DE102007048738A1 - Metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster - Google Patents
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Abstract
Im Unterschied zu bekannten Anordnungen wird unter Nutzung des vergleichsweise einfachen Aktivlötens für die Verbindung des aus Saphir bestehenden, scheibenförmigen optischen Fensters mit Metall das Arbeiten bei hohen Temperaturen von bis zu ca. 1000°C ermöglicht. Das Saphirfenster wird in die Senkung der axisymmetrischen Bohrung einer Metallscheibe aus Vacon 70 eingepasst, wobei auf dem durch die Senkung gebildeten Absatz ein 50 µm platter Aktivlotring appliziert wird, so dass man das Saphirfenster mit einer seiner Stirnflächen gegen das Metall lötet. Der Innendurchmesser des Aktivlotrings wird so dimensioniert, dass der Ring ca. 0,5 mm von der Absatzkante entfernt ist und der Außendurchmesser ca. 0,1 mm kleiner als der Durchmesser der Senkung gehalten wird. Die Breite des durch die Senkung gebildeten Absatzes liegt in der Regel zwischen 1 mm und 1,5 mm. Das Aktivlot hat eine Lotzusammensetzung in Gew.-% von vorzugsweise Ag96Ti4. Die Lötung erfolgt vorzugsweise in einem Hochvakuumofen. Nach der Lötung wird die Metallscheibe in das Ende eines in der Regel aus Edelstahl oder Hastelloy gefertigten Rohres eingepasst und mit diesem vorzugsweise durch eine Laserstrahlschweißung vakuumdicht verbunden. Die Metalllegierung Vacon 70 kann inklusive der Schweißnaht mit einer Nickelschicht überzogen sein. Das metallische Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster dient vorzugsweise dem Immersionsschutz faseroptischer Sonden für die Analytik bzw. Prozesskontrolle.
Description
- Die Erfindung betrifft ein metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden. Das Schutzrohr besteht aus einem vorzugsweise aus Edelstahl oder Hastelloy gefertigten Rohr, das an einem Ende mit einem optischen Fenster vakuumdicht verschlossen ist, wobei, insbesondere bei der Forderung nach hinreichender Temperaturfestigkeit, für das optische Fenster in der Regel Saphir als Material verwendet wird. Das Schutzrohr kann vergleichsweise lang sein und z. B. eine faseroptische Sonde für die diffuse Reflektion aufnehmen. Es kann aber auch relativ kurz sein, wenn es Bestandteil einer Durchflussküvette oder einer Transmissionstauchsonde ist.
- Metallische Schutzrohre mit temperaturfest integriertem Saphirfenster sind bekannt. In der Patentschrift
US 65 87 195 wird ein rundes Saphirfenster mit einer stufenförmigen Mantelfläche beschrieben, das durch einen speziell profilierten, mit Gold beschichteten Dichtring gegen ein Rohr aus Edelstahl oder Hastelloy versiegelt wird, wobei die die Dichtung pressende und ebenfalls aus Edelstahl oder Hastelloy gefertigte Muffe durch ein Elektronenstrahlschweißen mit dem Schutzrohr verbunden ist. Damit wird eine Arbeitstemperatur von höchstens 750°C gewährleistet, was für gedichtete Fenster einen Spitzenwert bedeutet. - Um den hinsichtlich der Temperatur möglichen Arbeitsbereich der Quarz/Quarz Fasern von bis zu 1000°C (blanke Kern/Mantel Fasern) voll ausschöpfen zu können, stehen im Prinzip die an sich bekannten Technologien des Sinterns und des Hochtemperaturlötens für eine vakuumdichte Verbindung von Saphir mit Metall zur Verfügung.
- In der Patentschrift
US 46 66 251 wird ein gesintertes Saphirfenster für eine Bleidampframanzelle beschrieben, das für Einsatztemperaturen von deutlich über 1000°C ausgelegt ist. Beide genannten Technologien sind mit dem Problem der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten der Konstruktionsmaterialien an den des Saphir behaftet. Im vorliegenden Fall wird das dadurch gelöst, dass die rohrförmigen Zellwände aus Niob oder Tantal bestehen, wobei das Rohr in eine in die Stirnfläche der Saphirscheibe eingefräste Nut speziell eingepasst wird. Abgesehen von den teuren Konstruktionsmaterialien und des komplizierten Herstellungsverfahrens kann für den industriellen Einsatz als metallisches Schutzrohr nicht hingenommen werden, dass der größte Durchmesser der Anordnung durch die Saphirscheibe gegeben ist. - In den Patentschriften
US 41 79 037 undUS 50 46 854 , in denen eine Hochtemperaturlötung zum Einsatz kommt, löst man das Problem der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten durch die Verwendung von Kovar als Konstruktionsmaterial. In der SchriftUS 50 46 854 , die faseroptische Tauchsonden und Durchflussküvetten beschreibt, sind die Saphirfenster in die Senkung von Kovarröhrchen durch eine Mantellötung eingepasst, d. h. die Lötung erfolgt zwischen der Innenwand des Kovarröhrchens und der Mantelfläche der Saphirscheibe. In der PatentschriftUS 41 79 037 , die eine Xe Bogenlampe behandelt, wird die Saphirscheibe nicht mit ihrer Mantelfläche, sondern mit einer ihrer Seitenflächen gegen ein dünnwandiges Kovarrohr gelötet. Die andere Seitenfläche ist nach innen gewandt. Die Autoren versprechen sich von der Kopflötung, dass die Lötstelle deutlich stärker einer Druckbelastung als einer Zugbelastung unterliegt, was die Saphirscheibe besser verträgt als die Zugbelastung, die bei einer Mantellötung vorliegt. Sie sprechen von einer Messerschneidenlötung, weil die Scheibe auf die dünne Rohrwand gesetzt wird. In beiden Schriften werden keine Temperaturangaben gemacht. In der PatentschriftUS 35 55 450 , die ebenfalls ein Hochtemperaturlötverfahren beschreibt und die Abdichtung eines Laserfensters mit einer Mantellötung behandelt, werden 600°C als mögliche Arbeitstemperatur genannt. - Neben der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten haben die Hochtemperaturlötverfahren den gemeinsamen Nachteil, dass sie eine metalllisierte Keramik bzw. Saphirscheibe benötigen. Die Metalllisierung ist allgemein ein sehr aufwendiges Verfahren, das mit viel sehr schwer vermittelbarem know how verbunden ist. In der Patentschrift
US 32 89 291 wird z. B. die Metalllisierung einer Al2O3 Keramik beschrieben, die von einer komplizierten Mixtur mit Platinpulver, die u. a. Manganoxyd und Manganstearat enthält und u. a. in Ethylzellulose aufgelöst ist, ausgeht, die auf die Keramik aufgetragen wird. Anschließend erfolgt über ein spezielles Sinterverfahren bei Temperaturen zwischen 1100°C und 1300°C die Metallisierung der Al2O3 Keramik. Daneben sind andere, ähnlich komplizierte Verfahren bekannt. In jüngster Zeit werden sogar das Aufbürsten (DE 34 12 742 C1 ) bzw. das Aufreiben (DE 197 34 211 C2 ) für die Metalllisierung vorgeschlagen. Letztere sind für optische Flächen allerdings kaum geeignet. - Vereinzelt sind Hochtemperaturlötverfahren bekannt, die zumindest teilweise ohne vorherige Metalllisierung der Keramik auskommen. In der Patentschrift
US 34 87 536 wird eine Lötung von Aluminiumoxyd bzw. Berylliumoxyd mit Metall beschrieben, die für Arbeitstemperaturen bis zu 1500°C geeignet ist. Als Konstruktionswerkstoffe werden Niob und Tantal verwendet. Wie schon in dem w. o. beschriebenen Sinterverfahren wird die im Vergleich zu den Keramiken geringere Wärmeausdehnung der genannten Metalle genutzt. Abgesehen von den teuren Metallen ist es auch ein aufwendiges Verfahren, das ein spezielles Temperatur-Zeit Regime bei Temperaturen bis zu 1900°C erfordert. - Der Hochtemperaturlötprozess muss unter sehr definierten Bedingungen stattfinden. Insbesondere müssen die Oberflächen sauber und nicht oxydiert sein. Auch dürfen sich die verschiedenen Legierungen gegenseitig nicht vergiften. Der Prozess findet deshalb in der Regel unter Hochvakuum statt. Möglich ist auch eine Prozessführung unter Schutzgas. In der Patentschrift
DE 100 55 910 A1 wird unter Umgehung des Hochvakuums eine lokale Erwärmung durch einen elektrischen Stromfluss vorgeschlagen. Allerdings setzt das eine bereits metalllisierte Keramik voraus und ist speziell für Carbidkeramiken gedacht. - Neben dem eigentlichen Hochtemperaturlöten ist das Aktivlöten bekannt. Es unterliegt einer ähnlichen Prozessführung. Allerdings liegt das für die Benetzung der nichtmetallischen Oberfläche grenzflächenaktive Element bereits in der Lotlegierung vor. Diese Elemente, wie insbesondere Ti, aber auch Zr und Hf, haben eine dissoziierende Wirkung auf die kovalenten Bindungen keramischer Grundwerkstoffe. Titan setzt z. B. unter Bildung von TiO2 Aluminium an der Oberfläche von Al2O3 Keramiken frei, was zusammen mit dem Lot zu einer Benetzung führt. Man erspart sich dadurch den komplizierten Schritt der Metalllisierung im Hochtemperaturlötprozess. Aktivlote sind seit langem bekannt. Sie sind allerdings sehr spröde. Erst in jüngster Zeit ist es gelungen, hinreichend duktile Aktivlote herzustellen. Eine zusammenfassende Darstellung zum Aktivlöten findet man z. B. in M. Boretius u. a. „Fügen von Hochleistungskeramik: Verfahren-Auslegung-Prüfung-Anwendung", VDI-Verlag, Düsseldorf 1995.
- Beim Aktivlöten hängen die Art der Ausbildung der Reaktionsschicht und damit die Benetzung, aber auch die Qualität der Verbindung selbst empfindlich von den Parameter Temperatur und deren Haltezeit, sowie der Prozessführung allgemein, und der verwendeten Lote und Konstruktionswerkstoffe, jedoch auch von der konstruktiven Anordnung der zu verbindenden Partner ab. Ausserdem liegt das Augenmerk praktisch ausschließlich auf dem Fügen von Keramiken. Es ist z. B. nicht klar, wie positiv die in dem Monokristall Saphir nicht vorhandenen Korngrenzen der polykristalllinen Al2O3 Keramik die Benetzung und Haftung beeinflussen oder andererseits das Fügen von Saphir erschweren.
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Anordnung und ein Verfahren zu entwickeln, mit denen man unter Nutzung des vergleichsweise einfachen Aktivlötens ein Saphirfenster temperaturfest in ein metalllisches Schutzrohr für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden integrieren kann, wobei der für die Temperatur mögliche Arbeitsbereich von Quarz/Quarz Fasern von ca. 1000°C ausgeschöpft werden soll.
- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bis 6 angegebenen Merkmale gelöst.
- Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine prinzipielle Ausführungsform der Erfindung, -
2 eine weitere prinzipielle Ausführungsform der Erfindung, speziell für dünne Saphirscheiben mit relativ geringem Durchmesser, -
3 den Kopfbereich einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Schutzrohres für faseroptische Sonden für die diffuse Reflektion mit Linsenvorsatz und -
4 den Kopfbereich einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Schutzrohres für Faseroptische Sonden für die diffuse Reflektion ohne Linsenvorsatz. -
1 zeigt eine Saphirscheibe1 mit dem Durchmesser D eingepasst in eine Senkung3 des Deckels2 . Sie verschließt damit die im Deckel2 vorhandene Bohrung4 mit dem Durchmesser d. Auf dem durch die Senkung3 gebildeten Absatz der Dimension (D – d)/2 ist ein platter Ring5 aus einem Aktivlotmaterial appliziert. Der Deckel2 ist in eine Senkung7 des Schutzrohres6 eingepasst und mit diesem durch die Laserschweißnaht8 vakuumdicht verbunden. - Der Deckel
2 besteht aus der Metalllegierung Vakon 70 (Werkstoffnummer 1.3982). Dieses Material ist sehr gut an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Saphir von 8.4 × 10–6°C–1 angepasst, besser als das weiter oben zitierte Kovar (Werkstoffnummer 1.3981). Vor allem ist der Ausdehnungskoeffizient in einem weiten Temperaturbereich konstant, was für Temperaturwechselbelastungen von Vorteil ist. Das Schutzrohr6 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder Hastelloy. - Die Dimensionierung des Absatzes (D – d)/2 berücksichtigt zunächst, dass man für einen gegebenen Scheibendurchmesser D einen möglichst großen Lichtdurchsatz haben möchte. Andererseits sollte er einen eventuellen äusseren Druck gut aufnehmen können. Besonders wichtig ist auch, dass der auf der Fensterfläche letztlich entstehende Lotring ausreichend schmal gehalten werden kann. Der Absatz sollte nicht wesentlich unter einem Millimeter sein, in der Regel aber auch 1,5 mm nicht überschreiten.
- Die Wahl einer Kopflötung statt einer Mantellötung resultiert zunächst aus der weiter oben geführten Diskussion, wonach Saphir gegen Druckkräfte wesentlich resistenter als gegen Zugkräfte ist. Ausserdem lässt sich das Lotmaterial auf dem Scheibenmantel schwer applizieren. Im Lötprozess schwimmt die Saphirscheibe, was zur inhomogenen Benetzung und zu Undichtigkeiten führt. Die Senkung sollte deshalb vorzugsweise einen Durchmesser von D + 0.02 mm mit einer Toleranz von +0.03 mm haben. Zusätzlich kann die Saphirscheibe für eine gute Benetzung während der Lötung mit einem Gewicht von ca. 0.3–0.7 g pro mm2 Auflagefläche belastet werden.
- Bei der Dimensionierung des Lotringes ist zu beachten, dass der Ausdehnungskoeffizient des Lotmaterials ca. 24 × 10–6°C–1 beträgt, was sich von dem des Saphirs und des Deckelmaterials deutlich unterscheidet. Bei großen Lotmengen entstehen daher insbesondere bei Temperaturwechselbelastungen Zugkräfte, die zu Muschelbrüchen der Saphirscheibe führen, die durch einen möglichst dünnen und hinreichend schmalen platten Aktivlotring
5 vermieden werden können. Vorzugsweise sollte der Lotring eine Dicke von 50 μm, einen inneren Durchmesser von d + 1.0 mm und einen äußeren Durchmesser von D – 0.1 mm haben. - Mit einem Aktivlot der Lotzusammensetzung in Gew.-% von Ag96Ti4, was als Braze Tec CB2 von der Firma Umicore bezogen werden kann, lässt sich für das metallische Schutzrohr mit temperaturfest integriertem Saphirfenster ein Arbeitsbereich bezüglich der Temperatur von bis zu 950°C realisieren. Die Lötung erfolgte dabei in einem Hochvakuumofen, der bis 10–6 mbar evakuiert werden kann, so dass im Lötprozess ein Druckbereich von 10–4 bis 10–6 mbar vorlag. Für das Temperatur-Zeit Regime hat sich ein Stufenprofil bewährt, bei dem zunächst mit einer Geschwindigkeit von 20°C/min auf 940°C geheizt wird, um nach einer Haltezeit von 10 min mit 7°C/min auf 1010°C aufzuheizen, worauf sich nach einer Haltezeit von 5 min die Abkühlphase anschließt.
- Neben CB2 kann man auch ein Aktivlot mit einer Lotzusammensetzung in Gew.-% von Ag70.5Cu26.5Ti3, das als Braze Tee CB4 ebenfalls von der Firma Umicore bezogen werden kann, verwenden. Allerdings lässt sich damit nur ein Arbeitsbereich für das Schutzrohr bis ca. 750°C ermöglichen. Im Lötprozess geht das Temperatur-Zeit Regime bis zu 900°C. U. a. wegen des geringeren Titangehaltes ist das Lot duktiler, was die Muschelbruchproblematik etwas entschärft.
- Die wegen der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten einzusetzende stark eisenhaltige Legierung (Vakon 70) kann durch eine Nickelschicht gegenüber aggressiven Chemikalien passiviert werden. Es bietet sich eine Galvanisierung an, mit der der Deckel
2 , die Schweißnaht8 und der angrenzende Teil des Schutzrohres6 mit einer 15 μm dicken Nickelschicht überzogen werden. - Die
2 zeigt eine prinzipielle Ausführungsform der Erfindung für eine halb so große Saphirscheibe wie in der1 . Es gelten hier die gleichen Bezeichnungen. Zu beachten ist die spezielle Profilierung des Deckels2 . Trotz der deutlich dünneren Saphirscheibe wurde im Vergleich zur1 die Dicke des Deckels2 beibehalten, so dass eine hohe Steifigkeit der Anordnung gewährleistet wird, was der Stabilität der Fügung entgegen kommt. Der Absatz (D1 – d1)/2 ist 1 mm groß. Der platte Lotring hat eine Breite von ca. 0.6 mm. Die deutlich geringeren Dimensionen der Lötung machen Saphirscheiben mit kleinerem Durchmesser weniger anfällig gegenüber Muschelbruch. - In der
3 ist der Kopfbereich einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Schutzrohres für faseroptische Sonden für die diffuse Reflektion mit Linsenvorsatz zu sehen. Bei der diffusen Reflektion zerstören direkte Reflektionen den Kontrast der zu untersuchenden Spektren. Wegen des großen Brechungsindexes (1.77) von Saphir müssen die Scheiben deshalb entsprechend stark zur optischen Achse geneigt sein. Im konkreten Fall beträgt der Neigungswinkel 20°. Trotz dieses großen Winkels wird für die Anordnung noch ein Strahldurchmesser von 10.5 mm gewährleistet, so dass im Innern des Rohres bequem eine Vorsatzlinse (nicht gezeigt) angeordnet werden kann. Es wird die Deckelanordnung aus der1 verwendet, wobei zunächst die Lötung durchgeführt wird, und danach die Laserschweißung8 erfolgt. - Die
4 zeigt den Kopfbereich einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Schutzrohres für faseroptische Sonden für die diffuse Reflektion ohne Linsenvorsatz. Ebenfalls zu sehen ist das Bündel9 aus Quarz/Quarz Fasern. Für die Gewährleistung des Arbeitsbereiches der Sonde bis zu 950°C handelt es sich dabei um blanke Kern/Mantel Fasern. In dieser Anordnung befindet sich das zu diagnostizierende Medium direkt auf der äusseren Fläche der Saphirscheibe. Deshalb wird die Saphirscheibe1 vollständig im Deckel2 versenkt, so dass die Schutzrohrspitze eine Ebene bildet. Infolgedessen wird in der Regel die Tiefe der Senkung3 des Deckels2 der Dicke der Saphirscheibe1 angepasst. Im übrigen wird hier die Deckelanordnung der2 eingesetzt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (6)
- Metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden bestehend aus einem vorzugsweise aus Edelstahl oder Hastelloy gefertigten Rohr und einem scheibenförmigen Deckel aus Metall mit einem optischen Fenster aus Saphir, der ein Ende des Schutzrohres verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der runde Deckel
2 aus Vakon 70 (Werkstoffnummer 1.3982) besteht, eine axisymmetrische Öffnung4 mit dem Durchmesser d besitzt, eine ebenfalls axisymmetrische Senkung3 aufweist, in die eine Saphirscheibe1 mit einem Durchmesser D eingepasst ist, und auf dem durch die Senkung3 gebildeten Absatz (D – d)/2 ein platter Aktivlotring5 mit einer Dicke von vorzugsweise 50 μm appliziert wurde, dessen innerer Durchmesser vorzugsweise d + 1.0 mm beträgt und der einen äusseren Durchmesser von ca. D-0.1 mm hat, wobei der Deckel2 in der Regel in eine Senkung7 des metallischen Schutzrohres6 eingepasst ist und mit diesem vorzugsweise durch eine Laserschweißung8 verbunden wurde. - Metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivlot eine Lotzusammensetzung in Gew.-% von Ag96Ti4 hat (z. B. Braze Tec CB2 der Firma Umicore) und die Lötung nach einem angepassten Temperatur-Zeit Profil bei Temperaturen bis zu 1010°C durchgeführt wird, was vorzugsweise in einem Hochvakuumofen bei Drücken im Bereich von 10–4 bis 10–6 mbar erfolgt.
- Metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivlot eine Lotzusammensetzung in Gew.-% von Ag70.5Cu26.5Ti3 hat (z. B. Braze Tee CB4 der Firma Umicore) und die Lötung nach einem angepassten Temperatur-Zeit Profil bei Temperaturen von bis zu 900°C durchgeführt wird, was vorzugsweise in einem Hochvakuumofen bei Drücken im Bereich von 10–4 bis 10–6 mbar erfolgt.
- Metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Senkung
3 im Deckel2 gebildete Absatz (D – d)/2 nicht wesentlich kleiner als 1 mm und in der Regel nicht größer als 1.5 mm ist, die Senkung3 einen Durchmesser von D + 0.02 mm mit einer Toleranz von 0.03 mm hat und die Tiefe der Senkung3 der Dicke der Saphirscheibe entspricht. - Metallische Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden nach den Ansprüchen 1 und 4, sowie einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallteil des Deckels
2 inklusive der Schweißnaht8 und des angrenzenden Teiles des Schutzrohres6 mit einer Nickelschicht überzogen sind. - Metallisches Schutzrohr mit temperaturfest integriertem optischen Fenster für den Immersionsschutz faseroptischer Sonden nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, sowie einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötung unter Schutzgas, in der Regel Argon, und vorzugsweise mit einem Induktionsofen erfolgt.
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