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Vakuumdichte Stromeinführung Es sind bereits vielfach Versuche unternommen
worden, metallische Stromzuführungen in Quarz einzuschmelzen. Zum allergrößten Teil
blieben diese Versuche, die bei ihrem Gelingen einen bedeutenden Fortschritt auf
sehr vielen Gebieten der Tecknik ergeben hätten, erfolglos. Das nächstliegende war,
zum erwähnten Zweck Metalldrähte oder Drahtgruppen, z. B. in Form von Schläuchen,
zu verwenden. Bei Anwendung von Drähten erwies sich die Festigkeit von Quarz als
zu gering, um den Zugspannungen bei Erkalten der Einschmelzungen standzuhalten.
Bei Verminderung des Drahtdurchmessers wurden die hierbei sich bildenden Risse und
Spalte zwar kleiner, jedoch mußte aus elektrischen Gründen bei fortdauernder Verkleinerung
ihres Durchmessers entsprechenderweise eine immer steigende Zahl von Drähten genommen
werden. Dabei zeigte sich aber, däß zwar kleinere Risse und Sprünge entstehen als
bei Verwendung eines einzigen dickeren Drahtes, diese aber in ihrer Gesamtheit ein
eher größeres Gefahrenmoment für die Dichtigkeit ergaben.
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Es ist auch schon versucht worden, zur Einschmelzung metallische Kappen
aus Tantal, Molybdän oder Niob zu verwenden, die an einem ringförmigen dünnen Saum,
der außen und innen mit Quarz in Verbindung stand, im Hochvakuum eingeschmolzen
wurden. Weiter ist es auch bekannt, Tantalfolien zu verwenden. Auch diese Einschmelzung
führte nicht zu dem gewünschten Erfolg, da durch die Spannungskräfte im Einschmelzmaterial
Risse und Sprünge des Quarzes entstanden und dadurch Undichtigkeiten bedingt werden.
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Zur Behebung der genannten Mängel wird nun erfindungsgemäß eine vakuumdichte
Stromeinführung in Quarz- oder aridere hochschmelzende, hochkieselsäurehaltige Gläser
derart hergestellt, daß das einzuschmelzende Metall, nämlich Tantal, Nnob oder Molybdän,
als Folie von höchstens 2o ,u Dicke verwendet wird. Versuche haben nämlich ergeben,
daß geschmolzenes Quarz Tantal, Molybdän und Niob dann benetzt, wenn die genannten
Metalle durch eine Vorbehandlung; beispielsweise durch Entgasung bei hohen Temperaturen,
im Hochvakuum geschmeidig geworden sind. Diese Vorbehandlungen, die sich bei den
Kappeneinschmelzungen als günstig erwiesen haben, wurden nun bei dünnen Bändchen
aus denselben Metallen vorgenommen.
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Die Benutzung von dünnen Bändchen zum erwähnten Zweck schien von vornherein
nicht aussichtsreich zu sein, da auch hierbei der das Metall umgebende Quarz durch
Zugspannungen in noch höherem Maße beansprucht wird; als- dies bei Verwendung von
runden Drähten der Fall ist. Auch eine Variierung
der Dimensionen
schien nach den Regeln der Festigkeitslehre nicht aussichtsreich zu sein, da bei
Beibehaltung derselben geometrischen Form, auch bei Änderung der Dimensionen, immer
die gleichen Zugspannungen zu erwarten waren. Versuche in dieser Richtung ergaben
auch erwartungsgemäß bei stetiger Verminderung der Folienstärke immer die gleichen
ungenügenden Resultate, weil an der Grenze von Quarz und Metall dünne Risse entstanden.
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Überraschenderweise verschwanden diese Risse aber restlos bei einer
gut bestimmbaren endlichenDickederFolie, so daß dadurch vollkommen vakuumdichte
Einschmelzungen herstellbar wurden.' Diese, durch Versuche ermittelte Grenzdicke
beträgt erfindungsgemäß etwa 2o ,u. Die Breite der Folie und auch die Ausbildung
der Ränder (zugeschärfter oder glatt abgeschnittener Rand) erwies sich aber bei
richtiger Wahl der Foliendicke von geringer Bedeutung.
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Gerade die Verwendung von äußerst dünnen Folien bringt einen neuen
unerw.artetenEffekt mit sich. Eine Einschmelzung eines Metalls in Glas, Quarz oder
ähnliche Stoffe wird deswegen undicht, weil die Ausdehnungskoeffizienten dieser
Stoffe in -den meisten Fällen ungleich sind. Besonders kraß liegt der Fall beim
Quarz, welches nahezu keinen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Bei einer Einschmelzung
werden hauptsächlich zwei Kräfte wirksam, sobald Temperaturänderungen auftreten.
Zwischen dem eingeschmolzenen Metall und dem einzuschmelzenden Stoff, beispielsweise
dem Quarz, bestehen starke Adhäsionskräfte. Diese Kräfte sind cet. par. abhängig
von der Oberfläche des eingeschmolzenen Metalls. Um die Oberflächen zu trennen,
muß nun gegen diese Kräfte eine spezifische Arbeit, die Trennungsarbeit, geleistet
werden, die den Oberflächen proportional ist. Weiter treten bei Temperaturänderungen
Spannungskräfte auf. Die Energie dieser Spannungskräfte ist cet. par. proportional
dem Querschnitt ,des Materials. Bei Veränderung der Stärke der einzuschmelzenden
Folien ändert sich nun die Oberfläche der Folien praktisch gar nicht, d. h. die
zur Trennung erforderliche Arbeit-bleibt konstant. Die Spannungsenergie, die in
der Folie hierzu zur Verfügung steht, nimmt aber proportional mit der Stärke der
Folie ab. Es ist verständlich, daß bei genügender- Größe der aufgespeicherten Spannungsenergie
die Adhäsionskräfte nicht mehr ausreichen für eine feste Verbindung zwischen dein
Metall und dem Quarz. In diesem Falle lockert sich die Einschmelzung und wird undicht.
Sobald jedoch die Spannungsenergie im Metall unterhalb einer bestimmten,Grenze bleibt,
überwiegen die Adhäsionskräfte, d. h. die in der Folie aufge speicherte elastische
Energie reicht nicht aus. um die Trennungsarbeit gegen die Adhäsionskräfte zu leisten
und dadurch die Einschmelzung undicht werden zu lassen. Die praktische Grenze für
die Folienstärke liegt bei etwa 20 /c. Man wird vergeblich versuchen, eine
Folie größerer Stärke vakuumdicht in Quarz einzuschmelzen. Erst wenn man mit der
Stärke unter etwa 2o,u hinuntergeht, wird eine vakuumdichte Einschmelzung erreicht.
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In einigen Fällen zeigte es sich aber, daß die passende Wahl der durch
Versuche ermittelten Dicke der Folie allein noch nicht ausreicht zur Herstellung
dauernd dichter Einschmelzungen. Wurde nämlich die'Einschmelzung auf die in derOuarzbläsertechnikübliche
Weise in der Wasserstoff- oder Leuchtgasflamme hergestellt, so waren manche Einschmelzungen
für einige Stunden dicht, wurden aber bei Temperaturwechsel oder auch spontan, später
wieder undicht. Dagegen zeigte es sich, daß bei Vornahme der Einschmelzung im Kohleflammenbogen,
also auf eine in der Quarzbläsertechnik sonst nicht übliche Weise, alle Einschmelzungen
dauernd dicht blieben.
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Für diese auffallende Erscheinung wurde folgende Erklärung gefunden:
Heißes Quarzglas ist für Wasserstoff gut durchlässig. Andererseits neigen Molybdän,
und in noch höherem Maße Tantal und Niob, in heißem Zustande zu Wasserstoffaufnahme,
letztere beiden Metalle sogar unter Bildung von Hydriden, wobei sie ihre Geschmeidigkeit
verlieren und mehr oder weniger spröde werden. Hierdurch lösen sie" sich beim Erkalten
von der Quarzwand ab, und die Einschmelzung wird undicht. Um die geschilderte Erscheinung
zu vermeiden, muß die Einschmelzung in solcher Weise vorgenommen werden, daß die
Wasserstoffäufnahme derMetalle verhütet wird. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch
Schmelzung in einem Wasserstoff nicht enthaltenden Heizmedium, als dessen Beispiel
der Lichtbogen bereits- angeführt wurde. Die Einschmelzung kann aber auch z. B.
in einem elektrischen Ofen, bespielsbalber.aus Kohle, vorgenommen werden, oder auch
inderWeise, daß ein Kohlekern in den Quarzkörper eingebettet ist und durch Wirbelströme
hoch erhitzt wird. Das Einschmelzen kann aber auch in Flammen vorgenommen werden,
,die durch Verbrennung wasserstoffhaltiger Stoffe gespeist werden, wie beispielsweise
schwere Kohlenwasserstoffe, vorausgesetzt, daß -der Partialdruck des Wasserstoffs
in der Flamme sehr klein ist. _ Quarzglas enthält :durch seine Herstellung bereits
ein gewisses okkludiertem Wasserstoff. Es hat sich als zweckmäßig
erwiesen,
diesen vor der Einschmelzung durch Erhitzung in Luft oder in Vakuum auszutreiben,
oder aber Quarzglas zu verwenden, das vorher keine Bearbeitung in wasserstoffhaltigen
Flammen erfahren hat.
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Es hat sich auch gezeigt, daß es bis zu einem gewissen Grade möglich
ist, den Wasserstoff aus der Einschmelzung nachträglich auszutreiben, indem man
diese, bevor sie sich auf Zimmertemperatur abgekühlt hat, längere Zeit nach einer
der oben geschilderten Methoden auf hoher Temperatur, beispielshalber auf i i oo°
hält.
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Die geringe Dicke der Metallfolien, mit denen sich erfindungsgemäß
eine dichte Einschmelzung herstellen läßt, verursacht gewisse Schwierigkeiten. Es
hat sich zwar gezeigt, daß beispielshalber eine Folie von io u Dicke und 5 mm Breite
Ströme von über io Amp. vertragen kann, ohne zu glühen, und daß wiederholterTemperaturwechsel
zwischen Rotglut und Zimmertemperatur der Dichtigkeit der Einführung nicht schadet.
Es zeigte sich aber, daß die Folie nach längerer oder kürzerer Zeit an den Stellen
durchbrennt, an denen sie nicht in Quarz eingeschmolzen liegt. Es hat sich als erforderlich
erwiesen, die Folie an den Stellen, an denen sie mit Luft in Berührung kommen kann,
vor höheren Temperaturen zu schützen und auch den Luftzutritt nach Möglichkeit zu
beschränken. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß die dünne Folie an ihren Enden
mit etwas stärkeren Blechen, beispielshalber aus Molybdän, in innige Berührung gebracht
wird, beispielshalber durch Punktschweißung oder durch Einklemmen, und dieses Blech
selber mit in Quarz eingeschmolzen wird unter Bedingungen, unter denen Quarzglas
am Metall der Endbleche nicht haftet. Es hat sich nun gezeigt, daß dies beispielshalber
erreicht wird mit Endstücken aus Molybdänblech, die .bei Temperaturen nicht über
170o° entgast worden sind, wenn die Einschmelzung dieser Endbleche mit geringem
Temperaturüberschuß über dem Eräeichungspunkt des Quarzglases vorgenommen wird.
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Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Übergangsstelle zwischen den
Endblechen und der dünnen Folie einen Gefahrenpunkt bildet. Infolge thermischer
Kontraktion der Endstücke oder auch durch mechanische Beanspruchung rissen die Folien
vorzugsweise an dieser Stelle. Erfindungsgemäß wird dies dadurch verhütet, daß an
den Enden die Folie doppelt oder mehrfach genommen wird, wodurch ein mechanisch
fester IT#bergang geschaffen wird. Einen guten thermischen und mechanischen Schutz
der gefährlichen Enden ergibt auch ein Ausgießen der Enden mit Metallen, beispielshalber
mit bei Zimmertemperatur festen Metallen, wie Blei oder Wismut.