DE1421869C

DE1421869C - Devitrification-proof quartz glass body

Info

Publication number: DE1421869C
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
Publication date: 1971-10-07

Description

oder darüber, und der die Lichtquelle einschließende Kolben muß daher eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen und trotzdem fest und durchscheinend bleiben.or above, and the bulb enclosing the light source must therefore have a particularly high resistance to temperature changes and still remain firm and translucent.

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 wünschenThe currently best material for the requirements mentioned is molten silicon dioxide or quartz glass. At temperatures of 1000 ° C. and higher, however, even quartz glass leaves something to be desired

Dampf- und Bogenlampen liegen die Betriebstempe- 10 der Ursache der Kristallisationskcrnbildung des raturen häufig in der Größenordnung von 1000° C Cristobalits auf der freiliegenden Oberfläche vonSteam and arc lamps are the operating temperature, which is the cause of crystallization temperatures often on the order of 1000 ° C cristobalite on the exposed surface of

Quarzglaskörpern führten zu dem Schluß, daß zumindest die anfängliche Kernbildung durch Verunreinigungen der Oberfläche verursacht wird. Es 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 SauerstoffQuartz glass bodies led to the conclusion that at least the initial nucleation was caused by impurities the surface. Further investigations were then made in order to to determine which factors determine the rate of growth of crystals in the body determine once nucleation has occurred. It was ultimately found that oxygen

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. Rckristallisiertes Quarzglas hat aber körper hinein verantwortlich ist. praktisch keine Festigkeit mehr, wenn es auf Da es in der Praxis unmöglich ist, ein Systemleft over. The most important shortcoming is that 20 is the element that is mainly used for the Quartz glass devitrified at high temperatures, d. H. excessive growth of the crystals recrystallized into the quartz. Recrystallized quartz glass but has body inside it. practically no more strength when it is on As in practice it is impossible to create a 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 derRoom temperature is cooled. If one needs to keep a discharge completely free of oxygen, one has to go on Once glazing has occurred, it also occurs in some way to ensure that the oxygen Quartz glass cracks and cracks which the light permanently removes from the vicinity of quartz glass bodies Significantly affect permeability. will. Even if the oxygen level is one with the

Die Entglasung tritt bei Quarzglas mit merklicher Oberfläche eines hocherhitzten Quarzglaskörpers in Geschwindigkeit bei Temperaturen von etwa' 1000° C Berührung stehenden Atmosphäre so weit wie mögbis hinauf zu 1710° C, dem Schmelzpunkt des 30 lieh verringert ist, kann dadurch eine Entglasung //-Cristobalits, auf. /9-Cristobalit ist das Entgiasungs- nur teilweise verhindert werden, da eine große Menge produkt im ganzen Entglasungstemperatiirbereich. von Sauerstoff durch Quarzglas nachdiffundieren Die Bildung von Kristallisationskernen des Cristo- kann.Devitrification occurs in quartz glass with a noticeable surface of a highly heated quartz glass body Speed at temperatures of about 1000 ° C in contact with the atmosphere as far as possible up to 1710 ° C, the melting point of the 30 borrowed, can cause devitrification // - Cristobalits, up. / 9-cristobalite is the degasification can only partially be prevented because a large amount product in the whole devitrification temperature range. diffuse of oxygen through quartz glass The formation of crystallization nuclei of the Cristo-can.

balits ist im allgemeinen auf die Außenfläche der Sowohl Wasser als auch Sauerstoff reagieren mitbalits is generally on the outer surface of both water and oxygen react with

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-Sample limited, under certain conditions, can 35 strongly reducing substances or getters, and it however, nucleation occurs on an inner surface, so it can be assumed that devitrification occurs. speed in a steam and acid

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.If the surface area of the system containing the substance is not significantly reduced, many crystals will form, which will grow together when suitable getters are introduced. One and one continuous polycrystalline layer was tested on a whole range of materials, covering the entire surface. Devitrification has been found that those chemical progresses with a more or less uniform thickening of this layer at the expense
of the remaining vitreous material.

/('-Cristobalit hat kubische Struktur und ist daher 45 1000⁰C oder darüber höchstens I0~^lä Torr beträgt, optisch isotrop. FJne 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/ ('- cristobalite has a cubic structure and is therefore 45 1000 ⁰ C or above at most ¹⁰ ~ 1 Torr, optically isotropic. A quartz glass sample which is in particular devitrified to a large extent has been found that pieces of size remain - therefore at the Devitrification temperature transparent when the sample cools down
however, forms · ■ as a result of the different

Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglas und Cristo- 50 gettern und die Entglasungsgeschwindigkeit der balit ein ziemlich grobes Netzwerk von Sprüngen. Quarzgiaskörper 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 desExpansion coefficients of quartz glass and cristo getter and the devitrification rate of the balit a fairly coarse network of jumps. Reduce the quartz body sufficiently. Besides that The sample remains however during the cooling it is possible with thermally on the exposed Still transparent up to about 250 ° C, at this temperature surfaces of quartz glass bodies in the form of a thin temperature, the / J-cristobalite then quickly transforms layer of precipitated graphite and silicon into the tetragonal a-cristobalite. What to insulate the quartz glass against oxygen at 55 and Looking at a devitrified quartz body normally - continuously stripping oxygen. looks wise, this opaque, white mass is made from it is known to support the

ft-Cristobalit. Der a-Cristoba!it 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 /J-Cristobalit, der 60 trotz abgegebener Gasreste in abgeschmolzenen sich ursprünglich bei der hohen Temperatur gebildet Röhren Sorptionserscheinungen der Gase an festenft-cristobalite. The a-Cristoba! It is normally a pumping process in the manufacture of electrons full of cracks and flaws, and the grain size tubing and maintaining the vacuum is considerably smaller than that of / J-cristobalite, which 60 has melted in spite of released gas residues originally formed at the high temperature tubes sorption phenomena of the gases on solid

Elemente zur Verhinderung einer übermäßigen Entglasung von Quarzglas eignen, die Oxide bilden, deren Dissoziationsdruck bei Temperaturen vonElements suitable for preventing excessive devitrification of quartz glass, which form oxides, their dissociation pressure at temperatures of

reinem Graphit, Chrom oder Silicium in der mit den Quarzglasflächen in Verbindung stehenden Atmosphäre kontinuierlich Sauerstoff aus dem Systempure graphite, chromium or silicon in the atmosphere connected to the quartz glass surfaces continuously oxygen from the system

hatte. Wird der «-Cristobalit wieder über den
«-/i-Umwandlungspunkt erhitzt, so erfolgt eine
erneute Umwandlung in /i-Cristobalit. Wegen derhad. If the «-cristobalite is again over the
«- / i-transition point is heated, a
renewed conversion into / i-cristobalite. Because of the

pgpg

bzw. vorübergehend dampfförmigen Stoffen auszunutzen. Als solche können im einfachsten Fall gegenüber der Raumtemperatur stark gekühlte, insbeson-or to use temporarily vaporous substances. As such, in the simplest case can be opposite strongly cooled to room temperature, especially

viclen Sprünge, die bei der Abkühlung entstanden 65 dere poröse Flächen (Gias, Kohle) dienen. Gute ibi d jh ilih iil id ii i Mllviclen cracks that occurred during cooling serve as porous surfaces (Gias, coal). Quality ibi d jh ilih iil id ii i Mll

waren, bleibt der //-Cristobalit dann jedoch ziemlich
undurchsichtig. Bei einer Erhitzung auf etwa 1600° C
verringert sich die Undurchsichtigkeit, und die Probethe // - cristobalite remains pretty much
opaque. When heated to around 1600 ° C
the opacity decreases, and the sample

Sorptionsmittel sind ferner einige massive Metalle (z.B. Ta, Zr), sowie P ui\d die meisten Metalle in dampfförmigem bzw. feinvcrteiltem kondensiertemSorbents are also some massive metals (e.g. Ta, Zr), and P ui \ d most of the metals in vaporous or finely divided condensed

Zustand (W, Ni, Cu, besonders die Alkali- und Erdalkalimetalle). Ausschließlich zur Wasserdampfabsorption werden Phosphorpentoxid, Chlorcalcium und andere »Trockenmittel« angewendet.State (W, Ni, Cu, especially the alkali and alkaline earth metals). Exclusively for water vapor absorption Phosphorus pentoxide, calcium chloride and other "drying agents" are used.

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 bsi hohen Temperaturen betriebenen Quarzglaskörpern dadurch verhindert werden kann, daß man den Sauerstoffpartialdruck auf der den hohen Temperaturen ausgesetzen Seite des Quarzglaskörpers durch geeignete Maßnahmen sehr niedrig hält.The known getter methods are only used to produce and maintain one as possible good vacuum, and there are no indications in the prior art that devitrification quartz glass bodies operated at high temperatures this can prevent the partial pressure of oxygen at the high temperatures The exposed side of the quartz glass body is kept very low by taking suitable measures.

Gemäß der Erfindung wird also die Aufgabe, einen entglasungs festen 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 10"¹⁸ Torr beträgt.According to the invention, the object of creating a devitrification-resistant quartz glass body, in particular for a discharge vessel of an electric discharge lamp operated at high temperatures, with at least one surface isolated from the outside atmosphere is achieved in that a continuous oxygen bonding element is in contact, which forms an oxide, the dissociation pressure of which is at most 10 " ¹⁸ Torr at a temperature of about 1000 ° C.

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 zeigtThis measure can largely avoid the devitrification of a quartz glass body. Further developments and refinements of the invention are characterized in the subclaims. In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing; it indicates

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines entglasungsfesten Quarzglaskörpers gemäß der Erfindung undFig. 1 is a partially sectioned view of a first embodiment of a devitrification-proof Quartz glass body according to the invention and

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung einer elektrischen Entladungslampe, die als Entladungsgefäß einen entgiasungsfesten Quarzglaskörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.Fig. 2 is a simplified representation of an electrical Discharge lamp which, as a discharge vessel, has a degassing-resistant quartz glass body according to includes another embodiment of the invention.

F i g. 1 zeigt einen Quarzgiaskörper 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 Kristallisationskernen und die Bildung von Cristobalii 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 10-¹⁸Torr 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. 1 shows a quartz glass body 10 with a closed interior, the inside 11 of which is therefore completely insulated from the outside atmosphere which adjoins an outside 12. The body 10 thus forms a chamber 13 closed off from the atmosphere. At higher temperatures, oxygen can diffuse through the walls from the outside of the body and cause the formation of crystallization nuclei and the formation of cristobalii, which then grow from the inside outwards. To this undesirable effect to verhindem, the invention is a chemical element introduced into the chamber 13 according to which forms an oxide whose dissociation is at most 10- ¹⁸ Torr at temperatures of at least 1000 ° C. This element is therefore in connection with the atmosphere in the chamber 13 and thus the inner wall 11 and continuously binds oxygen. Suitable materials for this purpose are chromium, carbon and silicon. If the chemical element is not to be introduced in the form of a body 15, it can be applied to the inner wall 12 in the form of a layer.

F i g. 2 der Zeichnung zeigt eine Höchsitemperaturlarnpe, 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 Quarzgiaskörper 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.F i g. 2 of the drawing shows a high temperature lamp, which contains a quartz glass bulb 20 which delimits a closed electrode chamber 21. the Quartz glass body is then enclosed in any arrangement, shown here as glass bulb 25 and which forms a chamber which isolates the quartz glass bulb 20 from the external atmosphere. In this embodiment the getter element is located in the second chamber, i. H. the isolation chamber, that is, in the space between the quartz glass body 20 and the glass bulb 25, so that it is in contact with the quartz glass body 20 surrounding it Atmosphere. The getter material is designated by 26 in FIG. 2. In the electrode chamber are spaced apart electrodes 30,31, which are used to generate Light can be connected to a power source via lines 32. In some cases contains the electrode chamber 21 also contains a material such as sodium or mercury, which contributes to the generation of light by the electrodes 30, 31.

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.Arrangements and objects that are described in the description and in connection with F i g. 1 and 2 explained way, can be operated at temperatures of 1000 ° C and above and above be subjected to temperature changes for long periods without excessive devitrification Quartz glass enters existing parts.

Claims

Patent claims:

1. Degassing-resistant quartz glass body, in particular for a discharge vessel of an electric discharge lamp operated at high temperatures, with at least one surface isolated from the outside atmosphere, characterized in that a continuously oxygen-binding element with the surface (11, outside of 20) isolated from the outside atmosphere (15, 26) is in contact, which forms an oxide whose dissociation pressure at a temperature of about 1000 ° C is at most ΙΟ- » ⁸ Torr.

2. Devitrification-resistant quartz glass body after spoke 1, characterized in that the oxygen-binding element (15, 26) chromium and / or Carbon and / or silicon.

3. Degassing-resistant quartz body according to claim 1 core 2, characterized in that the element forms a thin layer covering at least a portion of the external atmosphere insulated surface (11) is applied and covers this part.

4. Degassing-resistant quartz glass body according to one of claims 1 to 3, which has an inner surface and has an outer surface and is disposed in a gas-tight chamber (25) which isolates it from the outside atmosphere, characterized in that the oxygen-binding element (26) arranged in the gas-tight chamber (25) is.

5. Degassing resistant quartz glass body according to one of the preceding claims, characterized in that it is a discharge vessel (20) an electric lamp operating at high temperatures and two at a distance from each other arranged electrodes (30, 31) contains.

1 sheet of drawings