DE573141C - Insbesondere zur Messung therapeutisch wirksamer Strahlen dienende, nur ultraviolettempfindliche Photozelle - Google Patents

Description

Die Erfindung· beizieht sich auf Photozellen und betrifft insbesondere eine nur ultraviolettempfindliche Zelle, die insbesondere zur Messung therapeutisch wirksamer Strahlen dient. Zweck der Erfindung ist, eine· Photozelle zu schaffen, die nur für ultraviolettes Licht mit Wellenlängen unter etwa 3900· A empfindlich ist, dabei aber kräftige photoelektrische Ströme liefert, und zu diesem Zweck besteht gemäß der Erfindung die Kathode der Photozelle aus photoelektrisch sensibilisiertem Thorium.

Bis jetzt wurden zur Herstellung von Photozellen für die Messung der Strahlung im Ultraviolett im allgemeinen Metalle, wie Zink oder Kadmium, oder Alkalimetalle, wie Kalium oder Lithium, als lichtempfindliche Kathode verwendet, aber der mit diesen Metallen erzielte photoelektrische Strom ist außerordentlich schwach und erfordert zu seiner Detektion ein empfindliches Elektroskop oder Elektrometer oder eine besondere Verstärkervorrichtung mit Vakuumröhren. Außerdem ist eine Kadmiumzelle, wenn sie

z. B. für die Messung einer therapeutisch wirksamen Strahlung, z. B. für eine Strahlung benutzt werden soll, die eine Erythemwirkung hervorruft, nicht über den ganzen Wellenlängenbereich empfindlich, innerhalb dessen eine solche Wirkung hervorgerufen wird. Andererseits hat eine Alkalimetallzelle wieder den Nachteil, daß sie nur für Strahlen empfindlich ist, deren Wellenlängen größer als diejenigen sind, die zum Hervorbringen einer Erythemwirkung erfordert werden.

Die Erfindung beruht darauf, daß das Metall Thorium, wenn es völlig gereinigt und in üblicher Weise behandelt ist, eine normale photoelektrische Wirkung hervorbringt, die ungefähr an der Grenze des sichtbaren und ultravioletten Bereichs des Spektrums beginnt und sich in den ultravioletten Bereich erstreckt, so daß der Stoff im wesentlichen für Licht im sichtbaren Bereich unempfindlich ist. Wenn derart behandeltes Thorium für die Kathode einer Photozelle verwendet wird, wird eine außerordentlich große Empfindlichkeit ausschließlich für Licht in dem Bereich des Spektrums erzielt, der unterhalb etwa 3900 Ängströmeinheiten liegt.

Wenn es sich darum handelt, ein breites Band des ultravioletten Bereichs zu messen, dann kann die Hülle der Zelle wenigstens teilweise z. B. aus Quarz bestehen. In diesem Fall steigt die Empfindlichkeit der Thoriumzelle mit abnehmender Wellenlänge immer an, d. h. die Empfindlichkeitskurve erreicht kein Maximum. Dieser Umstand bildet einen

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großen Vorteil ζ. B. den Alkalimetallzellen gegenüber, deren Empfindlichkeitskurven ein Maximum aufweisen, d. h. wenn die Wellenlänge über dieses Maximum hinaus verkleinert wird, dann nimmt die Empfindlichkeit der Alkalimetallzelle wieder ab.

Wenn der wirksame Strahlenbereich auf ein enges Band beschränkt werden soll, dessen mittlere Wellenlänge z. B. bei etwa 2900 Ä liegt, wie dies für die Erythembehandlung erwünscht ist, dann ist es notwendig, daß die als Dosimeter dienende Photozelle, mittels deren die Behandlungsdauer mit einer gegebenen Ultraviolettquelle bestimmt werden soll, für einen Strahlenbereich empfindlich ist, der etwa zwischen 2700 und 3100 Ä liegt. In diesem Fall kann die Hülle aus einem Stoff bestehen, der für Strahlen unter 2000 Ä im wesentlichen undurchlässig ist und dessen Durchlässigkeit zwischen etwa 2400 und 3700 Ä mit steigender Wellenlänge zunimmt. Die prozentuale Durchlässigkeit der Hülle kann dadurch verändert werden, daß die Dicke des Stoffs der Hülle, z. B. eines Glases von bestimmter Zusammensetzung, wie Corex-D, geändert wird. Auf diese Weise kann der Gipfel der Empfindlichkeitskurve beliebig verschoben werden.

Wird in der Zelle mit einer Glashülle ein sehr dünnes Fenster vorgesehen, dann steigt die Leistung der Zelle wesentlich an, und zwar besonders für Licht kurzer Wellenlängen. Wenn Fenster aus Pyrex-Glas verwendet werden, das im allgemeinen als für ultraviolettes Licht undurchlässig angesehen wird, und wenn die Fenster eine Dicke von ungefähr 0,25 mm und darunter haben, so ist die Ultraviolettdurchlässigkeit des Glases mit der des Quarzes von der gewöhnlich verwendeten Dicke vergleichbar, mit Ausnahme für das kurzwellige Spektrumsende.

Bei der Herstellung einer photoelektrischen Zelle gemäß der Erfindung wird vorzugsweise auch für die Anode Thorium verwendet, obgleich ersichtlich ist, daß die Anode auch aus einem anderen Metall, wie z. B. Nickel, bestehen kann. Die Kathode kann entweder aus einer dünnen Platte Thorium bestehen, oder sie kann die Form eines dünnen Niederschlags auf der Hüllenwand annehmen! der in Verbindung mit der Einführungsleitung ist. Wenn für die Kathode eine Schicht auf der . Glashülle verwendet wird, wird das Glas vorzugsweise zuerst auf dem für die Kathode bestimmten Teil mit einem Edelmetall, wie z. B. Gold, überzogen, um eine gute Verbindung mit dem Kathodenzuführungs draht zu ; erzielen,

Um die Thoriumkathode wirksam zu machen, ist es wichtig, die Oberfläche von allen Verunreinigungen und Oxyden zu säubern. Dies kann, wenn eine körperliche ■Kathode verwendet wird, in geeigneter Weise dadurch vorgenommen werden, daß in einem inerten Gas zwischen -Anode und Kathode eine Glimmentladung hervorgerufen wird, um die Verunreinigung zu zerstäuben, während die Hülle gegen einen schwärzenden Niederschlag des verdampften oder zerstäubten Stoffs abgeschirmt wird.

Ein weiterer Vorteil, der durch die Verwendung von Thorium für die Kathode erzielt wird, besteht gegenüber den Alkalimetallzellen darin, daß die Alkalimetalle bei den Arbeitstemperaturen einen niedrigen Verflüchtigungsdruck besitzen, so daß infolge der Verdampfung des Alkalimetalls die Kathode auf ihrer aktiven Oberfläche wirksam verändert werden kann. Dagegen liegt der Verflüchtigungspunkt des gemäß der Erfindung verwendeten Thoriums genügend hoch, so daß die Zerstäubungswirkung unberücksichtigt bleiben kann.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand einiger Ausführungsformen beispielsweise erläutert.

Fig. ι ist eine schaubildliche Ansicht einer photoelektrischen Zelle nach der Erfindung, , bei der die Hülle teilweise weggebrochen ist.

Fig. 2 ist ein teilweiser Schnitt einer abgeänderten Zellenausführung, bei der zwei Anoden verwendet werden.

Fig. 3 ist ein Aufriß (teilweise im Schnitt) einer Zelle, bei der ein dünnes Glasfenster in der Hülle verwendet wird.

Fig. 4 ist eine Kurve, welche die Stromleistung einer Zelle in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden ultravioletten Lichts zeigt.

In Fig. I enthält die photoelektrische Zelle eine Hülle 10 aus einem für ultraviolettes Licht durchlässigen Stoff, wie z. B. Quarz oder einem der bekannten Gläser, die besonders für Ultraviolett durchlässig sind. Innerhalb der Hülle 10 ist eine stabförmige Anode 11 und eine plattenförmige Kathode 12 angeordnet, die vorzugsweise beide aus Thorium bestehen. Die Anode 11 wird von einem Einführungsleiter 13 und die Kathode 12 von zwei getrennten starren Drähten 14 und 15 getragen. Der Draht 15 ist zusammen mit dem Zufuhrungsdraht 13 in der Quetschstelle 16 der Röhre eingeschmolzen. Ein Isolationsrohr 17 aus Quarz, Glas, Porzellan oder ähnlichem Stoff umgibt den Zuführungsdraht 13 und beschränkt die wirksame Fläche des Drahts auf den Endteil 11. Die Halter 14 und 15 können gegebenenfalls auf ähnliche Weise geschützt sein.

Ein Rahmengestell, das aus zwei parallelen, sich in der Längsrichtung erstreckenden Drähten 18 und 19 und aus einem ver-

steifenden Ouerdraht 20 besteht, ist über der Ouetschstelle 16 angebracht. Von dem Rahmengestell wird ein -zylindrischer Schirm 21 getragen, der an seiner Innenoberfläche Spangen oder Halter 22 besitzt, in welche die senkrechten Träger 18 und 19 gleitend' eingreifen. Beim Umstülpen der Röhre kann sich der Schirm 21 von dem einen Ende des Rahmens nach dem anderen Ende bewegen.

Der Zweck des Schirms 21 ist, die Wände der Hülle während der Elektrodenbehandlung vor verdampftem oder zerstäubtem Elektrodenstoff zu schützen.

Bei der Herstellung der Zelle wird die Hülle, nachdem die Elektrodenvereinigung in der Hülle eingeschlossen worden ist, ausgetrocknet und in der gewöhnlichen Weise ausgepumpt und der Schirm 21 durch hochfrequente Induktionserhitzung entgast. Darauf wird eine Füllung aus einem gasförmigen Stoff, wie z. B. Argon, Neon oder Helium, in die Hülle durch das Auspumprohr 23 eingeführt. Befriedigende Ergebnisse werden mit Argongas bei einem Druck von etwa 1 bis 6 mm erzielt. Die Röhre wird dann umgestülpt, um den Schirm 21 über die Elektroden 11 und 12 zu verlegen, und eine Glimmentladung zwischen den Elektroden mit genügender Stromdichte erzeugt, um eine beträchtliche Zerstäubung des Elektrodenstoffs zu bewirken.

Wenn eine Gleichstromentladung angewendet wird, sollte die Kathode 12 der photoelektrischen Zelle als Anode für die Glimmentladung dienen. Die Entladung ist so lange fortzusetzen, bis die Elektroden völlig gesäubert sind, gewöhnlich über etwa 2 Stunden. Der zerstäubte Stoff sammelt sich im Innern des Schirms 21, so- daß die Hülle klar und frei von lichtverschluckenden Niederschlägen gehalten wird. Nachdem die Kathode vollständig gereinigt ist, wird der Schirm 21 in die in Fig. 1 dargestellte Lage gebracht.
Wenn in der Zelle eine Gasfüllung gewünscht wird, kann die Zelle unmittelbar nach der Glimmentladung benutzt werden; andernfalls muß das Gas vollständig ausgepumpt werden.

In Fig. 2 ist zwischen zwei stabförmigen Anoden 26 und 27 eine plattenförmige Thoriumkathode 25 angebracht. Gegenüber der einen Seite der Kathode 25 ist ein Fenster 28 dadurch gebildet, daß die Glaswand der Hülle erwärmt und in einen blasenartigen Teil ausgezogen wird, der eine dünne Wölbung 29 und allmählich schwächer werdende Wände besitzt. Die Dicke des Fensters kann ungefähr 0,25 mm betragen, obgleich Fenster mit einem Durchmesser von etwa 25 mm und einer Dicke von nur 0,0025 mm dem vollen Atmosphärendruck standhalten. Das dünne Fenster ist für ultraviolettes Licht sehr viel durchlässiger als der übrige.Teil der Hülle. So war z. B. bei einer solchen in Fig. 2 dargestellten Zelle, deren Hülle aus einem für Ultraviolett durchlässigen Glas, wie z. B. Corex, bestand und die eine Wanddicke von ungefähr 0,8 mm und ein Fenster mit einer Dicke von etwa 0,25 mm besaß, die Stromleistung der dem Licht eines Quecksilberlichtbogens ausgesetzten Zelle mehrmals größer, wenn die Fensterseite der Zelle gegen die Lichtquelle gerichtet war, als wenn die gegenüberliegende Seite darauf gerichtet war. Dieser Stromanstieg wurde veranlaßt durch die geringe Absorption des ultravioletten Lichts von kurzen Wellenlängen in dem dünnen Fenster im Gegensatz zu dem Glas mit der vollen Wanddicke.

In Fig. 3 ist eine Zelle gezeigt, die eine einzige Anode 30 und eine plattenförmige Thoriumkathode 31 besitzt; hierbei ist außerdem eine abweichende Fensterausführung angewendet. In dieser Ausführungsform wird das Fenster 32 dadurch gebildet, daß zunächst eine blasenförmige Erweiterung 33 an der Seite der Hülle ausgeblasen wird und dann der dicke Teil von ihr erhitzt und nach innen ausgezogen wird, um das nach innen einspringende blasenförmige Fenster 34 zu bilden, das eine sehr dünne Wölbung 32 aufweist. Dieses Fenster hat den Vorteil, daß der gewölbte Teil eine gleichförmigere Dicke über eine größere Fläche aufweist, und zwar dadurch, daß das Dünnerwerden der Wandstärke noch allmählicher vor sich geht. Diese Ausführungsform erleichtert also die Bildung sehr dünner Fenster.

Wenn in Hüllen aus Glas, das im allgemeinen als für ultraviolettes Licht undurchlässig angesehen wird, wie z. B. gewöhnliches Kalkglas oder Pyrex, ein dünnes Fenster von der in Fig. 2 oder 3 gezeigten Form gebildet wird, dann läßt dieses leicht ultraviolettes Licht durch, so daß es unnötig ist, kostspielige ultraviolettdurchlässige Sondergläser oder Quarzhüllen zu \^rerwenden, sofern sich die Messung nicht auf Strahlen sehr kurzer Wellenlängen bezieht.

Bei den Zellen nach Fig. 2 und 3 wird die Thoriumkathode zur Reinigung ebenso behandelt, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde; dabei wird wieder die Wand der Hülle z. B. durch den Schirm 21 geschützt. Der Einfachheit halber ist der Schirm 21 in den Fig. 2 und 3 nicht mit dargestellt worden.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Stromleistung einer Zelle, für die eine Hülle verwendet wird, die das ultraviolette Licht von Wellenlängen unter etwa 2000 Ä derart

absorbiert, daß die Zelle nur für einen beschränkten Frequenzbereich empfindlich ist, und zwar für einen Bereich, der für Erythembehandlung am meisten gewünscht wird. Die Kurve 35 stellt angenähert die Beziehung zwischen der prozentualen Durchlässigkeit der ultravioletten Strahlung durch die Hüllenwand und die Kurve 36 den Gesamtstrom oder die photoelektrische Empfindlichkeit der Thoriumkathode allein dar, wenn angenommen wird, daß durch die Hülle keine Absorption der Strahlung stattfindet. Die Kurve 37 ist eine resultierende Kurve, welche die Wirkung der Absorption des Glases (Kurve 35) auf den photoelektrischen Strom (Kurve 36) der Zelle wiedergibt. ·

Die Form der Kurve 35 wird sich mit verschiedenen Glaszusammensetzungen etwas ändern. Sie kann durch Verwendung von Glas verschiedener Dicken beeinflußt werden, so daß die Absorptionswirkung des Glases für die ultraviolette Strahlung zur Änderung der Leistung der Zelle herangezogen werden kann. Bei der dargestellten Form der Kurven wird die größte Empfindlichkeit der Zelle bei etwa 2000 Angströmeinheiten erreicht; sie liegt somit in dem engen Spektrumbereich, der am meisten für Erythembehandlung geeignet ist. Der höchste Punkt der Kurve 37 kann durch Verwendung einer dünneren Hülle nach links verlegt werden und so die Absorption von Strahlen mit kleineren Wellenlängen herabsetzen, oder die Spitze kann nach rechts verlegt werden, um das Band, für welches "die Zelle empfindlich ist, dadurch zu verengern, daß die Dicke der Hülle vergrößert wird.

Falls die Kathode nicht aus einem massiven Metallteil, sondern aus einem Thoriumniederschlag auf der Hüllenwand bestehen soll, wird, wie erwähnt, die Hülle vorzugsweise vor der Bildung des Niederschlags in der Umgebung des Stromzuführungsdrahtes mit einer Unterlage aus einem Edelmetall, wie z. B. Gold, überzogen, um eine gute elektrische Verbindung zwischen der Kathode und ihrem Zuführungsdraht zu erzielen.

Dieser 'Goldüberzug kann dadurch hergestellt werden, daß die Hülle mit einer flüssigen Goldlösung angestrichen, der Überzug für einige Minuten bei etwa 150⁰C getrocknet und dann für 10 bis 15 Minuten bei einer Temperatur von etwa 500° C erhitzt wird. Während der Erhitzung wird zweckmäßig ein Luftstrom durch die Hülle aufrechterhalten, um die von dem Überzug abgegebenen verdampften Stoffe abzuführen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Insbesondere zur Messung therapeutisch wirksamer Strahlen dienende, nur ultraviolettempfindliche Photozelle, dadurch gekennzeichnet, daß die" Kathode aus photoelektrisch sensibilisiertem Thorium besteht.

2. Photozelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hülle, die wenigstens teilweise einen Durchlässigkeitsgrad besitzt, der zwischen etwa 2400 und 3700 A mit wachsender Wellenlänge zunimmt, und die für Strahlen unter etwa 2000 A im .wesentlichen undurchlässig ist.

3. Photozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thoriumkathode auf eine vorher an der Hüllenwand angebrachte Unterlage aus einem Edelmetall, wie z.B. Gold, aufgebracht ist,

4. Photozelle nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thoriumkathode von Oxyden und anderen Oberflächenverunreinigungen befreit ist.

5. Photozelle nach einem der Ansprüche ι bis, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle mit einem vorzugsweise blasenförmigen, verhältnismäßig dünnen Fenster versehen ist, um die durch die Hülle hindurchgehende Strahlenmenge zu vergrößern.

6. Photozelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das blasenförmige Fenster eine Dicke von etwa 0,0025 mm bis etwa 0,25 mm hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen