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Verfahren zur Herstellung von Quarzglas Die Erfindung bezweckt die
Herstellung von Quarzglas von hoher Qualität, insbesondere außerordentlich guter
Lichtdurchlässigkeit im Ultraviolett und/ oder Infrarotbereich, das sich besonders
zur Verwendung für optische Zwecke eignet.
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Auch das reinste Quarzglas weist immer ein breites Absorptionsband
im Ultraviolettbereich auf. Der Höchstwert dieses Bandes (Fig. 1, Kurve A) liegt
im Bereich von 2450A, jedoch kann es sich in gewissen Fällen auf 2420A einstellen.
Die in diesem Bereich absorbierte Energie wird in Form einer violetten Fluoreszenz
wieder ausgestrahlt, die durch eine Niederdruck-Quecksilberdampflampe mit in dem
Bereich von 2537A intensiver Emission sichtbar gemacht werden kann.
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Es wurde nun gefunden, und dies stellt eins der Merkmale der Erfindung
dar, daß diese Fluoreszenzerscheinung bzw. das Absorptionsband im Bereich von 2450
A völlig verschwindet, wenn ein Quarzglasgegenstand bei erhöhter Temperatur während
einer hinreichend langen Zeitdauer der Einwirkung eines Gleichstromfeldes unterworfen
wird(Fig.l,KurveB).
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Die Fluoreszenz und die Absorption erscheinen wieder, wenn das behandelte
Quarzglas bei einer Temperatur von mehr als 1400° C wieder geschmolzen oder erhitzt
wird. Die Behandlung gemäß der Erfindung ist also auf Quarzglasgegenstände beschränkt,
die bereits ihre nahezu endgültige Form besitzen und nicht noch später durch andere
als rein mechanische Verfahren (wie Abdrehen oder Polieren) geformt werden sollen,
d. h. die später keinen Wiederschmelz-und Erhitzungsvorgängen bei Temperaturen von
mehr als 1400° C unterworfen werden.
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Die Behandlung gemäß der Erfindung setzt voraus, daß das unterworfene
Quarzglas einen hohen Reinheitsgrad besitzt, gleichgültig, welcher Art die letzten
darin vorhandenen Verunreinigungen sind, d. h. gleichgültig, ob das Glas unter reduzierenden
oder oxydierenden Bedingungen hergestellt worden ist. Ein Quarzglas, das einen nennenswerten
Anteil an Reduktions- oder Karburationsprodukten enthält, ist für eine Behandlung
gemäß der Erfindung nicht geeignet.
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Nachstehend wird lediglich beispielsweise eine Ausführungsform des
neuen Verfahrens an Hand der Fig.2 beschrieben.
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Der zu behandelnde Quarzglasgegenstand 1, z. B. ein Zylinder, wird
zwischen Metallelektroden 2, z. B. aus Platin, angeordnet, die ebenso wie die Endflächen
des Zylinders sorgfältig plangeschliffen sind. Die Elektroden können auch durch
eine einfache Metalllisierung der Endflächen des Zylinders ersetzt werden.
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Die Gesamtanordnung wird in einem Ofen 3 etwa 30 Stunden lang auf
eine Temperatur in der Größenordnung von 1000° C erhitzt. Zwischen den Elektroden
wird ein Gleichstromfeld von einer Stärke in der Größenordnung von 1000 V/cm erzeugt.
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Als Ergebnis dieser Behandlung bildet sich in dem Zylinder ein je
nach dem Verfahren, nach welchem die Herstellung des Quarzglasgegenstandes erfolgt
ist,. mehr oder weniger stark gefärbter Schleier, welcher langsam von der Anode
nach der Kathode wandert. Sobald dieser Schleier die Kathode erreicht, kann die
Behandlung abgebrochen werden. Sie dauert je nach der Art des Quarzglases, der Temperatur
des Ofens und der Stärke des Feldes längere oder kürzere Zeit.
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Es zeigt sich hierbei, daß die Fläche des Quarzglaszylinders, die
sich in Kontakt mit der Kathode befindet, weißlich gefärbt worden ist.
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Durch die Einwirkung des Feldes, der Temperatur und wahrscheinlich
des Wanderns der alkalischen Verunreinigungen erfolgt eine allotropischeUmwandlung
des Quarzglases. Dieses wird deshalb in einer sehr dünnen Kathodenschicht entweder
bei weniger als 970° C in Quarz oder beim Arbeiten bei erhöhter Temperatur in Christobalit
umgewandelt. Nach Entfernung dieser Schicht hat das Glas die Absorptionsbande bei
2450 A verloren.
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Es ist ferner festzustellen, daß in dem Infrarotbereich zwischen 2
und 3 #t das Quarzglas eine beträchtliche Absorption aufweist. Die Untersuchung
dieses Bereichs ergibt, daß es sich um ein schmales Band handelt, dessen Maximum
bei etwa 2,75 1, liegt und wahrscheinlich auf das Vorhandensein von O H-Ionen zurückzuführen
ist.
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Unter Ausnutzung dieser Feststellungen über den Einfluß der Herstellungsbedingungen
auf das Vorhandensein und die Intensität des Bandes konnten
Quarzgläser
hergestellt werden, die in dem obenerwähnten Bereich _ keinerlei absorbierende Eigenschaften
aufweisen.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung muß unbedingt darauf geachtet
werden, daß während sämtlicher Phasen der Herstellungsvorgänge Wasser und Wasserdampf
ferngehalten wird. Das bedeutet eine Auswahl der Ausgangsstoffe unter dem Gesichtspunkt,
daß sie nicht -einmal .=Spuren von O H-Ionen enthalten dürfen und die ausschließliche
Verwendung von Schmelzmitteln, die nicht mit offener Flamme arbeiten. Zum Beispiel
kann als Ausgangsmaterial ein Bergkristall, der leine Flüssigkeitseinschlüsse enthält,
verwendet werden.
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Fig. 3 zeigt in- der Kurve D das Ergebnis der Behandlung eines solchen
nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten und damit verglichen in Kurve
C das Verhalten eines gewöhnlichen Quarzglases. Ein Vergleich der beiden Kurven
zeigt den erheblichen Gewinn an Lichtdurchlässigkeit in dem eingangs gekennzeichneten
Bereich, der durch das neue Verfahren erzielt wird.
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Bekanntlich besitzt Quarzglas den Nachteil einer Art »Gänsehaut«,
die eine Folge von örtlichen Verschiedenheiten des Brechungswinkels ist. Diese Unterschiede
sind größer als 10---5 (d. h. einige Einheiten der fünften Dezimale): Wie gefunden
wurde, können diese Änderungen gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch
ausgeschaltet werden, daß ein Quarzglas, in welchem die auftretenden Unterschiede
kleiner sind als 10-s, verwendet wird. Dieses kann in beliebiger Weise aus Chargen
von Ausgangsstoffen geschmolzen werden, die ausschließlich aus kleinen Teilchen
(die durch das Sieb 0,053 E bis 0,090 DIN 1171 hindurchgehen), oder aus Pulver,
das durch Oxydation von organischen Siliziumverbindungen erzeugt worden ist, bestehen.
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Die Gläser, die durch Schmelzen und gleichzeitige Oxydation von Silizium
oder seiner organischen Verbindungen durch Flammeneinwirkung erzeugt worden sind,
haben, falls sie eine gewisse Homogenität besitzen, den Nachteil, daß sie ein breites
Absorptionsband in der Größenordnung von 2,75 #t besitzen.
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Diese Absorption stellt einen schwerwiegenden Nachteil für die Herstellung
von Quarzglas, das für Quecksilberdampflampen verwendet werden soll, dar, denn sie
verringert die Leistung solcher Lampen erheblich. Die Kombination der beiden vorstehend
beschriebenen Behandlungsarten ermöglicht es, ein Quarzglas zu erzeugen, daß eine
praktisch vernachlässigbare Obsorption in dem Bereich zwischen dem äußersten Ultraviolett
unterhalb von 2000 A und dem Infrarot bis etwa 3,5 #t besitzt. Dieses Glas stellt
ein ganz besonders lichtdurchlässiges Glas dar. Durch seine Homogenität wird seine
Verwendung für optische Zwecke ermöglicht.