FI92817C - Kuumennusuuni optisen kuidun huokoisen esimuodon kuumentamiseksi - Google Patents

Description

92817

Kuumennusuuni optisen kuidun huokoisen esimuodon kuumentamiseksi. - Upphettningsugn för upphettning av en porös urform för optisk fiber.

5

Keksinnön kohteena on optiseksi kuiduksi tehtävän lasin esimuodon kuumennusuuni. Aivan erityisesti, keksinnön kohteena on kuumennusuuni huokoisen lasin esimuodon kuumentamiseksi, joka koostuu hienosta kvartsilasipartikkelista ja jota 10 käsitellään termisesti. Tämän keksinnön mukainen kuumennus-uuni voi estää lasin esimuodon saastumisen epäpuhtaista elementeistä ja sillä on hyvä kestävyys.

Termillä "terminen käsittely" ymmärretään sitä, että lasin 15 esimuotoa kuumennetaan muhviputkessa, joka on sijoitettu kuumennuselementin sisälle erottamaan kuumentavan ilmakehän kuumennuselementistä, jolloin esimuodosta lähtee vesi pois, siihen lisätään fluori ja/tai se lasitetaan.

20 Eräänä yleisenä menetelmänä optisen kuidun valmistamisessa käytettävän lasin esimuodon massavalmistamiseksi tunnetaan kaasuvaiheinen aksiaalikerrostuminen (Vapor Phase Axial Deposition, VAD). VAD-menetelmä käsittää hienojen lasipartikkelien, jotka syntyvät räjähdyskaasuliekissä, 25 kerrostamisen pyörivässä aloituselimessä kuten lasilevyllä tai -sauvassa, jossa muotoutuu lieriömäinen huokoinen esimuoto (nokinen esimuoto) ja jossa mainittu huokoinen esimuoto sintrataan, jotta saadaan läpinäkyvä lasin esimuoto, jota käytetään optisen kuidun valmistamisessa.

30 VAD-menetelmässä, huokoisen esimuodon sintraamiseksi sen saattamiseksi läpinäkyväksi lasiksi, esimuoto pitää kuumentaa jalokaasussa (esim. helium tai argon) ·. 35 9281 7 2 lämpötilaan 1600 °C, tai korkeammalle. Kuumennusuunina esimuodon sintraamiseksi käytetään tavallisesti kuumen-nusuunia, jossa on hiilikuumennin. Se mitä pitää ottaa huomioon kun sintrataan esimuotoa tällaisessa kuumennus-5 uunissa on se, että sisältääkö esimuoto siirtymämetal-leja, kuten kuparia, rautaa tai vettä. Jos lasin esimuodossa on yksi ppb tai enemmän siirtymämetalleja, valmistetun optisen kuidun ominaisaallonpituuden läpäisyhäviöt ovat suurimmaksi osaksi huonontuneet koko aallonpituus-10 alueella. Jos lasin esimuodossa on 0,1 ppm tai enemmän vettä, valmistetun optisen kuidun ominaisuudet huonontuvat pidemmällä aallonpituuden alueella.

Siksi huokoisesta esimuodosta poistetaan vesi tavallisesti ennen tai lasituksen kestäessä. Vedenpois-15 tomenetelmänä käytetään huokoisen esimuodon kuumentamista korkeaan lämpötilaan jaloja kaasuja sisältävässä ilmakehässä, klooria sisältävässä kaasussa. Kun huokoinen esimuoto on kuumennettu korkeaan lämpötilaan jaloja kaasuja sisältävässä ilmakehässä, fluoria sisältävässä kaa-20 sussa, fluoria siirtyy huokoiseen esimuotoon. Kun fluoria on lisääntynyt huokoiseen esimuotoon, säätyy optiselle kuidulle tärkeä taitekerroin edullisesti. Tässä yhteydessä viitataan japanilaiseen patenttijulkaisuun 15682/1980 ja japanilaiseen patentti Kokai julkaisuun 25 67533/1980. Näihin julkaisuihin palataan myöhemmin.

Käsittely fluoria sisältävällä kaasulla suoritetaan kuumennusuunissa ennen tai samanaikaisesti lasituksen kanssa. Jotta voidaan välttää hiilikuumentimen häviöt, jotka johtuvat esimuodon kuumennuksen aikana syn- , 30 tyneestä kosteudesta tai hapesta, on muhviputki asennet- • · tu erottamaan toisistaan hiilikuumentimen ja sintraus-ilmakehän. Käytettävä muhviputki valmistetaan normaalisti kvartsilasista.

Japanilaiset patenttijulkaisut 58299/1983 ja 35 42136/1983 ja japanilainen patentti Kokai julkaisu ,. i 9281 7 3 86049/1985 selittävät yksityiskohtaisesti kvartsilasista tehdyn muhviputken käytön.

Fluoria sisältävä kaasu hajoaa tai reagoi korkeassa lämpötilassa muotoon F2~kaasu tai HF-kaasu. Nämä 5 kaasut reagoivat kvartsilasin kanssa kehittäen seuraavan kaavan mukaan SiF^-kaasua ja tässä reaktiossa kvartsila-si syöpyy:

SiO_ + 2F_ = SiF. + 0_ 2 2 4 2

SiO., + 4HF = SiF. + 2H_0 2 4 2 10 Tästä syöpymisestä seuraa, että kupari ja rauta ovat kvartsilasin sisäpuolella, siirtyvät huokoisen esimuodon pintaan ja saastuttavat sen. Lisäksi muotoutuu syöpymisen aikana kvartsilasista tehtyyn muhviput-keen neulanreikiä, mikä johtuu ympäröivän ilman sisään-15 tulosta tai ilmakehän vuodosta muhviputkeen. Nämä eivät ole edullisia tuotantomenetelmälle.

Lisäksi kvartsilasiputkella on se huono ominaisuus, että pyrkii helposti muuttamaan muotoaan korkeassa lämpötilassa. Kun kvartsilasi on n. 1300 °C lämpötilassa 20 pidemmän aikaa, se alkaa valua tahmeasti. Lisäksi, kun sitä käytetään lämpötilassa 1150 °C tai korkeammalla pidemmän aikaa, se kiteytyy ja kun uunin lämpötila laskee, syntyy jännityksiä johtuen lämpölaajenemiskertoi- • men erilaisuudesta lasisen vaiheen ja kiteisen vaiheen 25 välillä ja lopulta putki rikkoontuu.

Materiaalina, joka tuskin reagoi fluoria tai klooria sisältävän kaasun kanssa, on hiili mahdollinen vaihtoehto. Hiili ei reagoi aineiden SFg, C2F6' CF4 kanssa, eikä myöskään kvartsin kanssa. Ja tietenkään 30 hiili ei reagoi SiF^ kanssa.

Japanilainen patenttijulkaisu 28852/1981 esittää hiilestä tehdyn muhviputken käyttöä ilmakehässä, jossa on fluoripitoista kaasua kuten F2, vaikkakaan yhtään työesimerkkiä ei ole selitetty.

35 Hiilellä on kuitenkin seuraavat haittapuolet: * l 9281 7 4 1. Vaikka hiili on vähemmän huokoinen, kaasut voivat tunkeutua sen läpi. Typen läpäisykyky hiilen läpi on 10^ kertaa suurempi kuin kvartsilasin läpi.

2. Hiili hapettuu helposti ja lämpötilassa alle 5 400 °C se helposti reagoi hapen kanssa muotoon CC^ tai CO.

Hapettumisen välttämiseksi on yritetty muotoilla hiilimuhviputken sisäpinnalle keramiikkakerrosta, kuten SiC, ja BN. Vaikka keramiikkakerros estää hapettu- 10 misen, se reagoi epäedullisesti joko klooria tai fluoria sisältävän kaasun kanssa. Tällaisessa reaktiossa syntyvät epäpuhtaudet kiteyttävät nokisen esimuodon ja synnyttävät kuplia nokiseen esimuotoon.

Koska hiili on materiaali, jolla on laaja kaasun 15 läpäisyvyys, kaasu kulkee muhviputken seinien läpi sisään ja ulos, jolloin ilmassa oleva kosteus tunkeutuu muhviputkeen seinien läpi. Siksi lasin esimuodossa on verrattain paljon vettä ja toisaalta hydroksyyliryhmiä. Lisäksi kaasut kuten ja SiF^ jäävät uunin seinän 20 ulkopuolelle ja saattavat pilata työympäristön, ja epäpuhtaudet kuten kupari ja rauta voivat tunkeutua uuniin ulkopuolelta. Näitä heikkouksia voidaan huomattavasti vähentää lisäämällä hiilen paksuutta, mutta ei kuitenkaan täydellisesti poistaa.

25 Kuten edellä selitetystä havaitaan, lisäämällä fluoria päällysteosan kvartsilasiin konventionaa lisessa menetelmässä, syntyy kuitenkin erilaisia vaikeuksia .

Tämän keksinnön tarkoituksena on ratkaista täl-30 laisissa olosuhteissa tavanomaisen muhviputken ongelmat, jota käytetään optisen kuidun esimuodon vedenpoistoon ja lasitukseen ja fluorin lisäykseen esimuotoon ja aikaansaada muhviputki optisen kuidun lasin esimuodon valmistamiseksi, jolla on hyvä kestävyys ja pitkä ikä ja 35 joka voi estää ilman tunkeutumisen muhviputkeen.

9281 7 5

Yllä esitetyn ongelman ratkaisemiseksi on havaittu, että jos muhviputken sisä- ja ulkosoinät ovat päällystetyt pyrolyytti-sellä grafiitilla tai kiinteällä karbonoidulla lasimaisella hiilellä, muhviputki ei huonone, vaikka se on kosketuksissa 5 korkeassa lämpötilassa syövyttävien kaasujen kuten fluoria ja klooria sisältävien kaasujen kanssa. Se johtuu siitä, että muhviputki ei reagoi fluoria tai klooria sisältävän kaasun kanssa, sillä sisäseinä on päällystetty hiilipäällysteellä. Ja tällaisella muhviputkella on paljon pidempi käyttöikä kuin tavanomai-10 sella putkella. Lisäksi hiili on niin tiivistä, se ei kärsi sellaisista ongelmista kuin kaasun läpitunkeutumisesta, joita syntyy käytettäessä tavanomaisia hiilestä tehtyjä muhviputkia.

Tämän keksinnön kohteena on kuumennusuuni optisen kuidun huo-15 koisen esimuodon kuumentamiseksi, valmistettaessa esimuoto kvartsiperustaisen lasin hienoista partikkeleista, johon kuu-mennusuuniin kuuluu kuumennin ja muhviputki, joka sijaitsee kuumentimen sisällä erottamaan kuumennusilmakehän kuumentimes-ta, tunnettu siitä, että muhviputken runko valmistetaan erit-20 täin puhtaasta hiilestä ja rungon sisä- ja ulkoseinät päällystetään hiilimateriaalilla, joka valitaan ryhmästä, johon kuuluu pyrolyyttinen grafiitti ja kiinteä karbonoitu lasimainen hiili.

Keksintöä selitetään lähemmin viitaten oheisiin kuviin, joissa: 25 : kuvio 1 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen optisen kuidun esimuodon kuumennusuunin suoritusmuodon erään esimerkin poikkileikkausta, 30 kuvio 2 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen optisen kuidun esimuodon kuumennusuunin toisen suoritusmuodon erään esimerkin poikkileikkausta, kuvio 3 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen optisen kuidun 35 esimuodon kuumennusuunin kolmannen suoritusmuodon erään esimerkin poikkileikkausta, • * ί 9281 7 6 kuviot 4A ja 4B esittävät menetelmiä nokisen esimuodon valmistamiseksi liekkihydrolyysillä, kuvio 5 esittää keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun esimuodon taitekertoimen profiilia, 5 kuvio 6 esittää kaavamaisesti myöhemmin selitet tävässä esimerkissä 2 käytetyn kuumennusuunin poikkileikkausta, kuviot 7 ja 8 esittävät epäpuhtauskonsentraatio-profiileja suhteessa päällyksen paksuuteen, kumpikin 10 erikseen ja kuvio 9 esittää kaavamaisesti myöhemmin selitettävissä esimerkeissä 5 ja 6 käytetyn kuumennusuunin poikkileikkausta.

Tässä keksinnössä huokoinen lasin esimuoto koos-15 tuu kvartsiperuslasin hienoista partikkeleista (alempana kutsuttu "nokiseksi esimuodoksi", "soot preform"), johon tyypillisesti kuuluu nokiset esimuodot ja joilla on seuraavat rakenteet: 1. Kiinteä tai ontto esimuodon kokonaisuus, joka 20 koostuu lasin hienoista partikkeleista. Muotoilutapauk- sessa, nokisen esimuodon lasituksen jälkeen muotoutuu keskiosaan kanava, jonka jälkeen siihen pannaan lasi-tanko, jolloin saadaan lopullinen lasin esimuoto.

2. Nokiseen esimuotoon kuuluu lasisisus, ja hie-25 noa lasipartikkelia, joka on kerrostunut sisuksen ympärille.

3. Nokinen esimuoto käsittää lasisisuksen, jonka ympärille osa kuoresta on muodostunut ja hieno lasipar-tikkeli on kerrostunut kuoren ympärille.

. 30 Pyrolyyttinen grafiitti (jota myös kutsutaan "pyrolyyttiseksi hiileksi") ja kiinteä karbonoitu lasi-mainen hiilipäälyste muhviputken rungon sisä- ja ulkoseinillä ovat seuraavanlaista hiiltä.

Pyrolyyttinen grafiitti tarkoittaa grafiittia, 35 joka saatetaan rungon pinnalle hiilellä kerrostamalla, I! 9281 7 7 joka muotoillaan hajottamalla korkeassa lämpötilassa (700 - 1200 °C) raaka-ainetta, käsittäen pääasiassa hiilivetyä. Muhviputken runko voidaan päällystää monella eri tavalla pyrolyyttisellä grafiitilla. Esimerkiksi 5 muhviputken runko kuumennetaan suoraan sähkövirralla tai kuumennetaan epäsuorasti sen ulkopuolelta ja hiili-materiaali saadaan tällöin hajottamalla termisesti hii-livetykaasua (esim. propaania, metaania, jne.), joka sitten kerrostetaan rungolle.

10 Kiinteä karbonoitu lasimainen hiili tarkoittaa hiiltä, jota tuotetaan kovettamalla ja karbonoimalla hartsia erittäin hitaasti. Näihin hartseihin kuuluu esim. kuumassa kovettuvat hartsit, kuten fenolihartsit ja furaanihartsit ja polyvinyylikloridihartsit. Lasitet-15 tua hiiltä voidaan valmistaa myös karbonoimalla sokeria, selluloosaa, polyvinylideenikloridia jne. Muhviputken runkoa päällystettäessä lasitetulla grafiitilla, kuumassa kovettuva hartsi laitetaan rungon pintaan sopivasti muotoilemalla tai useaankertaan ruiskuttamalla ja karbo-20 noimalla hartsi erittäin hitaasti.

Muhviputken runkoon käytettävä hiilimateriaali on edullisesti erittäin puhdasta hiilimateriaalia, jonka puhtaus selitetään alempana. Päällystyksen paksuus voidaan valita riippuen niistä olosuhteista, joissa 25 esimuoto termisesti käsitellään.

Yleisesti ottaen muhviputkien runkoihin käytettävän hiilen puhtaus on edullisesti sellaista astetta, että tuhkan kokonaispitoisuus on alle 50 ppm, edullisesti alle 20 ppm. Jos hiilen kokonaistuhkan pitoisuus on " 30 1000 ppm, sitä ei voida käyttää muhviputken rungon val mistukseen, koska silloin tulee epäpuhtauksia, kuten rautaa ja kuparia. Epäpuhtaudet ja niiden määrät hiilessä, kun hiilen kokonaistuhkanpitoisuus on 20 ppm tai sen alle, esitetään allaolevassa taulukossa.

35 8 92817

Taulukko 1 B <0.1 ppm Ca <0,1 ppm

Mg <0.1 ppm Ti <0,1 ppm 5 A1 <0,1 ppm V <0,1 ppm

Si <0,1 ppm Cr <0,1 ppm P <0,1 ppm Fe <0,1 ppm S <0,1 ppm Cu <0,1 ppm

Ni <0,1 ppm 10

Esimuodosta, jossa on hienoja lasipartikkeleita, poistetaan vesi vettäpoistavalla aineella, tavallisimmin klooripitoisella kaasulla. Kun keksinnön mukaista kuu-mennusuunia käytetään, on valittava sellainen klooria 15 sisältävä kaasu, jossa ei ole yhtään happea sisältävää atomia, esim. Cl2, SiCl4 tai CC14· Jos käytetään happiatomin sisältävää klooripitoista kaasua, esim. S0C12, se hajoaa vettä korkeassa lämpötilassa poistettaessa vapauttaen hapen, jolloin happi hävittää epäedullisesti 20 hiilimateriaalin. CC14 hajotetaan termisesti, jolloin syntyy hiilipölyä. CI2 reagoi veden kanssa, jota on huokoisessa esimuodossa, jolloin muodostuu pieni määrä happea seuraavan kaavan mukaan:

Cl2 + H20 = 2HC1 + (1/2)02 25 Lisäksi SiCl4 reagoi huokoisessa esimuodossa ole van veden kanssa seuraavasti:

SiCl. + 2H.0 = SiO_ + 4HC1 4 2 2 Tällöin ei synny kuitenkaan happea eikä hiilipölyä. Siksi SiC4 on edullisin vedenpoistoaine käytettäes-30 tämän keksinnön mukaista muhviputkea. Lämpötila on nor-; maalisti vettä poistettaessa 800 - 1200 °C. Vedenpoisto- * käsittely suoritetaan ilmakehässä, jossa on klooripitoista kaasua sekoitettuna jaloon kaasuun, kuten argoniin tai heliumiin, jota on 0,1 - 10 % klooria sisältä-35 vän kaasun moolimäärästä.

II

9281 7 9

Fluorilisäyskaasuna käytetään yleensä fluoria sisältävää kaasua. Kun käytetään kvartsista valmistettua muhviputkea, fluoria sisältävä kaasu hajoaa korkeassa lämpötilassa, jolloin syntyy fluorikaasua ja joka 5 syövyttää muhviputken. Sen vuoksi olisi valittava sellainen fluoria sisältävä kaasu, joka ei syövytä muhviputkea .

Koska keksinnön mukainen kuumennusuunin muhviput-ki ei reagoi fluorikaasun kanssa, voidaan käyttää laa-10 jemppaa määrää erilaisia fluorilisäyskaasuja ja silloin voidaan valita piifluoridi ja hiilifluoridi. Piifluori-deihin kuuluu SiF^, Si2Fg jne, ja hiilifluorideihin kuuluu CF4, C2F^, C^Fg, CC^2F2' ^ne‘ Näiden joukossa on SiF^ edullinen, koska sitä 15 on helposti saatavissa, vaikka se on myrkyllistä ja kallista. Sen lisäksi hiilifluoridi on vielä edullisempi, koska se ei ole ainoastaan halpa ja turvallinen, vaan myös helposti käsiteltävissä. Erityisesti on CF4 edullisin käytettäessä tämän keksinnön mukaista muhviputkea, 20 sillä CF4 ei kehitä mitään hiilipölyä.

Fluorilisäyslämpötila on normaalisti välillä 1100 - 1600 °C. Fluorilisäyskäsittely suoritetaan ilmakehässä, jossa olevaa fluoria sisältävää kaasua on laimennettu jalolla kaasulla, kuten argonilla tai heliumil-25 la, jota on 0,1 - 10 % fluoria sisältävän kaasun mooli-määrästä .

Kun tämän keksinnön mukaista kuumennusuunin muhviputkea käytetään lasin esimuodon lasittamiseen, syötetään muhviputkeen jaloa kaasua, kuten heliumia, typ- • 30 peä tai argonia 1400 - 1600 °C lämpötilassa.

Seuraavassa selitetään ne kokeet ja käsitteet, joihin tämä keksintö perustuu. Alla selitetyt käsitteet on saatu keksijöiden kovalla työllä, eivätkä ne ole olleet helppoja saavuttaa.

35 Koe 1. Kvartsilasista tehtyä muhviputkea, jonka • 9281 7 10

V

sisähalkaisija oli 100 mm, pituus 300 mmja seinän paksuus 2 mm, kuumennettiin 1500 °C lämpötilaan ja pidettiin siinä lämpötilassa yksi päivä. Muhviputki piteni 400 mm pituuteen.

5 Koe 2. Käytettiin erittäin puhtaasta hiilestä tehtyä muhviputkea, jonka mitat olivat samat kuin kokeessa 1. Muhviputken sisä- ja ulkopinnalla oli pyro-lyyttinen grafiittipäällyste, jonka paksuus oli 30 pm. Muhviputkea kuumennettiin kuin kokeessa 1, mutta putki 10 ei laajentunut. Myöskään silloin ei tapahtunut laajentumista, kun päällysteenä oli kiinteä karbonoitu lasi-mainen hiili, jonka paksuus oli 10 pm.

Tässä kokeessa saatettiin pyrolyyttinen grafiit-tipäällyste muhviputken rungon pintaan tuomalla hiili-15 vetykaasua, jonka lämpötila oli 1000 °C. Lasitettu hii-lipäällyste muotoiltiin rungon pintaan kovettamalla ja karbonoimalla polyvinyylikloridi hartsia.

Seuraavissa esimerkeissä päällysteet oli muotoiltu kuten yllä on esitetty, mikäli ei ole muuta mainin-20 taa.

Koe 3. Samaa muhviputkea kuin esimerkissä 1 kuumennettiin huoneen lämpötilasta 1500 °C:aan yli kolmessa tunnissa ja pidettiin siinä lämpötilassa yksi päivä ja jäähdytettiin sitten 1500 °C lämpötilasta huoneen lämpö-25 tilaan yhdessä päivässä. Toistamalla kummennus ja jäähdytys 20 päivän ajan muhviputki rikkoontui johtuen kiteytymisestä.

Koe 4. Samalle muhviputkelle kuin oli kokeessa 2 kohdistettiin sama kuumennustesti kuin kokeessa i.

30 20 päivän kuluttua ei ilmennyt mitään ongelmia.

Seuraavassa selitetään hapettumisen kestävyyttä.

Koe 5. Samma muhviputkea kuin kokeessa 2 ilma-ilmakehässä, 500 °C lämpötilassa yhden tunnin ajan. Mitään hapettumista ei ollut havaittavissa.

35 Koe 6. Toistettiin sama hapettamistesti kuin ko- • »

II

9281 7 11 keessa 5 käyttäen muhviputkea, jonka pinnassa ei ollut ei ollut pyrolyyttistä grafiittipäällystettä eikä kiinteää karbonoitua lasimaista hiilipäällystettä. Hiilestä valmistetun muhviputken pintaan tuli hapetus, paksuudel-5 taan 50 μπι.

Seuraavassa selitetään syöpymisen kestävyyttä.

Koe 7. Pyrolyyttinen grafiittipäällyste, jonka paksuus oli 30 μπι, saatettiin muhviputken sisä- ja ulkopinnoille, jolla oli samat mitat kuin kokeen 1 muhvi-10 putkella. Muhviputkea kuumennettiin 1050 °C:een helium-ilmakehässä, jonka sisältämästä moolimäärästä 5 % oli C^. Muhviputkessa ei ollut havaittavissa korroosiota. Myöskään CI2 ei ollut vuotanut putken seinän läpi.

Vastaavalla tavalla kuumennettiin erittäin puh-15 taasta hiilestä valmistettua muhviputkea, jonka pinnassa oli kiinteä karbonoitu lasimainen hiilipäällyste, paksuudeltaan 10 μπι. Tässäkään ei havaittu syöpymistä eikä CI2 vuotoa.

Se johtuu pyrolyyttisen grafiittipäällysteen 20 tai kiinteän karbonoidun lasimaisen hiilen estäessä CI2 vuotamisen.

Koe 8. Toistettiin sama testi kuin kokeessa 7, käyttäen erittäin puhtaasta hiilestä tehtyä muhviputkea, mutta ei käytetty mitään päällystettä. Seinän läpi ha-25 varttiin Cl2 vuotoa.

Koe 9. Toistettiin sama testi kuin kokeessa 7 käyttäen muhviputkea, jonka sisä- ja ulkopinnassa oli piikarbiidipäällyste pyrolyyttisen grafiittipäällysteen tai kiinteän karbonoidun lasimaisen hiilipäällysteen 30 sijasta. Piikarbiidipäällysteet reagoivat ja haihtuivat sekä vuotoa esiintyi.

SiC reagoi seuraavan kaavan mukaan:

SiC + 2C1. = SiCl „ + C 2 4

Koe 10. Samaa muhviputkea kuin käytetiin kokeessa 35 2 kuumennettiin 1400 °C:ssa heliumilmakehässä, jonka 12 92817 sisältämästä moolimäärästä 3 % oli SiF,. SiF. ei havait- 4 4 tu vuotavan eikä mitään syöpymää ollut havaittavissa.

Koe 11. Toistettiin sama testi kuin kokeessa 10 käyttäen samaa muhviputkea kuin käytettiin kokeessa 9, 5 jonka sisä- ja ulkopinnassa oli SiC päällyste. Sisä-ja ulkopinnoitteet reagoivat ja haihtuivat.

Tällaisella muhviputkella oli ongelma pitkäaikaisessa käytössä.

Kokeiden 1-11 tuloksista voidaan tehdä seuraavat joh-10 topäätökset: 1. Hyvin puhtaasta hiilestä tehty muhviputki, jonka sisä- ja ulkopinnassa on pyrolyyttisestä grafiitista tai kiinteästä karbonoidusta lasimaisesta hiilestä tehdyt päällysteet kestää hyvin korkeita lämpötiloja 15 paremmin kuin vertailtava puhtaasta kvartsilasista tehty muhviputki.

2. Muhviputki, jolla on sen sisä- ja ulkopinnoilla pyrolyyttiset grafiittipäällysteet tai kiinteät karbonoidusta lasimaisesta hiilestä valmistetut päällysteet 20 kestää hapettumista huomattavasti paremmin kuin vertailtava erittäin puhtaasta hiilestä valmistettu muhviputki.

3. Käytettäessä tai fluoria sisältävää kaasua on tämän keksinnön mukainen kuumennusuunin muhviputki syöpymisenkestävä. Kvartsista tehty muhviputki ei kestä 25 fluoria sisältäviä kaasuja. Esimerkiksi SiF^ syövyttää kvartsista tehtyä muhviputkea 1,6 pm/h 1100 C:ssa. Erittäin puhtaasta hiilestä tehty muhviputki, jolla on SiC päällyste ei kestä kloori- eikä fluoripitoisia kaasuja.

; 30 Tämän keksinnön mukaisia kuumennusuunin edullisia • suoritusmuotoja selitetään seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin.

Keksinnön mukainen eräs suoritusmuoto esitetään kaavamaisesti poikkileikkauskuvana.

35 Kuvio 1 esittää osaluetteloa: numero 1 on huokoi- • ·

II

13 92817 nen esimuoto, 2 on kannatintanko, 3 on muhviputki, 4 on kuumennin, 5 on uunin runko, 6 on jalokaasun sisään-tuonti, 7 on ilmakehäkaasun (esim. SiF4 ja helium) si-sääntuonti. 31 on hiilestä tehdyn muhviputken runko ja 5 32 on pyrolyyttinen grafiittipäällyste tai kiinteä kar- bonoitu lasimainen hiilipäällyste. Kuviossa 1 esitetyssä suoritusmuodossa muhviputkella on päällyste sekä sen sisä- että ulkopinnassa (ml. sen pohjaosa).

Käytettäessä ylläkuvatunlaista muhviputkea kulkee 10 nokinen esimuoto muhvin läpi ja sitä lämpökäsitellään.

Keksinnön mukaisessa toisessa suoritusmuodossa muhviputki koostuu ylemmästä, keski- ja alemmasta osasta, jotka ovat irroitettavasti kiinnitetyt ja ainakin keskiosa on tehty erittäin puhtaasta hiilestä, joka on 15 päällystetty pyrolyyttisellä grafiitilla tai kiinteällä karbonoidulla lasimaisella hiilellä ja ylempi sekä alempi osa on tehty kuumuutta ja syöpymistä kestävästä ma-teriaalis ta.

Keksinnön toista suoritusmuotoa selitetään kuvion 20 mukaan.

Kuvio 2 esittää kaavamaisesti poikkileikkauksena kuumennusuunin tätä suoritusmuotoa. Uunin rungon 5 sisäpuolella on kuumennin 4 ja muhviputki 3 sijaitsee uunin rungon keskellä.

*. 25 Muhviputki koostuu yläosasta 34, keskiosasta 35 ja alaosasta 36 ja vierekkäiset osat ovat irroitettavasti toisiinsa kiinnitetyt sopivin keinoin, esim. kierteillä. Muhviputken keskiosa 35 on tehty erittäin puhtaasta hiilimateriaalista 31, jonka pinnoilla on pyro-30 lyyttisestä grafiitista tai kiinteästä karbonoidusta lasimaisesta hiilestä valmistettu päällyste 32.

Koska ylä- ja alaosa (34 ja 36) eivät ole kuumennetut niin korkeaan lämpötilaan kuin keskiosa 35, ne voidaan valmistaa erittäin puhtaasta hiilimateriaalista, 35 joka on päällystetty SiC tai Si^^ materiaalilla, joka « 14 9281 7 kestää hapettumisen, syöpymisen, klooria sisältävän ja/ tai fluoria sisältävän kaasun. SiC ja Si.jN4 eivät reagoi CI2 tai F aineiden kanssa alhaisessa lämpötilassa. Yksinkertaisuuden vuoksi ylä- ja alaosan päällysteitä 5 ei ole esitetty.

Laitettaessa rungon pinnalle SiC tai Si^N^ päällystettä voidaan käyttää esim. CVD - menetelmää (Chemical Vapor Deposition, kemiallinen höyrykerrostaminen).

Erittäin puhtaasta hiilestä tehty muhviputki on 10 edullinen, koska se ei reagoi halogeeni pitoisten yhdisteiden kanssa ellei ilmakehässä ole happea ja vettä ja sillä on erinomainen kuumuuden kesto.

Huokoista esimuotoa käsiteltäessä keskiosan 35 hiilen lämpötila nostetaan korkealle ja se kuluu esimuo-15 dossa olevan kosteuden ja kosteuden sekä hapen vaeltaessa ulkopinnalta ulos pitkän käyttöajan jälkeen. Hiilinen sisäseinä kuluu johtuen erikoisista huokoisen esimuodon käsittelyn syistä, joita selitetään tarkemmin jäljempänä .

20 SiC>2 pölyä vapautuu huokoisesta esimuodosta kiin nittyen hiiliselle sisäseinälle ja se reagoi hiilen kanssa muotoon SiC ja happea kehittyy mainitussa reaktiossa reagoiden edelleen hiilen kanssa muotoon CO. Syntynyt SiC taasen reagoi klooripitoisen kaasun kanssa, 25 jota käytetään vedenpoistoon. Si02 pöly kuluttaa tässä reaktiossa hiilistä sisäseinää.

Nämä reaktiot voidaan esittää seuraavin kaavoin: S1O2 + C = SiC + O2

02 + 2C = 2CO

*·, 30 SiC + Cl., = SiCl. + C

* 2 4

Sen vuoksi keskimmäinen hiiliosa on uusittava pidemmän käyttöajan jälkeen.

Toisaalta koska muhviputken ylä- ja alaosa eivät joudu niin korkeaan lämpötilaan, jolloin ne eivät myös-35 kään erityisesti kulu, vain keskiosan tarvitsee edulli- • · %

II

15 92817 sesti vaihtaa muhviputken koostuessa kolmesta osasta.

Koska hiili on huokoista, on tarpeellista poistaa absorboitunut kosteus täydellisesti korkeassa lämpötilassa. Siksi on absorboituneen kosteuden poiston kannal-5 ta edullista vaihtaa hiilimuhviputki niin harvoin kuin mahdollista. Kun tämän keksinnön suoritusmuodon muhviputken keskimmäinen osa on kulunut loppuun, ei ole tarpeen poistaa absorboitunutta kosteutta ylä- ja alaosista, vaan niitä voidaan käyttää edelleen. Taloudelliselta 10 kannalta asiaa tarkastellen on tämän suoritusmuodon kolmiosainen muhviputki kaikinpuolin edullinen.

Eräs toimenpide estämään tämän tyyppistä muhviputken hapettumista on lämpötilan alentaminen 500 °C:een tai sen alle, jossa hiili ei hapetu lasin esimuodon si-15 säänlaiton ja poisoton aikana. Mutta tällaisessa alhaisessa lämpötilassa uunin toimintasuhde laskee huomattavasti. Muhvin sisäosan likaantumista ilmassa olevasta pölystä ei voida välttää. Ilman sisäänvirtaaminen muhvi-putkeen voidaan estää tämän keksinnön mukaisella kol-20 mannella suoritusmuodolla. Lisänä kuumentimessa ja muh-viputkessa on tässä kolmannen suoritusmuodon kuumennus-uunissa etukammio, jonka läpi huokoinen esimuoto laitetaan sisään ja otetaan pois muhviputkesta. Etukammio voidaan kuumentaa edullisesti 800 °C:een ja paine voi- _2 .· 25 daan alentaa alas arvoon 10 torria tax alhaisemmaksi.

Etukammio tehdään edullisesti lämpöä kestävästä materiaalista, josta ei lähde mitään epäpuhtauksia kuten kvartsilasia, SiC, Si-,Ν., BN tai vastaavaa. Etukammio 3 4 voidaan tehdä vastaavasta tai eri materiaalista kuin 30 muhviputki.

* Kuumennusuunin kolmatta suoritusmuotoa selitetään viittaamalla oheisiin kuvioihin.

Kuvio 3 esittää kaaviomaisesti poikkileikkauksena kuumennusuunin kolmannen suoritusmuodon erästä esimerk-35 kiä. Tämä kuumennusuuni on sama kuin kuviossa 2, jonka 9281 7 16 päälle on sijoitettu etukammio 11. Lisäyksenä kuvion 2 kuumennusuunin kaikkiin osiin käsittää tämä kuumennus-uuni etukammion 11, etukammion kaasun ulosviennin 14, etukammion kaasun sisääntuonnin 15 etukammion kaasun 5 puhdistamiseksi, ja väliseinän 16. Kuviossa 3 esitetään myös ylä- ja alaosan päällysteet.

Huokoisen esimuodon sisäänvienti kuvion 3 mukaiseen kuumennusuuniin tapahtuu seuraavasti: 1. Väliseinä 16, joka erottaa etukammion 11 ja 10 kuumennusilmakehän on suljettu. (Aloitusasennossa ja nokisen esimuodon käsittelyn aikana väliseinä on auki).

2. Pyörivää pystysuoraan tapahtuvaa liikettä varten on huokoinen esimuoto 1 kiinnitetty kannatintankoon 2.

15 3. Etukammion 11 yläosa on auki ja huokoinen esi muoto 1 lasketaan etukammioon 11.

4. Yläosa suljetaan ja etukammion sisäosa puhdistetaan jalolla kaasulla (esim. typellä tai heliumilla).

5. Väliseinä 16 avataan ja huokoinen esimuoto 20 1 viedään kuumennusilmakehään, joka on samanlämpöinen kuin missä esimuoto termisesti käsitellään.

Esimuoto poistetaan tämän keksinnön mukaisesta kuumennusuunista seuraavasti: 1. Esimuoto vedetään kuumennusilmakehästä ylös 25 etukammioon 11 termisen käsittelyn jälkeen. Kuumennus- ilmakehän lämpötilaa ei tarvitse tässä vaiheessa laskea.

2. Väliseinä 16 suljetaan.

3. Etukammion 11 yläosa avataan ja esimuoto 1 poistetaan kammiosta li.

30 Tämän keksinnön toisen toteutusmuodon mukaan kohteena on menetelmä optiseksi kuiduksi tehtävän lasin esimuodon valmistamiseksi, mikä käsittää huokoisen esimuodon termisen käsittelyn, joka koostuu hienoista kvartsiperuslasin partikkeleista, joka on kuumennusuu-35 nissa, johon kuuluu erittäin puhtaasta hiilestä tehty

II

9281 7 17 muhviputki, jonka sisä- ja ulkoseinä on tehty hiilimate-riaalista, joka valitaan ryhmästä käsittäen pyrolyytti-sen grafiitin ja kiinteän karbonoidun lasimaisen hiilen, sisältäen jalokaasuilmakehän väliaineena fluorin lisäyk-5 seen lasiin, ainakin yhden fluoridin valittuna ryhmästä, joka käsittää piifluoridin ja hiilifluoridin, joilla lisätään fluoria lasiin, edullisesti esimuodon vedenpoiston jälkeen, ja samanaikaisesti tai sen jälkeen tehtävän lasin hienojen partikkelien lasittamisen, joka 10 antaa lasin esimuodon.

Jotta voidaan täydellisesti poistaa muhviputkes-ta prosessin aikana syntyneet epäpuhtaudet, tai absorboitunut pöly ja kosteus, muhviputkea kuumennetaan usean tunnin ajan ilmakehässä, johon kuuluu klooripitoista 15 kaasua, erityisesti C^, lämpötilan ollessa yli 1500 °C. Jos optinen kuitu valmistetaan lasin esimuodosta ja ilman että muhviputkea on kuumennettu em. tavalla, siinä voi olla huomattava absorboituminen johtuen kosteudesta tai epäpuhtauksista.

20 Tämän keksinnön mukaisten kuumennusuunien suori tusmuotojen yhteydessä selitettyjä kaasuja ja olosuhteita voidaan käyttää tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä.

Fluoriseosaineiden joukosta, joita käytetään kek-25 sinnön mukaisessa menetelmässä, SiF. on edullisin. SiF. on edullisesti sangen puhdas tuote, 3N tai korkeampi.

Vaikka SiF4 ei reagoi hiilen kanssa ollenkaan, mutta jos nokista esimuotoa käytetään ilman perusteellista vedenpoistoa, se saattaa kehittää höyryä hiilestä 30 tehtyyn muhviputkeen fluorin lisäyksen tahdissa. Tällai-’ nen höyry voi syntyä nokisen esimuodon kosteuden ja SiF^ tai hiilen välisessä reaktiossa. Lopputuloksena saadaan kerrostumat, jotka voivat olla hiilipartikkeleita, kasautuneina nokisen esimuodon yläosaan. Tämän estämiseksi 35 nokisesta esimuodosta poistetaan vesi edullisesti ennen 9281 7 18 termistä käsittelyä muhviputkessa, jossa olevassa ilmakehässä on SiF,.

4

Vaikka nokisen esimuodon vedenpoisto on mahdollista samanaikaisesti fluorin lisäyksen kanssa, veden-5 poisto suoritetaan ennen fluorin lisäystä, johtuen niistä syistä, jotka edellä on mainittu sekä vedenpoiston tehosta.

Fluorin lisääminen nokiseen esimuotoon SiF, avul-la suoritetaan tehokkaasti lämpötilassa 1000 °C tai kor-10 keammalla, edullisesti 1100 - 1400 °C. Fluoria pitäisi lisätä riittävä määrä nokiseen esimuotoon ennenkuin nokisen esimuodon kutistuminen on päättynyt. Jos nokinen esimuoto kutistuu ennenkuin riittävä määrä fluoria on lisätty, fluoria ei ole lisätty yhtenäiseen esimuotoon 15 ja lisätyn fluorin lisäys on epätasaisesti jakautunut es imuotoon.

Nokinen esimuoto valmistetaan normaalisti liekki-hydrolyysimenetelmällä ja siinä olevien hienojen lasi-partikkelien koko on 0,1 - 0,2 μπι.

20 Tätä keksintöä selitetään seuraavassa yksityis kohdittain .

Hienojen kvartsilasi partikkelien valmistamiseksi massoittain liekkihydrolyysimenetelmällä käyttäen kvart-silasista valmistettua koaksiaalista moniputkipoltinta 25 41 kuvion 4A mukaan, tuodaan räjähdyskaasuliekin keskel le happea, vetyä ja raaka-aineena kaasua, SiCl^ tai SiCl^ ja lisäaineen (esim. GeCl^) seos yhdessä jalokaa-sun kuten heliumin tai argonin kanssa, jotka toimivat reaktion katalysaattoreina.

30 Suojaava jalokaasu tuodaan siten, että raaka-ai- nekaasu reagoi muutaman mm päässä polttimen 41 etuosasta. Tankomaisen nokisen esimuodon valmistamiseksi lasi-partikkelit kerrostuvat pyörivän siementangon 46 alapäähän siementangon 46 akselin suunnassa. Putken muotoisen 35 esimuodon valmistamiseksi lasipartikkelit kerrostuvat *

II

19 92817 pyörivän kvartsi- tai hiilitangon 46 ympärille, joka kulkee polttimen 41 yli kuvion 4B mukaan, ja sitten tanko 46 poistetaan. Tanko 46 voi olla sisuksen lasitanko. Siinä tapauksessa ei ole tarvetta tangon poistamiseen.

5 Polttimia 41 voi olla useampiakin.

Muhviputkessa (lieriömäinen muhviputki, jossa on ylä- ja alalaipat), joka on valmistettu erittäin puhtaasta hiilestä, jonka sisä- ja ulkoseinä on päällystetty materiaalilla, jonka kaasun läpäisykyky on pieni, 10 esim. kuten kuviossa 2 esitetään, valmistettava nokinen esimuoto roikkuu kuumentimen yläosassa ja muhviputken sisäosa on täytetty heliumilmakehällä, sisältäen kaasua. Kun kuumentimen ilmakehä on kuumennettu lämpötilaan 1050 °C, nokinen esimuoto lasketaan alaspäin no-15 peudella 2-10 mm/min. Kun koko nokinen esimuoto on kulkenut kuumentimen läpi, nokisen esimuodon laskeminen päättyy ja CI2 kaasun tuonti lopetetaan. Sitten ilmakehä muutetaan heliumilmakehäksi sisältäen SiF.. Kun kuu- 4 mentimen lämpö on noussut 1400 °C:een, nokinen esimuoto 20 nostetaan ylös nopeudella 4 mm/min. lisäten samalla fluoria esimuotoon.

Kun koko esimuoto on jälleen kulkenut kuumentimen läpi, nokisen esimuodon ylösnosto lopetetaan. SiF4 tuonti loppuu ja heliumin tuonti jatkuu. Kun kuumentimen 25 lämpötila on 1600 °C, nokinen esimuoto lasketaan alas nopeudella 3 mm/min esimuodon lasittamiseksi.

Tätä keksintöä selitetään seuraavilla esimerkeillä .

Esimerkki 1. Huokoisesta lasin esimuodosta pois-30 tettiin vesi, lisättiin fluori ja lasitettiin käyttäen kuvion 2 mukaista kuumennusuunia. Muhviputken sisähal-kaisija oli 200 mm, seinän paksuus 10 mm ja pituus 1000 mm. Muhviputki koostui kolmesta osasta. Keskiosa oli valmistettu erittäin puhtaasta hiilestä ja siinä oli 35 pyrolyyttinen grafiittipäällyste sen sisä- ja ulkosei- äo 92817 nillä, paksuuden ollessa 30 μπι. Ylä- ja alaosa oli tehty erittäin puhtaasta hiilestä ja niissä oli SiC päällyste niiden sisä- ja ulkoseinissä, paksuuden ollessa 50 /um.

Termisen käsittelyn olosuhteet olivat seuraavat: 5 Vedenpoisto

kuumentimen lämpötila: 1050 °C

ilmakehäkaasu: Cl2/He = 5 mooli %/95 mooli % esimuodon laskunopeus: 5 mm/min

Fluorin lisäys

10 kuumentimen lämpötila: 1370 °C

ilmakehäkaasu SiF^/He = 3 mooli %/97 mooli % esimuodon nostonopeus: 3 mm/min Lasittaminen kuumentimen lämpötila: 1600 °C 15 ilmakehäkaasu: He 100 % esimuodon nostonopeus: 5 mm/min.

Saavutetun läpinäkyvän esimuodon ominaistaite-kertoimen ero An oli 0,34 %. Ominaistaitekertoimen ero, jota tässä käytetään, määritellään seuraavasti: 20 (nSiO - nF>

An = _2_ x 100 (%) nSi02 (jossa ns^o2 nF ilma^-sevat puhtaan kvartsin ja fluorilla lisätyn esimuodon taitekertoimia).

Yksimuotoisen optisen kuidun puhdas kvartsisisus valmistettiin käyttämällä valmistettua esimuotoa. Opti-30 sella kuidulla oli siirtohäviö 0,17 dB/km, aallonpituuden ollessa 1,55 jum ja sillä ei ollut mitään Cu ja Fe vaikutteista absorbtiota.

Ylläselitetyllä muhviputkella käsiteltiin 50 esimuotoa termisesti, eikä muhviputkessa ollut havaittavis-35 sa mitään huonontumista.

II

9281 7 21

Esimerkki 2. Käytettiin kuvion 6 mukaista muhviputkea, jolla on kaksoisputkirakenne. Muhviputken rakenne oli sellainen, että muhviputki 3, jota käytettiin esimerkissä 1 oli sijoitettu erittäin puhtaasta hiiles-5 tä tehtyyn ulkoputkeen 10. Ulommalla putkella 10 oli pyrolyyttinen grafiittipäällyste sekä sen uiko- että sisäseinissä, paksuudeltaan 30 pm. Yksinkertaisuuden vuoksi ei ulkoputken päällystettä ole esitetty.

Terminen käsittely suoritettiin samoissa olosuh-10 teissä kuin oli tehty esimerkissä 1. Tässä esimerkissä He kaasua vietiin ulkoputken ja muhviputken väliseen tilaan 10 1/min sisääntuonnista 8, niin että työskente-lypaine tässä tilassa oli alhaisempi kuin muhviputkessa.

Yksimuotoisen optisen kuidun puhdas kvartsisisus 15 valmistettiin käyttämällä valmistettua esimuotoa pääl-lysteosana. Optisen kuidun siirtohäviö oli 0,17 dB/km aallonpituuden ollessa 1,55 pm ja jäännösvettä oli optisessa kuidussa alle 0,01 ppm. Tämän esimerkin kuumennus-uunilla oli se etu, että työympäristö ei suoraan li-20 kaannu koska ilmakehäkaasu, syntyen esimerkin 1 mukaan hiljaa vuotaa muhviputken osien liitoksista, joka kaasu sekoittuu He kaasuun, jota tuodaan muhviputken ja ulkoputken väliin.

Muhviputkea, jolla oli kiinteä karbonoitu lasi-·' 25 mainen hiilipäällyste (paksuus 10 pm) pyrolyyttisen gra- fiittipäällyksen sijaan, käytettiin samoissa olosuhteissa kuin sitä muhviputkea oli käytetty, jolla oli pyrolyyttinen päällyste. Tässä käytettiin samoja tuloksia kuin siinä tapauksessa, jossa oli muhviputki päällystet-. 30 tynä pyrolyyttisellä grafiitilla.

Esimerkki 3. Käytettiin kuvion 3 mukaista kuumen-nusuunia. Kuumennusuuniin sijoitetussa muhviputkessa oli pyrolyyttinen grafiittipäällyste (paksuus 30 pm) tai kiinteä karbonoitu lasimainen päällyste (paksuus 35 10 pm) koko sisä- ja ulkoseinissä.

9281 7 22

Huokoinen esimuoto sijoitettiin etukammioon 11, joka oli lämmitetty 200 °C:een ja yläosa oli suljettu. Typpikaasua tuotiin 10 1/min korvaamaan etukammion sisä-ilmakehän typellä. Sitten avattiin väliseinä 16 ja huo-5 koinen esimuoto 1 asetettiin etukammiosta muhviputkeen ja siitä poistettiin vesi, lisättiin fluori ja lasitettiin, jolloin saatiin läpinäkyvä optisen kuidun lasinen esimuoto. Esimuodon poistamiseksi kuumennusuunista siirrettiin esimuoto etukammioon, väliseinä suljettiin ja 10 yläosa avattiin esimuodon poiston seurauksena.

Termisen käsittelyn olosuhteet olivat seuraavat: Vedenpoisto

kuumentimen lämpötila: 1050 °C

ilmakehäkaasu: SiCl^ 200 cm^/min 15 He 20 1/min esimuodon siirtonopeus: 5 mm/min

Fluorin lisäys

kuumentimen lämpötila: 1270 °C

ilmakehäkaasu: Sif^ 800 cm^/min 20 He 20 1/min esimuodon siirtonopeus: 4 mm/min

Lasittaminen

kuumentimen lämpötila: 1500 °C

ilmakehäkaasu: He 20 1/min 25 SiF. 800 cm^/min 4 esimuodon siirtonopeus: 10 mm/min.

Optinen kuitu valmistettiin käyttäen tuotettua lasin esimuotoa päällysteosana ja sillä oli alhainen siirtohäviö 0,17 dB/km, aallonpituuden ollessa 1,55 ,um.

30 Tässä esimerkissä, kuumennusuunin käsittäessä etukammion, muhviputken lämpötilaa ei tarvitse laskea alle 800 °C, jolloin tämä suoritusmuoto on edullinen ajatellen termisesti käsiteltyjen esimuotojen tuotannol-lisuutta.

35 Vertaileva esimerkki 1. Sama toimintatapa kuin 23 92817 esimerkissä 1, mutta nyt käytettiin kvartsilasista tehtyä muhviputkea, jossa oli 1 ppm kuparia, mutta siinä ei ollut mitään hiilipäällystettä ja sillä valmistettiin optinen kuitu. Optinen kuitu sisälsi jäännösvettä 0,01 5 ppm ja siinä oli kuparista johtuva absorbtio lähellä aallonpituutta 1,30 pm. Tämä oli riittävän alhainen verrattaessa tavanomaisten optisten kuitujen absorbtioon ja absorbtioluku oli 2-3 dB/km aallonpituuden ollessa 0,8 pm. Mutta muhviputken sisäseinä oli äärimmäisen syö-10 pynyt. Se tarkoittaa sitä, että tämän muhviputken syö-pymisenkesto ei ole riittävä.

Vertaileva esimerkki 2. (Kvartsilasista tehdyn muhviputken kuumennusvastus). Sama toimintatapa kuin esimerkissä 1, mutta nyt käytettiin kvartsilasista teh-15 tyä muhviputkea hiilestä tehdyn muhviputken sijaan ja sillä valmistettiin nokinen esimuoto. Kvartsilasista tehty muhviputki laajeni nokisen esimuodon lasituksen aikana, eikä sitä voitu käyttää uudestaan.

Vertaileva esimerkki 3. (Kvartsilasista tehdyn 20 muhviputken syöpyminen). Vertailevan esimerkin 2 prosessissa käytettiin SiF^ tilalla SF^. Tällöin kvartsilasista tehtyyn muhviputken seiniin lähelle kuumenninta syöpyi neulareikiä. Tuotetussa lasin esimuodossa oli useita ppm vettä. Ja muhviputki oli tietysti laajentunut huo-25 mattavasti, eikä sitä voitu enää käyttää.

Vertaileva esimerkki 4. Käytettiin samaa kuumen-nusuunia kuin esimerkissä 1, paitsi että erittäin puhtaasta hiilestä valmistetulla muhviputkella oli SiC päällyste, paksuudeltaan 50 um ja vain sen ulkoseinällä : 30 pyrolyyttisen grafiittipäällysteen sijaan.

Lasista esimuotoa käsiteltiin termisesti ssamois-sa olosuhteissa kuin esimerkissä 1. Yksimuotoinen optinen lasikuitu valmistettiin tuotetusta esimuodosta. Optisella kuidulla oli alhainen siirtohäviö 0,18 dB/km 35 aallonpituuden ollessa 1,55 pm.

92817 24

Mutta käytettäessä kuumennusuunia toistuvasti, hiilirungon läpi tuleva kaasu kuori pois SiC pääl lysteen ja tunkeutui uunin runkoon ja sitten kuumennus-uunia ei voitu enää käyttää. Ja lisäksi ilmeni vakavia 5 ongelmia työympäristössä.

Esimerkki 4. Käytettiin samaa kuumennusuunia kuin esimerkissä 1, paitsi että erittäin puhtaasta hiilestä tehdyssä muhviputkessa oli kiinteästä karbonoidusta la-simaisesta hiilestä tehty päällyste, paksuudeltaan 10 10 pm, sen sisä- ja ulkoseinillä pyrolyyttisen grafiitti-päällysteen sijaan.

Lasinen esimuoto käsiteltiin termisesti samoissa olosuhteissa kuin esimerkissä 1.

Optisilla kuiduilla valmistettuina ensimmäisestä 15 viidenteen esimuotoon oli suurempi siirtohäviö 0,02 - 0,03 dB/km aallonpituuden ollessa 1,55 /im kuin niistä esimuodoista valmistetuilla, joita oli käsitelty muhviputkessa, jossa oli pyrolyyttinen grafiittipäällyste.

Tämä johtuu elementin konsentraation jakaumasta päällys-20 teen paksuuden mukaan, kuten kuvioiden 7 ja 8 graafisista esityksistä nähdään.

Kuvio 7 esittää elementin konsentraation jakaumaa pyrolyyttisessä grafiittipäällysteessä ja kuvio 8 esittää samaa kiinteässä karbonoidussa lasimaisessa hiili-25 päällysteessä. Nämä graafiset esitykset saatiin mittaamalla epäpuhtauksien konsentraatioiden jakaumaa sekundäärisellä ionimassaspektrometrillä pitkin päällysteen paksuussuuntia. Vertikaaliakseli ilmaisee elementin konsentraation ja horisontaalinen akseli ilmaisee päällys-30 teen paksuuden sekä horisontaalisen akselin vasen pää vastaa päällysteen pintaa. Kuten elementtien konsentraa-tioista laadullisesti havaitaan, ovat epäpuhtaiden elementtien (esim. alkaalimetalli tai siirtymämetalli) kon-sentraatiot lasitetussa hiilipäällysteessä paljon suu-35 remmat kuin vastaavat pyrolyyttisessä grafiittipäällys-

II

9281 7 25 teessä, mikä voidaan nähdä pintojen konsentraatioina graafisesti esitettynä ja käyrien muotoina. Tämän esimerkin ylläolevat tulokset ilmaisevat nähtävästi elementtien konsentraatioiden erot.

5 Mutta käytettäessä myös muhviputkea, jossa oli lasitettu hiilipäällyste, kuudennesta ja myöhemmistä esimuodoista valmistetuilla optisilla kuiduilla oli alhainen siirtohäviö 0,17 dB/km. Se johtui siitä, että epäpuhtaudet oli poistettu päällysteestä.

10 Esimerkki 5. Tässä esimerkissä käytettiin kuvion 9 mukaista kuumennusuunia. Tässä kuumennusuunissa oli kuumennin 4 asennettu lieriömäiseen uunin runkoon 5, jonka läpi sopi muhviputki 3. Muhviputkeen asetettua esimuotoa käsiteltiin termisesti kuumentimella 4.

15 Kuvion 9 mukaisessa kuumennusuunissa olevassa muhviputkessa 3 on kolme osaa ( 34, 35 ja 36) ja siinä on lisäksi etukammio 11 estämään muhviputken hapettumisen. Muhviputken keskiosan 35 sisä- ja ulkoseinillä oli kaasua läpäisemätön pyrolyyttinen grafiittipäällyste, 20 paksuudeltaan 30 - 40 ;um. Koska yläosa 34 ja alaosa 36 eivät kuumentuneet niin korkeaan lämpötilaan, niissä oli SiC päällysteet 37, jotka kestivät hapettumisen ja kloori- sekä fluoripitoiset kaasut. Käsiteltävän esimuo-, don pituus oli 500 mm ja halkaisija oli 140 mm ja se 25 valmistettiin VAD-menetelmällä.

Prosessit, joiden mukaan kuvion 9 mukaista kuumennusuunia käytettiin olivat pääpiirteittäin samat kuin ne, joita käytettiin kuvion 3 mukaisen kuumennusuunin kohdalla. Aluksi esimuoto 1 asetettiin etukammioon 11, : 30 jossa väliseinä 16 oli suljettuna ja sitten yläosa 8 suljettiin. Typpikaasua tuotiin 10 1/min etukammioon sisääntulosta 15 etukammion sisätilan puhdistamiseksi. Sitten väliseinä 16 avattiin ja huokoinen esimuoto asetettiin muhviputkeen ja sitä käsiteltiin termisesti, 35 jotta saatiin läpinäkyvä esimuoto. Esimuodon poistami- 9281 7 26 seksi esimuoto vietiin etukammioon ja sitten väliseinä 16 suljettiin sen jälkeen kun esimuoto oli poistettu yläosan avaamisen jälkeen.

Kun esimuoto oli siirretty etukammiosta muhvi-5 putkeen, käsiteltiin esimuotoa termisesti nostamalla muhviputken lämpötila 1050 °C:een, ilmakehässä 20 1/min He kaasua ja 200 cm0/min SiCl^ kaasua, laskunopeuden ollessa 5 mm/min, jolloin saatiin poistetuksi esimuodossa olevat vedet ja epäpuhtaudet. Kun esimuoto oli koko-10 naan poistunut kuumentimesta, SiCl^ tuonti lopetettiin ja He kaasun tuontia jatkettiin 20 1/min ja muhviputki kuumennettiin lämpötilaan 1550 °C. Sen jälkeen esimuoto nostettiin ylös nopeudella 4 mm/min esimuodon lasittamiseksi .

15 Kuten edellä sisusosan valmistuksessa selitet- 3 tiin, esimuodosta poistettiin vesi ilmakehässä 200 cm / min SiCl^ kaasua ja 20 1/min He kaasua. Sitten muhviputken lämpötila nostettiin 1200 °C:een ja kaasuja tuotiin 3 900 cm /min CF^ ja 20 1/min He. Esimuoto nostettiin ylös 20 nopeudella 3 mm/min, jolloin siihen lisättiin fluori. Senjälkeen muhviputken lämpötila nostettiin 1500 °C:een ja esimuotoa laskettiin nopeudella 4 mm/min, tuotaessa samalla 20 1/min He kaasua esimuodon lasittamiseksi.

Valmistettu esimuoto sisälsi 1,3 % painostaan 25 fluoria ja sen ominaistaitekerroinero Δ.η oli 0,35 %.

Edellä mainitun sisusosan tuottamisen yhteydessä valmistunut puhdas kvartsiesimuoto venytettiin sähkö-vastusuunissa niin, että sen halkaisijaksi tuli 5 mm.

Halkaisijaltaan 5 mm reikä oli porattu fluoria • 30 sisältävään lasin esimuotoon, joka oli valmistettu edel lä mainitun päällysteosan tuotannossa ja putkien päät kytkettiin esimuodon molempiin päihin. Esimuoto asetettiin sähköuuniin ja esimuodon sisäpinta tasoitettiin SFg syövytyksellä pitäen sisäpinnan lämpötila korkealla.

35 Sen jälkeen venytetty puhdas esimuoto asetettiin putkiin 9281 7 27 ja niitä kuumennettiin ja tehtiin yhdessä täydellisiksi Cl2 ilmakehässä, jotta saadaan optisen kuidun esimuoto.

Valmistunut esimuoto venytettiin halkaisijaan 35 mm ja sen jälkeen yksimuotoisen optisen kuidun puh-5 das kvartsisisus, halkaisijaltaan 10,5 pm sekä päällyste, jonka halkaisija oli 125 pm, vedettiin esimuodosta pois. Optisella kuidulla oli alhainen siirtohäviö 0,18 dB/km aallonpituuden ollessa 1,55 pm.

Esimerkki 6. Lasitanko koostuen kvartsilasisesta 10 keskiosasta, sisältäen 6 % painostaan Ge02 ja puhdas kvartsilasisesta ympärysosasta valmistettiin VAD-mene-telmällä. Tangon halkaisija oli 18 mm. Huokoinen lasi-kerros päällystettiin edelleen lasitangon pintaan. Tangon halkaisija oli 140 mm.

15 Edellä mainitusta ja valmistetusta esimuodosta poistettiin vesi ja se lasitettiin samoissa olosuhteissa kuin esimerkissä 5. Esimuoto asetettiin etukammioon ja etukammion sisätila puhdistettiin typpikaasulla. Sen : jälkeen esimuoto siirrettiin muhviputkeen. Muhviputken 20 lämpötila oli 1050 °C ja esimuotoa laskettiin muhviputken läpi nopeudella 5 mm/min ilmakehässä 20 1/min He kaasua ja 200 cm^/min SiCl^, jolloin vesi poistui esimuodosta. Kun esimuoto oli kulkenut koko kuumentimen läpi, muhviputken lämpö nostettiin 1500 °C:een. SiCl^ tuonti lope-25 tettiin ja He tuonti 201/min jatkui. Esimuotoa nostettiin ylös nopeudella 4 mm/min esimuodon lasittamiseksi.

Lasitetun esimuodon ulkohalkaisija oli 65 mm ja esimuodon ulkohalkaisijän suhde Ge02 sisältävään sisus-osaan oli 15,0. Kun esimuoto oli venytetty halkaisijaan 30 35 mm, vedettiin optinen kuitu, halkaisijaltaan 125 pm.

Valmistetulla optisella kuidulla oli alhainen siirtohäviö 0,35 dB/km aallonpituuden ollessa 1,3 pm ja 0,20 dB/km aallonpituuden ollessa 1,55 pm. Optisen kuidun alkuvetolujuus oli riittävä 5,5 kg.

35 Kun 200 esimuotoa oli termisesti käsitelty, muh- 28 9 2 8 1 7 viputken sisäseinä tarkastettiin. Muhviputken keskiosan sisäosa oli hieman hapettunut eikä mitään muodonmuutosta eikä huonontumista ollut havaittavissa.

Tämän keksinnön mukaan voidaan valmistaa optisen 5 kuidun lasin esimuoto, joka ei ole epäpuhtauksien, kuten raudan tai kuparin likaama, vähentäen muhviputken kulumista ja edelleen voidaan valmistaa tuotetusta lasin esimuodosta optinen kuitu, jolla on pieni siirtohäviö.

Varustamalla muhviputken sisä- ja ulkoseinät py-10 rolyyttisellä grafiittipäällysteellä tai kiinteällä kar-bonoidulla lasimaisella hiilipäällysteellä, muhviputki tuskin kuluu kuumuuden tai syövyttävien kaasujen vaikutuksesta korkeissakaan lämpötiloissa, jolloin sillä on hyvä kestävyys. Siksi on tämän keksinnön mukainen muhvi-15 putki myös taloudellisesti edullinen.

Edelleen, valmistamalla muhviputken runko erittäin puhtaasta hiilestä estetään huokoisen esimuodon likaantuminen epäpuhtauksista, muhviputki ei reagoi fluoripitoisten kaasujen (esim. CF^, SF^., SiF^ jne.) 20 kanssa eikä muhviputki hajoa erittäin korkeissa lämpötiloissa, kuten 1800 °C tai sen yli. Siksi on muhviputken kestävyys lisääntynyt.

Jos kuumennusuuniin kuuluu etukammio, se estää ilman (työhuoneen ilmakehän) virtauksen kuumennusilma-25 kehään ja siten muhviputken sisäosan likaantuminen epäpuhtauksista estyy. Lisäksi esimuodon kiteytyminen estyy ja esimuodon läpinäkyvyys lisääntyy. Koska lämpötila ei laske esimuotoa sisään laitettaessa ja poisotettaessa on kuumennusuunin tehokkuus hyvä. Jos muhviputki tehdään 30 hiilellä päällystämällä käyttäen pyrolyyttistä grafiit-* tia tai kiinteää karbonoitua lasimaista hiiltä, ja kos ka hiili tuskin juurikaan hapettuu, muhviputken käyttöikä kasvaa ja grafiittipartikkelit eivät kellu muhvi-putkessa, jolloin lasin esimuodosta valmistetun optisen 35 kuidun vähän venytetyn osan kerroin alenee.

li 92817 29 Käytettäessä hiilestä valmistettua muhviputkea voidaan välttää kuumuudesta johtuvat muodonmuutokset ja kiteytymiset sekä ajan myötä kristalloitumisesta johtuvat murtumiset, jotka voivat yllättäen tapahtua käytet-5 täessä kvartsista tehtyä muhviputkea, minkä lisäksi muhviputkea voidaan käyttää pidemmän aikaa. Jos käytetään kvartsimateriaalia, on työstettävyyden vuoksi vaikea valmistaa suurihalkaisijaista muhviputkea. Mutta jos käytetään keksinnön mukaisesti hiilimateriaalia, voi-10 daan valmistaa edellistä suuremmalla halkaisijalla varustettu muhviputki. Lisäksi on edullista, että voidaan käsitellä esimuotoa, jolla on suurempi halkaisija.

Edellä selitetyissä esimerkeissä käytettiin vyö-hykeuunia, mutta sama teho, joka saavutettiin vyöhyke-15 uuneilla saavutetaan myös kuoppauunilla.

Claims (2)

1. 9281 7 Patenttivaatimus