Röntgenstrahlung mit Klebeband

Durch einen Beitrag in unserem Forum bin ich auf diesen etwas skurrilen Versuch gestoßen. Forscher der Abteilung für Nanosysteme an der University of California, Los Angeles haben im Oktober 2008 nachgewiesen, dass beim Abrollen von Klebeband im Vakuum Röntgenstrahlen erzeugt werden. Da ich mich bereits intensiv mit Vakuum und Elektrostatik beschäftigt habe, war dieser Versuch für mich sehr interessant, sodass ich mich zu einem Nachbau entschlossen habe.

Aufbau Der eigentliche mechanische Aufbau ist relativ einfach. Er besteht aus einem kleinen 12V Gleichstrommotor mit ca. 5W Leistung und mit einer Leerlaufdrehzahl von 4000 U/min. Da ein so kleiner Motor niemals das Klebeband von der Rolle abziehen könnte, ist ein Untersetzungsgetriebe mit dem Verhältnis 10 : 1 nachgeschaltet, über das eine Rolle Klebeband von einer Spule auf eine andere umgewickelt werden kann.

Vakuumsystem Der weitaus aufwendigere Teil des Versuchs ist das Vakuumsystem. Ich habe dazu wieder die bewährte Kombination aus einer zweistufigen Drehschieberpumpe und einer Turbomolekularpumpe gewählt. Dieses Bild zeigt nur die Turbopumpe, auf der über eine Kunststoffplatte die Vakuumglocke aufgesetzt wird. Zum Nachweis der Strahlung dient der Geigerzähler unten rechts, dessen Sonde außerhalb des Vakuums in der Nähe der abspulenden Rolle angebracht ist.

Aufbau Im Dunkeln sieht man an der Stelle, wo das Klebeband von der Rolle abgezogen wird, ein bläuliches Leuchten. Das Leuchten tritt bei Normaldruck nur sehr schwach, fast unmerklich auf und verstärkt sich mit abnehmendem Druck immer mehr, ohne bei sehr hohem Vakuum wieder schwächer zu werden. Das ist untypisch für Leuchterscheinungen in verdünnten Gasen, wie sie etwa in einer Geißlerröhre auftreten. Daraus lässt sich schließen, dass nicht die Luft selbst zum Leuchten gebracht wird, sondern andere Stoffe, die vermutlich aus dem Kleber austreten.
Unterhalb eines Drucks von etwa 10^-2 mbar tritt dann die Röntgenstrahlung auf. Das ist ein relativ hoher Druck, bei dem der Betrieb einer Röntgenröhre normalerweise noch nicht möglich ist. Das deutet darauf hin, dass die Strahlung innerhalb eines sehr kleinen Bereichs erzeugt werden muss. Die mittlere freie Weglänge für ein Luftmolekül beträgt bei 10^-2 mbar etwa 10 mm. Eine Ortung der Strahlenquelle mit dem Geigerzähler außerhalb des Vakuums zeigt, dass die Strahlung genau aus der Stelle kommen muss, wo auch das Leuchten auftritt.

Je nach Typ des verwendeten Klebebandes ergeben sich verschiedene Effekte und unterschiedliche Intensitäten der erzeugten Strahlung. Ich habe 3 verschiedene Typen von Klebebändern getestet. Es wurde immer mit einer Drehzahl von ca. 250 U/min abgerollt, wobei aber die effektive Abrollgeschwindigkeit natürlich vom Füllgrad der Rolle beeinflusst wird und so zum Ende eines Laufs hin immer leicht ansteigt.


Markenname
Breite
Strahlungsintensität
bei ca. 250 U/min Abrollgeschwindigkeit
Typ 1:
Scotch Magic Tape
19 mm
ca. 2 bis 3 mrad/h
Typ 2:
Tesa Film Transparent 15 mm
ca. 4 bis 5 mrad/h
Typ 3:
Scotch Crystal 19 mm
ca. 35 mrad/h

Unterschiedliches Verhalten der Klebebänder

Mit dem Klebeband Typ1 habe ich den ersten Versuch gestartet und es hat auch sofort Strahlung geliefert. Leider erzeugt es bei einer 2. Verwendung nach dem ersten Umspulen eine kaum noch nachweisbare Strahlenmenge, sodass ich schon befürchtete, eine Unmenge an Klebeband für die weiteren Versuche kaufen zu müssen. Ich vermute, dieses Verhalten hängt damit zusammen, dass es sich nach dem 1. Umwickeln viel leichter von der Rolle abziehen lässt, als im Originalzustand.

Das Klebeband Typ 2 klebt wesentlich stärker und der kleine Motor tut sich schon relativ schwer, es von der Rolle abzuziehen. Obwohl man vermuten würde, dass hierbei wesentlich mehr Strahlung entstehen wird, liefert es nur unwesentlich mehr Strahlung. Aber es bietet immerhin den Vorteil, dass es auch mehrmals verwendet werden kann.

Das Klebeband vom Typ 3 bringt die besten Ergebnisse. Es lässt sich leichter von der Rolle abziehen als Typ 2 und liefert dabei eine weitaus größere Strahlenmenge. Es kann auch viele Male wieder verwendet werden, ohne dass eine nennenswerte Schwächung der erzeugten Strahlung festzustellen wäre.

MPEG-Video 1,09MB Das Video zeigt das Abrollen vom Typ 3 Klebeband. Die Anzeige des Geigerzählers ist etwas träge, und so steigt und fällt sie nur langsam. Sie erreicht den Maximalwert bei etwa 30 mrad/h. Die Strahlung setzt in Wirklichkeit aber schlagartig ein, sobald das Band abgerollt wird. Die Impulse des Geigerzählers sind wegen des Lärms der Vakuumpumpen leider nur schlecht zu hören und von dem Laufgeräusch der Abrollvorrichtung nur schlecht zu unterscheiden.

Weitere Beobachtungen

Ein interessantes Verhalten, dass eine mögliche Erklärung für den Effekt liefern könnte, ist das Ansteigen des Drucks, sobald das Klebeband abgerollt wird. Dabei ändert sich der Druck von ca. 10^-4 mbar im Stillstand auf etwa 10^-3mbar während des Abrollens. Das deutet darauf hin, dass irgendwelche Stoffe aus dem Kleber in das Vakuum übertreten und erklärt auch das oben beschriebene Verhalten der Leuchterscheinung. Dieses Ausgasen aus dem Kleber könnte Elektronen in das Vakuum mitreißen und so ganz ähnlich wirken, wie die Glühkathode bei der normalen Röntgenröhre.

Dieser skurrile und zugleich beeindruckende Versuch zeigt wieder einmal, dass die Naturgesetzte auch in so einfachen Dingen wie Klebebänder ihre Anwendung finden. Für den interessierten Bastler ist es zugleich eine einfache Methode, um ohne Hochspannung und wahrscheinlich auch nur mit einer guten Drehschieberpumpe an Röntgenstrahlung zu kommen. Für die Belichtung eines normalen Schwarz/Weiß Fotopapiers wie ich es bei meinen Röntgenaufnahmen verwendet habe, reicht die erzeugte Strahlenmenge zwar noch nicht aus, aber mit speziellen Röntgenfilmen ist wahrscheinlich auch so eine Röntgenaufnahme möglich.

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