DE2037457C3 - Glas für feste Ultraschallverzögerungsleitungen mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen innerhalb des Bereiches von 10 bis 60 Grad C - Google Patents

Glas für feste Ultraschallverzögerungsleitungen mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen innerhalb des Bereiches von 10 bis 60 Grad C

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DE2037457C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein neues Glas für feste Ultraschallverzögerungsleitungen mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen innerhalb des Bereiches von 10 bis 60° C, das im wesentlichen aus Siliciumdioxid, Boroxid, Aluminiumoxid, einem Alkalimetalloxid und Bleioxid besteht.
Gläsei mit einem verhältnismäßig kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen, die für feste Ultraschallverzögerungsleitungen verwendet werden und einige oder alle der vorstehend genannten Bestandteile enthalten, sind an sich bereits bekannt (vgl. beispielsweise die britische Patentschrift 990 849, die leutsche Auslegeschrift 1 596 845, die deutschen Offenlegungsschriften 1 917 551, 1 918 760 und 2 023 712 sowie »Ultrasonics«, Januar 1967, S. 29 bis 38, »Electrochemical Design«, Bd. 4, Nr. 3 [1960], S. 14/15, »Elektro-Technik«, Nr. 39, November 1966, S. 906/907, »Glas,-Emaii,-Keramotechnik«, August 1969, S. 272, und »radio mentor«, 35 [1969], S. 229 bis 231). Als Materialien für die Herstellung von festen Ultraschallverzögerungsmedicn wurden bisher in der Regel Quarzglas, Alkali-Blei-Silikatglas u. dgl. verwendet.
Wichtig für die Verwendung solcher Materialien für die Herstellung fester Ultraschalivcrzögcningsleitungen ist, daß sie einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen haben, der innerhalb der Betriebstemperatur möglichst v/cnig schwankt.
Neuerdings werden jedoch an feste Ultraschailvcrzögerungsleitungen hinsichtlich eines kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit fur Ultraschallwellgtii und hinsichtlich der an beiden Enden der Leiter auftretenden Verluste erhöhte Anforderungen gestellt, insbesondere bei ihrer Verwendung für Radarzwecke, beim Farbfernsehen, für Videovorrichtungen u.dgl. Insbesondere bei dem PAL-Farbfernsehsystem dal' die Schwankung der Laufzeit für Ultraschallwellen innerhalb des Temperaturbereiches von 10 bis 60° C nur 63,9 Mikrosekunden, entsprechend 1 H, betragen. Diese erhöhten Anforderungen erfüllen die bisher bekannten Gläser des eingangs geschilderten Typs nicht.
457 L
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Glas anzugeben das die vorstehend genannten Anforderungen erfüllt und insbesondere innerhalb des Tempentturbeieichcs von 10 bis 6O0C einen ausreichend kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen aufweist und auch hinsichtlich des Energieverlustes und der Frequenzeigenschaften als Verzögerungsleitung den gestellten Anforderungen genügt.
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe durch ein Glas der nachfolgend angegebenen Zusammensetzung gelöst werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Glas des eingangs geschilderten Typs, das durch die folgende Zusammensetzung gekennzeichnet ist:
SJO„ 54 bis 65 Molprozent
BO 17 bis 28 Molprozent
A|eQ 3 bis 6 Molprozent
f^Q 3 bis 10 Molprozent
PbO 6 bis 13 Molprozent
wobei R ein Alkalimetall bedeutet, mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an SiO2 und B2O3 79 bis 85 Molprozent beträgt.
Die Gesamtmenge der glasbildenden Oxide, d. h. SiO2 und B2O3, steht wesentlich mit dem Temperaturkoeffizenten im Zusammenhang. Falls die Summe nicht innerhalb des vorstehend aufgeführten Bereiches liegt, Wrrd der Temperaturkoeffizient dos Glases groß. Die optimale Gesamtmenge an SiO2 und B2O3 kann in Abhängigkeit von der Art der weiteren glasmodifizierenden Oxide beeinflußt werden; je größer im allgemeinen die Menge an PbO ist. desto geringer wird die Gesamtmenge, und im Gegensalz wird, je größer die Menge des Alkalioxides R2O ist, die optimale Gesamtmenge größer.
Falls die Gesamtmenge inncrhaib des vorstehenden Bereiches liegt, kann jede Menge an SiO2 und B2O3 in geeigneter Weise variiert werden.
Die Entscheidung hinsichtlich der vorstehenden Grenze wird im Hinblick auf die Hauplgesichtspunkte des Schmelzes, der Formbarkeit und der chemischen Beständigkeit des Glases entschieden.
Selbstverständlich wird, wenn der Anteil von SiO2 zu B2O3 variiert wird, auch die Ultraschalleigenschaft etwas variiert.
Die Zugabe von Al2O3 dient zur Verhinderung der Phasentrennung von SiO2 und B2O3, ur.d die geeignete Menge hiervon beträgt 3 bis 6 Gewichtsprozent.
Das Alkalioxid R2O wird zur Erniedrigung der Schmelztemperatur des Glases zugegeben. Falls die Mengen an SiO2 und B2O3 und der Gehalt an Al2O3 innerhalb der vorstehenden Bereiche liegen, ist es möglich, falls der gesamte Rest aus R2O besteht, ein Glasverzögerunjrsmedium mit einem geeigneten Temperaturkoeffizienten zu bilden, jedoch wird im allgemeinen der Ullraschallwellenverlust in dem Glas mit einer Zunahme des R2O-Gehaltes größer. Deshalb ist es günstig, den Anteil an R2O auf ein solches Ausmaß einzuregeln, wie es zur Erniedrigung des Schmelzpunktes des Glases notwendig ist, und an Stelle dessen PbO einzuführen.
Das PbO beeinflußt die Ausbreitungsgeschwindigkeit und den Verlust der Ultraschallwellen so, daß, falls die Menge an PbO erhöht wird, die Ausbreitungsgeschwindigkeit erniedrigt wird und die Abmessungen dpr Verzögerungsleitung verringert werden, so daß der Verlust an Ultraschallwellen niedrig wird.
Ein Teil von PbO kann auch durch Oxide von Schwermetallen, wie Bi2On, ZrO2 und BuO, ersetzt werden, jedoch ergibt sich mit einem Ersatz von BaO ein hoher Ultraschallverlust. Weiterhin ist es möglich, einen Teil von RaO durch CaO, MgO und dergleichen zu ersetzen, und erforderlichenfalls ist auch die Zugabe von Läuterungsmitteln, wie As,O;, und Sb.,O3, möglich.
Das erfindungsgemäße Glas kann entsprechend den üblichen Verfahren zur Herstellung von optischen Gläsern hergestellt werden. Die Glasmasse wird bei etwa 1400^C geschmolzen und mit ausreichendem Rühren geläutert, so daß weder Blasen noch Schlieren gebildet werden.
Das Schmelzen kann in üblicher Weise in einem Hafenofen durchgeführt werden, jedoch kann auch ein Wannenofen zur kontinuierlichen Durchführung des Schmelzens und des Formens des Glases angewandt werden.
Die Formun? wird im allgemeinen nach irgendeinem bekannten Forrnungsverfahren, beispielsweise einem Gießverfahren zu einem Block von großer Größe, einem kontinuierlichen Walzverfahren, einem Preßverfahren u. dgl. ausgeführt. Ein Glasposten entsprechend dem Gießverfahren für Blöcke von großer Größe oder dem kontinuierlichen Wakverfahren wird in die gewünschte Form des Materials durch Schneiden, Pressen oder Schleifer, gebracht.
Das gebildete Glasmaterial wird dann einer Temperung in der für optische Gläser üblichen Weise unterworfen. Aufeinanderfolgend wird das Glasmaterial auf die gleiche Temperatur wie beim Tempern oder eine geringfügig höhere Temperatur als dieTe aiperungstemperatur erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten, bis sämtliche Spannungen verschwunden sind. Anschließend wird das Glas mit einer Kühlgeschwindigkeit nicht höher als 3°C/Std. abgekühlt, und zur Erzielung guter Ergebnisse wird es bevorzugt, das Abkühlen auf eine möglichst niedere Temperatur fortzusetzen. So können z. B. durch Temperung auf etwa 200° C ausgezeichnete Effekte erhalten werden.
Bei den nachfolgend in der Tabelle aufgeführten Versuchen wurden die Eigenschaften bestimmt, nachdem die Ultraschallwandler an beiden Enden der erhaltenen Glasstangen (Abmessungen 12 · 12 · 180 mm3) angeschlossen waren; die Werte sind in der Tabelle enthalten.
ι Erfindungsgemäß 2 3 4 5 Versuch 7 8 Vergleich 9 10 11 12 13
56 62 55,0 56,5 63,3 6 55 55 60 65,1 56 71,2 71,9
26 20 26,6 26,0 17,0 62,2 30 28 19 17,5 29 11,6 9,8
SiO- 54 bis 65 82 82 81,6 82,5 80,3 19,8 85 83 79 82,6 85 82,8 81,7
B.,O3 17 bis 28 1 2 1,9 2,0 4,2 82,0 4 2 — 6,8 1 — —
SiO., r B.,0., 79 bis 85 2,5 2,5 2,9 3,0 4,2 2,0 4 3 12,5 9,0 3 5,2 6,2
Na2O 4,5 4,5 4,8 5,0 8,4 1,6 8 5 12,5 15,8 4 5,2 6,2
K2O 4 4 3,9 3,0 3,4 3,6 2 2 3 — 3 2,0 3,5
R2O 3 bis 10 6 8 7,7 9,5 6,5 3,0 5 10 5,5 — 8 10,0 8,6
ALO:i 3 bis 6 T 9,0
PbO 6 bis 13 _ 1,4 — — —
7rO — — — — 1,6 — — —
l~\ \J.1
Bi2O,		 1 C 1 C 2,4
CaO + 1,6 1, J
+ 1,7		 -1,0 +2,1 + 2.8 -6,6 -2,9 + 10,5 + 12,2 -10,3 + 1,6 + 1,2
D,.A 15,2 16,8 11,0 15,2 14,7 + 3,2 13,5 15 21 23,5 14,7 13,9 14,7
DuU
TDC*		 14,2
Verlust (-db) 2960 2990 2910 2900 2930 3110 2960 3270 3730 3010 2970 2930
Schallgeschwindigkeit 2880
(m/sec)
* Temperaturkoeffizient der Verzögerung (Zeit).
Der für Ultraschall in der Tabelle angegebene Verlust ist der scheinbare Wert und umfaßt auch Verluste durch die Wandler und Klebematerialien an beiden Enden.
Die Zusammensetzung des Glases in der Tabelle ist in ivlolprozent angegeben. Der Wert TCD zeigt die durchschnittliche Verzögerungszeitvariicrung im Temperaturbereich von 10 bis 6O0C unter Anwendung von ppm/" C als Einheit und wird durch die folgende Formel wiedergegeben:
Λ τ _ τ,—τ2
Λ η τ2 (/, - I2)
Die Versuche I bis 6 entsprechen der vorliegenden Erfindung, während die Versuche 7 bis 13 zum Vergleich dienen. Bei den Versuchen 1 bis 6 liegt der Gehalt an SiO2 + B2On im Bereich der Erfindung.
Die Beispiele 1 und 2 zeigen die Ergebnisse, falls ein Teil des PbO durch ZrO2 bzw. ein Teil des PbO
5c durch BaO ersetzt wird.
Hingegen ist bei den Beispielen 12 und 13, obwohl der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit gut ist, falls der SiO2-Gehalt so groß und der B2O3-Gehalt so klein wie bei diesen Versuchen ist, die Schmelzeigenschaft der Gläser so schlecht, daß sie in der Praxis kaum herzustellen sind.
In Versuch 10 ist der Fall, belegt, wo der PbO-Gehalt den Werf 0 hat. In diesem Fall ist der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit nicht gut. Außerdem wird der Verlust auf Grund des großen Gehaltes an R2O groß, und die Wellengeschwindigkeit wird gleichfalls auf Grund der Abwesenheit von PbO groß. Da die Form der Verzögerungsleitung bei erhöhter Wellengeschwindigkeit groß wird, ist dies nachteilig.
Aus der Tabelle ergibt sich auch der Einfluß des glasmodifizierenden Oxides.

Claims (1)

  1. 2
    Patentanspruch:
    Glas für feste Ultraschallverzögerungsleitungen mit einem kleinen Temperatitrkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen innerhalb des Bereiches von 10 bis 600C, bestehend im wesentlichen aus Siliciumdioxid, Boroxid, einem Alkalimetalloxid, Bleioxid und Aluminiumoxid, gekennzeichnet durch die folgende Zusammen-Setzung:
    SiO, 54 bis 65 Molprozerit
    B2O3 17 bis 23 Molprozent
    AUO3 3 bis 6 Molprozent
    R2O 3 bis 10 Molprozent
    PbO 6 bis 13 Molprozent
    wobei R ein Alkalimetall bedeutet, mit der Maßgabe, daß die Summe des SiO2- und B-XVGehaltes 79 bis 85 Molprozent beträgt.
DE2037457A 1969-10-31 1970-07-28 Glas für feste Ultraschallverzögerungsleitungen mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen innerhalb des Bereiches von 10 bis 60 Grad C Expired DE2037457C3 (de)

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