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Aluminiumoxyd- oder Berylliumoxydfolie als Fenster für den Durchtritt
von Strahlung und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf
eine Aluminiumoxyd- oder Berylliumoxydfolie für den Durchtritt von Strahlung, insbesondere
von Quanten- oder Partikelstrahlung und ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
dieser Folien.
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Es ist bekannt, daß Alun-üniumoxydfolien für
Partikel- oder
Quantenstrahlung geringer Energie auf Grund ihrer geringen Massenbelegung und niedrigen
mittleren Ordnungszahl gut durchlässig sind, daß sie chemisch und thermisch beständig
sowie röntgenstrukturlos sind. Es ist ferner bekannt, Aluminiumoxydfolien durch
anodische Oxydation von Aluminiumfolien herzustellen. Alunliniumoxydfolien fanden
bisher keine Anwendung in der Technik, weil es äußerst schwierig ist, Aluininiumoxydfolien
von z. B. 21000 A Dicke unzerstört, glatt und unverspannt auf einen festen
Rahmen zu bringen. Ferner war es im allgemeinen nicht möglich, Fenster porenfrei,
gasdicht sowie widerstandsfähig gegenüber einem gewissen überdruck herzustellen.
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Zur Vermeidung der genannten Nachteile wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
eine Aluminium oxyd- oder BeryUiumoxydfohe für den Durchtritt von Strahlung, insbesondere
von Quanten- oder Partikelstrahlung zu verwenden, welche einen innerhalb der Folie
anodisch oxydierten, örtlich begrenzten Teil besitzt, der als Fenster für die Strahlung
dient. Der als Rahmen für das Fenster dienende Teil ist für den Einbau entsprechend
vorbereitet.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxyd- oder Berylliumoxydfolie
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der dem Fenster entsprechende,
örtlich begrenzte Teil eines Aluminium-oder Berylliumbleches durch mechanische Bearbeitung
bis auf eine dünne Schichtstärke abgetragen, das Blech ein- oder beidseitig anodisch
oxydiert und die verbleibende Aluminium- oder Berylliumschicht und bei beidseitiger
Oxydation auch die auf der Seite der mechanischen Bearbeitung liegende Oxydschicht
durch chemische Mittel entfernt wird.
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Als Elektrolyt für die anodische Oxydation wird eine Lösung von Ammoniumzitrat
und Zitronensäure im Verhälnis 1: 1 in bidestilliertem Wasser verwendet.
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Die Konzentration des Elektrolyten wird für die anodische Oxydation
so gewählt, daß entsprechend der benötigten Oxydationsspannung einerseits keine
elektrischen Durchschläge auftreten und andererseits der Badwiderstand nicht zu
groß ist. Die Oxydationsspannung wird in an sich bekannter Weise entsprechend der
gewünschten Schichtdicke der Oxydfolie gewählt. Die Folie nach der Erfindung läßt
sich als Fenster für Quanten- oder Partikelstrahlung, insbesondere für Strahlung
geringer Energie, verwenden.
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Eine oder mehrere Folien lassen sich auch als Fenster für den Durchtritt
von Quanten- oder Partikelstrahlung bei Zählrohren, lonisationskammern oder Szintillationszählem
verwenden. Sie lassen sich ferner als Trägerfolie und auch als Unterlage für aufgedampfte
Materialschichten verwenden.
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Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung erhält man Oxydfolien von wenigen
Angström Dicke, die spannungsfrei mit dem Herstellungsrahmen verwachsen sind.
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Das Verfahren wird im folgenden für die Herstellung von Aluminiumoxydfolien
beschrieben. Für Berylliumoxydfolien ist der mechanische Teil des Verfahrens der
gleiche, während bei der chemischen Weiterbehandlung die dem Beryllium entsprechenden
bekannten Oxydations- und Lösungsmittel zu verwenden sind.
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An Hand der Fig. 1 soll das erfindungsgemäße Verfahren näher
erläutert werden. Fig. 1 zeigt Aluminiumbleche 1, 2, 3, die
etwa eine Dicke von einigen Millimetern besitzen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen,
Aluminium von 990/9 Reinheit in weicher, halbharter oder harter Ausführung
oder Aluminium von 97% Reinheit, das überwiegend mit Magriesium legiert ist, zu
verwenden.
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Alununiumblech wird zweckmäßig gleich für die betreffende Apparatur
passend geformt und mit eventuell zur Befestigung notwendigen Bohrungen versehen.
Die für die Folie vorgesehene Fläche soll möglichst unverkratzt und unverbogen sein.
Man erhält
besonders saubere Folien mit hochglanzgewalztem Blech,
weil die Oberfläche der Oxydschicht der des ursprünglichen Aluminiums entspricht.
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4, 5, 6 stellen Schnitte entlang der Linie A-A durch
die Aluminiumbleche 1, 2, 3 dar, aus denen das Aussehen der Folienträger
nach der mechanischen Bearbeitung durch einen Spiralbohrcr, durch Drehen oder Fräsen
ersichtlich ist.
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7, 8, 9 sind fertige Folienträger mit Folien, nach der anodischen
Oxydation und der chemischen Behandlung.
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Damit sich die Aluminiumstücke einwandfrei oxydieren lassen, werden
sie vorteilhaft vorher in bekannter Weise in siedende, konzentrierte Salpetersäure
(reinst) getaucht. Dazu werden sie zweckmäßigerweise an einem Aluminiumdraht befestigt.
Sobald nach einigen Sekunden die Alunüniumoberfläche gleichmäßig aufschäumt, werden
die Alunüniumstücke, aus dem Säurebad entfernt und gründlich mit destilliertem Wasser
gespült. Beim nachfolgenden Abspritzen mit destilliertem Wasser muß sich die ganze
Oberfläche benetzen lassen, sonst war die Einwirkung der Salpetersäure zu kurz.
Bei zu langer Behandlung mit Salpetersäure wird die Oberfläche des Aluminiums rauh.
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Bei der anodischen Oxydation ist an den Elektrolyten die Anforderung
zu stellen, daß dieser Aluminium möglichst wenig löst, damit für Folien brauchbare
Oxydfilme entstehen. Es hat sich gezeigt, daß sich mit Ammoniumzitrat und Zitronensäure,
im Verhältnis 1: 1 in bidestilliertem Wasser gelöst, besonders saubere Oxydschichten
bilden. Legt man an das elektrolytische Bad, in welchem das zu oxydierende Alunüniumstück
Anode ist, eine bestimmte Spannung, so nimmt die Stromstärke rasch ab, und nach
kurzer Zeit ist keine wesentliche weitere Dickenzunahme der Oxydschicht feststellbar.
Die so erreichte Dicke ist bekanntlich der angelegten Spannung proportional. Es
war aber bisher im allgemeinen nicht möglich, vakuumdichte und druckfeste Folien
zu erhalten. Die anodische Oxydation des Aluminiums erfolgt bis zu einer bestimmbaren
Oxydschichtdicke, es erfolgt jedoch keine Durchoxydation.
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Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Bereich, innerhalb dessen man bei
der Verwendung von Ammoniumzitrat und Zitronensäure arbeiten muß, um vakuumdichte
und druckfeste Folien zu erhalten. Auf der Ordinate ist die Oxydationsspannung (in
Volt) und auf der Abszisse die Konzentration des Elektrolyten (in Gramm Substanz
pro Gramm Wasser) aufgetragen. Unter der Kurve 1 ist der Elektrolytwiderstand,
der von der Badgeometrie. abhängig ist, zu hoch. Oberhalb der Kurve 2 erfolgen elektrische
Durchschläge durch das Aluminiumoxyd. Die Kurve 3
stellt eine zweckmäßige
obere Begrenzung für einwandfreies Arbeiten dar, so daß das erfindungsgemäße Arbeitsgebiet
4 zwischen den Kurven 1 und 2 liegt. Für andere, Elektrolyten kann das Arbeitsgebiet
durch experimentelle Bestimmung der von der Art des Elektrolyten abhängigen Konstanten
A, B in der Beziehung
erfolgen, wobei U.", den Maximalwert der Oxydationsspannung bedeutet, bei dem bei
konstanter Stromdichte gerade noch keine Durchschläge auftreten, und c die Konzentration
des Elektrolyten. Wird also innerhalb des oben definierten Arbeitsgebiets gearbeitet,
so kann die Dicke, der herzustellenden Alunüniumoxydfolie innerhalb eines verhältnismäßig
großen Intervalls gewählt werden, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß die Folien
durch elektrische Durchschläge für die meisten Zwecke unbrauchbar werden.
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Störungen trotz richtiger Konzentration des Elektrolyten können sich
dann ergeben, wenn nicht auf größte Reinheit des Elektrolyten geachtet wird.
Es sollen deshalb nur Reinsubstanzen und bidestilliertes Wasser verwendet werden.
Alle, Teile sind vor dem Eintauchen gründlich zu reinigen. Die Säurebehandlung darf
nicht im selben Raum durchgeführt werden. Auf Chlorfreiheit ist besonders zu achten.
Bei Spannungen oberhalb 350 Volt kommt die Elektrolytkonzentration in die
Größenordnung der unvermeidlichen. kleinen Verunreinigungen. Dort muß die Konzentration
durch Beobachtung der Grenze des Durchschlagsgebietes bei jedem Bad überprLift und
gegebenenfalls korrigiert werden. Da bei der Oxydation gleichzeitig ein kaltes Leuchten
erscheint, muß sehr genau (im verdunkelten Zimmer) beobachtet werden. Funken an
den Kanten des Aluminiumstücks und im durch Benetzung hochgezogenen Flüssigkeitsrand
können schon unter der eigentlichen Durchschlagsspannung vorkommen. Wird die gesuchte
Grenze überschritten, so bedeckt sich die Aluminiumoberfläche mit wachsender Spannung
mehr und mehr mit kleinen Funken. Beim Arbeiten in stark verdünnter Lösung ist das
Bad häufig zu erneuern. 500 Volt lassen sich auf diese Weise noch ohne großen
Aufwand erreichen.
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Als Kathode dient zweckmäßig Graphit, Kathoden-fläche und Badvolumen
sind so zu wählen, daß die Wärmeentwicklung nicht stört. Das Aluminiumstück wird
so ins Bad getaucht, daß die für die Folie vorgesehene, Fläche vertikal steht, damit
die Oxydbildung durch anhaftende Gasblasen und sich absetzende Verunreinigungen
nicht gehemmt wird.
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Kleine Anfangsströme und lange Oxydationszeiten verursachen schlechte
Folien. Brauchbar sind Anfangsströme von 10 bis 100 mA/cm2. Die erforder-Echen
Zeiten richten sich nach Oxydationsspannung und Anfangsstrorn.
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Um eine gleichmäßige, Ablösung des Aluminiums zu ermöglichen, kann
beispielsweise ein Glasgefäß, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einem Kollophonium-Bienenwachs-Gemisch
mittels eines Lötkolbens aufgekittet werden. Die abzulösende Schicht muß waagerecht
liegen, damit der Wasserstoff leicht nach oben abziehen kann. Sehr kleine Bohrungen
sind nach oben zu erweitern, damit Gasblasen nicht haften. Wegen der allseitig aufgebrachten
Oxydschicht wird zunächst konzentrierte Natronlauge in das Glasgefäß gebracht, bis
die Oxydschicht an der betreffenden Stelle einwandfrei entfernt ist. Dann füllt
man konzentrierte Salzsäure (320h) ein, deretwa 0,051% Cuc.]., beigegeben sind,
weil mit CuCI., die an-geätzte Fläche feinkörnig bleibt. Durch das ÜUC'2 kann sich
eine sehr dünne Cu-Schicht auf der Folie bilden. Falls die Cu-Schicht bei gewissen
Anwendungszwecken stört, kann diese quantitativ durch eine kurze Behandlung mit
konzentrierter Salpetersäure entfernt werden.
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Besonders vorteilhafte Anwendungen der erfindungsgemäßen Aluminiumoxydfolie
ergeben sich überall dort ' wo es darauf ankommt, für Quanten-oder Partikelstrahlung
geringer Energie durchlässige
Fenster zu haben. Als Beispiele seien
Fenster für Zählrohre, lonisationskammern oder Szintillationszähler genannt, für
die bisher stärker absorbierende oder weniger druckfeste Fenster verwendet worden
mußten. In gewissen Fällen wird es zweckmäßig sein, die Wand eines Zählrohrs aus
-einer größeren Anzahl von Fenstern mit Aluminiumoxydfolien zusammenzusetzen. Als
weitere vorteilhafte Anwendungsgebiete seien Fenster für Röntgenröhren, insbesondere
für sehr weiche Röntgenstrahlung, genannt sowie für Röntgenspektographen usw. Die
Verwendung als Trägerfohe für radioaktive Präparate ergibt den besonderen Vorteil,
daß praktisch weder Rückstreuung noch Absorption erfolgt. Dies ist insbesondere
wichtig, wenn eine 4.,c-Geometrie wünschenswert ist. Weitere Vorteile bietet die
Verwendung als Aufdampfschicht für Materialuntersuchungen mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen.
In gewissen Fällen ist -auch die gute chemische und therrnische Beständigkeit des
Aluminiumoxyds von Bedeutung, z.B. bei der Verwendung in einer chemisch aggressiven
Atmosphäre oder beim Durchgang sehr hoher Strahlungsintensitäten. Ohne die Erfindung
auf die bisherigen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele beschränken zu wollen, sei
schließlich noch die Möglichkeit genannt, Aluminiumoxydfolien, die aus irgendeinem
Grund ohne Rahmen Verwendung finden sollen, an den Ort ihrer Verwendung mit einem
Rahmen zu transportieren und erst dort die Folie von dem Rahmen abzutrennen. So
ergibt sich eine sehr bequeme Möglichkeit, Aluminiumoxydfolien zu transportieren,
was bisher wegen der außerordentlichen Empfindlichkeit solcher Folien gegen irgendwelche
mechanischen Einflüsse äußerst schwieri- und zeitraubend war.