13. April 2022

Glasapparatebau in der Forschung

Lesezeit: 5 Minuten

Aus der Sicht einer glastechnischen Werkstatt der Physik. Glasapparatebauer ist in der Öffentlichkeit ein nahezu unbekannter Beruf, obwohl er nicht wenig dazu beigetragen hat, den Stand der Entwicklung voranzubringen. Wer die Bezeichnung „Scientific Glassblower“aus dem englischen Sprachraum hört, versteht den Tätigkeitsbereich sofort. Hier im Folgenden ist eine Darstellung aus dieser Sicht, geprägt durch eigene Erfahrungen, aus einem physikalischen Institut einer Technischen Universität.

Das Fachmagazin EDITIONGLAS wird sich mit dem Glas und den Problemen in der Anwendung und Verarbeitung beschäftigen. Das wird die Fachgruppe der Glasapparatebauer des BIV nach besten Kräften unterstützen.

Das sind die wesentlichen Gläser, die üblicherweise in der Anwendung sind: Weichglas oder Kalknatronglas: AK 9,1 (CTE10-6 K-1, α20-300) kommt bei Thermometern vor, ein guter Partner für Platineinschmelzungen. Heute kommt es in der Werkstatt des technischen Glasbläsers kaum noch vor.

Borosilikatglas / Schott Duran 3.3: AK 3,3 (CTE10-6 K-1, α20-300) hoch chemiekalienresistent und temperaturwechselbeständig, das heutige Standardglas im Labor.

Quarzglas oder Kieselglas: AK 0,5 3 (CTE10-6 K-1, α0-600) hochtemperaturbeständig, UV- und IR-durchlässig. Wird im Wesentlichen bei physikalischen Anwendungen eingesetzt, z. B. Halbleiterentwicklung z. B. bei der Metallorganischen Gasphasenepitaxie.

Das Auge des geübten Glasapparatebauers erkennt Weichglas an einer Türkisfärbung, Borosilikatglas an einer blassgrünen Färbung und Quarzglas an einem leuchtenden Weiß.

Zu diesen genannten Gläsern kommt eine Vielzahl von Gläsern mit unterschiedlichem Längenausdehnungskoeffizient (AK) hinzu. Ein Glasapparatebauer ist in der Lage, einen Übergang zu schaffen, der den Bereich von Quarzglas mit einem sehr niedrigen AK bis zum sogenannten Weichglas mit einem sehr hohen AK abdeckt. Auch gibt es Metalle und Gläser, die in ihrem Ausdehnungskoeffizienten harmonisch abgestimmt sind. Hier ist es möglich, hochvakuumdichte Verbindungen zu erstellen.

Der Einsatz von Quarzglas ist in dem Temperaturbereich gegeben, wo sich anderes technisches Glas längst deformiert oder die Durchlässigkeit im UV- oder Infrarotbereich benötigt wird. Im Spektralbereich hat dieses Material eine Durchlässigkeit von 200 – 4.700 Nanometern. In besonderen Fällen wird synthetisches Quarzglas eingesetzt. Es hat einen größeren Spektralbereich. Eine weitere, herausragende Eigenschaft des Quarzglases ist der extrem niedrige Ausdehnungskoeffizient, dadurch kann man diesem Glas eine extrem hohe Temperaturwechselbeständigkeit zuordnen. Eine andere besondere positive Eigenschaft ist eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit 25 – 40 KV / mm.

Borosilikatglas

Für die Bearbeitung des im Labor am häufigsten anzutreffenden Borosilikatglas wird ein Brenner benötigt, der mit Erdgas und Sauerstoff sowie Druckluft zur Kühlung und Feinregulierung betrieben wird. Dieser moderne Brenner arbeitet relativ geräuscharm. In der Regel wird ein Brenner der Firma Arnold aus Weilburg verwendet.

Für das Bearbeiten von Kieselglas, auch Quarzglas genannt, werden ähnliche Brenner eingesetzt. Hier wird statt Erdgas Wasserstoff zugeführt, da Quarzglas einen sehr hohen Schmelzpunkt hat.

Quarzglasanlagen können im Dauereinsatz mit deutlich über 1000 °C betrieben werden, während Borosilikatglas-Apparaturen unter Laborbedingungen maximal bis ca. 300 °C betrieben werden sollten. Im Labor sind bereits 200 °C eine extreme Belastung für dieses Glas.

Die Verarbeitungstemperatur von Quarzglas liegt ca. zwischen 1700 °C und 2200 °C. In den höheren Temperaturbereichen, die dieses sogenannte kurze Glas (Quarzglas lässt sich nur in der Flamme deformieren ) zum Durchschmelzen benötigt, entsteht durch die Verdampfung Kieselsäuredampf, der sich in dem kühleren, unmittelbar neben der Schmelzzone befindlichen Bereich niederschlägt. Dieser Niederschlag kann mit Hilfe von Flusssäure (in verdünnter Form) zum größten Teil entfernt werden. Übrig gebliebene Beläge können mit Hilfe der Flamme aufgeschmolzen werden.

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Metallorganische Gasphasenepitaxie (Foto: Norbert Zielinski)

Quarzglas

Werkzeuge, die beim Borosilikatglas verwendet werden, können bei der Quarzglasverarbeitung nicht benutzt werden. Die Grafitwerkzeuge und -formen sind aus einem besonders hoch verdichteten Material. Form gebende Auftreiber sind aus besonderen Kohlenstoffplatten, die beim Einsatz am Spaceshuttle sehr ähnlich sind. Bedingt durch das Schmelzverhalten von Quarzglas führt es dazu, dass der Glasapparatebauer vollkommen andere Arbeitsweisen anwenden muss. So muss bei besonderen Arbeitsschritten gleichzeitig mit der Flamme von innen und außen durchgeschmolzen werden. Bei Quarzglasrohren ist ein Aufblasen, wie man es beim Borosilikatglas gewohnt ist, nicht möglich.

Die Verarbeitung in der Flamme setzt voraus, dass die Quarzglasteile mit besonderer Sauberkeit und Sorgfalt vorbereitet werden. Schweißabdrücke von Fingern können in die Oberfläche einbrennen und dauerhaft sichtbar bleiben. In der Produktion kommen auch Schweißbrenner zum Einsatz, die mit Propangas und Sauerstoff betrieben werden. In speziellen Fällen, wie z. B. Anforderung zur hohen Sauberkeit, werden Brenner mit einer Knallgasflamme, ein Gemisch aus Wasser- und Sauerstoff, eingesetzt.

Die Kieselsäuredämpfe, die bei den nötigen hohen Schmelztemperaturen den Raum und die Atemluft kontaminieren können, bedingen, dass in einer Quarzglasbläserei ein besonders hoher Anspruch an die Lüftungsanlage besteht. Darüber hinaus muss sich der Glasapparatebauer während der Quarzbearbeitung vor der extrem hellen Licht- und UV-Strahlung schützen.

Zu der persönlichen Schutzausrüstung gehören eine stark abgedunkelte Brille, die der Schweißbrille ähnelt und entsprechende Maßnahmen, um vom Körper die extrem hohe Wärmestrahlung abzuhalten. Beispielhaft ist hier die Anwendung von EPR (Electron Paramagnetic Resonance) genannt. Bei der Herstellung des hochreinen Probenträgers sind jegliche Metallabscheidungen an dem Probenträger beim Fertigungsprozess auszuschließen. Hierfür sind eine hochreine Gaszuführung für den Glasbläserbrenner sowie ein aus Quarzglas gefertigter Brennerkopf unbedingte notwendige Voraussetzungen.

Mit der Methode der EPR wird hochempfindlich die resonante Mikrowellenabsorption von Proben, die ein magnetisches Moment besitzen, in einem äußeren Magnetfeld gemessen. Die EPR findet auf vielen Gebieten der Physik, Chemie und Biologie breite Anwendung. In der Halbleiterphysik wird sie eingesetzt, um die atomaren Eigenschaften von Fremd- und Eigendefekten zu untersuchen.

Eine der Herausforderungen für den technischen Glasbläser ist es, die nötigen speziellen Probenträger für die EPR-Messungen herzustellen, mit denen die Messproben in den verwendeten Resonatoren platziert werden. EPR-Messungen werden gewöhnlich im X-Band (9,5 GHz) oder im Q-Band (34 GHz) und insbesondere bei Halbleiteruntersuchungen bei tiefen Temperaturen von – 271 °C durchgeführt.

Die hierzu benötigten Probenträger dürfen für diese hochempfindliche Methode keine Verunreinigungen enthalten und die Verteilung der Mikrowellen in den Resonatoren nur geringfügig stören. Sie werden deshalb aus hochreinem, synthetischem Quarzglas mit möglichst geringem Materialeinsatz hergestellt. Die Durchmesser der Probenträger betragen z. B. im Q-Band maximal 2,5 mm bei einer Wandstärke von ca. 0,1 mm. Dass Reparaturen und die Weiterentwicklungen hochwertiger gläserner Apparaturen eine wesentliche Aufgabe sind, sollte nicht unerwähnt bleiben. Hierzu ist es notwendig, sich hohe Kenntnisse der am Markt befindlichen Halbzeuge anzueignen. Die Beratung über die richtig auszuwählenden Werk- und Partnerwerkstoffe ist eine unumgängliche Voraussetzung. Die Beständigkeit bei Temperaturwechsel und der damit verbundene Ausdehnungskoeffizient sowie die Kenntnis über z. B. optische Transmission, chemische Resistenz und Biokompatibilität sind notwendig. Ein möglichst fachübergreifendes Wissen der Physik, Chemie, Biologie, Materialforschung und Mechanik gehören zum täglichen Brot. Der Umgang mit Vakuumanlagen, das Befüllen mit Schutzgasen wie z. B. Argon, Stickstoff und Wasserstoff sind in der Halbleiterphysik sowie in der Materialentwicklung Grundvoraussetzung.

Täglich findet in den glastechnischen Werkstätten Beratung und Fehlersuche nach den bautechnischen Schwachstellen statt. In der Physik ist die Zusammenarbeit z. B. mit einer feinoptischen Werkstatt und anderen glastechnischen Partnerwerkstätten bundesweit Teil des Erfolgs. In vielen glastechnischen Werkstätten ist es inzwischen üblich, aus den Handskizzen 3D-Zeichnungen zu erzeugen. Dass zu den Arbeiten einer Forschungseinrichtung auch die Verwaltung und der Einkauf zu den täglichen Aufgaben gehören, soll hier nur am Rande erwähnt werden. Der in Forschungseinrichtungen tätige Glasapparatebauer hat in den letzten Jahren die Erfahrung gemacht, dass aufgrund von Änderungen im Hochschulausbildungssystem seine Fachkenntnisse mit zunehmendem Interesse gefragt sind. Die wesentlichen Aufgaben sind Neuentwicklungen und Spezialanfertigungen von Glasapparaten. Mehr Informationen zum Beruf des Glasapparatebauers und vieles mehr gibt es im Internet unter www.glas-apparatebau.de zu erfahren.

Rubrik:
Geschrieben von
Norbert Zielinski
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