JP2008074651A

JP2008074651A - 微粒子合成用バーナー

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Publication number: JP2008074651A
Application number: JP2006254276A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamada; 兼士山田; Seiji Azuma; 誠二東; Akio Koike; 章夫小池; Koshin Iwahashi; 康臣岩橋; Mitsuhiro Kawada; 充弘河田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP4702241B2

Abstract

【課題】気相反応合成法により均一な組成の金属ガラスを合成するための微粒子合成用バーナーを提供する。
【解決手段】微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、該バーナーは、バーナー中央から外側に向かって吹き出し口として、微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口とをこの順に同心状に備え、それぞれの吹き出し口の形状は短軸と長軸との比が２０以上の楕円形であり、燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼支燃ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナー。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃焼火炎中に微粒子を形成する微粒子原料ガスを混合し、微粒子原料ガスを加熱分解する方法により微粒子を作成する微粒子合成用バーナー形状に関する。

高純度のシリカガラスは、各種分析用セルや半導体製造部材として広く用いられている。高純度のシリカガラスを製造する方法としては、以下の方法がよく知られている。シリコンの塩化物や有機金属化合物を水素バーナー中に混入し、火炎中で加水分解し生成される数ナノメートルから１０μｍ程度の大きさの微粒子を加熱した出発部材上に堆積させ、その後、熱処理によりシリカガラスを形成する方法である（特許文献１）。

高純度のシリカガラスの微粒子を合成するためのバーナーとしては特許文献１にも記載されているように、一般的に同心円状のバーナーが用いられている。

一方、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｂ、Ｐをドープした金属ドープシリカガラスはスパッタリング用ターゲット材や低膨張ガラス基材として用いられている。また、希土類をドープした金属ドープシリカガラスでは蛍光体やレーザ発振体も開発されている。これらの金属ドープシリカガラスには金属元素の均一ドーピングが求められる。

金属ドープシリカガラスの製造方法としては、以下の方法を用いることができる。前記の高純度シリカの製造方法と同様、シリコンの塩化物や有機金属化合物をドープする金属の塩化物や有機金属化合物と共にそれぞれ蒸気形態に転化させて混合し、水素火炎中で加熱分解することで金属ドープシリカ微粒子を形成する。次いで、金属ドープシリカ微粒子を加熱出発部材上に堆積させる。その後堆積物を熱処理することにより高純度の金属ドープシリカガラスを形成する。

しかし、例えばシリカ、チタニアの塩化物などの種類の異なる微粒子原料ガスを水素火炎中で加水分解して合成を行う場合、微粒子原料ガスの水素火炎中での分解反応速度は一般に微粒子原料ガスの種類により異なる。このため、火炎が出発部材堆積面に達するまでの時間（以下、反応時間とする）と温度履歴が堆積物全体で均一でないと、堆積面上の組成分布を均一にできない。

特許文献２には、シリカガラスを合成するための同心円状のバーナーが提案されている。大口径の金属ドープシリカ微粒子の合成の場合、金属ドープシリカガラスを合成するために大口径の加熱出発部材に微粒子を堆積させる必要がある。したがって、特許文献２のバーナーを大口径の金属ドープシリカ微粒子の合成に使用した場合、出発部材とバーナー火炎との距離が一定ではないため出発部材堆積面上に温度分布がつきやすく、反応時間が出発部材堆積面でばらつくため金属成分を均一にドープすることができない。

特許文献３には、同心円状のバーナーを横に並べる構造のバーナーが提案されている。しかし、この構造であっても大口径の出発部材上に微粒子を堆積させる場合、火炎が出発部材堆積面に達するまでの時間のばらつきが完全には改善されず、金属成分を均一にドープすることはできない。

また、微粒子堆積のための出発部材加熱を微粒子合成用のバーナーで同時に行う場合、シリカ単独系のガラスであっても特許文献１、２、３のバーナーでは出発部材とバーナー火炎の距離が一定ではないため出発部材上に温度分布が発生し、クリストバライトなどの結晶が部分的に析出することがあり好ましくない。

特許文献４には、断面形状が長方形または長円形の原料ガス吹き出し口を有し、かつ原料ガス吹き出し口の外周に断面形状が長方形または長円形の燃料ガス吹き出し口を有するバーナーが提案されている。この場合、原理的に大口径出発部材に堆積させる場合でも、反応時間分布は均一となるはずである。しかし、原料ガス吹き出し口と燃料ガス吹き出し口先端部の高さが同じであるため、原料ガスより生成する微粒子が吹き出し口付近に徐々に堆積し、吹き出し口を閉塞させることが起こり長時間の安定した合成ができない。

上記のように、上記従来の技術では、大口径の均一金属ドープシリカガラスを合成することはできなかった。

特開昭５３−１１４８１８号公報特開２００３−２４６６２７号公報特開２００１−１９９７２９号公報特開平０４−２６０６１６号公報

本発明は、シリカガラス、特に金属成分をドープしたシリカガラスを水素バーナーにより合成するための最適なバーナーの提供を目的とする。

本発明者らは鋭意研究を続けたところ、バーナーのガス吹き出し口の形状が吹き出し口の短軸と長軸との比がそれぞれ２０以上の矩形または楕円形バーナーを使用することで出発部材表面までの燃焼ガスの火炎が出発部材堆積面に達するまでの時間が均一となり、より均一な組成のシリカガラスまたは金属ドープシリカガラスが合成できることを見出した。バーナーの着火位置と出発部材の微粒子が堆積する各部位との距離が等しいからであると推定している。かくして、本発明は以下の構成を要旨とするものである。

本発明の第１の態様では、微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、該バーナーは、バーナー中央から外側に向かって吹き出し口として、微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口とをこの順に同心状に備え、それぞれの吹き出し口の形状は短軸と長軸との比が２０以上の楕円形であり、燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼支燃ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第２の態様では、微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、該バーナーは、バーナー中央から外側に向かって吹き出し口として、微粒子原料ガスおよび燃焼支燃ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼ガス吹き出し口とをこの順に同心状に備え、それぞれの吹き出し口の形状は短軸と長軸との比が２０以上の楕円形であり、燃焼支燃ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第３の態様では、微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、該バーナーは、微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口とを有しており、それぞれの吹き出し口の形状は短辺と長辺との比が２０以上の矩形であり、不活性ガス吹き出し口は微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口の長辺の両外側に、燃焼支燃ガス吹き出し口は不活性ガス吹き出し口の長辺の両外側に、順に設けられ、燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼支燃ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第４の態様では、微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、該バーナーは、微粒子原料ガスおよび燃焼支燃ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼ガス吹き出し口とを有しており、それぞれの吹き出し口の形状は短辺と長辺との比が２０以上の矩形であり、不活性ガス吹き出し口は微粒子原料ガスおよび燃焼支燃ガス吹き出し口の長辺の両外側に、燃焼ガス吹き出し口は不活性ガス吹き出し口の長辺の両外側に、順に設けられ、燃焼支燃ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第５の態様では、態様３または４において、燃焼ガスと燃焼支燃ガスとの混合を防ぐための隔壁を燃焼ガス吹き出し口の短軸に沿って備えている微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第６の態様では、態様２または４において、燃焼ガスと燃焼支燃ガスとの混合を防ぐための隔壁を燃焼支燃ガス吹き出し口の短軸に沿って備えている微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第７の態様では、態様３または４において、燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口および燃焼支燃ガス吹き出し口を略同心状に備える微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第８の態様では、態様１〜７のいずれかにおいて、不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼支燃ガス吹き出し口先端部との高さの差、または不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼ガス吹き出し口先端部の高さの差の最大値をＨとし、燃焼ガス吹き出し口の短軸方向の長さまたは燃焼支燃ガス吹き出し口の短軸方向の長さのいずれか短い方の長さをＬとしたとき、Ｈ／Ｌが０．５〜２５である微粒子合成用バーナーを提供する。

本発明の第９の態様では、態様１〜８のいずれかにおいて、微粒子原料ガスが２種類以上の金属化合物を含むガスの混合ガスであることを特徴とする微粒子合成用バーナーを用いた微粒子合成方法。

本発明の第１０の態様では、態様１〜９のいずれかにおいて、ガス吹き出し口の短軸方向の長さの３０倍以上の長さの整流部を有し、整流部下端にガス吹き出し口の短軸方向の長さの４倍以上の幅を持つガス導入部を有する微粒子合成用バーナーを提供する。

気相反応合成法によるシリカガラス、中でも金属を含有するシリカガラスの合成に本発明のバーナーを使用することで、ガス吹き出し口から微粒子堆積表面までの距離が等しいため粒子形成の反応時間分布が均一となり、より均一な組成のシリカガラスまたは金属ドープシリカガラスが合成できる。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーは、ガス吹き出し口の短軸と長軸との比が２０以上の矩形または楕円形の形状であることが好ましい。ガス吹き出し口の短軸と長軸との比が２０未満の場合、同心円状のバーナーと実質的に同様の欠点を持つ。すなわち、燃焼ガスの火炎が出発部材表面に達するまでの時間が出発部材の部位毎に不均一となる。その結果均一な組成の金属ドープシリカガラスが得られない。シリカ単独系のガラスであっても、ガス吹き出し口の短軸と長軸との比が２０未満の場合、出発部材とバーナー火炎の距離が一定ではないため出発部材上に温度分布が発生し、クリストバライトなどの結晶が部分的に析出することがあり好ましくない。ガス吹き出し口の短軸と長軸との比は５０以上５００以下であることがより好ましく、１００以上３００以下であることが特に好ましい。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーは、バーナー中央の吹き出し口から微粒子原料ガスを吹き出す。バーナー中央の吹き出し口から微粒子原料ガスを吹き出すことで、微粒子原料ガスを全量火炎中に導入することが可能になり、得られたガラスの均一性が増すとともに、高収率が達成されるからである。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーは、バーナー中央から吹き出し口を、燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口の順、或いは、燃焼支燃ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼ガス吹き出し口の順に備える。すなわち、燃焼ガス吹き出し口と燃焼支燃ガス吹き出し口の間に不活性ガス吹き出し口を備える。

燃焼ガス吹き出し口と燃焼支燃ガス吹き出し口の間に不活性ガス吹き出し口を設置しない場合、燃焼ガスがガス吹き出し口で燃焼され、燃焼ガス中に混合された微粒子原料ガスより生成した微粒子が、ガス吹き出し口にスケールとなって付着する。これにより、ガス吹き出し口が閉塞するため好ましくない。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーは、バーナー中央に燃焼ガス吹き出し口が配置される場合、燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼支燃ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低い。また、バーナー中央に燃焼支燃ガス吹き出し口が配置される場合、燃焼支燃ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低い。すなわち、微粒子原料ガスを吹き出すバーナー中央の吹き出し口先端部の高さが少なくともいずれかの他の吹き出し口先端部の高さより低い。中央の吹き出し口が他の全ての吹き出し口より高いか、または同じである場合、燃焼ガスと燃焼支燃ガスの混合ガスが中央の吹き出し口近傍で燃焼するためガス吹き出し口が閉塞するため好ましくない。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーは、吹き出し口が同心状に配置されていない場合は、燃焼ガスと燃焼支燃ガスとの混合を防ぐための隔壁をバーナー中央の吹き出し口の短軸に沿って有する。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーの材質は、ＳＵＳ３０８、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＳ３０９Ｃｂ、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１０Ｃｂ、ＳＵＳ３１０Ｍｏ等の耐熱用オーステナイト系ステンレス鋼、またはＦｅ基耐熱合金、Ｃｏ基耐熱合金若しくはＮｉ基耐熱合金等の超耐熱合金、または石英ガラス、またはＣｒ、Ｎｂ、Ｍｏ若しくはＷと高融点金属との合金であることが好ましい。

図１〜７はそれぞれ本発明による微粒子集合体合成用バーナーの一例の概略図である。尚、各図において、バーナーのガス吹き出し口の短軸と長軸との比を２０以上にして図示することが困難であるため、短軸と長軸との比を２０以下にして図示している。

図１〜５では、バーナーの中央から燃焼ガス吹き出し口２２、不活性ガス吹き出し口２１、２３、燃焼支燃ガス吹き出し口２０、２４の順に配置されている。各吹き出し口の長短辺はそれぞれ平行になるように配置されている。

本発明による微粒子集合体合成用バーナーでは、微粒子原料ガスを吹き出す中央の吹き出し口先端部の高さが少なくともいずれかの他の吹き出し口先端部の高さより低い。

微粒子原料ガスを吹き出す中央の吹き出し口先端部の高さが少なくともいずれかの他の吹き出し口先端部の高さより低い構造を有する場合は、例えば図１〜７のような構造となる。

図１〜５の各図において、燃焼ガスと燃焼支燃ガスとの混合を防ぐための隔壁５０が、燃焼ガス吹き出し口１３の短軸に沿って設けられている。隔壁５０により、バーナー外側に配置された燃焼支燃ガス吹き出し口短軸付近から中央の燃焼ガス吹き出し口短軸付近へのガスの流入を防ぐことができる。このため、燃焼ガスと燃焼支燃ガスとが混合して燃焼ガスが燃焼し、燃焼ガス中に混合された微粒子原料ガスより生成した微粒子が、ガス吹き出し口にスケールとなって付着することを防ぐことができる。

隔壁５０の高さは１ｍｍ〜５０ｍｍであることが好ましい。２ｍｍ〜４０ｍｍであることがより好ましい。隔壁の幅は１ｍｍ〜５０ｍｍであることが好ましい。１ｍｍ〜３０ｍｍであることがより好ましい。

隔壁の高さが１ｍｍ未満では実質的に効果がなく、また、隔壁の高さが高い場合には特に制限はないが、５０ｍｍ未満が作製容易であり現実的である。隔壁の幅は、１ｍｍ未満では実質的に効果がなく、また、隔壁の幅が広い場合には特に制限はないが、５０ｍｍ未満が作製容易であり現実的である。

微粒子原料ガスを吹き出す中央の吹き出し口先端部の高さが他の全ての吹き出し口先端部の高さより低くない場合、例えば図９〜１２のような構造となる。これらの構造の場合、燃焼ガスと燃焼支燃ガスの混合ガスが中央の吹き出し口近傍で燃焼するためガス吹き出し口が微粒子原料により閉塞する。

図１〜６では、燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口および燃焼支燃ガス吹き出し口は矩形をしており、図１〜５ではそれぞれ平行に並列配置されているが、本発明による微粒子集合体合成用バーナーでは、図６のように同心状に配置されてもよい。

本発明において、同心状とは、吹き出し口の形状が矩形の場合は各吹き出し口の辺が平行であり、各吹き出し口の対角線の交点が一致することを意味する。

図７は、吹き出し口が楕円形の場合の本発明の一態様のバーナーを示す。図７では、燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口の先端部の高さおよび燃焼支燃ガス吹き出し口の先端部の高さより低くなっている。吹き出し口が楕円形の場合、燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口および燃焼支燃ガス吹き出し口は同心状に配置されていることが好ましい。

図６または７では、図１〜５と同様にバーナーの中央から燃焼ガス吹き出し口２７、不活性ガス吹き出し口２８、燃焼支燃ガス吹き出し口２９の順に配置されている。

不活性ガスの流量は燃焼ガスの流量の３％〜１００％であることが好ましい。不活性ガスの流量が燃焼ガスの流量の３％未満の場合、不活性ガスの効果が得られないため好ましくない。１００％を超えた場合、燃焼が不安定になるため好ましくない。より好ましくは１０％〜７０％である。

図１〜図７ではバーナー中央から燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口の順に配置しているが、ガスの供給方法は、バーナーの中心部分に燃焼ガスおよび微粒子原料ガスを流しバーナーの外周部分に燃焼支燃ガスを流す方法、またはバーナーの中心部分に燃焼支燃ガスおよび微粒子原料ガスを流しバーナーの外周部分に燃焼ガスを流す方法、のいずれの方法を採用してもよい。

いずれの方法を採用した場合でも、微粒子原料ガスを吹き出す中央の吹き出し口先端部の高さを少なくともいずれかの他の吹き出し口先端部の高さより低くし、段差を設けることが好ましい。

この段差により燃焼ガスの燃焼位置が、微粒子原料ガス吹き出し口より上部に移動する。このため、微粒子原料ガスより生成する微粒子がスケールとなりガス吹き出し口を閉塞させることが抑制される。微粒子原料ガスを吹き出す中央の吹き出し口先端部の高さは、いずれかの他の吹き出し口先端部の高さより低ければ、不活性ガス吹き出し口先端部と同じ高さに設置してもよいし、最外側に設置されたガス吹き出し口先端部と同じ高さに設置してもよいし、最外側に設置されたガス吹き出し口先端部と不活性ガス吹き出し口先端部の間の高さに設置してもよい。ただし、微粒子原料ガスを吹き出す中央の吹き出し口先端部は、不活性ガス吹き出し口先端部と同じ高さに設置するのが、よりスケールの付着が抑制される点で好ましい。

不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼支燃ガス吹き出し口先端部との高さの差、または不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼ガス吹き出し口先端部の高さの差の最大値をＨとし、燃焼ガスの短軸方向の長さまたは中心位置にあるガス吹き出し口の短軸方向の長さのいずれか短い方の長さをＬとしたとき、Ｈ／Ｌが０．５〜２５であることが好ましい。

Ｈ／Ｌが０．５以下の場合、火炎の移動距離がスケールを抑止するためには十分ではない。Ｈ／Ｌが２５を超えた場合、段差部が長すぎるため中心バーナーより吐き出した燃焼ガスまたは燃焼支燃ガスが不活性ガス中に拡散混合し、外周部吹き出し口で燃焼ガスまたは燃焼支燃ガスで直ちに燃焼してしまいスケールの付着を抑止できない。Ｈ／Ｌは１〜２０であることが更に好ましく、２〜１０であることが特に好ましい。

このような長軸短軸の長さが大きく異なるバーナーに均一にガスを流すためには、断面形状が一定の整流部を設けることが好ましい。整流部の長さは、ガス吹き出し口の短軸方向の長さの３０倍以上とすることが好ましく、４０倍以上３００倍以下であることがより好ましく、５０倍以上１００倍以下であることが特に好ましい。

図１３は図１に記した態様のバーナーの短軸に平行な断面線Ａ−Ａ´での断面図である。燃焼支燃ガス整流部４０、４４、不活性ガス整流部４１、４３、燃焼ガスおよび微粒子原料ガス整流部４２を備えている。また、図１３では燃焼支燃ガス導入部１、５、不活性ガス導入部２、４、燃焼ガスおよび微粒子原料ガス導入部３を備えている。各整流部はガス導入部と吹き出し口を繋いでおり、吹き出し口と同じ形状の断面形状を有している。

燃焼支燃ガス整流部４０、４４の長さ、不活性ガス整流部４１、４３の長さ、燃焼ガスおよび微粒子原料ガス整流部４２の長さはそれぞれ図１３における、Ｌ１〜Ｌ５として図示している。図１３において不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼支燃ガス吹き出し口先端部との高さの差がＨとなる。

それぞれのガス導入部の幅は、図１３において、Ｗ１〜Ｗ５として図示している。整流部下端にガス吹き出し口の短軸方向の長さの４倍以上の幅を持つガス導入部を有する構造であれば、長軸方向にガスを均一に導入することが可能であり更に好ましい。

ガス導入部の幅はガス吹き出し口の短軸方向の長さの４倍以上３０倍以下であることがより好ましく、５倍以上１０倍以下であることが特に好ましい。

燃焼ガスとしては、水素、メタンなどの炭化水素ガス、メタノール、エタノールなどのアルコールなどを使用することができる。
燃焼支燃ガスとしては、酸素含有するガスであればいかなるガスも使用することができる。
不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素などを使用することができる。

微粒子原料ガスとしては以下のガスまたはこれらの混合ガスが挙げられる。

Ｓｉ源としては、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_３Ｃｌなどの塩化物、ＳｉＦ_４、ＳｉＨＦ_３、ＳｉＨ_２Ｆ_２などのフッ化物、ＳｉＢｒ_４、ＳｉＨＢｒ_３などの臭化物、ＳｉＩ_４などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またＲ_ｎＳｉ（ＯＲ）_４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシシランが挙げられる。

Ｔｉ前駆体としては、ＴｉＣｌ_４、ＴｉＢｒ_４などのハロゲン化チタン化合物、またＲ_ｎＴｉ（ＯＲ）_４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシチタンが挙げられる。

Ｓｉ前駆体およびＴｉ前駆体としては、シリコンチタンダブルアルコキシドなどのＳｉとＴｉの化合物を使用することもできる。

Ｓｎ前駆体としては、ＳｎＣｌ_４、ＳｎＢｒ_４などのハロゲン化スズ化合物、またＲ_ｎＳｎ（ＯＲ）_４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシスズが挙げられる。また、Ｓｉ前駆体およびＳｎ前駆体として、シリコンスズダブルアルコキシドなどのＳｉとＳｎの化合物を使用することもできる。Ｓｎを含有させるためのガラス形成原料として、塩素やフッ素を含む化合物を用いると、最終的に得られるガラスにも塩素やフッ素を含有させることができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されない。尚、例１、３が実施例であり、例２が比較例である。

［例１］
短軸方向の長さＬ_６が０．７５ｍｍ、長軸方向の長さＬ_７が７０ｍｍの５つのガス吹き出し口２０、２１、２２、２３、２４を平行に配置した図１バーナーを使用し、この内中心部の３つのガス吹き出し口１１、１２、１３を外縁部の２つのガス吹き出し口２０、２４より５ｍｍ低くした図１のバーナーを用いてチタンドープシリカガラスの合成を行った。燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口２２からのバーナーの隔壁の高さｈは５ｍｍである。

燃焼ガスと微粒子原料ガスは、燃焼ガスとして水素３Ｌ／ｍｉｎ、微粒子原料ガスとして四塩化珪素１．４ｇ／ｍｉｎおよび四塩化チタン０．０８ｇ／ｍｉｎの混合ガスを燃焼ガスおよび微粒子原料ガス導入部３より導入し、燃焼ガスおよび微粒子原料ガス整流部１２により整流した後、燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口２２より噴射した。

不活性ガスは不活性ガス導入部２、４より窒素をそれぞれ１．５Ｌ／ｍｉｎ導入し、不活性ガス整流部７、９により整流した後、ガス吹き出し口１２、１４より噴射した。

燃焼支燃ガスは燃焼支燃ガス導入部１、５より酸素をそれぞれ３Ｌ／ｍｉｎ導入し、燃焼支燃ガス整流部１０、１４により整流した後、燃焼支燃ガス吹き出し口２０、２４より噴射した。

各ガスのガス導入部の幅を１０ｍｍ、またガス整流部の長さは１００ｍｍとした。噴射したガスに火炎を形成し、火炎中で合成した微粒子を、バーナー上に設置した石英ロット上に堆積させφ８０ｍｍの円柱状の微粒子集合体を作成した。

作成した微粒子集合体を１５００℃で５時間熱処理をし、微粒子を互いに融着させφ３５ｍｍの円柱状のガラス体を作成した。次いで、φ３５ｍｍ、厚さ６ｍｍの円盤状に輪切りし蛍光Ｘ線解析装置を用いてガラス体中のチタン濃度を５ｍｍ間隔で７点測定した。切り出した円盤内のチタン濃度の平均値は６．０ｗｔ％であり、最大―最小濃度差は０．２ｗｔ％であった。

上記のように本発明の微粒子合成用バーナーを用いると金属ドープシリカガラスを作成する場合の金属組成の均一性を向上することができる。

［例２］
図１２のような外径１８ｍｍの同心円バーナーを用いて、中心部分の燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口３０より燃焼ガスとして水素を３Ｌ／ｍｉｎ、微粒子原料ガスとして四塩化珪素１．４ｇ／ｍｉｎと四塩化チタン０．０８ｇ／ｍｉｎとを、噴射した。

燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口３０の内径はφ８ｍｍ、不活性ガス吹き出し口３１の内径はφ９ｍｍ、外径はφ１１ｍｍ、ガス吹き出し口３２の内径はφ１２ｍｍ、外径はφ１４ｍｍとした。

中心部分の外周に設置した不活性ガス吹き出し口３１より不活性ガスとして窒素を３Ｌ／ｍｉｎ噴射した。
更に外周のガス吹き出し口３２より燃焼支燃ガスとして酸素を６Ｌ／ｍｉｎ噴射した。
火炎中で合成した微粒子を、バーナー上に設置した石英ロット上に堆積させφ７５ｍｍの円柱状の微粒子集合体を作成した。

作成した微粒子集合体を１５００℃で５時間熱処理をし、微粒子を互いに融着させφ３３ｍｍの円柱状のガラス体を作成した。次いで、φ３３ｍｍ、厚さ６ｍｍの円盤状に輪切りし、例１と同じ方法で集合体中のチタン濃度を測定した。切り出した円盤内のチタン濃度の平均値は７．５ｗｔ％であり、最大―最小濃度差は０．６ｗｔ％であった。

［例３］
ガス吹き出し口の段差について火炎シミュレーションを行い、効果を検討した。バーナーモデルとして、長軸方向の長さを無限大とする２次元シミュレーションモデルを用いた。モデルの概念図を図１４に示す。中心に、短軸方向の幅が２．５ｍｍである燃焼ガス吹き出し口４２を設定した。燃焼ガス吹き出し口４２の両脇に距離６．２５ｍｍの位置に幅が２．５ｍｍである不活性ガス吹き出し口４１、４３を設定した。更に不活性ガス吹き出し口４１、４３の両脇に距離１．２５ｍｍの位置に幅が３．７５ｍｍである燃焼支燃ガス吹き出し口４０、４４を設定した。それぞれの吹き出し口の整流部の長さは吹き出し口の短軸方向の幅の３０倍とした。燃焼ガス吹き出し口４２と不活性ガス吹き出し口４１、４３は同じ高さに設定し、燃焼支燃ガス吹き出し口４０、４４は燃焼ガス吹き出し口４２および不活性ガス吹き出し口４１、４３よりＨ（ｍｍ）高い位置に設定した。シミュレーションに使用するガスは、燃焼ガスとして水素を、不活性ガスとして窒素を、燃焼支燃ガスとして酸素を使用した。

ガスの流量比は燃焼ガス（水素）、不活性ガス（窒素）、燃焼支燃ガス（酸素）がそれぞれ３．０ｍ／ｓ、０．４ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓになるようにした。また、Ｈを変えた場合の水素ガス吹き出し口から着火点の高さを計算により求めた。着火点高さは、本実施例では燃焼ガス吹き出し口４２からフレーム下端位置までの距離を意味する。結果を表１に示す。表１では、着火点高さは燃焼ガス吹き出し口４２から着火点までの距離のことを意味し、燃焼支燃ガス吹き出し口位置と燃焼ガス吹き出し口位置との高さの差Ｈとの比で表示している。

Ｈ／Ｌがゼロの場合、着火点高さはゼロとなり着火位置は水素ガス吹き出し口となるため、吹き出し口でのスケール形成は避けられない。これに対してＨ／Ｌを２．５とすると着火点高さはＨの３倍上方になるため、ガス吹き出し口へのスケール付着はほとんど起こらない。Ｈ／Ｌを大きくしていくに従い、着火点高さ／Ｈは１に近くなり着火点位置は燃焼支燃ガス吹き出し口の位置に近づいていく。Ｈ／Ｌを２５にした場合、着火点はほぼ燃焼支燃ガス吹き出し口の位置となり燃焼支燃ガス吹き出し口にスケールが付着すると考えられる。

本発明の微粒子合成用バーナーはシリカガラス、中でも金属を含有するシリカガラスの気相反応合成法で使用される。

中央吹き出し口先端部の高さが他の吹き出し口の少なくともいずれか一つの吹き出し口先端部の高さより低い構造である本発明のバーナーの一例中央吹き出し口先端部の高さが他の吹き出し口の少なくともいずれか一つの吹き出し口先端部の高さより低い構造である本発明のバーナーの一例中央吹き出し口先端部の高さが他の吹き出し口の少なくともいずれか一つの吹き出し口先端部の高さより低い構造である本発明のバーナーの一例中央吹き出し口先端部の高さが他の吹き出し口の少なくともいずれか一つの吹き出し口先端部の高さより低い構造である本発明のバーナーの一例中央吹き出し口先端部の高さが他の吹き出し口の少なくともいずれか一つの吹き出し口先端部の高さより低い構造である本発明のバーナーの一例各吹き出し口が矩形で、同心状に配置された場合の本発明のバーナーの一例各吹き出し口が楕円形で、同心状に配置された場合の本発明のバーナーの一例中央の吹き出し口先端部の高さが他の全て吹き出し口先端部の高さより低くない構造を有するバーナーの一例中央の吹き出し口先端部の高さが他の全て吹き出し口先端部の高さより低くない構造を有するバーナーの一例中央の吹き出し口先端部の高さが他の全て吹き出し口先端部の高さより低くない構造を有するバーナーの一例中央の吹き出し口先端部の高さが他の全て吹き出し口先端部の高さより低くない構造を有するバーナーの一例実施例２に用いた同心円バーナー図１のバーナーの断面図２次元バーナーシミュレーションモデル概念図

符号の説明

１：燃焼支燃ガス導入部
２：不活性ガス導入部
３：燃焼ガスおよび微粒子原料ガス導入部
４：不活性ガス導入部
５：燃焼支燃ガス導入部
１０：燃焼支燃ガス整流部
１１：不活性ガス整流部
１２：燃焼ガスおよび微粒子原料ガス整流部
１３：不活性ガス整流部
１４：燃焼支燃ガス整流部
２０：燃焼支燃ガス吹き出し口
２１：不活性ガス吹き出し口
２２：燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口
２３：不活性ガス吹き出し口
２４：燃焼支燃ガス吹き出し口
２７：同心状に配置されたバーナーの燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口
２８：同心状に配置されたバーナーの不活性ガス吹き出し口
２９：同心状に配置されたバーナーの燃焼支燃ガス吹き出し口
３０：同心円バーナーの燃焼ガスおよび微粒子原料ガス吹き出し口
３１：同心円バーナーの不活性ガス吹き出し口
３２：同心円バーナーの燃焼支燃ガス吹き出し口
４０：２次元モデルの燃焼支燃ガス吹き出し口
４１：２次元モデルの不活性ガス吹き出し口
４２：２次元モデルの燃焼ガス吹き出し口
４３：２次元モデルの不活性ガス吹き出し口
４４：２次元モデルの燃焼支燃ガス吹き出し口
５０：隔壁

Claims

微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、
該バーナーは、バーナー中央から外側に向かって吹き出し口として、微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口とをこの順に同心状に備え、
それぞれの吹き出し口の形状は短軸と長軸との比が２０以上の楕円形であり、
燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼支燃ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナー。
微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、
該バーナーは、バーナー中央から外側に向かって吹き出し口として、微粒子原料ガスおよび燃焼支燃ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼ガス吹き出し口とをこの順に同心状に備え、
それぞれの吹き出し口の形状は短軸と長軸との比が２０以上の楕円形であり、
燃焼支燃ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナー。
微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、
該バーナーは、微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼支燃ガス吹き出し口とを有しており、
それぞれの吹き出し口の形状は短辺と長辺との比が２０以上の矩形であり、
不活性ガス吹き出し口は微粒子原料ガスおよび燃焼ガス吹き出し口の長辺の両外側に、燃焼支燃ガス吹き出し口は不活性ガス吹き出し口の長辺の両外側に、順に設けられ、
燃焼ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼支燃ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナー。
微粒子原料ガス、燃焼ガスおよび燃焼支燃ガスを反応させ微粒子集合体を合成するためのバーナーであって、
該バーナーは、微粒子原料ガスおよび燃焼支燃ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口、燃焼ガス吹き出し口とを有しており、
それぞれの吹き出し口の形状は短辺と長辺との比が２０以上の矩形であり、
不活性ガス吹き出し口は微粒子原料ガスおよび燃焼支燃ガス吹き出し口の長辺の両外側に、燃焼ガス吹き出し口は不活性ガス吹き出し口の長辺の両外側に、順に設けられ、
燃焼支燃ガス吹き出し口先端部の高さが不活性ガス吹き出し口または燃焼ガス吹き出し口の少なくともいずれか一方の吹き出し口先端部の高さより低いことを特徴とする微粒子合成用バーナー。
燃焼ガスと燃焼支燃ガスとの混合を防ぐための隔壁を燃焼ガス吹き出し口の短軸に沿って備えている請求項３または４に記載の微粒子合成用バーナー。
燃焼ガスと燃焼支燃ガスとの混合を防ぐための隔壁を燃焼支燃ガス吹き出し口の短軸に沿って備えている請求項２または４記載の微粒子合成用バーナー。
燃焼ガス吹き出し口、不活性ガス吹き出し口および燃焼支燃ガス吹き出し口を略同心状に備える請求項３または４記載の微粒子合成用バーナー。
不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼支燃ガス吹き出し口先端部との高さの差、または不活性ガス吹き出し口先端部の高さと燃焼ガス吹き出し口先端部の高さの差の最大値をＨとし、燃焼ガス吹き出し口の短軸方向の長さまたは燃焼支燃ガス吹き出し口の短軸方向の長さのいずれか短い方の長さをＬとしたとき、Ｈ／Ｌが０．５〜２５である請求項１〜７のいずれかに記載の微粒子合成用バーナー。
微粒子原料ガスが２種類以上の金属化合物を含むガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の微粒子合成用バーナーを用いた微粒子合成方法。
ガス吹き出し口の短軸方向の長さの３０倍以上の長さの整流部を有し、整流部下端にガス吹き出し口の短軸方向の長さの４倍以上の幅を持つガス導入部を有する請求項１〜９のいずれかに記載の微粒子合成用バーナー。