Leuchtmittel für Uhren

Uhrenmagazin 5/00, S. 78 ff

Es werde Licht

Um im Dunklen die Uhrzeit ablesen zu können, muss - das ist einleuchtend - die Uhr in irgendeiner Form beleuchtet werden.
Ob das ganze Zifferblatt leuchtet oder ob nur Stundenmarkierungen mit Leuchtmasse hervorgehoben sind, spielt eine untergeordnete Rolle. Eine Großuhr kann ohne weiteres als Lampe geschaltet werden, bei einer Armbanduhr wird es schwieriger. Welche Mittel aktuell eingesetzt sind, um eine Armbanduhr das Leuchten zu lehren, erklären wir auf dieser Seite.

Wenn Ziffern, Punkte oder Zeiger leuchten sollen, braucht man zunächst einen Stoff, ein Material, das sich dazu bringen lässt, Licht abzugeben. Prinzipiell gibt jede Substanz Licht ab, wenn sie nur stark genug erhitzt wird. Interessant sind aber natürlich nur Substanzen, die zu "kalter" Lichtemission (LUMINESZENZ) fähig sind, und davon gibt es nicht viele. Diese Substanzen werden durch energiereiche Strahlung, hochenergetische Teilchen, chemische Reaktionen oder elektrische Felder zum Leuchten gebracht.

Diese Erscheinung beruht darauf, dass Atome oder Moleküle angeregt werden, indem ihre äußeren Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Wenn diese in den Grundzustand zurückkehren, strahlen sie die Energiedifferenz als Licht ab. Interessant wird das aber erst dann, wenn diese Rückkehr in den Grundzustand verzögert stattfindet, denn ein nur Bruchteile von Mikrosekunden dauernder Lichtblitz mag zwar hübsch sein, bringt aber auf einer Armbanduhr nichts.

Das erwünschte Nachleuchten lässt sich dadurch erreichen, dass angeregte Elektronen in sogenannten Fallen gespeichert werden, aus denen die Rückkehr zum Grundzustand geringe thermische oder strahlungsbedingte Anregung erfordert. Solche Fallen bekommt man dadurch, dass in das Kristallgitter der Substanz Fremdatome oder Fehlstellen eingebaut werden.

Das Mittel der Wahl, das heißt, die für diese Dinge meistverwendete Substanz, ist Zinksulfid.

Zinksulfid

Zinksulfid lässt sich durch Bestrahlen mit Licht oder Ultraviolettstrahlung zum Leuchten anregen. Dazu können Schwermetalle wie Kupfer oder Kobalt in das Zinksulfid eingebaut werden. Die Leuchtkraft von Zinksulfid-Pigmenten erschöpft sich dann aber schnell, nach spätestens einer Stunde sind die Zifferblätter der damit beschichteten Uhren dunkel, für weiteres Leuchten müsste erneut eine Lichtquelle her. 

Zinksulfid aktiviert durch Tritium

Jahrelang leuchten Uhrenzifferblätter, deren Ziffern oder Zeiger mit Zinksulfid-Masse beschichtet sind, in die Tritium eingebaut wurde. Tritium ist ein radioaktives Isotop wie Radium, das früher für diese Zwecke eingesetzt wurde. Die von Radium abgegebenen Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlen sind äußerst gesundheitsschädlich. Seit Ende der fünfziger Jahre wird daher nur noch das schwach radioaktive Tritium verwendet, das nicht in der Lage ist, Metallgehäuse oder Gläser von Uhren zu durchdringen, vorausgesetzt, die gesetzlichen Vorschriften für seine Verwendung werden eingehalten. Die abgegebene Beta-Strahlung reicht jedoch, um das Zinksulfid zum Leuchten anzuregen. Um das Tritiumgas und das Zinksulfid verbinden zu können, wird Tritium (etwas vereinfacht ausgedrückt) in einem Kunststoff gebunden, mit dem dann Zinksulfid-Pigmente beschichtet werden können.

Tritium-Gaslichtquellen

Tritium-Gaslichtquellen (TGLQ) arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Leuchtmassen, die direkt auf das Zifferblatt gebracht werden-. ein auf Zinksulfid basierender Leuchtstoff wird durch Tritium angeregt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass dieser Prozess in einem Glasröhrchen stattfindet, das innen mit dem Leuchtmittel beschichtet und mit Tritiumgas gefüllt ist. TGLQ leuchten etwa hundertmal heller als normale Leuchtmassen, und außerdem haben sie den Vorteil, dass mit den Glasröhrchen bedenkenlos hantiert werden kann, weil keine Radioaktivität nach außen dringt. Die Röhrchen können auf Zifferblätter und Zeiger gesetzt werden, da sie nur einen Durchmesser von 0,5 Millimetern haben. Zur Lebensdauer von TGLQ: nach sechs Jahren haben die Glasröhren noch 50 Prozent ihrer Helligkeit, nach 12 Jahren noch 25 Prozent zu bieten - das menschliche Auge empfindet übrigens diesen Wert als noch halb so hell wie die volle Leistung. Hergestellt werden die TGLQ unter dem Namen "Traser" von der schweizerischen Firma mb-microtec in Niederwangen.

Elektrollimineszenz

Wenn ein ganzes Zifferblatt leuchten und gleichzeitig nicht radioaktiv sein soll, kommt Elektrolumineszenz (EL) ins Spiel. Dabei wird wieder Zinksulfid eingesetzt, das in diesem Fall durch Elektrizität zum Leuchten gebracht wird. Dazu werden die Leuchtpigmente in eine transparente Folie eingebunden, an die Elektroden angelegt sind. Diese bestehen aus extrem dünnen Metallschichten (z.B. Aluminium). Die EL-Folie besteht also aus der Leuchtschicht, den Elektroden-Schichten auf beiden Seiten sowie Reflexions-, Isolier- und Schutzschichten. Um die Folie zum Leuchten zu bringen, wird ein elektrisches Feld angelegt; eine Wechselspannung von 70 bis 140 Volt ist für eine hohe Leuchtdichte notwendig. Da eine Uhren-Batterie nur 1,5 Volt Spannung liefert, sind ein Elektronik-Chip und ein Transformator erforderlich, um eine höhere Betriebsspannung zu erreichen. Die Farbe des EL-Zifferblattes hängt von den verwendeten Pigmenten ab. Die Halbwertszeit (Zeitraum, bis die Helligkeit auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes zurückgegangen ist) der EL-Systeme liegt zwischen 5 000 und 10 000 Stunden. Das scheint nicht viel, allerdings leuchten diese Zifferblätter ja nicht ständig (wie etwa Zeiger oder Markierungen mit Leuchtmasse), sondern nur auf Knopfdruck.

Super-LumiNova

Das von der schweizerischen Firma Tritec hergestellte Leuchtmittel Super-LumiNova unterscheidet sich von allen anderen hier vorgestellten dadurch, dass nicht Zinksulfid zum Leuchten gebracht wird, sondern Erdalkali-Aluminate. Sie sind stark FLUORESZIEREND, aber erst in Verbindung mit zum Beispiel dem Metall Dysprosium lässt sich ein bemerkenswert langes Nachleuchten (PHOSPHORESZENZ) erreichen. Super-LumiNova wird nicht durch Tritium, sondern durch Sonnen- oder künstliches Licht zum Leuchten angeregt. Die Nachleuchtintensität ist etwa 100-mal stärker als bei Zinksulfid, hält bei optimaler Anregung bis zu 10 Stunden an und zudem hat Super-LumiNova keine begrenzte Lebensdauer, weil sich der Prozess des Anregens und Nachleuchtens ohne chemische Reaktionen abspielt.

PHOSPHORESZENZ

Phosphoreszenz (griech.) ist eine Form der Lumineszenz, die nicht sofort nach Beendigung der Anregung abklingt, sondern sich durch ein längeres Nachleuchten auszeichnet. Stoffe, die Phosphoreszenz zeigen, werden Phosphore genannt.

FLUORESZENZ

Fluoreszenz (lat.) ist das charakteristische Leuchten bei festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen bei Bestrahlung mit Licht, Röntgen- oder Elektronenstrahlung. Die Strahlung wird mit gleicher oder längerer Wellenlänge wieder abgegeben. Im Gegensatz zur Phosphoreszenz gibt es bei dieser Form der Lumineszenz kein Nachleuchten.

LUMINESZENZ

Mit Lumineszenz (lat., Leuchtanregung) bezeichnet man Leuchterscheinungen, die nicht auf hoher Temperatur der leuchtenden Substanz beruhen. Die Lichtaussendung erfolgt nach einer Anregung (Energieabsorption) durch Bestrahlen mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht (= Photolumineszenz), mit Röntgenoder Gammastrahlung (= Röntgenlumineszenz) oder mit radioaktiver Strahlung (=Radiolumineszenz). Eine weitere Ursache von Lumineszenz können chemische Vorgänge sein.




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