DE10320531B4 - Verfahren zum Aufschmelzen von Quarzglaswalzen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren 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.
- Aus der JP 05-319849 A ist die Herstellung einer porösen Quarzglaswalze nach dem sogenannten Soot-Verfahren bekannt, deren Aufschmelzkappe eine teilweise sphärische Form hat und deren geometrisch Achse mit der Brennerachse einen konstanten Winkel einschließt. Abgesehen davon, dass nach diesem Verfahren an sich keine Quarzglaskörper mit hoher optischer Homogenität herstellbar sind, sind weder die Partikelflugzeiten noch der Partikelauftrag an allen Stellen der Aufschmelzkappe gleich, so dass Form der Aufschmelzkappe ebenso wie die Homogenität weiterhin negativ beeinflusst werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren 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 cos α + cos β + cos γ = 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 Quarzglaskörpen 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 zu2 , -
4 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitabhängigen x- Bewegung eines Brennen 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 Muffel10 mit einem Schlitz11 versehen, durch den ein Brenner12 in den Innenraum13 der Muffel geführt ist, in dem sich eine aufzuschmelzende Quarzglaswalze14 mit einer halbkugelförmigen Kappe16 befindet, deren Krümmungsmittelpunkt mit15 , deren Scheitelpunkt mit161 und deren Rand mit162 bezeichnet sind. Der Schlitz11 kann mit einer Jalousie verschließbar sein, die beiderseits des Brennen12 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 der1 gekrümmt und führt den von nicht dargestellten Antriebsmitteln bewegten Brenner12 entsprechend. Die Bahnkurve geht vorteilhaft nicht durch den Scheitelpunkt161 der Kappe16 und liegt im Allgemeinen5 bis30 mm von ihm entfernt. Die gesamte Anordnung ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse X-X aufgebaut, um die sich auch die Quarzglaswalze14 während des Aufschmelzprozesses ständig dreht. Der Brenner12 ist um den Mittelpunkt15 zwischen zwei im Wesentlichen durch den Schlitz11 bestimmten Endlagen (Umkehrpunkte)121 und122 schwenkbar und folgt dabei mit unterschiedlicher Bahngeschwindigkeit der genannten Raumkurve. Er besitzt eine Mündung17 , die sich während der gesamten, sich ständig wiederholenden Pendelbewegung des Brenners12 zwischen den Endlagen121 und122 in einem unveränderlichen Abstand a + r (Krümmungsradius) vom Krümmungsmittelpunkt15 der Kappe16 befindet. Die Achse des Brennen12 ist, abgesehen vom Anfangsstadium, in dem sich die sphärische Kappe16 erst herausbilden muss, immer rechtwinklig zur Oberfläche der Kappe16 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 Schlitz11 gewährleistet dabei das ungehinderte Auftreffen der Brennerflamme auf die Kappe16 . - In den
2 und3 befindet sich im Innenraum13 eines Schmelzofens10 eine Glaswalze14 mit einer sphärischen Kappe16 , deren Mittelpunkt15 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 Brenner12 mit der Mündung17 und dem Angriffspunkt18 einer Roboterführung bewegt sich zwischen zwei Umkehrpunkten121 und122 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 Scheitel161 am Größten und in der Nähe der Umkehrpunkte121 ,122 am Kleinsten. Bei der Umkehr ist sie Null und wechselt ihre Richtung. Zu einer Fahrt von x0 nach –x0 benötigt der Brenner12 30 bis 120 s. Der Abstand des Scheitels161 der Kappe16 vom Mittelpunkt15 beträgt 100 bis 500 mm. Der Abstand der Brennermündung17 vom Kappenscheitel161 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 Endlage122 nach121 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Brennerfahrt in der Mitte der Kappe16 , 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 Kappe16 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 und6 lassen die durch die Erfindung erreichten Verbesserungen deutlich erkennen. In5a ) bis d) sind die nach den bekannten Verfahren erzielbaren Werte und in6a ) bis d) sind die durch die Erfindung erreichten Werte dargestellt. - Die
5a ) und6a ) zeigen fast eine radiale Verdoppelung des Kernbereichs einer Quarzglaswalze14 mit gleichbleibender Brechzahlhomogenität. Während nach dem Stand der Technik nur ein Bereich von r = –30 bis +30mm annähernd gleiche Brechzahlhomogenität Δ n 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 die5a ) und6b ) erkennen lassen. Der OH-Gehalt ist gemäß den5c ) und6c ) über den Radius bei der Erfindungn 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, siehe5d ) und6d ). - 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, zD
- Koordinaten
- 161
- Scheitelpunkt
- 162
- Rand
Claims (5)
- Verfahren zur Herstellung von Quarzglaswalzen mit sphärischer Aufschmelzkappe, bei dem sich ein Brenner mit einer Mündung zwischen zwei Umkehrpunkten am Rande der Aufschmelzkappe auf einer Raumkurve hin und her bewegt und die Quarzglaswalze sich um ihre geometrische Achse dreht, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brenner zwischen zwei Umkehrpunkten nach einem vorgegebenen Weg-Zeit-Gesetz mit einer Geschwindigkeit bewegt, die um den Kappenscheitel herum am größten ist und zu den Umkehrpunkten hin abnimmt, 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.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrpunkte zumindest annähernd diametral und am Rand der Kappe liegen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsabnahme vom Kappenscheitel zu den Umkehrpunkten hin nichtlinear ist.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung des Brenners entlang einer Raumkurve erfolgt, die nicht durch den Scheitelmittelpunkt der Kappe geht.
- Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Raumkurve vom Scheitelpunkt 5 bis 30 mm, vorzugsweise 5 bis 10 mm eingehalten wird.
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