DE1286708B - Verfahren zur Herstellung von vorgespannten Glasgegenstaenden durch die Einwirkung von Korpuskularstrahlen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Glas unter Ausnutzung der im Glas durch eine Korpuskularbestrahlung erzielten Eigenschaftsänderungen.
• Es ist bekannt, daß Korpuskularbestrahlungen im Material Änderungen herbeiführen, die sich in bemerkbaren Änderungen der Körperabmessungen auswirken. Sind diese Änderungen zu jedem Zeitpunkt und in jedem Bereich des Gegenstandes gleich, werden keinerlei Spannungen in dem Gegenstand hervorgerufen. Sind im Gegensatz hierzu die Veränderungen örtlich unterschiedlich, entstehen Spannungen. Bewirkt die Strahlung eine Dehnung des Glases in den Zonen nahe der Oberfläche und verändert sie die inneren Zonen nicht und bleibt das Material gleichzeitig als fester Körper bestehen, der den Spannungen nicht nachgibt, so sind die äußeren, sich dehnenden Zonen durch die inneren Zonen in ihrer Ausdehnung behindert, so daß die äußeren Zonen durch die inneren zusammengedrückt werden, während die inneren Zonen selbst unter eine Zugbeanspruchung gesetzt werden.
• Im umgekehrten Falle, wenn die Bestrahlung keine Dehnung, sondern eine Kontraktion des Glases bewirkt, die man auch negative Dehnung nennen kann, stehen die äußeren Zonen unter Zugspannungen und die innere Zone , unter Druckspannungen.
• Im nachfolgenden wird unter dem Ausdruck »Dehnung« dieser Begriff in seinem weitesten Umfang sowohl für die positive (eigentliche Dehnung) als auch für die negative (Zusammenziehung) verwendet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erstellung eines besonderen Spannungssystems und besteht darin: - einen Glasgegenstand herzustellen, dessen positive oder negative Dehnung unter der Wirkung von Korpuskularbestrahlungen bis zu einem maximalen Wert, entsprechend einer bestimmten Strahlungsdosis D, anwächst, unter einer höheren Dosis sich aber nicht mehr vergrößert; - und daß diese Gegenstände einer Korpuskularstrahlung ausgesetzt werden, deren Dosis gleich oder größer als ein Wert D in den äußeren Zonen des Gegenstandes und kleiner als ein Wert D in der inneren Zone ist.
• Unter diesen Bedingungen hat die Druck- bzw. Zugspannung in den äußeren Zonen des Gegenstandes einen im wesentlichen gleichmäßigen Wert, der bis zu einer bestimmten Tiefe reicht, die der nahe bei D liegenden Dosis entspricht.
• Die zu verwendenden Korpuskularbestrahlungen sind Elektronen oder beschleunigte' Partikelchen bzw. Elektronen und Partikelchen, die aus Nuclearreaktionen stammen, wie beispielsweise Protonen, Deuteronen, Tritonen, Alphateilchen, Lithiumkerne oder Kerne verschiedener Elemente.
• Die Art, wie die unterschiedlichen Spannungen. erhalten werden können, hängt von der Natur der gewählten Strahlung ab.
• Die Ausführungsform, die im einzelnen im nachstehenden beschrieben wird, benutzt Nuclearreaktionen, die sich im Inneren des Gegenstandes selbst abspielen.
• Daher werden Gläser verwendet, die in ihrer Zusammensetzung selbst ein spaltbares Produkt enthalten, beispielsweise Bor in der natürlichen Form, welches 18,8% des Isotops 10 enthält, welches aus der folgenden (n, alpha) Reaktion stammt. Unter der Wirkung eines thermischen Neutrons zerfällt das §OB und gibt einen Heliumkern und einen Lithiumkern frei. Diese beiden Kerne fliegen mit großer Geschwindigkeit zwischen den Atomen des Materials und rufen Nuclearzusammenstöße hervor und hierdurch eine gewisse Zahl von Verschiebungen der getroffenen Atome. Hierdurch entsteht eine positive oder negative Ausdehnung der Körper, welche bei einem gegebenen Glas im Verhältnis zu der Zahl der ausgelösten Reaktionen pro Volumeinheit oder der »Reaktionsdichte« steht.
• Diese Ausdehnung steigt mit der Reaktionsdichte (n, alpha); bis daß diese Reaktionsdichte einen der Strahlungsdosis D entsprechenden Wert erreicht hat, der die maximale Ausdehnung bewirkt, die dann darüber hinaus relativ konstant bleibt. Der den Glasgegenstand treffende Neutronenfluß ist nicht überall in der Masse des Gegenstandes gleichmäßig, da die Neutronen durch verschiedene Elemente des Glases abgefangen werden, beispielsweise 10. Hieraus resultiert eine geringere Reaktionsdichte (n, alpha) in den inneren Zonen gegenüber den Oberflächenzonen, und die Ausdehnung des Glases, die von der Reaktionsdichte (n, alpha) abhängig ist, ist daher innerhalb des bestrahlten Gegenstandes unterschiedlich.
• Die äußeren Bereiche des Gegenstandes erhalten mehr Neutronen als die darunterliegenden Bereiche. Aus diesem Grund folgt, wenn die Bestrahlungsdosis unterhalb des Wertes D bleibt, die Bildung eines Spannungssystems mit parabolischem Verlauf. Haben die äußeren Bereiche eine höhere als der der Dosis D entsprechende Strahlungsdosis erhalten, unterliegen sie keiner zusätzlichen Ausdehnung. Man erzielt daher bis zu einer gewissen Tiefe einen gleichmäßigen Effekt. Wird die Bestrahlung längere Zeit fortgesetzt, um auch den inneren Zonen die Bestrahlungsdosis D mitzuteilen, so wird die Ausdehnung in allen Punkten des Gegenstandes die gleiche und die Spannungen verschwinden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besteht daher darin, einen Glasgegenstand einer Bestrahlung derart auszusetzen, daß der äußere Bereich eine Strahlungsdosis erhält, die gleich oder höher als der Wert D ist, und der innere Bereich eine Bestrahlung erhält, die niedriger als der Wert D ist.
• Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Figuren erläutert.
• Die F i g. 1 stellt die lineare Verlängerung einer Richtung im Glaskörper in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis dar. Diese Verlängerung wächst mit steigender Dosis, bis sie bei A einen bestimmten Wert erreicht, welcher der Dosis D der Strahlung entspricht. Dann bleibt die Verlängerung im wesentlichen konstant gemäß der Linie A-B, oder sie fällt auch gegebenenfalls gemäß der strichlierten Linie A-B'.
• F i g. 2 bis 7 zeigen die Kurven des Spannungsverlaufes in einer Glasscheibe mit der Dicke e. Dabei sind die Spannungswerte auf der Ordinate aufgetragen. Die Dicken- oder Abszissenwerte sind überall die gleichen, nämlich »e«. In F i g. .2 ist auf der Ordinate die Dehnung in verschiedenen Punkten über die Dicke einer Glasscheibe mit der Dicke e in der Schnittebene der Scheibe für den theoretischen Fall aufgetragen, daß sich die einzelnen Punkte frei unter der Einwirkung der Bestrahlung auf die beiden Scheibenoberflächen P, und P2 bewegen können. Die Strahlendosis, die auf die beiden Oberflächen wirkt, liegt über D bis zu einer bestimmten Tiefe und ist in den mittleren Schichten geringer.
• F i g. 3 zeigt die sich im gleichen Gegenstand tatsächlich ausbildenden Spannungen, da die einzelnen Punkte ja miteinander zusammenhängen und sich nicht frei bewegen können.
• Die den Gegenstand der Erfindung darstellende Besonderheit dieser Verteilung der Spannungen ist der im wesentlichen konstante Wert der Spannungen auf eine bestimmte Tiefe e, und e2 von der Oberfläche aus gesehen.
• Die aufzuwendende Intensität der Strahlung ist umgekehrt proportional zum Borgehalt des Glases. Es wurde gefunden, daß für zahlreiche einen gleichen Borgehalt aufweisende Gläser die Werte der Dosis D weniger unterschiedlich sind; es können daher folgende Werte angegeben werden: 1,4 -für ein Glas mit 30% 13203, 0,7 1018n/cm' für ein Glas mit 10% B-#O3, 0,4 1018n/cm2 für ein Glas mit 20% B203. (mit: n = Anzahl der Neutronen).
• Die angegebenen Prozentzahlen für Boranhydrid sind Molprozente.
• Das Lithium unterliegt ebenfalls den (n, alpha) Reaktionen unter dem Einfluß thermischer Neutronen, jedoch ist der Reaktionsquerschnitt zehnmal kleiner als der des Bors. Im allgemeinen kann daher der Einfluß des Lithiums vernachlässigt werden. Für große Lithiumgehalte können 10% des L;20 als gleichwertig für 1% B203 (Molprozent) angesehen werden.
• Die Dosis D muß in der Masse des Gegenstandes noch bei der Tiefe zur Wirkung kommen, in der die gewünschte gleichförmige Spannung errichtet werden soll. Daher muß die Oberfläche des Gegenstandes einer höheren Dosis ausgesetzt werden, die für gewisse besondere Formen ausgerechnet werden kann. Es ist jedoch häufig einfacher, experimentell vorzugehen, indem der Gegenstand mit von den oben angegebenen Dosen aus ansteigenden Dosen bestrahlt wird, bis daß der gesuchte Erfolg erreicht ist.
• Auch müssen eventuelle Störungen des Neutronenflusses berücksichtigt werden, die auf äußere Umstände zurückzuführen sind, z. B. durch eine Absorption von Neutronen an Gefäßwänden. Bei fehlender Kenntnis des Dosiswertes D für bestimmte Punkte, des Glasgegenstandes kann überschlägig mit einer »Nominal«-dosis gerechnet werden, die sich aus dem Produkt der Bestrahlungsdauer und dem thermischen Neutronenfluß innerhalb des Bestrahlungskanals bei Abwesenheit des Gegenstandes ergibt. Um die gewünschten Spannungszustände zu erzielen, ist es erforderlich, um so stärkere Nominaldosen zu verwenden, je höher die Zahl der eingefangenen Neutronen durch den bestrahlten Gegenstand ist. Die Steigerung der Nominaldosis kann das Dreifache und mehr betragen, wenn der Gegenstand eine große Menge sogenannter Einfangelemente erhält. Die Gläser, deren Ausdehnung positiv ist, d.h., die in der Lage sind, in ihrer Oberflächenschicht unter der Wirkung von Korpuskularstrahlen Druckspannungen zu bilden, sind reich an Alkali, Erdalkali oder an Blei und haben folgende Molzusammensetzung: S;02 zwischen 10 und 70%, A1203 zwischen 0 und 20%, B20:3 zwischen 0 und 50%, Li20 + Na20 + K20 zwischen 0 und 30%, Mg0 + Ca0 + Sr0 + Ba0 zwischen 0 und 30%, Pb0 zwischen 0 und 850% mit folgenden Bedingungen Si02 + B20:3 + A120:3 niedriger als 85%, M20 + MO + PbO höher als 15%, B.30:3 höher als 1% oder Li20 höher als 10°/o, M2 bedeutet Lit, Nag, K2, Rb- und/oder Cs2, M bedeutet Mg, Ca, Sr und/oder Ba.
• Die Gläser, deren Ausdehnung negativ ist und die daher in ihrer Oberflächenschicht unter der Einwirkung von Korpuskularstrahlen Zugspannungen errichten, sind reich an Oxydbildnern und haben folgende molekulare Zusammensetzung: Si02 zwischen 50 und 99%, A1203 zwischen 0 und 20%, B203 zwischen 0 und 50%, Li20 + Na20 + K20 zwischen 0 und 20%, MgO + Ca0 - Sr0 + Ba0 zwischen 0 und 30%, Pb0 zwischen 0 und 200% mit folgenden Bedingungen Si02 + ArzGa + B203 höher als 75%, M20 + MO + Pb0 zwischen 0 und 150;o, B203 höher als 1% oder Li20 höhe;- als 10%. M2 und M bedeuten die deichen Metalle wie in der vorhergehenden Zusammensetzung.
• Neben den hier aufgeführten Komponenten der Gläser mit positiver bzw. negativer Ausdehnung können noch Oxide der Metalle Beryllium, Vanadium, Uran und Thorium vorhanden sein.
• Man kann mit angereichertes Bor an Stelle natürlichen Bors im Glas verwenden, um dadurch einen größeren Wirkungsgrad der Bestrahlung in dem Gegenstand zu erzielen. Wünscht man ein Glas zu erhalten, welches wenig Boränoxid besitzt, so kann ebenfalls mit Lithium 6 angereichertes Lithium verwendet werden. Schließlich können Elemente mit großem Einfangquerschnitt außer denen, die Spal-. tungen unterliegen, in die Glaszusamm(3nsetzcitag eingeführt werden, um starke Gradienten zu erhalten, wobei gleichzeitig der thermische Effekt verringert wird, wie z. B. Cadmium.
• Die Rolle der schnellen Neutronen ist im allgemeinen vernachlässigbar, wenn der thermische Neutronenfluß gegenüber dem schnellen Neutronenfluß groß bleibt. Wenn der dem thermischen Neutronenfluß überlagerte schnelle Neutronenfluß bedeutend wird, resultiert hieraus meistens eine Verringerung des Wirkungsgrades der Strahlung, insbesondere in Gläsern, die eine geringe Spaltreaktionsdichte aufweisen. Die F i g. 4, 5, 6 und 7 zeigen die Verteilung der Spannungen über die Dicke eines Glasgegenstandes, der einer Korpuskularstrahlung ausgesetzt war.
• Die F i g. 4 bezieht sich auf einen Glasgegenstand, dessen Ausdehnung positiv ist und welcher einer unterhalb des Wertes D liegenden Strahlungsdosis ausgesetzt war, d. h. bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren nicht durchgeführt wurde. Der Verlauf der Spannungen hat dort parabolische Form.
• F i g. 5 betrifft den gleichen Gegenstand, dessen Ausdehnung positiv ist, der jedoch einer oberhalb des Wertes D liegenden Bestrahlung ausgesetzt wurde, entsprechend dem Zweig A-B der Kurve in Fig. 1.
• Die F i g. 6 betrifft einen Glasgegenstand, dessen Ausdehnung negativ ist und der einer höher als D liegenden Bestrahlungsdosis ausgesetzt wurde, entsprechend dem Zweig A-B der' Kurve der F i g. 1.
• F i g. 7 gibt den Spannungsverlauf eines Glasgegenstandes Wieder, dessen Ausdehnung unter der Einwirkung einer Dosis D zwar positiv ist, jedoch unter der Einwirkung einer höheren Dosis als D abnimmt (Zweig A-B' in Kurve der F i g. 1).
• Beispiel 1 Eine Platte von 5 mm Stärke aus einer Glaszusammensetzung in Molekularanteilen: SiO.= B--,O:; Pb0 Lia0 47 20 9,5 23,5 bestrahlt mit wenigstens 3 - 101- ,n/cm'-', weist eine Verteilung der Spannungen mit parabolischer Form auf, so daß der Punkt P, an welchem die Spannungen gleich Null sind. in einer Tiefe von 0,8 mm (F i g. 4) liegt. Auf Grund der Zusammensetzung des Glases sind die Spannungen an der Oberfläche Druckspannungen und an der zentralen Zone Zugspannungen. Die Bestrahlung entspricht einer unter D liegenden Dosis in allen Bereichen des Glasgegenstandes. Steigert man die Dosis. jedoch ohne den Wert D zu erreichen, so entfernt sich der Punkt P von der Oberfläche. die Spannungen steigen und behalten die parabolische Form bei. Erreicht man die Dosis D mit dem Wert in der Größenordnung von 1,8 - 10'8n'cm'-'. verändert sich die Verteilung der Spannungen, man erhält über eine Tiefe von etwa ).4 mm im wesentlichen konstante Druckspannungen in der Größenordnung von etwa 110 kg pro Quadratzentimeter. Der Punkt P' der Nullspannungen befindet sich bei 1.25 mm von der Oberfläche. d. h. etwa in der Hälfte der halben Stärke (F i g. 5). Beispiel 2 Eine Platte aus Glas mit folgender Zusammensetzung: SiO-, B.203 K20 Na--,0 80 4.3 1.0 14.7 mit einer Stärke von 5 mm, bestrahlt mit 1.4 - 1018n' :m'-'. weist eine Zone gleichmäßiger Druckspannungen bis zu einer Tiefe von 0,9 mm auf, d. h. mehr als ein Drittel der halben Dicke des Gegenstandes (F i g. 6).
• Selbstverständlich ist, daß. wenn man mit einem ;ehärteten Glas arbeitet. die auf Grund der Härtung vorhandenen Anfangsspannungen durch die erfindungsgemäße Behandlung verändert werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von vorgespannten Glasgegenständen durch Einwirkung von Korpuskularstrahlen, dadurch gekenilzeichxi e t , daß der Gegenstand eine chemische Zusammensetzung-aufweist, die unter der Einwirkung der Bestrahlung eine positive oder negative, bis auf einen maximalen Wert ansteigende Volumenänderung erfährt und daß die Strahlung derart gewählt wird, daß die Strahlendosis gleich oder größer als der der maximalen Volumenänderung entsprechende Wert (D) für die Außenschichten des Glasgegenstandes und kleiner als dieser Wert in den Innenschichten des Glasgegenstandes ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasgegenstand Elemente enthält, die durch eine Korpuskularbestrahlung bzw. durch die Einwirkung thermischerNeutronen gespalten werden, insbesondere Bor und Lithium.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erzielung von Glasgegenständen, die in einer Oberflächenschicht im wesentlichen gleichmäßige Druckspannungen äufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas folgende molekulare Zusammensetzung aufweist: SiO.a zwischen 10 und 70%, Alma zwischen 0 und 20%, B2Oa zwischen 0 und 50%, Li.,0 + Na20 + K.20 zwischen 0 und 300/0, MgO + CaO + Sr0 + BaO zwischen 0 und 30%, PbO zwischen 0 und 850.10 mit folgenden Bedingungen: Si02 + B.-0:3 + Al--,O., niedriger als 85%, M20 + MO + PbO höher als 1910. B.,0:; höher als 10% oder Li2O höher als 100!o. M---0 bedeutet: Li20. Nas0 und oder K20, MO bedeutet: Mg0, Ca0, SrOund oder Ba0.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erzielung von Glasgegenständen, die in einer Oberflächenschicht im wesentlichen gleichmäßige Zugspannungen aufweisen. dadurch gekennzeichnet, daß das Glas folgende molekulare Zusammensetzung aufweist: Si02 zwischen 50 und 99"-0. A120:, zwischen 0 und 20" 0, Bs0:; zwischen 0 und 500 0. Li.,0 + Na20 + K.a0 zwischen 0 und 200 c@. MgO + CaO + Sr0 + BaO zwischen 0 und 300/0, PbO zwischen 0 und 20'0 mit den folgenden Bedingungen: Si0= + B-0:; + A12>0:; höher als 750 0. M20 + MO + PbO zwischen 0 und 2500, B.=0:; höher als l0/" oder Li20 höher als 100'0. M-0 bedeutet: Si20, Na-0 und oder K.20; MO bedeutet: Mg0. Ca0. SrO und'oder Ba0.