© Michael Stern
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zurück LeuchtfarbenInhalt:
Dosis radioaktiver Strahlungen, THE SWISS WATCH ( N.N. o.J. ) ca. 1960
Beurteilung und Wahl von Leuchtstoffen, The Swiss Watch, N.N., o.J. ca 1960
RADIOISOTOPENTECHNIK, Leuchtzifferblätter mit Promethium oder Tritium statt mit Radium, N.N., Technika Nr.4, 17.02.1961
THE SWISS WATCH ( N.N. o.J. ) ca. 1960
Dosis radioaktiver Strahlungen
(Aus einem Bericht der Abteilung Forschung und Technik der Federation suisse des associations de fabricants d'horlogerie)
• Durch die Haut aufgenommene Dosis
Die Leuchtmasse des Zifferblattes sendet ihre Strahlen in alle Richtungen aus, wobei viel mehr durch das Glas als durch den Boden dringen, wo sie durch das Metall des Werkes und des Gehäusebodens aufgehalten werden. Trotzdem sind die aus dem Glas dringenden Strahlen nicht die gefährlichsten, denn sie entfernen sich gewissermaßen vom Körper. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Einwirkungsdauer. Aber auch hier ist zu bemerken, daß das Zifferblatt einer Uhr nie längere Zeit mit einem Körperteil in unmittelbarem Kontakt bleibt.
Dagegen ist die Haut, auf der der Gehäuseboden ruht, den Strahlen am meisten ausgesetzt, da sie fast kein Abstand vom Zifferblatt trennt und die Einwirkung solange dauert, wie die Uhr getragen wird.
Das Handgelenk ist somit der am meisten bestrahlte Körperteil.
Aus den Messungen, die das Schweizerische Institut für Uhrenforschung auf unzähligen, direkt aus der Fabrik kommenden Uhren angestellt hat, erwies sich, daß die Strahlenbelastung unter dem Gehäuseboden im Durchschnitt 1 Milliröntgen je Stunde beträgt. Eine ohne Unterbruch getragene Uhr bestrahlt diesen Teil des Handgelenks mit 170 mr je Woche.
Die höchstzulässige Dosis für Hände und Unterarme einer beruflich strahlenexponierten Person ist von der Internationalen Strahlenschutzkommission (Commission internationale de protection contre les radiations CIPR) auf 1500 mr/Woche festgesetzt worden. Wie Sie sehen, nimmt das Handgelenk ungefähr zehnmal weniger Strahlen auf, als eigentlich zulässig wäre. Diese Stelle ist auch viel kleiner als die für die höchstzulässige Dosis maßgebende Zone. Überdies besitzen wir die Erfahrung eines halben Jahrhunderts, ohne daß je auch nur ein lokaler Strahlenschaden oder eine krebserzeugende Auswirkung festgestellt worden wäre. Die Wirkung auf das Handgelenk ist äußerst unbedeutend und kann nicht im geringsten schaden.
• Durch die Augen aufgenommene Dosis
Obschon sich die Augen meistens in ziemlicher Entfernung vom Zifferblatt halten, ist die Kristallinse der empfindlichste Körperteil, und als solcher besonders zu berücksichtigen. Die höchstzulässige Dosis für eine beruflich strahlenexponierte Person ist vom CIPR auf 100 mr/Woche festgesetzt worden .
Die in der Kristallinse aufgenommene Dosis hängt von den Gewohnheiten des Trägers einer Leuchtzifferblattuhr ab. Bei einer gewöhnlichen Uhr, die 0,l mc Radium enthält (die im Schweizerischen Institut für Uhrenforschung beobachteten Uhren wiesen durchschnittlich 0,09 mc auf) und ohne Unterbruch normal getragen wird, beträgt die aufgenommene Dosis 1 mr/Woche, also nur ein Hundertstel der zulässigen Dosis.
Die Gefahr für die Augen ist somit völlig ausgeschlossen.
Unter «normal getragen» versteht man, daß das Zifferblatt nicht unaufhörlich mit demselben Körperteil in Berührung bleibt und die Leuchtmasse der Uhr nicht eingenommen wird.
• Maßeinheiten
Gemessen wird die Dosierleistung mit rem oder Röntgen pro Zeiteinheit, d.h. je Jahr, Woche oder Stunde (r/Jahr, r/Woche oder r/Stunde).
Häufiger verwendet man den tausendmal kleineren Wert, also den Milliröntgen pro Zeiteinheit (mr/Stunde zum Beispiel).
Bei den uns hier beschäftigenden Strahlen darf man ein Millirem einem Milliröntgen gleichsetzen. Die Dosisleistung hängt von der Quellentätigkeit, dem Abstand und den zwischen Leuchtmasse und bestrahltem Körper stehenden Gegenstand ab.
Die Quellentätigkeit mißt sich nach Curies, bzw. Microcuries (1c = 1000000 mc), der Maßeinheit für die Radioaktivität.
• Radioaktivität der verschiedenen Uhrenerzeugnisse
Damenuhren
Das bisher Gesagte gilt in erster Linie für die Herrenuhren. Um so zutreffender ist es für die Damenuhren, die im Durchschnitt halb so schwache Leuchtmassen aufweisen.
Sonderuhren
Es gehört sich, auch von Uhren für besondere Verwendung, wie den Taucheruhren, zu sprechen. Ihr Zweck ist gerade, viel stärker als gewöhnliche Uhren zu leuchten. Und das ist allerdings nur mit einer entsprechenden Steigerung der Radioaktivität möglich, die jedoch noch keine Gefahr darstellt. Es ist deshalb notwendig, den Käufer darauf aufmerksam zu machen und ihm zu empfehlen, sie nur zum Tauchen zu gebrauchen.
Da diese Uhren nicht einmal 1 % der gesamten Produktion ausmachen, dürften sie auf die genetische Dosis der Bevölkerung keinen Einfluß haben.
Weckeruhren
Kein Problem stellen die Weckeruhren dar, da ihre Radioaktivität im allgemeinen sogar geringer ist als die der Armbanduhren. Die Leuchtfläche ist nämlich nicht maßgebend: Die Tätigkeit dieser Massen schwankt nicht unbedingt im Verhältnis zur Fläche. Die für Weckeruhren bestimmten Leuchtfarben sind in der Regel billig, aber auch schwächer. Zudem ist der Abstand zwischen Wecker und Mensch im allgemeinen viel größer und die Einwirkungsdauer viel kürzer als bei den Armbanduhren. Man kann annehmen, daß die Gonadendosis der Wecker zehnmal geringer ist als die der Armbanduhren.
The Swiss Watch, N.N., o.J. ca 1960Beurteilung und Wahl von Leuchtstoffen
Leuchtstoffe
Auf der Suche nach Gold begegneten die Alchimisten des 17. Jahrhunderts leuchtenden Steinen. Seither hat die Erscheinung eines "Leuchtstoffes" nie aufgehört die Menschen zu faszinieren. Aber erst die wissenschaftliche Beobachtung hat zur künstlichen Herstellung und technischen Auswertung verschiedenartigster Leuchtstoffe geführt. Im Gegensatz zu Materialien, die ihre Leuchtwirkung durch eine Spiegelung fremden Lichtes erzielen, wie sie zum Beispiel zur Straßensignalisation verwendet werden, senden die wirklichen Leuchtstoffe eigenes Licht aus. Im allgemeinen besteht ihre besondere Fähigkeit darin, Energie verschiedener Formen in Licht umzuwandeln. Zum Beispiel wird in der Leuchtröhre die Energie unsichtbarer Ultraviolettstrahlung durch den Leuchtstoff in sichtbares Licht umgewandelt. In der Televisionsröhre wird die Energie bewegter Elektronen beim Aufprall auf den Leuchtschirm in Licht umgesetzt.
Radiumleuchtfarbe ist wohl die älteste Form eines technischen Leuchtstoffes. Seit 40 Jahren werden diese selbstleuchtenden Massen zur Beschriftung von Uhren- und Instrumentenzifferblättern verwendet, damit die Ablesung im Dunkeln erfolgen kann. Sie sind ein Gemisch aus besonderen Leuchtstoffen und Radium. Dabei hat der Leuchtstoff die Fähigkeit, die Energie unsichtbarer, radioaktiver Radiumstrahlen in Licht umzuwandeln. Das beigemischte Radium entspricht damit einer Batterie, welche die nutzbaren, radioaktiven Strahlen liefert. Diese "Batterie" ist dazu vorzüglich geeignet, denn sie ist leicht, leistungsfähig und unverwüstlich. Weniger als ein Millionstelgramm genügen, um die Leuchtmasse einer Uhr so mit Energie zu versorgen, daß diese bequem während vieler Jahre im Dunkeln abgelesen werden kann.
Die Helligkeit der Radiumleuchtfarben hängt einzig vom Radiumgehalt und der Qualität des Leuchtstoffes ab. Je mehr Radium, desto heller ist die Leuchtfarbe. Immer aber ist diejenige Leuchtfarbe die beste, die mit möglichst wenig Radium die erwünschte Helligkeit erzeugt. Nicht nur Rücksichten auf Preis und Strahlungsschutz bedingen dieses Kriterium. Leider zerstören die radioaktiven Strahlen die Leuchtfähigkeit des Leuchtstoffes, was sich als Helligkeitsabnahme auswirkt. Dieser Abfall ist um so langsamer, je weniger Radium zur Erzeugung einer bestimmten Helligkeit nötig ist. Speziallacke dienen dazu, die pulverförmige Leuchtfarbe zu einer der Anwendungstechnik angepaßten Konsistenz zu verarbeiten. Die Bedeutung dieser Lacke kann nicht genügend betont werden, denn sie müssen den verschiedensten Anforderungen genügen. Mechanische Festigkeit und Haften auf verschiedenartigen Unterlagen müssen mit einem Minimum von Bindemittel im Lack erzielt werden, wenn nicht die Helligkeit beein trächtigt werden soll.
Die Bestandteile des Lackes müssen sorgfältig gewählt werden, denn viele Materialien werden braun unter der Einwirkung radioaktiver Strahlung. Der Lack muß ferner den Leuchtstoff vor Feuchtigkeit schützen, da sonst eine Schwärzung eintreten kann, die Helligkeit und Aussehen beeinträchtigt. Einen ungeeigneten Lack verwenden, bedeutet gute Leuchtfarbe verschwenden.
So gibt es zum Beispiel spezielle Lacke für Cadran und Zeiger, zum Grundieren und Decken, zur Posage mit Stift, Stilo oder mit Spezialmaschinen. Die Posage von Radiumleuchtfarben mittels verschiedener Werkzeuge und Techniken ist eine handwerkliche Leistung, die angeborenes Geschick und viel Übung erfordert. Die nötige Menge Leuchtfarbe wird mit Lack und entsprechendem Verdünnungsmittel in einem Schälchen zur gewünschten Konsistenz angerührt. Die Posage soll auf eine saubere Unterlage erfolgen, die wenn möglich weiß grundiert ist, denn dadurch wird infolge der Reflexion die Helligkeit erhöht. Auch die Dicke des Auftrages erhöht die Helligkeit, da wegen der leichten Durchsichtigkeit die unteren Schichten auch zur Lichtwirkung beitragen. Erst bei Dicken über 1mm nimmt die Helligkeit nicht mehr zu. Dicken von 0,2 bis 0,5 mm gelten als wirtschaftlich und sind handwerklich meist realisierbar. Die Publikation des Eidg. Gesundheitsamtes Bern "Richtlinien für den Schutz gegen ionisierende Strahlen" orientiert über die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen für Betriebe, die Radiumleuchtfarben verarbeiten. Als Leuchtstoff dient Zinksulfid. Da Zusätze von Millionstelgewichtsteilen gewisser Elemente über wichtige Eigenschaften entscheiden, kommen nur äußerst hochentwickelte Herstellungsverfahren in Frage. Die besondere grüne Farbe des Leuchtstoffes ist kein Zufall, sondern eine gesuchte Eigenschaft, weil sie derjenigen Farbe entspricht, für welche das Auge am empfindlichsten ist. Ferner läßt sich dieser Leuchtstoff mit einem Minimum an Radium zu einer verlangten Helligkeit bringen. Er wird dadurch geschont und behält seine Helligkeit besser. Gewisse Radiumleuchtfarben werden in elf Helligkeitsstufen mit den Bezeichnungen 0, 1, 2 bis zur hellsten 10, geführt. Jede Stufe ist in 5 Färbungen erhältlich. Die Färbung hat mit der Farbe des Leuchtens im Dunkeln wenig zu tun, sondern beschreibt lediglich die Farbe, wie sie im Tageslicht erscheint. Diese Eigenfarben decken den Bereich vom natürlichen zarten Gelbgrün («b» über «d», «f», «g» bis zum starken Blaugrün «h»).
Diese Tabelle ist als Richtlinie für die Uhrenindustrie gedacht
Helligkeitsstufe Anwendung
0 , 1 Schwache Helligkeit, nicht empfohlen für Uhren
2 Minimum für Wecker
3 , 4 für Taschenuhren mit relativ großen Ziffern
5, 6 für gute Uhren
7 für Qualitätsuhren
8, 9,10 für Qualitätsuhren mit sehr feiner Markierung
Die Beurteilung von Leuchtfarben ist keine leichte Aufgabe, so daß der Einkauf weitgehend Vertrauenssache ist. Wohl ist der Radiumgehalt an hand der Strahlung ziemlich einfach zu ermitteln, aber dieser Gehalt ist nicht ein geeignetes Maß für die viel wichtigere Helligkeit. Auch Leuchtstoffe schlechter Qualität lassen sich durch übermäßige Radiumzusätze auf jede Helligkeit bringen. Solche Produkte aber dienen dem Käufer wenig, da sie schneller zerstört werden. Die ideale Beurteilung würde also in einer Helligkeitsmessung und zusätzlicher Messung des Radiumgehaltes bestehen. Während den meisten Ateliers das Instrumentarium zur Helligkeitsmessung fehlt, so gestattet doch das Auge, Helligkeiten ziemlich genau zu vergleichen. Dabei ist folgendes zu beachten:
Es ist weit zuverlässiger, Leuchtfarben als Pulver zu vergleichen, als auf dem Cadran. Die Einflüsse unterschiedlicher Schichtdicke, Untergrundfarbe und Lackmengen werden ausgeschaltet. Die zu vergleichenden Pulver sollten gleiche Färbung und ungefähr gleiches Alter haben, denn während der ersten 15 bis 20 Tage nach der Vermischung von Leuchtstoff mit Radium zeigen die Radiumleuchtfarben einen Helligkeitsanstieg um 200 bis 300%. Danach nimmt die Helligkeit wegen der früher erwähnten Zerstörung langsam ab.
Am besten werden mit den zu vergleichenden Pulvern auf einer Unterlage Flächen gleicher Form und Dicke gebildet, welche möglichst nahe beisammen liegen. Nachdem diese für mindestens 60 Minuten in absoluter Dunkelheit aufbewahrt worden sind. läßt sich von Auge die durch das Radium erzeugte Helligkeit zuverlässig vergleichen. Für einen Vergleich ist das Aufbewahren im Dunkeln unerläßlich, denn die Leuchtstoffe vermögen Außenlicht zu speichern, das sie dann in der Dunkelheit langsam abgeben. Diese als Phosphoreszenz bezeichnete Erscheinung könnte also die Resultate stark verfälschen. Die Wahl der Leuchtfarbe richtet sich natürlich nach dem Zweck, wobei die Ablesedistanz und die Größe der Markierung von ausschlaggebender Bedeutung sind. Kleine Zeichen bedürfen im allgemeinen größerer Helligkeit als große, um dieselbe Lesbarkeit zu erzielen. Daneben spielen die bereits erwähnten Faktoren wie Auftragsdicke, Farbe der Grundierung und die Färbung der Leuchtfarbe eine nicht unbedeutende Rolle.
Vom Standpunkt der Helligkeit ist den naturfarbenen und schwach gefärbten Produkten («b» und «d») unbedingt der Vorzug zu geben. Natürlich hängt die Wahl der Farbe ebenfalls von der Farbe des Zifferblattes ab, da man auch bei Tageslicht die Lesbarkeit durch einen guten Kontrast sichern will. Modische Effekte mit den stärksten Färbungen «g» und «h» erkauft man sich teuer, denn gegenüber der ungefärbten «b»-Version ergeben sich unweigerlich Helligkeitsverluste von mehr als 30 %, bzw. 40 % (s.Tab. oben). Die Bestellung von Radiumleuchtfarbe soll die folgenden Angaben enthalten: Quantität in Gramm, Qualität, Helligkeitsstufe, Färbung, Art des Lackes (Colle) und des Verdünners (Dilutif), oder Verwendungszweck.
Technika Nr.4, 17.02.1961RADIOISOTOPENTECHNIK
Leuchtzifferblätter mit Promethium oder Tritium statt mit Radium
Bis in die Frühzeit der Erforschung der Radioaktivität reicht die Verwendung natürlich radioaktiver Substanzen, vor allem des Radiums in Leuchtzifferblättern, zurück. Ausgenutzt wird dabei nur die a-Strahlung, deren Energie durch Zinksulfidphosphore mit recht gutem Wirkungsgrad in sichtbares Licht umgewandelt wird.
Während die a-Strahlung wegen ihrer hohen Ionisierungsdichte kaum aus der Zinksulfidschicht austreten kann und erst recht nicht das Deckglas der Uhr zu durchdringen vermag, wird die vom Radium gleichzeitig ausgesandte g-Strahlung innerhalb der Uhr selbst nur wenig geschwächt. Der Träger einer solchen Uhr ist damit einer dauernden Strahlenbelastung ausgesetzt, die besonders dann nicht unbedenklich ist, wenn die Uhr auch während der Nachtruhe nicht abgelegt wird.
Radium ist eine sehr teure Substanz. Bei billigen Uhren geht man damit sparsam um, während teure Uhren auch größere Radiummengen enthalten können. Wir haben Uhren angetroffen, bei denen die Dosisleistung an der Oberfläche 2 Milliröntgen/ Stunde überschritt. Innerhalb eines Monats beträgt die integrierte Dosis an der Oberfläche der Uhr somit ca. 1,5 Röntgen.
Natürlich nimmt die Dosisleistung mit dem Abstand von der Oberfläche sehr schnell ab. Nach den internat. Richtlinien darf jedoch die von nicht beruflich strahlenexponierten Personen d. h. von Personen, die nicht beruflich z.B. in Isotopenlaboratorien, an Kernreaktoren usw. mit strahlenden Stoffen umgehen müssen - absorbierte Strahlendosis 40 Milliröntgen im Monat bei Ganzkörperbestrahlung nicht übersteigen. Es muß allerdings ausdrücklich betont werden, daß eine Uhr mit einer Dosisleistung von 2 Milliröntgen/Stunde an der Oberfläche einen Ausnahmefall darstellt. In der Regel liegen die Dosisleistungen an der Uhrenoberfläche erheblich unter 0,5 Milliröntgen/Stunde.
Abgesehen von der Strahlenbelastung des Trägers einer Uhr ist die Verwendung des Radiums jedoch auch wegen der ungewöhnlichen Radiotoxizität dieses Elements nicht unbedenklich. Einmal in den Körper aufgenommenes Radium wird so leicht nicht wieder ausgeschieden. Seine Strahlung bewirkt laufend die Zerstörung gesunder Zellen, da die Radioaktivität des Radiums wegen seiner langen Halbwertszeit von über 1500 Jahren im Laufe eines Menschenlebens praktisch konstant bleibt. Vor 30 Jahren und mehr, als man um diese Gefahren noch nicht wußte, sind zahlreiche Personen tödlich erkrankt, die bei der Herstellung von Leuchtzifferblättern usw. mit Radium in Berührung kamen. Der Fall der 5 «Radiumgirls» aus den USA ist vor etwa 30 Jahren besonders bekanntgeworden.
Diese Mädchen hatten regelmäßig die Pinselchen, mit denen sie die das Radium enthaltenden Leuchtfarben auftrugen, mit dem Munde abgeleckt, um die Buchstaben und Zahlen gut zeichnen zu können. Sie erkrankten plötzlich etwa zur gleichen Zeit, und die Ärzte konnten nichts weiter tun, als den unglücklichen Mädchen die ihnen noch verbleibende Lebenszeit vorauszusagen. Im Zuge der Entwicklung der Kerntechnik sind zwar chemische Verbindungen bekanntgeworden, die die Ausscheidung bestimmter radioaktiver Substanzen aus dem Organismus erhöhen und beschleunigen. Auf diese Weise lassen sich heute in vielen Fällen die Wirkungen der Inkorporation radioaktiver Stoffe mildern und abschwächen.
Am sichersten ist es aber immer noch, durch entsprechende Vorkehrungen zu verhindern, daß radioaktive Substanzen in den menschlichen Körper gelangen können.
Zu diesen Vorkehrungen gehört u. a. die Ersetzung radioaktiver Isotope, die sich durch eine besonders große Radiotoxizität auszeichnen, durch weniger gefährliche instabile Kernarten, wo immer das möglich ist.
Die durch den Bau von Kernreaktoren geschaffenen Möglichkeiten zur Herstellung zahlreicher künstlich radioaktiver Isotope haben das Radium entbehrlich gemacht. Es gilt nun, aus der großen Zahl der verfügbaren radioaktiven Isotope diejenigen auszuwählen, die für die Verwendung in Leuchtfarben geeignet sind. Es ist z. B. sinnlos, das Radium durch das mindestens ebenso gefährliche Strontium 90 zu ersetzen, wenn man auf diese Weise auch Materialkosten einspart. Aus dem Jahresbericht der US-Atomenergiekommission für 1959 entnehmen wir, daß man in den USA auf ein bestimmtes, aus der Schweiz in einigen 100 Exemplaren eingeführtes Uhrenmodell Jagd gemacht hat, bei dem die Leuchtfarben in der Tat beträchtliche Strontium 90 - Aktivitäten enthielten. Um solchem Mißbrauch, radioaktiver Substanzen rechtzeitig vorzubeugen, ist eine laufende Kontrolle durch Sachverständige dringend erforderlich, denn sonst werden die zahlreichen nützlichen und vom Sicherheitsstandpunkt unbedenklichen Anwendungen der künstlich radioaktiven Isotope nur unnötig in Mißkredit gebracht.
Abgesehen von der Forderung nach erheblich geringerer Radiotoxizität des Radioisotops, das anstelle des Radiums in Leuchtfarben verwendet werden soll, muß man auch verlangen, daß es keine durchdringende Strahlung aussendet, um die äußere Strahlenbelastung des Trägers einer Uhr möglichst bis unter die Nachweisgrenze herabzusetzen. In technischer Hinsicht muß die Strahlung des Radioisotops eine gute Lichtausbeute garantieren. Auch seine Halbwertszeit muß genügend lang sein, damit die Leuchtstärke des Zifferblattes während der Lebensdauer der Uhr nicht zu stark nachlässt. Schließlich muß die Verfügbarkeit des für eine solche technische Anwendung in Betracht kommenden Radioisotops zu vertretbarem Preis gesichert sein.
Diesen Anforderungen entspricht in gewissem Masse das Promethium 147, das bei seinem Zerfall praktisch ausschließlich b-Strahlen mit einer Maximalenergie von 0,223 MeV aussendet.
Diese Strahlung wird bereits durch das Deckglas der Uhr vollkommen abgeschirmt. Promethium 147 erhält man aus dem Isotop des Elements Neodym, das ebenso wie das Promethium zur Reihe der Seltenen Erden oder Lanthaniden gehört, Masse 146 im Kernreaktor durch folgende Reaktion:
146Nd (h,g) 147Nd
Das Neodym 147 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 11,3 Tagen unter Aussendung von b- und g-Strahlen in das gewünschte Promethium 147. Man muß also das bestrahlte Material eine Zeit stehenlassen, ehe man auf chemischem Wege das Promethium 147 abtrennen kann. Das als Oxyd Nd2O3 zur Bestrahlung eingesetzte Neodym besteht aus mehreren stabilen Isotopen mit den Massenzahlen 142, 143, 144, 145, 146, 148 und 150 In dem Ausschnitt aus der Nuklidkarte (Bild 1) sind diese stabilen Isotope durch schwarze Felder hervorgehoben. Unter dem Elementsymbol mit der Massenzahl erscheint die Angabe der relativen Häufigkeit des betreffenden stabilen Isotops bei dem in der Natur vorkommenden Neodym; z.B. haben 17,1% aller Neodymatome die Masse 146. So entsteht bei der Bestrahlung von Neodym mit natürlicher Isotopenzusammensetzung ein Gemisch mehrerer radioaktiver Isotope. Der Anteil eines einzelnen Radioisotops an der Gesamtaktivität des Gemisches hängt nicht nur von der Häufigkeit des stabilen Ausgangsisotops, sondern auch von dessen Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen ab, der in dem Ausschnitt aus der Nuklidkarte in «barn» (1 barn = 10-24 cm2) angegeben ist. Ausserdem verändert sich der Anteil eines einzelnen radioaktiven Isotops an der Gesamtaktivität eines Gemisches mit der Zeit in recht komplexer Weise, was durch die unterschiedlichen Halbwertszeiten der einzelnen vorhandenen Radioisotope bedingt wird. Bei langen Bestrahlungszeiten im Reaktor und hohen Neutronenflußdichten kann weiterhin der Neutroneneinfang in den gebildeten radioaktiven Isotopen und die damit verbundene Entstehung weiterer Isotope einen Einfluß auf die Zusammensetzung der Aktivität des Gemisches haben.
Dieses Gemisch verschiedener radioaktiver Isotope muß man bei der Herstellung des Promethiums 147 in Kauf nehmen, da eine vorherige Isotopentrennung einen ungeheuren Aufwand bei einem an sich schon recht teuren Ausgangsmaterial erfordern würde. Durch glückliche Umstände stört dieses Gemisch jedoch bei der Darstellung von radiochemisch reinem Promethium 147 nicht: die beim Zerfall des Neodyms 147 eintretende Elementumwandlung ermöglicht die Abtrennung des Promethiums 147 von den radioaktiven Neodymisotopen auf chemischem Wege. Zwar entstehen nach der Bestrahlung des Neodyms auch noch andere radioaktive Promethiumisotope, z B das Promethium 149 nach der Reaktion
148Nd (h,g) 149Nd
da das Neodym 149 mit einer Halbwertszeit von 1,8 h in das Promethium 149 zerfällt. Das Promethium 149 hat aber selbst auch nur eine Halbwertszeit von 50 h, so daß dann, wenn sich die chemische Abtrennung zur Gewinnung des Promethiums 147 wegen der längeren Halbwertszeit des Neodyms 147 rentiert, von dem Promethium 149 praktisch nichts mehr übrig ist. Das Promethium 147 wird bei der chemischen Trennung mit hoher spezifischer Aktivität erhalten, was für die Verwendung in Leuchtfarben wichtig ist.
Im Rahmen dieser in die Radioisotopentechnik und ihre Anwendungen einführenden Serie von Beiträgen sind wir an dieser Stelle etwas ausführlicher auf die Gesichtspunkte eingegangen, die bei Auswahl und Herstellung eines bestimmten Radioisotops berücksichtigt werden müssen. In der Mehrzahl der Fälle werden einem diese Überlegungen von den Lieferanten der radioaktiven Isotope abgenommen. Die Kataloge der laufend verfügbaren Radioisotope enthalten im allg. nicht nur die charakteristischen Eigenschaften eines instabilen Isotops, wie Halbwertszeit, Art und Energie der beim Zerfall ausgesandten Strahlungen, sondern häufig auch Angaben über die radiochemischen Verunreinigungen, die bei der Anwendung dieses Radioisotops stören können. Manchmal ist man jedoch auf ein radioaktives Isotop eines Elements angewiesen, das nicht in den Katalogen aufgeführt ist, weil es nur in Sonderfällen Verwendung findet. Dann ist es gut sich schon vorher zu überlegen, unter welchen Bedingungen die Herstellung der benötigten instabilen Kernart möglich ist. Bei der Durchführung dieser Überlegungen helfen die Nuklidkarten und Isotopentafeln.
Die vorstehenden Betrachtungen haben gezeigt, daß das Promethium 147 für die Verwendung in Leuchtfarben grundsätzlich geeignet ist. Auch seine Vermischung mit dem lumineszierenden Grundstoff bereitet keine besonderen Schwierigkeiten. Nachteilig ist lediglich die etwas kurze Halbwertszeit von 2,65 Jahren. Nach reichlich 8 Jahren ist die Leuchtkraft eines Promethium 147 enthaltenden Zifferblattes daher bereit auf 10% ihres Ausgangswertes abgesunken. Da gute Uhren eine wesentlich längere Lebensdauer haben, dürfte zumindest in diesen die Verwendung von Promethium 147 nicht angebracht sein, oder man müßte eine Auswechselung des Leuchtzifferblattes etwa alle 5 Jahre vorsehen.
Für die Anregung von Leuchtstoffen ist auch die Strahlung des künstlich radioaktiven Wasserstoffisotops, des Tritiums geeignet. Es entsteht bei der Bombardierung des Lithiumisotop mit der Masse 6 mit Neutronen durch die Kernreaktion
6Li (h,a) 3H .
Die Halbwertszeit des Tritiums von ca. 12 Jahren gewährleistet eine relativ konstante Leuchtstärke des Zifferblattes während der durchschnittlichen Lebensdauer einer Uhr. Auch das Tritium sendet bei seinem Zerfall ausschließlich b-Strahlen aus, die allerdings mit 0,018 MeV eine noch erheblich geringere Maximalenergie haben als die b-Strahlen des Promethiums 147. Die deshalb noch sehr viel geringere Reichweite der b-Strahlung des Tritiums lässt die Schichtdicke der Tritiumverbindung von entscheidender Bedeutung für die Lichtausbeute werden. Das elementare Tritium ist gasförmig.
Es muß daher erst in eine geeignete chemische Form gebracht werden, damit es mit dem Leuchtstoff innig vermischt werden kann. Versuche zur Darstellung tritiumhaltiger, als Grundsubstanzen für die Leuchtfarben verwendbarer Kunststoffe, sind im Gange, ohne daß bislang befriedigende technische Lösungen bekannt geworden sind. Beim Tritium muß außerdem beachtet werden, daß es in zahlreichen chemischen Verbindungen mit dem gewöhnlichen Wasserstoff im Wasserdampf der Atmosphäre recht leicht austauscht. Diese Eigenschaft muß bei der Auswahl der geeigneten chemischen Verbindung beachtet werden, auch wenn das Tritium radiobiologisch verhältnismäßig harmlos ist. Die geringere Energie der b-Strahlung des Tritiums macht jedoch den Einsatz erheblich größerer Aktivitäten, z. B. für ein Leuchtzifferblatt, notwendiger als beim Promethium 147 oder beim Radium. Andererseits ergibt sich die radiobiologische Harmlosigkeit des Tritiums auch aus seiner Austauschfreudigkeit: in den Körper aufgenommenes Tritium wird durch die natürlichen Prozesse verhältnismäßig rasch wieder ausgeschieden.
(Wir verweisen in diesem Zusammenhang auf die in der amerikanischen Zeitschrift Review of Modern Physics, Bd. 30, Nr. 2, Teil 2, im April 1958 veröffentlichte Tafeln. Nuklidkarten sind von verschiedenen Firmen und öffentlichen Stellen erhältlich, die sich mit der friedlichen Anwendung der Kernenergie beschäftigen.)
Bild 1.(fehlt) Ausschnitt aus der Nuklidkarte mit den Elementen Neodyn, Promethium und Samarium (Ordnungszahlen 60, 61 und 62). Stabile Isotope sind durch schwarze Felder gekennzeichnet. Bei den Isotopen Neodym 14 und Samarium 147 ist nur der obere Teil des Feldes schwarz, weil diese in der Natur vorkommenden Isotope radioaktiv sind, jedoch sehr lange Halbwertszeiten haben. Von dem Element Promethium gibt es überhaupt kein stabiles Isotop. Es kommt in der Natur praktisch nicht vor und kann nur künstlich hergestellt werden.
Die Nuklidkarte ist so aufgebaut, daß die Isotope eines Elements in derselben Zeile stehen (konstante Protonenzahl). Kerne mit der gleichen Neutronenzahl, sog. Isotone, stehen in einer Spalte. Die Diagonalen von rechts unten nach links oben bezeichnen die Isobaren, d. h. die Kerne mit gleich Massenzahl. Die Pfeile in dieser Richtung kennzeichnen die isobaren Zerfallsreihen von Spaltprodukten, die z.B. bei der Uranspaltung entstehen.
Abkürzungen:
a Jahre
d Tage
h Stunden Halbwertszeit
m Minuten
s Sekunden )
d Einfangquerschnitt für thermische Neutronen in barn
a Alphateilchen
b- Elektronen Energieangaben
b+ Positronen der
K Einfang von Hüllenelektronen Strahlungen
g Gammastrahlung in MeV
Wahrscheinlich wird das Tritium auch unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit dem Promethium 147 vorzuziehen sein. Tritium ist in Curie-Mengen zu einem Preise erhältlich, für den man noch nicht einmal 1 Millicurie Promethium 147 bekommt. Selbst die Berücksichtigung des wesentlich größeren Aktivitätsbedarfs im Falle des Tritiums und der höheren Herstellungskosten für die benötigte tritiumhaltige Verbindung dürfte diesen Preisunterschied nicht vollends ausgleichen. In den Forschungsstätten mehrerer Länder (u. a. auch in Deutschland) arbeitet man in verschiedenen Richtungen an der Herstellung tritiumhaltiger Leuchtstoffe, die die genannten Bedingungen erfüllen. Der derzeitige Stand der Arbeiten berechtigt zur Hoffnung auf einen baldigen erfolgreichen Abschluss.
Damit würde die Entwicklung der Kerntechnik einen Beitrag zur Verringerung der Strahlenbelastung der Gesamtbevölkerung leisten.
Dieser Gesichtspunkt erscheint uns vor allem bemerkenswert. Für die Verwendung der künstlich radioaktiven Isotope in Wissenschaft und Technik gibt es in zahlreichen Ländern sehr strenge Vorschriften und Verordnungen, vor allem wenn keine Spezialisten auf diesem Gebiet in einem Betrieb zur Verfügung stehen. Um die Leuchtzifferblätter von Uhren hat man sich - abgesehen von dem eingangs zitierten Fall in den USA
bislang nur wenig gekümmert, obwohl viele «Bauarten» bei konsequenter Anwendung der Strahlenschutzbestimmungen mancher Länder für den Gebrauch durch Nichtfachleute unzulässig wären. Man denke doch daran, wie leicht beim Bruch des Deckglases einer Uhr das im Leuchtstoff heute zumeist noch enthaltene Radium inkorporiert werden kann. Und wie stehe es bei der großen Zahl derer, die laufend Reparaturen an Uhren ausführen? Wir wollen keineswegs auf ein Verbot von Leuchtzifferblättern mit radioaktiven Substanzen drängen, bis die Verwendung des weitaus harmloseren Tritiums für diesen Zweck technisch möglich geworden ist. Diese Betrachtungen zeigen jedoch, wie weit die Radioaktivität in unser tägliches Leben eingreift, so daß man eigentlich auf Grundkenntnisse über dieses neue Gebiet kaum noch verzichten kann. Solche Grundkenntnisse werden sicher auch dazu beitragen, daß die Gefahren der Radioaktivität nicht mehr mit sehr unterschiedlichem Maß gemessen werden, wie es unseres Erachtens z. B. bei den radioaktiven Leuchtzifferblättern im Vergleich zu neueren technischen Anwendungen der radioaktiven Isotope geschieht. Viele Zeitgenossen fürchten sich vor jeder Form der Ausnutzung der Atomkernenergie und möchten ihr unnötige Beschränkungen auferlegen, ohne sich dabei bewußt zu werden, daß sie um ihrer persönlichen Annehmlichkeit willen schon längst mit radioaktiven Strahlen «umgehen». L.
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