Radioisotopentechnik - Tritium statt Radium

Leuchtzifferblätter mit Promethium oder Tritium statt mit Radium


Technika Nr.4, 17.02.1961

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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