<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Die verschwindend geringe thermische Ausdehnung des geschmolzenen Quarzes bereitet einer vakuumdichten Einschmelzung von metallischen Durchführungen, in der Art wie es bei Glasgefässen üblich ist, unüberwindliche Schwierigkeiten. Es ist kein Metall bekannt, das bis zur sehr hohen Schmelztemperatur des Quarzes eine ausreichend geringe Wärmeausdehnung besässe. Bei der Einschmelzung von Wolframdrähten in Quarz entsteht ein beträchtlicher Spalt.
Andere schwerschmelzende Metalle, wie Molybdän. Tantal, Iridium. haften dagegen am geschmolzenen Quarz und sprengen es bei der Abkühlung durch die entstehenden Zugspannungen.
Erfindungsgemäss kann nun ein dichter Abschluss zwischen Quarz und Metall erzielt werden, wenn dafür gesorgt wird, dass an der Quarz-Metallgrenze stets nur Druckkräfte oder nur ganz geringe Zugkräfte wirken können. Dies wird erreicht durch Ausgiessen einer zweckmässig geformten Öffnung am Quarzgefäss mit solchen Metallen. die sich beim Erstarren nicht zusammenziehen, sondern ausdehnen.
Drei metallische Elemente sind bekannt, die diese Anomalie aufweisen : Antimon, Wismut, Gallium. Von diesen scheidet Gallium durch seinen niedrigen Schmelzpunkt (30 ) für den vorliegenden Zweck aus. Antimon ist wenig vorteilhaft, da sein Schmelzpunkt ziemlich hoch liegt (630 ) und die Kontraktion nach dem Erstarren recht erheblich ist. Am vorteilhaftesten ist Wismut, da es bei 2700 schmilzt und einen verhältnismässig geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Die Dilatation von Wismut beim Erstarren beträgt 3'3 /o. Es war nun von vornherein zu befürchten, dass das Quarz durch diese enorme Ausdehnung gesprengt wird, ähnlich wie Bomben, in denen man Wasser gefrieren lässt. Man muss von dieser Dilatation allerdings nur weniger als ein Drittel, etwa 0'90/0, ausnutzen, wenn man bei der Abkühlung bis zur Zimmertemperatur keine Zugkräfte an der Quarz-Wismutgrenze entstehen lassen will, denn die Kontraktion des erstarrten Wismuts beträgt gerade soviel.
Es konnte aber nicht erwartet werden, dass Quarz auch diese nach Möglichkeit herabgesetzte Beanspruchung aushält, denn bei Berücksichtigung der bekannten Elastizität von Wismut bei Zimmertemperatur und der Zugfestigkeit von Quarz von etwa 6 bis 7 /ww ergibt sich noch im theoretisch günstigsten Fall, kugelförmiger Wismuttropfen in Quarzkugel von unendlich grosser Wandstärke, ein Sprengen des Quarzgefässes.
Dem gegeniiber bewies aber der Versuch, dass das Ausgiessen einer passend geformten Quarzöffnung mit Wismut bei vollkommen dichtem Abschliessen ohne Sprengen des Quarzes erfolgen kann.
Die Erklärung hiefür ergibt sich durch die besonders schlechte Wärmeleitfähigkeit des Wismuts. Die äusseren am Quarz anliegenden Schichten erstarren zuerst (Fig. 2) und fangen bereits an. sich zusammenzuziehen. während das Innere nach und nach erstarrt und sich dabei ausdehnt. Der Druck der inneren Schichten wird also zum Teil schon durch die äusseren Wismutschichten aufgefangen und nur zum Teil auf die Quarzwand übertragen. Man kann dies auch so ausdrücken, dass bei hinreichend schneller Abkühlung der Dilatationskoefnzient
<Desc/Clms Page number 2>
scheinbar geringer wird. Dass nun die Abkühlung trotz der schlecht wärmeleitenden Quarzwand hinreichend schnell erfolgen kann, erklärt sich eben aus der schlechten Wärmeleitung des Wismuts.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Anordnung nach Fig. 1 dienen. Der Behälter 1, in den das oxydfreie, rein metallische Wismut 2 gegossen wird, hat, wie sich gezeigt hat, zweckmässig die Form einer Birne mit lang auslaufendem, nach aussen schwach verjüngtem konischen Hals 3. Nach der Vakuumseite hin ist das Metall durch einen in Quarz eingeschmolzenen Wolframdraht 4 oder einen genau eingeschliffenen oder sonst eingepassten etwa konischen Stift oder Draht aus einem beliebigen Metall, zweckmässig Invar, mit den Innenelektroden verbunden. Der erwähnte Draht oder Stift muss nur so dicht abschliessen, dass der kapillare Zwischenraum kein Vordringen des Metalles zulässt.
Die Passung kann beispielshalber in der Weise hergestellt werden, dass ein Wolframdraht von genau gerader, zylindrischer oder schwach konischer Form unter Vakuum in das Quarz eingeschmolzen wird. Da Quarz an Wolfram nicht haftet, kann der Draht nachher herausgezogen und ein möglichst genau gleicher Draht aus einem andern Metall an seine Stelle geschoben werden.
Das Eingiessen des Wismuts oder sonstigen geeigneten Metalles erfolgt zweckmässig unter Vakuum. Für die Dichtigkeit der erhaltenen Verbindung ist die Art, in der die Abkühlung vorgenommen wird, ausschlaggebend. Lässt man zuerst das Metall im Hals des birnenförmigen Behälters erstarren, so wird das Gefäss beim Erstarren des letzten Tropfens gesprengt. Geht man dagegen so vor, dass man langsam und nach und nach das Metall von unten nach oben erstarren lässt, so bleibt das Quarz heil, es bildet sich aber bei der Abkühlung ein Spalt zwischen Quarz und Metall. Lässt man dagegen das Ganze auf einmal erstarren, indem man es gut vorwärmt und frei in der Luft abkühlen lässt, so kann ein vollkommen dichtes Abschliessen erzielt werden. Die Erklärung hiefür ergibt sich aus der Fig. 2.
Das Metall 1 kühlt sich von aussen nach innen ab, und es wird zuletzt nur ein ganz kleiner flüssiger Tropfen 2 eingeschlossen. Wenn dieser erstarrt, setzt er das Ganze unter den nötigen Druck. Im übrigen muss sich das Vorgehen stets nach der Form des Metallbehälters und nach der Stärke der Quarzwand richten und muss von Fall zu Fall erprobt werden nach den Richtlinien, die sich aus dieser Erklärung ergeben.
Auch in dem Fall, wenn kein absolut dichtes Abschliessen erzielt wird, bietet die Anwendung der Erfindung einen erheblichen Vorteil. Es kann dann nämlich die Fuge noch mit Pizein, Siegellack od. dgl. überkittet werden. Der Spalt ergab sich aber stets als so extrem eng, dass kein Pizein eindringen konnte.
Die Stromausführung nach aussen erfolgt zweckmässig durch Einstecken eines verzinnten heissen Metalldrahtes 1 in den Hals der Birne, Fig. 3. Insbesondere bei Wismut geht diese leicht vor sich, da Wismut mit dem Zinn eine leichtflüssige Legierung bildet. Ein Durchführen des Wolframdrahtes nach aussen verbietet sich einerseits wegen der Walzrisse, die ein Wolframdraht in seiner Längsrichtung fast stets aufweist, anderseits auch dadurch, dass Wismut und Antimon schlecht am Wolfram haften.
Eine weitere wesentliche Verbesserung der Erfindung konnte erzielt werden durch Verwendung einer Legierung von Wismut mit weniger als 1010 metallischem Calcium an Stelle von reinem Wismut. Während reines Wismut nicht an Quarz haftet, genügt eine Spur Galcium, um ein ausserordentlich festes Haften des Metalles an Quarz zu erzielen, so dass an der Grenze Metall-Quarz auch Zugspannungen zugelassen werden können. Zudem weist die Legierung Wismut-Calcium ein grösseres Mass von Dehnbarkeit und ein feineres dichteres kristallinisches
Gefüge auf als das reine Wismut. Die Einführung hält Temperaturen bis nahe an den Schmelzpunkt aus, ist also bis etwa 2500 dicht.
Bei Verwendung der Wismutdichtung für Quarz-Quecksilberlampen tritt mit der Zeit ein automatisches Dichterwerden der Verbindung auf infolge der langsamen Amalgamierung der Dichtung durch das aus der Lampe in den Kapillarspalt hereindampfende Quecksilber. Dieser Prozess kann auch künstlich beschleunigt werden, und die Anwendung in diesem Fall bietet ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vakuumdichte Elektrodeneinführung für Vakuumgefässe aus geschmolzenem Quarz und
Metall als Dichtungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim Erstarren eine Volumen- vergrösserung erfahrendes Metall benutzt wird, wie Wismut, Antimon oder deren Legierungen untereinander oder mit anderen Metallen.