DE19751919C2 - Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörpern und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörpern, durch Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf der Zylindermantelfläche eines horizontal orientierten und um sei­ ne Längsachse rotierenden, zylinderförmigen Dorns unter Bildung eines im wesentlichen zylin­ derförmigen, porösen Rohlings, dessen mittlere relative Dichte auf einen Wert von mindestens 10% seiner theoretischen Dichte eingestellt wird, wobei der Dorn im Bereich beider Enden des sich bildenden Rohlings von Stützkörpern umgeben ist, die mit der gleichen Rotationsge­ schwindigkeit wie der Dorn rotieren und auf deren dem Rohling jeweils zugewandten Teil SiO₂-Partikel, unter Einbettung mindestens dieses Teils in den sich bildenden Rohling abge­ schieden werden, und Sintern des so hergestellten Rohlings.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem horizontal orientierten und um seine Längsachse rotierbaren Dorn auf dem unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen Rohlings SiO₂-Partikel abgeschieden werden, wobei der Dorn im Bereich beider Enden des sich bildenden Rohlings mit Stützkörpern, die mit der glei­ chen Rotationsgeschwindigkeit wie der Dorn rotieren, versehen ist.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung für seine Durchführung sind aus JP62-83326 (A) bekannt. Darin wird ein Verfahren beschrieben, bei dem auf einem Dorn eine erste, lockere Sootschicht abgeschieden und darauf ein Sootkörper aufgebaut wird. Der Dorn ist beidseitig des sich bildenden Sootkörpers von je einer Hülse umgeben, die bei Abscheiden teilweise in den Sootkörper eingebettet wird. Nach Beendigung der Sootkörper-Abscheidung wird der Dorn mitsamt der ersten, lockeren Sootschicht entfernt und der restliche Sootkörper wird verglast. Zum Verglasen wird der Sootkörper an der eingebetteten Hülse gehalten.

Ein ähnliches Verfahren für die Herstellung einer Vorform für optische Fasern wird in der EP-A1 250 326 beschrieben. Dabei wird durch Plasma-Abscheidung auf einem Dorn ein rohr­ förmiger Glaskörper erzeugt, wobei beidseitig des Glaskörpers hülsenförmige Halter eingebet­ tet werden. Nach Enfernen des Dorns werden die beiden Hülsen in einem anschließenden Verfahrensschritt, bei dem innerhalb des rohrförmigen Glaskörpers eine Innenschicht mittels Plasmaverfahren erzeugt wird, als Halter verwendet.

In der US-PS 4,362,545 ist ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung ei­ ner Vorform für optische Fasern beschrieben, wobei nach den allgemein bekannten Verfah­ ren mittels eines Flammhydrolysebrenners auf der Mantelfläche eines mit beiden Enden in ei­ ne Drehbank eingespannten, um seine Längsachse rotierenden, leicht konischen Dorns schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden werden. Dabei wird durch eine Hin- und Herbewe­ gung entlang der Längsachse des Dorns eine längliche, poröse Vorform aus SiO₂-Partikeln ge­ bildet. Der Dorn erstreckt sich durch einen hülsenförmigen Halter, der an seinem Ende, das der sich bildenden Vorform zugewandt ist, einen umlaufenden Wulst aufweist. Der Dorn ist in bezug auf den Halter mittels Abstandshaltern, die in den Spalt zwischen dem Halter und dem Dorn eingeklemmt sind, geometrisch fixiert. Halter und Dorn bestehen beispielsweise aus Alu­ miniumoxid, Graphit oder aus Quarzglas.

Während der Abscheidung wird sowohl der Dorn als auch der mit dem Wulst versehene Teil des Halters in der sich bildenden Vorform eingebettet. Nach der Abscheidung wird der Dorn entfernt. Die fertige Vorform kann für die weitere Bearbeitung an dem eingebetteten Halter in vertikaler Ausrichtung hängend gehalten werden. Anschließend wird die Vorform gesintert und kollabiert.

Die bekannten Verfahren und die bekannten Vorrichtungen sind für die Herstellung von leich­ ten Vorformen mit relativ kleinen Außendurchmessern geeignet. Bei schweren Vorformen be­ steht die Gefahr, daß der Halter aus dem porösen Vorform-Material ausbricht. Zudem muß bei schweren Vorformen bereits auf einem dementsprechend stabilen, dickeren Dorn abgeschie­ den werden. Dies ist insbesondere auch bei langen Vorformen erforderlich, um eine Durchbie­ gung des Dorns zu verhindern. Ein dickerer Dorn verursacht jedoch eine größere Bohrung in der Vorform und damit einhergehend Probleme beim Kollabieren der Bohrung.

Ein weiteres Verfahren für die Herstellung eines Quarzglas-Zylinders ist in JP62-256733 (A) offenbart. Dabei wird auf einem vertikal orientierten Dorn zunächst eine lockere Schicht von SiO₂-Partikeln und darauf erst der eigentliche Sootkörper abgeschieden. Der Dorn wird dabei mittels eines hülsenförmigen Halters, der während der Abscheidung teilweise in den Sootkörper eingebettet wird, gehalten und nach der Abscheidung zusammen mit der lockeren, inneren Schicht entfernt.

Die den Dorn umschließende Hülse dient hierbei zur Halterung des Dorns. Aufgrund der verti­ kalen Orientierung ist bei diesem Verfahren eine feste Verbindung zwischen Dorn und dem hülsenförmigen Halter erforderlich, denn nach dem Entfernen des Dorns hängt der Sootkörper mit seinem ganzen Gewicht am Halter. Allerdings wird der vertikal orientierte Dorn durch das Gewicht des Sootkörpers mechanisch kaum belastet, so daß er vergleichsweise dünn ausge­ bildet sein kann. Das Problem, daß das Gewicht des Sootkörpers auf dem Dorn lastet, wie bei einer "Horizontal-Abscheidung" mit horizontal orientierter Dorn-Längsachse, stellt sich bei der "Vertikal-Abscheidung" nicht. Allerdings besteht insbesondere bei schweren Sootkörpern die Gefahr, daß sie während der Abscheidung aus der Halterung ausbrechen.

Hohlzylinder aus Quarzglas werden als Zwischenprodukte für eine Vielzahl von Bauteilen für die optische und chemische Industrie eingesetzt. Ihre Herstellung erfolgt ähnlich dem eingangs beschriebenen Verfahren durch Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf einem langgestreckten Trägerstab unter Bildung eines porösen Hohlzylinders, der anschließend weiterbehandelt und gesintert wird. Der Trägerstab wird dabei vor oder nach dem Sintern aus der Bohrung des Hohlzylinders entfernt. Für viele Anwendungen ist ein möglichst großes Verhältnis von Wand­ stärke zu Außendurchmeser bzw. von Außen- zu Innendurchmesser erwünscht. Dieses Ver­ hältnis kann einerseits durch eine möglichst kleine Innenbohrung des Hohlzylinders, anderer­ seits durch einen möglichst großen Außendurchmesser des Hohlzylinders vergrößert werden. Bei beiden Varianten ist die mechanische Belastbarkeit und die thermische Beständigkeit des Trägerstabes ein begrenzendes Kriterium. Denn einerseits muß der Trägerstab einen mög­ lichst kleinen Außendurchmesser aufweisen, um eine möglichst kleine Innenbohrung zu hinter­ lassen, andererseits muß er das Gewicht des Hohlzylinders aufnehmen, das hundert Kilo leicht überschreiten kann, und er muß während der Abscheidung der thermischen Belastung über mehrere Stunden standhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein "Horizontal-Verfahren" für die Abscheidung schwerer Rohlinge anzugeben, das insbesondere die Herstellung von dickwandigen Hohlzylin­ dern ermöglicht, und eine Vorrichtung dafür bereitzustellen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützkörper während des Abscheidens von SiO₂-Partikeln mit einer Spanneinrichtung verbunden, und mittels der Spanneinrichtung gelagert und rotiert werden.

Die beiderseits des sich bildenden Rohlings eingebetteten Stützkörper nehmen das Gewicht des Rohlings auf. Hierzu ist es erforderlich, daß die Stützkörper selbst rotierbar gelagert sind. Die rotierbare Lagerung der Stützkörper erfolgt mittels der Spanneinrichtung. Auf dem Dorn la­ stet lediglich ein geringes Gewicht zu Anfang der Abscheidung. Sobald die Stützkörper beider­ seits des Rohlings in das Rohling-Material stabil eingebettet sind, übernehmen die Stützkörper aufgrund ihrer eigenen Lagerung dessen Gewicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Dorn mechanisch kaum belastet. Der Dorn kann deshalb sehr dünn oder aus einem Material mit geringer mechanischer Festigkeit ausge­ bildet sein. Das bisher wichtige Kriterium der mechanischen und thermischen Festigkeit des Dorns als Randbedingung bei der Auswahl eines geeigneten Dornmaterials oder einer geeig­ neten Dicke entfällt daher. Die Auswahl und Ausbildung des Dorns richtet sich im wesentlichen nach anderen Kriterien, wie der Reinheit des Dornmaterials, seiner Entfernbarkeit aus dem Rohling oder dem Durchmesser der nach einem Entfernen des Dorns verbleibenden Innen­ bohrung. Ein geringer Durchmesser dieser Innenbohrung, wie sie beispielsweise ein Dorn in Form eines Drahtes hinterläßt, ermöglicht die Herstellung von Hohlzylindern aus Quarzglas mit einem sehr großen Verhältnis von Außendurchmesser zu Innenbohrung und erleichtert gege­ benenfalls das Kollabieren des Hohlzylinders. Da der Dorn nur ein geringes Gewicht zu tragen hat, kann eine Durchbiegung leicht vermieden werden. Daher erleichtert das erfindungsgemä­ ße Verfahren auch die Herstellung langer Rohlinge.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Rohling zwischen den beiden im Bereich seiner Stirnseiten angreifenden Stützkörper eingespannt. Der Rohling stützt sich daher nicht, oder nur unwesentlich, auf den Dorn ab. Dies setzt voraus, daß der Rohling selbst eine ausreichen­ de mechanische Festigkeit aufweist. Bei der Abscheidung von SiO₂-Partikeln zur Herstellung poröser Rohlinge, sogenannter "Sootkörper", ergeben sich üblicherweise keine Probleme. Die mechanische Festigkeit solcher poröser Rohlinge hängt im wesentlichen von ihrer mittleren Dichte ab. Die Dichte wird durch die bei der Abscheidung herrschende Temperatur, insbeson­ dere durch die Oberflächentemperatur des Rohlings bestimmt. Bei der Abscheidung von SiO₂-Partikeln zur Herstellung von "Sootkörpern" wird die Oberflächentemperatur üblicherwei­ se so eingestellt, daß eine mittlere relative Dichte des Rohlings im Bereich zwischen 10% und 35% erhalten wird (bezogen auf die Dichte von Quarzglas mit 2,2 g/cm³). Derartige poröse Rohlinge weisen für die Zwecke der Erfindung ausreichende mechanische Festigkeit auf.

Aus dem eingangs beschriebenen Verfahren ist es bekannt, daß für ein stabiles Einbetten der Stützkörper in den sich bildenden Rohling Dorn und Stützkörper synchron rotieren müssen.

Dadurch wird gewährleistet, daß der Übergang zwischen Dorn und Stützkörper von dem abge­ schiedenen, feinen SiO₂-Partikel-Staub überwachsen werden kann. Bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren ist das Einhalten dieser Randbedingung nur zu Beginn der Abscheidung erfor­ derlich, da nach dem stabilen Einbetten der Stützkörper diese das Gewicht des Rohlings tra­ gen, jedoch nicht der Dorn, der dann sogar entfernt werden kann.

Die Stützkörper können teilweise aus dem Rohling herausragen. In dem Fall kann während des Abscheidens ihre Lagerung, beispielsweise in Form von Spannbacken, an dem aus dem Rohling herausragenden Teil angreifen. Die Stützkörper können als Hohlkörper ausgebildet sein, beispielsweise als Hülse oder als Ring. In dem Fall ist es nicht erforderlich, die Stützkör­ per aus dem sich bildenden Rohling teilweise herausragen zu lassen, da die Lagerung auch an der Innenseite der Stützkörper angreifen kann.

Eine rotierbare Lagerung im Sinne der Erfindung ist jede Lagerung, die eine Rotation des Dorns bzw. der Stützkörper um die Längsachse des sich bildenden Rohlings ermöglicht. Insbe­ sondere werden darunter Lagerungen verstanden, bei denen am Dorn bzw. an den Stützkör­ pern Spannbacken einer Dreheinrichtung angreifen.

Die in den Rohling eingebetteten Stützkörper können auch als Halterungen für den Rohling bei dessen weiterer Bearbeitung verwendet werden. Dadurch, daß zur Lagerung des Rohlings zwei sich gegenüberliegende Stützkörper verwendet werden, ist die Gefahr von Ausbrüchen dieser Stützkörper, auch bei der späteren Verwendung als Halterungen, gering.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit erstmals die Herstellung und das sichere Handling langer und schwerer Rohlinge, insbesondere solcher Rohlinge mit einem großen Wandstärke/Außendurchmesser-Verhältnis bzw. einem großen Verhältnis von Außendurch­ messer zu Innendurchmesser und solchen die eine besonders kleine Innenbohrung aufweisen.

Die Stützkörper können mit dem Dorn mechanisch fest verbunden oder integraler Bestandteil des Dorns sein. In diesen Fällen reicht es aus, nur die Stützkörper während der Abscheidung rotierbar zu lagern. Bevorzugt wird jedoch eine Verfahrensweise, bei der die Stützkörper ge­ trennt vom Dorn gelagert werden. Dabei wird der Dorn mit einer zweiten Spanneinrichtung ver­ bunden, mittels der er rotiert und gelagert wird.

Vorteilhafterweise wird der Dorn während des Abscheidens aus dem sich bildenden porösen Rohling unter Bildung einer Bohrung im Rohling entfernt. Die hohe Temperatur des Rohlings während der Abscheidung und die Wärmeausdehnung des Rohling-Materials erleichtern das Entfernen des Dorns im heißen Zustand. Der Dorn kann entfernt werden, sobald die Stützkörper in den Rohling stabil eingebettet sind und die Lagerung des Rohlings anhand der Stützkörper erfolgt. Durch die Bohrung kann vorteilhafterweise während des Abscheidens ein Behandlungs- oder Schutzgas eingeleitet werden. Dadurch können Verunreigungen aus dem sich bildenden Rohling frühzeitig entfernt oder deren Bildung im Rohling vermindert werden. Wegen der Porosität des Rohling kann das Behandlungs- oder Schutzgas leicht durch den ge­ samten bis dahin gebildeten Rohling diffundieren. Zur Entfernung von Feuchtigkeit, sind fluor- oder chlorhaltige Behandlungsgase geeignet. Die Behandlungsgase können auch Do­ tierstoffe, wie Germanium, Phosphor, Aluminium, Fluor oder Bor enthalten.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, einen Dorn einzusetzen, mit einem Außendurch­ messer, der 2% des endgültigen Außendurchmessers des Rohlings nicht überschreitet. Der Dorn kann nach der Abscheidung entfernt werden. Dabei hinterläßt er eine kleine Innenboh­ rung, die gegebenenfalls durch Kollabieren leicht geschlossen werden kann. Wird der Dorn entfernt bevor die Abscheidung beendet ist oder bevor der Rohling abgekühlt ist, kann sich diese im Verhältnis zum Außendurchmesser des Rohlings sehr kleine Innenbohrung beim Ab­ kühlen des Rohlings vollständig schließen. Mit dieser Verfahrensweise ist es daher möglich, Vollzylinder herzustellen, ohne zusätzlichen Kollabier- oder Verformungsschritt.

Es hat sich besonders bewährt, daß mindestens einmal während des Abscheidens der Ab­ stand der sich beiderseits des Rohlings gegenüberliegenden Stützkörper verringert wird. Durch das Zusammenschieben der Stützkörper entlang der Dorn-Längsachse wird der Rohling zwi­ schen ihnen stabil eingespannt. Die Verkürzung des axialen Abstandes der Stützkörper von­ einander liegt im allgemeinen im Bereich weniger Promille der Rohling-Länge.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützkörper jeweils mit einer Spanneinrichtung verbunden sind, mittels sie rotierbar gelagert sind.

Die beidseitig des sich bildenden Rohlings vorgesehenen Stützkörper werden während der Ab­ scheidung in den Rohling eingebettet und nehmen dann das Gewicht des Rohlings auf. Zu diesem Zweck sind die Stützkörper mittels einer geeigneten eigenen Lagerung rotierbar gela­ gert. Hierzu ist jeweils eine Spanneinrichtung vorgesehen, die an den beiden Stützkörpern an­ greift. Der Dorn wird von dem Gewicht des Rohlings entlastet und kann deshalb sehr dünn oder aus einem Material mit geringer mechanischer oder thermischer Festigkeit ausgebildet sein. Die mechanische und thermische Belastbarkeit des Dorns als wesentliche Randbedin­ gung bei der Auswahl eines geeigneten Dornmaterials oder einer geeigneten Dicke entfällt da­ her. Die Auswahl und Ausbildung des Dorns richtet sich im wesentlichen nach anderen Kriterien, wie der Reinheit des Dornmaterials, einer Entfernbarkeit aus des Rohlings oder ge­ wünschter Durchmesser der nach einem Entfernen des Dorns verbleibenden Bohrung.

Eine rotierbare Lagerung im Sinne der Erfindung ist jede Lagerung, die eine Rotation des Dorns bzw. der Stützkörper um die Längsachse des sich bildenden Rohlings ermöglicht. Insbe­ sondere werden darunter Lagerungen verstanden, bei denen am Dorn bzw. an den Stützkör­ pern Spannbacken einer Dreheinrichtung angreifen.

Die Stützkörper können mit dem Dorn mechanisch fest verbunden oder sogar integraler Be­ standteil des Dorns sein. In diesen Fällen reicht es aus, nur für die Stützkörper eine Lagerung vorzusehen. Es wird aber eine Vorrichtung bevorzugt, bei die Stützkörper unabhängig vom Dorn gelagert sind. Hiezu ist der Dorn mittels einer zweiten Spanneinrichtung verbunden, mit­ tels der er rotierbar gelagert ist.

Die Stützkörper können teilweise aus dem Rohling herausragen. In dem Fall kann ihre Lage­ rung, beispielsweise in Form von Spannbacken, an deren aus dem Rohling herausragenden Teil angreifen. Die Stützkörper können als Hohlkörper ausgebildet sein, beispielsweise als Hül­ se oder als Ring. In dem Fall ist es nicht erforderlich, die Stützkörper aus dem sich bildenden Rohling teilweise herausragen zu lassen, wenn die Lagerung an der Innenseite der Stützkör­ per angreift.

Die Stützkörper und der Dorn können aus den üblichen temperaturstabilen Werkstoffen, wie Aluminiumoxid oder Graphit, bestehen. Als besonders günstig hat es sich aber erwiesen, ei­ nen Dorn aus Quarzglas vorzusehen. Quarzglas zeichnet sich durch eine hohe Reinheit und Kompatibilität zu dem Vorformmaterial aus. Bei der Herstellung von Rohlingen für Lichtwellen­ leiter kann ein Dorn aus einem ersten dotierten Quarzglas eingesetzt werden, auf dem dann Ausgangsmaterial für ein zweites dotiertes Quarzglas mit einem kleineren Brechungsindex ab­ geschieden wird. Als Dotierstoffe kommen beispielsweise Fluor, Bor, Germanium, Phosphor, Aluminium, Titan oder Erbium in Frage.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Dorn aus Draht oder aus einer Faser vorgesehen. Der Draht bzw. die Faser sind rotierbar gelagert, beispielsweise mittels der Spannbacken einer Drehbank. Draht oder Faser lassen sich leicht entfernen und hinterlassen nach dem Entfernen eine kleine Innenbohrung. Die Innenbohrung kann so klein sein, daß sie aufgrund der Schrumpfung beim Abkühlen des Hohlzylinders fast verschwindet.

Vorteilhafterweise bestehen die Stützkörper aus Quarzglas. Quarzglas zeichnet sich durch ei­ ne hohe Reinheit und Kompatibilität zu dem Vorformmaterial aus.

Das oben erläuterte Verfahren wird erleichtert durch eine Vorrichtung, bei der die Stützkörper rotationssymmetrisch zur Längsachse des Dorns ausgebildet sind und sich in Richtung auf den Rohling verjüngen. Die Verjüngung erleichtert das Einbetten der Stützkörper in den Roh­ ling. Es wird ein allmählicher Übergang vom Dorn auf den Stützkörper ermöglicht, der von den abgeschiedenen SiO₂-Partikeln leichter überwachsen werden kann, als ein abrupter oder ho­ her Übergang. Im Idealfall endet die Verjüngung unmittelbar an der Oberfläche des Dorns. Es hat sich aber gezeigt, daß dies nicht erforderlich ist.

In einer bevorzugten Variante verjüngen sich die Stützkörper stufenweise. Dies hat insbeson­ dere in Verbindung mit einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Stützkörper entlang der Längsachse des Dorns verschiebbar gelagert sind, einen wesentlichen Vorteil. Denn bei einer besonders bewährten Verfahrensvariante wer­ den die Stützkörper im Verlauf der Abscheidung entlang der Dorn-Längsachse ein wenig zu­ sammengeschoben, um den Rohling zwischen ihnen fest einzuspannen und dadurch stabiler zu halten. Durch eine stufenweise Ausbildung der Stützkörper wirken die beim Zusammen­ schieben entstehenden Druckkräfte überwiegend in axialer Richtung, also in Richtung der Dorn-Längsachse. Im Gegensatz zu Stützkörpern mit konisch zulaufender Verjüngung, verhin­ dert eine stufenweise Ausbildung der Stützkörper somit das Entstehen radial von innen nach außen gerichteter Kräfte, die, wie ein Keil wirkend, den porösen Rohling leicht sprengen könnten.

Es hat sich eine Vorrichtung bewährt, bei der der Dorn beidseitig des sich bildenden Rohlings rotierbar gelagert ist und bei der die Stützkörper hülsenförmig ausgebildet sind und zwischen den Innenseiten der hülsenförmigen Stützkörper und dem Dorn ein Spalt vorgesehen ist, wo­ bei die Spanneinrichtung für den Dorn und die Spanneinrichtung für die Stützkörper mecha­ nisch oder elektrisch verbunden sind. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung erleichtert das Entfernen des Dornes während des Abscheidens. Um ein synchrones Ro­ tieren von Dorn und Stützkörpern zu gewährleisten sind die jeweiligen Spanneinrichtungen mechanisch oder elektrisch - durch eine Steuerung oder durch eine Regelung - miteinander gekoppelt.

Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachfolgend anhand der Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von porösen SiO₂-Zylindern und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von porösen SiO₂-Hohlzylindern.

In Fig. 1 ist die Bezugsziffer 1 einem Dorn aus einer Quarzglasfaser mit einem Außendurch­ messer von 1,5 mm zugeordnet. Auf der Quarzglasfaser 1 werden mittels eines Abscheide­ brenners 2 schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden, wobei sich ein poröser Zylinder 3 bildet. Die Quarzglasfaser 1 hat eine Länge von ca. 3 m, der Zylinder 3 eine Länge von ca. 2 m. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Vorrichtung in Fig. 1 gebrochen gezeichnet, wobei ledig­ lich die Bereiche um die beiden Enden des Zylinders 3 dargestellt sind.

Die Quarzglasfaser 1 erstreckt sich durch zwei Hülsen 4, die beiderseits des sich bildenden Zylinders 3 angeordnet sind. Die Hülsen 4 bestehen ebenfalls aus Quarzglas. Sie haben eine Länge von 30 cm, einen Innendurchmesser von etwa 2 mm und ihr größter Außendurchmes­ ser beträgt 100 mm. Zwischen der Innenseite der Hülsen 4 und der Quarzglasfaser 1 bleibt so­ mit ein Spalt von ca. 0,25 mm.

In Richtung auf den Zylinder 3 sind die Hülsen 4 mit einem sich konisch verjüngenden Bereich 5 ausgebildet. Der kleinste Außendurchmesser des konischen Bereiches 5 liegt bei 3 mm. Die Hülsen 4 sind in den Zylinder 3 teilweise eingebettet.

Die Quarzglasfaser 1 ist in eine Drehbank eingespannt, deren Spannbacken in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichnet sind. Die Hülse 4 ist mittels weiterer Spannbacken 7 der Dreh­ bank rotierbar gelagert. Die Spannbacken 6 für die Quarzglasfaser 1 und die an den Hülsen 4 angreifenden Spannbacken 7 sind über eine gemeinsame (in der Figur nicht dargestellte) Wel­ le mechanisch miteinander verbunden und rotieren mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit. Die Spannbacken 7 greifen dabei an dem aus dem Zylinder 3 herausragenden Bereich 8 der Hülsen 4 an.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand Fig. 1 näher erläutert.

Durch Hin- und Herbewegung des Abscheidebrenners 2 entlang der Oberfläche des Zylinders 3, wie dies anhand der Richtungspfeile 13 angedeutet ist, werden auf der um ihre Längsachse rotierenden Quarzglasfaser 1 sowie auf dem konischen Bereich 5 der um die gleiche Achse ro­ tierenden Hülsen 4 schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden. Zu Beginn der Abscheidung trägt überwiegend die Quarzglasfaser 1 das Gewicht des sich bildenden Zylinders 3. Mit zunehmen­ der Dicke des Zylinders 3 wird allmählich der Übergang zwischen Quarzglasfaser 1 und der je­ weiligen Hülse 4 von dem SiO₂-Partikelstaub überwachsen. Sobald die Hülsen 4 in den Zylin­ der 3 eingebettet sind, übernehmen sie dessen Gewicht.

Während der Abscheidung wird die Oberflächentemperatur des Zylinders 3 auf etwa 1200°C eingestellt (gemessen im Auftreffpunkt der Flamme des Abscheidebrenners 2 auf der Zylin­ der-Oberfläche). Daraus resultiert eine mittlere relative Dichte des Zylinders 3 von ca. 20%. Aufgrund dieser Dichte weist der Zylinder 3 eine mechanische Stabilität auf, die für seine Hal­ terung nur mittels der an seinen Endbereichen 9 angreifenden Hülsen 4 ausreicht.

Mittels Zusatzbrenner 10 werden die beiden Endbereiche 9 des Zylinders 3 zusätzlich verdich­ tet. Die sich konisch verjüngenden Endbereiche 9 des Zylinders 3 weisen dadurch einen Dich­ tegradienten auf, der über eine Länge von ca. 30 cm von einer relativen Dichte von nahezu 100% unmittelbar im Bereich der Hülsen 4 bis auf den Wert von ca. 20%, wie er im mittleren Teil des Zylinders 3 eingestellt ist, abfällt.

Nachdem die Hülsen 4 beiderseits in den Zylinder 3 stabil eingebettet sind, wird die Quarzglas­ faser 1 in der mit dem Richtungspfeil 12 angedeuteten Richtung aus dem Zylinder 3 herausge­ zogen. Die Innenbohrung des Zylinders 3 weist unmittelbar danach einen Durchmesser von 1,5 mm auf. In die Innenbohrung wird daraufhin ein Gasgemisch bestehend aus Chlor, Chlor­ wasserstoff und Stickstoff eingeleitet, um Feuchtigkeit aus dem sich bildenden Zylinder zu ent­ fernen. Aufgrund seiner Porosität diffundiert das Gasgemisch durch den gesamten Zylinder 3 hindurch.

Im Verlauf der weiteren Abscheidung und insbesondere aufgrund der Schrumpfung des Zylin­ ders 3 während des Abkühlens kann sich die Innenbohrung von allein verschließen. Das Ver­ fahren ist somit auch für die Herstellung eines Voll-Zylinders 3 geeignet.

Der so hergestellte Zylinder 3 kann mehr als 100 kg wiegen. Für seine weitere Bearbeitung kann er mittels der eingebetteten hülsenförmigen Halter 4 gehandhabt werden. Er kann hierzu sowohl in vertikaler Ausrichtung hängend, als auch in horizontaler Ausrichtung gehalten wer­ den. Aus einem Zylinder 3 mit einem Außendurchmesser von ca. 28 cm wird nach dem Sin­ tern ein Quarzglas-Vollstab mit einem Durchmesser von ca. 16 cm erhalten.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Dorn ein Quarzglasstab mit einem Außendurchmesser von 30 mm vorgesehen. Auf dem Quarzglasstab 21 werden' mittels einer Reihe 22 von Flammhydrolysebrennern schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden, wobei sich ein poröser Hohlzylinder 23 bildet. Der Quarzglasstab 21 hat eine Länge von ca. 3 m, der Hohlzylinder 23 eine Länge von ca. 2 m. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auch die Vorrichtung in Fig. 2 gebrochen gezeichnet, wobei lediglich die Bereiche um die beiden Enden des Hohlzylinders 23 dargestellt sind.

Der Quarzglasstab 21 erstreckt sich durch zwei Manschetten 24, die beiderseits des sich bil­ denden Hohlzylinders 23 angeordnet sind. Die Manschetten 24 bestehen ebenfalls aus Quarz­ glas. Sie haben eine Länge von 30 cm und einen Innendurchmesser von etwa 31 mm; ihr größter Außendurchmesser beträgt 100 mm. Zwischen der Innenseite der Manschetten 24 und dem Quarzglasstab 21 bleibt somit ein Spalt von ca. 0,5 mm.

In Richtung auf den Hohlzylinder 23 verringert sich der Außendurchmesser der Manschetten 24 stufenweise bis auf 32 mm. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Stufen 25 mit jeweils einer Höhe von 17 mm vorgesehen. Mit ihren stufig ausgebildeten Vorderteilen 26 sind die Man­ schetten 24 in den Hohlzylinder 23 eingebettet.

Der Quarzglasstab 21 ist in eine Drehbank eingespannt, deren Spannbacken in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichnet sind. Die Manschette 24 ist mittels weiterer Spannbacken 7 der Drehbank rotierbar gelagert. Die Spannbacken 6 für den Quarzglasstab 21 und die an den Manschetten 24 angreifenden Spannbacken 7 sind über eine gemeinsame (in der Figur nicht dargestellte) Welle mechanisch miteinander verbunden und rotieren mit der gleichen Rotati­ onsgeschwindigkeit. Die Spannbacken 7, die in Richtung der Längsachse des Quarzglassta­ bes 21 verschiebbar sind, greifen dabei an dem aus dem Hohlzylinder 23 herausragenden Be­ reich 28 der Manschetten 24 an. Die Verschiebungsrichtung der Spannbacken 7 wird durch die Richtungspfeile 27 angedeutet.

Nachfolgend wird ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren anhand Fig. 2 erläutert.

Durch Hin- und Herbewegung der Reihe 22 der Flammhydrolysebrenner entlang der Oberflä­ che des Hohlzylinders 23, wie dies anhand des Richtungspfeiles 13 angedeutet ist, werden auf dem um seine Längsachse rotierenden Quarzglasstab 21 sowie auf den stufig ausgebilde­ ten Vorderteilen 26 der um die gleiche Achse rotierenden Manschetten 24, schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden.

Zu Beginn der Abscheidung trägt überwiegend der Quarzglasstab 21 das Gewicht des sich bil­ denden Hohlzylinders 23. Mit zunehmender Dicke des Hohlzylinders 23 wird allmählich der Übergang zwischen Quarzglasstab 21 und der jeweiligen Manschette 24 von dem SiO₂-Partikelstaub überwachsen. Sobald die Manschetten 24 in den Hohlzylinder 23 teilweise eingebettet sind, übernehmen sie nach und nach dessen Gewicht.

Während der Abscheidung wird die Oberflächentemperatur des Hohlzylinders 23 auf etwa 1300°C gehalten. Daraus resultiert eine mittlere relative Dichte des Hohlzylinders 23 von ca. 25%. Aufgrund dieser Dichte weist der Hohlzylinder 23 eine ausreichend hohe mechanische Stabilität auf, so daß er mittels der nur an seinen Stirnseiten 29 angreifenden Manschetten 24 rotiert und gehalten werden kann.

Mittels Zusatzbrenner 10 werden die beiden Stirnseiten 29 des Hohlzylinders 23 zusätzlich verdichtet.

Nachdem die Manschetten 24 beiderseits in den Hohlzylinder 23 stabil eingebettet sind, wer­ den sie inklusive der Spannbacken 7 in der durch die Richtungspfeile 27 angedeuteten Rich­ tung etwa 2 mm aufeinander zugeschoben. Der Hohlzylinder 23 läßt sich so relativ fest zwi­ schen den beiden gegenüberliegenden Manschetten 24 einspannen. Aufgrund der stufigen Ausbildung des in den Hohlzylinder 23 hineinragenden Vorderteils 26 der Manschetten 24 wer­ den dabei in erster Linie axial wirkende Spannkräfte erzeugt, jedoch werden radial von innen nach außen wirkende Kraftkomponenten vermieden.

Unmittelbar nachdem sich ein stabiler, selbsttragender Hohlzylinder gebildet hat, wird der Quarzglasstab 21 aus dem Hohlzylinder 23 entfernt. Anschließend, noch während der Abschei­ dung wird in die Innenbohrung ein halogenhaltiges Reinigungs- und Trocknungsgas geleitet.

Nach der Abscheidung weist der Hohlzylinder 23 einen Außendurchmesser von 30 cm und ei­ nen Innendurchmesser von 30 mm auf. Zur Weiterbehandlung wird er mittels der Manschetten 24 in horizontaler Ausrichtung in einer (in der Figur nicht dargestellten) Behandlungskammer gehalten. Beim anschließenden Verglasen wird der Hohlzylinder 23 mittels der eingebetteten Manschetten 24 in vertikaler Ausrichtung hängend gehalten.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörpern, durch Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf der Zylindermantelfläche eines horizontal orientierten und um seine Längsachse ro­ tierenden, zylinderförmigen Dorns (1, 21) unter Bildung eines im wesentlichen zylinderför­ migen, porösen Rohlings (3, 23), dessen mittlere relative Dichte auf einen Wert von min­ destens 10% seiner theoretischen Dichte eingestellt wird, wobei der Dorn (1, 21) im Be­ reich beider Enden (9, 29) des sich bildenden Rohlings (3, 23) von Stützkörpern (4, 24) umgeben ist, die mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie der Dorn (1, 21) rotieren und auf deren dem Rohling (3, 23) jeweils zugewandten Teil (5, 26) SiO₂-Partikel, unter Einbettung mindestens dieses Teils (5, 26) in den sich bildenden Rohling (3, 23) abge­ schieden werden, und Sintern des so hergestellten Rohlings (3, 23), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützkörper (4, 24) mit einer Spanneinrichtung (7) verbunden und mittels der Spanneinrichtung (7) gelagert und rotiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spanneinrichtung die Spannbacken (7) einer Drehvorrichtung eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (1, 21) mit ei­ ner zweiten Spanneinrichtung (6) verbunden, und mittels der Spanneinrichtung (6) gela­ gert und rotiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (1, 21) während des Abscheidens aus dem sich bildenden porösen Rohling (3, 23) unter Bildung einer Bohrung im Rohling (3, 23) entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, daß in die Bohrung während des Abscheidens ein Schutz- oder Behandlungsgas eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, daß als Behandlungsgas ein fluor- oder chlorhaltiges oder ein Dotierstoffe enthaltendes Gas eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dorn (1, 21) eingesetzt wird, mit einem Außendurchmesser, der 2% des endgültigen Außendurchmessers des Rohlings (1, 21) nicht überschreitet.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einmal während des Abscheidens der Abstand der sich beiderseits des Roh­ lings (3, 23) gegenüberliegenden Stützkörper (4, 24) verringert wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, mit einem horizontal orientierten und um seine Längsachse rotierbaren Dorn (1, 21), auf dem unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen Rohlings (3, 23) SiO₂-Partikel abgeschie­ den werden, wobei der Dorn (1, 21) im Bereich beider Enden (9, 29) des sich bildenden Rohlings (3, 23) mit Stützkörpern (4, 24), die mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie der Dorn (1, 21) rotieren, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkörper (4, 24) jeweils mit einer Spanneinrichtung (7) verbunden sind, mittels der sie rotierbar gela­ gert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkörper (4, 24) mit­ tels Spannbacken einer Dreheinrichtung rotierbar gelagert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (1, 21) mit einer zweiten Spanneinrichtung (6) verbunden, mittels der er rotierbar gelagert ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Dorn ein Quarzglasstab (21) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Dorn ein Draht oder eine Faser (1) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz­ körper (4, 24) aus Quarzglas bestehen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz­ körper (4, 24) rotationssymmetrisch zur Längsachse des Dorns (1, 21) ausgebildet sind und daß sie sich in Richtung auf den Rohling (3, 23) verjüngen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stützkörper (4, 24) stufenweise verjüngen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz­ körper (4, 24) entlang der Längsachse des Dorns (1, 21) verschiebbar gelagert sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11 und einem der Ansprüche 10 oder 12 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dorn (1, 21) beidseitig des sich bildenden Rohlings (3, 23) rotierbar gelagert ist, daß die Stützkörper (4, 24) hülsenförmig ausgebildet sind und daß zwischen den Innenseiten der hülsenförmigen Stützkörper (4, 24) und dem Dorn (1, 21) ein Spalt vorgesehen ist, wobei die Spanneinrichtung (6) für den Dorn (1, 21) und die Spannein­ richtung (7) für den Stützkörper (4, 24) mechanisch oder elektrisch miteinander verbun­ den sind.