-
Verfahren zur Herstellung vakuumdichter Metalldurchführungen durch
Quarz `'a1tuumdichte Durchführungen von Metallen durch Quarz haben von jeher ein
großes Interesse in der Technik gehabt, ohne daß bisher eine wirklich einwandfreie
technische Lösung gefunden wurde. Die Schwierigkeiten liegen in dem sehr niedrigen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Quarzes. Kein bekanntes Metall hat in dem
ganzen Temperaturbereich zwischen Zimmertemperatur und dem Erweichungspunkt des
Quarzes einen dem Quarz angenähert passenden Äusdehnungskoeffizienten, sondern alle
liegen um ein beträchtliches Stück höher. Aus diesem Grunde ist es nicht möglich,
eine vakuumdichte Verschmelzung von Metall und Quarz herzustellen, da beim Abkühlen
nach dem Einschmelzen ein Loslösen des Metalls von der Glaswand erfolgt. Durch dieses
Ablösen wird aber die Verschmelzungsstelle undicht.
-
Es sind viele Versuche gemacht worden, um die Schwierigkeiten zu überbrücken.
Eine der bekanntesten ist die Verwendung von Übergangsgläsern. Dabei verfährt man
so, daß kurze Stücke von Gläsern mit steigendem Ausdehnungskoeffizienten an den
Quarz angesetzt werden und in das Stück mit dem höchsten Ausdehnungskoeffizienten
das Metall vakuumdicht eingeschmolzen wird. Durch geringe Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten
halten die Gläser aneinander.
-
Eine andere Methode zur vakuumdichten Durchführung von Metall durch
Quarz besteht in der soggenannten Folieneinschmelzung. Eine dünne,
einige
My starke Metallfolie wird in ein vorbereitetes Quarzrohr eingeschoben, das Rohr
erhitzt und sein Inneres entlüftet. Unter dem Druck der äußeren Luft fällt das Quarzrohr
zusammen und liegt dicht auf der Metallfolie auf. Wegen der geringen Dicke der Metallfolie
kann sie sich bei Temperaturerhöhung nur sehr wenig ausdehnen, so daß die Kräfte,
die zwischen dem sich dehnenden Metall und dem Quarz entstehen, von den elastischen
Kräften des Quarzes kompensiert werden und weder der Quarz springt; noch sich das
Metall vom Quarz ablösen kann.
-
Diese Stromzuführungen haben sich sehr gut bewährt, sie haben aber
den prinzipiellen Nachteil, daß nur relativ kleine Ströme durch die Durchführung
fließen dürfen, da die dünne Folie sich sehr stark durch den Strom erwärmt und nicht
höher erhitzt werden kann als bis zur Erweichüngstemperatur des Quarzes.
-
Es ist ferner bekannt, eine besondere Art der Verschmelzung durchzuführen,
indem man eine dünne Folie aus einem hochschmelzenden Metall, etwa Wolfram oder
Molybdän; von einigen My Stärke senkrecht zur Achse des zu dichtenden Rohres einschmilzt.
Es wird dabei nur ein ringförmiger Rand der kreisrunden Folie in den Quarz eingequetscht,
während ein kreisrunder innerer Teil frei bleibt. Durch diese Folieneinschmelzung
wird der vakuumdichte Abschluß des Inneren des Quarzgefäßes erreicht, es besteht
aber als Stromdurchführung noch keine metallische Verbindung nach außen, die durch
eine besondere Metallverbindung, etwa durch einen Metallstab oder Draht; hergestellt
wird, die an dem inneren, freien Teil der Folie befestigt werden muß. Es wird bei
den bekannten Verfahren senkrecht zu dieser eingeschmolzenen Folie in der Achse
des Quarzrohres ein starker Metallstab oder -draht durch Schweißung auf der Folie
von beiden Seiten befestigt.
-
Diese Methode ist nicht sehr vorteilhaft, da bei der Schweißung die
Folie leicht beschädigt wird, weil die aufgesetzten und aufgeschweißten Stäbe nie
so, gleichmäßig auf der Folie aufliegen, daß nicht ein einseitiger Druck ausgeübt
wird, der zur Zerstörung der Folie führt, denn die Folie ist so dünn, daß jede unsachgemäße
Berührung zum Bruch führt. Man hat versucht, diese Schwierigkeiten zu umgehen, indem
man nicht eine Folie gleichbleibender Dicke verwendet, sondern eine etwas stärkere,
mechanisch haltbarere Platte, die nur an den Rändern, die in den Quarz eingebettet
werden, auf die Stärke von einigen My geschwächt wird. Auch diese Art der Verschmelzung
hat sich nicht bewährt, da beim. Anschweißen der Zuführungsdrähte oder -stäbe die
dünnen Ränder der Folie leicht beschädigt werden.
-
Erfindungsgemäß werden die Schwierigkeiten bei dieser Art von Einschmelzungen
dadurch beseitigt, daß die Metalldurchführungen im geschmolzenen Zustand in das
vorbereitete und mit der senkrecht zur Rohrachse eingeschmolzenen Folie versehene
Quarzrohr eingebracht werden, z. B.. läßt man geschmolzenes Metall in das hinreichend
erhitzte Quarzrohr hineinlaufen oder hineintropfen, öder man bringt ein Metallstück
in das Innere, ohne die Folie zu berühren, und läßt es durch Temperaturerhöhung
schmelzen. Erst im geschmolzenen Zustand berührt dann das Metall die Folie. Durch
diese Maßnahme wird erreicht, daß .die Folie nicht bei der Berührung mit .dem massiven
Metallstück verletzt wird.
-
Wählt man z. B. für die Stromzuführung als gut leitendes Metall Kupfer,
so tritt bei der Berührung des flüssigen Kupfers mit der Folie aus hochschmelzendem
Metall eine intensive Haftung der Metalle ein, eine Legierung zwischen den beiden
Metallen bildet sich aber nicht.
-
Für hochbelastete Entladungsröhren ist Kupfer als Werkstoff für die
Stromdurchführungen nicht erwünscht, weil es einen zu hohen Dampfdruck bei der Betriebstemperatur
hat, der das Vakuum einer Entladungsröhre stören würde. Die Metalle, die höher als
Kupfer schmelzen und damit einen niedrigeren Dampfdruck besitzen, legieren sich
alle mit den hochschmelzenden Metallen der Folien. Die Schmelztemperatur der Eutektika
dieser Legierungen liegen meist unter dem Schmelzpunkt der Metalle der Stromzuführungen.
Es bildet sieh also beim Einbringen des flüssigen Metalls der Stromzuführung eine
bei der Temperatur flüssige Legierung mit der Folie. An die Stelle der Folie tritt
also die Legierung des Folienmetalls mit dem Metall 'der Stromzuführung, die bis
an die äußersten Ränder der Folie, die im ' Quarz eingequetscht sind, vordringen
kann.
-
Die Wirksamkeit der Folieneinschmelzung und ihre Vakuumdichtigkeit
wird erfindungsgemäß durch diese Erscheinung nicht gefährdet. Denn das wesentliche
Merkmal der Folienverschmelzung ist die geringe Stärke der Metallfolie, die am Rande
in den Quarz eingequetscht ist. Durch diese geringe Dicke ist der Druck auf die
Quarzwände bei thermischer Ausdehnung so gering, daß die elastischen Kräfte des
Quarzes diesen Druck aufzunehmen vermögen und andererseits kein Ablösen des Metalls
vom Quarz eintritt. Man verwendet für die Folieneinschmelzung hochschmelzende Metalle,
da die Erweichungstemperatur des Quarzes so hoch liegt, daß andere Metalle beim
Einschmelzvorgang schmelzen würden.
-
Die erfindungsgemäße Maßnahme zur Herstellung der Durchführungen wird,
wie ausgeführt, erst vorgenommen, wenn die Folie bereits in das Quarzrohr eingeschmolzen
ist, so hohe Temperaturen wie beim Einschmelzen also nicht mehr auftreten. Die vakuumfeste
Abdichtung durch die Folienverschmelzung bleibt auch beim Ersatz des hochschmelzenden
Metalls durch die Legierung mit einem anderen Metall erhalten.
-
Nach dem Einbringen des Metalls im geschmolzenen Zustand und inniger
Berührung mit der Folie läßt man das Metall im Innern des Ouarzrohres erstarren.
-
Erfindungsgemäß kann man dieses Verfahren in gewissen Fällen auch
dahin abändern, daß nur
eine kleine Menge :@1e: all der Durchführung
im flüssigen Zustand eingebracht wird, wodurch bereits nach dem Erkalten eine hinreichende
mechanische Stabilisierung der Metallfolie erreicht wird, während der Hauptteil
der Durchführung nach dem Erstarren dieses flüssigen Teiles mit der erstarrten Masse
in an sich bekannter Weise verbunden werden.
-
Der gewünschte Erfolg, daß die Folie mechanisch stabilisiert wird,
wird auch dadurch erreicht, daß nur von der einen Seite an die Folie das Metall
der Durchführung im flüssigen Zustand herangebracht wird. Nachdem dieses Metall
erstarrt ist, ist die Folie mechanisch befestigt, und die Metalldurchführung von
der anderen Seite kann in an sich bekannter Weise befestigt werden, z. B. durch
Lötung oder durch Schweißung. 'Ulan kann bei diesem abgeänderten Verfahren auch
auf beiden Seiten verschiedene Metalle wählen, wenn es für den gewünschten Verwendungszweck
günstig erscheint.
-
Wählt man als flüssiges Metall der Stromzuführung ein solches aus,
das mit dem Metall der Folie keine Legierung bildet, z. B. Kupfer bei einer Molybdänfolie,
so ist es in gewissen Fällen angebracht, noch eine kleine Menge eines Metalls, das
mit den beiden verwendeten Metallen legieren kann, z. B. bei den genannten Metallen
Nickel, mit zwischen die beiden Metalle zu bringen, um eine intensive Haftung und
Verbindung zwischen den beiden Metallen herzustellen. Diese Zwischenschicht wählt
man am besten so dünn, daß durch die geringe Menge des Zwischenmetalls bei der angewendeten
Temperatur eine durch die ganze Folie hindurchgehende flüssige Legierung sich nicht
bilden kann, sondern nur an der Berührungsstelle zwischen den beiden Metallen eine
dünne Schicht einer flüssigen Legierung entsteht, während der Hauptteil der Folie
fest bleibt. Man kann die Zwischenschicht z. B. in an sich bekannter Weise galvanisch
auftragen.
-
Derartige erfindungsgemäß hergestellte Metalldurchführungen durch
Quarz sind vakuumdicht und halten auch starke Temperaturwechsel und mechanische
Belastung sehr gut aus.