This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution4.0 International License.

Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschungin Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung derWissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht:Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz.

Während die W e r n e r sehe Formel (18) nur im Bereich niedriger Drucke (p < 1 0 0 Torr) und die Tr ostsehe Formel (19) nur - im Bereich hoher Drucke (p > 100 Torr) gilt, gibt die Formel (16) die Einsatzspannung als Funktion des Druckes im gesamten untersuchten Bereich richtig an. Ein wei-terer Vorzug der Gl. (16) liegt darin, daß ihre Kon-stanten a, b, d für den gesamten untersuchten Be-reich des prozentualen Dampfanteils Gültigkeit haben; während sich die Größen U und Jen der Gl. (18) und emin , kn der Gl. (19) mit dem pro-zentualen Dampfanteil ändern.

N o m o g r a m m e zur E i n s a t z s p a n n u n g

Im Hinblick auf die praktische Anwendung der oben abgeleiteten Formeln für die Einsatzspan-nung Gl. (12) bzw. Gl. (16) ist der funktionelle Zu-sammenhang zwischen Einsatzspannung, Mantel-radius, Drahtradius, Gesamtfülldruck, prozentua-lem Dampfgehalt (bei selbstlöschenden Zählrohren) in Form von Nomogrammen dargestellt.

1 .Fremdgelöschte Zählrohre. Das Nomogramm für fremdgelöschte Zählrohre mit Füllungen von H 2 , He, N2 , 0 2 , A (Abb. 8) besteht aus drei Teilnomo-grammen. Soll z. B. bei vorliegendem ra, rh p die Einsatzspannung FE bestimmt werden, dann wird aus dem linken Teilnomogramm In (rjr{), aus dem mittleren Fn abgelesen und mit diesen beiden Wer-ten in das rechte Teilnomogramm gegangen.

2. Selbstlöschende Zählrohre. Entsprechend ist das Nomogramm für selbstlöschende Zählrohre aufge-baut; nur daß hier noch die %-Achse für den Dampf hinzukommt. In Abb. 9 ist das Nomogramm für Argon-Methylal-Zählrohre gezeichnet.

Wie ersichtlich sind das linke und das rechte Teil-nomogramm unabhängig von Füllgas bzw. Füll-dampf. Im mittleren Teilnomogramm sind nur die % - und die Fn-Achse charakteristisch für das Gas-Dampf-Gemisch. Infolgedessen lassen sich die ent-sprechenden Nomogramme für die anderen Ge-mische leicht aufstellen, indem mit den Konstanten der Tab. 2 die % - und die Vn-Achse im mittleren Teilnomogramm neu berechnet werden.

Zur Frage der Röntgendosimetrie mit Festkörpern V o n I . BROSER, H . OESER u n d R . WARMINSKY

Aus dem Kaiser-Wilhelm-Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie, Berlin-Dahlem, und dem Strahleninstitut der Freien Universität, Berlin

(Z. Naturforschg. 7 a, 351-360 [1952]; eingegangen am 31. Dezember 1951)

Eine Reihe von Festkörpern wird bezüglich ihrer Eignung zur Dosimetrie von Rönt-genstrahlen untersucht. Lumineszenz und Leitfähigkeit sind im allg. — im Gegensatz zur Schwärzung der Photoplatte — der absorbierten Strahlungsenergie proportional und können bei gleicher Strahlenzusammensetzung als Maß für die Strahlenintensität gelten. Die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption (und damit von Lumineszenz und Leitfähig-keit) jedoch hängt stark von der effektiven Ordnungszahl ab. Besonders die anorgani-schen Stoffe unterscheiden sich in der Wellenlängenabhängigkeit erheblich von dem Ver-halten einer Luftionisationskammer. Unter den organischen Leuchtstoffen lassen sich Substanzen auswählen, deren effektive Ordnungszahl der Luft sehr nahe kommt und deren Lumineszenz daher einen ähnlichen Verlauf wie der Strom einer Luftkammer auf-weist.

Während also anorganische Substanzen ihrer hohen Lichtausbeute oder hohen Photo-empfindlichkeit wegen gut zum qualitativen Nachweis von Röntgenstrahlen brauchbar erscheinen, sind organische Leuchtstoffe mit eiaer luftäquivalenten Ordnungszahl (in Verbindung mit empfindlichen Sekundärelektronen-Vervielfachern) durchaus für genaue Dosisbestimmungen geeignet und in vieler Beziehung einer Luftkammer überlegen. Durch Wahl von Leuchtstoffen bestimmter effektiver Ordnungszahl kann ferner die ionisierende Wirkung der Röntgenstrahlung in jeder beliebigen Substanz (beispielsweise Knochen, Fett) bestimmt werden.

Gewisse Festkörper, deren Absorptionsvermögen so hoch ist, daß sie die gesamte Strah-lung absorbieren, eignen sich gut zur Messung der Gesamtintensität von Röntgenstrahlen.

Jede Dosismessung von Röntgenstrahlen beruht

auf einer Wirkung dieser Strahlen in irgendeinem Medium. Es sind als solche Wirkungen bekannt: Die Ionisation der Luft, die Schwärzung der photo-graphischen Platte, die Verfärbung von Farbstoffen (z. B. Bariumplatincyanür), die Änderung des elek-trischen Widerstandes gewisser kristalliner Substan-zen (wie Se, CdS) und die Lumineszenz von Leucht-stoffen1. Zur Grundlage der Standard-Meßmethode und zur Definition der Dosiseinheit ,,r" ist die Ioni-sation der Luft ausgewählt worden. Luft ist als Meßsubstanz überall in gleicher Zusammensetzung leicht verfügbar, und die Messung des Ionisations-stromes läßt sich gut reproduzieren. Vor allem aber besitzt Luft eine ähnliche effektive Ordnungszahl wie Wasser. Dies ist im Hinblick auf die Medizin wichtig, da dann angenommen werden kann, daß die Ionisation in Luft in ähnlicher Weise von der Strahlenhärte abhängt wie die Ionisation in Wasser und damit in den hauptsächlichen Bestandteilen der Gewebe.

Es ist jedoch nur beschränkt möglich, auf Grund von Messungen der Luftionisation die Wirkung von Röntgenstrahlen in Festkörpern oder Flüssigkeiten zu beurteilen. Die Verhältnisse der Strahlenabsorp-tion in Luft sind auf andere Stoffe nur dann über-tragbar, wenn die Absorption in diesen Stoffen mit der in Luft bei jeder Strahlenhärte übereinstimmt. Viele Stoffe, darunter bestimmte menschliche und tierische Gewebe, wie Knorpel und Knochen, zeigen aber bezüglich der Strahlenabsorption erhebliche Abweichungen gegenüber Luft und Wasser. Ferner können selbst bei gleichen Absorptionskoeffizienten von Festkörper (bzw. Flüssigkeit) und Luft Unter-schiede in der Wellenlängenabhängigkeit auftreten, wenn größere Schichtdicken zu durchstrahlen sind, da zur Dosismessung immer nur ein kleiner Bruch-teil der auffallenden Strahlung dient. Ein weiteres Problem bei der Dosisbestimmung mit Ionisations-kammern bildet die notwendige Begrenzung des Meßraumes durch feste Wände, insbesondere wenn

1 H. Ho l thusen u. R. Braun , „Grundlagen und Praxis der Röntgenstrahlendosierung", Thieme, Leip-zig 1933. R. G locker , „Röntgen- und Radiumphysik für Mediziner", Thieme, Stuttgart 1949. F.Wacj is -mann , in H. Meyer u. K. Matthes , „Die Strahlen-therapie", Thieme, Stuttgart 1949. R. Jaeger , Z. angew. Physik 3, 191 [1951]. R.W. Poh l , Naturwiss. 38, 147 [1951]. W. Minder , Radiol. clin. [Basel] 20. 286 [1951].

2 R. Frer i chs , Naturwiss. 33, 281 [1946]. R .War -m i n s k y , Diss. Techn. Universität Berlin 1948.

kleine Kammervolumina benötigt werden oder bei Verwendung weicher Strahlen.

In neuerer Zeit hat der Nachweis von Röntgen-strahlen mit Hilfe von Festkörpern ein steigendes Interesse gefunden, und es erscheint wünschens-wert, die Eignung solcher Methoden für die Dosi-metrie näher zu untersuchen. In Betracht kommen Beobachtungen über den Einfluß von Röntgen-strahlen auf das elektrische Leitvermögen gewisser kristalliner Verbindungen2 (wie CdS-Kristalle) und ferner Messungen der Lumineszenz von Leucht-stoffen mit Hilfe von Sekundärelektronen-Verviel-fachern3. Der Vorteil gegenüber der Ionisations-messung in Luft liegt bei der Widerstandsänderung von Kristallen vorwiegend in der Einfachheit, bei der Bestimmung der Lumineszenzintensität u. a. in der wesentlich höheren Empfindlichkeit der be-treffenden Meßanordnung.

In unseren Untersuchungen wurde — neben der Frage nach Konstanz, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit — vor allein zu klären versucht, wie weit die Wellenlängenabhängigkeit von Leit-vermögen oder Lumineszenz der verwendeten Fest-körper diese als Dosimeter für Röntgenstrahlen ge-eignet erscheinen lassen. Wir haben eine Reihe von Stoffen untersucht, die als Nachweismittel für Röntgenstrahlen in Betracht kommen. Die Meß-ergebnisse wurden mit denen einer gebräuchlichen Ionisationskammer verglichen. Außerdem gelang es uns, mit Hilfe eines Festkörpers die Gesamt-intensität einer Röntgenstrahlung zu messen, was für Absorptionsmessungen wichtig ist und bisher nur schwierig — hauptsächlich unter Ausnutzung kalorimetrischer Effekte — möglich war.

Messungen Die von uns untersuchten Festkörper wurden einer

variablen Röntgenstrahlung ausgesetzt. Sie wurde er-zeugt in einem für medizinisch-therapeutische Zwecke bestimmten Röntgenapparat (C. H. F. Müller, Typ RT 200, 50—200 kV Röhren-Gleichspannung,- 2—20 mA Stromstärke). Das heterogene Strahlengemisch

I. Faßbender u. O . H a c h e n b e r g , Ann. Physik 6, 229 [1949]. I. Broser , II. Oeser u. R . W a r m i n s k y , Z. Naturforschg. 5 a. 214 [19501. R. Frer i chs , J. ap-plied Physics 21, 312 [1950].

3 R. H. Herz , Fortsch. Gebiete Röntgenstrahlen 54, 6 [1936]. Ii. H. Morgan , Amer. J. Roent. Rad. Ther. 47, 777 [1942]. Marshal l , Col lman u. Hun-ter , Rev. Sei. Instruments 18, 504 [1947]. I. Broser , II. Kal lmann u. U. Mart ius , Z. Naturforschg. 4a, 204 [1949],

wurde so gefiltert, daß jeweils ein möglichst hoher Homogenitätsgrad vorhanden war (Normalstrahlung nachWachsmann, Homogenitätsgrad um 0,75)4. In Abb. 1 sind die Filterwerte in mm Cu für die verschie-denen Strahlenqualitäten eingetragen. Zur Bestim-mung der Intensitäts- und Wellenlängenabhängigkeit der Festkörpereigenschaften (Schwärzung der photo-graphischen Platte, Leitvermögen und Lumineszenz) diente der Vergleich mit dem Strom einer Luftioni-sationskammer (Fingerhutkammer einschließlich des Universal-Dosimeters von Siemens & Reiniger) .

V e r g l e i c h z w i s c h e n p h o t o c h e m i s c h e m E f -f e k t , L u m i n e s z e n z u n d L e i t v e r m ö g e n v o n

F e s t k ö r p e r n g l e i c h e r A b s o r p t i o n s -e i g e n s c h a f t e n

Es wurden die drei wichtigsten Methoden des Nachweises von Röntgenstrahlen mit Festkörpern — die Schwärzung einer photographischen Platte, die Widerstandsänderung eines Kristalles und die Lumineszenz eines Leuchtstoffes — miteinander verglichen. Dabei wurden Stoffe ähnlicher Absorp-tionseigenschaften (effektive Ordnungszahl) ver-wendet, um zu prüfen, ob die verschiedenartigen Meßmethoden die gleiche Wellenlängenabhängig-keit zeigen. Voraussetzung für einen derartigen Ver-gleich ist, daß zwischen dem beobachteten Effekt und der Röntgenintensität bei gleicher Strahlen-zusammensetzung ein linearer Zusammenhang be-steht.

Bei der Bestimmung der Wellenlängenabhängig-keit der Schwärzung einer photographischen Platte wurde dem Umstand, daß die Schwärzung nicht immer der auffallenden Röntgenintensität propor-tional ist, dadurch Rechnung getragen, daß bei jeder Strahlenspannung stets eine ungefähr gleich starke Schwärzung (und zwar immer im linearen Bereich der Graduationskurve) erzeugt und die jeweils dazu erforderliche Röntgendosis mit der Fingerhutkammer gemessen wurde. Das Verhältnis von Schwärzung zu Ionisationsstrom (in Prozenten des maximalen Wertes) als Funktion der Röhren-spannung ist in Abb. 1 dargestellt. Außer dem Nachteil der nicht-linearen Intensitätsabhängig-keit läßt diese hauptsächlich durch das Silberbro-mid bedingte Wellenlängenabhängigkeit die Photo-platte nicht als Dosimeter geeignet erscheinen. Hinzu kommt, daß dieses Dosimetrie verfahren eine schlechte Reproduzierbarkeit besitzt, und daß die

4 F. W a c h s m a n n , Strahlenther. 83, 41 [1950], siehe ferner unter

Schwärzung einer Photoplatte nur die Dosis als das zeitliche Integral, nicht aber die häufig gesuchte Dosisleistung wiedergibt.

100

•-J

SO

w

Abb. 1. Vergleich der Wellenlängenabhängigkeiten der drei Festkörpereigenschaften: Photochemischer Ef-fekt, Widerstandsänderung und Lumineszenz mit dem Ionisätionsstrom einer Luftkammer [ • • • Schwärzung (S) einer Photoplatte; o o o Leitvermögen (?) von CdS; xxx Lumineszenz (L) von CdS]; in willkürlichen Ein-

heiten.

Eine zweite Messung wurde an einem Stoff mit ähnlichem Absorptionsvermögen durchgeführt; es wurde die Widerstandsänderung eines CdS-Kristal-les als Funktion der Strahlenspannung bestimmt. Der Kristall war etwa 0,5 cm2 groß und 25 mg/cm2

dick. Die Elektroden waren einseitig aufgedampft und ließen einen Spalt von etwa 1 mm frei. Die Intensitätsabhängigkeit des benutzten Kristalles bei konstanter Strahlenzusammensetzung war linear. Die Meßpunkte, das Verhältnis von Leitfähigkeit zu Dosimeterstrom, sind ebenfalls in Abb. 1 einge-tragen. Wie schon in einer früheren Arbeit2 mitge-teilt wurde, ist auch hier die Wellenlängenabhängig-keit naturgemäß eine andere als die der Ionisations-kammer. Der Kurven verlauf für die CdS-Leitfähig-keit und für die Schwärzung der Photoplatte weist bei Belichtung mit verschiedenartigen Röntgen-strahlenqualitäten eine weitgehende Übereinstim-mung auf. Dies ist verständlich, wenn man bedenkt, daß die effektiven Ordnungszahlen von CdS ( = 46,5) und von AgBr ( = 43,5) beinahe gleich sind, und daß damit beide Stoffe eine sehr ähnliche Wellen-längenabhängigkeit besitzen. Man darf hieraus schließen, daß die Wirkung der Röntgenstrahlen auf die Bromsilberschwärzung und den CdS-Kristall der absorbierten Energie proportional ist.

Diese Proportionalität zwischen Meßwert und absorbierter Strahlung wird durch eine dritte Art der Messung, nämlich der Bestimmung der Lumines-

Fitter[mm Cu]— HOS 0,10,15 0j2 0,3 0,5 0,7 Dß V V U l i \ 1 1 \ 1 i n \ X i S r f

Röhrenspannung [kV] —**

zenz eines gut leuchtenden CdS-Kristalles noch stärker verdeutlicht. Zur Messung diente ein etwa ebenfalls 0,5 cm2 großer und 25 mg/cm2 dicker CdS-Kristall, dessen Lichtausbeute bei gleicher Strahlenzusammensetzung unabhängig von der an-regenden Strahlenenergie war. Die Lumineszenz wurde mit Hilfe eines rotempfindlichen Sekundär-elektronen-Vervielfachers ausgemessen. Da die Rönt-genstrahlen einen direkten Einfluß auf die Photo-kathode des Vervielfachers ausübten, wurde gemäß der in Abb. 2 angegebenen Meßanordnung dafür

R

Abb. 2. Schematische Darstellung der Anordnung zur Lumineszenzmessung bei Anregung mit Röntgenstrah-len. R = Röntgenstrahlung; L = Leuchtstoff; Al = Al-Folie; Pb = Bleirohr; K = Photokathode; M =

Multiplier; A = Anode; Gr — Galvanometer.

gesorgt, daß die Röntgenstrahlen nur den Kristall, nicht aber den Vervielfacher trafen, während das ausgesandte Lumineszenzlicht ohne größere Ver-luste zur Photokathode gelangen konnte. Eine Kon-trollmessung zeigte, daß die etwa noch durch Streuung auf den Vervielfacher gelangende Rönt-genstrahlung so schwach war, daß die Messung der Lumineszenz nicht verfälscht wurde. Die Meß-punkte (Verhältnis von Lumineszenzintensität zu Dosimeterstrom in Prozenten des Maximalwertes) stimmen praktisch mit denen aus der Widerstands-änderung des CdS-Kristalles und denen aus der Schwärzung der Photoplatte ermittelten überein (Abb. 1).

Es darf hieraus gefolgert werden: Besteht zwi-schen einer durch Röntgenstrahlen beeinflußbaren Eigenschaft eines Festkörpers — sei es Schwär-zung, Leitvermögen oder Lumineszenz — bei glei-cher Strahlenzusammensetzung Proportionalität zwischen auffallender Strahlenintensität und Meß-wert des Festkörpers, so wird bei Änderung der Strahlenhärte der Verlauf der Meßpunkte im allge-meinen bestimmt sein durch die Absorptionseigen-

schaffen des betreffenden Körpers1. Es ist dann gleichgültig, ob sich die im Festkörper absorbierte Energie als Schwärzung, Widerstandsänderung oder Lumineszenz äußert, stets werden die Wellenlängen-abhängigkeiten dieser Eigenschaften bei dem glei-chen Stoff dieselben sein. Aus diesem Grunde ist es zur Bestimmung der Wellenlängenabhängigkeit irgendeiner der Festkörpereigenschaften nur not-wendig, den Verlauf einer dieser Eigenschaften zu kennen. Wir haben die Methode der Lumineszenz-messung herausgegriffen, weil auf diese Weise eine ganze Reihe von Stoffen verschiedener mittlerer Ordnungszahl schnell und einfach ausgemessen wer-den konnte.

W e l l e n l ä n g e n a b h ä n g i g k e i t der L u m i n e s z e n z v e r s c h i e d e n e r a n o r g a n i s c h e r und o r g a n i s c h e r

L e u c h t s t o f f e

Der erste Teil der Lumineszenzuntersuchungen, die stets in der durch Abb. 2 dargestellten Anord-nung erfolgten, wurde an einer Reihe der bekann-testen anorganischen Leuchtstoffe durchgeführt. Von den Stoffen ZnS-Cu, ZnO, CaW04 waren fein-kristalline Schichten von ca. 20 mg/cm2 Dicke durch Sedimentation hergestellt worden, während KBr-Tl und ein weißer Saphir (A1203) als größere einheitliche Kristalle von 2 bis 3 mm Schicht-dicke vorlagen. Bei gleicher Strahlenzusammen-setzung zeigten alle untersuchten Stoffe eine von der Intensität unabhängige Lichtausbeute. In Abb. 3

fi

/ / a Y /

\ °

' /

50 100 150 200 Röhrenspannung [kV]

Abb. 3. Wellenlängenabhängigkeit der Lumineszenz einer Reihe anorganischer Leuchtstoffe im Verhältnis zum Strom einer Ionisationskammer (o o o ZnO;* • •

KBr-Tl; O Q O A1203; A & & ZnS-Cu; x x x CaW04).

ist die Abhängigkeit von der Strahlenhärte dar-gestellt; als Ordinate wurde wiederum das Ver-hältnis Lumineszenzintensität zu Dosimeterstrom aufgetragen. Man sieht, daß die verschiedenen an-organischen Substanzen eine verschiedenartige Wel-lenlängenabhängigkeit besitzen. Interessant ist, daß ZnS-Cu und ZnO, deren Absorptionsvermögen vor allen Dingen durch die Zn-Atome bestimmt sein dürfte, praktisch den gleichen Lumineszenzverlauf besitzen. Erstaunlicherweise weist CaW04 eine be-sonders geringe Abweichung vom Verhalten einer Luftionisationskammer auf. Man muß aber be-denken, daß bei Verwendung von rein monochro-matischen Strahlungen ganz allgemein noch stär-kere Abweichungen zu erwarten sind, so daß diese mit Normalstrahlung durchgeführten Messungen uns also nur ein qualitatives Bild geben. Ferner ist zu beachten, daß die Wellenlängenabhängigkeit der aufgetragenen Meßwerte etwas von der Schichtdicke abhängen kann, wenn schon ein merklicher Anteil der Strahlung in dem Festkörper absorbiert wird.

Abb. 4. Wellenlängenabhängigkeit der Lumineszenz einer Reihe organischer Leuchtstoffe mit gleicher effek-tiver Ordnungszahl im Verhältnis zum Strom einer Ionisationskammer (o o o Diamant; • • • Diphenyl; x x x Stilben; a & & Naphthalin dick; + + + Naphtha-

lin dünn).

Wir haben die Schichtdicken deshalb so gewählt, daß dieser Einfluß nicht allzugroß ist. Abb. 3 zeigt, daß die untersuchten anorganischen Leuchtstoffe wegen ihrer großen Abweichung vom Verhalten der Ionisationskammer wohl kaum für genaue Dosis-messungen in Betracht kommen. Die hohe Absorp-tion bedingt aber eine große Empfindlichkeit, so daß sie für mehr qualitative Messungen, insbeson-dere von schwächeren Strahlenintensitäten sehr ge-

5 Zu den gleichen Ergebnissen mit Anthracen kam R. G l o c k e r ; nach einem Vortrag auf der Tagung der

eignet sein werden, und zwar als Leuchtstoff oder auch teilweise als Photo widerstand.

Der zweite Teil der Lumineszenzuntersuchungen wurde an einer Reihe bekannter organischer Sub-stanzen durchgeführt. Wiederum wurde zunächst Proportionalität zwischen Intensität und Lumin-eszenz bei gleicher Strahlenzusammensetzung nach-gewiesen. Abb. 4 gibt die Wellenlängenabhängigkeit einiger Kohlenwasserstoffe und eines Diamanten wieder. Im Gegensatz zu den Ergebnissen bei anorga-nischen Substanzen nimmt das Verhältnis von Lumin-eszenz zu Dosimeterstrom von harter zu weicher Strahlung hier stetig ab5.Wichtig ist ferner, daß diese organischen Substanzen einen nur geringen Teil der auffallenden Strahlen absorbieren, so daß praktisch keine Schichtdickenabhängigkeit mehr besteht. Man erkennt dies gut aus dem Vergleich zweier Naphthalinblöcke, deren Schichtdicken sich etwa um einen Faktor 5 unterscheiden, während der Kurvenverlauf im Rahmen der Meßgenauigkeit der gleiche ist.

Abb. 5. Wellenlängenabhängigkeit der Lumineszenz einer Reihe organischer Leuchtstoffe mit verschiede-ner effektiver Ordnungszahl im Verhältnis zum Strom einer Ionisationskammer (o o o Sulfosalicylsäure; x x x

Salicylsäure; • • • Diphenyl).

Auch die bekannten organischen Substanzen unterscheiden sich also noch beträchtlich in der Wellenlängenabhängigkeit vom Verhalten einer Ionisationskammer. Dies ist aber verständlich,

Deutschen Röntgenologischen Gesellschaft, Baden-Baden, Sept. 1951.

wenn man bedenkt, daß die effektive Ordnungszahl aller untersuchten Substanzen fast genau 6,0 be-trägt, während der entsprechende Wert für Luft 7,7 ist.

Um den Einfluß der Ordnungszahl auf die Wellen-längenabhängigkeit deutlich zu machen, haben wir noch zwei bisher als Leuchtstoff wenig bekannte organische Substanzen mit verschiedenen effek-tiven Atomnummern untersucht. Abb. 5 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit von Diphenyl (0cf f = 5,95), Salicylsäure (Oeff = 6,95) und von Sulfo-salicylsäure (Oeff = 11,3) im Vergleich mit einer Ionisationskammer. Man erkennt gut, daß mit wachsender effektiver Ordnungszahl eine systema-tische Veränderung der Wellenlängenabhängigkeit eintritt, und zwar derart, daß das Verhältnis der Lumineszenz bei 200 zu der bei 50 kV immer kleiner wird. (Das Auftreten eines Maximums bei Sulfo-salicylsäure scheint auf eine zu große Schichtdicke der verwendeten Substanz zurückzuführen zu sein; der Kurvenverlauf bei dünnen Schichten dürfte etwa der gestrichelten Linie entsprechen.) Man sieht leicht ein, daß eine feste Substanz mit einer Ord-nungszahl ähnlich wie Luft praktisch auch die gleiche Wellenlängenabhängigkeit wie eine Luft-kammer zeigen wird. Leider stand uns bisher eine derartige Substanz mit ausreichender Lumineszenz nicht zur Verfügung. Es sollte aber möglich sein, einen lumineszierenden organischen Stoff mit luft-äquivalenter Atomnummer und damit luftäquiva-lenten Absorptionseigenschaften zu finden.

Messung der G e s a m t s t r a h l u n g

Soll mit einem Festkörper die Dosis oder Dosis-leistung bestimmt werden, so darf nur ein Bruchteil der auffallenden Strahlung in dem zur Messung dienenden Stoff absorbiert werden. Wird dagegen praktisch die gesamte Strahlung absorbiert, so hat man, wenn die absorbierte Energie als Widerstands-änderung oder Lumineszenz nachweisbar ist, ein einfaches Mittel zur Messung der Gesamtintensität in der Hand. Prinzipiell geeignet ist jeder Stoff, dessen Lumineszenz oder Widerstandsänderung der absorbierten Röntgenintensität proportional ist und der die gesamte Strahlung absorbiert. Da für harte Strahlung aber relative große Schichtdicken erfor-derlich sind, auch wenn es sich um Stoffe mit hohem Atomgewicht handelt, kommen Substanzen in fein-kristalliner Form nicht in Frage. Für Leitfähigkeits-messungen sind sie von vornherein untauglich, bei

Lumineszenzmessungen würden durch Streuung und Absorption des ausgesandten Lichtes zu große Fehler entstehen. Es kommen also nur Stoffe in Betracht, von denen Kristalle oder durchsichtige Schichten in größerer Schichtdicke herstellbar sind.

150 200 Röhrenspannung [kV] •

Abb. 6. Wellenlängenabhängigkeit der Lumineszenz von Bleiglas (2 cm stark) im Verhältnis zum Strom

einer Ionisationskammer.

Für Lumineszenzmessungen zur Bestimmung der Gesamtintensität erscheint beispielsweise CäW04

in Form größerer einheitlicher Kristalle (Sheillit) — jetzt auch synthetisch herstellbar — geeignet. Derartige Kristalle standen uns nicht zur Ver-fügung. Wir haben deshalb Bleiglas gewählt, das ein sehr hohes Absorptionsvermögen für Röntgen-strahlung besitzt und von dem beliebige Schicht-dicken durchsichtig herstellbar sind. Unsere Mes-sungen ergaben, daß das Lumineszenz vermögen zwar nicht so gut ist wie das der üblichen Leucht-stoffe, doch immer noch ausreichend, um auch schwächere Röntgenstrahlenintensitäten auszumes-sen. Abb. 6 zeigt die mit einer 2 cm starken Blei-glasscheibe ermittelten, der Gesamtintensität pro-portionalen Lumineszenzwerte (wieder im Verhält-nis zum Ionisationsstrom) bei den verschiedenen Strahlenspannungen. Irgendwelche Absorptions-maxima, beispielsweise des Bleies, sind nicht zu er-kennen, weil stets die gesamte Strahlung absorbiert wurde.

Ähnlich wie durch Lumineszenzmessungen könnte die Gesamtintensität auch durch Messung der Widerstandsänderung von Festkörpern durchge-führt werden, sofern photoempfindliche Kristalle in ausreichender Größe herstellbar sind und der

Leitungsmechanismus keine Abweichungen von der Proportionalität zwischen Photostrom und absor-bierter Energie mit sich bringt.

A b s o r p t i o n s m e s s u n g e n

Aus allen Messungen geht immer wieder hervor, daß die Absorptionseigenschaften für den Verlauf der Kurven maßgebend sind, wenn nur Intensitäts-proportionalität bei gleicher Strahlenzusammen-setzung vorhanden ist. Um nochmals genau zu prüfen, daß die an den organischen Substanzen er-mittelte Wellenlängenabhängigkeit wirklich den Ab-sorptionsverlauf darstellt, wurde noch eine direkte Absorptionsmessung durchgeführt. Wir wählten hierzu das schon hinsichtlich der Lumineszenz untersuchte Naphthalin in großer Schichtdicke (Abb. 4) aus.

Mit einem Dosimeter wurde zunächst die durch diesen Stoff hervorgerufene relative Dosisschwä-chung bestimmt. Das Naphthalin, das in einer Schichtdicke von etwa y2 cm vorlag, wurde in den Strahlengang der Röntgenstrahlung dicht über der Fingerhutkammer angebracht und der Dosimeter -strom mit und ohne Substanz ausgemessen. In der Abb. 7 ist die relative Dosisschwächung (r — rx)/r (r ungeschwächt'e, rx geschwächte Dosis) des Naph-thalins in Abhängigkeit von der Röhrenspannung angegeben, wobei die Meßwerte alle auf den gleichen Wert bei hoher kV-Zahl normiert sind. Da das Dosi-meter nur einen von der Wellenlänge abhängigen Bruchteil der Gesamtstrahlung mißt, gestattet der Verlauf der mit dem Dosimeter gemessenen Dosis-

schwächung (r — rx)/r noch keinen Vergleich mit den gemessenen Werten der relativen Lumineszenz L/r. Zur Bestimmung der wahren Absorption A muß man die Intensität I der gesamten Strahlung kennen. Der den Lumineszenzmessungen äquiva-lente Wert ist:

A _ M I = r — r, J_ r r \ I I r r r

( / j = Intensität nach Durchgang der Strahlung durch die Meßsubstanz)

wenn man bedenkt, daß

A = J L 1 r

ist. Hierbei ist (r — r^/r die oben (Abb. 7) ge-messene Dosisschwächung und Ijr das Verhältnis zwischen Gesamtintensität und Dosis bei einem be-stimmten Wellenlängengemisch. Unter der Voraus-setzung, daß die Lumineszenz des Bleiglases stets der absorbierten Energie proportional war, ist I/r gleichzeitig das Verhältnis von Lumineszenz des Bleiglases zu Dosimeterstrom und kann der Abb. 6 entnommen werden.

150 200 Röhrenspannung [kV] ->•

Abb. 7. Wellenlängenabhängigkeit der relativen Dosis-schwächung (r — rx)jr durch Naphthalin.

150 ' 200 Röhrenspannung [kV] —

Abb. 8. Wellenlängenabhängigkeit der Absorption von Naphthalin im Verhältnis zum Ionisationsstrom einer

Luftkammer.

Für Naphthalin haben wir den Absorptionsver-lauf Ajr nach der obigen Gleichung aus den Meß-punkten der Abb. 6 und 7 errechnet und in willkür-lichen Einheiten in Abb. 8 dargestellt. Man erkennt, daß die Wellenlängenabhängigkeit von Ajr inner-halb der Meßgenauigkeit mit dem Verlauf von L/r von Naphthalin übereinstimmt, so daß auch direkt gezeigt ist, daß die Lumineszenz dieses Leucht-stoffes der absorbierten Röntgenintensität propor-tional ist. Diese Proportionalität darf man hier-nach wohl bei allen untersuchten organischen Leuchtstoffen voraussetzen.

D i s k u s s i o n

Auf Grund der vorliegenden Meßergebnisse lassen sich einige Aussagen darüber machen, inwieweit Festkörper für die Dosimetrie von Röntgenstrahlen brauchbar erscheinen. Eine wesentliche Rolle bei der Beurteilung dieser Frage spielt die Wellen-längenabhängigkeit. Wie zu erwarten war, zeigen alle untersuchten Stoffe, die sich in der effektiven Ordnungszahl von Luft unterscheiden, merkliche Abweichungen vom Verhalten einer Ionisations-kammer. Diese Abweichungen sind naturgemäß um so stärker, je größer der Unterschied in der Ord-nungszahl ist. Es bietet sich hier sogar eine Mög-lichkeit, die mittlere Atomnummer aus der Form der Wellenlängenabhängigkeit zu bestimmen. Aller-dings ist dabei zu bedenken, daß der Begriff der effektiven Ordnungszahl nur dann sinnvoll ist, wenn die benutzten Leuchtstoffsubstanzen keine Absorptionskante in dem betreffenden Spektral-gebiet aufweisen. Dies trifft jedoch nur teilweise zu, wie an dem Verhalten der untersuchten anorgani-schen Substanzen zu erkennen ist. Das Auftreten von Maxima in der Wellenlängenabhängigkeit ist zum Teil durch die Wahl zu großer Schichtdicken, zum Teil aber auch durch das Vorhandensein von Absorptionskanten zu erklären. In dem von uns untersuchten Bereich der Röntgenstrahlen sollte der Begriff der effektiven Ordnungszahl also nur für die leichteren Elemente verwendet werden.

Benutzt man als Leuchtstoff eine Substanz mit der gleichen effektiven Ordnungszahl wie Luft, so stellt er in Verbindung mit einem Sekundär-elektronen-Vervielfacher ein sehr geeignetes Mittel zur Dosimetrie von Röntgenstrahlen dar. Neben ihrer um Größenordnungen höheren Empfindlich-keit, der sehr viel geringeren Trägheit und der be-liebig wählbaren Form und Größe besitzt diese An-ordnung auch in bezug auf die Wellenlängen-abhängigkeit wesentliche Vorteile gegenüber einer Luftkammer. Hierbei spielt vor allem die Tatsache eine Rolle, daß bei der Festkörpermethode alle störenden Wände fortfallen. Dadurch fehlen die Abweichungen, die bei weicher Strahlung infolge zu hoher Absorption des Wandmaterials und bei sehr harter Strahlung infolge des gestörten Gleich-gewichts zwischen den erzeugten Sekundärelektro-nen innerhalb und außerhalb des Dosimeters auf-

6 I. B r o s e r , II. K a l l m a n n u. U. M a r t i u s , loc. cit.3 .

treten. Die Kombination eines Leuchtstoffes von der mittleren Ordnungszahl der Luft mit einem Sekundärelektronen-Vervielfacher läßt sich damit — im Gegensatz zu den gebräuchlichen Dosimetern — praktisch im gesamten Gebiet der Röntgen- und y-Strahlen zur Dosimetrie verwenden. Eine Ein-schränkung tritt lediglich bei sehr weichen Strahlen auf, wo bei organischen Leuchtstoffen eine leichte Abnahme der Licht ausbeute mit zunehmender Wel-lenlänge zu erwarten ist. Dies folgt aus der Tat-sache, daß die Lichtausbeute der organischen Sub-stanzen für schnelle Elektronen im allgemeinen sehr viel größer ist als für die stark ionisierenden a-Teil-chen6, und besonders aus Messungen der Abhängig-keit der Lichtausbeute von der Geschwindigkeit der anregenden Elektronen7. Da aber über die Ursachen dieser Inkonstanz der Li cht ausbeute fester organi-scher Substanzen nur wenig bekannt ist und die Abweichungen zudem bei den verschiedenen Stoffen unterschiedlich stark sind, besteht durchaus die Möglichkeit, daß durch geeignete Maßnahmen (sehr große Reinheit, sauberer Kristallaufbau usw.) auch diese kleinen Fehler in der Wellenlängenabhängig-keit des Leuchtstoffdosimeters verhindert werden können.

Von großem Vorteil ist ferner die Möglichkeit, mit Hilfe von Leuchtstoffen jeden beliebigen Stoff mit irgendeiner effektiven Ordnungszahl nachbilden zu können. Für die Medizin erscheint dies bedeutsam, da hier bei der Bestrahlung der verschiedenen Ge-websarten teilweise erhebliche Unterschiede in der Ionisierung auftreten. Auf diese Unterschiede hat vor allem W a c h s m a n n 1 hingewiesen und für einige Gewebearten den Verlauf der Ionisation als Funktion der Strahlenqualität angegeben1. Seine Kurven für Fett ( 0 M % 6) und Hirn ( O e f f ^ l l ) decken sich gut mit unseren Messungen an Naph-thalin ( O e f f « 6) und Sulfosalicylsäure (Ocii 11). Diese Leuchtstoffe stellen also ein gutes Phantom für die entsprechenden Gewebe dar. Auf diese Weise kann die Ionisationswirkung in den verschie-densten Substanzen bei Bestrahlung mit beliebigen Strahlenqualitäten in einfacherWeise ausgemessen und in Vergleich mit den / -Werten des Luftmaterials gesetzt werden.

Neben der Intensitätsabhängigkeit und der Wel-lenlängenabhängigkeit interessiert auch die Frage nach der Empfindlichkeit der Leuchtstoffe. Für die

7 W . K . J e n t s c h k e , P. S. E b v , C. . I . T a y l o r , M. E. R e m l y u. P. G. K r u g e r , Physic. Rev. S3, 170 [1951].

meisten der untersuchten Substanzen sind die physikalischen Lichtausbeuten für weiche Röntgen-bzw. y-Strahlen in einer früheren Arbeit6 ange-geben. Für praktische Zwecke spielt aber außer dieser physikalischen Lichtausbeute noch eine Reihe weiterer Eigenschaften eine Rolle. Besonders empfindlich sind Stoffe, die neben der guten Licht-ausbeute ein großes Absorptionsvermögen für die auffallende Strahlung sowie ein geringes Streu- und Absorptionsvermögen für die ausgesandte Lumines-zenz besitzen, also vorteilhaft in Form größerer durchsichtiger Kristalle vorliegen. Um die Empfind-lichkeit der Leuchtstoffe voll auszunützen, muß ferner die Wellenlänge der Lumineszenzstrahlung möglichst mit dem Maximum der Empfindlichkeit der Photokathode des Sekundärelektronen-Verviel-fachers übereinstimmen. Außerdem muß dafür ge-sorgt sein, daß ein möglichst großer Teil des Lu-mineszenzlichtes auf die Photokathode gelangt.

Wenn alle Bedingungen günstig gewählt werden, so lassen sich mit geeigneten Leuchtstoffen und guten Sekundärelektronen-Vervielfachern Strahlen-intensitäten bis zu etwa 10 -7 r/sec nachweisen, wobei je nach der Härte der Strahlung verschieden-artige Leuchtstoffe zu verwenden sind. Die untere Grenze der Empfindlichkeit ist im wesentlichen nur durch das Eigenrauschen des Vervielfachers bzw. die statistischen Schwankungen der die Lu-mineszenz erregenden Strahlung gegeben. So sind Leuchtstoffe auf jeden Fall dann der Ionisations-kammer überlegen, wenn sehr schwache Strahlungs-intensitäten auszumessen sind, oder wenn kleine Meßvolumina notwendig sind. Ferner ist ein Vor-teil, daß mit dieser Methode auch hohe Röntgen-strahlenintensitäten praktisch unbegrenzt nachweis-bar sind, da bei einem Teil der Leuchtstoffe noch keine Sättigung der Lumineszenz beobachtet wurde und eine zu starke Beleuchtung der Photokathode des Vervielfachers durch Lichtfilter leicht verhin-dert werden kann.

Für die Beurteilung der Brauchbarkeit von Fest-körpern als Dosismesser ist ferner die Frage der Konstanz und Reproduzierbarkeit sehr entschei-dend. Handelt es sich um die Ausnutzung der Lu-mineszenz, so muß man einerseits den Leuchtstoff und andererseits den Sekundärelektronen-Verviel-facher hinsichtlich der Konstanzeigenschaften be-trachten. Bei den besonders interessierenden orga-nischen Leuchtstoffen liegen die Verhältnisse sehr günstig, da es sich hier um ein Reinstoffleuchten handelt und diese Substanzen bei hoher Reinheit

immer die gleiche Lichtausbeute besitzen. Eine Änderung der Leuchtstoffeigenschaften mit der Zeit ist nicht zu erwarten; ein in glasklarer Form her-gestellter reiner organischer Leuchtstoff sollte also, wenn man ihn vor Sublimation und chemischen Einflüssen schützt, bei gleicher Röntgenbestrah-lung stets die gleiche Lumineszenz aufweisen. Bei anorganischen Leuchtstoffen ist gute Reproduzier-barkeit etwas schwieriger zu erreichen, da die Lu-mineszenz auf einer in äußerst geringen Mengen vorhandenen Fremdsubstanz (Aktivatoren) beruht und stark von Zahl und Art dieser Störstellen ab-hängt. Trotzdem ist auch hier eine auf längere Zeit konstante Lichtausbeute möglich.

Die Frage nach der Konstanz und der Reprodu-zierbarkeit des Vervielfachers ist rein technischer Natur und gehört an sich nicht in den von uns zu behandelnden Fragenkomplex. Vermutlich lassen sich Multiplier herstellen, die bezüglich der zeit-lichen Konstanz den Anforderungen genügen. Mit den in Serienproduktion hergestellten Multipliern vom Typ 931 A haben wir bereits gute Erfahrungen gemacht.

Wird nicht die Lumineszenz, sondern die Wider-standsänderung eines Festkörpers zum Nachweis von Röntgenstrahlen ausgenutzt, so treten durch den Leitungsmechanismus zusätzliche Probleme hinsichtlich der Konstanz auf, die aber auch gelöst werden können. Wir haben beispielsweise an CdS-Kristallen über Monate hinaus völlige Konstanz nachgewiesen.

Auf einen Eichstandard wird man vorerst kaum verzichten können. Da man aber bei der Verwen-dung kleiner Ionisationskammern auch stets auf einen solchen angewiesen war, dürfte hierin kein wesentliches Hindernis für die Verwendung von Festkörpern als Dosismesser liegen.

Zusammenfassend läßt sich über die Brauchbar-keit von Festkörpern in der Dosimetrie sagen: Die der Absorption proportionale Wellenlängenabhängig-keit der Festkörpereigenschaften dürfte besonders im Hinblick auf die Medizin von Bedeutung werden. Mit Hilfe von organischen Substanzen können die Ionisierungsvorgänge im Gewebe besser reprodu-ziert werden als mit einer Luftkammer. Es müßte möglich sein, durch entsprechende Zusammen-setzung des Leuchtstoffs jede beliebige Gewebsart als Leuchtstoffphantom nachzubilden. Damit lassen sich viele Schwierigkeiten überwinden, die sich aus der verschiedenartigen Zusammensetzung des Kör-pergewebes ergeben. Beispielsweise dürfte das Pro-

blem der Gewebebelastung durch unerwünschte Streustrahlung oder das der Dosierung bei Bestrah-lung von Knochengeweben lösbar sein. Die Methode der Messung von Gesamtintensitäten, beispiels-weise mit Bleiglas, verspricht für den Physiker manchen Vorteil. Auf einfache Weise könnten da-durch Absorptions- und Streuvorgänge an Röntgen-strahlen ausgemessen werden. Ferner ergeben sich Vorzüge gegenüber den Luft-Ionisationskammern durch eine höhere Empfindlichkeit bei nach oben praktisch unbegrenztem Meßbereich, ein beliebig geformtes Meßvolumen ohne begrenzende Wände

(wodurch beispielsweise die Einführung in Körper-höhlen leichter möglich wird) und bei organischen Substanzen durch eine sehr geringe Trägheit. Be-züglich Konstanz und Reproduzierbarkeit wird da-gegen wohl die Luftkammer — wenigstens zur Zeit noch — überlegen sein. Von den verschiedenen Fest-körpermethoden scheint gegenwärtig die Ausnut-zung der Lumineszenz in der Dosimetrie den meisten Erfolg zu versprechen. Da die Messung von Wider-standsänderungen den geringsten apparativen Auf-wand erfordert, sollte eine Weiterentwicklung in dieser Richtung besonders gefördert werden.

Über die Absorptionsspektren der Chinone V o n HERMANN HARTMANS u n d ERNST LORENZ

Aus dem Institut für physikalische Chemie der Universität Frankfurt a. M. (Z. Naturforschg. 7a, 300-369 [1952]; eingegangen am 9. Oktober 1951)

Die Spektren der Dioxanlösungen von 30 Chinonen und 2 Anthronen werden mit-geteilt. Bei der Diskussion ergibt sich für die Klasse der Acenchinone eine „Te i l -systemregel" . Diese Regel war vorher an Hand molekularphysikalischer Über-legungen erwartet worden.

Nachdem F ö r s t e r 1 zuerst das Problem der Absorptionsspektren aromatischer Kohlen-

wasserstoffe systematisch mit den Methoden der quantenmechanischen Valenztheorie behandelt hatte, sind bei der Deutung der Spektren dieser Verbindungen große Fortschritte erzielt worden. Insbesondere das Spektrum des Grundkörpers Benzol ist heute schon so gut untersucht, wie sonst nur die Spektren wesentlich einfacherer Verbindungen.

Das nächstschwierigere Problem, nämlich das der ungesättigten Systeme mit einer Carbonyl-gruppe hat der eine von uns kürzlich untersucht2

und dabei hat sich gezeigt, daß man das Auftreten, die Lage und die geringe Intensität der diesen Ver-bindungen eigenen langwelligen Carbonylbande verstehen kann, wenn man von folgender Vorstel-lung ausgeht:

1 T h . F ö r s t e r , Z. physik. Chem., A b t . B 41, 287 [1938].

2 H . H a r t m a n n , Z. physik. Chem. 195, 58[1950].

Die tiefliegenden Terme der yr-Elektronen-systeme aromatischer Kohlenwasserstoffe gehören im wesentlichen zu Elektronenkonfigurationen, bei denen je ein Elektron eine pz-Eigenfunktion der Kohlenstoffatome besetzt. Dieser Typ von Elek-tronenkonfigurationen, den wir im folgenden mit dem Symbol I bezeichnen, tritt bei ungesättigten

C = C —C = 0

o o o o 7 0 0 O O ©

1 •

A b b . 1 A b b . 1. Elektronenkonfigurationen von ungesättigter

Carbonylverbindungen. A b b . 2. Termsehema zu Abb . 1.

A n m . b. d. K o r r e k t u r (zu Fußnote 2) : Inzwischen hat auch F. J. T a b o u r y (J. Chiin. physique 47, 740 [1950]) dieselbe Anschauung vertreten und neues ex-perimentelles Material beigebracht.

I

etc.

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n etc

A b b . 2