CN1603260A - 用来熔化石英玻璃辊的装置 - Google Patents

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CN1603260A CNA2004100550474A CN200410055047A CN1603260A CN 1603260 A CN1603260 A CN 1603260A CN A2004100550474 A CNA2004100550474 A CN A2004100550474A CN 200410055047 A CN200410055047 A CN 200410055047A CN 1603260 A CN1603260 A CN 1603260A
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罗尔夫·马丁
马蒂亚斯·施密特
米夏埃多·格勒布纳
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Abstract

本发明涉及一种制造石英玻璃辊的装置，其中，一个烧嘴以其口和要熔化的辊彼此进行相对运动，石英玻璃辊绕着它的几何轴线进行旋转。石英玻璃辊的有用核心区域应被增大，并且材料消耗被减少。石英玻璃辊具有球形拱顶。该烧嘴在两个反向点之间根据预定的位移－时间－关系在空间曲线上如此进行运动，以致在运动期间，该烧嘴口与拱顶的距离不变，并且烧嘴轴线总是对准球形拱顶的曲率中心。

Description

用来熔化石英玻璃辊的装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求所述种类的、用来熔化石英玻璃辊的装置。
背景技术
熔化辊子的横截面上面的、尽可能好的光学均匀性的基本要求是在它们中所含有的Si-OH的稳定性、通过物理方法除去的分子氢H2的稳定性、被嵌入的对UV重要的结构缺陷及玻璃结构(密度)的稳定性。为了使这些参数达到最佳，反应表面(辊拱顶)上的温度必须尽可能地均衡，在整个反应表面上得到相同颗粒飞行时间，并且颗粒和气体在滞流点附近处的流动情况同样保持不变。相对于辊拱顶具有通常的“烧嘴摆动”的、现有技术所应用的熔化方法表明，在没有额外热源的情况下，从辊拱顶中心到辊拱顶边缘的温度梯度为300到400K。这种温度梯度的原因在于：
-烧嘴火焰(中心温度大约为2300度)自身具有高斯状的温度分布，这种温度分布在竖直烧嘴的情况下转移到玻璃表面上。
-火焰的处理区域一定明确地终止于拱顶边缘前面，以避免马弗炉的沉积物或者玻璃化，
-拱顶表面至少在边缘上增加地弯曲，因此，火焰增加地擦过在拱顶表面上，
-表面/容积的比率在拱顶边缘处得到了增大，
-在拱顶边缘处，通过冷得多的马弗炉壁来去热。
通过使烧嘴在拱顶边缘处具有更长停留时间来进行的平衡受到限制，因为辊中部中的颗粒设置如此少，以致产生了孔，并且在拱顶上产生了不良的大的、周期性的温度波动。后者具有均匀性的危险，并且有助于在石英玻璃辊中产生周期性条纹。
此外，根据现有技术，在辊中间上的烧嘴运动反向时，产生了环状的折射率不均匀，这种环形的折射率不均匀有害于或者阻止了石英玻璃辊在制造石印透镜的投影镜组上的使用。
烧嘴口和拱顶表面之间的距离增大(根据现有技术，在烧嘴运动时产生了这种增大)可以导致不同的颗粒飞行时间，可以导致流动改变，并且因此而导致改变材料性能。烧嘴中心流在烧嘴撞击点附近处的拱顶表面上的撞击角度改变以不良的方式影响流动情况和材料性能。根据现有技术，产生了具有拱顶形的旋转体，其中，在拱顶中心和拱顶边缘之间具有局部变化的曲率。在WO01/27044A1中公开了一种装置，该装置通过火焰水解来产生均匀的、无条纹的石英玻璃体，其中，在烧嘴和石英玻璃体之间的制造过程中，沿着轴向和径向的相对运动以这样的方式产生，使得随着烧嘴距离石英玻璃体轴线的距离的增大而使烧嘴距离石英玻璃体的距离减少，并且烧嘴仅在石英玻璃体的反应面的中心和它的边缘之间进行运动。因此通过这种方法虽然可以减少微结构的缺陷并且提高了光学性能的均匀性，但是这种减少和提高在石英玻璃体核心区域的尺寸大小和材料利用率方面还需改善。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于制造石英玻璃辊的装置，其中，光学性能均匀化的中心区域、尤其是水平石英玻璃辊的核心区域扩大了，并且材料消耗减少了。
这主要涉及折射率均匀性、应力双折射和UV吸收率。
根据本发明，这个任务通过权利要求1所记载的特征来解决。从属权利要求的特征适合于本发明的其它有利构型。
本发明的出发点是，形成石英玻璃体、尤其是具有球形熔化拱顶的石英玻璃辊，在该熔化拱顶中，拱顶的曲率在所有位置上都相等，并且颗粒的分离比率最均匀。相对要熔化的拱顶，烧嘴口、即烧嘴轴线与烧嘴的气体排出平面的交点一般情况下在一个空间曲线上进行运动，该空间曲线依赖于三个空间坐标x、y、z和它们相应的三个空间角度α、β、γ。当z和γ在一定范围内保持不变时，本发明表明具有实际相同的效果。在β和γ已知的情况下，α也被确定了，或者根据三角学等式cosα+cosβ+cosγ＝1来计算出α。如果γ或者z作为常数来给出，那么意味着，在零位上，烧嘴的轴线相对于石英玻璃辊的几何轴线倾斜并且有利地不通过石英玻璃辊的顶点。假如是水平熔化装置，则烧嘴将根据预先确定的位移-时间-关系绕着球形拱顶的中心在含有烧嘴轴线的水平平面下方在一个圆(小圆)上运动，它距离顶点的距离最好为5-10mm，并且它的反向点尽可能地靠近拱顶边缘。对于垂直熔化装置也是类似的。Z和/或γ的保持恒定实际上不会损害本发明的有利效果，但是大大地简化了技术，尤其在控制运动过程时更是如此。根据本发明，原则上可以生产出这样的石英玻璃体，即，当不考虑用来夹紧石英玻璃体的支柱所处的区域时，该石英玻璃体为完整的球。
附图说明
在下面，借助示意性附图来更加详细地解释本发明。在附图中：
图1以轴向剖视图示出了本发明实施例的基本结构；
图2以平面图示出了用来解释运动过程的第二个实施例；
图3是图2的垂直投影；
图4示出了用来解释烧嘴的与时间相关的X运动和它的含义的曲线图；
图5a)-d)示出了根据公知方法来得到的光学参数，及
图6a)-d)示出了通过本发明来得到的光学参数。
具体实施方式
在图1中，马弗炉10设置有开口11，通过该开口11把一个烧嘴12设置到马弗炉的内室13中，在该内室13中，有一个要熔化的石英玻璃辊14，带有一个半球形的拱顶16，该拱顶16的曲率中心用15来表示，它的顶点用161来表示，而它的边缘用162来表示。开口11可以通过百叶窗来关闭，该百叶窗设置在烧嘴12的两侧上并且或者可具有足够的宽度，使得烧嘴可以沿着一个空间曲线(轨迹)进行运动，该轨迹是锥形截面状的，或者它本身弯曲成与图1的绘图平面成直角，并且相应地导向通过未示出的传动机构作用运动的烧嘴12。有利的是，该轨迹不通过拱顶16的顶点161，并且通常距离它为5-30mm。整个布置相对于轴线X-X基本上是旋转对称的，在熔化过程期间，石英玻璃辊14不断地绕着该轴线进行旋转。烧嘴12可绕着中点15在两个基本上通过开口11来确定的终端位置(反向点)121和122之间摆动，因此用不同的轨道速度沿着上述空间曲线而运动。它具有口17，在烧嘴12在终端位置121和122之间的整个持续重复的摆动运动期间，该口17与拱顶16的曲率中心15之间处于不改变的距离a+r(弯曲半径)。除了开始阶段(在该阶段中，所述球形拱顶16必须被首先形成)之外，烧嘴12的轴线相对于拱顶16的表面总是成直角。在熔化过程开始，不需要球形起动拱顶。为了确定摇摆曲线，预先确定了所述曲率中心。在初始阶段结束(它大约持续一天)之后，该过程产生一个半球形拱顶，只是有一个不重要的边缘区域，在该边缘区域中，所述球形不能完全得到保证。
有利的是，烧嘴12通过传动机构、例如通过一个没有示出的机械手来操纵或者运动。开口11在此保证了烧嘴火焰不受阻碍地射在所述拱顶16上。
在图2和3中，具有球形拱顶16的玻璃辊14位于一个熔化炉10的内室13中，该拱顶的中点15同时是具有坐标x、y、z的坐标系的原点，角α、β、γ的顶点位于该原点中。在x-y-平面上测量角β，在y-z-平面上测量角γ，及在x-z-平面上测量角α。对于其它观察，角γ与坐标z一样是无关紧要的。具有口17和机械手导向装置的作用点18的烧嘴12在两个反向点121和122之间进行运动，因此以差分变化的速度在X轴线的两个坐标点X0和-X0之间进行往复运动，并且顶161周围的速度最大，而在反向点121、122附近的速度最小。在反转时，速度是0并且改变它的方向。为了实现从X0到-X0的行程，烧嘴12需要30到120秒。拱顶16的顶161与中点15的距离为100到500mm。烧嘴口17与拱顶顶161的距离为180到250mm。在坐标点X0和-X0之间的距离为80-140mm。辊轴线X1-X1和烧嘴轴线X2-X2之间的恒定角γ应是20-30度。所有给定的数值是相互协调的示例值，这些示例值完全可以改变。
在图4中，举例示出了从X0到-X0、即从终端位置122到121的烧嘴行程的位移-时间-关系。由此可见，在拱顶16的中心即在轴线附近的烧嘴行驶速度最快。在10秒内经过X0和-X0之间位移的1/3。以这种方式，形成一个半球形的拱顶16，该拱顶的折射率均匀性、应力双折射、OH-含量和纯透射与现有技术相比部分地得到大大改善。总体地，x(t)是主导参量，所有其它量y(t)、β(t)、γ(t)由x(t)来推出或者得到。
附图5和6可以清楚地看到通过本发明所得到的改善。根据公知方法可得到的值示出在图5a)到d)中，通过本发明所得到的值示出在图6a)到d)中。
图5a)和6a)示出了径向上几乎双倍的石英玻璃辊14的核心区，具有不变的折射率均匀性。根据现有技术，只有r＝-30到+30mm的区域大约具有相同的折射率均匀性Δn，但是在本发明所制造的石英玻璃辊中，该区域从r＝-55延伸到+55mm。此外，在应力双折射SDB上，本发明所制造的石英玻璃辊首先相对于现有技术(2)显示出波动量减少到其一半，如图5b)和6b)所示可看出的。根据图5c)和6c)，在本发明中，OH-含量在半径上具有很小的波动，并且仅仅在r＝55mm的临界值附近快速升高。最后，与现有技术中的相比，在根据本发明所制造的石英玻璃辊中，对于193nm波长的光的纯透射表明辐射损失较少，参见图5d)和6d)。
在说明书、下面的权利要求书和附图中所示出的全部特不仅单个而且任意的组合都是本发明的实质内容。
参考标号单
10马弗炉  11开口  12烧嘴  13内室  14石英玻璃辊  15曲率中心  16拱顶  17烧嘴口  18机械手导向装置的作用点  121、122反向点(终端位置)  19顶点  20拱顶边缘  a距离  r半径α、β、γ角  X-X、X1-X1、X2-X2轴线  X0、Z0、ZD坐标。

Claims (5)

1.一种用来生产具有球形熔化拱顶的石英玻璃辊的装置，在这种装置中，一个烧嘴以其口在所述熔化拱顶边缘上的两个反向点之间在一个空间曲线上往复运动，石英玻璃辊绕着其几何轴线进行旋转，其特征在于，所述烧嘴在两个反向点之间根据预定的位移-时间-关系以一速度进行运动，该速度在拱顶顶附近最大，而向着反向点方向减少，在所述运动期间，该烧嘴口总是处于与拱顶相等的距离上，并且烧嘴轴线总是对准球形拱顶的中点。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，这些反向点被设置在拱顶边缘上至少近似地处于直径的相反端上。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，从拱顶顶到这些反向点的减速不是线性的。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，烧嘴的摆动运动沿着一个空间曲线进行，它不通过拱顶的顶部中点。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述空间曲线距离顶点的距离为5-30mm，优选为5-10mm。
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