DE1421869B2

DE1421869B2 - Entglasungsfester quarzglaskoerper

Info

Publication number: DE1421869B2
Application number: DE19621421869
Authority: DE
Inventors: Norman George Morelock Char les Robert New York NY Ainshe (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1960-11-22
Filing date: 1962-05-22
Publication date: 1971-03-11
Also published as: US3231744A; DE1421869A1; DE1133428B; GB1011591A; NL258241A; GB1011541A

Description

oder darüber, und der die Lichtquelle einschließende Kolben muß daher eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen und trotzdem fest und durchscheinend bleiben.

Der derzeit beste Werkstoff für die genannten Anforderungen ist geschmolzenes Siliciumdioxid oder Quarzglas. Bei Temperaturen von 1000° C und höher läßt jedoch sogar Quarzglas zu wünschen

Dampf- und Bogenlampen liegen die Betriebstempe- io der Ursache der Kristallisationskernbildung des raturen häufig in der Größenordnung von 1000° C Cristobalits auf der freiliegenden Oberfläche von

Quarzglaskörpern führten zu dem Schluß, daß zumindest die anfängliche Kernbildung durch Verunreinigungen der Oberfläche verursacht wird. Es 15 wurden dann weitere Untersuchungen angestellt, um zu bestimmen, welche Faktoren die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristalle in den Körper maßgeblich bestimmen, wenn die Kernbildung einmal erfolgt ist. Dabei wurde schließlich gefunden, daß Sauerstoff

übrig. Der wesentlichste Mangel besteht darin, daß 20 dasjenige Element ist, das hauptsächlich für das Quarzglas bei hohen Temperaturen entglast, d. h. übermäßige Wachsen der Kristalle in den Quarzrekristallisiert. Rekristallisiertes Quarzglas hat aber körper hinein verantwortlich ist. praktisch keine Festigkeit mehr, wenn es auf Da es in der Praxis unmöglich ist, ein System

Zimmertemperatur abgekühlt wird. Wenn eine Ent- vollständig sauerstofffrei zu halten, muß man auf glasung einmal eingetreten ist, treten außerdem in 25 irgendeine Weise dafür sorgen, daß der Sauerstoff Quarzglas Risse und Sprünge auf, die die Licht- dauernd aus der Nähe von Quarzglaskörpern entfernt .durchlässigkeit erheblich beeinträchtigen. wird. Auch wenn der Sauerstoffgehalt einer- mit der

Die Entglasung tritt bei Quarzglas mit merklicher Oberfläche eines hocherhitzten Quarzglaskörpers in Geschwindigkeit bei Temperaturen vori etwa 1000° C Berührung stehenden Atmosphäre so weit wie mögbis hinauf zu 1710° C, dem Schmelzpunkt des 30 Hch verringert ist, kann dadurch eine Entglasung /J-Cristobaüts, auf. ß-Cristobalit ist das Entglasungs- nur teilweise verhindert werden, da eine große Menge produkt im ganzen Entglasungstemperaturbereich. von Sauerstoff durch Quarzglas nachdiffundieren Die Bildung von Kristallisationskernen des Cristo- kann.

balits ist im allgemeinen auf die Außenfläche der Sowohl Wasser als auch Sauerstoff reagieren mit

Probe begrenzt, unter bestimmten Bedingungen kann 35 stark reduzierenden Stoffen oder Gettern, und es jedoch an einer Innenfläche eine Kernbildung ein- ist daher anzunehmen, daß die Entglasungstreten. geschwindigkeit in einem Wasserdampf und Sauer-

Wenn die Oberfläche nicht besonders behandelt stoff enthaltenden System beträchtlich verringert wird, ist, bilden sich viele Kristalle, die zusammenwachsen wenn man geeignete Getter einführt. Es wurde eine und eine durchgehende polykristalline Schicht auf 40 ganze Reihe von Materialien geprüft, und dabei der ganzen Oberfläche bilden. Die Entglasung wurde gefunden, daß sich diejenigen chemischen schreitet dann mit einem mehr oder weniger gleichförmigen Dickerwerden dieser Schicht auf Kosten
des verbleibenden glasartigen Materials fort.

ß-Cristobalit hat kubische Struktur und ist daher 45 1000° C oder darüber höchstens ΙΟ"¹⁸ Torr beträgt, optisch isotrop. Eine Quarzglasprobe, die in hohem Es wurde insbesondere gefunden, daß Stücke aus Maße entglast ist, bleibt daher bei der Entglasungstemperatur transparent. Beim Abkühlen der Probe
bildet sich jedoch infolge des unterschiedlichen

Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglas und Cristo- 50 gettern und die Entglasungsgeschwindigkeit der balit ein ziemlich grobes Netzwerk von Sprüngen. Quarzglaskörper genügend herabsetzen. Außerdem Die Probe bleibt jedoch während der Abkühlung ist es möglich, mit thermisch auf den freiliegenden bis etwa 250° C noch transparent, bei dieser Tem- Flächen von Quarzglaskörpern in Form einer dünnen peratur wandelt sich der /J-Cristobalit dann schnell Schicht niedergeschlagenem Graphit und Silicium in den tetragonalen a-Cristobalit um. Was man beim 55 das Quarzglas gegen Sauerstoff zu isolieren und Betrachten eines entglasten Quarzkörpers normaler- kontinuierlich Sauerstoff abzugettern. weise sieht, ist diese opake, weiße Masse aus Es ist zwar bekannt, zur Unterstützung des

a-Cristobalit. Der «-Cristobalit ist normalerweise Pumpprozesses bei der Herstellung von Elektronenvoll von Sprüngen und Fehlern, und die Korngröße röhren und zur Aufrechterhaltung des Vakuums ist beträchtlich kleiner als die des /3-Cristobalit, der 60 trotz abgegebener Gasreste in abgeschmolzenen sich ursprünglich bei der hohen Temperatur gebildet Röhren Sorptionserscheinungen der Gase an festen hatte. Wird der a-Cristobalit wieder über den bzw. vorübergehend dampfförmigen Stoffen auszua-/MJmwandlungspunkt erhitzt, so erfolgt eine nutzen. Als solche können im einfachsten Fall gegenerneute Umwandlung in ß-Cristobalit. Wegen der über der Raumtemperatur stark gekühlte, insbesonvielen Sprünge, die bei der Abkühlung entstanden 6₅ dere poröse Flächen (Glas, Kohle) dienen. Gute waren, bleibt der /i-Cristobalit dann jedoch ziemlich Sorptionsmittel sind ferner einige massive Metalle undurchsichtig. Bei einer Erhitzung auf etwa 1600" C (z.B. Ta, Zr), sowie P und die meisten Metalle in verringert sich die Undurchsichtigkeit, und die Probe dampfförmigem bzw. feinverteiltem kondensiertem

Elemente zur Verhinderung einer übermäßigen Entglasung von Quarzglas eignen, die Oxide bilden, deren Dissoziationsdruck bei Temperaturen von

reinem Graphit, Chrom oder Silicium in der mit den Quarzglasflächen in Verbindung stehenden Atmosphäre kontinuierlich Sauerstoff,-aus dem System

Zustand (W, Ni, Cu, besonders die Alkali- und Erdalkalimetalle). Ausschließlich zur Wasserdampfabsorption werden Phosphorpentoxid, Chlorcalcium und andere »Trockenmittel« angewendet.

Die bekannten Gettermethoden dienen lediglich zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines möglichst guten Vakuums, und es finden sich im Stand der Technik keinerlei Hinweise, daß das Entglasen von bei hohen Temperaturen betriebenen Quarzglaskörpem dadurch verhindert werden kann, daß man den Sauerstoffpartialdruck auf der den hohen Temperaturen ausgesetzen Seite des Quarzglaskörpers durch geeignete Maßnahmen sehr niedrig hält.

Gemäß der Erfindung wird also die Aufgabe, einen entglasungsfesten Quarzglaskörper, insbesondere für ein bei hohen Temperaturen betriebenes Entladungsgefäß einer elektrischen Entladungslampe, mit mindestens einer von der Außenatmosphäre isolierten Oberfläche zu schaffen, dadurch gelöst, daß mit der von der Außenatmosphäre isolierten Oberfläche ein fortlaufend Sauerstoff bindendes Element in Berührung steht, das ein Oxid bildet, dessen Dissoziationsdruck bei einer Temperatur von etwa 1000° C höchstens ΙΟ"¹⁸ Torr beträgt.

Durch diese Maßnahme kann das Entglasen eines Quarzglaskörpers weitestgehend vermieden werden. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines entgfasungsfesten Quarzglaskörpers gemäß der Erfindung und

F i g. 2 eine vereinfachte Darstellung einer elektrischen Entladungslampe, die als Entladungsgefäß einen entglasungsfesten Quarzglaskörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.

F i g. 1 zeigt einen Quarzglaskörper 10 mit einem abgeschlossenen Innenraum, dessen Innenseite 11 also vollständig gegen die Außenatmosphäre isoliert ist, die an eine Außenseite 12 angrenzt. Der Körper 10 bildet also eine gegen die Atmosphäre abgeschlossene Kammer 13. Bei höheren Temperaturen kann von der Außenseite des Körpers Sauerstoff durch die Wände diffundieren und das Entstehen von Kristallisationskemen und die Bildung von Cristobalit verursachen, der dann von innen nach außen wächst. Um diesen unerwünschten Effekt zu verhindem, wird gemäß der Erfindung in die Kammer 13 ein chemisches Element eingebracht, das ein Oxid bildet, dessen Dissoziationsdruck bei Temperaturen von mindestens 1000° C höchstens 10~¹⁸ Torr beträgt. Dieses Element steht also in Verbindung mit der Atmosphäre in der Kammer 13 und damit der Innenwand 11 und bindet laufend Sauerstoff. Geeignete Werkstoffe für diesen Zweck sind Chrom, Kohlenstoff und Silicium. Wenn das chemische Element nicht in Form eines Körpers 15 eingebracht werden soll, kann es in Form einer Schicht auf die Innenwand 12 aufgebracht werden.

F i g. 2 der Zeichnung zeigt eine Höchsttemperaturlampe, die einen Quarzglaskolben 20 enthält, der eine abgeschlossene Elektrodenkammer 21 begrenzt. Der Quarzglaskörper ist dann in irgendeiner Anordnung eingeschlossen, die hier als Glaskolben 25 dargestellt ist und die eine Kammer bildet, welche den Quarzglaskolben 20 gegen die äußere Atmosphäre isoliert. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Getterelement in der zweiten Kammer, d. h. der Isolierungskammer, also in dem Raum zwischen dem Quarzglaskörper 20 und dem Glaskolben 25, so daß es in Berührung mit der den Quarzglaskörper 20 umgebenden Atmosphäre steht. Das Gettermaterial ist in Fig. 2 mit 26 bezeichnet. In der Elektrodenkammer befinden sich im Abstand voneinander angeordnete Elektroden 30, 31, die zur Erzeugung von Licht über Leitungen 32 an eine Stromquelle angeschlossen werden können. In manchen Fällen enthält die Elektrodenkammer 21 außerdem noch zusätzlich ein Material, wie Natrium oder Quecksilber, das zur Lichterzeugung durch die Elektroden 30, 31 beiträgt.

Anordnungen und Gegenstände, die in der beschriebenen und in Verbindung mit F i g. 1 und 2 erläuterten Weise aufgebaut sind, können bei Temperaturen von 1000° C und darüber betrieben und über lange Zeiten Temperaturwechseln unterworfen werden, ohne daß eine übermäßige Entglasung der aus Quarzglas bestehenden Teile eintritt.

Claims

Patentansprüche:

1. Entglasungsfester Quarzglaskörper, insbesondere füf_f ein bei hohen Temperaturen betriebenes Entladungsgefäß einer elektrischen Entladungslampe, mit mindestens einer von der Außenatmosphäre isolierten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der von der Außenatmosphäre isolierten Oberfläche (11, Außenseite von 20) ein fortlaufend Sauerstoff bindendes Element (15, 26) in Berührung steht, das ein Oxid bildet, dessen Dissoziationsdruck bei einer Temperatur von etwa 1000° C höchstens ΙΟ"¹⁸ Torr beträgt.

2. Entglasungsfester Quarzglaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff bindende Element (15, 26) Chrom und/oder Kohlenstoff und/oder Silicium ist.

3. Entglasungsfester Quarzglaskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine dünne Schicht bildet, die auf mindestens einen Teil der von der Außenatmosphäre isolierten Oberfläche (11) aufgebracht ist und diesen Teil bedeckt.

4. Entglasungsfester Quarzglaskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist und in einer gasdichten Kammer (25) angeordnet ist, die ihn von der Außenatmosphäre isoliert, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff bindende Element (26) in der gasdichten Kammer (25) angeordnet ist.

5. Entglasungsfester Quarzglaskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Entladungsgefäß (20) einer bei hohen Temperaturen arbeitenden elektrischen Lampe bildet und zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden (30, 31) enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen