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Strahlenquelle aus einer elektrischen Gasentladungsröhre und einem
Silikatleuchtstoff und Verfahren zu dessen Herstellung Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Strahlenquelle mit einem Leuchtstoff, der durch Strahlen einer
bestimmten Wellenlänge erregt werden kann und infolgedessen Strahlen einer anderen
Wellenlänge aussendet. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Leuchtstoffs.
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Um zu einem richtigen Verständnis der nachstehend zu beschreibenden
Erfindung zu gelangen, ist es erforderlich, auf die bekannte Tatsache hinzuweisen,
das Calciummetasilikat in zwei Modifikationen, nämlich in der Wollastonit- und der
Pseudowollastonitstruktur, kristallisieren kann. Erfolgt die Herstellung des Silikats
durch Erhitzung von Calciumoxyd und Siliciumoxyd oder von Calciumcarbonat und Siliciumoxyd
bei einer Temperatur über 120o° C, so entsteht die Pseudowollastonitstruktur, und
unter 120o° C entsteht die Wollastonitstruktur.
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Es ist bereits bekannt, daB mit Mangan und Blei aktiviertes Calciummeta-silikat
der Wollastonitstruktur durch kurzwellige Ultraviolettstrahlen (2537 A ) erregt
werden kann und dann eine Strahlung aussendet, welche teilweise im orangefarbenen
roten Teil und teilweise im Ultravioletteil (zwischen 280o A und 4000
A ) des Spektrums liegt. Der Stoff mit der Pseudowollastonitstruktur weist
bei gleicher Erregung zwar auch eine Lumineszenz auf, die aber von so geringer Intensität
ist, daB dieser Stoff praktisch nicht brauchbar ist.
Es sei hier
noch bemerkt, daß bei der Herstellung dieses mit Blei und Mangan aktivierten Calciummetasilikats
der Wollastonitstruktur die Temperatur bei etwa iooo bis i--5o' C liegt. Die Tatsache,
daß hier bis über die obenerwähnte Übergangstemperatur (i2oo°) erhitzt werden kann,
ist darauf zurückzuführen, daß durch das Mangan die Übergangstemperatur zwischen
der Wollastonit-und der Pseudowollastonitstruktur etwas erhöht wird (Zusatz von
Blei beeinflußt die Lage des Übergangspunktes praktisch nicht).
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Eine Strahlenquelle nach der Erfindung besteht aus der Kombination
einer elektrischen Gasentladungsröhre, insbesondere einer Quecksilberdampfentladungsröhre,
und eines leuchtenden, mit Mangan und Cer aktivierten Calciummetasilikats der Pseudowollastonitstruktur.
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Untersuchungen, welche zur Erfindung geführt haben, ergaben, daß dieses
Calciummetasilikat eine gut brauchbare Lumineszenz ergeben kann. Im Gegensatz zum
bekannten Calciummetasilikat, welches mit Mangan und Blei aktiviert ist, muß das
mit Mangan und Cer aktivierte Calciummetasilikat die Pseudowollastonitstruktur aufweisen.
Die Wollastonitstruktur weist keine praktisch brauchbare Lumineszenz auf. Der in
einer Strahlenquelle nach der Erfindung zu verwendende Stoff sendet zwei Bänder
aus, und zwar eines im blauen Teil und eines im gelben Teil des Spektrums. Diese
Bänder haben Intensitäten von gleicher Größenordnung. Das gegenseitige Verhältnis
kann durch Änderung des Verhältnisses zwischen dem Mangangehalt und dem Cergehalt
einigermaßen geändert werden.
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Im allgemeinen wird man bestrebt sein, praktisch weißes Licht zu erhalten,
wozu der Mangangehalt annähernd gleich dem Cergehalt in Molprozent sein muß. Die
beiden Prozentsätze liegen vorzugsweise zwischen 2 und io Molprozent, auf die Gesamtcalciumoxydmenge
bezogen.
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Einer der wichtigen Vorteile des mit Mangan und Cer aktivierten Calciummetasilikats
besteht darin, daß die Erregung sowohl durch Strahlung mit einer Wellenlänge von
2537 A als auch durch Strahlung mit einer Wellenlänge von 365o A erfolgen kann.
Der Stoff läßt sich daher sowohl in Verbindung mit einrr Hochdruck- als auch mit
einer Niederdruckquecksilberdampfentladungsröhre verwenden. Bei Erregung mit 2537
A ist die Quantenausbeute so hoch, daß die Lichtausbeute praktisch gleich derjenigen
der bisher verwendeten Gemische von Silikaten und Wolframaten ist, welche dieselben
Farben . ergeben. Gegenüber diesen Gemischen besteht aber der wichtige Vorteil,
daß die weiße Farbe durch einen einzigen Leuchtstoff erhalten wird.
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Zur Herstellung eines Leuchtstoffs nach einem Verfahren, das gleichfalls
einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, wird ein Gemisch der Oxyde von Calcium,
Silicium, Cer und Mangan oder von Stoffen, aus denen diese Oxyde durch Erhitzung
entstehen, in einer nicht. oxydierenden, vorzugsweise einer reduzierenden Atmosphäre
auf eine Temperatur erhitzt, bei der Pseudowollastonit entsteht. Die richtige Temperatur
ist etwas vom Mangangehalt abhängig. Dies hängt mit dem Umstand zusammen, daß ebenso
wie beim bekannten Calciummetasilikat mit Mangan und Blei die Lage der Übergangstemperatur
zwischen Wollastonit und Pseudowollastonit durch die Manganmenge beeinflußt wird.
Die reduzierende Atmosphäre kann z. B. aus einem Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff
bestehen. Als Stoffe, die durch Erhitzung die obenerwähnten Oxyde ergeben können,
werden hier Carbonate und Nitrate genannt.
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Zur Verdeutlichung des Verfahrens nach der Erfindung wird nachstehendes
Beispiel gegeben. 96 g Calciumcarbonat, 2,39 Mangancarbonat, 5,5 g Cerocarbonat
(Ce2 (C O;3);3 # 5 H20) werden mit einer 61 g wasserfreiem Si 02 entsprechenden
Kieselsäuremenge vermischt. Dieses Gemisch wird während einer Stunde in einer mit
Aceton gefüllten Kugelmühle gemahlen. Nach Absaugung auf einem Büchnertrichter wird
das Gemisch getrocknet und während 2 Stunden auf 1400° C in einem elektrischen Ofen
erhitzt, durch den ein Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff geführt wird.
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Auch kann sehr gut von Lösungen der verschiedenen Metalle im gewünschten
Verhältnis, wie z. B. Chloriden oder Nitraten, ausgegangen werden. Diesen Lösungen
wird ein Übermaß einer Ammoniumcarbonatlösung zugesetzt, so daß ein inniges Gemisch
der drei Carbonate entsteht, welches dann mit Kieselsäure gemischt und auf die vorerwähnte
Weise verarbeitet wird.
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Wie immer bei der Herstellung von Leuchtstoffen müssen auch hier die
verwendeten Rohstoffe von großer Reinheit sein, wobei es vorteilhaft ist, von sehr
feinkörnigen Materialien auszugehen.