NL1025963C2 - Inrichting voor het opsmelten van kwartsglasstaven. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Inrichting voor het opsmelten van kwartsglassta- ven.

Beschrijving

De uitvinding heeft betrekking op een opstelling voor het opsmelten van kwartsglasstaven van het type volgens de conclusies.

Een basiseis voor de best mogelijke optische homogeniteit 5 over de dwarsdoorsnede van gesmolten staven is de constantheid van het daarin aanwezige Si-OH, het fysisch opgeloste moleculaire waterstof H2, de ingebouwde UV-relevante structuurdefecten en de glasstructuur (dichtheid). Opdat deze parameters optimaal worden bereikt, moet de temperatuur op het reactieoppervlak (kap van de 10 staaf) zo egaal mogelijk zijn, moeten over het volledige reactieoppervlak dezelfde deeltjeslooptijden worden bereikt en moeten de stromingsomstandigheden van de deeltjes en gassen in de nabijheid van een stuwpunt eveneens constant zijn. De volgens de stand van de techniek toegepaste smeltwerkwijzen met het gebruikelijke "brander-15 schommelen" ten opzichte van de kap van de staaf tonen zonder een mogelijke aanvullende warmtebron een temperatuurgradiënt van het midden van de kap van de staaf naar de rand van de kap van de staaf van 300 tot 400 K. De oorzaken voor deze temperatuurgradiënt berusten daarop dat 20 - de brandervlam (centrale temperatuur ca. 2300°C) zelf een Gaus-sische temperatuurverdeling heeft, die bij staande brander wordt overgebracht op het glasoppervlak, het verplaatsingsgebied van de vlam duidelijk voor de rand van de kap eindigen moet om aanzetten resp. vitrificaties van de 25 moffel te vermijden, het kapoppervlak ten minste aan de rand in toenemende mate ge kromd is en de vlam dientengevolge in toenemende mate scherend op het kapoppervlak treft, de verhouding oppervlakte/volume aan de rand van de kap groter 30 wordt, aan de rand van de kap warmte wordt onttrokken door de duidelijk koudere moffelwand.

Een compensatie door langere verblijftijden van de brander aan de rand van de kap is beperkt, omdat dan het opbrengen van 1025963 I - 2 - H deeltjes in het midden van de kap zo gering wordt dat een gat ont- H staat, en ongewenst grote periodieke temperatuurwisselingen op de H kap ontstaan. Deze laatste vormen een risico voor de homogeniteit en bevorderen het ontstaan van periodieke schlieren in de kwarts- H 5 glasstaaf.

H Bovendien treden bij het omkeren van de branderbeweging over H het midden van de staaf volgens de stand van de techniek ringvor- mige brekingsindexinhomogeniteiten op, die het gebruik van de H kwartsglasstaven voor de vervaardiging van projectieoptieken voor li- 10 thografische objectieven nadelig beïnvloedt of belet.

Het vergroten van de afstand tussen de brandermond en het kap- oppervlak, dat volgens de stand van de techniek bij de branderbeweging plaatsvindt, leidt tot verschillende deeltjeslooptijden, tot stro- mingsveranderingen en daardoor tot veranderingen van de stofeigen- 15 schappen. De veranderende trefhoek van de centrale branderstroom op het kapoppervlak in de nabijheid van het brandertrefpunt beïnvloedt de stromingsomstandigheden en de stofeigenschappen op ongewenste wijze.

Volgens de stand van de techniek ontstaat een rotatielichaam met een kapvorm met lokaal veranderlijke kromming tussen kapmidden en kaprand.

I 20 Uit W001/27044 Al is een opstelling voor het vervaardigen van I homogene, schlierenvrije kwartsglaslichamen door vlamhydrolyse bekend, waarbij in de loop van het vervaardigen tussen een brander en een kwartsglaslichaam zodanig een relatieve beweging in axiale en radiale I richting plaatsvindt, dat de afstand van de brander tot het kwarts- I 25 glaslichaam met toenemende afstand van de brander tot de as van het I kwartsglaslichaam kleiner wordt en de brander slechts tussen het mid- I den van het reactieoppervlak van het kwartsglaslichaam en de rand er- I van beweegt. Hierdoor kunnen weliswaar de microstructurele defecten I worden verminderd en de homogeniteit van de optische eigenschappen I 30 worden verbeterd, maar deze verminderingen en verbeteringen zijn met betrekking tot de grootte van het kerngebied van een kwartsglaslichaam I en de materiaalopbrengst nog vatbaar voor verbetering.

I Het is het doel van de uitvinding om een opstelling voor het I vervaardigen van kwartsglasstaven te verschaffen, waarbij de met be- 35 trekking tot de optische eigenschappen homogene kerngebieden, in het bijzonder van horizontale kwartsglasstaven, vergroot zijn en het mate-riaalverbruik verminderd is. Dit betreft in hoofdzaak de homogeniteit van de brekingsindex, de spanningsdubbelbreking en de UV-absorptie.

- 3 -

Volgens de uitvinding wordt dit doel bereikt door de kenmerken van de eerste conclusie. De kenmerken van de onderconclusies dienen voor de verdere voordelige uitvoering van de uitvinding.

De uitvinding gaat ervan uit dat een kwartsglaslichaam, bij 5 voorkeur een kwartsglasstaaf met een sferische opsmeltkap ontstaat, waarbij de krommingen van de kap op alle plaatsen dezelfde zijn en ook de afscheidingsomstandigheden voor de deeltjes zo gelijkmatig mogelijk zijn. Ten opzichte van de op te smelten kap beweegt de brandermond, het doorschuifpunt van de branderas door het gasuittreedvlak van de 10 brander, in het meest algemene geval op een ruimtelijke kromme in afhankelijkheid van de drie ruimtecoördinaten x, y, z en de daarbij behorende drie ruimtehoeken α, β, γ. De uitvinding vertoont praktisch dezelfde effecten wanneer z en γ binnen bepaalde grenzen constant worden gehouden. Bij bekend zijn van β en γ is ook α gegeven, resp. kan α 15 worden berekend volgens de trigonometrische vergelijking cos α + cos β + cos γ = 1. Indien één γ resp. één z als constante zijn gegeven, dan betekent dit, dat reeds in nul-stand de as van de brander ten opzichte van de geometrische as van de kwartsglasstaaf nijgt en op voordelige wijze niet door het kruintoppunt van de kwartsglasstaaf 20 gaat. Bij horizontale opsmeltopstelling zou de brander volgens een voorafbepaald weg-tijd-regime om het middelpunt van de bolvormige kap bewegen over een cirkel (kleine cirkel) onder het horizontale vlak dat de branderas bevat, welke cirkel bij voorkeur 5 tot 10 mm afstand tot het kruinpunt heeft en welker omkeerpunten zich zo dicht mogelijk bij 25 de kaprand bevinden. Iets dergelijks geldt ook voor een verticale opsmeltopstelling. Een constant houden van z en/of γ beïnvloedt in praktijk de voordelige werking van de uitvinding niet, maar maakt aanzienlijke technologische vereenvoudigingen mogelijk, voornamelijk bij de besturing van het verloop van de beweging. Volgens de uitvinding is 30 het in principe mogelijk ook kwartsglaslichamen te vervaardigen die een volledige bol voorstellen, indien men afziet van het gebied waar zich de voor het inklemmen van het kwartsglaslichaam vereiste stempel bevindt.

De uitvinding wordt hierna aan de hand van de schematische te-35 kening nader toegelicht. Daarin tonen: fig. 1 de principeopbouw van een uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding in een axiale doorsnede, 1025963 - 4 - H fig. 2 een tweede uitvoeringsvoorbeeld ter verduidelij- king van het verloop van de beweging, in bovenaan- zicht, fig. 3 aanzichttekening van fig. 2, 5 fig. 4 een diagram ter verduidelijking van de tijdsafhan- kelijke x-beweging van een brander en de betekenis daarvan, fig. 5a)-d) de volgens bekende werkwijzen bereikte optische parameters, en 10 fig. 6a)-d) de door de uitvinding bereikte optische parame- I ters.

In fig. 1 is een moffel 10 van een spleet 11 voorzien, waar- H doorheen een brander 12 in de binnenruimte 13 van de moffel is ge- I leid, waarin zich een op te smelten kwartsglasstaaf 14 met een half- 15 bolvormige kap 16 bevindt, waarvan het krommingsmiddelpunt is aan- geduid met 15, het kruinpunt daarvan met 161 en de rand ervan met I 162. De spleet 11 kan afgesloten worden met een jaloezie, die aan beide zijden van de brander 12 is opgesteld, en kan hetzij een vol- doende breedte hebben, opdat voor de brander de beweging langs een 20 ruimtelijke kromme (baankromme) mogelijk is, die van kegelsnede- I soort is, of de spleet is zelf onder een rechte hoek ten opzichte I van het vlak van de tekening van fig. 1 gekromd en geleidt dienovereenkomstig de door niet-weergegeven aandrijfmiddelen bewo- H gen brander 12. De baankromme gaat met voordeel niet door het I 25 kruinpunt 161 van de kap 16 en ligt in het algemeen 5 tot 30 mm daarvan verwijderd. De gehele opstelling is in hoofdzaak rotatie- I symmetrisch ten opzichte van een as X-X opgebouwd, waaromheen ook de kwartsglasstaven 14 voortdurend draaien tijdens het opsmeltpro- I ces. De brander 12 kan om het middelpunt 15 tussen twee in hoofd- 30 zaak door de spleet 12 bepaalde eindposities (omkeerpunten) 121 en I 122 gezwenkt worden en volgt daarbij met verschillende baansnelheid I de genoemde ruimtelijke kromme. Hij bezit een mond Π, die zich I tijdens de volledige, zich voortdurend herhalende pendelbeweging I van de brander 12 tussen de eindposities 121 en 122 op een onveran- I 35 derlijke afstand a+r (kromtestraal) vanaf het krommingsmiddelpunt 15 van de kap 16 bevindt. De as van de brander 12 is, afgezien van het beginstadium, waarin zich eerst de sferische kap 16 moet vormen, altijd onder een rechte hoek ten opzichte van het oppervlak van de kap 16 gericht. Bij het begin van het opsmeltproces is geen - 5 - sferische aanloopkap vereist. Voor het bepalen van de schommelkromme neemt men eerst het krommingsmiddelpunt. Na afsluiten van de beginfase, die ongeveer een dag duurt, leidt het proces tot een halve bolvormige kap, met de beperking dat er een irrelevant randgebied 5 is waarin de bolvorm niet volledig is gewaarborgd.

De brander 12 wordt bij voorkeur geleid resp. bewogen door aandrijfmiddelen, bijv. door een niet weergegeven robot. De spleet 11 waarborgt daarbij dat de brandervlam ongehinderd de kap 16 treft.

10 In fig. 2 en 3 bevindt zich in de binnenruimte 13 van een smeltoven 10 een glasstaaf 14 met een sferische kap 16, waarvan het middelpunt 15 gelijktijdig de oorsprong is van een coördinatensysteem met de coördinaten x, y en z en waarin zich de hoekpunten van hoeken α, β, γ bevinden. De hoek β wordt gemeten in het x-y-vlak, 15 de hoek γ in het y-z-vlak en de hoek α in het x-z-vlak. Voor de verdere beschouwingen is de hoek γ evenals de coördinaat z van ondergeschikt belang. Een brander 12 met een mond 17 en een aangrijpingspunt 18 van een robotgeleiding beweegt tussen twee omkeerpun-ten 121 en 122 en daardoor tussen twee coördinatenpunten x0 en -x0 20 op de x-as met differentieel variërende snelheid heen en weer, en wel is de snelheid rond het kruinpunt 161 het grootst en in de nabijheid van de omkeerpunten 121, 122 het kleinst. Bij het omkeren is zij nul en wisselt van richting. Voor een kleine rit van x0 naar -x0 heeft de brander 12 30 tot 120 seconden nodig. De afstand van de 25 kruin 161 van de kap 16 tot het middelpunt 15 bedraagt 100 tot 500 mm. De afstand van de brandermond 17 tot de kruin van de kap 161 is 180 tot 250 mm. Tussen de coördinatenpunten x0 en -x0 bevindt zich een afstand van 80 tot 140 mm. De constante hoek γ tussen de staaf als Xi-Xi en de branderas X2-X2 dient 20 tot 30 graden te be-30 dragen. Alle aangegeven getalswaarden zijn op elkaar afgestemde voorbeeldwaarden, die zeker wel veranderd kunnen worden.

In fig. 4 is als voorbeeld het weg-tijd-voorschrift voor een branderverloop van x0 naar -x0, van de eindpositie 122 naar 121 weergegeven. Daaruit is te zien dat het branderverplaatsing in het 35 midden van de kruin 16, in de nabijheid van de as, het snelst is. Binnen 10 seconden wordt 1/3 van de weg tussen x0 en -Xo afgelegd.

Op deze wijze wordt een halfbolvormige kap 16 gevormd, waarvan de homogeniteit van de brekingsindex, de spanningsdubbelbreking, het OH-gehalte en de zuivere transmissie ten opzichte van de stand van 1025963 ® - 6 - H worden gezegd dat x(t) de leidende grootheid is waaruit alle andere grootheden y(t), P(t), y(t) kunnen worden afgeleid resp. bepaald.

Fig. 5 en 6 laten de door de uitvinding bereikte verbeteringen duidelijk zien. In fig. 5a) tot d) zijn de volgens de bekende H 5 werkwijzen bereikbare waarden en in fig. 6a) tot d) zijn de door de uitvinding bereikbare waarden weergegeven.

Fig. 5a) en 6a) tonen bijna een radiale verdubbeling van het kerngebied van een kwartsglasstaaf 14 met gelijkblijvende homogeni- teit van de brekingsindex. Terwijl volgens de stand van de techniek 10 slechts een gebied van r = -30 tot + 30 mm bij benadering dezelfde homogeniteit van de brekingsindex Δη heeft, loopt dit gebied bij een volgens de uitvinding vervaardigde kwartsglasstaaf van r = -55 tot +55 mm. Ook bij de spanningsdubbelbreking SDB toont de volgens de uitvinding vervaardigde kwartsglasstaaf vooral een tot de halve waarde 15 (1) verminderde variatie ten opzichte van de stand van de techniek (2), zoals fig. 5b) en 6b) laten zien. Het OH-gehalte is volgens fig.

5c) en 6c) over de straal bij de uitvinding aan kleinere variaties on- H derhevig en stijgt pas snel bij de toch al kritische waarde van r = 55 mm. Tot slot toont ook de zuivere transmissie voor licht met een 20 golflengte van 193 nm bij een volgens de uitvinding vervaardigde kwartsglasstaaf een iets geringere radiale afval dan volgens de stand van de techniek (zie fig. 5d) en 6d).

Alle in de beschrijving, de hierna volgende conclusies en de tekening weergegeven kenmerken kunnen zowel afzonderlijk alsook in H 25 willekeurige combinatie met elkaar wezenlijk voor de uitvinding zijn.

- 7 -

Verwijzingscijferlijst 10 Moffel 11 Spleet 12 Brander 5 13 Binnenruimte 14 Kwartsglasstaaf 15 Krommingsmiddelpunt 16 Kap 17 Brandermond 10 18 Aangrijpingspunt van een robotgeleiding 121, 122 Omkeerpunten (eindposities) 19 Kruinpunt 20 Kaprand a Afstand 15 r Straal α, β, y Hoek X-X, Xi-Xi, X2-X2 Assen x0, z0, zD Coördinaten 1025987

Claims (4)

1. 2. Opstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de om- keerpunten ten minste bij benadering diametraal aan de rand van de kap liggend zijn opgesteld.
2. 3. Opstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 15 snelheidsafname vanaf de kapkruin naar de omkeerpunten toe niet-li- neair is.
3. 4. Opstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de zwenkbeweging van de brander langs een ruimtelijke kromme geschiedt, die niet door het kruinmiddelpunt van de kap gaat.
4. 5. Opstelling volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de af- stand van de ruimtelijke kromme tot het kruinpunt 5 tot 30 mm, bij voorkeur 5 tot 10 mm bedraagt.