JPS61503030A - 光学部品用材料から不純物を除去するための方法 - Google Patents
光学部品用材料から不純物を除去するための方法Info
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- JPS61503030A JPS61503030A JP59504451A JP50445184A JPS61503030A JP S61503030 A JPS61503030 A JP S61503030A JP 59504451 A JP59504451 A JP 59504451A JP 50445184 A JP50445184 A JP 50445184A JP S61503030 A JPS61503030 A JP S61503030A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
光学部品用材料から不純物を除去するための方法発明の背景
この発明は、一般に、光学部品を製造するために利用される結晶性および非晶′
碇材料の構造に置換によって若しくは浸入によって取込まれた水および水由来の
不純物例えば水酸基イオンを除去する方法に関する。
更に詳細には、そのような不純物fjc除去するための、改良された反応性雰囲
気法に関する。
光学部品を作るために、第■、■および■族元素の酸化物例えばマグネシア、ア
ルミナおよびシリカ、並びにへ〇rン化゛アルカリ例えば塩化カリウム、へロダ
ン化アルカリ土類例えばフッ化カルシウムのよった金属ハロゲン化物等独々の材
料を旨品質光学部品に加工することができる。これらの材料は、その低い光学的
吸光係数、並びに機械的および熱的特性のために、繊維光学のような光学的応用
、特にレーザーへの応用について使用することがしばしば考えられている。
これら光学材料の使用に影響を与える限定要因の1つは、物質自体の純度にある
ことが長い間認められてきた。このように、光学材料の構造に置換により若しく
は侵入により取込まれている水または水酸基イオン(OH−)の存在はたとえ微
量例えば10 ppm以下であっても、これらの材料を用いて作られたレーデ−
窓のイオン化放射に対する相安定性、損傷限界および/または焼損抵抗に有害と
なり得る。
例、tば、高出力CO2レーデ−のための窓を作る試み、にかなりの努力が払わ
れてきた。そのような窓には、適切な機械的、熱的および光学的特性の組合せが
必要とされる。多くの金属ノ・ログン化物および金属酸化物は、これらの必要な
特性の1つ以上を欠いて℃・るので、この応用には用いられていない。例えば、
少なくとも化学的および物理的に好ましい特性の組合せを有するように思われる
少数の物質の中に、NaCtおよびKCtのようなノ・ロダン化金属がある。と
ころが、ノ\ロrン化金霧単結晶から製造された窓は、水酸基イオンの夾雑の度
合に応じて好ましく tx、い影響金堂ける。そしてその夾雑の結果、レーデ−
ビームの吸光度において好ましくない窓となる。そして、その吸光度のために窓
が加熱され、ゆがむ。
水酸基イオン夾雑による同じような問題は、石英ガラスから作られた光学窓にも
見られる。すぐれた紫外線透過並びに物理的および化学的安定性のために、石英
ガラスは理想的な屈折光学材料である。ところが、石英プラスから作られた光学
プラスは、なかんずくその材料の中にたとえ低いレベルであってもOH−および
水不純物が存在することによシ放射黒化(rad、fationdarkeni
ng )を受けやすい。
水酸基イオンおよび水の夾雑は、典型的な熱分解法によるアルファアルミナ(α
−α205 )の合成において制限要因ともなる。酸化アルミニウムは、いくつ
かの異なった多形または結晶形態で存在する。アルファアルミナは、アルミニウ
ム酸化物塩たとえば、酢酸塩、硝酸塩および硫酸塩を、例えば1100〜160
0℃の高温で熱分解することにより得られる。光学的透明性がよく、機械的強度
が高く、化学的に不活性であるため、放射線用の硬質ロイコ−サファイア結晶レ
ーデ−窓のa造において、高純度のα−At20.は重要な成分である。
しかし、α−At20.が合成される熱分解反応において、アルミニウム酸化物
塩をこの多形態に100%転換させることは非常に難かしい。この難点は準安定
なアルミニウム酸化物相の構造中に不純物であるH2OおよびOH−が存在する
ためと信じられている。これらの不純物は熱分解反応中に生じるものであるが、
それがこれらのアルミニウム酸化物のα−At2o3状態への多形転換を阻害す
る。準安定なAt203相が微量の、しばしば2チはどのH2Oi含むことは、
以下に挙げる文献から周知のことである。例えば、スタンプら、Ind、 En
g。
Chem、、42.1398−1403(1950)、 プリンドレイら、J、
Mln、 Soc、 Am、 、 46.771−785(1961)、およ
びデエイら、J、 Phys、 Chem、、旦7,945−950(1953
)が挙げられる。α−At20.の調製に出発物質として用いられる多くのアル
ミニウム塩は水和水を含んでいる。このような水の存在下では、OH−は次式に
従って付加によりネットワーク構造中に取込まれると信じられている。
Q−+ H2O−→ 20H−
遍在性であるために、水およびOH−は光学材料から除去することが最も難かし
い微量不純物である。材料構造から水由来の不純物を除去するために開発された
1つの方法として、当該分野で反応性雰囲気法(RAP )と称されるものがあ
る。これによれば、水由来の不純物を含む固体状物質を、ヨウ素のよりなノ・口
rンガスおよび酸素またはヘリウムのようなキャリヤーガスの雰囲気中で酸化物
のために一般に10000を越える高温にて加熱する。それによって、材料中の
夾雑物であるOH−はニーによフ置換され、侵入によって存在した水も同時に除
去される。ところで、米国特許第4.315,832号には、レーザー効率を改
善するために、ネオジミウムをドーグしたイツトリウムアルミニウムガーネット
結晶中に存在する水および水由来の不純物を除去する方法が開示されている。そ
れによれば、結晶から0I(−および水を除去するために工2102蒸気雰囲気
中にて1500℃以上で結晶を加熱する。
I2/102RAP精製は、ガーネット結晶からOH−および水を除去する上で
効果的であると見られてきたが、この処理は思ったほど効果的でないことが分か
った。
というのは、I、102RAPによっては、H2Oおよび水由来の不純物がある
結晶の濃縮相(固体)1−貫通する前に反応装置のガス抜きにより生成するH2
Oの直接除去が充分におこなえず、その結果前記の式で表わされた反応により結
晶格子の中へOH−が取込まれるからである。
発明の概要
この発明によれば、結晶および非晶質光学材料中に置換により若しくは侵入にょ
シ取込まれた水および水由来の不純物を除去する方法が提供される。この方法は
、目的の材料を高温でハロゲンと一酸化炭素のガス状混合物に晒す工程を含み、
これによって処理結晶中の水およびOH−イオン濃度を極めて低レベルKまで減
少させることができる。
この発明を実施すれば、反応装置から出てくるH2OおよびH20由来の不純物
を除去するに適したよシ効果的な除去作用が提供されるため、従来のRAP精製
法の欠点を克服することができる。従来のRAP法ではOH−を除去するために
ハロゲンを使用し、01(−(D 結晶格子中への取込みを防ぐ。一方この発明
では、ハロゲンによる同じような除去を、ハロゲンと一酸化炭素の反応生成物で
あるハロゲン化カルビニル(coX2)にょるH20分子の除去と組合わせであ
る。
以後詳述することではあるが、ガス相中の水および濃縮相中のOH−の除去は、
ハロダンおよび一酸化炭素の混合物による方が、ハロダン/酸素混合物に基づく
精製法又は−酸化炭素もしくはハロダン単独に基づく精製法によυ実施されるよ
りもより完全に行なわれる。
約1200°K (927℃)以上の温度で、ハロダン/一酸化炭素RAP処理
による光学材料からの水の除去は次の式で示されると考えられる。
X2+H20←2HX +HO2(1)ここでI2はC10,Br2または工2
゜COOH2O−→CO2+H2(2)
I2とCO2の組合せ反応は次のようになる。
X2+CO+H2O−→2Hx+C02(3)COおよびI2反応体は、中間反
応体としてハロゲン化カルビニル(COX2)を形成するが、C0X2は水に対
して非常に反応性に富むダッターである。
この発明の方法を実施するに際し、光学材料を高温耐性のるつぼまたは?−トに
仕込む。そしてそのるつぼまたはケートを反応管に入れ、それを炉中に納める。
−例として、容積的500ないし約2.000立方センチメートルの反応管に対
して、流速の遅い例えば毎秒1立方センチメートル(1ce /sac、 )の
−酸化炭素ガスをパージし始め、反応管および反応管に付属の装置のガス交換を
する。装置を充分にパージした後、ハロ27分圧が約4 Q aiHgとなるよ
うに一酸化炭素ガスをハロゲン源で追い出す。続いて、装置を徐々に加熱し、材
料を・・ログン/−酸化炭素雰囲気中で約10〜100時間均熱する。七の後、
材料をガス相の・・口r//CO反応性雰囲気の存在下でゆっくりと冷却し、精
製材料を得る。
石英ガラスの精製にこの発明で用いられるようなI2/Co RAP処理を適用
すると、水由来の不純物の除去にとって非常に効果的であることが分った。I、
/C0RAP処理により水が攻零され、濃縮相中のOH−が除かれる。非晶質シ
リカ粉または石英ガラス粉を、約1500℃に加熱した工2//cOガス混合気
体で約10時間処理すると、シリカ粉は結晶粉すなわちβ−クリストバル石に転
化する。I2/CO精製に供された石英ガラスは、不純物a度が低いため、市販
の石英ガラスと著しく異なっている。例えば、β−クリストバル石の融点は1.
705℃と報告されているが、ガス相12700反応性雰囲気で処理したβ−ク
リストバル石は約1,800℃を越える温度で融解する。更に、RAP処理した
シリカの屈接率はより高く、このことは水分含量が低いことと一致する。この点
に関しては、G、ヘデーリングトンおよびに、 H,ジャック、Phys、 &
Chem、 Glasses、 3 、129(1962)参照。この著者ら
は、ガラス中に水分が少ないほど屈折率が高くなることを例証した。更に、重量
パーセントで表わされたOH″″含有量は、波長2.73μmで1鵡当りの光学
密度の10分の1であることが示された。この発明の方法により処理した石英ガ
ラスのΔRI値は、他の方法で処理して得られる市販の石英ガラスに比べて低く
、ヌーグ硬さは前者の方が後者より大きい。
光学的特性への影響に関すると、I2/Co RAPで精製した融解クリストバ
ル石は同時に放射線に対する抵抗性が大きく、10 MradまでのCo−60
ガンマ線によって損傷を受けない。また市販品の石英ガラスと比べてIR透明度
が非常に大きい。
ミョウバンおよび硫酸アルミニウムのようなアルミニウム酸化物塩をI、/CO
RAP環境中で熱分解すると、同じ温度で成分工、およびCOを別々にRAP処
理に用いた場合よう、実質的なα−At203への転換がより効率的図はこの発
明を実施するための装置の一例を模式%式%
発明の詳細な説明
図において、高純度(99,9チ)の−酸化炭素が容器10に収容されており、
−酸化炭素はテフロン、パイレックスまたはポリエチレン製の導入管12を介し
て流量計14に導入される。この流量計で一酸化炭素の流量を所望の値まで調節
する。例えば谷積約500ないし2,0OOccの反応管の場合には前記のごと
く1σc/seeとする。−酸化炭素は、流量計14から、テフo7、・パイレ
ックスまたはポリエチレン製の管16、パルプ18およびテフロン、パイレック
スまたはIIノエチレン製の管I0全通ジ・セイレックス製の容器22へ入る。
その容器内には、液体臭素、四塩化炭素または固体ヨウ素のような濃縮・・ロダ
ン源24が収容されている。容器22をハロフッ分圧約40鴎Hgとなるまで加
熱するが、この操作は加熱部材26を用いて行なう。抵抗型加熱部材はニクロム
でできていてもよく、そこに制御された電圧をかけて駆動させる。容器22の温
度を測定するために容器22の外壁と加熱部材260開Vこ熱電対(図示せず)
が挿入されている。容器22の中でハロゲン蒸気は一酸化炭素と混シ、そしてハ
ロrン/COQ合ガスはパルf213を介してテフロン管30へ入る。ハロゲン
/ Coがスは加熱部材体32により高温に維持される。加熱部材32は、ハロ
ダンの凝縮または結晶化、例えばI2が反応性ハロ’r’7Nスである場合上の
I2の結晶化を防ぐために管30の周夛を囲んでいる。パルプ18″f:、−酸
化炭素が容器22を迂回し、ライン34を介して管3σへ直接導入されるように
ガスハイ・!スパルブとして構成してもよい。それにより。
容器22中におけるハロゲンとの混合を選択的に防止できる。パルプ28がv3
θに取付けられ、必要に応じて管30へのハロゲンガスの流入を遮断する。同様
にパル218金容器22または管30への一酸化炭素ガスの通過を防ぐために閉
位置に設置することもできる。容器22の中で一酸化炭素と混合されたハロゲン
ガスは、管30を経、高純度(99,9チ)アルミナ製連結If#34へ入る。
管34は融解石英設キャ、プ36を貫通して高純度アルミナ製反応管38の中に
入っている。反応管38の中には1つ以上の白金でライニングしたアルミナ製&
−ト40があフ、このビートは処理されるべき材料金収存している。
上記材料は、RAPに対して反応接触表面を広げるため、粉末の形態で処理され
る。反応管38には熱電対(図示せず)が取付けられており、それは&−)40
中の粉状材料に近接したところに据え付けられ、反応管38中で材料が加熱され
たときの温度を測定するために用いられる。反応管38は、加熱部材42を備え
たP2Oの中に収容される。加熱部材42は、ハロゲン/ Co 、ガス混合物
によシ材料から水および他の不純物が取除かれる所定の温度に反応管を熱するた
めに用いられる。
反応管38には、アルミナまたは融解石英製の管44も取付けられておシ、そこ
を通して反応管38からのガス反応体が排出される。そして最後例この反応体は
排気室(図示せず)に入り、そこで過剰のハロゲンが凝縮されまたは凝結されそ
してそこに捕集される。
この排気室からガス混合物をスクラバー(図示せず)に通じ、排気ガスが大気に
放出される前に、いかなる未凝縮ハロゲンまたは他の環境に害を与えるガス生成
物全除去する。
操作に当ル、ガス状の高純度−酸化炭素を流量計14VCより流速約1 cc/
see、に調節しながら容器1oから導き出し、管16を介して容器22へ導入
する。容器22中のハロゲン源24は加熱器26で加熱し気化させる。−例とし
て、ハロゲンとしてヨウ素を用いる場合、容器22を約86℃から90℃までに
加熱し、固体のヨウ素結晶を気化させる。ガス状−酸化炭素を気化したヨウ素と
混合し、−酸化炭素中に約5チのヨウ素を含む工2/CO混合気体をつくる。モ
ル比では約1:18である。
I2/CO混合気体によシ精製される材料46を粉状にして白金I−ト4ttK
入れ、そのホードを反応管38中に入れ、これを電気炉4o中に収容する。炉の
温度は、ボートの温度を約1000〜15001:またはそれ以上に上昇させる
ようにコイル42によって調節する。
その温度でI2/COガス混合物にょジ、材料中に存在する不純物である水を攻
撃し、凝縮相中のOH−を追い出し、その材質中の格子構造中のOH−全ハロダ
/イオンで置換する。目的の粉をRAP PfI製するために、゛反応性I2/
COガス混合物をその粉の上に約16ないし64時間、好ましくはわずか約16
時間通過させる。
石英ガラス(α−クリストバル石)の場合のように必要とあれば、水を含まない
粉46を室温にまで冷却した後、その粉46f、収答しているyh’−)48を
、交互に排気し、ヘリウムで・ザーゾしであるも51つの炉(図示せず)に移す
。続いてこの粉をヘリウム雰囲気下1900℃にて約1時間融解する。そして冷
却に際し、この石英ガラスは融点が180o′Ct越える融解クリストバル石に
多形転移する。
次の実施例は、この発明を説明するために記述されたものであフ、この発明の範
囲を限定するものと解すべきではない。
実施例■
図に模式的に示した装置を用いて、粉状の脱水アンモニウムミ、ウパン(NH4
At(SO4)2)を1つの白金でライニングしたlりのアルミナ&−ト4g中
に仕込んだ。水和塩NH4Aj(SO2)2−12H20を真空炉中K テ10
0℃で70時間加熱して水和水をアンモニウムミ、クバンから前もって除去して
おいた。脱水アンモニウムミ、ウパンを仕込んだ&−)40を反応管38に収容
し、この反応管をシリカ製キャッ7″36で密封し、炉4゜に入れた。炭化ケイ
素棒である加熱部材42に制御された′4圧を印加してこれを駆動し、温度を1
070℃に上げた。高純度のCoを流J計で測定して約1 cc7sec、の流
速で容器10からヨウ素蒸気を含む容器22の中に導入した。ヨウ素蒸気:は、
=−クロト線でできた加熱部材26に制御された1と土1印加11.て駆動させ
ることによって容器22中の温度を約136−・−90’Ci’i’:士ゼトさ
せて工、全・気化さ達ることに二つし発生する。I2とCOの混合気体(づ1、
−亙ル比1:j8すなわちCOfス中にI。
ガスが約591であつた1、バルブ°28を1岸きX、/Co−1fメ混合物金
W30に導き、続いて温度1070℃まで加熱した反応管38に導入した。そこ
で脱水アンモニウムミ、ウパ゛/11070℃にて16時時間2//1″、Of
ス1昆合物にさらした。+′の後、反応管38を室温に′止で冷却し、出金+t
” ) 40と七の内容換金取出した。ヒート中の内容物f、X線粉末回折てか
け分析した。この試験結果を以下の衣Iに記載する。
更に、実施例Iの方法を繰り返し、た。ただし、At2(S04)・18H20
金100℃で70時間かけ脱水したもの全脱水アルミニウムミ、つ・ぐンの代り
に用いた。X線粉末回折で測定した脱水硫酸アルミニウムのx27c。
RAP精襄精米結果夏に併記する。
対照を取る目的で、実施例Iの方法金繰り返した。
ただし、パルプ18を閉じ気化したヨウ素のみをRAP処理のために用い、担体
気体として別の供給源(図示セス)からのヘリウムガスを用いた。あるいは、バ
ルブI8と28を調節して、COガスの容器22への通過と気化した工、のライ
ン30への通過を遮断し、その結果結晶粉のRAP処理のためにCOガスのみで
の実験をも行った。別々に行なった一連の比較試験では、ガス状1拮P処皿剤ン
」二、水蒸気と酸素の混合気体であった。これら比較のために行なっブこア/モ
ーウムミ、ウパンおよびtaf酸7/l・ミニウ4の工、また廻、CO単独処理
訃よびH20/Co列、埋の結果金ら以下の表10で示す。こ几らのデ・−りは
dI2号C″C′示す。
弄 ■
硫酸ア、トミ;ウムのRAP処狸よμ)得られた無水アルミナ(16時間、10
70℃)
操作RAP 硫酸アルはニウム At20 、の多形1、 I 2/Co NH
a A−4(5o4) 2 α−2、I、//COy2cso4)、 α−C,
H2O102NH4A/(So4)2 α−およびいくらかのに−C2H20/
l)2 At2(So4)、 α−およびいくらかのCCs CONH4j’−
1−(S 04 )2 α−およびδ−c4 co ht2cSo4)5 α−
およびいくらかのδ−c、 I2/He NH4k1.(304)2 α−およ
び少量のδ−c 6 I 2/H@ ノu2 (So 4 ) 5 δ−および
いくらかのα−表Iに記載したX線粉末回折結果から、アルミニウム酸化物の多
形転移における不純物除去効果が分かる。このよりに、脱水アンモニウムミョウ
バンおよび硫酸アルミニウム11070℃で16時間I2/CoでRρ処理する
ことは、H2010H−の除去および100%α−At203の産生(操作番号
1〜2)において効果があった0H20/102でRAP処理することはα−A
t20.への転化に実質上効果がなかった(操作番号C1〜C2)。CO単独で
のRAP処理は不純物除去にいくらか効果がhりたが、α−At20.への10
0%転化には不十分であった(操作番号C5〜C4)。I2単独では不純物除去
にはわずかな効果しかなかった(操作番号C5〜C6)。
表■のデータは、α−At20 、状態への転移を阻止する、アルミニウム酸化
物の準安定な多形中の残留不純物を除去する上で工2//c′0反応性雰囲気が
必要であることを証明している。不純物除去のためにI2/Co RAP処理を
実施することによシ、α−A7..O、状態への100%転化を達成するために
、よフ低い温度および/またはより短かい処理時間が必要である。従って5表I
のデータは、1070℃テI、/Co RAP環境を用いることにより、NH4
Aj(So4)4およびAt2(So4)、のようなアルミニウム塩からα−A
t0.が得られることを示している。この1070℃といり温度は、当該分野で
報告されている〜3249(1964) に報告されているような1600℃以
上よ勺もかなフ低く、かつ出発物質としてベーマイト(α−ALOOH)を用い
ているウィルソンら、 J、 Sol。
5tate Chem、、 34.314〜322 (1980)に報告されて
いるより30℃低い温度である。 。
実施例■
I2/Co RAP i合ガスを約1500℃で10時間石英ガラス粉末上を通
過させた以外は実施例■の方法を繰返した。それによって石英ガラスがβ−クリ
ストバル石に転化し、それは冷却によすα−多形へと転化した。
I2/Coで処理した結晶シリカ粉末を、交互に排気し、ヘリウムで・ヤーゾし
た他の炉に移した。この結晶粉末を約1900℃にてヘリウム下で融解して融解
クリストバル石を得た。I2/Co RAPで処理したシリカ粉末の特性を以下
の表Hに示す。
比較のために、■2/CO混合ガスの代わりに工2/102混合ガスを用いた以
外は実施例■を繰シ返した。
RAP処理の石英ガラスと市販の石英ガラスであるインフラシル(Infras
ll )の吸光係数を表■に示す。
工2102およびI2/Coで処理した材料の吸光は市販のインフラシルよフ著
しく減少した。
表 ■
* 2回の平均
林 3回の平均
この発明の系の具体的構成を上に述べたが、この発明の系を効率的にするため、
若しくは改讐するために、付加的な改変を用いてもよい。それら改変もこの発明
に属するものである。
いくつかの変形例がこの明細書に示されているが、この開示内容を読んだ当該分
野に精通し゛た者には様々な応用が可能であろう。これらの応用もこの発明に含
まれる。
国際調査報告
ANNEX To THE INTERNATIONAr、5EARCHREP
ORT 0NINTER)IATIONALAPPLICATZONNo、PC
T/IJS8401849(SA8413)’ER−A−250451429/
10/132 Nons
Claims (9)
- 1.結晶性もしくは非晶質光学材料の構造中に置換によりまたは侵入により取り 込まれた水および水由来の不純物を除去するための方法であって、高められた温 度において前記光学材料を、ハロゲンと一酸化炭素との混合物を含むガス相反応 性雰囲気に、該混合物を前記光学材料の周囲および内部に存在する前記水および 水由来の不純物と反応させて前記不純物を極めて低いレベルにまで減少させるに 十分な時間さらすことからなる方法。
- 2.前記光学材料が周期率表第II族、第III族および第IV族元素の酸化物 からなる群の中からより選ばれる請求の範囲第1項記載の方法。
- 3.前記材料が石英ガラスである請求の範囲第2項記載の方法。
- 4.前記材料が酸化アルミニウムである請求の範囲第2項記載の方法。
- 5.前記光学材料が金属のハロゲン化物およびアルカリ土類金属のハロゲン化物 よりなる群の中から選ばれる請求の範囲第1項記載の方法。
- 6.前記材料を約1000゜C以上の温度まで加熱する請求の範囲第1項記載の 方法。
- 7.ハロゲン/一酸化炭素の比が約1:18である請求の範囲第1項記載の方法 。
- 8.前記ハロゲンがヨウ素元素である請求の範囲第1項記載の方法。
- 9.前記光学材料をハロゲンと一酸化炭素の混合物に約1000゜Cないし約1 500゜Cの温度で約10ないし約100時間さらす請求の範囲第1項記載の方 法。
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