DE949686C - Praktisch fluorfreie optische Boratglaeser - Google Patents

Praktisch fluorfreie optische Boratglaeser

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DE949686C
DE949686C DEL8405A DEL0008405A DE949686C DE 949686 C DE949686 C DE 949686C DE L8405 A DEL8405 A DE L8405A DE L0008405 A DEL0008405 A DE L0008405A DE 949686 C DE949686 C DE 949686C
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DEL8405A
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Dr Otto Ungemach
Gustav Weissenberg
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Schott AG
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Jenaer Glaswerk Schott and Gen
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Description

(WiGBI. S. 175)
AUSGEGEBEN AM 27. SEPTEMBER 1956
L 8405 IVcI32b
Es sind hochbrechende Gläser mit geringer Dispersion bekannt, die unter Verwendung von radioaktiven und giftigen Stoffen, z. B. Thorium und Beryllium, erschmolzen werden. Außerdem sind Gläser mit derartigen optischen Eigenschaften bekannt, die Fluor enthalten. Die erstgenannten Gläser haben den Nachteil, daß sie sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verarbeitung, ja sogar bei der Verwendung besondere Schutzmaßnahmen erfordern. Die zuletzt genannten Gläser bieten bekannte Schwierigkeiten bei der Schmelzführung.
Durch die vorliegende Erfindung werden diese sämtlichen Nachteile vermieden. Die Erfindung besteht darin, daß die optischen Gläser bestehen aus erstens Oxyden des Lithiums und/oder der folgenden Erdalkalimetalle: Magnesium, Calcium, Strontium, Barium (im folgenden kurz Erdalkalimetalle genannt), zweitens Borsäureanhydrid und drittens mindestens einem Oxyd der folgenden seltenen Erden: Scandium, Yttrium, Lanthan (im folgenden kurz seltene Erden genannt). Das Molverhältnis der Oxyde des Lithiums und/oder der genannten Erdalkalimetalle zur Borsäure liegt zwischen 0,2 und 1 und das Molverhältnis der Oxyde der genannten seltenen Erden zur Borsäure zwischen 0,1 und 0,5. Zu diesen Bestandteilen können bis zu maximal 3 Gewichtsprozent der bei der Glas-
fabrikation üblichen stabilisierenden und/oder entfärbenden Mittel zugesetzt werden.
Diese Gläser sind praktisch fluorfreie Boratgläser, die außerdem frei von radioaktiven und giftigen Bestandteilen sind. Es werden Gläser nicht nur in der Gegend der durch radioaktive Bestandteile bereits erreichten Ub- und v-Werte auf anderem Wege, das heißt ohne diese Bestandteile, erzielt, sondern es werden ' auch noch nicht erreichte Stellen des «D-v-Diagrammes
ίο belegt, wodurch der rechnenden Optik sehr wichtige Vorteile an die Hand gegeben werden. Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, daß die Schmelze dieser Gläser zum Zeitpunkt des Abgießens eine tote Schmelze ist, das ist eine Schmelze, in der sämtliche chemischen Reaktionen praktisch bis zu einem Gleichgewicht abgelaufen sind, so daß die Schmelzführung selbst nicht mehr so zeitgebunden ist wie bei den fluorhaltigen Gläsern.
PrinzipieE bleibt es frei, wie man das Gemenge, das niedergeschmolzen werden soll, substanzmäßig zusammensetzt, wenn man nur durch den Ansatz des Gemenges und die Schmelzführung ein Endglas erhält, bei dem die beiden Verhältniszahlen innerhalb der obenerwähnten Grenzen liegen.
Im einzelnen sind hinsichtüch der Molverhältnisse bei der Verwendung des oben angegebenen Lithiums bzw. der Erdalkalimetalle folgende Grenzen zu beachten, um im Verhältnis zu den v-Werten möglichst hohe Werte des Brechungsindex Md zu erhalten.
a) Lithium: Das Molverhältnis von Lithiumkationen zu B2O3 soll zwischen 0,2 und 1 liegen, wobei das Molverhältnis der seltenen Erden zu B2O3 zwischen 0,2 und 0,45 liegt;
b) Calcium:
Ca++
-D2O3
Oxyde der seltenen Erden „
0,1 < —- ^ < 0,485;
B20a
c) Strontium:
Sr++
0,25 <
B2O3
< i,
Oxyde der seltenen Erden
0,15 < — ^ < 0,4;
B2O3
d) Barium:
Ba++
0,20 < r=-x- < I,
0,20 <
B2O3
Oxyde der seltenen Erden
< 0,47.
In den Tabellen I bis IV sind derartige Gläser
gezeigt. Auch bei der Verwendung von mehreren Oxyden des Lithiums und/oder der Erdalkalimetalle sind diese Grenzen einzuhalten. Beispiele dafür sind in der Tabelle V angegeben.
Von den Oxyden der seltenen Erden haben sich vornehmlich Lanthanoxyd und Yttriumoxyd bewährt, von denen jedes einzeln für sich oder in Mischungen zur Anwendung kommen kann (s. Tabelle VI).
Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird in Gläsern gesehen, bei denen ein Teil der Oxyde der seltenen Erden durch Indiumoxyd ersetzt wird (Tabelle VII).
Die optischen Werte der bisher genannten Gläser können stark beeinflußt werden durch 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Germaniumoxyd oder 0,5 bis 20 Gewichtsprozent Zirkonoxyd oder 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Zinnoxyd oder 0,5 bis 20 Gewichtsprozent Tantaloxyd, wobei die vorgenannten Substanzen, also die Oxyde des Indiums, Germaniums, Zirkons, Zinns oder Tantals, einzeln, wie bereits genannt, oder in Mischungen mit höchstens insgesamt 20 Gewichtsprozent im Glas vorhanden sind.
Wie schon eingangs erwähnt, kommt es zur Erzielung der gewünschten optischen Werte auf das Verhältnis Kationen zur Borsäure und Oxyde der seltenen Erden zur Borsäure an, gleichgültig in welcher Form die Kationen in das ursprünglich niederzuschmelzende Gemenge eingebracht werden. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, die Gemenge aus den Oxyden und/oder Carbonaten und/oder Boraten des Kations, also des Lithiums und/oder der Erdalkalien, mit der Borsäure und den Oxyden der seltenen Erden niederzuschmelzen. Es kann insbesondere zwecks Homo- go genisierung der Schmelze zweckmäßig sein, Oxyde mit Carbonaten oder Borate mit Carbonaten oder Oxyde mit Boraten gleichzeitig zu verwenden. Vor allem die Carbonate erweisen sich als zweckmäßig, weil beim Schmelzvorgang die Kohlensäure der Carbonate austritt und die Schmelze durch das Aufperlen der Kohlensäure durchmischt wird. Um diesen Effekt noch zu verstärken, kann man die Oxyde, Carbonate oder Borate ganz oder zum Teil durch die entsprechenden Fluoride ersetzen, jedoch muß man sowohl bei den Fluoriden als auch bei den Carbonaten durch die Schmelzführung, d. h. durch entsprechend hohe Temperatur und langdauerndes Schmelzen, besorgt sein, daß die Schmelze praktisch völlig ausreagiert hat. Statt der Fluoride der Kationen kann man natürlich auch fluorhaltige Schmelzmittel, wie Kryolith (Na3AlF6), Lithiumkryolith (Li2AlF6), Lithium-Lanthan-Kryolith (Li3LaF6) od. dgl., benutzen. Zweckmäßig ist ein Zusatz von bis zu 10 Gewichtsprozent des Gemenges an Schmelzmittehi, wobei aber wieder durch die Schmelzführung das im Gemenge vorhandene Fluor als Bortrifluorid aus der Schmelze praktisch ausgetrieben wird.
Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Fluoriden des Lithiums und/oder der Erdalkalimetalle das Fluor sehr schnell mit der Borsäure als Bortrifluorid reagiert und aus der Schmelze entweicht. In dem Kurvenblatt wird der Fluorverlust in Abhängigkeit von der Schmelzdauer gezeigt. Die Zusammensetzung der Schmelze war:
S 333 = CaF2 — B2O3 + La2O3 1:1 + 50 % S 334 = CaF2-B2O3 + La2O3 1:2 + 50% S 794 = CaF2-B2O3 + La2O3 1:3 + 50% E 405 = LiF — B2O3 + La2O3 1:1 + 50% E 406 = LiF — B2O3 + La2O3 1:4 + 50% ■ E 403 = LiF -B2O3 1:4
Man sieht daraus, daß bei Anwendung von beispielsweise Lithiumfluorid nach 3 Stunden Schmelzdauer bei 11500 C nur ein kleiner Bruchteil des im Gemenge vorhandenen Fluors nachweisbar ist. Bei Calciumfluorid dauert der Abbrand des Fluors langer, da ja mehr Fluor vorhanden ist und wegen der höheren Viskosität der Schmelze die Reaktionsgeschwindigkeit naturgemäß kleiner wird. Sorgt man aber durch die Schmelzführung dafür, daß praktisch das ganze Fluor als Bortrifluorid aus der Schmelze entweicht, so gelangt man zu einer toten Schmelze, so daß die optischen Werte des aus dieser Schmelze gegossenen Glases sich nunmehr in dem Maße verändern, als die übrigen Gemengeteile einen bestimmten Verdampfungsverlust erleiden. Daß man prinzipiell mit vier Ansätzen, also Oxyden, Carbonaten, Boraten und Fluoriden, zu den gleichen optischen Lagen kommt, sei in der Tabelle XII gezeigt. Die in einzelnen Gruppen zusammengefaßten Schmelzen haben stets das konstante Verhältnis Kationen zur Borsäure und Lanthanoxyd zur Borsäure. Die gute Übereinstimmung beim Lithium und die weniger gute bei den Erdalkalimetallen erklärt sich aus dem Kurvenblatt, da sämtliche Schmelzen unter den gleichen Schmelzbedingungen erschmolzen wurden, und, wie eben aus dem Kurvenblatt zu ersehen, bei den Erdalkalimetallen eine wesentlich größere Schmelzdauer notwendig ist; aus systematischen Gründen war die Schmelzführung (Temperatur und Schmelzdauer) sämtlicher Schmelzen gleich gewählt.
Bei wesentlicher Erhöhung der Schmelztemperatur beispielsweise auf 15000 C geht die Bildung des beispielsweisen Bortrifluorids sehr viel schneller vor sich, so daß praktisch fluorfreie Schmelzen sehr schnell erzielt werden können. Die Viskosität so hoch erhitzter Schmelzen ist so klein, daß sehr schnell unter Rühren eine Homogenisierung eintritt.
Sämtliche Schmelzen der Tabellen sind im Platintiegel mit reinsten bis reinen Reagenzien erzielt worden. Um nach dem Ausgießen ein Reinigen des Tiegels zu erleichtern, war allen Schmelzen x/2 Gewichtsprozent TeO2 zugesetzt worden. Tabelle I
Lithium-Borat-Gläser
Schmelze Li La2O3 1,637 V
Nr. B2O3 B2O3 1,673
S 229 1,0 0,21 1,6920 60,0
S 25 0,5 0,22 1,7067 58,2
S 233 o,5 0,25 1,707 57,3
S 206 0,285 0,30 56,1
S 426 0,20 0,23 54,9
Tabelle II
Calcium-Borat-Gläser
Schmelze
Nr.
s 330
S 335
S 337
S 348
S 438
S 443/Y 151
Ca La2O3 i,658
B2O3 B2O3 i,667
1,0 0,227 ΐ,δδΐ
1,0 o,34 1,712
1,0 o,455 !,71S
0,43 0,368 ΐ,73ΐ
0,247 0,342
0,227 o,33
TabeUe III
Strontium-Borat-Gläser
TabeUe IV
Barium-Borat-Gläser
Schmelze
Nr.
S 663
S 665
S 677
S 669
Ba
1,0
0,495
0,246
0,329
0,397
0,24
0,26
0,295
1,6835
1,6982
1,6999
TabeUe V
Borat-Gläser mit mehreren Kationen
59-1 58,4 56,8
55,i 55,4 53,8
55,8 57,6 58,5 53,2
Schmelze Li Ca Ba Summe der Kationen La2O3 1,683
1,703
1,692
56,0
54,3
56,0
Nr. B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 B2O3
S 457
S 455
S 420
0,506
0,305
ο,374
0,209
0,235
0,0875 0,715
o,54
0,462
0,29
0,297
0,284
TabeUe VI
Borat-Gläser, bei denen Lanthanoxyd z. T. durch Yttriumoxyd ersetzt ist
Schmelze Li
B2O3
Ca La2O3 Y2O3
B2O3
La2O3 + Y2O3 nD V
Nr. 0,5 B2O3 B2O3 0,177
0,077
O,o6l
B2O3 1,6894
■ 1,714
1,729
55,3
54,2
55,4
S 94
S 464/Y 160
S 492
0,229
0,229
0,254
0,314
0,315
0,431
Ο.391
0,376
Schmelze Sr La2O3 nD V
Nr. B2O3 B2O3 I,668l
1,6725
1,6966
1,7047
1,7110
58,0
54,8
56,6
56,4
56,3
S 654
S 657
S 658
S 671
S 662/Y 190
1,0
o,5
0,485
0,325
0,31
0,30
0,202
0,304
0,306
0,33
Tabelle VII
Borat-Gläser, bei denen Lanthanoxyd z. T. durch Indium-Oxyd ersetzt ist.
Schmelze Ca La2O3 In2O3 La2O3 + In2O3 "Z) V
Nr. B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 1,6419
1,724
1,731
S 627
S 482
S 489
o,5
0,23
0,23
0,067
0,317
0,315
0,0385
0,032
0,05
0,1075
0,349
0,365
60,0
54,3
54,8
Tabelle VIII
Borat-Gläser mit einem Gehalt an Germaniumoxyd
Schmelze Li Ca Sr Ba Summe der Kationen La2O3 GeO2
Gewichts
prozent
nB V
Nr. B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 4,8
9,0
1,653
1,7095
58,3
57,o
s 313
S 712
I — 0,25 — — 0,22
0,309
Tabelle IX
Borat-Gläser mit einem Gehalt an Zirkonoxyd
Tabelle X
Borat-Gläser mit einem Gehalt an Zinnoxyd
Schmelze Ca La2O3 SnO
Gewichtsprozent
1,722 V
Nr. B2O3 B2O3 2,4 53,3
S 467 0,23 0,32
TabeUe XI
Borat-Gläser mit einem Gehalt an Tantalsäure
Schmelze Ca
B2O3
La2O3 Ta2O5
Gewichtsprozent
i,729
i,736
V
Nr. 0,24
0,25
B2O3 2,3
4,6
53,3
50,6
cn cn
Ul Ul
H H
-K OO
0,316
0,316
TabeUe XII
Boratschmelzen mit La2O3
Schmelze Schmelzbasis Kation La2O3 1lB V
Nr. LiF-B2O3
Li2CO3-B2O3
Li2B2O4-B2O3
B2O3 B2O3 1,6043
1,6109
I,6ll8
58,5
58,9
59,3
Ko. 15
Ko. 16
Ko. 17
LiF-B2O3
Li2CO3-B2O3
Li2B2O4-B2O3
0,33 0,107 1,6356
1,6482
1,6483
58,9
57,8
57,8
Ko. 12
Ko. 13
Ko. 14
LiF-B2O3
Li2CO3-B2O3
Li2B2O4-B2O3
0,33 0,l6l 1,6714
1,6765
1,6775
55,4
54,8
55,i
Ko. 18
Ko. 19
Ko. 20
LiF-B2O3
Li2CO3-B2O3
Li2B2O4-B2O3
o,33 0,215 1,7042
1,7152
1,7145
57,i
56,i
55,3
Ko. 53
Ko. 54
Ko. 55
0,285 0,297
Schmelze Ca Ba Summe der Kationen La2O3 ZrO2
Gewichts
prozent
nD V
Nr. B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 2,4
6,8
1,731
i,743
53,3
5i,6
S 466
S 490
0,23
0,23
— — 0,317
0,316
noch Tabelle XII
Boratschmelzen mit La»
Schmelze Schmelzbasis Kation La2O3 nn V
Nr. CaF2-B2Og
CaCO3-B2O3
CaO-B2O3
CaB2O4-B2O3
B2O3 - B2O3 1,6203
1,6415
1,6358
1,6328
64,6
59,7
6O,4
59,9
Ko. 21
Ko. 22
Ko. 23
Ko. 24
CaF2-B2O3
CaCO3-B2O3
CaB2O4-(B2O3)
o,33 0,107 1,6558
1,6670
1,6586
62,1
56,3
57,7
lOVO tv
CSI CSI CM
odd
MMM
CaF2-B2O3
CaCO3-B2O3
CaB2O4-B2O3
1,0 0,107 1,6490
1,6546
1,6422
587
59,6
Ko. 28
Ko. 29
Ko. 30
CaF2-B2O3
CaCO3-B2O3
CaB2O4-B2O3
o,5 0,107 1,6726
1,6800
1,6691
55,5
55,4
57,o
H CM CO
CO CO CO
odd
MMM
CaF2-B2O3
CaCO3-B2O3
CaB2O4-B2O3
o,5 0,l6l 1,7396
i,7338
57,3
52,9
54,2
Ko. 67
Ko. 68/Y 229
Ko. 69
SrF2-B2O3
SrCO3-B2O3
SrB2O4-B2O3
0,25 o,343 1,6378
i,6575
1,6570
59,9
59,4
59,o
Ko. 42
Ko. 43
Ko. 44
SrF2-B2O3
SrCO3-B2O3
SrB2O4-B2O3
o,5 0,107 1,6570
1,6787
59,o
57,3
Ko. 45
Ko. 46
Ko. 47
SrF2-B2O3
SrCO3-B2O3
SrB2O4-B2O3
o,5 0,161 CJs O H
OSOO OS
Os CM (M
VO Cv Cv,
H H H
56,6
54,9
53,o
O H (M
Cv Cv Cv
odd
MMM
BaF2-B2O3
BaCO3-B2O3
BaB2O4-B2O3
0,25 0,311 I,66O5
1,6695
1,6682
58,7
57,7
57,6
Ko. 34
Ko. 35
Ko. 36
BaF2-B2O3
BaCO3-B2O3
BaB2O4-B2O3
o,5 0,107 1,6743
1,6906
1,6890
57,2
55,9
56,2
Ko. 37
Ko. 40
Ko. 41
BaF2-B2O3
BaCO3-B2O3
BaB2O4-B2O3
o,5 0,161 1,6980
1,7172
57,4
54,5
54,3
Ko. 73
Ko. 74
Ko. 75
0,25 0,262

Claims (16)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    i. Praktisch fluorfreie optische Gläser, bestehend aus erstens Oxyden des Lithiums und/oder der folgenden Erdalkalimetalle: Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, zweitens Borsäureanhydrid, drittens mindestens einem Oxyd der folgenden seltenen Erden: Scandium, Yttrium, Lanthan, wobei das Molverhältnis des Lithiums und/oder der Erdalkalimetalle zu B2O3 mindestens 0,2 und höchstens 1 und das Molverhältnis eines oder der Oxyde der seltenen Erden zu B2O3 mindestens 0,1 und höchstens 0,5 beträgt, und erforderlichenfalls viertens aus bei der Glasfabrikation üblichen stabilisierenden und/oder entfärbenden Mitteln bis zu 3 Gewichtsprozent.
  2. 2. Optische Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern das Verhältnis
    Li
    B2O3
    mindestens 0,2 und höchstens 1, das Verhältnis
    La2O3
    B2O3
    mindestens 0,20 und höchstens 0,45 beträgt.
  3. 3. Optische Gläser nach Anspruch 1, dadurch
    gekennzeichnet, daß in den Gläsern das Verhältnis
    Ca
    B2O3
    mindestens 0,20 und höchstens 1, das Verhältnis La2O3
    B2O3
    mindestens 0,10 und höchstens 0,485 beträgt.
  4. 4. Optische Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern das Verhältnis
    Sr
    B2O3
    mindestens 0,25 und höchstens 1, das Verhältnis La2O3
    B2O3
    mindestens 0,15 und höchstens 0,4 beträgt.
  5. 5. Optische Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern das Verhältnis
    Ba
    B2O3
    mindestens 0,20 und höchstens 1, das Verhältnis La2O3
    B2O3
    mindestens 0,20 und höchstens 0,47 beträgt.
  6. 6. Optische Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern das Verhältnis Lithium und ein oder mehrere Erdalkalien zu Borsäure und das Verhältnis
    La2O3
    B2O3
    den Angaben eines der Ansprüche 1 bis 5 entspricht.
  7. 7. Optische Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern das Verhältnis mehrerer Erdalkalien zu Borsäure und das Verhältnis
    La2O3
    B2O3
    den Angaben eines der Ansprüche 1 bis 5 entspricht.
  8. 8. Optische Gläser nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern die seltene oder seltenen Erden zum Teil durch Indiumoxyd ersetzt sind.
  9. 9. Optische Gläser nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Germaniumoxyd vorhanden sind.
  10. 10. Optische Gläser nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern 0,5 bis 20 Gewichtsprozent Zirkonoxyd vorhanden sind.
  11. 11. Optische Gläser nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern 0,5 bis 5 Gewichtsprozent Zinnoxyd vorhanden sind.
  12. 12. -Optische Gläser nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern 0,5 bis 20 Gewichtsprozent Tantaloxyd vorhanden sind.
  13. 13. Optische Gläser nach Anspruch 1, 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern von Substanzen, die nicht Oxyde der seltenen Erden sind, höchstens 20 Gewichtsprozent der in den Ansprüchen 9 bis 12 genannten Verbindungen vorhanden sind.
  14. 14. Optische Gläser nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern Lanthanoxyd als Oxyd der seltenen Erden vorhanden ist.
  15. 15. Optische Gläser nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern Yttriumoxyd als Oxyd der seltenen Erden vorhanden ist.
  16. 16. Verfahren zum Herstellen praktisch fluorfreien optischen Glases nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß fluorhaltige Rohstoffe, wie Fluoride der Erdalkalimetalle, des Lithiums oder des Lanthans und/oder fluorhaltige Schmelzmittel, wie Na3AlF, Li3AlF6 u. dgl., bis zu einem Gewicht von 10 Gewichtsprozent des Gemenges verwendet werden, und durch die Schmelzführung (Temperatur und Schmelzdauer) das im Gemenge vorhandene Fluor als Bortrifluoride aus der Schmelze praktisch ausgetrieben wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 691356, 746 997,
    843306, 861470, 847216, 847217, 863267; USA.-Patentschriften Nr. 2 466 392, 2 150 694,
    2466510" Re 21175;
    französische Patentschrift Nr. 810 442; britische Patentschrift Nr. 462 304; schweizerische Patentschrift Nr. 206 664; Hofmann »Anorganische Chemie« (1945), S. 487,
    494;
    H. Harting »Die photographische Optik«, 2. Aufl., 1925, S. 135.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
    © 609 624 9.56
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