Glas / Herstellung / Bearbeitung

 

Allgemeines über Glas

Die Beonderheiten an Ionen-Röntgenröhren veranlassen mich, einiges über Glas zu schreiben.

Wer damals eine Glashütte betreiben wollte brauchte 3 Dinge

1. Rohstoffe, hauptsächlich Quatzsand entsprechender Qualität
2. Wasser zum Sand waschen
3. Energie, und davon reichlich. Im 17. bis 19.Jahrhundert fast nur aus Holz gewonnen.

Genau das stand im Thüringer Wald zur Verfügung. Ein Grund dafür, dass hier gleich hunderte Glashütten entstanden.

Glas besteht im Wesentlichen aus Quarzsand, Soda und Pottasche. Der Quarzsand wird in Gruben abgebaut und zunächst mit Wasser gereinigt und dann getrocknet. Nicht jeder Quarzsand ist geeignet, da er oft störende Beimengungen enthält.

Weitere Beimischungen zur Veränderung der Farbe und der Eigenschaften sind möglich und wurden in der Frühzeit der Glasherstellung von den Glasmachern oft als deren Geheimnis gehütet.

Glas gibt es in der Qualität „weich“ und „hart“, hat aber nichts mit weich im bekannten Sinne zu tun. Unter „weich“ bezeichnet man ein Glas mit niedriger Schmelztemperatur. Ein „hartes“ Glas mit entsprechend hoher Schmelztemperatur.

Darüber hinaus gibt es noch die Begriffe „kurz“ und „lang“. Darunter versteht man den Temperaturbereich, während dem man das Glas noch verformen kann.

In Bezug auf seine Zusammensetzung und Eigenschaft gibt es hunderte von Glassorten. Bei elktrischen Röhren aus Glas kommt es besonders auf den Audehnungskoeffizienten an, der ziemlich genau dem des durchgeführten Drahtes entsprechen muss. Hier mal ein Link dazu: http://www.glaskomponenten.de

Frühe Röntgenröhren bestanden aus weichem Kalk-Soda-Glas mit großem Temperaturbereich für die Verformung. Gundelach hatte dazu sein GG-29, ein spezielles patentiertes Glas.

 Das Glas wird in der Glashütte bei rund 1400°C geschmolzen. Der Glasmacher entnimmt mit der Glasmacherpfeife daraus einen mehr oder minder großen Tropfen flüssiges Glas, den er unter ständigem Drehen der Pfeife äußerlich verformt. Bläst er hinein, entsteht ein Hohlkörper.

Eine weitere Verarbeitungsform ist das Blasen vor der Lampe, einem Gasbrenner, dessen Flamme man von hart bis weich einstellen kann. Der Name "Lampe" stammt von der frühen Ausführung einer Lampe, die durch gezielte Luftzufuhr über eine Art Blasebalg, auf die erforderliche Temperatur kam. Ausgangsmaterial für Hohlkörper ist immer ein Glasrohr, das nach entsprechender  Erwärmung gezogen oder aufgeblasen, oder sonst wie verformt  werden kann. Solche Rohre wurden in den Glashütten regelmäßig in Form von Strängen gezogen. Am kalten Ende stand der Glasmacher mit der Glasmacherpfeife, der in das flüssige Glas hineinbließ und mit seiner Luft das gerade noch verformbare Glas als Rohr stützte, währen am heißen Ende kontinuierlich flüssiges Glas in den Strang hineinfloß.

Herstellung einer Ionen-Röntgenröhre

Kleine Röhren wurden wohl aus Rohr vor der Lampe hergestellt, größere in ein sogenanntes "Model" (nicht Modell) geblasen. Das ist eine 2-teilige Holzform, die im geschlossenen Zustand im Innern eine Kugelform aufweist und nach oben eine zylindrische Öffnung besitzt. Das Innere wird durch Einwirkung einer Flamme schwarz gebrannt.

Vor der Herstellung größerer Röntgenkugeln, wird die schwarze Oberfläche des Models zunächst gewässert. Der Glasmacher führt dann mit der Glasmacherpfeife unter ständigem Drehen einen Glastropfen in das Model ein. Durch Hineinblasen wird der Tropfen immer größer werdend zu einer Kugel bis ihr Außendurchmesser die Wandung des Models erreicht. So entstehen Kugeln von immer gleichbleibendem Durchmesser mit einem rohrförmigen Hals, hin zur Glasmacherpfeife.

Die Elektroden werden zunächst in separaten Arbeitsgängen an lampengeblasenen, in der Regel konischen Glasformteilen angeschmolzen. Hierbei erfolgt auch die Einschmelzung und Durchführung der Anschlussdrähte.

Nun werden an der große Kugel, an den entsprechenden Stellen, Öffnungen hineingeschmolzen und das Glas an den Rändern etwas nach außen gezogen. Danach erfolgt das Anschmelzen der separat gefertigten Glasteile mit den zuvor eingeschmolzenen Elektroden.

Dann erfolgt die Evakuierung der fertigen Röhre unter äußerer Wärmezufuhr und unter voller Betriebsspannung, bis das Leuchten im Kolben das gewünschte Aussehen hat, dass nun die Erzeugung von Röntgenstrahlung anzeigt .

Anschlüsse / Drahteinschmelzungen

Die inneren Elektroden der Röntgenröhre müssen über eingeschmolzene Zuleitungen mit den äußeren Anschlüssen verbunden werden. Es muss sichergestellt sein, dass die Verbindung langfristig, auch unter sich ändernden Temperaturbedingungen, dicht bleibt. Das bedeutet, dass das sowohl das Glas als auch der eingeschmolzene Draht den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen müssen.

In den Anfängen verwendete man ausschließlich Platin-Draht mit einem Audehnungskoeffizienten AK = 9*10-6/K. Das damals verwendete Glas war ein Kalk-Soda-Glas mit einem AK, der dem von Platin im Wesentlichen entsprach. Der eingeschmolzene Draht sieht aüßerlich betrachtet, wie blankes Silber aus.

Später würde der Draht "Dumet" erfunden, ein mehrschichtig aufgebauter Draht, der nur einen Bruchteil des Platin-Preises kostete. Das Aussehen ist etwa, wie Kupfer.

Bereits am 26. Oktober 1911 meldete der Amerikaner Byron E. Elred ein entsprechendes US-Patent 1 083 070 an, das am 30. Dezember 1913 erteilt wurde.  >> Patent

Er verwendete einen Kerndraht aus Nickel-Eisen, umgeben von einer Kupferschicht und diese wiederum umgeben von einer dünnen Platinschicht. Damit ließ sich wenigstens ein Teil eines massiven Platindrahtes einsparen.

Am 23. Januar 1915 meldete der Amerikaner Colin G. Fink das amerikanische Patent US 1 498 908 an, das allerdings erst am 24. Januar 1924 erteilt wurde.  >>Patent

Man kann davon ausgehen, dass Platindraht bis etwa 1916 verwendet wurde, danach wohl eher "Dumet". Das wird an vielen kleinen Lehrmittel-Röntgenröhren sichtbar, die später in großem Mengen hergestellt wurden.

Farbige Glasanschlüsse

Hierzu kann man wohl nur Vermutungen äußern. Um es genau zu sagen, müsste man das jeweilige Glas genau untersuchen und somit die Röhre zunächst zerstören.

Gemeint ist hier die Verwendung farbigen Glases in angeschmolzener Verbindung an das sonst klare Glas der Röntgenröhre. Vermutlich hatte das für den Kolben verwendete Glas nicht den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der Platindraht. Also hat man mit anderen Gläsern experimentiert um den passenden AK zu finden.

Warum die meisten dieser Gläser farbig sind, ist nicht bekannt. Vermutlich hat man aber auch Glas mit anderem AK benötigt und um Verwechslungen zu vermeiden, die Glasorte gefärbt hergestellt.

Man denke nur an die für eine spätere Druckregulierung einzuschmelzenden Palladium-Röhrchen, die einen AK von etwa 11*10-6/K aufweisen und mit den Platin-Drähten (AK=9*10-6/K in die gleichen Kolben eingeschmolzen werden müssen. Gundelach hat hierzu stets ein grünlich blaues Glas verwendet.

Das setzt aber voraus, dass man auch die unterschiedlichen Gläser miteinander verschmelzen kann, was offensichtlich bei nicht allzu großen Abweichungen der AK möglich ist.

Anschlüsse mit Drahtösen

Bei den frühen Röhren war der herauskommende Platindraht entweder zu einer Öse ausgebildet oder wurde am Ende einer Anschlusskappe einfach um die kleine Öse herumgewicket.

Nun aber sind Röhren aufgetaucht, deren Anschlüsse aus kräftigen Drahtösen bestehen, die in einen weißen Glaszapfen einmünden, der wiederum mit dem Hals der Röhre verschmolzen ist.

Eine erste Röhre dieser Bauart kam ohne eine Kennzeichnung aus USA. Inzwischen habe ich eine weitere erworben, die eindeutig mit Gundelach gestempelt ist. Also stammt wohl auch die aus USA von Gundelach. In keiner Unterlage von Gundelach ist eine solche Röhre zu finden. Die älteste vorhandene trägt das Datum 1903.

Da nicht zu erkennen ist, wie im weißen Glaszapfen aussieht, wurde ein Röntgenbild angefertigt (rechts). Während das Glas der Röhre und des Zapfens durchscheint, zeigt das Bild unterhalb des Platindrahtes eine weiße Pilzform. Es handelt sich also um ein Glas, das Röntgenstrahlen nur schwer oder überhaupt nicht durchläßt. Selbst der Platindraht ist hier nicht zu erkennen. Es muss sich also um ein bleihaltiges Glas handeln und sogar den gleichen AK wie Platin aufweisen, denn der nach unten ragende Glaszapfen (linkes Bild) zeigt die Abdichtung. Dieser Glashals ist dann wieder an den weiter nach innen führenden angeschmolzen.

Oberhalb des weißen Bleiglaspilzes erkennt man den an den Platindraht angeschweißten Haken, der oberhalb des weißen Stummels als Öse erscheint. Aus welchem Glas der weiße Stummel besteht ist nicht klar, vielleicht ein Sinterglas? Das Metall der Öse sieht aus wie Kupfer. Das würde aber einen AK von ca. 16 *10-6/K bedeuten, während das Bleiglas auf AK 9*10-6/K festgelegt sein muss. Kann man ein solches Glas mit AK16 oder leicht darunter noch mit bleihaltigem Glas von AK 9 verschmelzen? In welcher Form hat man den weißen Stummel hergestellt?

Man darf vermuten, dass der weiße Glasstummel wohl ausschließlich zur sicheren Befestigung der Drahtöse gedacht war.

Hier noch ein Kommentar dazu von Henk Dijkstra:

The coloured glass for feed through seals was used long before the x-ray era (pre 1900). Geissler Nachfolger Franz Muller used it in many tubes, dark cobalt blue was often used or red, sometimes green. The US tubes have often more light blue non transparent seals. The tube with the transparent blue seal is new to me.

I think it was a special glass for the transition in coefficient differences between the metal and the tube glass, it would be also easy for the glass blower that used it to see the difference.

But there is a difference between the tubes in your mail. The white (and also blue) external connections were used by Gundelach as a (cheaper??)  replacement for metal caps, these are not used as feed through glass seals. I believe these external glass connections are all post 1900.