichkeitsverteilung. 145 Allgemeine Angaben über absolute Eichung. 146 Absolute Eichung auf Bestrahlungsstärke. 147 Absolute Eichung auf Strahlungsfluß und Ausbeute. 148 Ermittlung der absoluten Empfindlichkeit bei Eichung mit einem Wellenlängenbereich. 149 Absolute Eichung mit UV-Normal. 150 Bestimmung der Wellenlängenabhängigkeit biologischer und photochemischei Vorgänge. 151 Mehrfilterverfahren zur Ermittlung von spektralen Empfindlichkeiten d) M e s s u n g d e r s p e k t r a l e n I n t e n s i t ä t s v e r t e i l u n g v o n L i n i e n s p e k t r e n 152 Aufstellung. Monochromatordurchlässigkeit. 153 Bestimmung der relativen spektralen Intensitätsverteilung. 154 Anschluß der relativen Messung an eine absolute bei e i n e r Wellenlänge. 155 Anschluß der relativen Messung an die absolute Messung eines Wellenlängenbereiches, insbesondere mit einer absolut geeichten Photozelle e) M e s s u n g d e r s p e k t r a l e n I n t e n s i t ä t s v e r t e i l u n g v o n k o n t i n u i e r l i c h e n Spektren 156 Dispersionvermögen, 157 Relative Messung. 158 Absolute Messung. 159 Intensitätsverteilung in einem aus Kontinuum und Linien bestehenden Spektrum f) D u r c h f ü h r u n g v o n s p e k t r a l e n M e s s u n g e n m i t d e r Platte 160 Arbeiten mit Schwärzungsmarken. 161 Anwendungen

145

153

157

photographischen

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 Verwendung von Filtern und photochemischen Umsetzungen. metrie 162 Aufgabenstellung

b

141

160

unter Dosi162

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 163 Strahlungsempfänger und Filter. 164 Die Kadmiumzelle in ihrer Verwendung für integrierende Strahlungsmessungen. 165 Die Natriumzelle in ihrer Verwendung für integrierende Strahlungsmessungen. 166 Das Photoelement (Sperrschichtzelle) für integrierende Strahlungsmessungen. 167 Das Thermoelement für integrierende Strahlungsmessungen. 168 Kontrolle durch Gegenfilter. 169 Fehlermöglichkeit bei Verwendung von Filtern. 170 Bestimmung des Strahlungsflusses mit der Ulbrichtschen Kugel. 171 Differenzverfahren. 172 Auswahl unter den für die Bewertung von UV-Strahlern in Frage kommenden Filtermeßmethoden. 173 Übersichtsmessung im Gesamtspektrum. 174 Fluoreszenzverfahren

102

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 175 UV-Schnellmesser. 176 Jodmethode. 177 Azeton-Methode und andere. 178 IGDosimeter

174

c) D o s i m e t r i e 179 Dosimetrie. 180 Biologische Einheiten und biologisch begründete Einheiten der UV-Strahlung

177

H. N a c h t r a g zu E „ Z e r l e g u n g o h n e P r i s m a " 181 Verwendung der Totalreflexion zur spektralen Trennung. 182 Strahlungsmessungen unter Benutzung der spektralen Trennung durch Totalreflexion

181

Meyer-Seitz,

Ultraviolette Strahlen.

X

Inhaltsverzeichnis

K a p i t e l IV P h y s i k a l i s c h e , biologische und photochemische Wirkungen der und ihre Anwendung 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

UV-Strahlen 185

Anwendungen,

185

183 Allgemeines. 184 Resonanzfluoreszenz bei Gasen und Dämpfen. 185 Stockessches Gesetz. Energetische Ausbeute. 186 Abhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung vom Aggregatzustand. 187 Leuchtphosphore. 188 Anwendung der Fluoreszenz und Phosphoreszenz in der Meßtechnik. 189 Analysenlampe. 190 Anwendungsbeispiele der Fluoreszenzanalyse. 191 Photographische Aufnahmen im Fluoreszenzlicht und im reflektierten UV. 192 Titration mit fluoreszierenden Indikatoren. 193 Ergänzende Bemerkungen zur Fluoreszenzanalyse. 194 Anwendung der Leuchtstoffe in der Lichttechnik B. p 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 198 195 Einleitung und Allgemeines über Wirkungsmechanismen. 196 Zellzerstörende Wirkungen. 197 Photochemische Wirkungen. 198 Auswertung der biologischen Strahlungsreaktionen C. E r y t h e m

und

Pigment

199

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 199 199 Allgemeines. Äußere Erscheinungsformen. 200 Abhängigkeit von der Dosis. 201 Abhängigkeit von der Wellenlänge. 202 Additivität der Wirkung von Strahlung verschiedener Wellenlängen. 203 Lichtbiologische Konstitutionsforschung. 204 Verschiedene Abhängigkeiten der Erythemempfindlichkeit. 205 Absolute Erythemempfindlichkeit. 206 Einfluß der Unterteilung der Dosis. 207 Anatomie und Physiologie der menschlichen Haut. 208 Entstehung des Erythems. 209 Pigmentierung. 210 Strahlengewöhnung. 2 1 1 Schlußfolgerungen b) M e t h o d i k v o n 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 212 Allgemeine Bídeutung solcher Versuche. 213 Optische und elektrische Einstellung der Strahlenquelle. 214 Wahl der Teststelle. 215 Zeitpunkt der Ablesung. 216 Bestrahlungstreppen. 217 Ablesung der Bestrahlungstreppe. 218 Bestimmung der Erythemschwellendosis. 219 Bestimmung der Erythemgradation. 220 Lichtbiologische Konstitutionsforschung. 221 Einteilung der UV-Strahler nach Erythemschwelle und Erythemgradation. 222 Pigmentierungsversuche

210

c) L i c h t s c h u t z m i t t e l

216

223 Allgemeines. Forderung an Lichtschutzmittel. 224 Arten der Lichtschutzmittel. 225 Bestimmung der Schutzwirkung durch Messung der spektralen Durchlässigkeit. 226 Bewertung der Lichtschutzmittel. 227 Zusammenstellung der wichtigsten Lichtschutzmittel. 228 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 i n Medizin

der

229 Allgemeine Bemerkungen. 230 Spektrale Wirkungskurven. 231 Wirkungen der UV-Bestrahlung auf Eiweißkörper. 232 Bakterientötende Wirkung. 233 Praktische Anwendung der bakterientötenden Wirkung. 234 Konjunktivitis. 235 Sichtbarkeit von UV-Strahlung. 236 Genmutation. 237 Beeinflussung des Atmungsfermentes. 238 Krebsentstehung durch UV. 239 Fördernde und antagonistische Wirkung von Strahlung anderer Spektralgebiete. 240 Lichtsensibilisatoren. 241 Allgemeine therapeutische Wirkungen. 242 Unspezifische Anwendung der UV-Bestrahlung bei Gesunden zur Förderung der Gesundheit und Steigerung der Leistungsfähigkeit. Bergarbeiterbestrahlung. 243 Gegenanzeige der UV-Bestrahlung. 244 Tuberkulose. 245 Hautkrankheiten. 246 Bestrahlung von Wunden. 247 Bestrahlung von Blut und anderen Körpersäften. 248 Bestrahlung bei Operationen. 249 UV-Bestrahlung in der Zähnheilkunde

220

Inhaltsverzeichnis E. R a c h i t i s

und

Vitamin

D

XI 234

250 Medizinische Grundlagen und Erscheinungsformen der Rachitis. 251 Heilung der Rachitis durch Vitamin D. 252 Ungünstige Nebenerscheinungen bei Vitamin-D-Anwendung. 253 Verschiedene Vitamin-D-Arten und ihre Entstehung. 254 Die internationale Vitamin-D-Einheit. 255 Bedarf an Vitamin D. 256 Bestimmung des Vitamin D. 257 Natürliches Vorkommen von Vitamin D. 258 Wellenlängenabhängigkeit der Rachitisheilung und Vitamin-D-Bildung. 259 Rachitisheilung durch Bestrahlung des menschlichen Körpers. 260 Bestrahlung von Arzneimitteln und Nahrungsmitteln (ohne Milch). 261 Grundsätzliches über Milchbestrahlung. 262 Technische Ausführung der Milchbestrahlung. 263 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 264 Allgemeines. 265 Reflektor. Ausleuchtung des Bestrahlungsfeldes. 266 Reflektor. Verstärkungsfaktor. 267 Ubersicht über die auf dem deutschen Markt befindlichen therapeutischen Lampen. 268 Hg-Hochdrucklampen mit festen Glühelektroden. 269 HgHochdrucklampen mit flüssigen Hg-Elektroden. 270 Hg-Niederdrucklampen. 271 Andere Metalldampflampen. 272 Bogenlampen mit abbrennenden Elektroden. 273 Glühlampen. 274 Speziallampen. 275 Vergleich verschiedener Lampentypen untereinander und mit der Sonne. „Sonnenähnlichkeit". 276 Bewertung verschiedener therapeutischer Lampen hinsichtlich Erythem- und Pigmenterzeugung. 277 Vergleich verschiedener therapeutischer Lampen hinsichtlich anderer biologischer Wirkungen. 278 Rechnerische Bewertung von UV-Strahlern, wenn absolute spektrale Intensitätsvert.eilnng und biologische Wirkungskurve bekannt sind

244

G. T e c h n i s c h e

259

Anwendung

von UV-Strahlern

279 Uberblick. 280 Entkeimung von Flüssigkeiten. 281 Lebensmittelfrischhaltung. 282 Entkeimung von Trinkgefäßen. 283 Getreideentmuffung. 284 Vitamjnisierung. 285 Insektenfang. 286 Verwendung der UV-Strahlen bei der Pflanzenzucht. 287 Anwendung der Fluoreszenz. 288 Ionenerzeugung. Ozonisierung. 289 Aufhebung des Zündverzuges bei bestrahlten Funkenstrecken. 290 Optische Telephonie mit UV-Strahlung. 291 Bleichen. Farbechtheitsprüfung. 292 Lacklederhärtung. 293 Prüfung von Geräten auf Tropensicherheit. 294 Kesselsteinverhütung. 295 Lichtpauserei. 296 Anwendung von UV-Strahlern in der photographischen Technik. 297 Herstellung kornfreier Filmkopien. 298 Anordnungen zur Durchführung photochemischer Umsetzungen. 299 Durchführung von photochemischen Versuchen. 300 Anwendung ultravioletter Strahlung zur Polymerisation von Kunststoffen Anhang

275

Tabelle A: Bezeichnungen für Strahlungsgrößen Tabelle B: Umrechnung verschiedener Leistungs- und Energiemaße Tabelle C: Durchlassungsvermögen und Extinktion Schrifttum

278

Sachverzeichnis

303

Kapitel I

Allgemeine Übersicht und Grundbegriffe 1 ) 1. Einleitung. Die ultravioletten (UV) Strahlen und die sichtbaren und infraroten Strahlen bilden das Gebiet der o p t i s c h e n S t r a h l e n , 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 (I. W. Ritter 1801). Dabei kommt 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 sollen. 2. Geometrische Optik. A u s b r e i t u n g . 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 und B r e c h u n g . 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 R e f l e k t o r e n in gewünschter Weise zu bündeln. Von den Brechungsgesetzen 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 ) Kursivziffern in Klammern, z. B . (128), verweisen auf das Schrifttumverzeichnis auf S 2T8 bis 302. Hinweise auf andere Textstellen erfolgen durch fette Ziffer, die den einzelnen Absätzen zugeordnet und fortlaufend durch das ganze B u c h geführt sind, z. B . 5 1 .

J

Meyer-Seitz,

Ultraviolette

Strahlen.

2

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 ) (Lichtstrom 2 )), 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 Meteorologiewird diese Größe auch in cal/cm2 • min angegeben4). Hat man bei parallelen Strahlen auf einer senkrecht zu den Strahlen angeordneten Fläche eine Bestrahlungsstärke B, so wird sich bei Drehung um den Winkel o c

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Bestrahlungsstärke in 1 m Abstand /iWatt/cm !

4. 1,02 0,46 1,76 2,03 2,41 0,46 0,56 8,05 —5.181) 1,02 0,37 0,46 16,19 3,10 2,68 7,13 4,07 1,02 10,64 19,90 46,73 5,09 69,68 0,56

A in m a

fi Watt /cm2

Summe 5.

1.

404.7 407.8 435,8 491,6 546,1 577,0 9,0 623,4 671.6 690.7 708,2/9,2 772,9 816,3/9,7 875,8/8,4 898,8/9,1 941,9,4,3 1014,0 1128,7 1188.7 } 1207,0 1357,0 1367.2 1395,5 1691.8 1693.9 1710,8 1719.3

• 16,8

> 46,7

Watt

Watt Summe

2.

3.

3,12 0,47 5,45 0,07 6,78 5,55 0,01 0,03. 0,06 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 2,57 1,0

i

Summe

¿i Watt/cm 2

4. 28,88 4,35 50,43 0,65 62,73 51,37 0,09 0,09 0,56 0,19 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 23,78 9,3

>21,52

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•141,9

Bestrahlungsstärke in 1 m Abstand

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Watt/cm*

Summe 5.

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4,6 • 63,6

• 6,9 113,9 112,0 50,7

469

bensdauer ist es möglich, H g - H o c h d r u c k l a m p e n zu b a u e n , die untereinander hinsichtlich des L i c h t s t r o m e s durchschnittlich u m nur 1,4: v . H . streuen, w ä h r e n d i m U V - A die S t r e u u n g 1,6 v . H . , i m U V - B 4,5 v. H . beträgt. W i e die A n g a b e n der Reproduzierbarkeit des Strahlungsflusses i m U V - A u n d U V - B zeigen, k o m m e n geringfügige U n t e r s c h i e d e in der relativen, spektralen I n t e n s i t ä t s v e r t e i l u n g vor, die aber d i e A n w e n d u n g der L a m p e als N o r m a l l a m p e nicht ausschließen ( 1 7 2 , 216). D e n A u f b a u der N o r m a l l a m p e zeigt A b b . 56, in der a u c h die w i c h t i g s t e n M a ß e eingetragen sind. B l e n d e n , die die E l e k t r o d e n u m g e b e n , schirmen die W a n d u n g v o r z e r s t ä u b t e m E l e k t r o d e n m a t e r i a l . D a t r o t z dieser M a ß n a h m e ein Beschlag i m L e u c h t rohr e n t s t e h t , ist der in seiner Durchlässigkeit veränderliche Teil der R o h r w a n d u n g durch eine a u ß e n a n g e b r a c h t e B l e c h h ü l s e a b g e d e c k t , so d a ß nur der Teil des L i c h t b o g e n s zur A u s t r a h l u n g b e n u t z t wird, der über eine hinreichend lange B e t r i e b s z e i t *) An Stelle des Strahlungsflusses bzw. der Bestrahlungsstärke der Linie 254 m/t ist diejenige der selbstumgekehrten Linie angegeben und mit einem Minus-Zeichen versehen worden, weil diese Strahlungsleistung von dem an dieser Stelle gleichmäßig durchgezeichneten Kontinuum abgezogen werden muß. Der größte Teil der Strahlungsleistung der Linie 254 m/t ist aber im Kontinuum enthalten.

61

Gasentladungsstrahler

Zahlentafel IIb b) K o n t i n u u m Strahlungsfluß in m/t mWatt

1.

2.

Bestrahlungsstärke in 1 m Abstand

2 Watt /tW/cm2 fiW/cm Summe Summe

3.

4.

5.

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Strahlungsfluß

in m/t

1.

mWatt

Watt Summe

2.

3.

Bestrahlungsstärke in 1 m Abstand /tW/cm 2 //W/cm* Summe 4.

5.

27 350 0,00 0 0,25 19 360 0,00 0 0,18 13 , 0,7 370 0,03 3 0,12 10 380 0,19 21 0,09 Ö 8 390 0,42 45 0,07 l • 17 . 1,9 8 400 0,56 60 0,07 5 450 0,59 64 0,05 500 0,54 0,04 4 58 550 0,49 0,05 53 5 580 0,44 0,05 • 21 48 5 • 2,3 600 0,38 0,04 41 4 700 15,08 • 36 0,04 4 1630 3,9 ; 800 7,77 0,04 4 840 900 1,67 0,03 3 180 1000 0,92 0,03 3 100 1500 0,59 0,03 | 32 64 3 • 3,4 2000 0,46 0,04 50 4 . 2,4 2500 0,40 . 23 0,06 7 43 3000 0,38 0,07 41 8 3500 0,38 0,08 41 9 4000 0,41 0,15 44 16 • *) 4500 0,55 0,21 • *) 59 23 5000 0,55 0,18 59 19 5500 0,48 0,14 52 15 > 2,4 • 22 6000 0,41 0,11 44 12 0,32 35 Summe 157 17,0 0,25 27 Die Werte der Spalte 2 und 4 gelten für den Wellenlängenbereich von 1 m/¿, diejenigen der Spalte 3 und 5 für den durch eine Klammer zusammengefaßten Bereich. 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 253,4 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 310 320 330 340 350

konstante Ausstrahlungsbedingungen gewährleistet. Messungen haben gezeigt, daß diese Maßnahmen konstante Strahlungseigenschaften über mehr als 250 Stunden bewirken. Die Lampe arbeitet mit einem Hg-Dampfdruck von 1,5 at. Sie wird an Gleichstrom von etwa 220 V in senkrechter Brennlage betrieben, wobei sich die Anode unten befindet. Ihre Leistungsaufnahme wird mit Hilfe eines OHMschen Widerstandes auf 250 Watt in eingebranntem Zustand eingeregelt. Die Klemmspannung beträgt etwa 135 V. Die spektralen S t r a h l u n g s f l ü s s e und B e s t r a h l u n g s s t ä r k e n für Linienspekt r u m und Kontinuum sind in Zahlentafel 11 zusammengefaßt. Infolge des Betriebsdampfdruckes von 1,5 at ist die Strahlung des Kontinuums bei exakten Messungen nicht zu vernachlässigen. Für kleinere Abstände als 1 m ist wegen der Längsausdehnung der leuchtenden wirksamen Bogensäule das quadratische Abstandsgesetz nicht anzuwenden (116,138,13g, 204, 221, 236). Die UV-Normallampe ist international als Eich- und Standardlampe empfohlen worden. Es ist jedoch nicht zu raten, irgendwelche Strahlungseinheiten oder biologische Einheiten auf ihr aufzubauen (334). *) Diese Kontinuumswerte gehören zur Quarzstrahlung und sind bei der Summenbildung deshalb nicht berücksichtigt worden.

62

Erzeugung von UV-Strahlen

< Abb. 57. Wasserstofflampe mit Wasserkühlung und festen kalten Elektroden.

61. Wasserstofflampe (vgl. 44). Mit Rücksicht auf das leichtere und bequemere Arbeiten verwendet man vorwiegend Lampen, die von der Pumpe abgeschmolzen sind. Eine derartige Lampe 1 ), die in Abb. 57 dargestellt ist, kann dauernd mit 0,5 A belastet werden, während einer Minute ist ein Betrieb mit 0,75 A zulässig. Zum Anschluß der Lampe ist ein Transformator mit einer Sekundärspannung von rund 4000 V erforderlich, der eine Leistung von mindestens 2 kVA aufweist. Mit Rücksicht auf die ziemlich große Leistungsaufnahme ist eine Wasserkühlung vorgesehen. Während des Betriebes findet eine allmähliche Aufzehrung der Wasserstoffüllung statt. Nach einer Betriebsdauer von etwa 500 Stunden muß die Lampvon neuem mit Wasserstoff gefüllt werden. Der Fülldruck soll etwa 3 tor betragen (108, 144,

145,153, 237)-

Abb. 58. Spektrallampen mit Hg-, CdZn- und Tl-Metalldampffüllung.

Zn Cd Hg

62. Spektrallampen und Eisenbogenlampe. Die Spektrallampen 2 ) (102, 136, 180, 183) sind kleine handliche Metalldampfentladungslampen, deren Aufbau Abb. 58 zeigt. Das eigentliche Entladungsgefäß besteht aus Glas oder aus Quarzglas. E s ist in einem entlüfteten Glaskolben 3 ) untergebracht, der — wenn es sich um die Ausnützung von UV-C handelt — mit einem dünnen, eingezogenen Fenster ausgestattet ist, in dem praktisch keine Strahlungsabsorption erfolgt. Die Lampen sind zum Betrieb an Wechselstrom unter Vorschaltung einer Drosselspule vorgesehen. Die Betriebsdaten und _L I T

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Abb. 59

Spektren der Zn-, Cd-, Hg- und Tl-Metalldampfspektrallampens

(104).

Hersteller: Hanfl & Buest, Berlin. ) Hersteller: Osram GmbH., Kom.-Ges., Barlin O 17. 3 ) Durchlässigkeit für 250 m p 0,30, für 280 m/t 0,65Jund für 300 m p und darüber 0,90.

2

63

T e m p e r a t u r s t r a liier

Abmessungen sind in der Zahlentafel 12 für die Metalldampffüllung mit Zink, Kadmium, Quecksilber und Thallium wiedergegeben. Abb. 59 zeigt das Spektrogramm der vier Lampen im ultravioletten Spektralgebiet. Diese Lampen können benutzt werden, um — wie später in 130 besprochen — mit Hilfe von Filtern monochromatische Strahlung zu gewinnen. Es lassen sich folgende Wellenlängen durch Filter isolieren: 308 Zn

313 Hg

326 Cd

330 Zn

334 Hg

352 T1

366 Hg

378 T1

405 m/u Hg

Als Wellenlängen-Normal bei spektrographischen Arbeiten wird oft das Spektrum des Eisenbogens benötigt. Nach dem System der Wolframpunktlichtlampe, arbeitet die E i s e n d a m p f - E d e l g a s l a m p e 1 ) (198), die zwei Elektroden in geringem. Abstand enthält, die aus Eisen mit Zusatz eines Gemisches von Barium-KalziumOxyd zusammengesintert sind. Für die Zündung und Aufrechterhaltung der Bogenentladung ist die Lampe mit Edelgas gefüllt. Der Betriebsstrom ist 5 A. Z a h l e n t a f e l 12 O s r a m - S p e k t r a l l a m p e n (136) Füllung 1. Quecksilber (Hochdruck)

Zink

Lichtstärke etwa bei A HK 4. 5.

Betriebsstrom A 0

Klemmenspannung V 3.

1 . . . 1,5

100..130

250

1...3

15..20

2...3

1...3

Baustoff 6.

Leuchtende Fläche mm 2 7.

1,1

Quarz

20 x 5

3

2,0

Quarz

20 x 5

15..20

0

3

Quarz

10 x 2

15..20

2,5

2,5

Quarz

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B. T e m p e r a t u r s t r a h l e r (178, 181) 63. Allgemeines. Schwarzer Körper. Die Strahlung eines festen, erhitzten Körpers, eines sogen. Temperaturstrahlers, hängt von seiner Temperatur und der Größe und Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Am übersichtlichsten und am besten erforscht sind die Verhältnisse für eine Strahlenquelle, deren Oberfläche vollkommen schwarz ist, d . h . die alle auffallende Strahlung vollständig absorbiert. Ein solcher Körper hat die Eigenschaft, daß er mehr Strahlung aussendet, als jeder andere Körper gleicher Temperatur und gleicher Größe. Ein solcher „ideal schwarzer Körper" wird physikalisch durch einen Hohlraum mit einer kleinen Strahlenaustrittsöffnung verwirklicht, der von undurchsichtigen, gleichmäßig temperierten Wänden begrenzt ist. Ein in eine solche Öffnung fallender Strahl wird nämlich an den Wänden des Hohlraumes praktisch vollkommen absorbiert, ehe er nach mehrfachen Reflexionen mit verschwindend kleiner Energie zufällig wieder aus der Öffnung austritt. Eine solche Öffnung wirkt also wie ein gleich großer Teil der Oberfläche eines praktisch vollkommen schwarzen Körpers. ') Hersteller; Osiam G m b H , Kom.-Ges., Berlin O 17.

64

Erzeugung von UV-Strahlen

Die innere Oberfläche des Hohlraumes strahlt selbstverständlich gemäß seiner Temperatur entsprechend der betreffenden Stofteigcnschaft aus, also nicht wie ein schwarzer Körper. F ü r diejenigen Wellenlängen, für die die Innenwandung des Hohlraumes weniger strahlt als der schwarze Körper, ist nach dem KIRCHHOI I-sehen Gesetz das Reflexionsvermögen größer als Null (und zwar um so mehr, je größer die Abweichung vom schwarzen Körper ist). Infolgedessen werden Strahlen dieser Wellenlängen stärker reflektiert als diejenigen, für die Übereinstimmung mit der Strahlung des schwarzen Körpers besteht. Betrachtet man also durch die Öffnung eine Stelle im Innern des Hohlraumes, so setzt sich die Strahlung aus der Eigenstrahlung der Wandung und reflektierten Strahlung zusammen. J e größer der Unterschied in den Strahlungseigenschaften der Hohlraumwandung gegenüber dem schwarzen Körper ist, desto höher wird aber der Anteil der reflektierten Strahlung und damit auch der Absorption, so daß auf diese Weise die aus der Öffnung des Hohlraumes austretende Strahlung nicht mehr von den besonderen Eigenschaften der Hohlraumwandung abhängt. 64. S t r a h l u n g s g e s e t z e

des schwarzen

Für

Körpers.

den

schwarzen

Körper

gilt nach S T E F A N und BOLTZMANN, daß der von der Flächeneinheit insgesamt, d. h. in den Halbraum abgegebene Strahlungsfluß S mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur 1 ) T ansteigt. Es gilt dann: (1) S = 5,73 • Kr 1 '- • T* Watt/'cm2. Den großen Einfluß der Temperatur auf die abgestrahlte Leistung zeigt folgendes Beispiel: Wird ein schwarzer Körper auf 1000° K erhitzt, so strahlt er bei einer Oberfläche von 1 cm 2 5,73 Watt aus. Wird er aber auf 3000° K erhitzt, so strahlt die gleiche Fläche eine Leistung von 464 Watt aus. Um also den gleichen Strahlungsfluß wie bei 1000° K zu erhalten, braucht man dann nur 1/8l der Fläche, also rd. 1 mm 2 . Das Spektrum des schwarzen Körpers ist kontinuierlich. Die spektrale Verteilung des von 1 cm 2 Oberfläche abgegebenen Strahlungsflusses Sxr für einen Wellenlängenbereich von X bis A + .4A läßt sich auf Grund des PLANCKsch(-11 Strahlungsgesetzes berechnen: m {

c

'

Darin bedeuten: cx = c2 = e = X = T = AX =

'-T

-

Watt cm2

'

3,732 • 1()~12 Watt • cm 2 1,436 cm • Grad 2,718 Wellenlänge in cm absolute Temperatur in °K Breite des Spektralbereiches in cm

Wegen des starken Ansteigens der Gesamtstrahlung mit der Temperatur kommen bei höheren Temperaturen kleinere strahlende Oberflächen zur Anwendung als bei niedrigeren Temperaturen, wenn jedesmal dieselbe Strahlungsleistung gewünscht wird. In Abb. 60, in der die spektrale Verteilung des Strahlungsflusses Sit für drei verschiedene Temperaturen wiedergegeben ist, ist deshalb die strahlende Fläche so gewählt, daß die Gesamtstrahlung bei allen drei Kurven gleich groß ist. Die drei Kurven umschließen daher die gleiche Fläche. Die Intensitätsverteilung zeigt von langen Wellenlängen nach kurzen zu ein flaches Ansteigen bis zu einem Maximum und dann einen steilen Abfall. Das Maximum des Strahlungsflusses je Wellenlängenbereiches rückt mit steigender Temperatur nach kurzen Wellenlängen hin. Das von W I E N gefundene V e r s c h i e b u n g s g e s e t z besagt, daß das Produkt aus der diesem Maximum zugeordneten Wellenlänge Amax und der absoluten Temperatur T (in °K) konstant ist: (3) wenn ^ m a x in

;.,„ax • T = 2890 p • Grad tj, ausgedrückt wird. Da das WiENSche Gesetz in Annäherung auch

') Absolute Temperatur T°K = ( ° C +

273°.

65

Temperaturstrahler

für die als Temperaturstrahler verwendeten Körper gilt, erlaubt es in einfachster Weise als Faustregel für jede Temperatur sofort die Lage des Maximums der spektralen Intensitätsverteilung anzugeben. Wünscht man z. B . das Strahlungsmaximum etwa bei 3 p , so errechnet sich aus dem WiENschen Gesetz eine erforderliche Temperatur von 1000° K, während bei der höchsten in Glühlampen erreichbaren Temperatur von 3000° K das Maximum bei etwa 1 ¡x liegt. 65. UV-Strahlung des schwarzen Körpers. Aus Abb. 60 ergibt sich weiterhin, daß der Anteil der UV-Strahlung im Spektrum eines Temperaturstrahlers selbst bei den höchsten heute erreichbaren Temperaturen nur sehr gering ist. Stets ist aber die UVStrahlung von einer starken Strahlung im sichtbaren und infraroten Gebiet begleitet, deren Energie diejenige des UV wesentlich übersteigt. Infolgedessen ist bei der Verwendung von Temperaturstrahlern für UV-Zwecke besondere Vorsicht am Platze, damit nicht beim Studium von Wirkungen des UV durch die Anwesenheit einer sehr intensiven langwelligeren Strahlung die UV-Wirkung überdeckt wird. In Abb. 61 ist die UVStrahlung eines schwarzen Körpers für verschiedene Temperaturen in v. H. der Gesamtstrahlung dargestellt, und zwar einmal für das gesamte U V unterhalb von 310 m/j, und außerdem für den Bereich von 300 bis 400 m/x. Bei einer Temperatur von 3000° K

-sooft

Temperatur

0

l

Z

3


s

600J;

~^300

f

jb §

0,046

UviolGlas

7 (3 0)

10

0,3

etwa 0,13

Quarz oder Glas

Pyrowerk

5

2—3

0,012

Flußspat

Zeiss

Z e i s s , zehnfach

50

20-30

0,08

t x - \ - ß oder nach ß aufgelöst: ß < A l — o c .

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: (11)

Al=

A X - 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: (12)

ß > AI

tx oder ß — oi > 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 Spaltenbreiten 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. Z a h l e n t a f e l 22 U n g e f ä h r e W e r t e der L i n i e n b r e i t e n des U V - N o r m a l s .

X in m / t 230,2 232,3 235,8 237,7 239,9 244,6 246,4 248,2 257,6 260.3

AX in m / /

X

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

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

1,0

0,9 0,6 0,9

1,0 1,5

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

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

N a c h RÖSSLER

(447)

X

AX

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

4,8 3,5 5,6 4,9 5,7 10,3 11,1 8,5 15,5

In der vorstehenden Zahlentafel 22 sind für die einzelnen Linien des UV-Normals die in Betracht zu ziehenden Linienbreiten zusammengestellt. Bei der Bemessung der Breite des Austrittsspaltes nach den oben angegebenen Formeln muß der Größe A I bzw. AX die halbe Summe dieser Linienbreiten der betreffenden Linien zugerechnet werden. 8

M c y e r - S e i t z , Ultraviolette

Strahlen.

114

Messung der UV-Strahlung

B e i s p i e l : E s sollen die Linien 405 u n d 408 m/j, des U V - N o r m a l s g e m e i n s a m gemessen werden. U m die Breite des A u s t r i t t s s p a l t e s ß bei vorgegebenem Eintrittsspalt oc = 0,2 m m zu berechnen, b e s t i m m t m a n z u n ä c h s t , welcher Wellenlängenbereich AX v o m A u s t r i t t s s p a l t durchgelassen werden m u ß : AX = 4 0 7 , 8 - 4 0 4 , 7 + 0,5- (0,6 + 1,4) = 3,1 + 1 = 4,1 mju oder in m m umgerechnet, wenn d a s D i s p e r s i o n s v e r m ö g e n für diese Wellenlängen v = 0,13 m m / m f i i s t : AI = J l • v = 4,1 • 0,13 = 0,53 m m . A u s Gleichung (12) ß >« + AI ergibt sich, d a ß der A u s t r i t t s s p a l t eine Breite ß von mindestens 0,2 -f- 0,5 = 0,7 m m haben muß. Die verschiedenen Breiten der einzelnen Linien einer G a s e n t l a d u n g s l a m p e sind für die einzelnen E x e m p l a r e eines T y p s dieselben. Man k a n n sogar annehmen, d a ß sie für H g - H o c h d r u c k l a m p e n mit einem D a m p f d r u c k v o n e t w a 1 at keine wesentliche Abweichung gegenüber den Werten der Zahlentafel zeigen. Sie werden nach d e m in 159 beschriebenen Verfahren b e s t i m m t . D a g e g e n ist noch zu prüfen, inwieweit die Werte der Zahlentafel 22 von dem verwendeten Monochromator a b h ä n g e n . Soll ein S p e k t r u m mit konstant gehaltenem E i n - u n d A u s t r i t t s s p a l t durchgemessen werden, d a n n ist die Breite der beiden S p a l t e unter B e r ü c k s i c h t i g u n g des A b s t a n d e s b e n a c h b a r t e r Linien, deren geometrische Linienbreite u n d des Dispersionsvermögens des Monochromators festzulegen. Z. B wird m a n mit einem E i n t r i t t s s p a l t von 0,1 m m u n d einem A u s t r i t t s s p a l t von 0,7 m m die Linien des U V - N o r m a l s zwischen 230 u n d 436 m/u getrennt messen, mit A u s n a h m e der Linien 405 u n d 408 m/j,, die a b e r g e r a d e noch g e m e i n s a m gemessen werden können. D a g e g e n wird die Liniengruppe 275/6 bei den gewählten Spaltbreiten nicht voll erfaßt {447). 1 1 3 . Aufstellung der Strahlenquelle. Bei den meisten Anwendungen ist es notwendig, die S t r a h l u n g der Lichtquelle gut a u s z u n ü t z e n , d a m i t der im A u s t r i t t s s p a l t zur V e r f ü g u n g stehende Strahlungsfluß möglichst groß ist. Dies erreicht m a n durch richtige W a h l 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 h ä n g t von der b e a b sichtigten A n w e n d u n g a b . F ü r den Monochromator k o m m e n im wesentlichen folgende drei Anwendungen in F r a g e : a) E r z e u g u n g monochromatischer S t r a h l u n g f ü r biologische oder physikalische Untersuchungen, b) Messung der relativen spektralen I n t e n s i t ä t s verteilung von Strahlern, c) Vergleich verschiedener Strahler in spektraler Hinsicht. B e i der E r z e u g u n g monochromatischer S t r a h l u n g (Fall a) k o m m t es v o r allem darauf an, einen großen Strahlungsfluß im A u s t r i t t s s p a l t zu erzeugen. G ü n s t i g s t e Ausn ü t z u n g f ü r diesen F a l l liegt vor, wenn der Strahler große Strahldichte besitzt, u n d wenn er so n a h e a m E i n t r i t t s s p a l t aufgestellt wird, d a ß seine leuchtende F l ä c h e die gleiche oder eine größere Ausdehnung hat als der v o m K o l l i m a t o r erfaßte R a u m w i n k e l (Stellung 1 u n d 2 der A b b . 112). R ü c k t m a n die Strahlenquelle näher an den S p a l t heran, z. B . nach Stellung 1, so tritt kein größerer S t r a h l u n g s f l u ß in den Monochromator ein, d a die Z u n a h m e an B e s t r a h l u n g s s t ä r k e auf d e m S p a l t d a d u r c h ausgeglichen wird, d a ß nur ein Teil der Strahlenquelle innerhalb des Öffnungskegels des Monochromators liegt. K a n n der Strahler wegen zu kleiner A u s d e h n u n g oder wegen zu hoher T e m p e r a t u r nicht so n a h e a m S p a l t aufgestellt werden, d a ß diese B e d i n g u n g erfüllt ist, d a n n m u ß m a n zwischen Lichtquelle und S p a l t einen K o n d e n s o r aufstellen, der die Lichtquelle in natürlicher Größe auf den E i n t r i t t s s p a l t abbildet (Stellung 4 der A b b . 112), u n d der mindestens die gleiche relative Öffnung wie der K o l l i m a t o r aufweist. S t a t t d e s s e n kann m a n auch entsprechend der Stellung 5 der A b b . 112 eine Linse u n m i t t e l b a r vor d e m E i n t r i t t s s p a l t vorsehen, die die Lichtquelle auf d a s K o l l i m a t o r o b j e k t i v a b b i l d e t . Brennweite dieser Linse u n d A b s t a n d der Strahlenquelle v o m S p a l t werden so gewählt,

Allgemeines über Arbeiten mit Spektralapparaten

115

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 Brenn weitenunterschiede für die einzelnen 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 Intensitätsverteilung (Fall b) muß beachtet werden, daß die spektrale relative Intensitätsverteilung 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 Intensitätsverteilung der gesamten Strahlung ermitteln will. Der Strahler muß daher so vor dem Spalt angeordnet werden, daß entweder die gesamte Strahlung von dem Öffnungskegel des Monochro-

©

Abb. 112. Verschiedene Möglichkeiten der Aufstellung einer Strahlenquelle B in bezug auf den Eintrittsspalt Sp eines Spektralapparates. O Kollimatorobjektiv, K Kondensor.

mators (siehe Stellung 2 und 3 der Abb. 112) erfaßt wird oder aber ein solcher Teil, der die gleiche Energie Verteilung wie die gesamte Strahlungsquelle aufweist. Diese Möglichkeit hat praktische Bedeutung bei langgestreckten Hg-Lampen, bei denen man in der Richtung der Achse eine konstante Intensitätsverteilung hat. Dagegen hat der Kern des Lichtbogens eine andere spektrale Intensitätsverteilung 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 (138).

Wenn man die für die spektrale Ausmessung gültige Mindestentfernung nicht aus den Abmessungen des Strahlers und des Öffnungskegels berechnen kann, bestimmt man die spektrale Intensitätsverteilung für verschiedene Entfernungen vom Spalt und stellt fest, von welcher ab keine Änderung in der relativen Intensitätsverteilung 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 8*

116

Messung der UV-Strahlung

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 ( 3 5 1 , 444). Der Vergleich verschiedener Strahler in spektraler Hinsicht (Fall c) geschieht in derselben Weise wie unter b) geschildert; jedoch ist zusätzlich noch auf folgendes zu achten. Soll unmittelbar hinter dem Monochromator der Vergleich absolut geschehen, oder soll an Hand einer Spektralaufnahme eine Intensitätsabschätzung 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 Spektralaufnahme einer räumlich ausgedehnten Strahlenquelle, z. B . einer Hg-Lampe gegenüberstellt. Wenn die beiden Strahlenquellen zu nahe vor dem Spalt angeordnet sind, wird zwar praktisch die Strahlung der gesamten Oberfläche der punktförmigen Strahlenquelle von der Optik des Monochromators erfaßt, während die vielleicht in Wirklichkeit viel stärkere HgLampe 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 (362). Zweckmäßig wird man aber den Vergleich verschiedener Strahlenquellen so durchführen, daß man für jede einzeln gemäß b) die relative Intensitätsverteilung 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 Intensitätsverteilung gestattet dann die absolute Auswertung, wie in 154, 155 und 158 beschrieben. E i n Sonderfall zu b) liegt vor, wenn die spektrale Verteilung von Strahlenquellen gemessen werden soll, bei denen ein 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. 137). Diese Scheibe ist als sekundäre Strahlenquelle aufzufassen, 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. 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 (420).

Allgemeines über Arbeiten mit Spektralapparaten

117

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. 114. Anordnung des Strahlungsempfängers. Die Anordnung des Strahlungsempfängers hinter dem Ausstrittsspalt kann auf zweierlei Weise geschehen. Das einfachste Verfahren ist die Anbringung unmittelbar hinter dem Austrittsspalt. Man wird es bei Strahlungsempfängern mit linearer Ausdehnung, wie z. B. bei Thermosäulen, bevorzugen. E s läßt sich auch bei Photozellen ohne weiteres anwenden. Bei den 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. 1x5. 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. Zur Schwächung mittels G r a u f i l t e r 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. 125 dargestellt. 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. Eine nichtselektive Schwächung erreicht man durch Verwendung von aus Draht hergestellten M a s c h e n n e t z e n , 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. vor dem Eintrittsspalt eines Spektralapparates angeordnet, so daß sie senkrecht zur Strahlrichtung schwingen. Wenn man mit Abbildung der Lichtquelle arbeitet,, kann man durch Verwendung einer I r i s b l e n d e 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 Mittelnur jeweils um Stufen zu schwächen gestatten. Bringt man zwischen Strahlungsquelle und Spalt einen r o t i e r e n d e n Sektor an, in dem sich ein Sektorausschnitt von beliebig einstellbarer Größe befindet, dann kann man durch diese Vorrichtung die Strahlung gleichfalls stufenlos und meßbar schwächen. 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 de? Betriebes der rotierenden Scheibe vornehmen läßt. Der rotierende Sektor kann ohne weiteres zur Präzisionsmessungen Verwendung finden. Wegen der Anwendung des rotierenden Sektors bei der photographischen Aufnahme von Spektren wird auf 110 verwiesen. Gleichfalls ist bei seiner Verwendung in

118

Messung der UV-Strahlung

Verbindung mit wechselstrombetriebenen Entladungsröhren Vorsicht am Platze, damit nicht ein sogenannter Stroboskopeffekt zustande kommt. Man wählt daher die Unterbrechungszahl des rotierenden Sektors klein im Vergleich zu der Frequenz der Wechselstromentladung und so, daß sie kein ganzzahliger Bruchteil der Lampenspeisefrequenz ist. Auch im ultravioletten Gebiet kann das von optischen Apparaten her gebräuchliche Verfahren der Lichtschwächung durch zwei gegeneinander drehbare NicoLsche P r i s m e n verwendet werden. Die verwendeten Nicols müssen aber mit einem UVdurchlässigen Kitt verarbeitet sein. Der übliche Kanada-Balsam ist im UV undurchlässig. Die einstellbare Durchlässigkeit ist zwar stufenlos, 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 S t u f e n b l e n d e n k o n d e n s o r 1 ) von HANSEN sehr bewährt. Er erlaubt die gleichzeitige Aufnahme desselben Spektrums in abgestufter Intensität und ist daher zum Drucken von Schwärzungsmarken sehr gut geeignet, auch wenn der Strahlungsfluß der Strahlungsquelle Schwankungen unterworfen ist (375). Die Strahlenschwächung kann auch mit Hilfe von reflektierenden Schichten vorgenommen werden. Eine Quarzglasscheibe reflektiert im UV etwa 4 bis 5 v. H. (vgl. Fußnote 1 S. 120). Durch mehrfache Reflexionen kann man leicht Schwächungen im Verhältnis 1: 10® 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 (384).

D.

Allgemeine Eigenschaften der Filter und ihre Handhabung

xi6. 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 jedoch Hersteller: C. Zeiss,

Jena.

Allgemeine Eigenschaften der Filter und ihre Handhabung

119

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. 113 sind Filter der drei ersten Gruppen idealisiert dargestellt. Jedoch muß man beachten, daß die Durchlässigkeitskurven von Filtern im allgemeinen keine rechteckige, sondern eine glockenförmige Gestalt besitzen (s. Kurve 4 der Abb. 113). Gute Filter sind solche mit möglichst steil verlaufender Durchlässigkeitskurve. D e r H a u p t v o r t e i l d e r F i l t e r tritt in Erscheinung, wenn man sie in Verbindung mit Strahlungsquellen benutzt, die ein Linienspektrum aussenden, da es dann vielfach möglich ist, 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 hoher Strahlungsintensität zu gewinnen, wie man sie sonst nur unter Benützung eines lichtstarken Monochromators erhält (vgl. 130). 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 Intensitätsverteilung der verwendeten Strahlungsquelle die hinter dem Filter vorhandene spektrale Intensitätsverteilung berechnen, um einen Überblick zu haben, wie weit die Strahlung wirklich monochromatisch ist. 117. Durchlässigkeit. Durchlassungsvermögen. Als D u r c h l ä s s i g k e i t D einer Schicht wird das Verhältnis D = JIJ0 des durch die Schicht hindurch- Abb. 113. Idealisierte Darstellung gegangenen Strahlungsflusses / zu dem auffallenden des Durchlässigkeitsverlaufes von Filtern. Strahlungsflusse J0 bezeichnet. In 117 bis 120 wird monochromatische und parallel gebündelte Strahlung vorausgesetzt. Die Durchlässigkeit D ist stets ein echter Bruch, sie ist von dem Strahlungsfluß / 0 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 den spektralen Verlauf zweckmäßig in einer Kurve dar. Die Durchführung von solchen Messungen ist in 135 bis 139 beschrieben. An jeder Übergangsstelle von einem optischen Medium in ein anderes mit anderem Brechungsindex wird ein Teil der auffallenden Strahlung reflektiert. J e nachdem, ob bei der Messung der Durchlässigkeit oder nachträglich rechnerisch diese Verluste ausgeschaltet sind oder nicht, unterscheidet man zwischen „Durchlässigkeit o h n e Reflexionsverlust" und „Durchlässigkeit m i t 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 unterscheiden 2 ). Die GrößenZ) u n d D * sind durch die Beziehung verbun*) Der gleichbedeutende Ausdruck „Durchlässigkeit ohne Berücksichtigung der Reflexionsverluste" sollte vermieden werden, weil aus dieser Formulierung nicht zwingend hervorgeht, ob Dui chlässigkqitswerte ohne Reflexionsverluste gemeint sind, oder ob nicht berücksichtigt wurde, daß ein Teil der Strahlenschwächung von Rcflexionsverlusten heriühit. a ) "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.

120

Messung der UV-Strahlung

den: D = D* • R. Darin bedeutet R den Reflexionsfaktor 1 ). Für manche Zwecke, z. B. für numerische Rechnungen ist es vielfach zweckmäßig, an Stelle des Durchlassungsvermögens mit der Extinktion E zu rechnen, die sich aus dem Durchlassungsvermögen D* wie folgt ergibt: (13) E = log 1 /£>* = — log D*. Diese Gl. (13) stimmt mit Gl. (7) in n o überein, so daß die Schwärzung gleich der Extinktion ist. 118. Filterkombination. Bei der Hintereinanderschaltung verschiedener Filter erhält man die Durchlässigkeit (bzw. das Durchlassungsvermögen) der Filterkombination für die betreffende monochromatische Strahlung D, wenn man die Werte der Durchlässigkeiten (bzw. Durchlassungsvermögen) der einzelnen Filter miteinander multipliziert, oder die E-Werte addiert. Hintereinanderschaltung eines Filters mit der Durchlässigkeit 0,55 und eines Filters der Durchlässigkeit 0,81 (für dieselbe Wellenlänge) ergibt somit eine Durchlässigkeit von 0,445. 119. 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 die Einheit der 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*)J. 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 (für die Einheit der Schichtdicke) 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. 0,10 3 , also auf 0,01 bzw. 0,001 herabgesetzt. Zum Umrechnen auf beliebige Schichtdicken dient die Gleichung (14)

log D ; log D l

=

di dz

worin D* das Durchlassungsvermögen für die Schicht d1} der entsprechende Wert für die Schicht d2 ist. Für das praktische Rechnen ist es vorteilhaft, sich der Gleichung (15)

E1^d1 E2 d2

zu bedienen, in der E = leg l/D* ist. Die zu jedem Werte von D* gehörigen Werte für E sind in Tabelle C im Anhang wiedergegeben. Ein Beispiel möge die Benutzung der Zahkntafel erläutern: Beträgt das Durchlassungsvermögen für eine bestimmte Wellenlänge D* = 0,60 bei einer Schichtdicke von 2 mm, so entnimmt man aus der Zahlentafel E zu 0,222. Der £ - W e r t für die Schichtdicke 3 mm errechnet sich dann zu 0,222 • 3/2 = 0,333. Hierfür findet man in der Zahlentafel ein Durchlassungsvermögen Nach der Theorie beträgt das Reflexionsvermögen r bei senkrechtem Auftreffen der Strahlen an j e d e r Fläche r = [ ( « — ] ) / ( « + l)] 2 , wenn n der Brechungsindex ist. Bei einer planparallelen Platte mit z w e i reflektierenden Flächen ist mit einem Reflexionsverlust von insgesamt 0,C6bis0,10 (6 bis 10 v. H.) zu rechnen. So wie n ist auch r wellenlängenabhängig und nimmt nach kürzeren Wellenlängen zu. Der Reflexiorsfektor R ist R = 1 — 2r. Im UV begeht man im allgemeinen keinen Fehler, wenn man in Unkenntnis der genauen Weite R = 0,82 setzt.

Allgemeine Eigenschaften der Filter und ihre Handhabung

121

von 0,465. Oder: ein bestimmtes Filter habe für eine bestimmte Wellenlänge bei gegegebener Dicke von 1,2 mm die Durchlässigkeit D = 0,23. Das Durchlassungsveimögen kann also zu D* = D/R = 0,23/0,92 = 0,25 angesetzt werden. E s wird nun gefordert, das Filter in solcher Schicht zu verwenden, daß die Durchlässigkeit höchsters 0,010 betlägt, entsprechend einem Durchlassungsveimögen von 0,011. Dann errechnet sich die gesuchte Mindestschichtdicke x aus den Werten für E1 — 0,602 und E2 = 1,97 und der vorhandenen Dicke d = 1,2 mm aus der Gleichung (15) x = 1,2 • 1,970/0,602 = 3,9 mm.

Diese Überlegungen gelten nur für monochromatische Strahlung oder für enge Spektralbereiche, falls in diesen Bereichen die Durchlässigkeit nicht wellenlängenabhängig ist. 120. Lambert-Beersches Gesetz. Bei Lösungen hängt das Durchlassungsvermögen außer von der Schicht dicke auch von der Konzentration ab. Nach LAMBERT und B E E R wird das Durchlassungsvermögen durch die Gleichung1) (16)

D*

=

lO-'-'-J . . .

bestimmt, in der d die Schichtdicke in cm und c die Konzentration in Gramm je Liter oder Mol je Liter 2 ) ist. Die Größe e ist eine Stoffkonstante und wird als prozentualer oder molarer E x t i n k t i o n s k o e f f i z i e n t bezeichnet, je nachdem die Konzentration in Gramm je Liter oder Mol je Liter angegeben ist. e stellt den reziproken Wert derjenigen Schicht dicke bei der Konzentration 1 dar, für die das Durchlassungsvermögen 0,10 ist. Einem großen Wert des Extinktionskoeffizienten entspricht ein kleines Durchlassungsvermögen und umgekehrt. Für praktische Bedürfnisse ist es ratsam, die Gleichung (16) in anderer Form zu schreiben: (17)

log D* = — c-e-d

=

— E

Das LAMBERT-BEERsche Gesetz besagt, daß eine Erhöhung der Konzentration c auf den «-fachen Wert die gleiche optische Wirkung in bezug auf das Durchlassungsvermögen ausübt, wie die Vergrößerung der Schichtdicke ebenfalls auf den «-fachen Wert bei gleichbleibender Konzentration. Voraussetzung ist, daß das Lösungsmittel selbst ohne Einfluß auf die Durchlässigkeit ist. In Tabellen werken, z. B . LANDOLT-BÖRNSTEIN, sind für viele als Filter geeignete Stoffe die Extinktionskoeffizienten zu finden. Bei festen oder flüssigen Stoffen mit homogener Zusammensetzung, deren Konzentration also nicht wie bei einer Lösung willkürlich gewählt werden kann, schreibt man das LAMBERT-BEERsche Gesetz in der folgenden Form: (18)

D* = 10~ l d , oder: log D* = - ki

worin k die BuNSENsche oder dekadische Absorptionskonstante, bisweilen auch E x t i n k t i o n s k o e f f i z i e n t genannt, und d die Schichtdicke (in cm) ist. Bei Gasen bezieht man k auf einen Druck von 760 tor und eine Temperatur von 0° C. Bisweilen werden jedoch die sog. A b s o r p t i o n s k o - e f f i z i e n t e n angegeben, die aus den Extinktionskoeffizienten durch Multiplikation mit der Zahl 2,3026 = log nat 10 hervorgehen, da für die Definition der Absorptionskoeffizienten in den Gleichungen (16 bis 18) die Zahl 10 durch e = 2,718 (Basis der natürlichen Logarithmen) ersetzt ist. 1 2 1 . Beispiel der Berechnung eines Filters. Hilfs-Nomogramm. Als Beispiel der Errechnung eines Filters wählen wir eine wäßrige Lösung von Kaliumchiomat. Nach L A N D O L T - B Ö R N S T E I N h a t der molare Extinktionskoeffizient den in Abb. 114 wiedergegebenen Verlauf. D a e sich über einen weiten Bereich erstreckt, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Logarithmen von e aufgetragen. Einem Maximum der t - K u r v e entspricht ein Minimum der Durchlässigkeitskurve. Man sieht, daß mit Hilfe von Kaliumchromat ein F i l t e r hergestellt werden kann, das eine gute Durchlässigkeit für die Hg-Linie 313 m/i besitzt, während die benachbarten Linien mehr oder weniger stark vom Filter absorbiert werden. Für die wichtigsten Wellenlängen sind die aus Abb. 114 entnommenen e-Werte in Zahlentafel 23 angegeben, die außerdem für verschiedene

2

Aus dieser Gleichung ergeben sich die Gl. (13) bis (16) in 118 als Sonderfall. ) Ein Mol ist diejenige Menge, die soviel Gramm enthält, wie das Molekulargewicht beträgt.

122

Messung der UV-Strahlung

300

350 mfi 450 Wellenlänge Abb. 114. Abhängigkeit des Extinktionskoeffizienten e von Kaliumchromat von der Wellenlänge. vorgegebene Werte des Durchlassungsvermögens für die Linie 313 m fi die für die anderen HgLinien aus Gleichung 17 errechneten W e r t e des Durchlassungsvermögens enthält. An Hand eines Beispiels soll gezeigt werden, wie man für ein vorgegebenes Durchlassungsvermögen die Konzentration errechnet. W i r wollen annehmen, daß D* = 0,60 für 313 mu sein soll. Dann errechnet sich die erforderliche molare Konzentration c aus dem molaren Extinktionskoeffizient E = 200 nach Gl. (16) wie folgt: Als Schichtdicke nimmt man aus Zweckinäßigkeitsgründen d = 1cm, so daß gilt: 0,60 = 10-«-1-200 log 0,60 = — 200 c 0,778 — 1 = — 0,222 = — 200 c c = 0,00111 Mol/7 Die Rechnung läßt sich dadurch vereinfachen, daß man von Gl. (17) ausgeht und den W e r t x E = 0,222 für D — 0,60 unmittelbar aus Tabelle C im Anhang entnimmt. Da Kaliumchromat (K2 Cr04 ) das Molekulargewicht M — 194 hat, errechnet sich die Konzentration in g/7 zu : c' = 0,00111 • 194 = 0,215 g// Für diese Konzentration rechnet man das Durchlassungsvermögen auch für die anderen Wellenlängen aus. Diese Werte sind gleichfalls in der Zahlentafel angeführt, aus der ersichtlich ist, daß dieses Kaliumchromatfilter eine genügend große Durchlässigkeit für die Linie 313 m/( mit einer hinreichend kleinen Durchlässigkeit der anderen Linien vereinigt. Aus der Zahlentafel ist weiterhin zu entnehmen, daß mit einer geringfügigen Herabsetzung des Durchlassungsvermögens der Linie 313 m¡j,, z. B. von 60 auf 40 H., eine wesentlich größere Abnahme des Durchlassungsvermögens der zu v.H. 100 beseitigenden Linien verbunden ist. Die in Zahlentafel 23 angegebenen Werte des Durchlassungsvermögens für das Kaliumchromatfilter geben nur einen ungefähren Anhalt, zumal aus Abb. 114 die e-Werte nur sehr ungenau entnommen werden können. Die Überlegungen reichen aber aus, die Konzentration in erster Annäherung zu ermitteln, so daß man sich ein Bild von den zu erwartenden Eigenschaften des Filters machen kann. Vor seiner Verwendung muß aber die Durchlässigkeit des Oß Filters in jedem Fall experimentell er02 mittelt werden. 0? Wegen des Näherungscharakters der obigen Rechnungen würde es zu QOS mühselig sein, die Durchlassungsver003 mögen einzeln aus dem L A M B E R T 6.02 BEERSchen Gesetz zu errechnen. Es ' qpi empfiehlt sich deshalb, dabei ein Nomogramm (Abb. 115) zu benutzen, wodurch Abb. 115. Nomogramm für Berechnung von Filterdie Ausrechnung erleichtert wird. Man durchlässigkeiten aus den Extinktionskurven.

123

Allgemeine Handhabung der Filter und ihre Handhabung

entnimmt zunächst aus Abb. 114 die Größe q = log e2 — log ^ = 1,33, wobei £j der durchzulassenden Linie (z. B. 313 mp) und e 2 der zu absorbierenden Linie (z. B. 366 mfi) zugeordnet ist. Die Gerade, die den q-Wert ( = 1,33) auf der mittleren Skala mit dem angenommenen Durchlassungsvermögen (z. B. 70 v. H.) für die gewünschte Linie verbindet, schneidet dann die dritte Skala (für DJ) bei demjenigen Wert des Durchlassungsvermögens (nämlich bei 0,05 v. H.), der für die zu absorbierende Linie zu erwarten ist.

Z a h l e n t a f e l 23 Durchlassungsvermögen

}. in mfi

log E

1.

2.

436

eines K a l i u m c h r o m a t f i l t e r s Konzentrationen

für

verschiedene

Durchlassungsvermögen in v. H.

e

3.

4.

5.

6.

7.

2,41

257

87

52

31

13

405

3,10

1259

51

4

0,3

366

3,63

4266

11

2-10" 3

3-10" 7

334

2,98

955

60

9

1

313

2,30

200

90

60

302

2,65

447

79

297

2,96

912

291

3,24

1738

280 3,49 3090 Konzentration in mgß für Schichtdicke 1 cm

1 |

4-10" 3 1 0

-13

8. 5 5-10" 5 1 0 - »

0,05

2.10-3

40

20

10

32

13

3

0,6

62

10

1,5

40

1

0,03

8-10-6

2-10" 7

0,06

3.IO- 3

20

0,04

7-10" 6

2-10-»

4-10- 1 4

44

215

386

680

970

122. Angaben über die üblichen Filter. In den folgenden Abb. 116 bis 123 sind die Durchlässigkeiten bzw. Durchlassungsvermögen für eine größere Anzahl von Gläser und Filterflüssigkeiten für zweckmäßige Schichtdicken wiedergegeben. Aus dieser reichen Auswahl von Filtern gelingt es, für die verschiedensten Aufgabenstellungen der Meßtechnik und der biologischen und physikalischen Versuche passende Kombinationen zusammenzustellen. Die WG-Filter 1 ) (Abb. 116) sind gemäß Einteilung von 1 1 6 Filter der Gruppe 1. Sie sind so ausgewählt, daß ihre kurzwelligen Durchlässigkeitsgrenzen passend abgestuft sind. Das Durchlassungsvermögen erreicht bei allen Filtern bei einer für jedes Filter kennzeichnenden Wellenlänge den Wert 1, den sie über das ganze sichtbare Gebiet und einen großen Teil des infraroten Gebietes beibehalten. Sie sind daher besonders für das in 171 beschriebene Differenzverfahren geeignet, können aber auch als UV-Löschfilter verwendet werden. Dem gleichen Zweck dienen auch die GG-Gläser (Abb. 117), von denen besonders das GG 13 zur Unterdrückung der Hg-Linie 366 va/x bei gleichzeitiger guter Durchlässigkeit für Strahlung oberhalb 400 m ^ erwähnenswert ist. Ein Beispiel eines schlechten Filters ist GG 3 in 2 mm Dicke, das eine geringe Durchlässigkeit zwischen 320 und 410 mfi zeigt. Durch Verdoppelung der Filterdicke läßt sich dieser Nachteil wesentlich verringern. Zu der praktisch wichtigen Filtergruppe 3 1 ) Alle in diesem Absatz erwähnten Filter (Glasfilter) stellt das Jenaer Glaswerk Schott & Gen., Jena, her, sofern nicht anderes ausdrücklich gesagt ist.

124

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

1ßC

0,80

foßo

I

Wqw

&

/ i

$

Q20

/ /

7

b /

/j

/

' /

f t,/100 herabsetzt A in m/u 1 205 | 220 | 250 | 280 d in km | 0,20 | 0,57 1 6 | 22

Allgemeine Eigenschaften der F i l t e r und ihre

Handhabung

131

10 Die Durchlässigkeiten von verschiedenen Gasen sind aus der Abb. 125 zu entnehmen. Chlorgas sowie Chlor-Brom-Gemisch werden wegen des Maximums der Durchlässigkeit bei 254 m f i öfters als Filter verwendet. Diese I zeigen im sichtbaren Gebiet wieder eine tf «ff Durchlässigkeit und müssen daher zusammen Ozon 03cml J mit dem BÄCKSTRÖM-Filter oder U G 5 ver- I r wendet werden (410). 128. Filterdurchlässigkeit außerhalb des TN Ch tor-Bromv/schscm UV. Obwohl der Stoffbegrenzung dieses Buches \ V i entsprechend die Durchlässigkeiten der Filter nur für das UV-Gebiet angegeben sind, muß 0L k , • von ihnen oder von einer Anzahl besonders 260 300 32Dm/a 3W 2W wichtiger und immer wieder als G r u n d f i l t e r Wellenlänge — Abb. 125. S p e k t r a l e Durchlässigkeit ververwendeter F i l t e r die Durchlässigkeit prakschiedener Gase und Gasgemische bei tisch im gesamten Wellenlängengebiet vom einem D r u c k v o n 1 a t und 20° C. Ozon: U V bis ins Infrarot bekannt sein, damit sie für n a c h GÖTZ (142) u n t e r Vernachlässigung Meßzwecke im U V brauchbar sind. In den der B a n d e n s t r u k t u r zwischen 3 1 5 und Fällen, in denen die Infrarotdurchlässigkeit 335 mn. Die übrigen Gase n a c h eigenen Messungen. der Filter stören könnte, schaltet man stets ein Wasserfilter (Quarztrog) von mindestens 1 cm Dicke vor, das Strahlung oberhalb 1,4 p vollständig absorbiert. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Durchlässigkeit der übrigen Filter nur unterhalb 1,4 ¡1 bekannt zu sein und berücksichtigt zu werden braucht. Filter, die im Infrarot bei kürzerer Wellen-

\

/

/

Abb. 12C. Spektrales Durchlassungsvermögen (in l o g a r i t h m i s c h e m Maßstab) einiger wichtiger Glasfilter im Gebiet v o n 4 0 0 bis 1 5 0 0 m/j, (396).

länge als 1,4 /I abschneiden und daher geeignet sind, das Wasserfilter zu ergänzen, sind Kupfersulfatlösung, B G 12 und B G 19. Die genannten F i l t e r haben im Gegensatz zu Wasser den Nachteil, auch im U V selbst eine Absorption zu zeigen, die ihre Verwendung bei Arbeiten mit Wellenlängen unterhalb 300 m ^ ausschließt, und die aber auch bei Messungen oberhalb 300 m^u beachtet werden muß. B e i m Kupfersulfatfilter ist außerdem zu berücksichtigen, daß es eine kleine Durchlässigkeitslücke zwischen 1,0 und 1,3 fi aufweist, derentwegen das Kupfersulfatfilter vorzugsweise zusammen mit B G 12 und B G 19 verwendet wird. F ü r die genannten Filter und außerdem für die Filter U G 2, U G 4 und U G 5 sowie für das BÄCKSTRÖM-Filter sind deshalb in Abb. 126 und 127 die Durchlässigkeiten von 0,5 bis 1,5 /< wiedergegeben. 0*

132

Messung d e r

UV-Strahlung

100

\

\

\

¡.lern

f i r V "V

%10

\

\

*

\\

A

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\ Bäckst!

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700

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t

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\

\

1 f 1 1 600

\

t

\

1200

1:00

300 1000 Wellenlänge

1300

1U00mjU 1500

A b b . 127. Spektrales D u r c h l a s s u n g s v e r m ö g e n (in l o g a r i t h m i s c h e m M a ß s t a b ) einiger w i c h t i g e r Flüssigkeitsfilter i m G e b i e t e v o n 500 bis 1500 m/t. D a t e n ü b e r d i e F i l t e r siehe A b b . 120.

129. 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 U V , weg, sodaß 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 1,00

r

I

(

I 0,80 I t £ 0,60

I

I

^B/utst?rum(Sc hicht 0,2mm)

BtutL Schicht 2 Blutkörpercher 0K yhämog/obin)allt

I f f / f !

220

/ 2M

V

260

i

I

'CA Jr

w

'utkörpe

ß =

d . •—S ™ 70 • 10"6 Watt/cm 2 •n.o B 0,62= ; x

„„ A - c m 2 Watt

5,30 '

Dieser Eichwert ist zu ermitteln, falls die Photozelle zur Messung der Bestrahlungsstärke eines Strahlenbündels dienen soll, dessen Ausdehnung größer ist, als die Abmessung der lichtempfindlichen Schicht. 147. Absolute Eichung auf Strahlungsfluß und Ausbeute. Falls dagegen das Strahlenbündel die Photozelle nicht voll ausleuchtet, oder falls eine Aussage über die spektrale Ausbeute einer Photozelle gemacht werden soll, interessiert eine andere Eichung, bei welcher der Photozellenstrom nicht zur Bestrahlungsstärke (gemessen in Watt/cm 2 ), sondern zum Strahlungsfluß (gemessen in Watt) in Beziehung gebracht wird. Wenn die Größe der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht genau angegeben werden kann, wie meist bei einem Photoelement, läßt sich der eine Eich wert aus dem anderen unter Berücksichtigung der Oberfläche errechnen, indem man die nach 146 bestimmte Empfindlichkeit durch den Wert der Obcrfläche (in cm2 gemessen) dividiert. Die neue Eichung ergibt sich also in A/Watt. Bei Photozellen ist dieses Verfahren nicht möglich, da die lichtempfindliche Oberfläche wegen der Anbringung auf der gekrümmten Glaswandung nicht einfach bestimmt werden kann. Man geht deshalb so vor, daß man in einem monochromatischen und homogenen Strahlungsfeld (Bestrahlungsstärke z. B. B; = 70 - 10~6 Watt/cm 2 ) durch eine senkrecht zu den Strahlen angebrachte Blende mit der Öffnung O (z. B. 0 = 4 cm2), einen Strahlungsfluß F;. = B;. • O = 70 • 10- 6 • 4 = 2,8 • 10~4 Watt ausblendet. Dieser Strahlungsfluß muß vollständig auf die lichtempfindliche Schicht auftreffen und erzeugt dort einen Strom (z. B. ix = 106 • 10~6 A), der dem Strahlungsfluß B;. • O = Fx und der relativen Empfindlichkeit Sx proportional ist. Es ergibt sich daher die Gleichung (23)

ix

= Ba • O •

S>. • y

worin der wellenlängenunabhängige Eichfaktor y den Photozellenstrom für die Bestrahlungsstärke B;. = 1 Watt, die Oberfläche O = 1 cm 2 und die relative Empfindlichkeit Sx = 1 angibt. Aus dieser Gleichung wird der Eichfaktor y errechnet zu 106 • 10-6 ^ÜTÖT5^70.10-8-4.0,62 i,

(24)

= 0

'

6 1 0

A W

Die Größe Sx • y gibt die gesuchte absolute spektrale Empfindlichkeit der Photozelle für die Wellenlänge X und zwar in A/W. Man bezeichnet diese Größe vielfach als A u s b e u t e 1 ) der P h o t o z e l l e . 148. Ermittlung der absoluten Empfindlichkeit bei Eichung mit einem Wellenlängenbereich. Die Eichung mit einem monochromatischen Strahlenbündel ist vielfach ] ) Die Ausbeute wird z. T. in Cb/cal angegeben. Es gilt der Umrechnungsfaktor 1 Cb/cal = 0,239 A/W. Die physikalische Ausbeute dagegen wird in Elektronen pro auftreffendes Lichtquant angegeben. 10*

Messung der UV-Strahlung

148

nicht möglich, da z. B . im Gebiet der Empfindlichkeit einer Kadmiumzelle keine Filterkombination b e k a n n t ist, die aus dem Hg-Spektrum einen monochromatischen S t r a h l ausfiltert. I n diesen Fällen sind die in 146 und 147 beschriebenen Eichungen abzuändern. Gegeben sei die relative spektrale Empfindlichkeit Sx der Photozelle und die spektrale relative Bestrahlungs tärke 1 ) BA sowie die Durchlässigkeit D> des Filters. Aus dem W e r t der relativen Bestrahlungsstärke BA erhält man durch Multiplikation mit einem zunächst unbekannten F a k t o r b die Bestrahlungsstärke BA in absolutem Maße. Dann ist die hinter dem Filter vorhandene Bestrahlungsstärke für die Wellenlänge X gleich b - B;, • Dx und der von dieser Bestrahlungsstärke erzeugte Photozellenstrom (25)

ix

b

Ex • 1); • S>. • ß

Die Summierung 2 ) über sämtliche Wellenlängen innerhalb des Empfindlichkeitsbereiches der Photozelle und des Durchlässigkeitsbereiches des Filters gibt (26)

i* =

Zix

• B • l),. • S,. • ß =

- H b

b

ß Z B ; . • Dx

• Sx

Der S t r o m i* ist der hinter dem Filter gemessene Photozellenstrom. Da die Größe b unbekannt ist, m u ß eine zweite Messung und zwar mit einem Thermoelement zur B e stimmung dieser Größe angeschlossen werden. In entsprechender Weise wie bei der Ableitung der Gleichungen (25) und (26) für den Photozellenstrom ergibt sich der von der Strahlung der Wellenlänge / herrührende Ausschlag des Thermoelementes zu (27)

c\,_ =

b • Ex • Ih.

Darin ist c die Eichkonstante des Thermoelementes, welche die zur Erzielung des Ausschlages « = 1 erforderliche Bestrahlungsstärke angibt. Die Größen «a • c stellen also die absolute Bestrahlungsstärke für die betreffende Wellenlänge dar. Sie werden in entsprechender Weise über alle in F r a g e kommenden Wellenlängen summiert: (28)

cot* =

=

Icoix

Z b • BA • Ih

=

b • Z Ex • Dx

D a b und c wellenlängenunabhängig sind, können sie vor das Summenzeichen gesetzt werden. Die Größe ctx* ist die hinter dem Filter mit dem Thermoelement gemessene Bestrahlungsstärke in absoluten Einheiten. Bei der Division der Gleichungen (26) und (28) hebt sich die Größe b heraus, so daß sich folgende Gleichung zur B e s t i m mung der gesuchten Größe ß ergibt (29)

_

fiZEx-Dx-Sx

C-.X*""

ZEx-Dx

oder nach ß aufgelöst: (30) P

c

i* ZEx

• Dx

a* Z Ex

Dx

-Sx

In dieser Gleichung sind die Größen i*,oc* und c unmittelbar gemessen, während die Summen aus den Werten BA, DX, und SA ZU errechnen sind 3 ). Die Summierung hat bei Gl. (26) und (28) über alle Wellenlängen zu erfolgen, deren Strahlung hinter dem vorgesehenen Filter einen Strom in der Photozelle oder im Thermoelement hervorruft. Nur diejenigen Wellenlängen können also bei der Summierung außer B e t r a c h t bleiben, bei denen entweder 5A oder Dx oder Sx gleich Null sind. E s ist daher zweckmäßig, den Bereich, über den summiert wird, möglichst schmal zu E s sei ausdrücklich betont, daß B in 146 und 147 die Bestrahlungsstärke h i n t e r dem Filter bedeutet, in 148 und 149 dagegen diejenige v o r dem Filter. 2 ) D a s Zeichen hierfür ist 2 . E s bedeutet z. B . Z a„ • bn = a 1 • b1 + a 2 • b.2 + ••• + a n • b„. 3 ) Der Ausdruck 2? B • S • Dx/ZBx Dx stellt die sogenannte mittlere gewogene Empfindlichkeit A A der Photozelle für das vorgegebene Strahlengemisch dar.

Durchführung von verschiedenen

Spektralmessungen

149

wählen, um mit einer geringen Anzahl zum Meßwert beitragenden Linien auszukommen, da nämlich die Genauigkeit der Messungen mit zunehmender Zahl der Summanden abnimmt. Aus diesem Grunde wil d man das Filter so auswählen, daß es möglichst im sichtbaren und infraroten Spektralgebiet undurchlässig ist. Geeignete Filter sind in 121 angegeben. In entsprechender Weise ergibt sich für den Parallelfall zu 147, der Eichung auf Strahlungsfluß und -ausbeute folgende Gleichung

(31)

_ Y

~

i*Z B • D 7-

. •S\ an verschiedenen Stellen liegen kann, je nach dem Verlauf der Bx-, Dx- u n d SA-Kurve. N u r durch eine sehr feine U n t e r t e i l u n g des S p e k t r u m s in schmale B a l k e n wird dieses B e d e n k e n überwunden, d a f ü r aber die A n w e n d u n g des V e r f a h r e n s wegen der erforderlichen großen A n z a h l v o n Bestimmungsgleichungen praktisch unmöglich g e m a c h t . D a s Mehrfilterverfahren k a n n auch v e r w e n d e t werden, um, sofern die E m p f i n d lichkeit des Strahlungsempfängers b e k a n n t ist oder wie beim Thermoelement wellenl ä n g e n u n a b h ä n g i g ist, eine u n b e k a n n t e spektrale Intensitätsverteilung Bx einer Strahlenquelle mit L i n i e n s p e k t r u m zu bestimmen. V o n diesem Mehrfilterverfahren m a c h t m a n u. U . m i t V o r t e i l bei der U n t e r s u c h u n g v o n photochemischen oder biologischen W i r k u n g s k u r v e n Gebrauch, bei denen der in F r a g e k o m m e n d e Bereich oft recht eng ist, so d a ß z. B . die g e s a m t e S t r a h l u n g des sichtbaren Gebietes z u r R e a k t i o n n i c h t s b e i t r ä g t u n d daher nicht besonders durch F i l t e r auszuschließen ist. A u f die g e n a n n t e Weise w u r d e z. B . die spektrale E m p f i n d l i c h k e i t der menschlichen H a u t hinsichtlich E r y t h e m - und P i g m e n t bildung untersucht (641, 642). D i e A n w e n d b a r k e i t des Verfahrens h ä n g t an der Voraussetzung, d a ß die W i r k u n g v o n S t r a h l u n g der verschiedenen Wellenlängen a d d i t i v ist, w o m i t z. B . bei der E i c h u n g einer Photozelle oder bei der U n t e r s u c h u n g der menschlichen H a u t auf E r y t h e m - u n d P i g m e n t b i l d u n g und auch bei vielen photochemischen Prozessen, z. B . der B i l d u n g v o n V i t a m i n D aus den P r o v i t a m i n e n , gerechnet werden kann. A u f jeden F a l l ist g r o ß e V o r s i c h t u n d K r i t i k erforderlich, d a m i t nicht durch umfangreiche Rechnungen zusätzlich Ungenauigkeiten entstehen. A u c h ist zu beachten, d a ß selbst bei numerisch einwandfreier Ausrechnung die physikalische Genauigkeit nicht besonders g r o ß ist. E s ist z. B . möglich, d a ß eine sehr starke Linie auch bei kleiner Filterdurchlässigkeit einen wesentlichen B e i t r a g z u m Meßwert liefern kann. T r o t z all dieser B e d e n k e n k a n n die Methode in manchen Fällen mit Vorteil verwendet werden, w e n n wegen der bei dem V e r s u c h erforderlichen hohen B e s t r a h l u n g s s t ä r k e ein A r b e i t e n mit spektral zerlegter S t r a h l u n g nicht möglich ist. In vielen Fällen verlohnt es sich nicht, die umfangreiche Rechenarbeit aufzuwenden, wenn nämlich nur der rohe Verlauf einer W i r k u n g s k u r v e ermittelt werden soll. Man wendet d a n n ein v e r e i n f a c h t e s M e h r f i l t e r v e r f a h r e n an, das im A n schluß a n die D i f f e r e n z v e r f a h r e n in 171 beschrieben wird.

d) Messung der spektralen Intensitätsverteilung von Linienspektren 152. Aufstellung. Monochromatordurchlässigkeit. Die A u f s t e l l u n g der auszumessenden Strahlenquelle h a t in der in 112 beschriebenen Weise z u erfolgen. Die spektrale Intensitätsverteilung der in den E i n t r i t t s s p a l t eintretenden Strahlung unterscheidet sich wegen der wellenlängenabhängigen D u r c h l ä s s i g k e i t des Monochromators v o n der Intensitätsverteilung a m A u s t r i t t s s p a l t . Diese k a n n durch Hintereinanderschaltung zweier Monochromatoren i n der Weise b e s t i m m t werden, d a ß m a n a m A u s t r i t t s s p a l t des ersten (der gleichzeitig E i n t r i t t s s p a l t des zweiten ist) die in den zweiten Monochromator eintretenden Intensitäten m i ß t und diese W e r t e mit den a m zweiten A u s t r i t t s s p a l t gemessenen vergleicht. Diese Messung setzt aber einen erheblichen a p p a r a t i v e n A u f w a n d v o r a u s und ist schwierig durchzuführen. 153. Bestimmung der relativen spektralen Intensitätsverteilung. Man umgeht diese Schwierigkeit, indem m a n z u r E i c h u n g der g e s a m t e n aus Monochromator und Photozelle bestehenden A p p a r a t u r eine Strahlenquelle b e n u t z t , deren spektrale Intensitätsverteilung genau b e k a n n t ist. D e r Vorteil dieser Methode besteht darin,

154

Messung der UV-Strahlung

daß man auf die gesonderte Eichung der Photozelle und die umständliche Ermittlung der spektralen Durchlässigkeit des Monochromators verzichten kann und mit einer einfach durchzuführenden Eichung unmittelbar die in diesem Falle allein interessierende Empfindlichkeit der Gesamtapparatur erhält. Für Messungen im sichtbaren Gebiet verwendet man die Wolfram-Bandlampe, deren spektrale Intensitätsverteilung durch Anschluß an den schwarzen Körper hinreichend genau bekannt ist. Die Intensität der Bandlampe im UV ist jedoch sehr schwach, so daß diese unterhalb 300 m ^ überhaupt nicht mehr verwendbar ist (vgl.67). Für Eichungen im UV kommt daher praktisch nur das UV-Normal (60) in Frage, dessen spektrale Daten von verschiedenen Forschern sorgfältig ermittelt und in Zahlentafel 11 (S. 60 u. 61) angegeben wurde. Die am Austrittsspalt gemessenen Werte werden den bekannten Werten der spektralen Strahlenintensitäten, die am Eintrittsspalt vorhanden sind, zugeordnet, wobei jeder Strahlungsempfänger (Photozelle oder Thermoelement) verwendet werden kann. Dies geschieht etwa in der Weise, daß man Wellenlänge für Wellenlänge den aus Zahlentafel 11 zu entnehmenden Intensitätswert des UV-Normals durch den gemessenen Ausschlag dividiert. Dieser Quotient ergibt die Eichwerte für die einzelnen Wellenlängen. Die bei der Hg-Lampe mit der unbekannten Intensitätsverteilung gemessenen Ausschläge sind dann mit dem betreffenden Eichwert zu multiplizieren. Da der Eichwert infolge der Inkonstanz der Photozelle gewissen Änderungen unterworfen ist, muß er öfters neu ermittelt werden. Bei handelüblichen Brennern ist damit zu rechnen, daß von Stück zu Stück Unterschiede auftreten, und daß außerdem auch ein einzelner Brenner kleine zeitliche Schwankungen zeigt. Es ist daher stets ratsam, mehrere Brenner des gleichen Typs oder ein und denselben Brenner mehrmals durchzumessen. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, nicht jeden einzelnen Meßwert in die Intensitätswerte umzurechnen und dann den Mittelwert zu bilden, sondern erst die sogenannten reduzierten Ausschläge zu bilden, indem man den Ausschlag für eine Wellenlänge, meist für die Linie 366 m^, gleich 100 setzt und dann über diese reduzierten Ausschläge mittelt. Dieses Verfahren wird im einzelnen durch die folgende Zahlentafel 30 veranschaulicht, in der die Daten für die Eichung einer aus Monochromator, Natriumphotozelle und Galvanometer bestehenden Apparatur und die Ausmessung des Spektrums eines Quarzbrenners S 100 wiedergegeben sind. Z a h l e n t a f e l 30 Ermittlung

Wellenlänge

der

r e l a t i v e n I n t e n s i t ä t s v e r t e i l u n g e i n e r Hg - Hoc hd ru ckla mp e d u r c h A n s c h l u ß an d a s U V - N o r m a l . UV-Normal

1.

relative Energie 2.

Ausschlag Na-Zelle 3.

m fi

B;.

h

72,4 47,7 100 8,4 69,0 30,7 16,9

53,3 43,5 221 34,3 301 144 80

436 408 5 366 334 313 302 297 USW.

reduziert. Ausschlag 4.

A>_ 24,1 19,7 100 15,5 136 65,3 36,2

Eichkonstante 5. ,7; = 1 *

A,.

3,00 2,42 1,000 0,542 0,507 0,471 0,467

S 100-Brenner Ausschlag Na-Zelle 6.

•t

U

reduziert. Ausschlag 7.

relative Energie 8.

A\

&>=a?.M /

101 79 560 80 594 288 134

18,0 14,1 100 14,3 106 51,4 23,9

54 34 100 8 54 24 11

D u r c h f ü h r u n g von verschiedenen

Spektralmessungen

155

Handelt es sich um das Spektrum eines anderen Metalldampfes als Hg, dann muß aus den mit dem UV-Normal bestimmten Eichwerten der Apparatur an Hand einer graphischen Interpolation der Eichweit für die in Frage kommenden Wellenlängen ermittelt werden. 154. Anschluß der relativen Messung an eine absolute bei e i n e r Wellenlänge (204). Das in 153 beschriebene Verfahren liefert nur die relative spektrale Intensitätsverteilung B;.. Die A b s o l u t m e s s u n g wird daran angeschlossen, indem man für eine Wellenlänge /. im Abstand r die absolute Bestrahlungsstärke Ba mit einem geeichten Thermoelement mißt. Hierbei wird z. B . mit Hilfe von Filtern bekannter spektraler Durchlässigkeit eine einzige Linie des Spektrums isoliert. Man erhält damit die Größe B A / B A = b, die zur Umrechnung der Relativwerte in die Werte der absoluten Bestrahlungsstärke nach der Gleichung (33) Ba = B , - b erforderlich ist. Die absolute Verteilung des Strahlungsflusses ergibt sich aus der absoluten spektralen Bestrahlungsstärke BA nach der Gleichung (34) Fa = i n r * - •/ -BA Hierin bedeutet FA den gesamten von der Strahlenquelle ausgehende Strahlungsfluß, gemessen in Watt, / den Formfaktor 1 ), BA die absolute Bestrahlungsstärke (in Watt/cm 2 ) in der Hauptausstrahlungsrichtung 2 ) in der Entfernung r (in cm) von der Strahlenquelle gemessen. Die Entfernung r muß so groß gewählt werden, daß das quadratische Abstandsgesetz angewandt werden kann. Als Faustregel gilt, daß r mindestens fünf mal so groß sein muß, wie die größte Abmessung des strahlenden Teiles. Die Ökonomie /,;. der Strahlungserzeugung wird durch die Ausbeute gekennzeichnet, die angibt, wieviel v. H. der der Entladung zugeführten Leistung als Strahlung der betreffenden Wellenlänge ausgesandt werden. Die Ausbeute rj ist also r]x — FA/L, worin L entweder die der Entladung (d. h. ausschließlich Elektrodenverluste) zugeführte Leistung oder die der gesamten Entladungsröhre mit oder ohne Verluste im Vorschaltgerät ist. 155. Anschluß der relativen Messung an die absolute Messung eines Wellenlängenbereiches, insbesondere mit einer absolut geeichten Photozelle (204). Wenn die Isolierung einer einzigen Wellenlänge durch Filter nicht durchführbar ist, läßt sich die A b s o l u t m e s s u n g auch durch Messung eines W e l l e n l ä n g e n b e r e i c h e s durchführen. Für diese Messung kann sowohl ein absolut geeichtes Thermoelement, als auch eine absolut geeichte Photozelle verwendet werden. Letztere bietet den Vorteil, daß man die Durchlässigkeit des Filters nur in dem verhältnismäßig kleinen Empfindlichkeitsbereich der Photozelle zu kennen braucht. Ein derartiges Beispiel sei im folgenden beschrieben: Die relative Verteilung der Bestrahlungsstärke BA (S. Zahlentafel 30) sei gemessen, die Durchlässigkeit des Filters Dx, sowie die absolute Empfindlichkeit der Natriumzelle S;. sei bekannt. Wegen der Unempfindlichkeit dieser Zelle für Strahlung oberhalb von 550 m/u genügt als Filter das Schottfilter U G 2 (2 mm), da dessen Rot- und Infrarot1 ) Der F o r m f a k t o r t r ä g t der T a t s a c h e Rechnung, daß die Strahlenquelle nicht punktförmig ist, also nicht gleichmäßig nach allen Richtungen des R a u m e s strahlt. M a n ermittelt den F o r m faktor, indem m a n den Strahlungsfluß durch eine summierende Methode u n m i t t e l b a r b e s t i m m t , vgl. 1 7 0 , und mittels der Gleichung (34) den W e r t / berechnet. Der F o r m f a k t o r h ä n g t nur v o n der äußeren Gestalt der Strahlenquelle und der A r t der E n t l a d u n g ab, für gestreckte Quecksilberh o c h d r u c k l a m p e n b e t r ä g t er 0 , 8 6 (204). 2 ) Bei geraden Strahlenquellen senkrecht zur Röhrenachse, bei U-förmigen senkrecht zur Eb:>ne des U.

156

Messung der UV-Strahlung

durchlässigkeit bei der Natriumzelle nicht beachtet zu werden braucht. Die absolute spektrale Bestrahlungsstärke Ba ergibt sich aus dem Relativwert Ba durch Multiplikation mit dem gesuchten Eichfaktor b. Die Bestrahlungsstärke hinter dem F i l t e r ist b • Ba • Dx, die in der Zelle mit der absoluten Empfindlichkeit S;. (gemessen in A • cm 2 /Watt) den Strom (35)

ii = b-Vx-Dx-

SA

hervorruft. Die Summierung über alle in Frage kommende Linien ergibt dann den gemessenen Photozellenstrom (36)

i* = Zix = Z b • Ba • Dx • Sa

D a b wellenlängenunabhängig ist, kann man diese Größe vor das Summenzeichen setzen, b ergibt sich zu (37)

b =

-. l* Eh-Dx-Sx Von diesen Größen sind i* unmittelbar gemessen; Ba ermittelt man mit dem Monochromator nach 153, die Filterdurchlässigkeit Dx nach 136 und 137 und die Zellenempfindlichkeit Sx nach 146. Wegen des Bereiches, über den summiert werden muß, wird auf 148 verwiesen. Die Zahlentafel 31 zeigt an einem Beispiel die Durchführung einer derartigen Berechnung. Aus der bekannten relativen Bestrahlungsstärke Ba und der Durchlässigkeit D ; des Filters errechnet sich die relative Bestrahlungsstärke hinter dem Filter: B ^ a - Durch Multiplikation mit der absoluten spektralen Empfindlichkeit der Photozelle 5 ; erhält man den relativen spektralen Photozellenstrom Ba^a^aDie Summierung über alle in B e t r a c h t kommenden Wellenlängen ergibt die Größe 5 Ba^aS ; .. Die Messung mit der Photozelle liefert den Photozellenstrom i*, so daß nunmehr alle Größen der Gl. (37) zur Bestimmung des Eichfaktors b bekannt sind. Mit dieser Größe werden schließlich die relativen W e r t e Ba multipliziert und damit die gewünschten absoluten W e r t e Ba erhalten. Z a h l e n t a f e l 31 Ermittlung

der a b s o l u t e n B e s t r a h l u n g s s t ä r k e

mittels einer

absolut

geeichten

Photozelle. relative absolute spektrale relative spektrale DurchlässigBestrahlungsspektrale EmpfindWellenlänge keit U G 2 stärke hinter Bestrahlungslichkeit der (2 mm) dem Filter stärke Zelle UG 2 k

BA

Dx

BA-^A

fi Watt/cm' 2

W a t t cm2 34 100 8 54 24 11 3

0,00 0,70 0,65 0,25 0,05 0,01 0,00

0,00 70 5,3 13,5 1,2 0,1 0,0

5,7 8,2 14,0 14,0 11,5 9,2 5,0

= Strom in Photozelle hinter Filter: i* = Eichfaktor b •

i*

3 7 , 4 - 1 0 " 8 A,

37,4 • 1 0 " 8

Z BA • -°A ' A S

0,851

=

0,439 • 10-«.

absolute spektrale Bestrahlungsstärke

BA • Dx • Sx BA = b BA

5A-103 Ainp.

m/x 405 8 366 334 313 302 297 289

relativer spektraler Photozellenstrom (berechnet)

0,000 0,574 0,073 0,189 0,014 0,001 0,000 0,851

x-Dx-Sx

15 44 3,5 24 10,5 4,8 1,3

157

Durchführung von verschiedenen Spektralmessungen

Die Gleichung (37) kann auch für die Eichung mit dem Thermoelement verwendet werden. In diesem F a l l ist jedoch S;. wellenlängenunabhängig. Mit dem Wert b sind die B;-Werte zu multiplizieren, um die absolute spektrale Bestrahlungsstärke B^ in dem betreffenden Abstand zu erhalten. Aus der Bestrahlungsstärke B kann in entsprechender Weise, wie in 154 angegeben, der Strahlungsfluß F ermittelt werden. e ) Messung d e r spektralen Intensitätsverteilung von kontinuierlichen

Spektren

156. Dispersionsvermögen. Bei der Ausmessung kontinuierlicher Spektren soll vorausgesetzt werden, daß die spektralen Eichwerte des Monochromators nebst Strahlungsempfänger in der unter 1 5 2 und 1 5 3 beschriebenen Weise und zwar unter Verwendung des UV-Normals ermittelt sind. Bei der Umrechnung der Ausschläge in Intensitätswerte ist nun bei kontinuierlichen Spektren folgendes zu beachten. Die den Austrittsspalt verlassende Strahlung ist nicht streng monochromatisch, sondern erstreckt sich über einen kleinen Wellenlängenbereich. Dies ist zwangsläufig durch den kontinuierlichen Charakter des Spektrums bedingt und hat mit der in 1 3 8 besprochenen spektralen Unreinheit durch Streulicht nichts zu tun. Dieser Bereich ist umso kleiner, j e weiter die Wellenlängen bei prismatischer Zerlegung auseinandergezogen werden, j e größer also das Dispersionsvermögen v ist (vgl. 88). E s muß für jeden Monochromator durch sorgfältige Ausmessung ermittelt werden. Hierzu verwendet man ein linienreiches Spektrum. Diese Messung geschieht, indem man, wie Abb. 79 zeigt, die Ablenkung des Strahles, etwa gemessen durch die Verschiebung des Spaltes, in Abhängigkeit von der Wellenlänge ermittelt. Die Neigung „dieser Kurve A (in Abb. 79) ist ein Maß für das Dispersionsvermögen, das durch die Gleichung v = AljAX definiert ist und in mm/m/u angegeben wird. AI (in mm) ist der Abstand zweier Linien mit dem Wellenlängenunterschied AI. Der spektrale Verlauf des Dispersionsvermögens ist gleichfalls in Abb. 79 (Kurve v) eingetragen. Man kann diese Größe auch unmittelbar bestimmen, indem man bei engem Eintrittsspalt in der Ebene des Austrittsspaltes den Abstand eng benachbarter Linien ausmißt (im sichtbaren Gebiet etwa mittels Lupe mit Okularmaßstab oder in U V auf einer photographischen P l a t t e mittels Komparator) und durch den Wellenlängenabstand dividiert. Diese Ausmessung wird an verschiedenen Stellen des Spektrums vorgenommen, um das Dipersionsvermögen für den gesamten Arbeitsbereich des Monochromators zu bekommen. Dividiert man die wahre Breite s (in mm) des Spaltes durch das Dispersionsvermögen v, so erhält man die spektrale Spaltbreite a = s/v (in m¡u), die angibt, wieviel m/z bei der betreffenden Wellenlänge vom Spalt erfaßt werden. Das Dispersionsvermögen v kann auch aus den Abmessungen des Prismas und dessen Brechungsvermögen berechnet werden. E s ergibt sich aus der folgenden Gleichung v = p . wobei E, der Ablenkungswinkel, zu berechnen ist aus der Gleichung:

—, 180 •dX

sin (e +