CN105271700A - 一种vad反应腔体内环境气流的控制装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，包括沉积腔体、包灯、芯灯、伸入沉积腔体的引杆、以及沉积腔体内带有过孔的隔板、以及与外部包层沉积腔抽风***连接的上抽风口、以及与外部芯层沉积腔抽风***连接的下抽风口、以及沉积腔体内穿过隔板过孔的靶棒；靶棒通过引杆实现升降和旋转；隔板将沉积腔体分隔成上部的包层沉积腔和下部的芯层沉积腔；包灯和上抽风口对应处于包层沉积腔内的靶棒部分设置；芯灯和下抽风口对应处于芯层沉积腔内的靶棒部分设置。本发明能够减少甚至隔离芯层和包层火焰之间的相互干扰，实现芯层和包层独立沉积，芯层沉积腔和包层沉积腔各自抽风的独立也使得沉积环境气流得到更有效的控制。

Description

一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置及其应用

技术领域

本发明属于光纤预制棒研发和制造技术领域，尤其是涉及一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置及其应用。

背景技术

VAD(气相轴向沉积)工艺是一种制备光纤预制棒的重要方法之一，它的主要特点是光纤预制棒的轴向生长。从喷灯喷出的卤化物原料通过水解反应氧化成微小颗粒(SiO₂或GeO₂)，芯层和包层微粒同时沿轴向沉积于旋转的石英玻璃靶棒的一端，并最终沉积成一根圆柱形状的疏松体(soot)。随后将该疏松体在线或单独脱水并烧结为透明的玻璃棒。

当前，VAD主要用于制备预制棒的芯棒soot。在沉积的过程中一般采用的是一个包层喷灯和一个芯层喷灯，通过对两个喷灯之间的距离、仰角以及抽风装置的位置进行一定程度的调整，使得包灯火焰和芯灯火焰成一个相对稳定的格局，通过化学气相沉积将GeO₂和SiO₂颗粒同时沉积至目标靶棒，逐渐形成一根圆柱形状的疏松体。在整个过程中，对喷灯的位置、抽风装置的切合度都有非常高的要求，一旦某项工艺参数出现偏差即会对沉积速率、收集效率以及整个soot的尺寸以及烧结后的芯棒的折射率稳定性产生较大影响。就VAD工艺来讲，沉积速率直接决定了生产效率；收集效率直接决定了产品的成本；soot尺寸及芯棒的折射率稳定性直接决定产品的合格率。

当前的VAD沉积***存在一些不足之处。比如：在整个VAD沉积的过程中，首要做的是保证soot的形状，如果沉积时soot底端不能维持理想的形状，一般情况下沉积出的soot烧结后的芯棒的折射率剖面不会满足要求。而soot的底端形状控制与芯灯火焰和包灯火焰的形状与格局非常有关，不仅要考虑到两个喷灯与靶棒之间的布局，还需考虑芯灯和喷灯之间的相互影响，使其位置处于一个比较切合的状态。因此校准整个***、特别是喷灯位置是一个非常复杂且耗时的工艺活动。如果能够实现芯包沉积分离，使得芯灯火焰和包灯火焰之间不再引入气流、原料以及火焰混合带来的一些难以控制的因数，那么，在芯灯和包灯的位置调整时只需要考虑各自针对靶棒之间的校准，从而使得每次的调校变得非常容易。而且在沉积过程中，芯灯和包灯将彼此独立完成芯层和包层的沉积，使得soot形状的可塑性更强，更容易达到理想状态。

其次，在沉积过程中，soot尺寸的稳定性极为重要，尺寸的不稳定将直接影响芯棒的质量，例如对烧结后芯棒D/d参数(包层和芯层的直径比)的影响，该影响还将会对后续工序产生连锁的不利因数。如果后续采用RIC工艺，则会提高套管的成本；如果采用OVD做外包，则对OVD沉积工艺稳定性会造成不利因素。对于现有的VAD***，在沉积过程中，由于两个喷灯之间存在相互影响，使得包灯火焰会影响到芯层沉积的尺寸、密度，而当芯层沉积受到影响时，会反过来影响包层的沉积。如果芯层的沉积完全由芯灯在一个单独腔体内实现，那么芯层的尺寸将会变得更好控制、更稳定，从而包层沉积也会变得相对稳定，并最终实现更加稳定的soot尺寸控制。

再者，沉积速率直接决定了VAD工艺的生产效率。在VAD工艺中，沉积速率直接由芯灯来决定，但同时会受到包灯的影响。现有的沉积***，由于芯层和包层在一个腔体内，在沉积过程中，在同样的原辅材料供应前提下，需要提高沉积速率，那么在很大程度上受到与包灯位置、包灯火焰的制约。

还有，抽风***对整个沉积过程中的影响也不容忽视，抽风负压的大小，对预制棒的尺寸、沉积效率，收集率都有较大的影响，而传统的VAD腔体中，抽风口是同时抽取芯灯和包灯产生的烟尘，并对同时对两者火焰产生影响，而实际上包灯的火焰气流要远大于芯灯，因此，为了满足包层沉积的抽风需求，比较使得整体的抽风保持在一个较强的位置，这在某种程度上对芯灯火焰的形状和稳定性会造成较大影响，从而限制了芯层沉积的速率和效率。

另外，VAD在进行芯棒沉积的过程中，芯层沉积是否稳定直接影响到烧结后芯棒的折射率分布，这个主要由芯层沉积过程中GeO₂的沉积效果决定，因此如何避开包灯火焰气流对芯灯的影响，并在同时抵消包灯火焰中产生的SiO₂微粒对芯层掺Ge浓度的影响，对能否使得芯棒折射率剖面稳定，并且更易于设计是非常重要的。

综上所述可知，在整个VAD预制棒芯棒soot的沉积过程中，由于芯棒的特殊结构，一般包层喷灯的气流量要远大于芯层喷灯的气流量，而且反应腔体内包层区域的层流气流也比较大，同时包层喷灯对抽风的要求也会较高。这些都会对流量较小的芯层火焰产生扰动，从而影响芯层的沉积速率、沉积效率和折射率分布，进而影响稳定的生产。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置及其应用，能够减少甚至隔离芯层和包层火焰之间的相互干扰，同时通过对抽风的独立控制，进一步提供更精确的芯层和包层沉积控制，实现芯层和包层独立沉积，芯层沉积腔和包层沉积腔各自抽风的独立也使得沉积环境气流得到更有效的控制，提高芯层沉积速率和稳定性，而对包层沉积过程中沉积效率的调节时，也减少了对芯层的影响，折射率分布将变得更容易控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，包括沉积腔体、包灯、芯灯、伸入沉积腔体的引杆、以及沉积腔体内带有过孔的隔板、以及与外部包层沉积腔抽风***连接的上抽风口、以及与外部芯层沉积腔抽风***连接的下抽风口、以及沉积腔体内穿过隔板过孔的靶棒；所述靶棒固定在引杆上，通过引杆实现升降和旋转；所述隔板将沉积腔体分隔成上部的包层沉积腔和下部的芯层沉积腔；所述包灯和所述上抽风口对应处于所述包层沉积腔内的靶棒部分设置；所述芯灯和所述下抽风口对应处于所述芯层沉积腔内的靶棒部分设置。

进一步的，所述过孔为圆孔。

进一步的，所述隔板为钛板。

进一步的，所述上抽风口与所述包灯相对的设置在所述沉积腔体的两侧。

进一步的，所述下抽风口与所述芯灯相对的设置在所述沉积腔体的两侧。

应用上述的VAD反应腔体内环境气流的控制装置对靶棒进行气相轴向沉积的方法，包括如下步骤：

①在保证沉积腔体密封的情况下，用芯灯和包灯先对靶棒进行预热；

②分别对芯灯和包灯进行工艺调整；

③分别控制与上抽风口连接的包层沉积腔抽风***、以及与下抽风口连接的芯层沉积腔抽风***，使芯层沉积腔和包层沉积腔内的气流都达到稳定状态；

④控制引杆使旋转、上升，使靶棒芯层沉积完成的部分进入包层沉积腔进行包层沉积。

进一步的，步骤②中对芯灯的工艺调整包括对芯灯角度和坐标位置的调整。

进一步的，步骤②中对包灯的工艺调整包括对包灯角度、坐标位置和气体流量的调整。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

1)通过芯灯、包灯的分离，提高了整体***的可调性、可控制性，降低了包灯与芯灯之间的相互影响，使得疏松体尺寸、沉积速率、沉积效率等沉积工艺参数更加稳定可控，并且为后续的提升发展提供了更大的空间。

2)芯灯、包灯分离设置，降低了包灯对芯灯的影响，使得芯棒的折射率剖面更加的稳定，使得折射率剖面设计上也较之前更加容易。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：

1-沉积腔体，2-引杆，3-靶棒，4-疏松体包层，5-疏松体芯层，6-隔板，7-芯灯，8-包灯，9-上抽风口，10-下抽风口，11-包层沉积腔，12-芯层沉积腔，13-过孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，包括沉积腔体1、包灯8、芯灯7、伸入沉积腔体1的引杆2、以及沉积腔体1内带有过孔13的隔板6、以及与外部包层沉积腔抽风***连接的上抽风口9、以及与外部芯层沉积腔抽风***连接的下抽风口10、以及沉积腔体1内穿过隔板6上的过孔13的靶棒3；所述靶棒3固定在引杆2上，通过引杆2实现升降和旋转；所述隔板6将沉积腔体1分隔成上部的包层沉积腔11和下部的芯层沉积腔12；所述包灯8和所述上抽风口9对应处于所述包层沉积腔11内的靶棒部分设置；所述芯灯7和所述下抽风口12对应处于所述芯层沉积腔12内的靶棒部分设置。

本发明通过隔板6对沉积腔体内的包层沉积区域和芯层沉积区域进行非完全式的隔离，上抽风口11和下抽风口12的负压可独立进行调节和检测，大幅度降低了沉积过程中芯层和包层火焰之间的相互干扰，各自抽风的独立也使得沉积环境气流得到更有效的控制，对芯层沉积速率的稳定性，而包层沉积过程中对沉积效率的调节时也可减少对芯层的影响；折射率分布将变得更容易控制。

在沉积过程中，抽风***对灯火焰的影响会直接导致腔内环境气流发生变化，而通常包灯的火焰气流是大大的超过芯灯的，以往利用同一个抽风***来进行控制，是很难达到对芯层和包层的沉积效果双重最优化的目的。本发明中包层沉积和芯层沉积均拥各自独立的抽风控制***，可以针对芯层和包层各自的沉积需秋进行独立调节，且大大降低了相互之间的干扰。通过降低芯层沉积腔抽风***的抽风压力可以增加火焰形状的稳定性。而包层沉积腔抽风***的独立可调可以在避免对芯层沉积的影响下，实现更高的沉积效率。

其中，所述过孔13为圆孔，这样，包层沉积腔11与芯层沉积腔12相通的部分形状规则，环绕靶棒，即使有轻微的气流经过，也不影响沉积，保证沉积腔体1内环境气流稳定。过孔13的大小应在满足通过芯层沉积后带有疏松体芯层5的靶棒3情况下，尽量小。

上述的沉积腔体1横截面优选圆形，针对空气流动原理特点，将气流的影响降低最低，保证沉积腔体1内环境气流稳定。

所述隔板6为钛板。需要指出的是，隔板6最好水平布置，保证包层沉积腔以及芯层沉积腔内的气流平稳。隔板6的厚度≤1mm即可，这样，在达到隔离包层沉积腔11与芯层沉积腔12内气流的前提下，还不妨碍热量在两者间传递，沉积腔体1内整体的温场衔接依然能够保持相对稳定的状态。

所述上抽风口9与所述包灯8相对的设置在所述沉积腔体1的两侧。所述下抽风口10与所述芯灯7相对的设置在所述沉积腔体1的两侧。这样，抽风口在风向的最末端，能达到更佳的稳定气流的作用。

将芯层沉积与包层沉积独立开来，减小了沉积时两者之间的影响，在校准***时，只需调整两个喷灯各自与靶棒3之间的准直，而无需考虑两个喷灯之间火焰相互交叉带来的原料、气流的影响。在沉积时，一旦遇到soot形状异常，可以对芯灯7或者包灯8进行单独操作控制，且不会对另一个灯火焰分布的影响，实现更加稳定的沉积状态控制，操作简单，方便，效率高。

其中，引杆2可以由电动缸驱动带动靶棒3升降，能实现精确控制，自动化程度高。

应用上述的VAD反应腔体内环境气流的控制装置对靶棒进行气相轴向沉积的方法，包括如下步骤：

①在保证沉积腔体1密封的情况下，用芯灯7和包灯8先对靶棒3进行预热；

②分别对芯灯7和包灯8进行工艺调整；

③分别控制与上抽风口9连接的包层沉积腔抽风***、以及与下抽风口10连接的芯层沉积腔抽风***，使芯层沉积腔12和包层沉积腔11内的气流都达到稳定状态；

④控制引杆2使旋转、上升，使靶棒3芯层沉积完成的部分进入包层沉积腔11进行包层沉积。疏松体在芯层喷灯沉积后穿过过孔13，然后进行沉积包层形成疏松体包层4，直至最后达到所需的soot长度。

采用本装置进行气相轴向沉积，实现了芯包分步沉积，在对soot的尺寸控制时，也可以逐步的通过对芯层和包层的分布调整，做到更加精确、稳定的控制。由于芯层沉积和抽风的独立控制，不受包层火焰以及包层抽风需求的影响和限制。

在生产过程中，当需要调整沉积速率时，只需对芯层火焰、气流等进行调整，使得沉积速率即生产效率的提高变得更加容易和可控。与此同时，为了保证产品的尺寸合格，在达到了所需要的沉积速率后，再单独对包层沉积做出相应的调整即可实现所需要的沉积效果。

芯层沉积与包层沉积的独立可控，同时拥有独立的抽风***，更有益于芯层沉积时Ge掺杂分布的稳定性，得到更好的预制棒折射率剖面。

步骤②中对芯灯7的工艺调整包括对芯灯7角度和坐标位置的调整。对包灯8的工艺调整包括对包灯8角度、坐标位置和气体流量的调整。

在沉积过程中，如果遇到芯层的形状出现问题,比如底部偏平，则可以独立的通过调节芯灯7角度和坐标位置上下和前后来完成工艺调整，而无需受到包层的外焰等因素的影响。

对于包层来说，当芯层的沉积稳定、沉积速率保持在一定数值，那么对于想要制造预定尺寸的预制棒，只需要考虑包层的原材料和气体流量即可。

本发明采用沉积过程中芯层和包层腔体由隔板分开，采用单独的环境气体层流***和尾气搜集***，实现芯包分开的独立沉积***，既减少两者之间的相互干扰提高了稳定性，又能更加有效的分析并实时控制整个沉积过程。由于设计不同折射率剖面的预制棒时，主要是对芯层沉积的控制，而使用本发明进行气相轴向沉积，独立的芯层沉积抛开了包层火焰和整个腔体抽风的影响，使得在进行芯层折射率剖面设计时更加的容易控制，因此，在沉积过程中，对预制棒soot的形状、尺寸、沉积速率、收集效率、折射率分布等的稳定性和可控性都有较大的提升空间。能在提高产品性能的同时又降低生产成本，且便于开发新产品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，其特征在于：包括沉积腔体、包灯、芯灯、伸入沉积腔体的引杆、以及沉积腔体内带有过孔的隔板、以及与外部包层沉积腔抽风***连接的上抽风口、以及与外部芯层沉积腔抽风***连接的下抽风口、以及沉积腔体内穿过隔板过孔的靶棒；所述靶棒固定在引杆上，通过引杆实现升降和旋转；所述隔板将沉积腔体分隔成上部的包层沉积腔和下部的芯层沉积腔；所述包灯和所述上抽风口对应处于所述包层沉积腔内的靶棒部分设置；所述芯灯和所述下抽风口对应处于所述芯层沉积腔内的靶棒部分设置。

2.根据权利要求1所述的一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，其特征在于：所述过孔为圆孔。

3.根据权利要求1所述的一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，其特征在于：所述隔板为钛板。

4.根据权利要求1所述的一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，其特征在于：所述上抽风口与所述包灯相对的设置在所述沉积腔体的两侧。

5.根据权利要求1所述的一种VAD反应腔体内环境气流的控制装置，其特征在于：所述下抽风口与所述芯灯相对的设置在所述沉积腔体的两侧。

6.应用权利要求1所述的VAD反应腔体内环境气流的控制装置对靶棒进行气相轴向沉积的方法，其特征在于，包括如下步骤：

①在保证沉积腔体密封的情况下，用芯灯和包灯先对靶棒进行预热；

②分别对芯灯和包灯进行工艺调整；

③分别控制与上抽风口连接的包层沉积腔抽风***、以及与下抽风口连接的芯层沉积腔抽风***，使芯层沉积腔和包层沉积腔内的气流都达到稳定状态；

④控制引杆使旋转、上升，使靶棒芯层沉积完成的部分进入包层沉积腔进行包层沉积。

7.根据权利要求6所述的应用VAD反应腔体内环境气流的控制装置对靶棒进行气相轴向沉积的方法，其特征在于：步骤②中对芯灯的工艺调整包括对芯灯角度和坐标位置的调整。

8.根据权利要求6所述的应用VAD反应腔体内环境气流的控制装置对靶棒进行气相轴向沉积的方法，其特征在于：步骤②中对包灯的工艺调整包括对包灯角度、坐标位置和气体流量的调整。