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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Justierung für
die Herstellung eines SiO2-Sootkörpers durch
schichtweises Abscheiden von SiO2-Partikeln auf einem
um seine Längsachse
rotierenden Träger unter
Einsatz einer Vielzahl von Abscheidebrennern, die mit axialem Abstand
zueinander in einer linearen Brenneranordnung angeordnet und in
einem vorgegebenem Bewegungsablauf entlang des sich bildenden Sootkörpers zwischen
Wendepunkten hin- und herbewegt werden, und denen jeweils eine Brennerflamme
zugeordnet ist, die in Verlängerung
ihrer Hauptausbreitungsrichtung den Sootkörper in einem Auftreffpunkt schneidet,
wobei zwischen den Auftreffpunkten benachbarter Abscheidebrenner
ein vorgegebener axialer Soll-Abstand eingestellt wird.
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Ein Verfahren der genannten Gattung
ist aus der
DE 196
28 958 A1 bekannt. Zur Herstellung eines porösen, zylinderförmigen SiO
2-Sootkörpers
werden in den Brennerflammen mehrerer Knallgasbrenner SiO
2-Partikel erzeugt und auf einem waagerecht
orientierten, um seine Längsachse
rotierenden Trägerrohr SiO
2-Partikel schichtweise abgeschieden. Die
Abscheidebrenner sind mit äquidistanten
Abstand von 15 cm zueinander auf einem parallel zur Längsachse
des Trägerrohrs
verlaufenden Brennerblock montiert. Der Brennerblock wird entlang
des sich bildenden porösen
Sootkörpers
zwischen einem linken und einem rechten Wendepunkt mittels einer
regelbaren Verschiebeeinrichtung hin- und herbewegt, wobei die Amplitude
dieser Translationsbewegung des Brennerblocks kleiner ist als die
Länge der
Vorform.
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Die hierfür eingesetzten Abscheidebrenner
bestehen im allgemeinen aus Quarzglas oder aus Metall. Quarzglasbrenner
haben den Vorteil, dass Kontaminationen des Quarzglaskörpers durch
Abrieb weitgehend vermieden werden. Bei der Fertigung der Abscheidebrenner
sind jedoch Maßabweichungen
unvermeidlich, so dass jeder Abscheidebrenner eine individuelle
Abscheide-Charakteristik aufweist. Dadurch, und durch Abweichungen
bei der Brenner-Justage kann es zu axialen Inhomogenitäten m Sootkörpen kommen,
die insbesondere bei einem Einsatz als Ausgangsmaterial für Vorformen
für optische
Fasern problematisch sind. Daher sind vor dem Abscheideprozess Position
und Orientierung für
jeden Abscheidebrenner sowie Prozessparameter an die individuelle
Abscheide-Charakteristik anzupassen. Da sich benachbarte Abscheidebrenner
jedoch auch gegenseitig beeinflussen, ist nach dem Austausch eines
Abscheidebrenners häufig
eine zeit- und materialaufwändige
Anpassung der gesamten Brenneranordung erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
den Aufwand für
die Herstellung von Rohlingen mit vorgegebener, insbesondere axial
homogener Dichte- und Masserverteilung zu verringern.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von
dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das Einstellen des Soll-Abstands umfasst
- ein
Abscheiden von SiO2-Partikeln auf einem
Substratkörper
unter Einsatz der Brenneranordnung jedoch ohne die Hin- und Herbewegung
zwischen den Wendepunkten zur Erzeugung eines Probe-Sootkörpers mit einem
Oberflächen-Relief,
bei dem sich – in
Richtung der Längsachse
gesehen – Täler und
Höhen wellenförmig abwechseln,
und aus dem der Ist-Abstand benachbarter Brennerflammen-Auftreffpunkte
zu entnehmen ist,
- und eine Justierung von Abscheidebrennern der Brenneranordnung
anhand der gemessenen Ist-Abstände zur
Korrektur der Brennerflammen-Auftreffpunkte.
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Die Einstellung des Soll-Abstands
der Auftreffpunkte voneinander umfasst die Erzeugung eines Probe-Sootkörpers mit
einem Oberflächen-Relief.
Hierzu werden SiO2-Partikel auf einem Substratkörper abgeschieden,
ohne dass dabei die Abscheidebrenner der Brenneranordnung oszillierend
zwischen Wendepunkten hin- und herbewegt werden. Dadurch bildet
sich auf dem Substratkörper
ein Sootkörper
mit einem wellenförmigen
Oberflächen-Relief,
das Täler
und Höhen
aufweist, die sich in Richtung der Längsachse der Brenneranordnung
gesehen abwechseln. Das Oberflächen-Relief
des Probe-Sootkörpers spiegelt
die lokalen Abscheidebedingungen wider. Höhen des Oberflächen-Reliefs
stellen sich in Bereichen mit lokal hohem Masse-Auftrag und/oder
niedriger lokaler Soot-Dichte ein. Täler ergeben sich durch geringen
Masse-Auftrag und/oder hohe lokale Soot-Dichte. Dadurch, dass ein
poröser
Probe-Sootkörper
hergestellt wird (und nicht ein verglaster, dichter Probekörper) ergeben
sich zusätzliche
Informationen über
die Sootdichte.
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Für
jeden der Abscheidebrenner ergibt sich so eine charakteristische,
formstabile Soot-Anhäufung
auf dem Substratkörper.
Im einfachsten Fall – bei
vollkommen stillstehenden Abscheidebrennern – weist eine typische Soot-Anhäufung zwei
Maxima (Höhen)
auf, die ein relatives Minimum (Tal) umgeben. Das relative Minimum
ist dabei in der Regel dem Auftreffpunkt der Brennerflamme auf dem
Substratkörper
zuzurechnen. Die dazu benachbarten Maxima ergeben sich infolge der
geringeren Sootdichte (im Vergleich zur Sootdichte im relativen
Minimum). Die Lage und Form der Soot-Anhäufungen ergeben Hinweise auf
die Lage und den Abstand der Brennerflammen und sie lassen Rückschlüsse über die
Abscheideeffizienz und die Abscheidesymmetrie des jeweiligen Abscheidebrenners
zu. Durch Vermessung und Auswertung des gesamten Oberflächen-Reliefs
des Probe-Sootkörper
werden darüber
hinaus Unterschiede im Abscheideverhalten der einzelnen Abscheidebrenner
erkennbar.
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Die Einhaltung äquidistanter Abstände zwischen
den Auftreffpunkten der Brennerflammen der Brenneranordnung ist
für den
Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens
wesentlich. Hierzu liefert die Auswertung des Oberflächen-Reliefs
des Probe-Sootkörpers
den entscheidenden Beitrag. Denn die axialen Abstände der relativen
Minima entsprechen den tatsächlichen axialen
Ist-Abständen
der Flammenaufreffpunkte der Abscheidebrenner.
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In einem nächsten Schritt erfolgt daher
eine Korrektur der Lage der Brennerflammen-Auftreffpunkte anhand
der gemessenen Ist-Abstände,
indem derjenige oder diejenigen Abscheidebrenner der Brenneranordnung,
die eine Abweichung vom Soll-Abstand bewirken, neu justiert werden.
Das Justieren der Abscheidebrenner erfolgt durch Verschieben und/oder
durch Ändern
ihrer Orientierung. Die Auswirkungen derartiger Korrekturmaßnahmen
lassen sich anhand weniger Versuche ermitteln.
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Die Orientierung des Abscheidebrenners
ergibt sich aus der Hauptausbreitungsrichtung der dazugehörigen Brennerflamme.
Die Brenneranordnung ist im einfachsten Fall bei der Herstellung
des Probe-Sootkörpers örtlich fixiert.
Sie wird somit nicht entlang des Substratkörpers, sei es ein rotierender
Träger
oder eine ruhende Prallfläche,
bewegt. Im Fall einer geringen axialen Bewegung sind jedoch die
Flammen-Auftreffpunkte noch auswertbar.
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Es hat sich gezeigt, dass die Form
des Probe-Sootkörpers
bei gleichen Ausgangsbedingungen reproduzierbar ist. Eine einmal
korrekt justierte Brenneranordnung ist für die Herstellung axial homogener
Sootkörper
theoretisch unbegrenzt geeignet. Es ist nicht erforderlich, vor
jedem Abscheideprozess einen Probe-Sootkörper herzustellen, um den Soll-Abstand
der Flammenauftreffpunkte einzustellen. Diese Maßnahme ist lediglich nach dem
Austausch eines oder mehrerer Abscheidebrenner sinnvoll, und sie
kann aus Sicherheitserwägungen
auch von Zeit zu Zeit durchgeführt
werden.
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Vorzugsweise werden zur Herstellung
des Probe-Sootkörpers
SiO-Partikel auf einem rotierenden Träger abgeschieden werden. Dabei
kann der gleiche oder ein ähnlicher
Träger
wie beim Abscheideprozess als Substratkörper eingesetzt werden. Bei
vergleichbarer Rotationsgeschwindigkeit ergeben sich so bei der
Herstellung des Probe-Sootkörpers
prozessnahe Abscheidebedingungen, was die Korrektur der Position
und Orientierung der Abscheidebrenner erleichtert.
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Bei dieser Verfahrensweise erzeugt
jeder der Abscheidebrenner einen charakteristischen Soot-Ablagerungsring,
der das oben erwähnte
Oberflächenrelief
aus Höhen
und Tälern
aufweist, und das einem Baumkuchen ähnelt.
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Alternativ dazu hat es sich auch
bewährt,
zur Herstellung des Probe-Sootkörpers SiO2-Partikel auf einer ruhenden Prallfläche abzuscheiden.
Durch den Einsatz einer ruhenden Prallfläche als Substratkörper werden
zum Beispiel Verwaschungen des Oberflächenreliefs durch unrunde Rotation
vermieden, so dass insoweit die Auswertung des Oberflächenreliefs
vereinfacht wird. Hierbei gibt die Verteilung der SiO2-Partikel
Aufschluss über
die Abstände
der Flammenauftreffpunkte voneinander. Die Prallfläche ist
beispielsweise als Prallplatte ausgebildet, die mit einem Koordinatensystem
versehen sein kann, so dass die Lage des Auftreffpunktes der Brennerflammen
sehr einfach zu bestimmen ist.
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Die Erfindung zielt darauf ab, in
axialer Richtung äquidistante
Abstände
zwischen den Auftreffpunkten der Brennerflammen einzustellen. Dies
gelingt am einfachsten durch Verschieben der Abscheidebrenner in axialer
Richtung, und/oder durch Ändern
der Orientierung der Abscheidebrenner. Vorzugsweise umfasst das Ändern der
Ausrichtung ein Verkippen des Abscheidebrenners aus der Normalen
zur Sootkörperlängsachse. Sofern
nicht ausdrücklich
anderes beschrieben ist, bezieht sich der Ausdruck „axial" hier und im Folgenden stets
auf die Sootkörperlängsachse.
Eine Änderung
der Ausrichtung der Abscheidebrenner durch Verkippen ist konstruktiv
einfach zu bewerkstelligen.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Abscheide-Dauer
zur Herstellung des Probe-Sootkörpers unter
Einsatz der Brenneranordnung zwischen 10 Minuten und 30 Minuten
beträgt.
Die Abscheide-Dauer wird aus Kostengründen so kurz wie möglich gehalten,
wobei sich jedoch bei Abscheidedauern von weniger als 10 Minuten
ein Probe-Sootkörper
ergibt, bei dem eine Auswertung des Oberflächen-Reliefs stark fehlerbehaftet ist.
Eine Abscheide-Dauer von mehr als 30 Minuten verbessert die Genauigkeit
der Auswertung des Oberflächenreliefs
hingegen nur noch unwesentlich.
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Zur Herstellung des Probe-Sootkörpers wird
die Medienzufuhr zu den Abscheidebrennern und der Abstand der Abscheidebrenner
von der Sootkörper-Oberfläche vorzugsweise
so eingestellt, wie bei der Herstellung des SiO2-Sootkörpers. Dadurch,
dass bei der Herstellung des Probe-Sootkörpers die Medienzufuhr dieselbe
ist, wie bei der Herstellung des Sootkörpers, ergeben sich prozessnahe
Abscheidebedingungen, die sich auf die Abbildungsgenauigkeit des
Oberflächenreliefs
hinsichtlich der Abstände
des Flammenauftreffpunkte bei der eigentlichen Sootkörperherstellung
günstig
auswirken. Die Auswertung des Probe-Sootkörpers hinsichtlich des axialen
Abstandes der Abscheidebrenner wird somit genauer. Die Medienzufuhr
zu den Abscheidebrenner beinhaltet die Gasflüsse für die Brenngase (Wasserstoff
und Sauerstoff) und für
den Glasausgangsstoff (z. B. SiCl4).
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
und einer Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen im Einzelnen
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1 in
schematischer Darstellung eine Brenneranordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
beim Verfahrensschritt der Abscheidung eines Soot-Probekörpers in
einer Seitenansicht,
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2 einen
Ausschnitt des Oberflächenprofils
bei einem Probe-Sootkörper
in einer Projektion auf eine senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung
der Abscheidebrenner verlaufenden Ebene,
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3a einen
Ausschnitt des Oberflächenprofils
von 2 in vergrößerter Darstellung,
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3b den
Ausschnitt des Oberflächenprofils
gemäß 3a nach Änderung der Ausrichtung eines Abscheidebrenners
an Position „a".
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Die in den 2, 3a und 3b dargestellten Oberflächenprofile
wurden an einem Probe-Sootkörper
gemessen, dessen Herstellung im Folgenden anhand 1 näher
beschrieben wird.
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Die Brenneranordnung gemäß 1 umfasst eine Vielzahl
von Abscheidebrennern 1 mit vertikal orientierter Mittelachse 6 (in 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur acht dieser Abscheidebrenner dargestellt), die auf ein um seine
Längsachse 3 rotierendes
Trägerrohr 2 aus
Aluminiumoxid gerichtet sind. Das Trägerrohr 2 hat einen
Außendurchmesser
von 20 mm. Die Abscheidebrenner 1 sind in Brennerhalterungen mit
einer kardanischen Brenneraufnahme 11 gehalten, die es
ermöglicht,
die Abscheidebrenner 1 einzeln in allen Richtungen um einen
Winkel α von
5° aus der
Vertikalen, die durch die Bezugsziffer 7 gekennzeichnet ist,
zu verkippen, und außerdem
jeden Abscheidebrenner um zirka 15 mm in axialer Richtung 13 (in
Richtung der Mittelachse 3) zu verschieben. Die durch die
kardanische Brenneraufnahme 11 ermöglichten Verschiebungen und
Verkippungen jedes einzelnen Abscheidebrenners 1 werden
in 1 durch die Bezugsziffern 12 und 13 angezeigt.
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Den Abscheidebrennern 1 werden
Glasausgangsstoffe und Brennstoffe zugeführt und in der dem jeweiligen
Abscheidebrenner 1 zugeordneten Brennerflamme 5 zu
SiO2-Partikeln umgesetzt. Der Soll-Abstand „d" der Abscheidebrenner 1 voneinander – in Richtung
der Längsachse 3 gesehen – beträgt 100 mm.
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Die Abscheidebrenner 1 werden
während
der Herstellung des Probe-Sootkörpers
nicht entlang der Trägerlängsachse 3 bewegt.
Die Längsachse
des Probe-Sootkörpers stimmt
mit der Trägerlängsachse 3 überein.
Die Brennerflammen 5 der Abscheidebrenner 1 sind
auf das Trägerrohr 2 gerichtet
derart, dass die Hauptausbreitungsrichtung 6 der Brennerflammen 5 jeweils
parallel zur Vertikalen 7 und gleichzeitig senkrecht zur
Trägerlängsachse 3 verläuft. Die
Brennerflammen 5 treffen in ihrer Verlängerung in Richtung der Hauptausbreitungsrichtung 6 in
einem Auftreffpunkt 8 auf die Oberfläche des Trägers 2 bzw. auf einen
darauf bereits abgeschiedenen Ablagerungsring 9.
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In den 2, 3a und 3b ist jeweils der Radius „r" eines Probe-Sootkörpers aufgetragen,
in Abhängigkeit
von der axialen Position „l" – in Richtung der Längsachse
des Probe-Sootkörpers
gesehen.
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Das in den Figuren dargestellte Oberflächenprofil
wird mittels Laserabstandsmessung unter Einsatz eines handelsüblichen
Geräts
ermittelt. Hierbei wird mittels Laserstrahl die Oberfläche des
Probe-Sootkörpers 10 (siehe 1) in einer parallel zur
Längsachse 3 verlaufenden
Reihe abgetastet und die Messwerte zur Auswertung an einen Rechner übermittelt.
Zusätzlich
wurde der axiale Dichteverlauf des Probe-Sootkörpers 10 mittels Computertomographie
vermessen.
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2 zeigt
ein Oberflächenrelief,
das an einem Probe-Sootkörper 10 ermittelt
wurde, dessen Herstellung schematisch in 1 erläutert
ist. Bei diesem Oberflächenrelief 10 wechseln
sich Höhen
und Täler – in Richtung
der Längsachse 3 gesehen – ab, so
dass sich insgesamt ein Oberflächenprofil
ergibt, das einem Baumkuchen ähnelt.
Das Oberflächenrelief
umfasst eine Vielzahl von Ablagerungsringen 9, die sich
jeweils durch ein relatives Minimum 14 auszeichnen, das
beiderseits von zwei Maxima 15 umgeben ist. Die axiale
Position des relativen Minimums 14 entspricht dabei jeweils
der Position des Auftreffpunktes 8 (1) der Brennerflamme 4 auf dem
Ablagerungsring 9.
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3a zeigt
einen Ausschnitt von 2 in
vergrößerter Darstellung.
Es sind die Ablagerungsringe 9 von insgesamt vier benachbarten
Abscheidebrennern dargestellt. Die relativen Minima 14 bzw.
die Maxima 15 sind deutlich erkennbar. Es zeigt sich, dass
die verschiedenen Abscheidebrenner unterschiedlich geformte poröse SiO2-Ablagerungsinge 9 erzeugen, wobei
aber die Form und Position der Ablagerungsringe 9 bei gleichen Ausgangsbedingungen
reproduzierbar ist.
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Die Vermessung und Auswertung des 3a dargestellten Profils
zeigt, dass der axiale Abstand „d'" zwischen
den Auftreffpunkten 8 der Abscheidebrenner 1 an
den Positionen a und b nicht dem Sollabstand „d" von 100 mm entspricht, wobei der Justagefehler
im Wesentlichen durch den Abscheidebrenner an Position „a" verursacht wird.
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Nach einer Verkippung des Abscheidebrenners 1 an
Position „a" um einen Winkel
von 3° nach
links in Richtung der Längsachse 3 wurde
ein weiterer Probe-Sootkörper 10 hergestellt
und bei diesem das in 3b dargestellte
Oberflächenrelief
erhalten.
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Daraus ist ersichtlich, dass durch
die Winkelverstellung die Höhe
der Flanken beeinflusst wird und auch die Lage des Auftreffpunktes 8.
Die Position „a'" des relativen Minimums 14 des
Ablagerungsrings 9, die den Auftreffpunkt 8 der
betreffenden Brennerflamme kennzeichnet, hat sich gegenüber der
Position „a" (3a) nach links verschoben. Die Äquidistanz
der Flammenauftreffpunkte, gekennzeichnet durch den Soll-Abstand „d" ließ sich so
deutlich verbessern.
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Durch die Verstellung des Winkels
der Brenneraufnahme 11 können gleichmäßige poröse Ablagerungsringe
erzeugt werden, was gleichbedeutend mit axialer Homogenität des mit
der korrigierten Einstellung erzeugten Sootkörpers und somit mit einer guten
Produktqualität
ist.
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Durch Vermessung der Abstände der
einzelnen Senken (relative Minima 14) der porösen Ablagerungsringe 9,
die ja den Auftreffpunkt 8 der Brennerflamme 5 kennzeichnen,
wurde auch der Einfluss einer axialen Verschiebung der Abscheidebrenner 1 auf
die Distanz der Auftreffpunkte 8 unter Prozessbedingungen
untersucht.
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Aus der folgenden Tabelle sind die
Sollabstände
zwischen den Flammen-Auftreffpunkten 8 der
ersten zehn Abscheidebrenner der Brenneranordnung ersichtlich. Spalte 3 zeigt
den Abstand der Auftreffpunkte 8, wie sie am Probe-Sootkörper 10 ermittelt
worden sind, in Spalte 4 sind die korrigierten Brennerabstände aufgeführt, die
durch axiale Verschiebung der jeweiligen Abscheidebrenner 1 eingestellt
worden sind. Und die letzte Spalte der Tabelle zeigt den Abstand
zwischen den Auftreffpunkten 8 nach der Abstandskorrektur,
wie in Spalte 3 angegeben.
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Mit Hilfe der am Probe-Sootkörper gewonnenen
Messdaten wurden somit die Abstände
der Abscheidebrenner der Brenneranordnung so korrigiert, dass annähernd eine Äquidistanz
der Brennerauftreffpunkte 8 am Probe-Sootkörper 10 erreicht
wird.
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Die Herstellung des Probe-Sootkörpers 10 und
der daraus ermittelten Korrektur des Abstandes der Flammenauftreffpunkte 8 voneinander
durch axiales Verschieben der Abscheidebrenner 1 und/oder
durch Verkippen aus der Normalen 7 zur Sootkörperlängsachse 3,
ermöglicht
somit eine Korrektur des Abstands zwischen den Auftreffpunkten 8 der
Brennerflammen 5 in Richtung auf einen äquidistanten Abstand.
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Unter Einsatz der so korrigierten
Brenneranordnung 11 wird anschließend ein SiO2-Sootkörper durch schichtweises
Abscheiden von SiO2-Partikeln auf einem
um seine Längsachse
rotierenden Träger
hergestellt, indem die Brenneranordnung in einem vorgegebenem Bewegungsablauf
entlang des sich bildenden Sootkörpers
zwischen Wendepunkten hin- und herbewegt wird. Das vorab durchgeführte, erfindungsgemäße Korrekturverfahren
gewährleistet
dabei eine möglichst
exakte axiale Aquidistanz der Flammen-Auftreffpunkte, so dass mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
insgesamt ein Sootkörper
erhalten wird, aus dem durch Verglasen ein Quarzglaskörper mit
hoher Homogenität
erzeugt wird.
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Die einmal korrigierte Brenneranordnung
behält
ihre eingestellte Genauigkeit hinsichtlich der axialen Aquidistanz
der Flammen-Auftreffpunkte auch bei weiteren Abscheideprozessen
bei, so dass eine Neu-Justierung unter Herstellung eines Probe-Sootkörpers bis
zum Austausch eines oder mehrerer Abscheidebrennen verzichtet werden
kann. Der Justageaufwand für
die Herstellung von Rohlingen mit vorgegebener, insbesondere axial
homogener Dichte- und Masserverteilung ist daher gering.