DE1016847B

DE1016847B - Verfahren zum vakuumdichten Verbinden von Kolben ohne Pumpstutzen fuer Elektronenroehren und aehnliche Entladungsgefaesse

Info

Publication number: DE1016847B
Application number: DEC8283A
Authority: DE
Inventors: Pierre Dussaussoy; Maxime Grivot
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1952-10-13
Filing date: 1953-10-10
Publication date: 1957-10-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung vakuumdichter Kolben ohne Pumpstutzen für Elektronen- und Ionenröhren, wie z. B. Elektronenrelaisröhren, Kathodenstrahlröhren, photoelektrische Zellen sowie evakuierte Gasentladungsröhren u. dgl., welche alle einen väkuumdichten Kolben benötigen.

Es ist bekannt, Kolben für Elektronenröhren ohne Pumpstutzen vakuumdicht zu verschließen. Diese Kolben werden aus Metall-, Glasteilen usw. mittels an optisch glatten Oberflächen erfolgendem Kontakt zusammengesetzt. Die Evakuierung erfolgt mittels einer Pumpe unter einer luftdicht abgeschlossenen Glocke.

Die bei diesem beschriebenen Verfahren erzielte Verbindung ist jedoch nicht vollkommen. Es ist in erster Linie für die Herstellung zerlegbarer Röhren bestimmt, die während des Arbeitens dauernd an die Pumpe angeschlossen bleiben. Wenn dies nicht der Fall ist, muß eine äußere Abdichtung z. B. aus einem Silikonlack vorgesehen sein.

- Man kennt außerdem einen Verschluß, der durch eine Hochfrequenz-Induktionserhitzung der Metallmasse einer Glas-Metall-Verbindung erzielt wird. Dabei erhitzt sich das Glas durch Berührung mit dem Metall, wenn der Atmosphärendruck auf den Metallteil einwirkt. Das Glas erweicht dabei jedoch nur in einer Tiefe von einigen zehntel Millimetern und setzt sich in den Unregelmäßigkeiten fest, die in dem Metall zu diesem Zweck vorgesehen sind, wodurch die Dichtung erfolgt.

Es wurde nun gefunden, daß man eine bleibende, vakuumdichte Verbindung erzielt, wenn man einen ziemlich starken Druck auf die Kontaktflächen ausübt und gleichzeitig die Temperatur und die Dauer der Erhitzung so regelt, daß die Viskosität des Glases noch hoch genug ist, um das Glas gegen ein Entweichen von Gas und eine Verformung widerstandsfähig zu machen. Dieses Ergebnis ist umso- sicherer, je inniger der anfängliche Kontakt zwischen den zu verbindenden Rändern bereits in der Kälte ist.

Erhitzt man das Glas auf seine Verformungstemperatur, jedoch nicht bis zum Erweichen, so behält es seine Form bei und hält einen starken Druck aus, ohne daß die Berührungsstellen zerbrechen oder Spannungen in dem Glas auftreten, und die Verbindung erfolgt durch allmähliches Verschweißen der miteinander in Berührung befindlichen Ränder.

Bei einem Verfahren zum vakuumdichten Verbinden von Kolben ohne Pumpstutzen für Elektronenröhren und ähnliche Entladungsgefäße, bei denen wenigstens ein Teil aus Glas besteht, unter einer Glocke ohne Anwendung einer Flamme oder eines Gebläses, werden nach der Erfindung die Oberflächen Verfahren zum vakuumdichten Verbinden von Kolben ohne Pumpstutzen für

Elektronenröhren und ähnliche
Entladungsgefäße

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphie
sans FiI, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
Gräfelfing bei München, Aribostr. 14

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 13. Oktober 1952

Pierre Dussaussoy und Maxime Grivot, Paris,
sind als Erfinder genannt worden

der Ränder der miteinander zu verschmelzenden Teile so bearbeitet, daß sie sich ergänzende Profile aufweisen, dann wird der Rand der Glasteile poliert, und die Teile werden unter die Glocke gebracht, danach wird der Glasfuß des Gefäßes direkt auf einem induktiv aufheizbaren Ring aus Graphit angebracht, die Glocke ausgepumpt, die Wände getrocknet und die Elektroden entgast, dann werden die zu verbindenden Teile in direkter Berührung miteinander gebracht und darauf wird gleichzeitig ein Wäfmestoß und ein erheblicher Druck angewendet in der Weise, daß der Wärmestoß aus einer örtlichen Erhitzung von etwa 2 bis 5 Minuten Dauer besteht, die in der ganzen Berührungszone auf die beiden zu verschmelzenden Teile angewandt wird, derart, das diese Zone auf eine Temperatur kommt, welche die Transformationstemperatur des verwendeten Glases übersteigt, wobei die Erwärmung so geregelt wird, daß die Viskosität des Glases nicht unter 3 · 10⁷ Poise absinkt, und der

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auf die zu verbindenden Ränder ausgeübte Druck zwischen· 2 und 10 kg/cm² liegt.

Darüber hinaus können die Oberflächen der beiden zu vereinigenden Teile so bearbeitet und geglättet werden, daß die Ränder nach dem Aneinandersetzen eine vakuumdichte Verbindung ergeben. Auch kann der aus Glas bestehende Teil soweit optisch geglättet werden, daß er mit Linsen vergleichbar ist.

Macht man die Oberflächen der Glasteile optisch

rad 9, welches auf den mit Gewinde versehenen Teil der Stange 8 aufgeschraubt ist und auf dem Teil 5 aufliegt, ermöglicht eine Betätigung der Stange 8. Der auf die Membran 7 wirkende äußere Luftdruck stößt die Stange 8 in das Innere der Glocke, wobei die Stange diesen Druck auf den Kolben A überträgt. Beim Zurückdrehen des Handrades werden so die Stange 8 und der Kolben A, der die Stange trägt, gesenkt. Während dieser Bewegung nähert sich die

glatt, so behalten sie in der Verlängerung der Verbin- io Unterlagsscheibe 6 der zu diesem Zweck in den Kopf^ dungssteilen ein von dieser Bearbeitung herrührendes teil 3 vorgesehenen inneren Schulter. Hält man diese charakteristisches Aussehen. In einigen Fällen kann Unterlagsscheibe nun in einem bestimmten Abstand man sogar optisch die Trennfläche der beiden Glas- von dieser Schulter, so< kann man die Bewegung der massen in der Verbindungszone feststellen, was dar- Stange von dem Moment an, in welchem die Drehung auf zurückzuführen ist, daß die beiden Glaskörper in 15 des Handrades 9 eine Berührung des Kolbens mit dem fortdauernder Berührung miteinander verschweißt Glasfuß bewirkt hat, regeln und so genau die Stärke werden, ohne sich jedoch dabei zu vermischen. des Druckes auf die Ränder der in Berührung ge

brachten Glasteile A und B bemessen. Der auf den Kolben ausgeübte Druck hängt von der Oberfläche des freien Teiles der Membran 7 und von dem Berührungsquerschnitt der Teile ab. Dieser kann zwischen 2 bis 10 kg pro cm² betragen. Eine Induktionsheizwicklung 15, welche den zylinderförmigen Teil 1 in dem der Stellung des Fußes B der Röhre ent-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen, in denen eine vorzugsweise Ausführungsform dargestellt ist, besser verständlich.
In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Einrichtung, um unter einer Glocke den
Kolben und den Glasfuß einer Elektronenröhre miteinander zu verbinden, wobei auch die Mittel zur Erhitzung und Anwendung des Druckes gezeigt werden, 25 sprechenden Bereich umgibt, ermöglicht eine be-Fig. 2 das Wäremediagramm während der Verbin- liebige Beheizung des den Fuß B tragenden Graphitdung der Teile, körpers 14. Diese Wicklung ist mit der regelbaren Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die äußeren Hochfrequenzstromquelle O₁ verbunden. Eine zweite, Ränder der zu verbindenden Teile in ihren verschie- auf einem hochschmelzenden Träger 17 sitzende Wickdenen Stadien während aufeinanderfolgender Arbeits- 3<> lung 16 bringt das Innere der Glocke auf die zur gänge und Wärmetrocknung erwünschte Temperatur. Diese aus

einem Widerstandsdraht bestehende Wicklung ist mit der regelbaren Stromquelle a₂ verbunden. Das Ganze ist mit einer wärmeisolierenden Hülle 18 umgeben.

Nach dem Verfahren zum vakuumdichten Verbinden der beiden Teile verfährt man wie folgt: Die Oberflächen der Ränder der Teile A und B werden so be-

Fig. 4 eine gemäß der Erfindung hergestellte Elektronenröhre ohne Pumpstutzen.

Die zu verbindenden Teile sind der Glaskolben A und der Glasfuß B, welche getrennt im Innern der Vakuumglocke angeordnet sind. Der Kolben wird mittels der Federklammern R₁, R₂ an einem Hohlträger 19 gehalten, welcher auf einer an ihrem äußersten Ende mit einem Gewinde versehenen Stange 8 montiert ist. Der Fuß B der Röhre ruht auf einem Heizring 14 aus Graphit, welcher von dem als Anschlag 20 dienenden Teil getragen wird. Der Fuß B trägt seinerseits die Elektrodenanordnung E₁ und zwar mittels der als Stromzuführungen, dienenden

arbeitet, daß sie genau aufeinanderpassende, sich entsprechende Profile besitzen, was durch geeignete Schleifverfahren erreicht werden kann. Zweckmäßig gibt man ihnen sphärische Profile, was ihre Verwendung erleichtert. Diese Ränder werden dann geglättet, um eine innige Berührung beim Aneinanderlegen zu erzielen. Die Teile werden dann im Innern der Glocke,

Stäbe C₁ und C₂, weiche an die den Block 21 durch- 45 wie in Fig. 1 gezeigt, untergebracht, wobei der Fuß B querenden Leitungen 22 angeschlossen sind. Auf diese die Elektrodenanordnung trägt und direkt auf dem Weise kann man an die Elektroden Spannungen an- induktiv aufheizbaren Graphitkörper 14 ruht, legen, während die Röhre sich in der Glocke befindet. Die Glocke wird dann weitgehend evakuiert und Die dichte Wand der Glocke wird aus einem durch- anschließend durch die eine Trocknung bewirkende sichtigen zylindrischen Teil 1 aus geschmolzenem 50 Heizwicklung 16 beheizt, wobei sämtliche Teile auf Quarz gebildet und ruht auf einer durch einen Kau- die Entgasungstemperatur von etwa 350°, enttschukring 12 gegen eine andere Platte 10 abgestütz- sprechend der Wärmekurve D von Fig. 2, erhitzt werten Platte 13. In der Platte 10 ist ein axialer Kanal den. Diese Wärmetrocknung ist je nach der Art des 25 vorgesehen, welcher in einen den Block 21 quer Glases und der Abmessungen der Teile unterschieddurchlaufenden Kanal übergeht und die Evakuierung 55 lieh lange. Sie endet mit der Entgasung der Elektroder Glocke mittels der Vakuumpumpe ermöglicht. den und insbesondere der Anode durch Heizung der Der zylindrische Teil 1 ist an seinem obersten Kathode und Anlegung der Anodenspannung. Die äußeren Ende mit einem ringförmigen Teil 2 gekop- Gesamtdauer dieser Verfahrensstufen ist symbolisch pelt, welcher einen Kautschukdichtungsring 11 und durch ta dargestellt. Während dieser Zeit werden die darauf einen Kopfteil 3 trägt, durch welchen die vor- 60 frei gewordenen Gase durch die an die Glocke angestehend erwähnte Trägerstange 8 hindurchgeht. Eine schlossene Pumpe evakuiert.

Membranscheibe 7 aus elastischem Material, zweck- Im Augenblick t_t am Ende der Entgasungsperiode

mäßig Kautschuk, ist zwischen zwei Unterlag- steigert man die Temperatur des den Teil B tragen-

scheiben 5 und 6 festgeklemmt, welche auf dieser den Heizkörpers 14 auf etwa 600° und hält ihn wäh-

Stange angeschraubt sind. Diese Membran ist einer- 65 rend etwa 1 bis 2 Minuten auf dieser Temperatur,

seits zwischen den inneren Kanten des Kopfteiles 3 Der Graphitring 14 erhitzt den mit ihm in direkter

und andererseits einem verstellbaren Teil 4 einge- Berührung befindlichen Glasfuß durch Wärmeüber-

klemmt, durch welchen die Stange 8 frei verschiebbar tragung. t_t entspricht dem in Fig. 3 a dargestellten

ist. Der Teil 4 ist in die Ausnehmung des oberen Stadium. Im Augenblick^ sind die Teilet und B

Teiles des Kopfstückes 3 eingeschraubt. Ein Hand- 70 durch die Betätigung des Handrades 9 miteinander la

Berührung gebracht und gleichzeitig einem starken Druck ausgesetzt worden. Die Heizung durch den Ring 14 dauert noch etwa 1 bis 2 Minuten an, worauf man im Augenblick t₃ abschaltet und seine Temperatur entsprechend der Kurve D' absinken läßt. Die Erhitzung ist im Augenblick i₄ beendet, und die Röhre kühlt sich allmählich ab. Die fertige Röhre ist in Fig. 4 gezeigt.

In Fig. 3 b ist der Augenblick der Berührung und Druckeinwirkung gezeigt, wobei der Druck 10 kg pro cm² erreichen kann und der Außenrand des Fußes B auf 600° vorerhitzt ist. Bei dieser Temperatur nimmt die Viskosität eines Bleiglases auf etwa 10⁸ bis 10⁹ Poise ab. Wenn das Glas verformbar wird, ist sein molekularer Zusammenhalt dennoch groß genug, daß es seine Form vollkommen beibehält und nicht dazu neigt, unter der Wirkung seines eigenen Gewichtes zu fließen. Durch den innigen Kontakt zwischen den profilierten Rändern verteilt sich der Druck P gleichmäßig über den ganzen Berührungsbereich, ohne in das Glas zu große örtliche Spannungen hineinzubringen und ohne etwaige Unebenheiten einzudrücken. Andererseits paßt sich der Fuß B bei seiner Verformungstemperatur leicht dem Druck der Randteile von A an, wodurch die beiden Teile in inniger Berührung gehalten werden, ohne daß das Glas dabei schädlichen Spannungen ausgesetzt ist.

Im Augenblick der Druckeinwirkung befindet sich der Glaskolben A wesentlich unterhalb seiner Verformungstemperatur, und er überträgt, ohne sich dabei zu verformen, den ganzen Druck auf die Berührungsflächen. Da andererseits der Fuß im Kontaktbereich auf dem als Anschlag dienenden Heizkörper 14 aufsitzt, laufen die Ränder nicht Gefahr, außer Berührung zu kommen und bleiben während der ganzen Verschmelzungsdauer dicht aneinandergepreßt. Unter diesen Bedingungen und bei ständiger Einhaltung einer ziemlich hohen Viskosität kann man die Druck- und die Wärmewirkung unter Überführung der innigen Berührung in eine feste Verbindung miteinander 4-° vereinigen.

Die Fig. 3 c zeigt den Zustand der Verbindungsstellen nach Anwendung des Druckes, wobei der gesamte Verbindungsbereich eine Temperatur von etwa 600° hat. Unter diesen Bedingungen und unter der Wirkung des Druckes können die äußersten Teile dieses Bereiches eine leichte Verformung erfahren, wie die Figur zeigt, und die Berührungslinie kann leicht nach dem Fuß hin einsinken, wie die Strichpunktlinie anzeigt. Diese leichte Senkung wirkt sich jedoch auf die Geometrie der Röhre kaum aus. Sie kann im übrigen sehr verringert oder sogar vollstab dig ausgeschaltet werden, wenn die sich entsprechenden Ränder optisch glatt sind, so daß bei ihrer Berührung ohne Ausübung eines Druckes nur ein intramolekularen Abständen entsprechender Zwischenraum entsteht. Diese Vorsichtsmaßnahme erlaubt eine Senkung der Temperatur oder der Heizdauer oder beider, so daß sich die Ränder in festem und wenigstens auf einem Teil ihres Querschnitts nicht verformbarem Zustand verbinden. Man kann unter diesen Bedingungen auch zur Erzielung des gleichen Ergebnisses den Druck verringern. Auf jeden Fall hat man, selbst wenn der Kolben^ zur Aufrechterhaltung eines innigen Kontaktes leicht in das Material des Fußes B eindringen sollte, in einer geeigneten Regelung der Stellung der Unterlagsscheiben 5 und 6 im Kopfteil der Glocke die Möglichkeit, die Eindringtiefe des Kolbens in den Fuß genau und beliebig zu regulieren.

Es wurde andererseits festgestellt, daß man nach dem Verfahren durch die Berührung unter Druck Ränder verschweißen kann, wenn sie nur so abgeschliffen sind, daß sie sich ergänzende Profile besitzen. Im Augenblick der Berührung wird der auf seine Verformungstemperatur vorerhitzte und leicht plastisch gewordene Teil B automatisch fest in der ganzen Verbindungsstelle haften. Man könnte zu diesem Zweck die Temperatur der Vorerhitzung auf 800° steigern, wobei man immer noch in dem Viskositätsbereich von 3 · 10⁷ bleibt.

Die Verwendung eines Heizkörpers, auf dem der Fuß der Röhre direkt aufsitzt, gewährleistet auch noch den Vorteil einer ausgezeichneten, Wärmeausnutzung und bewirkt eine Konzentration der Wärme an den Außenrändern des zu verschweißenden Teiles.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der man schon vorher durch eine sorgfältige Glättung zweckmäßig bis zur optischen Glätte ein vollständiges Aneinanderhaften der Berührungsflächen gewährleistet, kann man die zu verbindenden Ränder im Augenblick t_} der Erhitzung des Fußes unter Druck setzen. Die beiden Teile besitzen dabei dieselbe Entgasungstemperatur. Die örtliche Erhitzung dauert von t_x bis i₈, wobei sich diese Dauer nach der Dicke des Fußes richtet.

Man kann den Glasfuß auch durch einen Keramikfuß ersetzen, den man mit dem Glaskolben verschweißt.

Ebensoi könnte man auf den Glasfuß einen metallischen, insbesondere einen Stahlkolben aufschweißen.

Es sei bemerkt, daß beim vorhergehenden Glätten bis zu einem optische«! Grade der äußere Teil des Fußes im Innern der fertigen Röhre, welcher die Verlängerung der Verbindungslinien bildet, auf Grund dieser Glättung sein charakteristisches Aussehen behält. Dieser Teil ist in Fig. 3 c und 4 mit PO bezeichnet.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum vakuumdichten Verbinden von Kolben ohne Pumpstutzen für Elektronenröhren und ähnliche Entladungsgefäße, bei denen wenigstens ein Teil aus Glas besteht, unter einer Glocke ohne Anwendung einer Flamme oder eines Gebläses, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Ränder der miteinander zu verschmelzenden Teile so bearbeitet werden, daß sie sich ergänzende Profile aufweisen, daß der Rand der Glasteile poliert wird und die Teile unter die Glocke gebracht werden, daß dann der Glasfuß des Gefäßes direkt auf einem induktiv aufheizbaren Ring aus Graphit angebracht, die Glocke ausgepumpt, die Wände getrocknet und die Elektroden entgast werden, daß danach die zu verbindenden Teile in direkte Berührung miteinander gebracht werden und darauf gleichzeitig ein Wärmestoß und ein erheblicher Druck angewendet wird in der Weise, daß der Wärmestoß aus einer örtlichen Erhitzung von etwa 2 bis 5 Minuten Dauer besteht, die in der ganzen Berührungszone auf die beiden zu verschmelzenden Teile angewandt wird, derart, daß diese Zone auf eine Temperatur kommt, welche die Transformationstemperatur des verwendeten Glases übersteigt, wobei die Erwärmung so ge-

regelt wird, daß die Viskosität des Glases nicht unter 3 · 10⁷ Poise absinkt und der auf die zu verbindenden Ränder ausgeübte Druck zwischen 2 und 10 kg/cm^a liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Teile so geschliffen und poliert sind, daß sie beim Aneinanderbringen eine vakuumdichte Verbindung bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekerntzeichnet, daß mindestens der Glasteil optisch glatt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 846 741;
deutsche Patentanmeldung C 3997 VIIIc/21g;
Espe-Knoll, »Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik«, Berlin 1936, S. 118ff., 159 bis 162, 189ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen