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Verfahren zum Getter in einer Kammer Die Erfindung betrifft das Gettern.
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Das Gettern wird zur Erzeugung eines hochvakuums angewendet und kann
als chemisches Pumpen betrachtet werden (siehe beispielsweise Vacuum Tecnnologv:
eine Einführung von L.O-. Carpenter, veröffentlicht durch Adam Hilger, London 1970)
und wird ferner angewendet, um ausgewählte Gase zu entfernen, die in Vorrichtungen
mit gewählten Füllungen unerwünscht sind.
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Beispiele solcher Vorrichtungen sind elektrische Lampen.
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Die Wirkung und die Art von Gettermaterialien sind in Chapter 18,
mit dem Titel "Getter Materials des Handbook of Materials and Techniques for Vacuum
Devices von alter H. Kohl, herausgegeben von der Reinhold Publishing Company von
Hew York, Amsterdam und London im Jahre 1967 (Library of Congress Catalogue Card
No. 67-18288).
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Die Praxis des Getterns von unerwünschtem Gas aus thermionischen Vorrichtungen,
wie Röhren und Lampen, sowohl Glühlampen als auch Entladungslampen, geschah bisner
gewöhnlich dadurch, daß eine geeignete Fahne oder eine aktives Material enthaltende
Kapsel durch Induzieren eines Hochfrequenzstroms erhitzt wurde, der durch eine kurzgeschlossene,
die Kapsel enthaltende Schleife geleitet wurde. Hierbei ist es unmsglich, zu vermeiden,
da.3 Teile der Schleife oder andere leitende Bauelemente in der Nähe bis zu einem
gewissen Grade erhitzt werden. Die Vermeidung einer unerwünschten Erhitzung hat
sich bisher als Beschränkung fr die Gestaltung der Vorrichtung ausgewirkt. Das Einbringen
von Ouecksilber in eine Leuchtstofflampe aus einer Kapsel ist in der britischen
Patentschrift 1 267 175 beschrieben.
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Gemäß einem lt-erkmal der Erfindung, ist eine Kammer vorgesehen, die
für eine Laserstrahlung zumindest ar. einer Teil transparent ist und in der inindestens
ein körper aus Gettermaterial befindlich ist, der so angeordnet ist, da.3 eine Laserstrahlung
in die Kammer und auf den erwähnten Körper von ausserhalb der Kammer gerichtet werden
kann.
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Ferner ist die Erfindung auf ein Getterverfahren in einer Kammer gerichtet,
von der zumindest ein Teil für eine Laserstrahlung transparent ist und in der sich
mindestens ein Körper aus Gettermaterial befindet, bei welchem Verfahren die Laserstrahlung
auf den Körper aus Gettermaterial von ausserhalb der Kammer gerichtet wird.
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Weiter ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Reinigung eines Gases
oder Dampfes als Füllung einer Kammer gerichtet, von der zumindest ein Teil für
eine Laserstrahlung transparent ist und in der sich mindestens ein Körper aus Gettermaterial
befindet, der selektiv unerwünschte gasförmige Einschliessungen absorbiert, bei
welchem Verfahren die Laserstrahlung auf den Körper aus Gettermaterial von ausserhalb
der Kammer gerichtet wird.
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Weiter ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Reinigung einer Gas-
oder Dampffüllung einer Kammer gerichtet, von der zumindest ein Teil für eine Laserstrahlung
transparent ist und in der sich zumindestbein Körper aus Gettermaterial befindet,
das selektiv unerwünschte Gaseinschliessungen absorbieren kann, bei welchem Verfahren
die Laserstrahlung auf den Körper aus Gettermaterial von ausserhalb der Kammer gerichtet
wird, nachdem diese mit der Füllung gefüllt worden ist.
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Die Kammer kann beispielsweise der Kolben einer Elektronenröhre oder
einer Glühlampe oder einer Entladungslampe sein.
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Ein Vorteil der Erfindung für thermionische Vorrichtungen ist die
selektive Erhitzung der Gettermaterialvorrichtung
allein. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß die verwendete Laserstrahlung nur einen begrenzten Fensterbereich
braucht, um zur Gettervorrichtung hindurchzutreten. Die Nähe eines Metalls, die
bei der Verwendung einer Heizung mit einem induzierten Hochfrequenzstrom nachteilig
wäre, ist unwesentlich.
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Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung einer elektrischen
Lampe gemäß der Erfindung wird im Lampenkolben ein Körper aus Gettermaterial vorgesehen,
der Kolben abgeschmolzen und ein fokussierter Laserstrahl so in den Kolben gerichtet,
daß zumindest ein Teil des Körpers aus Gettermaterial verdampft wird.
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Beispiele geeigneter Gettermaterialien sind die stabilen aktiven Metalle
Aluminium, Zirkon und Hafnium und deren Legierungen sowie Metalle, wie Barium, die
in der Luft unstabil sind.
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Der oder jeder Körper aus Gettermaterial kann beispielsweise die Form
einer Fahne, eines Drahtes oder eines Überzugs auf einem noch höher hitzebeständigen
Material haben oder kann in einer Kapsel eingeschlossen sein, um es vor dem atmosphärischen
Angriff zu schützen, bis es für den Gebrauch gewünscht wird. Im letzteren Falle
wird etwas von dem Kapselmaterial verdampft, wenn die Laserstrahlung durch die Kapsel
hindurchbrennt, um das Gettermaterial zu erreichen. Die Kapsel kann ihres seits
selbst aus einem Gettermaterial sein und in diesem Falle dann kein weiteres Gettermaterial
enthalten.
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Bei der Durchführung des Verfahrens können die abgedichteten Kapseln
Stoffe enthalten, welche bei den fertigen Vorrichtungen die gasförmigen Füllungen
und/oder
Zündgase bilden. Das Einführen von flüchtigen und/oder
gasförmigen Bestandteilen in Kolben während der Herstellung von Lampen, Röhren u.
dgl. ist u.a. unter der Bezeichnung nDosierung't ("dosing") bekannt. Bei der Herstellung
solcher Lampen, wie Wolframhalogen-Glühfadenlampen ist der Dosierstoff innerhalb
der abgedichteten Kapsel ein flüchtiges Halogenid oder Halogen. Bei der Herstellung
einer Leuchtstofflampe enthält die abgedichtete Kapsel normalerweise nur Quecksilber,
während bei der Herstellung anderer Formen von Entladungslampen die Kapsel z.B.
Quecksilber oder Natrium zusammen mit zusätzlichen Stoffen enthält, welche eingeschlossen
werden, um gegebene Entladungseigenschaften sicherzustellen. Es ist bei der Herstellung
einer Leuchtstofflampe wichtig, einen Bereich ihres Kolbens von Leuchtstoff frei
zu halten, so daß dieser Bereich für den Laserstrahl transparent ist.
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Die abgedichteten Kapseln können aus irgendeinem Material hergestellt
werden, das mittels intensiver Erhitzung durch einen fokussierten Laserstrahl aufgebrochen
werden kann. So können u.a. Glas, Siliciumdioxid, Quarz oder Metalle verwendet werden.
Der Laserstrahl verursacht keine Beschädigung der Kolben der Vorrichtungen, vorausgesetzt,
daß der Strahl nicht auf diese fokussiert wird.
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Bei der Herstellung von mit Quecksilber zu dosierenden Lampen ist
es vorzuziehen, die Kapsel aus Aluminium herzustellen, Das Aluminium verdampft aus
der Kapsel unter der Wirkung des fokussierten Laserstrahls und das verdampfte Aluminium
schlägt sich auf dem benachbarten Teil des Lampenkolbens nieder. Die Verwendung
von
Aluminium ist beim Dosieren von Lampen mit Quecksilber besonders vorteilhaft, da
Quecksilber und Aluminium ein Amalgam bilden, das ein besonders wirksames Getter
ist.
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Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung in -Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen beschrieben und zwar zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht
des einen Endes einer Entladungslampe in vereinfachter Darstellung und Fig. 2 eine
ähnliche Ansicht des einen Endes einer Leuchtstofflampe.
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In Fig. 1 ist das eine Ende 11 eines Klarglaskolbens 10 einer Lampe
gezeigt. Das Ende 11 ist mit einem einspringenden Teil 12 ausgebildet, der mit einer
Abschmelzung 13 endet, durch welche zwei Halterungsdrähte 14 der Lampe hindurchgeführt
sind. Ferner ist ein kleines Rohr 15 gezeigt, das an der Abschmelzung 13 abgeschlossen
ist und dazu gedient hat, den Kolben 10 an eine Absaugvorrichtung (nicht gezeigt)
anzuschliessen, um den Kolben 10 vor dem Abschmelzen im wesentlichen luftleer zu
machen.
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Mit dem einen der Halterungsdrähte 14 ist ein Körper aus Gettermaterial
in Form eines Drahtes oder einer Fahne 16 aus Aluminium oder Titan oder Zirkon oder
Hafnium verschweißt und so angeordnet, daß ein wesentlicher Teil hiervon sich zwischen
dem einspringenden Teil 12 und einem zylindrischen Teil 17 des Endes 11 befindet.
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Der Laserstrahl 18 als einem Lasergerät (nicht gezeigt) wird auf die
Oberfläche des Getterdrahtes bzw. der Fahne 16 in der Nähe ihres freien Endes fokussiert
und bewirkt, daß die Temperatur an der Stelle der erwähnten Fläche auf den Siedepunkt
des Metalls angehoben wird, aus dem der Draht bzw. die Fahne 16 zusammengesetzt
ist, worauf das erhaltene verdampfte Metall Spuren eines oder mehrerer ausgewählter
freier Gase innerhalb des Kolbens je nach der Zusammensetzung des Getterdrahtes
bzw, der Fahne 16 entfernt.
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Das Lasergerät (nicht gezeigt) besitzt ein optisches System, das einen
ausreichend konvergierenden Strahl der Laserstrahlung erzeugt, damit die Strahlung
auf die Oberfläche des Drahtes bzw. der Fahne 16 fokussiert werden kann, ohne den
Kolben 10, der aus Glas oder Quarz sein kann, an der Stelle, an der die Strahlung
hindurchtritt, übermässig zu erhitzen. Wenn der Laserstrahl auf den Körper aus Gettermaterial
fokussiert wird, läßt sich feststellen, daß das verdampfte Gettermaterial vorwiegend
längs des Laserstrahls, d.h. zur Quelle des Strahls, zurückwandert. Ein dünner Film
des Gettermaterials schlägt sich dann auf einem Teil der Innenfläche des Kolbens
10 nieder. Der Flächeninhalt des Films läßt sich durch Verändern der Grösse und
Intensität des fokussierten Strahlungsfleckes regeln.
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Es kann ein Impuls laser, bei dem ein fester Stab aus mit Neodym gedoptem
Glas als Laserstrahlen aussendendes Material vorgesehen ist, verwendet werden. Versuche
haben gezeigt, daß ein Ausgangsimpuls von 20 Joules, der sich über einen Zeitraum
von 700 Mikrosekunden erstreckt, ausreicht, etwa ein Milligramm Gettermaterial zu
verdampfen.
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Die in Fig. 2 gezeigte Lampe 110 ist eine Leuchtstofflampe, die einen
Röhrenkolben 111 aus Glas besitzt, von dem der größte Teil seiner Innenfläche einen
Leuchtstoffüberzug 112 trägt. Der Überzug wird in an sich bekannter Weise aufgebracht
und der äusserste Endbereich 113 des Kolbens 111 wird von dem Überzug 112 freigelassen.
Mit dem Ende des Kolbens 112 wird ein nach innen gerichteter Hals 114 verschmolzen,
in den zwei Elektrodenzuleitungsdrähte 116 eingeschmolzen sind.
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Die Elektrodendrähte 116 tragen einen Elektrodenheizfaden 117 an ihren
inneren Enden. Ferner ist in dem Hals 114 ein Pump- und Gasfüllstutzen 118 vorgesehen,
das in dem Hals abgeschlossen ist und während der Herstellung der Lampe benutzt
wird.
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Bei der Herstellung der Lampe 110 wird zuerst ein Unteraggregat dadurch
gebildet, daß die Glühfadenzuleitungsdrähte 116 in den Hals zusammen mit dem Stutzen
118 eingeschmolzen werden, welch letzterer zu diesem Zeitpunkt an seinen beiden
Enden offen ist. An dem einen der Zuleitungsdrähte 116 des Unteraggregats wird eine
verschlossene Aluminiumkapsel 120, die ein Quecksilberkügelchen 121 enthält, mittels
eines Abzweigdrahtes 122, der mit dem Zuleitungsdraht verschweißt ist, befestigt.
Der Abzweigdraht 122 kann dicht um die Kapsel 120 herumgewickelt werden. Die Bildung
und Füllung der Kapsel wird nachfolgend mit näheren Einzelheiten beschrieben.
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Sodann wird das Unteraggregat in das eine Ende des leuchtstoffbeschichteten
Röhrenkolbens 111 eingeführt und eingeschmolzen. Ein ähnliches Unteraggregat wird
in das andere Ende des Kolbens 111 zur Bildung eines abgedichteten
Verschlusses
eingeschmolzen. Dieses Unteraggregat weicht von dem dargestellten Unteraggregat
insofern ab, als keine Notwendigkeit zur Einverleibung einer abgedichteten Kapsel
120 und eines Stutzens 118 besteht.
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Hierauf wird der Stutzen 118 an eine Pump- und Gasfüliungsmaschine
angeschlossen, die den Kolben 111 luftleer macht und dann mit einer Füllung aus
Argon bis zu einem geeigneten Druck füllt. Anschliessend wird der Stutzen 118 abgeschmolzen.
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Nach dem Absohmelzen besteht die nächste Verfahrensstufe darin, das
Quecksilber 121 innerhalb der Kapsel 120 freizusetzen. Für diesen Zweck wird ein
Strahl 125 aus einem Lasergerät auf den Endbereich 113 des Kolbens 112 gerichtet
und auf die Kapsel 120 fokussiert. Durch die hierdurch verursachte intensive Erhitzung
derselben wird Aluminium der Kapsel 120 verdampft und perforiert.
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Es muß darauf geachtet werden, daß der Strahl 125 nicht auf den Endbereich
fokussiert wird, sondern auf die Kapsel, da sonst der Endbereich 113 stark erhitzt
und dabei perforiert wird.
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Die Kapsel 120 kann wie folgt hergestellt werden. Ein langes, schmales
dünnwandiges Aluminiumrohr wird an dem einen Ende zwischen zwei Hartstahlwalzen,
die beispielsweise einen Durchmesser von 4 - 6 mm haben können, gewalzt. Dieses
Walzen hat ein Kaltverschweissen des Aluminiums zur Folge, wodurch das geschlossene
Ende wirksam abgedichtet wird. Sodann wird das Rohr vertikal mit dem geschlossenen
Ende nach unten gelagert und die für eine Lampe erforderliche Quecksilbermenge in
das Rohr fallengelassen. Die Grösse des Rohres soll das
Zwei- bis
Dreifache des Durchmessers des Quecksilberkügelchen betragen, um sicherzustellen,
daß das Quecksilber frei auf den Boden des Rohres fällt. Das Einführen des Quecksilbere
kann, wenn dies bevorzugt wird, mit Hilfe einer Kanüle erfolgen. Hierauf wird das
Rohr abgesaugt und, wenn gew#nscht, mit einem Gas, beispielsweise mit Argon oder
einem anderen die Zündung der Entladung fördernden Gas, gefüllt. Sodann wird das
Rohr wieder zwischen den Walzen geklemmt, um das Rohr kaltzuschweissen und abzudichten,
wodurch die abgedichtete Kapsel 120 erhalten wird, Die erste Walzstufe kann dazu
ausgenutzt werden, die abgedichtete Kapsel von dem übrigen Rohr zu trennen. Die
restliche Rohrlänge, die bereits an ihrem unteren Ende verschlossen ist, befindet
sich dann in Bereitschaft zur Herstellung einer nachfolgenden Kapsel. Der beschriebene
Vorgang ist mit beträchtlicher Geschwindigkeit wiederholbar. Das Einführen von Quecksilber
kann, falls erforderlich, durch abwechselndes Absaugen und Unterdrucksetzen des
Rohres beschleunigt werden, Die Verwendung von Aluminium als Kapselmaterial hat
verschiedene Vorteile, zu denen seine Billigkeit, Leichtigkeit und Duktilität sowie
die Leichtigkeit, mit der es kaltgeschweißt werden kann und sein relativ niedriger
Schmelzpunkt gehören. Aluminium besitzt ferner die wertvolle Eigenschaft, daß es
als wirksamer Getter wirken kann.
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Dies ist dadurch bedingt, daß Aluminium sich mit dem restlichen Sauerstoff
im abgeschmolzenen Kolben 111 unter Bildung eines sehr stabilen Oxids verbinden
kann. Wenn der Laserstrahl auf die Kapsel 120 fokussiert wird, läßt sich feststellen,
daß das verdampfte Aluminium vorwiegend längs des Laserstrahls zurück, d.h. zur
Strahlquelle
wandert. Auf dieser Innenfläche des Kolbens 11 schlägt
sich daher ein dünner Getterfilm aus Aluminium, hauptsächlich im Endbereich 13,
nieder. Der Bereich des Films kann dadurch gesteuert werden, daß die Größe und Intensität
des fokussierten Strahlungsfleckes verändert wird. Eine weitere Getterwirkung kann
während des Gebrauchs auftreten, da Aluminium in Gegenwart einer Bogenentladung
die Neigung zum Zerstäuben hat.
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Die Getterwirkung kann noch dadurch gesteigert werden, daß ein Stück
Gettermetall in der Kapsel 20 eingeschlossen wird. Für eine Leuchtstofflampe oder
eine Quecksilberdampflampe ist es vorzuziehen, ein Gettermetall zu verwenden, das
mit Quecksilber ein Amalgam bildet. Anfänglich wird in der Kapsel ein Überschuß
an Quecksilber vorgesehen.
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Das zerstäubte Metall und das in der Kapsel nach der Perforation verbleibende
Metall regelt dann in an sich bekannter Weise den Quecksilberdampfdruck innerhalb
der Lampe 10 und damit deren Betriebstemperatur.
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Aluminium wirkt für sich selbst als hochwirksames Getter in Gegenwart
von Quecksilber, so daß die Kombination dieser beiden Metalle bei der Anwendung
der Erfindung auf die Herstellung von Leuchtstofflampen, Quecksilberdampf lampen,
vorteilhaft ist. Bei Natriumdampflampen wird Quecksilber oft als Puffer zugesetzt,
um die gewünschten elektrischen Eigenschaften zu erzielen. Wenn das Kapselaluminium
mit Quecksilber benetzt wird, erfährt das Aluminium eine gewisse Auflösung. Das
gelöste Aluminium kann dann an der Quecksilberoberfläche oxydiert werden. Die erhaltene
Oxidschicht ist kein zäher selbstdichtender Schutzfilm im Gegensatz zu dem Film,
der sich auf festem Aluminium bildet.
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Die Getterwirkung kann daher andauern, bis der ganze zur Verfügung
stehende Sauerstoff in stabiles Oxid umgewandelt ist. Die Getterwirkung kann durch
Erhitzen der abgedichteten Kapsel auf etwa 250°C eingeleitet und gefördert werden.
Auf diese Weise kann in unerwünschter Weise und unvermeidbar in den abgedichteten
Kapseln verbliebener Sauerstoff vor dem Einbau in Lampenkolben unschädlich gemacht
werden.
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Das Aluminium/Quecksilber-Amalgam ist ein besonders wirksames Getter.
Bei Versuchen hat es sich als möglich erwiesen, praktisch allen freien Sauerstoff
aus der abgedichteten Kapsel, die anfänglich Luft vom Normzustand enthält, durch
Glühen der Kapsel eine Stunde lang bei 2500C zu entfernen. Normalerweise wird natürlich
eine abzudichtende Kapsel abgesaugt oder mit einem inerten Gas statt mit Luft gefüllt.
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Die abgedichtete Kapsel 120 wurde als an einem der Zuleitungsdrähte
16 angeordnet beschrieben, wo sie ein bleibendes Merkmal der fertigen Lampe bleibt.
Die Kapsel kann stattdessen innerhalb eines Seitenarms oder eines geeignet bemessenen
Pumpstutzens, wie der Stutzen 118, angeordnet#rden. Nach dem Freisetzen ihres Inhalts
in den Kolben kann der Seitenarm bzw. der Pumpstutzen abgeschmolzen und die verbrauchte
Kapsel entfernt werden.
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Patentans#rüche: