DE10320531A1

DE10320531A1 - Anordnung zum Aufschmelzen von Quarzglaswalzen

Info

Publication number: DE10320531A1
Application number: DE10320531A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Math. Martin; Matthias Dipl.-Ing. Schmidt; Michael Dipl.-Ing. Gröbner
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: J Fiber GmbH
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: DE10320531B4; NL1025963A1; DE10320531B8; NL1025963C2; JP2004331493A; CN1603260A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Herstellung von Quarzglaswalzen, bei der sich ein Brenner mit einer Mündung und eine aufzuschmelzende Walze relativ zueinander bewegen und die Quarzglaswalze sich um ihre geometrische Achse dreht. Der nutzbare Kernbereich dieser Quarzglaswalzen soll vergrößert und der Materialverbrauch verringert werden. Die Quarzglaswalze weist eine sphärische Kappe auf. Der Brenner bewegt sich zwischen zwei Umkehrpunkten nach einem vorgegebenen Weg-Zeit-Gesetz auf einer Raumkurve so, dass während der Bewegung die Brennermündung sich in einem konstanten Abstand von der Kappe befindet und die Brennerachse immer zum Kümmungsmittelpunkt der sphärischen Kappe gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufschmelzen von Quarzglaswalzen gemäß der Gattung der Patentansprüche.

Eine Grundforderung für bestmögliche optische Homogenität über den Querschnitt geschmolzener Walzen ist die Konstanz des in ihnen enthaltenen Si-OH, des physikalisch gelösten molekularen Wasserstoffs H₂, der eingebauten UV-relevanten Strukturdefekte und der Glasstruktur (Dichte). Damit diese Parameter optimal erreicht werden, müssen die Temperatur auf der Reaktionsfläche (Walzenkappe) möglichst ausgeglichen sein, gleiche Partikelflugzeiten über die gesamte Reaktionsfläche erreicht werden und die Strömungsverhältnisse der Partikel und Gase in Staupunktnähe ebenfalls gleichbleibend sein. Die gemäß dem Stand der Technik angewandten Schmelzverfahren mit dem üblichen "Brennerrocking" gegenüber der Walzenkappe zeigen ohne eine mögliche zusätzliche Wärmequelle einen Temperaturgradienten von der Walzenkappenmitte zum Walzenkappenrand von 300 bis 400 K. Die Ursachen für diesen Temperaturgradienten liegen darin begründet, dass

– die Brennerflamme (Mittentemperatur ca. 2300°C) selbst eine gaußförmige Temperaturverteilung hat, welche sich bei stehendem Brenner auf die Glasoberfläche überträgt.
– der Verfahrbereich der Flamme deutlich vor dem Kappenrand enden muss, um Ansätze bzw. Verglasungen der Muffel zu vermeiden,
– die Kappenoberfläche zumindest am Rand zunehmend gekrümmt ist und die Flamme demzufolge zunehmend streifend auf die Kappenoberfläche auftrifft,
– das Verhältnis Oberfläche/Volumen sich am Kappenrand vergrößert,
– am Kappenrand durch die deutlich kältere Muffelwand Wärme entzogen wird.

Einem Ausgleich durch längere Verweilzeiten des Brenners am Kappenrand sind Grenzen gesetzt, weil dann der Partikelauftrag in der Walzenmitte so gering wird, dass ein Loch entsteht, und unerwünscht große periodische Temperaturschwankungen auf der Kappe entstehen.

Letztere stellen eine Gefahr für die Homogenität dar und begünstigen die Entstehung periodischer Schlieren in der Quarzglaswalze.

Darüber hinaus treten beim Umkehren der Brennerbewegung über der Walzenmitte gemäß dem Stand der Technik ringförmige Brechzahlinhomogenitäten auf, die die Verwendung der Quarzglaswalzen zur Herstellung von Projektionsoptiken für lithografische Objektive beeinträchtigt oder verhindert.

Die Erhöhung des Abstandes zwischen der Brennermündung und der Kappenoberfläche, die gemäß dem Stand der Technik bei der Brennerbewegung stattfindet, führt zu unterschiedlichen Partikelflugzeiten, zu Strömungsänderungen und damit zu Änderungen der Stoffeigenschaften. Der sich ändernde Auftreffwinkel der Brennermittenströmung auf der Kappenoberfläche in der Nähe des Brennerauftreffpunktes beeinflusst die Strömungsverhältnisse und die Stoffeigenschaften in unerwünschter Weise. Gemäß dem Stand der Technik ergibt sich ein Rotationskörper mit einer Kappenform mit ortsveränderlicher Krümmung zwischen Kappenmitte und Kappenrand. Aus der WO 01/27044 A1 ist eine Anordnung zur Erzeugung homogener, schlierenfreier Quarzglaskörper durch Flammenhydrolyse bekannt, bei der im Verlauf der Erzeugung zwischen einem Brenner und einem Quarzglaskörper eine Relativbewegung in axialer und radialer Richtung derart stattfindet, dass sich mit zunehmendem Abstand des Brenners von der Achse des Quarzglaskörpers der Abstand des Brenners vom Quarzglaskörper verringert und der Brenner sich nur zwischen der Mitte der Reaktionsfläche des Quarzglaskörpers und ihrem Rand bewegt. Hierdurch lassen sich zwar die mikrostrukturellen Defekte verringern und die Homogenität der optischen Eigenschaften verbessern, jedoch sind diese Verringerungen und Verbesserungen hinsichtlich der Größe des Kernbereichs des Quarzglaskörpers und der Materialausbeute noch verbesserungsbedürftig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Herstellung von Quarzglaswalzen zu schaffen, bei denen die hinsichtlich der optischen Eigenschaften homogenen Kernbereiche, insbesondere von horizontalen Quarzglaswalzen, vergrößert und der Materialverbrauch verringert sind.

Das betrifft hauptsächlich die Brechzahlhomogenität, die Spannungsdoppelbrechung und die UV-Absorption.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche dienen der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.

Die Erfindung geht davon aus, dass ein Quarzglaskörper, vorzugsweise eine Quarzglaswalze mit einer sphärischen Aufschmelzkappe entsteht, bei der die Kappenkrümmungen an allen Stellen gleich sind und auch die Abscheideverhältnisse für die Partikel am gleichmäßigsten sind. Gegenüber der aufzuschmelzenden Kappe bewegt sich die Brennermündung, der Durchstoßpunkt der Brennerachse durch die Gasaustrittsebene des Brenners, im allgemeinsten Fall auf einer Raumkurve in Abhängigkeit von den drei Raumkoordinaten x, y, z und den ihnen entsprechenden drei Raumwinkeln α, β, γ. Die Erfindung zeigt praktisch gleiche Wirkungen, wenn z und γ innerhalb gewisser Grenzen konstant gehalten werden. Beim Bekanntsein von β und γ ist auch α gegeben bzw. lässt sich α berechnen nach der trigonometrischen Gleichung cosα + cosβ + cosγ = 1. Sind ein γ bzw. ein z als Konstanten gegeben, so bedeutet dies, dass bereits in Nullstellung die Achse des Brenners gegenüber der geometrischen Achse der Quarzglaswalze geneigt ist und vorteilhaft nicht durch den Scheitelpunkt der Quarzglaswalze geht. Bei horizontaler Aufschmelzanordnung würde sich der Brenner nach einem vorgegebenen Weg-Zeit-Regime um das Zentrum der kugelförmigen Kappe auf einem Kreis (Kleinkreis) unterhalb der die Brennerachse enthaltenden Horizontalebene bewegen, der vom Scheitelpunkt vorzugsweise 5 bis 10 mm Abstand hat und dessen Umkehrpunkte sich möglichst nahe am Kappenrand befinden. Ähnliches gilt für eine vertikale Aufschmelzanordnung. Eine Konstanthaltung von z und/oder γ beeinträchtigt praktisch die vorteilhafte Wirkung der Erfindung nicht, ermöglicht jedoch erhebliche technologische Vereinfachungen, vornehmlich bei der Steuerung des Bewegungsablaufs. Nach der Erfindung ist es grundsätzlich möglich, auch Quarzglaskörper herzustellen, die eine vollständige Kugel darstellen, wenn man von dem Bereich absieht, wo sich der zur Einspannung des Quarzglaskörpers benötigte Stempel befindet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in einem Axialschnitt,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des Bewegungsablaufs im Grundriss,

3 einen Aufriss zu 2,

4 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitabhängigen x-Bewegung eines Brenners und ihrer Bedeutung,

5a)–d) die nach bekannten Verfahren erreichten optischen Parameter und

6a)–d) die durch die Erfindung erreichten optischen Parameter.

In 1 ist eine Muffel 10 mit einem Schlitz 11 versehen, durch den ein Brenner 12 in den Innenraum 13 der Muffel geführt ist, in dem sich eine aufzuschmelzende Quarzglaswalze 14 mit einer halbkugelförmigen Kappe 16 befindet, deren Krümmungsmittelpunkt mit 15, deren Scheitelpunkt mit 161 und deren Rand mit 162 bezeichnet sind. Der Schlitz 11 kann mit einer Jalousie verschließbar sein, die beiderseits des Brenners 12 angeordnet ist, und kann entweder eine ausreichende Breite haben, damit dem Brenner die Bewegung entlang einer Raumkurve (Bahnkurve) möglich ist, die kegelschnittartig ist, oder er ist selbst rechtwinklig zur Zeichenebene der 1 gekrümmt und führt den von nicht dargestellten Antriebsmitteln bewegten Brenner 12 entsprechend. Die Bahnkurve geht vorteilhaft nicht durch den Scheitelpunkt 161 der Kappe 16 und liegt im Allgemeinen 5 bis 30 mm, von ihm entfernt. Die gesamte Anordnung ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse X-X aufgebaut, um die sich auch die Quarzglaswalze 14 während des Aufschmelzprozesses ständig dreht. Der Brenner 12 ist um den Mittelpunkt 15 zwischen zwei im Wesentlichen durch den Schlitz 11 bestimmten Endlagen (Umkehrpunkte) 121 und 122 schwenkbar und folgt dabei mit unterschiedlicher Bahngeschwindigkeit der genannten Raumkurve. Er besitzt eine Mündung 17, die sich während der gesamten, sich ständig wiederholenden Pendelbewegung des Brenners 12 zwischen den Endlagen 121 und 122 in einem unveränderlichen Abstand a + r (Krümmungsradius) vom Krümmungsmittelpunkt 15 der Kappe 16 befindet. Die Achse des Brennen 12 ist, abgesehen vom Anfangsstadium, in dem sich die sphärische Kappe 16 erst herausbilden muss, immer rechtwinklig zur Oberfläche der Kappe 16 gerichtet. Zu Beginn des Aufschmelzprozesses wird keine sphärische Anfahrkappe benötigt. Für die Ermittlung der Rockingkurve gibt man sich den Krümmungsmittelpunkt vor. Nach Abschluss der Anfangsphase, die etwa einen Tag dauert, führt der Prozess zu einer halbkugelförmigen Kappe, mit der Einschränkung, das es einen unmaßgeblichen Randbereich gibt, in dem die Sphärenform nicht komplett gewährleistet ist.

Der Brenner 12 wird vorzugsweise durch Antriebsmittel bspw. durch einen nicht dargestellten Roboter geführt bzw. bewegt. Der Schlitz 11 gewährleistet dabei das ungehinderte Auftreffen der Brennerflamme auf die Kappe 16.

In den 2 und 3 befindet sich im Innenraum 13 eines Schmelzofens 10 eine Glaswalze 14 mit einer sphärischen Kappe 16, deren Mittelpunkt 15 gleichzeitig der Ursprung eines Koordinatensystems mit den Koordinaten x, y, z ist und in dem sich die Scheitel von Winkeln α, β, γ befinden. Der Winkel β wird in der x-y-Ebene, der Winkel γ wird in der y-z-Ebene und der Winkel α wird in der x-z-Ebene gemessen. Für die weiteren Betrachtungen ist der Winkel γ ebenso wie die Koordinate z von untergeordneter Bedeutung. Ein Brenner 12 mit der Mündung 17 und dem Angriffspunkt 18 einer Roboterführung bewegt sich zwischen zwei Umkehrpunkten 121 und 122 und damit zwischen zwei Koordinatenpunkten x₀ und –x₀ auf der x-Achse mit differenziell variierender Geschwindigkeit hin und her, und zwar ist die Geschwindigkeit um den Scheitel 161 am Größten und in der Nähe der Umkehrpunkte 121, 122 am Kleinsten. Bei der Umkehr ist sie Null und wechselt ihre Richtung. Zu einer Fahrt von x₀ nach –x₀ benötigt der Brenner 12 30 bis 120 s. Der Abstand des Scheitels 161 der Kappe 16 vom Mittelpunkt 15 beträgt 100 bis 500 mm. Der Abstand der Brennermündung 17 vom Kappenscheitel 161 ist 180 bis 250 mm. Zwischen den Koordinatenpunkten x₀ und –x₀ befindet sich ein Abstand von 80 bis 140 mm. Der konstante Winkel γ zwischen der Walzenachse X₁-X₁ und der Brennerachse X₂-X₂ sollte 20 bis 30 Grad betragen. Alle angegebenen Zahlenwerte sind aufeinander abgestimmte Beispielswerte, die durchaus veränderbar sind.

In 4 ist beispielhaft das Weg-Zeit-Gesetz für eine Brennerfahrt von x₀ nach –x₀, von der Endlage 122 nach 121 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Brennerfahrt in der Mitte der Kappe 16, in Achsnähe, am schnellsten ist. Innerhalb von 10 s wird 1/3 des Weges zwischen x₀ und –x₀ zurückgelegt. Auf diese Weise bildet sich eine halbkugelförmige Kappe 16 aus, deren Brechzahlhomogenität, Spanungsdoppelbrechung, OH-Gehalt und Reintransmission gegenüber dem Stand der Technik teilweise erheblich verbessert sind. Generell lässt sich sagen, dass x(t) die Führungsgröße ist, aus der sich alle anderen Größen y(t), β(t), γ(t) ableiten bzw. ergeben.

Die 5 und 6 lassen die durch die Erfindung erreichten Verbesserungen deutlich erkennen. In 5a) bis d) sind die nach den bekannten Verfahren erzielbaren Werte und in 6a) bis d) sind die durch die Erfindung erreichten Werte dargestellt.

Die 5a) und 6a) zeigen fast eine radiale Verdoppelung des Kernbereichs einer Quarzglaswalze 14 mit gleichbleibender Brechzahlhomogenität. Während nach dem Stand der Technik nur ein Bereich von r = –30 bis +30 mm annähernd gleiche Brechzahlhomogenität Δn hat, reicht dieser Bereich bei einer erfindungsgemäß hergestellten Quarzglaswalze von r = –55 bis + 55 mm. Auch bei der Spannungsdoppelbrechung SDB zeigt die erfindungsgemäß hergestellte Quarzglaswalze vor allen Dingen eine auf den halben Betrag (1) reduzierte Schwankung gegenüber dem Stand der Technik (2), wie die 5b) und 6b) erkennen lassen. Der OH-Gehalt ist gemäß den 5c) und 6c) über den Radius bei der Erfindungen geringeren Schwankungen unterworfen und steigt erst bei dem ohnehin kritischen Wert von r = 55 mm schnell an. Schließlich zeigt auch die Reintransmission für Licht einer Wellenlänge von 193 nm bei einer erfindungsgemäß hergestellten Quarzglaswalze einen etwas geringeren radialen Abfall als nach dem Stand der Technik, siehe 5d) und 6d).

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

10: Muffel
11: Schlitz
12: Brenner
13: Innenraum
14: Quarzglaswalze
15: Krümmungsmittelpunkt
16: Kappe
17: Brennermündung
18: Angriffspunkt einer Roboterführung
121, 122: Umkehrpunkte (Endlagen)
19: Scheitelpunkt
20: Kappenrand
a: Abstand
r: Radius
α, β, γ: Winkel
X-X, X₁-X₁, X₂-X₂: Achsen
x₀, z₀, z_D: Koordinaten

Claims

Anordnung zur Herstellung von Quarzglaswalzen, bei der sich ein Brenner mit einer Mündung und eine aufzuschmelzende Walze relativ zueinander bewegen und die Quarzglaswalze sich um ihre geometrische Achse dreht, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglaswalze eine spärische Kappe aufweist, dass sich der Brenner zwischen zwei Umkehrpunkten nach einem vorgegebenen Weg-Zeit-Gesetz auf einer Raumkurve bewegt, dass während dieser Bewegung die Brennermündung sich immer im gleichen Abstand von der Kappe befindet und die Brennerachse immer zum Mittelpunkt der sphärischen Kappe gerichtet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrpunkte zumindest annähernd diametral und am Rand der Kappe liegend angeordnet sind.
Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung des Brenners entlang einer Raumkurve erfolgt, die nicht durch den Scheitelmittelpunkt der Kappe geht.
Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Raumkurve vom Scheitelpunkt 5 bis 30 mm, vorzugsweise 5 bis 10 mm beträgt.