DE19505617C2 - Ultraviolettes Licht absorbierendes Quarzglas und dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein ultraviolettes Licht ab­ sorbierendes Quarzglas, bestehend aus mindestens 99,5% Siliciumdioxid.

Quarzglas wird vorzugsweise für Hüllkolben in Lichtquellen benötigt. Moderne Lichtquellen, wie beispielsweise Entladungslampen und Halogenglühlam­ pen, strahlen neben dem sichtbaren Licht auch einen bestimmten Anteil ultraviolettes Licht aus. Ultra­ violettes Licht kann für Menschen und seine Umwelt Schäden verursachen.

Man ist daher bemüht Lichtquellen herzustellen, die keine schädlichen UV-Strahlen emittieren. Bisher wurde reines Quarzglas für die thermisch hochbela­ steten Lichtquellen als Hüllkolben verwendet. Die­ ses Material ist bis ca. 1000°C stabil, besitzt jedoch den Nachteil, daß es im UV-Spektrum lichtdurchlässig ist.

Zur Lösung dieses Problems ist es im Stand der Technik bekannt, für die Lichtquellenherstellung ein spezielles Quarzglas zu verwenden, das im UV- Spektrum undurchlässig ist.

Das US-Patent 5,196,759 sowie die europäische Pa­ tentanmeldung 0 558 270 A1 beschreiben solche Pro­ blemlösungen, wobei ein UV-absorbierendes Quarzglas verwendet wird. Das Quarzglas erhält dabei seine UV-absorbierende Eigenschaft dadurch, daß es Ti­ tanoxid und Ceroxid in bestimmten Mengen enthält.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die­ ses Glas im Spektralbereich von 250 bis 300 nm noch eine gewisse Lichtdurchlässigkeit besitzt und somit die besonders schädlichen UV-C-Strahlen aus der Lichtquelle austreten können. Vom Russischen Staat­ lichen wissenschaftlichen Institut für Quarzglas wurde die farblose Quarzglasmarke KLB 14 mit ent­ sprechenden UV-Schutzeigenschaften entwickelt, die auf dem gleichen Prinzip der Ce-Ti-Dotierung be­ ruht.

Der Einfluß von Spurenelementen auf die Absorp­ tionseigenschaften des Quarzglases wurde in der Fachliteratur bereits ausführlich dargestellt. Dort ist beschrieben, daß sich Cer in den beiden Valenz­ zuständen Ce⁴⁺ und Ce³⁺ im Quarzglas befindet und zu einer breiten Absorptionsbande bei der Wellen­ länge von 320 nm führt. Titan befindet sich im Zu­ stand Ti⁴⁺ und bewirkt eine Absorptionsbande bei 204 nm. Die gemeinsame Dotierung beider Elemente führt zu einer Addition der Absorptionsspektren. Zwischen den Absorptionen dieser beiden Elemente befindet sich ein Wellenlängenbereich, in dem die UV-Absorption für Licht der Wellenlängen von 250 bis 300 nm gering ist. Dieses Fenster ist im US-Pa­ tent 5,196,759 verdeutlicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Quarzglas anzugeben, bei dem die Sperrwirkung im ultravioletten Spektralbereich wesentlich verbes­ sert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Quarzglas neben Ceroxid geringe Mengen Va­ nadiumpentoxid enthält, vorzugsweise in einer Menge von 0,15 . . . 0,2 Masse-% Ceroxid und 75 Masse ppm Vanadiumpentoxid.

Der Vorteil des Quarzglases mit Vanadiumdotierung besteht darin, daß es eine hohe durchgehende UV-Ab­ sorption im Wellenlängenbereich 200 . . . 340 nm be­ sitzt. Der wesentliche Nachteil dieses dotierten Quarzglases besteht jedoch darin, daß das Glas einen bläulichen bis blauen Farbton besitzt.

Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß durch eine Kombination Cer-Vanadium in bestimmten Anteilen die Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Be­ reich des Spektrums wesentlich verbessert wird. Ein farbloses Quarzglas entsteht durch Schmelzen von Quarzgranulat mit einer bestimmten Anteilskombina­ tion Cer-Vanadium. Dadurch liegt im Quarzglas kein Vanadium im Valenzzustand V³⁺ vor, sondern es bil­ det sich Vanadium als V⁵⁺, wodurch die Farblosig­ keit des Quarzglases gewährleistet ist.

Vanadium kann im Quarzglas verschiedene Valenzzu­ stände einnehmen, die zu unterschiedlichen Absorp­ tionen führen. Eine Quarzschmelze, deren Quarzgra­ nulat mit Vanadiumverbindungen dotiert ist, führt stets zu einem Quarzglas, das einen mehr oder weni­ ger blauen Farbton besitzt. Der Farbton wird von einer Absorption bei 725 nm hervorgerufen, die durch V³⁺ verursacht wird. Die Entstehung von V³⁺ ist auch durch Schmelzen von Quarzglas in neutraler Atmosphäre nicht zu verhindern.

Das Schmelzen in neutraler Atmosphäre von Quarzgra­ nulat, dem Ceroxid und Spuren von Vanadiumpentoxid dotiert sind, führt zu einem Quarzglas, das keine Absorption bei 725 nm besitzt und im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich eine gute Licht­ durchlässigkeit aufweist. Im ultravioletten Spek­ tralbereich weist dieses Glas eine Absorptionskante auf, die derjenigen entspricht, welche bisher durch den Ceroxidgehalt definiert ist. Im gesamten kurz­ welligen Teil des UV-Spektrums wird das Licht sehr effektiv durch Vanadium absorbiert, das sich aus­ schließlich im Zustand V⁵⁺ befindet. Ein licht­ durchlässiges Fenster im UV-Bereich ist nicht fest­ stellbar.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Beispiel zur Herstellung des Quarzglases näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 die Trans­ missionskurve für das erfindungsgemäße Quarzglas.

Quarzgranulat mit einer Körnung von 0,1-0,3 mm wird in einer Menge von 120 kg intensiv mit feinstge­ mahlenem Ceroxid in einer Menge von 216 g und mit feinstgemahlenem Vanadiumpentoxid einer Menge von 9 g vermischt. Die Dotanten werden durch das Fein­ mahlen auf Korngrößen gebracht, die nach dem Ver­ mischen mit dem Granulat sicherstellen, daß auf ein Quarzkorn etwa je ein Korn der Dotanten kommt. Das dotierte Granulat wird in einem Lichtbogenofen bei Temperaturen von über 2000°C unter reiner Argon­ atmosphäre eingeschmolzen. Durch den Schmelzvorgang entsteht ein Schmelzling in Form eines Hohlzylin­ ders (Rohrform) mit einer Länge von 2 m und einem Innendurchmesser von 150 mm. Durch mechanische Be­ arbeitung ist aus dem Schmelzling ein Mutterrohr herstellbar, das nach üblichen werkzeugfreien Zieh­ verfahren zu Rohren für die Lichtquellenherstellung umgeformt wird.

Die so hergestellten Rohre sind für Halogenglühlam­ pen und Entladungsglühlampen geeignet, da sie die in Fig. 1 dargestellte Transmissionskurve aufwei­ sen. Die Analyse des Quarzglases weist einen Cer­ oxidgehalt von 1800 Masse ppm und einen vanadium­ pentoxidgehalt von 75 Masse ppm nach.

Claims (3)

1. Ultraviolettes Licht absorbierendes Quarzglas, bestehend aus mindestens 99,5% Siliciumdioxid, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich Cerdioxid im Bereich von 1000 ppm bis 3000 ppm und Vanadiumoxid im Bereich von 30 bis 300 ppm enthalten sind.

2. Quarzglas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Absorptionskante im Bereich von 340 bis 380 nm durch Variation der Dotanten einstellbar ist.

3. Verwendung von Quarzglas nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für Halogenglühlampen und Entladungslampen.