DE2105807A1 - Verfahren zur Herstellung von Bestrah lungsspuren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Bestrah lungsspuren

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DE2105807A1 DE19712105807 DE2105807A DE2105807A1 DE 2105807 A1 DE2105807 A1 DE 2105807A1 DE 19712105807 DE19712105807 DE 19712105807 DE 2105807 A DE2105807 A DE 2105807A DE 2105807 A1 DE2105807 A1 DE 2105807A1
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Description

Verfahren zur Herstellung von Bestrahlungsspuren
Ein bekanntes Verfahren zur Sichtbarmachung der durch energiereiche Teilchen in einem Körper erzeugten Spuren wird im US-Patent 3 303 O85 und in einer Arbeit von R.L. Fleischer et al mit dem Titel "Spuren geladener Teilchen in Pestkörpern" ("Track3 of Charged Particles in Solids"), Science, 23. Juli 1965. Vol. 149, Nr. 3682 beschrieben. Bei diesem Verfahren zur Registrierung von Teilchenspuren wird ein Körper, beispielsweise ein kristalliner Pestkörper, wie Glimmer, oder ein nicht-kristallines Material, wie ein Inorganisches Glas oder ein organischer Polyrterkunststoff verwendet. Wenn dieser Körper mit ener-
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giereiehen Teilchen bestrahlt wird, beispielsweise mit alpha-Teilchen oder Kernspaltungsteilchen, werden in dem Material Beschädigungsspuren durch örtliche Änderung der Struktur des Materials längs des Weges der Teilchen durch das Material gebildet. Diese Bestrahlungsspuren werden dadurch sichtbar gemacht, daß der Körper einem Lösungsmittel ausgesetzt wird, welches vorzugsweise das geänderte Material längs dieser Spuren angreift. Nach dieser "Ätz"-Behandlung sind einzelne Spuren unter einem optischen Mikroskop sichtbar. Vor dem Ätzen können die Spuren im allgemeinen nicht festgestellt werden.
Für diese Verfahren und Materialien zur Registrierung von Teilchenspuren wurde ein großer Bereich kommerzieller Anwendungsmöglichkeiten gefunden. Beispielsweise gehen bei einem bestrahlten Körper in Form einer dünnen Folie oder eines Films die Löcher vollständig durch die Folie hindurch und die einzelnen Löcher haben Durchmesser im Bereich von 5 bis 100 000 S. Die auf diese Weise gebildeten perforierten Folien haben Anwendungsmöglichkeit als Membranfilter, wie es im US-Patent Nr. 3 303 O85 beschrieben ist. Die Verfahren und Materialien wurden auch als brauchbar für die Neutronen-Radiographie entsprechend der US-Patentanmeldung Nr. 558 490 vom I7. Juni I966 und 601 vom 12. Dezember I966 gefunden.
Obwohl die vorstehenden Verfahren zur Registrierung von Teilchenspuren ausgezeichnete Ergebnisse liefern, sind weitere Verbesserungen äußerst wünschenswert. Bei der Produktion von Filtern ist es beispielsweise in höchstem Maße erwünscht, daß die Bohrungen oder Perforationen, welche oft auch als Poren bezeichnet werden, eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen. Wenn die Perforationen an der Oberfläche dee Films relativ großen Durchmesser besitzen und sich nach der Mitte des Films zu verjüngen, können in der gefilterten Lösung vorhandene Teilchen das Filter dadurch veretopfen, daß sie teilweise In die Perforation eindringen und sich in der engen Zone verklemmen. Xn den Fällen, in denen die Ätzlösung das übrige Material des
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Films und die Bestrahlungsspuren mit etwa der gleichen Geschwindigkeit angreift, werden die erhaltenen Perforationen diese unerwünschte nicht-zylindrische Form aufweisen. Es ist daher von höchster Wichtigkeit, daß das Ätzmittel selektiv das veränderte Material längs der Bestrahlungsspuren mit einer viel größeren Geschwindigkeit auflöst als es das übrige unveränderte Material des Films auflöst. Ebenso ist' es für die schnelle wirtschaftliche Herstellung von Filtermaterialien wichtig, daß das Ätzmittel die veränderten Materialien mit hoher Geschwindigkeit auflöst, so daß Filter von sehr geringer Porengröße erzeugt werden können. J
Bei einem möglichen Verfahren zur Erhöhung der Ätzgeschwindigkeit der Bestrahlungsspuren im Vergleich zu der Ätzgeschwindigkeit des übrigen Materials könnte nach der Bestrahlung mit energiereichen Teilchen, jedoch vor dem Ätzern das Material einer Strahlung mit Wellenlängen unterhalb 4000 S oder mit Elektronen in Anwesenheit von Sauerstoff unterworfen werden. Die bekannten Strahlungsquellen für Ultraviolett-Strahlung erzeugen jedoch auch beträchtliche Anteile von Ultrarot-Strahlung. Wenn daher diese Vorbehandlung vor dem Ätzen ohne Infrarot-Filter in einer gasförmigen Atmosphäre durchgeführt wird, wird gefunden, daß das Filmmaterial unzulässig erwärmt wird. Dabei y zeigen die Strahlungsspuren eine Neigung dazu, zu verschwinden \ durch eine Art "AnlaßVorgang" (annealing).
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestrahlungsbehandlung von Spurenregistrierungsmaterial vor dem Ätzen ohne übermäßige Erwärmung oder Anlaßerscheinungen des Materials zu schaffen.
Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das bestrahlte für die Registrierung von Spuren verwendete Material einer Ultraviolett-Bestrahlung ausgesetzt wird, während das Material in ein flüssiges Kühlmittel einge-
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taucht ist, das Sauerstoff enthält, beispielsweise mit Luft oder Sauerstoff angereichertes Wasser oder eine Wasserstoffperoxidlösung. Das flüssige Kühlmittel wirkt sowohl als Infrarot-Filter als auch als wirksame Wärmeableitung und verhindert dadurch eine überhitzung und eine entsprechende thermische Beschädigung des Materials für die Spurenregistrierung. Ebenso wurde gefunden, daß auf diese Weise die Zeitdauer der Ultraviolett-Belichtung auf weniger als ein Drittel der Belichtungszeit verringert werden kann, welche in einer sauerstoffhaltigen Gas- · atmosphäre erforderlich ist. Weiterhin wird die Notwendigkeit zur Verwendung kostspieliger Infrarot-Filter beseitigt.
Die nachstehende Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen enthält eine Erläuterung der Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen.
Fig. 1 ist ein Fließbild einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Anordnung für die elektromagnetische Behandlung.
Fig. 3 ist eine vergrößerte schematische Abbildung eines Teils eines Films für Spurenregistrierung nach der Bestrahlung mit energiereichen Teilchen und
Fig. 4 ist eine vergrößerte schematische Darstellung des Films der Fig. 3 nach der Behandlung mit einer Lösung mit selektiver Ätzung.
Fig. 1 ist ein Fließbild und zeigt die einzelnen Verfahrensstufen eines bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Film für die Registrierung von Spuren aus einem Material 10 wird hergestellt oder in anderer Weise erhalten. Wie nachstehend ausgeführt, kann ein großer Bereich von Materialien verwendet werden. Optimale Materialien für bestimmte Verhältnisse können in
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Abhängigkeit von den für die Handhabung des Materials vorliegenden Bedingungen, den zu registrierenden Teilchen usw. ausgewählt werden.
Der Film aus dem Material für die Spurenregistrierung wird mit Energieteilchen bestrahlt, um Beschädigungsspuren zu bilden, welche geändertes Material enthalten und sich längs des Teilchenweges in dem Material erstrecken.
Dann wird das bestrhalte Material 10 für die Spurenregistrierung, wie in Fig. 2 gezeigt, in eine sauerstoffhaltige Flüssigkeit 11 eingetaucht. Die Flüssigkeit 11 kann beispielsweise mit Luft oder Sauerstoff angereichertes V/asser oder eine Wasserstoffperoxidlösung sein. Das Material 10 wird beispielsweise etwa 1 cm tief in die Flüssigkeit 11 eingetaucht, wobei die Oberfläche des Materials 10 parallel der Oberfläche der Flüssigkeit 11 ist.
Anschließend wird das eingetauchte bestrahlte Material elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb 4000 8 ausgesetzt. Vorzugsweise liegt diese Strahlung im Bereich des mittleren oder nahen Ultraviolett und/oder im Bereich des Ultraviolett-Lichtes, wie es von einer Ultraviolett-Lichtquelle 12 erhalten wird, welche beispielsweise eine Quecksilberdampflampe der General Electric mit der Typenbezeichnung H3T7 sein kann. Die Lampe wird vorzugsweise in einem parabolischen Reflektor gehaltert und kann einen Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche in der Größenordnung von 12 cm besitzen. Die Flüssigkeit 11 wirkt als Infrarot-Filter und als Wärmesenke und verhindert dadurch eine thermische Beschädigung des Materials. Obwohl der Einzelmechanismus nicht vollständig bekannt ist, gestattet die-3e Behandlung, wie untenstehend erörtert, eine viel schnellere selektive Ätzung des geänderten Materials längs der Bestrahlungsspuren als bei einem Verfahren, bei dem diese Behandlung ausgelassen wird. Weiterhin besitzen die nach dieser Bestrahlungsbehandlung ausgeätzten Spuren eine Neigung zu einer viel
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größeren Gleichmäßigkeit der zylindrischen Form. Vo diese Behandlung nicht durchgeführt wird, können gute geätzte Strahlungsspuren nur nach umfangreicher Ätzbehandlung erhalten werden und diese geätzten Spuren zeigen eine Neigung dazu, konisch zu verlaufen und haben daher eine weitere öffnung an der Oberfläche des Materials.
Anschließend wird das belichtete und bestrahlte Material einer Ätzlösung ausgesetzt, ..eiche das geänderte Material längs der Bestrahlungsspuren selektiv angreift und auflost und die Bestrahlungsspuren auf den gewünschten Durchmesser vergrößert. Wie nachstehend beschrieben, kann eine Vielzahl von Ätzlösungen und Ätzbedingungen angewendet werden. Obwohl diese Lösungen den Hauptteil des für die Spurenregistrierung verwendeten Materials angreifen, greifen sie das geänderte Material längs der Bestrahlungsspuren mit einer viel größeren Geschwindigkeit an.
Schließlich wird das Material aus der Ätzlösung herausgenommen, abgespült (im allgemeinen mit Wasser) und getrocknet.
Der Film ist jetzt fertig für die beabsichtigte endgültige Verwendung.
Die Fig. 3 und h zeigen schematisch das für die Spurenregistrierung verwendete Material nach der Bestrahlung mit Energieteilchen bzw. nach dem Ätzen.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, enthält das Spurenregistrierungsmaterial 10 eine Vielzahl von im wesentlichen unsichtbaren Strahlungsspuren 21, welche durch den Durchgang von Energieteilchen verursacht wurden. Wie abgebildet, sind die Teilchen in das Material unter den verschiedensten Winkeln eingetreten. Selbstverständlich können die Teilchen gewünschtenfalls zu einem Bündel kollimiert werden, so daß sie alle im wesentlichen unter dem gleichen Winkel eintreten. Die Spuren sind zu diesem Zeitpunkt noch praktisch unsichtbar.
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Pig, 1I zeigt das Material 10 nach der Behandlung mit einer Strahlung in Anwesenheit von Sauerstoff entsprechend der obenstehenden Beschreibung und nach dem Ätzen. Es werden, wie beispielsweise bei 22 angedeutet, vollständig durch das Material verlaufende Löcher gebildet, wo Teilchen hoher Energie vollständig durch das Material hindurchgegangen sind. Teilchen mit niedrigerer Energie führen zu im wesentlichen zylindrischen Vertiefungen,wie bei 23 angedeutet.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können beliebige geeignete synthetische Kunstharze verwendet werden. Typische geeignete m synthetische Kunstharze schließen ein: Polyesterkunstharee wie Polycarbonate, Polyäthylenterephthalate, Celluloseabkömmlinge wie Cellulosenitrat und Celluloseazetat und Gemische derselben. Wenn die für die Spurenbildung verwendeten energiereichen Teilchen alpha-Teilchen sind, werden Celluloseabkömmlinge bevorzugt. Polycarbonate werden bevorzugt, wenn die Spuren durch relativ schwere Kernspaltungsteilchen gebildet werden.
Es kann eine beliebige geignete Quelle für die energiereichen Teilchen verwendet werden. Typische Teilchenquellen schließen ein spontan zerfallende Isotope wie Californium-252, Isotope, die unter Abgabe von alpha-Teilchen zerfallen, beispielsweise s Radium-226 und Americum-241, Materialien, welche bei der Be- ' strahlung mit Neutronen eine Kernspaltung erfahren und Kernspaltungsteilchen aussenden, beispielsweise Uran-235, Materialien, welche alpha-Teilchen bei der Bestrahlung mit Neutronen abgeben, beispielsweise Bor-10 und verschiedenste Teilchenbeschleuniger für atomare und sub-atomare Teilchen.
Es kann ein beiliebiges geeignetes Ätzmittel verwendet werden, um die Strahlungsspuren auf den gewünschten Durchmesser zu erweitern. Das Ätzmittel kann eine wäßrige oder nicht-wäßrige Lösung von sauren oder basischen Katalysatoren oder Redoxmitteln sein, wenn diese geeignet sind. Typische Ätzmittel schließen ein Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Lithiumhydroxid, Chrom-
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säure, Kaliumpermanganat, Ammoniumhydroxid, Kalium-t-butoxid, Tetrapropylammoniumhydroxid und Gemische derselben. Obwohl beliebige geeignete Lösungskonzentrationen verwendet werden können,wird im allgemeinen zwecks schnellerer Vergrößerung der Strahlungsspuren eine konzentrierte Lösung bevorzugt. Obwohl die Ätzlösung bei irgendeiner geeigneten Temperatur verwendet werden kann, wird es im allgemeinen bevorzugt, die Lösung zu erhitzen (jedoch nicht bis zum Siedepunkt), um die Geschwindigkeit der Spurenvergrößerung zu erhöhen. Man erhält beispielsweise für Polycarbonate gute Ergebnisse bei einer 6-normalen Lösung von Natriumhydroxid bei etwa 800C, wobei die Lösung während der Behandlung gerührt oder bewegt wird. Wenn kleine Porendurchmesser erwünscht sind oder wenn es erwünscht ist, eine genügend lange Ätzzeit zur Durchführung einer ausreichenden Qualitätskontrolle zu erhalten, kann eine niedrigere Temperatur erwünscht sein.
Der Film kann für eine geeignete Zeitdauer mit der Ätzlösung behandelt werden. Wenn die Behandlungsdauer zu kurz ist, können die Spuren keinen ausreichenden Durchmesser für die beabsichtigte Verwendung besitzen und andererseits kann eine zu lange Behandlungsdauer es der Lösung gestatten, den Hauptteil des Films übermäßig anzugreifen. Die optimale Zeitdauer hängt natürlich von dem Filmmaterial, dem Ätzmittel, der gewünschten Porengröße und der Temperatur und Konzentration der Lösung ab. Typischerweise erzeugt eine Behandlungsdauer von etwa 20 min bei einem PolycarbonateIm bei einer 6-normalen Natriumhydroxidlösung von etwa 60 C voll entwickelte Spuren mit einem Durchmesser von etwa 0,5 Mikron.
Wie in den nachstehenden Beispielen noch näher ausgeführt, wurde gefunden, daß die Behandlung des bereits mit Teilchen bestrahlten Films mit elektromagnetischer Strahlung , beispielsweise mit Ultraviolett-Licht, während der Film/eine sauerstoffhaltigen Flüssigkeit eingetaucht ist, bevorzugt zu einer Steigerung der Ätzgeschwindigkeit des geänderten Materials längs
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der Tellchendurchgangsspuren in dem Material, während gleichzeitig die Ätzgeschwindigkeit des übrigen Materials sich nicht wesentlich vergrößert.
Es wurde gefunden, daß die durch Ätzen der auf diese Weise vorbehandelten Filme gebildeten Poren im wesentlichen zylindrisch sind, während die in unbehandelten Filmen gebildeten Poren oft konisch und an der Oberfläche des Films breiter sind. Es wurde auch gefunden, daß Poren mit einem kleineren Durchmesser in dem behandelten Film hergestellt werden können. Obwohl keine vollständige Erklärung für diese drastische Verbesserung der Ergeb- | nisse durch die Zwischenbehandlung gemäß der Erfindung vorliegt, wird angenommen, daß die zugrundeliegenden Vorgänge mit fotochemischen Reaktionen in Beziehung stehen, an denen Radikale in dem geänderten Matei'ial und Oxidationsreaktionen derselben beteiligt sind. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die nachstehenden Beispiele.
Beispiel I
Bestrahltes Polycarbonatmaterial wurde in der Luft 4 Minutenlang der Strahlung von einer Quecksilberdampflampe Typ H3T7 mit einem Abstand von 25 cm ausgesetzt. Es wurde kein Infrarot- « Filter verwendet. Bei der Ätzung in 6-normaler Natriumhydroxid- " lösung bei 80 C wurde gefunden, daß eine Beschädigung der Gesamtmasse des Polycarbonats bis zu einer Tiefe von 5 Mikron stattgefunden hatte. In dem unbeschädigten Teil des Materials waren Strahlungsspuren vorhanden.
Eine Kontrollprobe, welche nicht der Bestrahlung ausgesetzt wurde, jedoch in ähnlicher Weise geätzt wurde, zeigte keine Poren.
Eine dritte Probe wurde in eine sauerstoffhaltige Flüssigkeit eingetaucht (bei diesem Beispiel einfaches Leitungswasser) und in diesem Zustand der Strahlung von einer Quecksilberdampflampe 3 Minuten lang ausgesetzt. Nach eier anschließenden Ätzung in 6-normaler Natriumhydroxidlösung bei 60°C während einer Zeit von
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- ίο -
8 Minuten enthielt diese Probe Poren mit einer Länge von 16,6 Mikron.
Beispiel II
Eine bestrahlte Polycarbonatprobe wurde in drei Teile aufgeteilt. Der erste Teil wurde 8 Minuten lang bei 6O°C in 6-normaler Natriumhydroxidlösung unmittelbar nach der Bestrahlung geätzt und ohne Belichtung durch Ultraviolett-Strahlung. Es waren keine Poren vorhanden.
Ein zweiter Teil wurde in mit Sauerstoff gesättigten Wasser eingetaucht und drei Minuten lang einer Ultraviolett-Strahlung (wie in Fig. 1 ersichtlich) ausgesetzt. Nach einer ähnlichen Ätzbehandlung wurden Poren mit einer Länge von 19 Mikron gefunden.
Ein dritter Teil erhielt eine 3 Minuten lange Ultraviolett-Belichtung, während er in teilweise entgastem Wasser eingetaucht war. Nach einer ähnlichen Ätzbehandlung wurden Poren gefunden, deren Länge auf 1^,5 Mikron begrenzt war.
Beispiel III
Eine bestrahlte Polycarbonatprobe wurde in mehrere Teile zerschnitten. Jeder Teil wurde während einer anderen Zeitdauer einer Ultraviolett-Strahlung ausgesetzt, wobei er in einer 2-$igen Wasserstoffperoxidlösung eingetaucht war. Die nach einer 8 Minuten langen Ätzbehandlung bei 600C in 6-normaler Natriumhydroxidlösung erhaltenen Längen der Spuren oder Poren waren wie folgt:
Belichtungszeit Spurenlänge
(Minuten) (Mikron)
3 19,1
1 16,6
0,5 10,5
0,25 6,7
1 0°9 8 3 5 / 1 0 7 3 (keine Spuren)
- li -
Ein weiterer Teil wurde in ähnlicher Weise behandelt mit der Ausnahme, daß er 3 Minuten lang der Ultraviolett-Strahlung ausgesetzt wurde, während er in einer 10 $igen Wasserstoffperoxidlösung eingetaucht war. Es wurde in diesem Falle eine Spurenlänge von 18,1 Mikron gefunden.
In den Proben der Beispiele II und III wurde keine Beschädigung der Hauptmasse des Polycarbonatmaterials gefunden.
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Claims (16)

  1. Patentansprüche
    (1.)Verfahren zur Spurenregistrierung, bei dem ein Material für ^^ die Spurenregistrierung mit Energieteilchen bestrahlt wird, welche Spuren geänderten Materials längs ihres Durchgangsweges durch das Material erzeugen und das Material"mit einem Mittel geätzt wird, welches das veränderte Material längs der Spuren bevorzugt angreift, dadurch gekennzeichnet , daß das Material vor dem Ätzen einer elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen unterhalb etwa 4000 S ausgesetzt wird, während es in einer sauerstoffhaltigen Flüssigkeit eingetaucht ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* , daß die Energieteilchen alpha-Teilchen sind und das Material für die Spurenregistrierung celluloseähnliche Materialien umfaßt.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Energieteilchen Kernspaltungsteilchen sind und das Material für die Spurenregistrierung PolycarbQnatkunstharz umfaßt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung ultraviolette Strahlung ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ultraviolette Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 36ΟΟ bis etwa 38ΟΟ 8 verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung gamma-Strahlung ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als elektromagnetische Strahlung
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    - 13 Röntgenstrahlung angewendet wird.
  8. 8. Verfahren zur Registrierung von Spuren, dadurch gekennzeichnet , daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
    ein Material für die Spurenregistrierung wird mit Energieteilchen bestrahlt, die Beschädigungsspuren längs der Durchgangsbahnen der Energieteilchen durch das Material erzeugen, das Material wird in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht und das bestrahlte Material wird einer elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen unterhalb etwa 4000 8 ausgesetzt. J
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das flüssige Kühlmittel Sauerstoff enthält.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Material mit alpha-Teilchen als Energieteilchen bestrahlt wird und das Spurenregistrierungsmaterial Cellulosematerialien umfaßt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Energieteilchen Kernspaltungs- j teilchen sind und das Spurenregistrierungsmaterial Poly- * carbonatkunstharz enthält.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Material nach der Belichtung durch elektromagnetische Strahlung zwischen 5 und 20 Minuten lang in eine Ätzlösung eingetaucht wird, welche eine 6-normale Natriumhydroxidlösung mit einer Temperatur zwischen 50 und 80°C enthält.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung *,olett-Strahlung ist.
    103835/1073
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn-' zeichnet , daß die Ultraviolett-Strahlung eine Wellenlänge im Bereich von etwa 36OO bis etwa 38OO K besitzt,
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung gamma-Strahlung ist.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung Röntgenstrahlung ist.
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    Leerseite
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