DE1421869A1

DE1421869A1 - Entglasungsfester Quarzglaskoerper

Info

Publication number: DE1421869A1
Application number: DE19621421869
Authority: DE
Inventors: Ainslie Norman George; Morelock Charles Robert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1960-11-22
Filing date: 1962-05-22
Publication date: 1968-11-21
Also published as: DE1133428B; US3231744A; GB1011541A; DE1421869B2; GB1011591A; NL258241A

Description

Die Erfindung betrifft Gegenstände aus geschmolzenem Siliciumdioxyd oder quarzglas und insbesondere Quarz·" die ein chemisches Element enthalten, das eine

Entglasung bei erhöhten Temperaturen verringert.

Eine ganze Reihe von Gegenständen und Geräten, beispielsweise bestimmte Lampentypen, arbeiten bei hohen Temperaturen oder enthalten Teile, die sich im Betrieb auf hoher Temperatur befinden. Bei Dampf» und Bogenlampen liegen die Betriebstemperaturen häufig in der Größenordnung von 1000⁰C. oder darüber und der die Lichtquelle einschließende Kolben, muß daher eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen und trotzdem fest und durchscheinend bleiben.

Der derzeit beste Werkstoff für die genannten Anforderungen ist geschmolzenes Siliciumdioxyd oder Quarzglas· Bei Temperaturen von 1000°C. und höher läßt jedoch sogar Quarzglas zu wünschen übrig. Der wesentlichste Mangel besteht darin, daß Quarzglas bei hohen Temperaturen entglast, d.h. rekristallisiert. Rekristallisiertes Quarzglas hat aber praktisch keine Festigkeit mehr, wenn es auf Zimmertemperatur abgekühlt wird· Wenn eine Entglasung einaal eingetreten ist,

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treten außerdem in-Quarzglas Risse und Sprünge auf, die die Liehtdurchlässigkeit erheblich beeinträchtigen·

Die Entglasurig setzt bei Quarzglas mit merklicher Geschwindigkeit bei Temperaturen von etwa 1000° C. bis hinaus zu 1710°C», dem Schmelzpunkt des B«€ristcoalites ein· J)-Cr is tob al it ist das Entglasungsprodukt im ganzen Entglasungsteüiperaturbereich. Die Bildung von Kristallin sationskernen des Cristobalits ist im all gerne Inen au! die Außenfläche der Probe begrenzt, unter bestimmten Bedingungen kann jedoch an einer Innenfläche eine Kernbildung eintreten.

Wenn die Oberfläche nicht besonders behandelt ist» bilden sich viele Kristalle, die zusammenwachsen und eine durchgehende polykristalline Schicht auf der ganzen Oberfläche bilden. Die Entglasungsohreitet dann mit einem mehr oder weniger gleichförmigen Bickerwerüen dieser Schicht auf kosten des» verbleibenden glasartigen Materials fort.

fi~Cristobalit hat kubische Struktur und ist daher optisch isotrop· Eine Quarzglasprobe, die iahohem Maße entglast ist, bleibt daher bei der Entglasungstöjaperatur transparent. Beim Abkühlen der Probe bildet sich jedoch infolge des unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von (quarzglas und Cristobalit ein ziemlich grobes Hetzwerk von Sprüngen. Die Probe bleibt; jedooh während der Abkühlung bis etwa 2.50⁰C· noch transparent, bei dieser Temperatur wandelt eich der ß-Cristobalit dann schnell in den tetra— gonalen α-Gristobalit um. Was man beim Betrachten eines entglasten Quarzkörpers normalerweise sieht, ist diese opake,

weiße Masse aus α-Cristobalit. Der a-Cristobalit ist norna-

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!erweise voll von Sprüngen und Fehlern und die Korngröße ist beträchtlich kleiner als die des ß-Cristofoalit, der sich ursprünglich bei der hohen Temperatur gebildet hatte» Vird der α-Cristobalit wieder über den a-fi-Umwandlungspunkt erhitzt, so erfolgt eine erneute Umwandlung in ß-Cristobalit. Wegen der vielen Sprünge, die bei der Abkühlung entstanden waren, bleibt der ß»-Cristobalit ziemlich undurchsichtig. Bei einer Erhitzung auf etwa 1600⁰C. verringert sich die Undurchsichtigkeit und die Probe wird wieder klar, da bei dieser Temperatur anscheinend ein Ausheilen der Sprünge durch Zusauuaensintern eintritt«

Durch die Erfindung soll nun ein Quarzglas- »Eörper angegeben werden, der bei Temperaturen von 1000⁰C. und darüber betrieben werden kann, ohne daß eine Beschädigung duroh Entglasung eintritt.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, es zeigen}

Fig. 1 eine ^uerschnittsansicht eines

<iuarzglaskbrpers gemäß der Erfindung und

Fig« 2 eine vereinfachte Darstellung

einer mit hohen Temperaturen arbeitenden Lampe gemäß der Erfindung,

Allgemein gesagt enthalten die gemäß der

Erfindung aufgebauten Gegenstände Quarzglaskörper, die mindestens einseitig von der äußeren Atmosphäre isoliert sind. Eine Quantität eines chemischen Elementes, das ein Öxyö Ml-

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det, dessen Dissociationsdruek bei Temperaturen von mindestens 1000⁰C. höchstens ΙΟ"* Torr beträgt, wird in der mit der isolierten Seite des ^aarzglaskörpers in Verbindung stehenden Atmosphäre vorgesehen. Mit anderen Worten gesagt, wird der ^uarzglaskörper ia eine Kammer eingeschlossen, die ihn völlig von der AuSenataiosphäre isoliert und die das chemische Element enthält.

Es wurde bereits erwähnt, daß beim Entgla-

sungsprozess von quarzglas die Bildung von Kristallisationsfcernen der Cristobalitkristalle an der Außenseite des Quarzglases einsetzt und daß die Kristalle dann in das innere des •^uarzglaskörpers «achsen. Eine große Anzahl von Versuchen zur Bestimmung der Ursache der Kristallisationskernbildung des üristobalits auf der freiliegenden Oberfläche von i^uarzglaskörpern führten zu dem Schluß, daß zumindest die anfängliche Kernbildung durch Verunreinigungen der Oberfläche verursach/t wird· Es wurden dann weitere Untersuchungen angestellt, um zu bestimmt, welche Faktoren die Wachs turas geschwindigkeit der Kristalle in den Körper maßgeblich bestimmen, wenn die Kernbildung einmal erfolgt ist. Dabei wurde fi?hli|||ioh gefunden, §a§ Sauerstoff dasjenige E^ment

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Quarzglaskörpers in Berührung stehenden Atmosphäre so weit wie möglich verringert ist, kann dadurch eine Entglasung nur teilweise verhindert werden, da eine große Menge von Sauerstoff durch Quarzglas nachdiffundieren kann«

Sowohl Wasser als auch Sauerstoff reagieren mit stark reduzierenden Stoffen oder Gettern und es ist daher anzunehmen, daß die Entglasungsgeschwindigkeit in einem Wasserdampf und Sauerstoff enthaltenden System beträchtlich verringert wird, wenn man geeignete Getter einführt. Es wurde eine ganze Reihe von Materialien geprüft und dabei wurde gefunden, daß sich diejenigen chemischen Elemente zur Verhinderung einer übermäßigen Entglasung von quarzglas eignen, die Oxyde bilden, deren Dissoziationsdruck bei Temperaturen von 1000 C. oder darüber höchstens 10 Torr beträgt« Es wurde insbesondere gefunden, daß Stücke aus reinem Graphit, Chrom oder Silicium in der mit den Quarzglasflachen in Verbindung stehenden Atmosphäre kontinuierlich Sauerstoff aus dem System gettern und die Entglasungsgeschwindigkeit der (juarzglaskörper genügend herabsetzen» Außerdem ist es möglich mit thermisch auf den freiliegenden Flächen von «juarzglaskörpern in Form einer dünnen Schicht niedergesohlageneaneraphft^uBd ^Silioium das Quarzglas gegen Sauerstoff au isolieren und kontinuierlich Sauerstoff absugettern« »

Fig· 2 der Zeichnung zeigt eine Ilochtemperä^ turlamp·, dl· einen Quarzglaskolben 20 enthält, der eine abgeeahloseen· Elektrodenkammer 21 begrenzt· Der quarzglaskörper let dann in irgend einer Anordnung eingeschlossen,

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die hier als Quarzkolben 25 dargestellt ist und die eine Kammer bildet, welche den quarzglaskolben 20 gegen die äußere Atmosphäre isoliert. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Getterelenient in der zweiten Kammer, d»h. der Isolierungskamiuer, also in άβια Baum zwischen dem Quarzglas— körper 20 und dem Glaskolben 25, so daß es in Berührung mit der den Quarzglaskörper 20 umgebenden Atmosphäre steht« Das Gettermaterial ist in Pig» 2 mit 26 bezeichnet. In der Elektrodenkammer befinden sich im Abstand voneinander angeordnete Elektroden 3O₁ 31, die zur Erzeugung von Licht über Leitungen 32 an eine Stromquelle angeschlossen werden können. In manchen Fällen enthält die Elektrodenkammer 21 außerdem noch zusätzlich ein Material, wie Natrium oder Quecksilber, das zur Licht erzeugung durch die Elektroden 30, 31 beiträgt«

Anordnungen und Gegenstände, die in der beschriebenen und in Verbindung mit Fig· 1 und 2 erläuterten Weise aufgebaut sind, können bei Temperaturen von 1000°C. und darüber betrieben und über lange. Zeiten Temperaiunte,oh«eln unterworfen werden, ohne daß eine übermäßige Entglasung der aus Quarzglas besiehenden Teile eintritt·

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Claims

Patentansprüche.

1·/ Quarzglaskörper mit mindestens einer von der Außenatniospliäre isolierten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der isolierten Oberfläche des Quarzglaskörpers in Berührung stehende Atmosphäre ein Element enthält, das ein Oxyd bildet, dessen Dissoziationsdruck bei einer Temperatur von etwa 1000 C. höchstens 10"" Torr beträgt.

2· Quarzglaskörper nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichne t, daß das Element Chrom und/oder Kohlenstoff und/oder Silicium ist.

3, Quarzglaskörper nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rch gekennzeichnet, daß das Element vom Quarzglaskörper getrennt ist, sich jedoch in der die Oberfläche des Körpers berührenden Atmosphäre befindet·

4* Quarzglaskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine dünne Schicht bildet, die mindestens einen Teil der isolierenden Fläche bedeckt.

5. Quajzglaskörper nach Anspruch 1 oder 2, g ekennzeichnet durch eine ihn von der Außen-

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