МНОГОФОРСУНОЧНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ ТРУБООБРАЗНАЯ ГОРЕЛКА-ОСАДИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК КАК ПОЛУФАБРИКАТОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Российский патент 2015 года по МПК C03B37/18 H05H1/42 

Изобретение относится к многофорсуночной трубообразной плазменной горелке-осадителю для производства заготовок как полуфабрикатов для изготовления оптических волокон, причем к горелке подводится поток среды, содержащий стеклянный исходный материал и газ-носитель. Кроме того, предусмотрены средства для подачи по меньшей мере одной легирующей присадки при помощи по меньшей мере одного газа-прекурсора, а также создается по существу перпендикулярная ориентация продольной оси горелки относительно центральной оси субстрата согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу производства заготовок как полуфабрикатов для изготовления оптических волокон.

Уровень техники

Индуктивные плазменные горелки известны с начала шестидесятых годов и применяются предпочтительно для обработки материалов, для синтеза мелкозернистых порошкообразных материалов и в качестве источника возбуждения в спектроскопии. Горелки для получения индуктивно сопряженной плазмы при атмосферном давлении состоят, как правило, из трех концентрически расположенных кварцевых труб. В известных конструкциях газ-носитель перемещается ламинарным потоком через разрядную трубку малого диаметра. При больших диаметрах разрядной трубки газ-носитель проходит в турбулентном потоке.

Применение плазменной обработки при производстве кварцевого стекла с низким содержанием ОН и кварцевого стекла с добавками, а также использование плазменной обработки для изготовления преформ при производстве световодов известно ранее из патентного документа DE 25 36 457. Для использования при производстве световодов требуется соблюдение различных условий. Так, например, сердцевина и оболочка должны состоять из кварцевого стекла высокой чистоты, и оболочка должна иметь определенный показатель преломления, который для создания соответствующего пути прохождения волн должен быть ниже, чем показатель преломления сердцевины.

Для достижения требуемого пониженного показателя преломления оболочки в пламя плазменной горелки дополнительно вводится безводородное соединение фтора, разлагающееся при нагревании и находящееся в парообразном состоянии. Получение осесимметричной заготовки для производства световодов удается благодаря тому, что в качестве мишени или субстрата применяется кварцевый цилиндр, и осаждение определенных фторсодержащих слоев оболочки производится на вращающемся цилиндрическом сердечнике при одновременном относительном движении плазменной горелки к цилиндрическому сердечнику.

В уже упоминавшемся патентном документе DE 25 36 457 раскрывается горелка, которая состоит из трех концентрических труб кварцевого стекла. Внешняя труба должна быть больше средней, а она, в свою очередь, - больше внутренней трубы. Сквозь внутреннюю трубу подводится рабочий газ с соединением кремния, он включает в себя находящееся в парообразном состоянии фторсодержащее соединение. Через пространство между внутренней и средней трубой, а также между средней трубой и внешней трубой подается кислород в качестве разделительного газа. Продувка средней и внешней трубы соответственно разделительным газом дает то преимущество, что на горелке не осаждается диоксид кремния. Три кварцевых трубы уплотнены относительно друг друга и относительно атмосферы металлической оправой. Вокруг свободного конца внешней трубы расположена собственно индукционная катушка, которая питается от высокочастотного генератора. Через тангенциально расположенные трубопроводы подводятся рабочий газ и оба разделительных газа. Зажигание плазмы происходит с помощью аргона. Вследствие высокой температуры пламени плазмы SiCl₄ разлагается и реагирует с кислородом, образуя двуокись кремния SiO₂, которая на мишени осаждается и одновременно агломерируется. Высокой температурой плазмы разлагается также фторсодержащее соединение, и фтор внедряется в осажденную стеклянную двуокись кремния SiО₂.

Альтернативные конструкции плазменной горелки раскрыты, например, в патентном документе DE 298 23 926 А1. В описанной там плазменной горелке также кварцевое стекло, предпочтительно без добавок, осаждается на вращающейся симметричной цилиндрической мишени. Однако там целью является производство труб или заготовок для производства световодов, а не предварительных форм для фторсодержащих волокон со ступенчатым изменением показателя преломления. Применяемые в упомянутом уровне техники плазменные газы включают в себя азот и кислород в соответствующем соотношении. Газы-среды - SiCl₄, кислород и газообразное вещество, отдающее фтор, предпочтительно SF₆. Сама плазменная горелка состоит из корпуса горелки в форме трубы из кварцевого стекла. Вокруг верхнего участка внешней кварцевой трубы предусмотрена индукционная катушка из меди. Кроме того, имеется пара форсунок, расположенных по бокам, которые служат для того, чтобы впрыскивать в плазму прекурсоры. Эти форсунки выполнены из кварцевого стекла и имеют небольшой внутренний диаметр и специальную форму поперечного сечения в плоскости выхода. Сами впрыскивающие отверстия находятся диаметрально противоположно друг к другу и смещены в стороны относительно друг друга.

Патентный документ DE 102 31 037 С1 относится к способу и устройству для производства полуфабриката из синтетического кварцевого стекла при помощи способа осаждения на основе плазмы.

В нем используется многофорсуночная горелка-осадитель, к которой подводится не содержащий водорода поток среды, включающей в себя стеклянный исходный материал и газ-носитель. Стеклянный исходный материал посредством горелки-осадителя вносится в зону плазмы и окисляется там с образованием частиц SiO₂. Частицы SiO₂ осаждаются на поверхности отложения и при этом непосредственно остекловываются.

Для повышения эффективности осаждения там предлагается при помощи горелки-осадителя фокусировать поток среды в направлении зоны плазмы.

Раскрытие изобретения

Поэтому исходя из вышеизложенного задача изобретения состоит в создании усовершенствованной многофорсуночной трубообразной плазменной горелки-осадителя, предназначенной для производства заготовок как полуфабрикатов для изготовления оптических волокон, которая позволяет повысить степень осаждения SiO₂ на субстрате, т.е. подложке или мишени и эффективность внедрения фтора. Для этого частичной задачей изобретения является создание возможности устанавливать с помощью такой горелки-осадителя заданные условия осаждения, которые обеспечивают желаемую высокую степень осаждения при достаточно высоком качестве слоя. В конечном итоге результатом этого должно cтать сокращение удельного потребления энергии и материалов и экономия затрат.

Решение задачи изобретения достигнуто в части устройства сочетанием признаков по пункту 1, а также способом согласно пункту 23 формулы изобретения.

В соответствии с этим изобретение исходит из конструкции многофорсуночной трубчатой плазменной горелки-осадителя, предназначенной для производства заготовок как полуфабрикатов для производства оптических волокон, причем к горелке подводится поток среды, содержащий стеклянный исходный материал и газ-носитель. Кроме того, предусмотрены средства для подачи по меньшей мере одной легирующей присадки при помощи по меньшей мере одного газообразного предшественника, причем продольная ось горелки находится по существу перпендикулярно к центральной оси подложки или мишени, далее называемой подложкой, как правило, вращающейся.

Согласно изобретению первый частичный поток первого газа или газовой смеси, в частности газа-предшественника, подводится с нижней стороны горелки к плазме и подожке через по меньшей мере одну форсунку, проходящую по продольной оси горелки, а второй частичный поток первого газа или газовой смеси либо другого газа-предшественника подводится через дополнительную форсунку, в особенности пару форсунок, таким образом, что частичные потоки объединяются вблизи подложки.

Следовательно, подача газа-предшественника производится сначала как бы снизу перпендикулярно к оси подложки при помощи конструкции из трубчатых форсунок, которая имеет, например, одно или несколько выходных отверстий, круглых, овальных или квадратных либо многоугольных по форме поперечного сечения, причем размер поперечного сечения или суммы поперечных сечений выбирается в зависимости от желаемого объема выхода.

Степень осаждаемости существенно повышается в соответствии с задачей благодаря тому, что другой частичный поток газа-предшественника подводится по меньшей мере двумя форсунками, в частности цепочками форсунок, которые находятся сбоку ниже подложки вблизи горелки. При этом боковые форсунки или цепи форсунок расположены так, что потоки газа-предшественника встречаются под подложкой, и течения в центре потока плазмы почти компенсируют друг друга. Соотношение между частичными потоками регулируется в соответствии с размером подложки или мишени.

В варианте исполнения по меньшей мере еще одна дополнительная форсунка или пара форсунок для второго частичного потока расположена со смещением относительно продольной оси горелки, причем пара форсунок в свою очередь расположена под углом относительно продольной оси горелки. Этот угол может варьировать в пределах, например, 45° до 135° по отношению к продольной оси горелки.

Как уже упоминалось, каждая из пар форсунок может включать в себя цепочку форсунок, причем цепочки форсунок в парах форсунок находятся напротив друг друга, под определенным углом, однако, обычно нестрого /непосредственно/ напротив. Этот вышеупомянутый угол в одном из вариантов исполнения является изменяемым.

Пара форсунок для получения второго частичного потока расположена вне самой горелки, а именно на расстоянии от ближайшей к субстрату трубы горелки, в пространстве между горелкой и поверхностью субстрата.

Согласно изобретению предусмотрены более двух цепочек форсунок, которые производят тангенциальную, по отношению к конфигурации трубы горелки, составляющую потока газа.

В одном из вариантов исполнения пара форсунок или соответствующие цепочки форсунок подвижны и выполнены регулируемыми, причем оптимальное положение может устанавливаться также во время процесса нанесения покрытия в зависимости от различных параметров процесса, например, от направления движения субстрата, автоматически или вручную - по выбору.

Горелка включает в себя известные трубы, проходящие вдоль продольной оси горелки, причем согласно изобретению они выполнены в виде двух труб, проходящих одна в другой. Эти трубы могут состоять из стеклянного и/или керамического материала, но также и из органического полимера или полимерного соединения. Возможно здесь также применение стеклянного или керамического материала, который покрыт слоем органического материала, например органической пленкой. По меньшей мере одна из труб, проходящих одна в другой, выполнена толстостенной, т.е. имеет, например, толщину стенки равную или более 2 мм. Толщина стенки самой крупной трубы может выбираться в области от ≥ 2 мм по существу до 20 мм.

Трубы расположены одна в другой концентрично или с отклонением от концентрического положения, причем толщина стенки находится в пределах от > 5 мм по существу до 20 мм.

Внутренняя часть системы труб находится на большем расстоянии от области плазмы, чем внешняя труба системы труб.

Кроме того, согласно изобретению предусмотрено, что подача газа-прекурсора производится через камеру, т.е. горелка-осадитель имеет по меньшей мере одну такую камеру, которая служит для смешивания газов или для ламинаризации потока газа.

Цепочки форсунок, выполненные однорядными или многорядными, могут иметь вид пластины, которая имеет множество отверстий-форсунок одинаковой или различной формы. Отверстия форсунок располагаются предпочтительно под углом от 35° до 55°, так что эта конструкция создает спирально закрученное течение потока.

Дополнительно существует возможность окружать систему труб горелки завесой из азота, который, в свою очередь, подводится охватывающей трубой.

Форсунка для первого частичного потока газа, проходящая по продольной оси горелки, также может включать в себя группу форсунок. Эта группа форсунок может включать в себя, как это представлено вначале, осаждающие форсунки, имеющие различные либо изменяемые формы поперечного сечения или площади поперечного сечения.

Благодаря предусмотренной согласно изобретению большей толщине стенок труб, в частности, применяемых в качестве внутренней трубы плазменной горелки, предотвращается досрочное осаждение материалов на горелке и тем самым повышается стабильность процесса и срок службы горелок.

Расстояние между форсунками одной пары форсунок для создания второго частичного потока составляет в предпочтительном варианте исполнения от 0,1 мм до 10 мм по отношению к верхнему краю самой верхней плазменной трубы, т.е. той трубы, которая находится ближе всего к субстрату.

В следующем варианте исполнения изобретения существует возможность целенаправленно увеличивать расстояние от форсунок пары, служащих для создания второго частичного потока относительно верхнего края наиболее высоко поднятой трубы плазмы. Преимущество, получаемое при этом, следует из более низкой температуры в месте расположения или подведения форсунок пары форсунок, что позволяет избегать отрицательных влияний на подводимый газ или смесь газов.

Форсунки для создания первого частичного потока выполнены таким образом, что имеется возможность подводить газ не перпендикулярно к продольной оси субстрата, а под углом, отличным от прямого. Угол подвода предпочтительно устанавливается в области от 35° до 55°, чтобы оптимальным образом направлять частицы стеклянного материала на поверхность субстрата при высокой производительности процесса осаждения и в то же время, чтобы предотвращать спекание на трубах горелки.

При сочетании горелки-осадителя согласно изобретению с одной или несколькими газовыми горелками получается лучшая характеристика плавления при высокой производительности процесса осаждения, причем с помощью по меньшей мере одной дополнительной горелки остаточное напряжение в готовом полуфабрикате с покрытием сокращается, приближаясь к нулю. Применение таких обыкновенных газовых горелок возможно, в частности, тогда, когда идет речь о производстве тех полуфабрикатов, волокна которых применяются в ультрафиолетовом диапазоне, при котором допустимы более высокие содержания ОН.

С помощью горелки-осадителя согласно изобретению и осуществляемого в связи с ней способа возможно использование смесей различных соединений-прекурсоров. Поэтому возможно добавление в основу (матрицу) стекла сразу нескольких легирующих присадок. Благодаря созданию частичных потоков газа возможно применение нескольких соединений кремния в изменяемых стехиометрических соотношениях и введение дальнейших добавок.

Благодаря подводу по меньшей мере двух различных соединений-прекурсоров посредством двух осаждающих форсунок имеется возможность подводить также реагирующие друг с другом соединения-прекурсоры через разделенные пути подвода. Например, первый частичный поток может характеризоваться подводом SiCl₄ с нижней стороны горелки. Таким образом, из SiCl₄ и O₂ сначала получается мелкодисперсный порошок, который вследствие его большой суммарной поверхности быстро реагирует с соответствующими источниками фтора. Эти источники фтора подводятся вторым частичным потоком.

Вследствие того что для создания второго частичного тока форсунки в паре форсунок могут размещаться независимо друг от друга в направлениях осей х, у и/или z, существует возможность улучшать степень осаждения в целом, так как может учитываться соответствующая скорость перемещения и вращения субстрата/сердечника.

Положение частичных потоков газа под углом по отношению к продольной оси горелки позволяет оптимальным образом интегрировать частичные потоки газа в общий объем потока плазмы.

В рамках дальнейших вариантов исполнения имеется возможность предусмотреть еще одну цепочку форсунок вне плазменной горелки, чтобы охлаждать сердечник и горелку, так что становится возможным создание определенной локальной атмосферы в пространстве, в котором проходит реакция. Если применяются материалы, поглощающие ультрафиолетовое излучение, то имеется возможность при производстве субстрата сокращать нагрузку на него, создаваемую ультрафиолетовым излучением.

Краткий комментарий к фигурам чертежей

Ниже изобретение более подробно поясняется на основе варианта исполнения с привлечением фигур чертежей.

При этом на фиг. 1 показано схематичное изображение в разрезе горелки-осадителя согласно изобретению с ее существенными компонентами и их расположением относительно субстрата, в частности, вращающейся стеклянной сердцевины.

Осуществление изобретения

Горелка включает в себя внешнюю трубу 3 горелки и высокочастотную катушку 6. Во внешней трубе 3 горелки находится толстостенная первая внутренняя труба 2 горелки, расположенная по существу концентрично с ней. Эта труба состоит из жаропрочного материала, например из керамики или стекла, и имеет толщину стенки от >5 мм до, например 20 мм.

Благодаря большей по сравнению с известными вариантами толщине стенки предотвращается преждевременное осаждение материалов на горелке, и это повышает стабильность процесса и срок службы конструкции в целом.

Первый частичный поток подводимого газа-прекурсора подводится к субстрату 4 через трубу 1, находящуюся внутри трубы 2, как бы снизу. По меньшей мере две цепи 5 форсунок, которые расположены напротив друг друга со смещением, создают второй, тангенциально направленный частичный поток газа-прекурсора. При этом на фигуре показана только одна из цепей 5 форсунок.

Эта пара цепей форсунок 5 расположена таким образом, что потоки газа-прекурсора встречаются ниже субстрата 4, и в центре области плазмы они взаимно уничтожаются. При этом форсунки 5 находятся на расстоянии А от верхнего края внешней трубы 3 конструкции горелки.

Это расстояние может составлять от 1 мм до 10 мм. Угол наклона форсунок 5 относительно друг друга может составлять величину между 45° и 90°, причем имеется возможность варьировать их угловое положение.

На фиг. 2 показана горизонтальная проекция горелки согласно изобретению с явно видной внешней трубой 3 горелки, а также цепи 5 форсунок, расположенные напротив друг друга со смещением, и фрагмент субстрата 4, т.е. стеклянной сердцевины, вращающейся при нанесении покрытия. Стрелками условно показано возможное движение цепей 5 форсунок в направлении вдоль субстрата 4, однако при этом имеется также возможность, альтернативная или дополнительная, поворачивать форсунки или цепи 5 форсунок в положение перед плоскостью изображения или за ней.

Изобретение относится к многофорсуночной трубообразной плазменной горелке-осадителю для производства заготовок для изготовления оптических волокон. К горелке подводится поток среды, содержащий стеклянный исходный материал и газ-носитель, и создается перпендикулярная ориентация продольной оси горелки относительно центральной оси подложки. Первый частичный поток первого газа или газовой смеси, в частности газа-предшественника, подводится с нижней стороны горелки к плазме и подложке через по меньшей мере одну форсунку, проходящую по продольной оси горелки. Второй частичный поток газа-предшественника подводится к плазме и подожке через дополнительную форсунку таким образом, что частичные потоки объединяются вблизи подложки. Горелка содержит средства для подачи одной легирующей присадки при помощи газа-предшественника. Технический результат изобретения - повышение эффективности осаждения частиц SiO₂. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многофорсуночная трубчатая плазменная горелка-осадитель для производства заготовок как полуфабрикатов для изготовления оптических волокон, причем к горелке подводится поток среды, содержащий стеклянный исходный материал и газ-носитель, причем горелка-осадитель содержит средства для подачи по меньшей мере одной легирующей присадки при помощи по меньшей мере одного газа-предшественника, при этом продольная ось горелки находится по существу перпендикулярно к центральной оси подожки, отличающаяся тем, что первый частичный поток первого газа или газовой смеси, в частности газа-предшественника, подводится с нижней стороны горелки к плазме и подложке через по меньшей мере одну форсунку, проходящую по продольной оси горелки, а второй частичный поток первого либо другого газа или газовой смеси, в частности газа-предшественника, подводится к плазме и подложке через дополнительную форсунку так, что частичные потоки объединяются вблизи подожки, причем дополнительная форсунка расположена под углом относительно продольной оси горелки.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительная форсунка выполнена в виде многосопловой форсунки или пары форсунок, включающей в себя две или больше отдельных форсунок, смещенных относительно продольной оси горелки.

3. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что каждая пара форсунок включает в себя группу отдельных форсунок как цепь форсунок, причем цепи форсунок заданных пар форсунок расположены напротив друг друга под определенным углом.

4. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что угловое положение отдельных форсунок или цепей форсунок в парах является регулируемым.

5. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что дополнительная форсунка или пара форсунок находится вне горелки, на расстоянии от ближайшей к подложке трубы горелки, в пространстве между поверхностью подожки и горелкой.

6. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что предусмотрена дополнительная форсунка или по меньшей мере одна из цепей форсунок, производящая тангенциальную,относительно конструкции трубы горелки составляющую потока газа.

7. Горелка по п. 3 или 6, отличающаяся тем, что дополнительная форсунка, пара форсунок или соответствующая цепь форсунок выполнена подвижной и регулируемой.

8. Горелка по одному из пп. 1-2, 5, 6, отличающаяся тем, что форсунка, проходящая по продольной оси горелки, включает в себя две толстостенные трубы, одна из которых проходит внутри другой.

9. Горелка по п. 8, отличающаяся тем, что трубы расположены концентрически или с отклонением от концентрического положения, причем толщина стенок труб находится в пределах от ≥2 мм до по существу до 20 мм.

10. Горелка по п. 8, отличающаяся тем, что внутренняя часть системы труб находится на большем расстоянии от пространства, занимаемого плазмой, чем внешняя часть этой системы труб.

11. Горелка по одному из пп. 1-2, 5, 6, 9, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна линия подвода газа-предшественника имеет камеру для смешивания газов и/или ламинаризации потока газа.

12. Горелка по одному из пп. 1-2, 5, 6, 9, отличающаяся тем, что цепи форсунок имеют форму пластины с большим количеством сопловых отверстий.

13. Горелка по одному из пп. 1-2, 5, 6, 9, отличающаяся тем, что система труб горелки окружена завесой из защитного газа, в особенности, азота.

14. Горелка по одному из пп. 1-3, 6, 7, 10, отличающаяся тем, что форсунка, проходящая по продольной оси горелки, выполнена в виде группы форсунок для частичных потоков, встречающихся в области плазмы.

15. Горелка по п. 14, отличающаяся тем, что группа форсунок включает в себя отдельные форсунки, имеющие различные или изменяемые поперечные сечения либо площади поперечного сечения.

16. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что дополнительная форсунка или отдельные форсунки цепи форсунок выполнены в форме щелевидного сопла.

17. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что дополнительная форсунка или отдельные форсунки цепи форсунок выполнены в виде концентрических форсунок.

18. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что цепь форсунок выполнена в виде многорядной цепочки из форсунок, расположенных друг над другом или со смещением относительно друг друга.

19. Горелка по п. 6, отличающаяся тем, что тангенциальная составляющая потока газа проходит в направлении вращения плазменной спирали.

20. Горелка по п. 7, отличающаяся тем, что дополнительная форсунка, пара форсунок или соответствующая цепь форсунок выполнена с возможностью перемещения в направлении движения подожки.

21. Горелка по п. 11, отличающаяся тем, что камера выполнена на удаленном от подожки конце горелки в виде входной камеры, проходящей в направлении вдоль горелки, с боковой подачей газа.

22. Способ производства заготовок как полуфабрикатов для изготовления оптических волокон при помощи горелки-осадителя по одному или нескольким из предшествующих пунктов.