DE1596908B2 - Glas auf der Basis SiO tief 2 -PbO-Alkalioxide für eine akustische Verzögerungsleitung mit einem von seiner thermischen Vergangenheit nahezu unabhängigen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von höchstens 10.10- hoch 6/Grad C - Google Patents

Description

40 fahren hai. In einem Feststoff ist die Ausbreilungsgeschwindigkeit der akustischen Scherungswellen etwa 10⁵mal kleiner als die elektromagnetischer Wellen, so daß auf einer verhältnismäßig kleinen Strecke eine verhältnismäßig große Verzögerung erzielbar ist.

Verzögerungsleitungen finden unter anderen bei Elektronenrechnern, in der Funkmeßtechnik und in der Fernsehtechnik Anwendung. Bei zwei Farbfernsehsystemen werden Verzögerungsleitungen benutzt, um die Farbinformation benachbarter Zeilen eines Rasters kombinieren zu können. Die dabei erforderliche Verzögerungszeit beträgt etwa 64 Mikrosekunden bei 625 Bildzeilen und einer Frequenz von 50 Hz. Bei der in Betracht kommenden Frequenz von; 4,43 MHz und der erforderlichen Bandbreite von etwa 2 MHz ist Glas ein geeignetes Verzögerungs-, medium. Bei einer Änderung der Temperatur darf sich die Bildgüte nicht verschlechtern. Dies bedeutet, daß die Verzögerungszeit bei einem bestimmten Farbfernsehsystem um nicht mehr als 0,05 Mikrosekunde und bei einem anderen System sogar um nicht mehr als 0,01 Mikrosekunde vom Nennwert abweichen darf. Für normale praktische Anwendung müssen Temperaturschwankungen von etwa 3O⁰C berücksichtigt werden, was bedeutet, daß der Absolutwert des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungs-.

45

Die Erfindung bezieht sich auf ein Glas auf der Basis SiO₂ — PbO — Alkalioxide als Verzögerungsmedium für eine akustische Verzögerungsleitung, auf deren Oberfläche zwei Wandler zum Umwandeln eines elektrischen Eingangssignals in ein akustisches Signal und zum Umwandeln dieses akustischen Signals in ein elektrisches Ausgangssignal angebracht sind.

Solche Ultraschallverzögerungsleitungen finden in der Elektronik dort Verwendung, wo Verzögerungen der Größenordnung von 0,01 bis 1 msec bei Bandbreiten bis zu mehreren 10 MHz erforderlich sind. Sie sind an sich bekannt (US-PS 3 154 425).

Bei diesen Verzögerungsleitungen wird ein elek-Irisches Signal mit Hilfe eines piezoelektrischen Elementes in eine mechanische Schwingung, vorzugsweise eine Scherungsschwingung, umgewandelt, und das ak uslische Signal wird, nachdem es das Glas durchlaufen hat, ebenfalls von einem piezoelektrischen hlcmcnl wiederum in ein elektrisches Signal umgewandelt, wobei dieses Signal in bezug auf das ursprüngliche Signal die erwünschte Verzögerung erzeit, d. h.

kleiner als etwa 25 ■ 10"⁶ bzw.

5 · IO"⁶ je Grad Celsius sein muß. Für akustische Speicher in Elektronenrechnern ist der zulässige Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit bei großen Speichern sogar nur höchstens 2 · 10~^h je Grad Celsius.

Auch die Dämpfung der akustischen Schwingungen in der Verzögerungsleitung darf nicht groß sein. Der mechanische Gütefaktor Q muß für Glas für Verzögerungsleitungen in Fernsehempfängern mindestens 2000 und für Glas für Verzögerungsleitungen für Großspeicher bei Elektronenrechnern mindestens 5000 sein. Q ist der reziproke Wert von tg<5, wobei ό den Phasenwinkel zwischen der mechanischen Scherspannung und der mechanischen Verformung angibt, d. h. den Scherwinke] bei Frequenzen weit unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz des Verzögerungskörpers.

Im Handel sind einige Spezialgläser erhältlich, die die vorstehenden Anforderungen wenigstens bei Anwendung in Farbfernsehempfängern zufriedenstellend erfüllen. Es handelt sich hierbei z. B. um Gläser mit der nachstehenden Zusammensetzung:

	Gewichts prozent	Mol prozent	Gewichts prozent	Mol prozent
SiO,	50 40 9 I 0,3	74,7 16,1 8,5 0,6 0,1	50 41 9 0,1	75 16,5 8,5
PbO
K,0	0,03
Na2O
BaO ...
Sb2O3

3 4

Bei den Versuchen, die zur Erfindung führten, maßig niedrig, und sie ändert sich nur wenig mit der

stellte es sich jedoch heraus, daß diese bekannten Zusammensetzung (2400 bis 2600 m/sec).

Gläser besonders empfindlich in bezug auf die ther- Die akustische Verzögerungsleitung, deren Ver-

., mische Vergangenheit sind. Das heißt der Temperatur- zögerungsmedium aus einem Glas besteht, das die

'■Jcoeffizient der Verzögerungszeit von abgeschrecktem, 5 Bestandteile SiO₂, PbO und Alkalioxide enthält, ist

also rasch abgekühltem, Glas unterscheidet sich er- gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß

heblich von demjenigen eines langsamer abgekühlten das Glas die nachstehende Zusammensetzung (in

Glases. Dies führt zu einem nicht reproduzierbaren Molprozent) aufweist:

Produkt. Zum Beispiel beträgt bei einem der vor- ς,-^ ₇₀, · -₈

stehenden Gläser der mittlere Temperaturkoeffizient io _p, Λ . <- , . ,_n

im Bereich von 20 bis 80⁰C vor der Abkühlungsbe- ,' "· V-" V V '' V ;/ j /V m/r,\; u

,λ, , ,_c m-6/o^ j ι j IL. wobei höchstens 5 Mo prozent des PbO durch

handlung +15-10 /C, und nach derse ben ·,, . , ,-f · j χ * ^ r> ,-> •-. ^

η ,π-6,ορη· AUi-Ui u u ^i u _t ι <■ a ■ mindestens eines der Oxide MgO, BaO, CaO

0 · IU / C. DieAbkuh unesbehand ung besteht darin, , _o ,-, . . · , .. ^b

JOJ/-.I _t ,„.,. ^&. . ,^b ■ ~ und SrO ersetzt sein können

daß das Glas etwa 10 Minuten lang auf eine Tempera- t^ η μ ν η aw τ ■

tür, die um etwa 50⁰C oberhalb des Übergangspunktes 15 , ^{z + 2}

liegt, erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von ^V0?_{T n} , .. , _{n ς}

etwa IV₂ ⁰C in der Minute abgekühlt wird. " ™²~' ™^c.^h ^ ,:. Y \ η'ς

Eine andere wichtige Eigenschaft von Glas, die bei =>d₂Uj + AS₂U₃, nocnstens u,o

seiner Verwendung als Verzögerungsmedium in aku- Vorzugsweise hat das Glas eine Zusammensetzung

stischen Verzögerungsleitungen eine Rolle spielt, ist 20 (in Molprozent) innerhalb des nachstehenden Be-

die sogenannte Nachwirkung, ein Hystereseeffekt. reiches, in dem der Temperaturkoeffizient im Tempe-

Wenn ein derartiges Glas auf eine Temperatur zwischen raturbereich zwischen 20 und 8O⁰C nahezu Null ist: etwa 60 und 8O⁰C erwärmt und langer als 1 Stunde

auf dieser Temperatur gehalten wird, stellt es sich SiO₂ 73 bis 76

heraus, daß bei Abkühlung auf Zimmertemperatur 25 PbO 18 bis 27

die Verzögerungszeit (τ) im allgemeinen unzulässig wobei höchstens 5 Molprozent des PbO durch

erhöht ist, z. B. um 10 Teile auf 10⁵. Diese Änderung mindestens eines der Oxide MgO, BaO, CaO

von τ verschwindet nach wenigen Tagen allmählich. · und SrO ersetzt sein können

Die Erfindung schafft nun eine akustische Verzöge- Na₂O + K₂O..' O bis 7

rungsleitung, deren Verzögerungsmedium aus einem 30 davon

Glas besteht, bei dem der mittlere Temperatur- Na₂O, höchstens 0,5

koeffizient der Verzögerungszeit zwischen 20 und Sb₂O₃ + As₂O₃, höchstens 0,5

8O⁰C nicht nur besonders niedrig ist, nämlich in der

Größenordnung von höchstens etwa 10 · 10~⁶/°C, Einige Beispiele von Gläsern, die gemäß der Erfin-

sondern außerdem nahezu unempfindlich gegenüber 35 dung als Verzögerungsmedium in einer akustischen

der thermischen Vergangenheit des Glases ist. Die Verzögerungsleitung Anwendung finden, sind die

vorstehend erwähnte Abkühlungsbehandlung bewirkt nachstehenden, die in Molprozent und in Gewichts-

bei diesen Gläsern im Temperaturbereich zwischen prozent angegeben sind. Dabei sind die folgenden

20 und 8O⁰C eine Abnahme von höchstens 5 · 10~⁶ Eigenschaften aufgeführt:

je Grad Celsius. 40 die Ausbreitungsgeschwindigkeit für Scherungs-

Die thermische Nachwirkung verursacht einen zeit- wellen (V_sh) in m/sec,

liehen Verlauf der Verzögerungszeit von höchstens die Änderung (A TC) bei 20⁰C des Temperatur-

3 Teilen auf 10⁵. Der mechanische Gütefaktor Q für kneffizienten — infolee der Abkühlunesbe-

Scherungswellen nimmt Werte von mindestens 5000 koetnzienten _τΜ mtolge der ADKUiiiungsoe

an. Schließlich ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit 45 handlung in 10 ⁶ je Grad Celsius,

für Scherungswellen bei diesen Gläsern verhältnis- die thermische Nachwirkung (TA) in Teilen je 10⁵.

Tabelle I

Zusammensetzung

Molprozent

Gewichts prozent

Molprozent

Gewichts
prozent

Molprozent

Gewichts
prozent

Molprozent

^Ge" wichts-

prozent

Molprozent

Gewichts prozent

SiO₂

PbO

K₂O

Na₂O

Sb₂O₃

CaO

BaO....

MgO

JTC (■ ίο-γ Q....

TA(- ΙΟ"⁵)

V_sh (cm/sek)

74,5

23,7

1,5

0,3

44,9

52,9

1,4

0,8

-4

+ 1

46,6

48,6

3,9

0,9

75,0

18,2

6,5

0,3

48,6

43,9

6,6

0,9

73,9
17,8
4,0

0,3
2,0
2,0

47,8

42,8

4,0

0,9 U

3,3

-4 -5 -4

+ 1 +3 +1

2400 bis 2600 für alle Beispiele

73,1 26,9

-5 <3

rorlsetzunii

Zusammen sclzunu

SiO₂

PbO

K₂O.....

Na₂O

Sb₂O₃

CaO

BaO

MgO

ATC (■ 10"⁶/°C)

TA (· ΙΟ"⁵)

V_sh (cm/sek) ....

MoI-prozcnt

75,2

23,0

1,0

0,5

0,3

45,8

52,0

1,0

0,3

0,9

-5 <3

MoI-prozcnt

74,7

15,5

1,8

0,3 7,7

Gewichtsprozent

52,0

40,0

2,0

1,0 5,0

-4 <3

MoI-prozent

72,5

26,0

1,1

Gewichts
prozent

42,0

56,0

1,0

1,0

-5
<3

bis 2600 für alle Beispiele

	)	Ge wichts prozent	-5	IO	MoI- prozcnl	-	Ge wichts prozent	5	11	Mol prozent	-4
MoI- 3rozen!	50,0	<3	69,5	<	40,0	3	73,4	<3
77,1	45,0	25,7	55,0	20,2
18.7	4,0	4,4	4,0	3,1
3,9	1,0	0,4	1,0	0,3
0,3		—	—	1,0
—	—	—	—	1,0
—	-—	—	—	1,0
—

Gewichts prozent

46.2

47.1

.0,4

Zum Vergleich folgen in Tabelle II einige Zusammensetzungen, die außerhalb des Rahmens der Erfindung liegen und bei denen die interessierenden Eigenschaften viel schlechter sind.

Tabelle II

Zusammensetzung

SiO₂

PbO

K₂O

Sb₂O₃

V_sh (m/sec) ... ,ITC (·1(Γ7⁰Ο TA(- 1D~⁵) ...

12

Molprozent

75,0

16,1 8,6 0,3

Gewichtsprozent

50,1

39,9

9,0

1,0

2500 -10

+

13

Molprozent

82,2 7,5

10,0 0,3

Gewichtsprozent

64,6

21,9

12,3

1,2

2900 -20 +

Die Glaszusammensetzungen gemäß den Beispielen der Tabelle I haben eine gleiche Verzögerungszeit τ bei Temperaturen von 20 und 8O⁰C. Dies bedeutet jedoch nicht, daß für jede dazwischenliegende Temperatur auch die gleiche Verzögerungszeit auftritt, weil der Temperaturkoeffizient näherungsweise eine lineare Funktion der Temperatur ist, so daß die Änderung der Verzögerungszeit näherungsweise durch die Gleichung

ArIr = C(T- T₀)²

dargestellt werden kann, wobei C einen Wert von etwa + 0,003 · 10"⁶.je (⁰C) besitzt. Für die obenerwähnten Glaszusammensetzungen beträgt T₀ etwa 50⁰C, aber diese Temperatur kann durch kleine Änderungen in den Zusammensetzungen innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches zu höheren oder niedrigeren Werten verschoben werden, je nach der gewünschten Arbeitstemperaturstrecke. Ferner kann das Temperaturverhalten der piezoelektrischen Wandler oder der Lotschichten eine bestimmte Anpassung von T₀ erfordern. In Tabelle III wird veranschaulicht, wie diese Anpassung durch geringe Änderungen im Verhältnis PbO: SiO₂ bei konstantem Gehalt an K₂O erfolgen kann.

Tabelle III

Zusammensetzung

14

Molprozent

Gewichtsprozent

15

Molprozent Gewichtsprozent

16

Molprozent

Gewichtsprozent

17

Molprozent

Gewichtsprozent

SiO₂...
PbO ..
K₂O...
Sb₂O₃ .
T₀(⁰C)

75,6

20,1

4,0

0,3

47,8

47,3

4,0

0,9

74,7

21,0

4,0

0,3 46,6

48,6

3,9

0,9

73,9

21,8

4,0

0,3

45,5

49,8

3,9

0,9

73,0

22,7

4,0

0,3

44,2

51,1

3,8

0,9

70

50 30

10

Von einem ganzen oder teilweisen Ersatz des K₂O durch ein anderes Alkalioxid, z. B. Li₂O oder Na₂O, muß abgeraten werden, weil dadurch die Stabilität des Glases sowohl in bezug auf die Abkühlungsbehandlung als auch auf die thermische Nachwirkung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen beeinträchtigt wird. Insbesondere durch das gleichzeitige Vorhandensein verschiedener Alkalioxide wird die Instabilität gesteigert. Auch die mechanische Güte verschlechtert sich bei Ersatz von K₂O durch andere Alkalioxide. Es hat sich herausgestellt, daß eine Verunreinigung von höchstens 0,5 Molprozent Na₂O ohne nachteiligen Einfluß zulässig ist.

Es wurde auch gefunden, daß ein teilweiser Ersatz von PbO durch andere zweiwertige Metalloxide, namentlich CaO, SrO, BaO und MgO, bis zu einer Menge von höchstens 5 Molprozent keine Einwirkung auf die akustischen Eigenschaften hat. Ein solcher Ersatz kann manchmal günstig für die Schmelzeigenschaften des Glases sein.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   Γ. Glas auf der Basis SiO₂ — PbO — Alkalioxide als Verzögerungsmedium für eine akustische Verzögerungsleitung, auf deren Oberfläche zwei Wandler zum Umwandeln eines elektrischen Eingangssignals in ein akustisches Signal und zum Umwandeln dieses akustischen Signals in ein elektrisches Ausgangssignal angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas einen von seiner thermischen Vergangenheit nahezu unabhängigen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von höchstens 10 · 10"⁶/° C aufweist und aus folgenden Oxiden (in Molprozent) besteht:

   SiO₂ 70 bis 78

   PbO 15 bis 30

   wobei höchstens 5 Molprozent des PbO durch mindestens eines der Oxide MgO, BaO, CaO und SrO ersetzt sein können

   Na₂O + K₂O O bis 7

   davon

   Na₂O, höchstens 0,5

   Sb₂O₃ + As₂O₃, höchstens 0,5
2. 2. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgenden Oxiden (in Molprozent) besteht:

   SiO₂ 73 bis 76

   PbO - 18 bis 27

   wobei höchstens 5 Molprozent des PbO durch mindestens eines der Oxide MgO, BaO, CaO und SrO ersetzt sein können

   Na₂O + K₂O O bis 7

   davon

   Na₂O, höchstens 0,5

   Sb₂O₃-I- As₂O₃, höchstens 0,5 ■