(57)【要約】  合成シリカを作製するための改善されたプラズマトーチであって、アクティブな環境隔離を与えるために、外側の石英チュービングからの窒素スクリーンガスを使用することを伴う。加えて、本誘導プラズマトーチは、よりコンパクトで、しかしながらより完全な環境的保護（３６０度をカバー）のためにリングディスクを備える。それはまた、水平モードでの動作時において両方向への蒸着を改善するために、化学物質注入ノズルの位置を補正し、切り替えることも伴う。更には、本誘導プラズマトーチは注入された化学物質に対する層流を保持するのであり、中間の石英チューブには、プラズマジェットの平均エンタルピーを増加させるためにへこんだ区域が備えられ、こうしてプラズマトーチの効率が改善される。加えて、より多くのプラズマガス吸入口を利用してよい。また、下方への角度勾配を持った化学物質注入ノズルも備えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の長さと、第１の断面直径と、ベースに接続された第１の端と、基板に指向された第２の端と、を有する、誘導コイルに囲まれた外側の石英ガラスチューブと、
第２の長さと、第２の断面直径と、前記ベースに接続された第１の端と、前記基板に指向された第２の端と、を有する、内側の石英ガラスチューブであって、該内側の石英ガラスチューブが、前記外側の石英ガラスチューブと実質的に並行に、かつその内側に配置されるように、該第２の断面直径は前記第１の断面直径よりも小さい、内側の石英ガラスチューブと、
第３の長さと、第３の断面直径と、前記ベースに接続された第１の端と、前記基板に指向された第２の端と、を有する、中間の石英ガラスチューブであって、スクリーンガスに対して前記中間の石英ガラスチューブと前記外側の石英ガラスチューブとの間の経路を提供するために、かつ前記誘導コイルが励磁されたときにプラズマフレームを発生するためのプラズマガスに対して、前記内側の石英ガラスチューブと前記中間の石英ガラスチューブとの間の経路を提供するために、該中間の石英ガラスチューブが、前記外側の石英ガラスチューブと前記内側の石英ガラスチューブとに実質的に並行に、かつそれらの間に配置されるように、該第３の断面直径は前記第１の断面直径よりも小さく前記第２の断面直径よりも大きい、中間の石英ガラスチューブと、
前記外側の石英ガラスチューブの前記第２の端に同軸に接続された、第１の石英ガラスリングディスクと、
前記中間の石英ガラスチューブの前記第２の端に同軸に接続された、第２の石英ガラスリングディスクと、
を含み、前記スクリーンガスの流れパターンは前記第１の石英ガラスリングディスクと前記第２の石英ガラスリングディスクとにより決定され、
前記第１の石英ガラスリングディスクと前記第２の石英ガラスリングディスクとの間に配置された、前記プラズマフレームの中へ化学物質ソースガスを注入するための、少なくとも１つの化学物質注入ノズルと、
を含む、合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２】
前記中間の石英ガラスチューブの前記第２の端は、前記外側の石英ガラスチューブの前記第２の端を越えて伸びる、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項３】
前記外側の石英ガラスチューブの前記第２の端は、前記内側の石英ガラスチューブの前記第２の端を越えて伸びる、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項４】
前記第１、第２の石英ガラスリングディスクは前記中間の石英ガラスチューブに対して実質的に垂直である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項５】
前記中間の石英ガラスチューブは、前記注入された化学物質ソースガスに対して前記プラズマフレームの中への通路を提供するための、前記中間の石英ガラスチューブの前記第２の端に実質的に近接して配置された、少なくとも１つの開口部、を更に含む、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの開口部は、前記第１、第２の石英ガラスリングディスクの間に垂直に配置される、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項７】
前記第１、第２、そして第３の断面直径はお互いに同軸である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項８】
前記コイルは、前記第１の石英ガラスリングディスクと前記ベースとの間に垂直に配置される、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項９】
前記第１の長さは約１００ｍｍから約３００ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１０】
前記第１の直径は約４０ｍｍから約１２０ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１１】
前記第２の長さは約７５ｍｍから約２２５ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１２】
前記第２の直径は約３０ｍｍから約９０ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１３】
前記第３の長さは約１３５ｍｍから約４００ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１４】
前記第３の直径は約３５ｍｍから約１０５ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの開口部は、約８ｍｍから約２４ｍｍまでの間の高さを有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの開口部は、約９ｍｍから約２７ｍｍまでの間の幅を有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１７】
前記第１の石英ガラスリングディスクは、約４０ｍｍから約１３０ｍｍまでの間の内径を有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１８】
前記第１の石英ガラスリングディスクは、約７５ｍｍから約２２５ｍｍまでの間の外径を有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項１９】
前記第２の石英ガラスリングディスクは、約３５ｍｍから約１０５ｍｍまでの間の内径を有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２０】
前記第２の石英ガラスリングディスクは、約５５ｍｍから約１６５ｍｍまでの間の外径を有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２１】
前記第１、第２の石英ガラスリングディスクは、前記プラズマガスに対する圧力範囲を低くするように、前記スクリーンガスに前記プラズマフレームの近くで水平な放射状の流れパターンを持たせるように、配置される、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２２】
冷却材を前記ベース中で循環させるために、前記ベース内に配置された冷却材吸入口と冷却材排出口とを更に含む、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２３】
前記スクリーンガスは１ｐｐｍ未満のヒドロキシル含有である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２４】
前記コイルと前記外側の石英ガラスチューブとの間の距離は、約２ｍｍから約１０ｍｍまでの間である、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２５】
前記コイルは高周波発生器によって動力を与えられる、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの化学物質注入ノズルは、
前記プラズマトーチの中心線に配置される第１の化学物質注入ノズルと、
前記プラズマトーチの前記中心線の前方に配置される第２の化学物質注入ノズルと、
を含む、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２７】
前記中間の石英ガラスチューブは、その周囲を囲んで形成されたへこみ制限を前記内側の石英ガラスチューブの上方に有する、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの化学物質注入ノズルは、水平面から下方に傾斜させられた、請求項１に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
【請求項２９】
一端が実質的に基板に対して垂直である、誘導コイルに囲まれた外側の石英ガラスチューブと、
一端が実質的に前記基板に対して垂直である、内側の石英ガラスチューブと、
一端が実質的に前記基板に対して垂直であり、前記外側の石英ガラスチューブと前記内側の石英ガラスチューブとの間に配置された中間の石英ガラスチューブと、
を含み、それらチューブは、前記誘導コイルが励磁されたときにプラズマフレームを発生するためのプラズマガスに対する、前記内側の石英ガラスチューブと前記中間の石英ガラスチューブとの間に位置する第１の経路と、スクリーンガスに対する、前記外側の石英ガラスチューブと前記中間の石英ガラスチューブとの間に位置する第２の経路と、を提供するよう同軸であって、
前記外側の石英ガラスチューブの前記一端に同軸に接続された第１の石英ガラスリングディスクと、
前記中間の石英ガラスチューブの前記一端に同軸に接続された第２の石英ガラスリングディスクと、
を含み、前記スクリーンガスの流れパターンは前記第１の石英ガラスリングディスクと前記第２の石英ガラスリングディスクとにより決定され、
前記第１の石英ガラスリングディスクと前記第２の石英ガラスリングディスクとの間に配置された、前記プラズマフレームの中へ化学物質ソースガスを注入するための、少なくとも１つの化学物質注入ノズルと、
を含む、プラズマトーチと、
前記基板を支持するための手段であって、前記基板と該支持するための手段はお互いに相対的に移動する手段と、
を含む、合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３０】
前記中間の石英ガラスチューブの前記一端は、前記外側の石英ガラスチューブの前記一端を越えて伸びる、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３１】
前記外側の石英ガラスチューブの前記一端は、前記内側の石英ガラスチューブの前記一端を越えて伸びる、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３２】
前記第１、第２の石英ガラスリングディスクは前記中間の石英ガラスチューブに対して実質的に垂直である、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３３】
前記中間の石英ガラスチューブは、前記注入された化学物質ソースガスに対して前記プラズマフレームの中への通路を提供するための、前記中間の石英ガラスチューブの前記一端に実質的に近接して配置された、少なくとも１つの開口部、を更に含む、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの開口部は、前記第１、第２の石英ガラスリングディスクの間に垂直に配置される、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３５】
前記コイルは、前記第１の石英ガラスリングディスクとベースとの間に垂直に配置される、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３６】
前記第１、第２の石英ガラスリングディスクは、前記プラズマガスに対する圧力範囲を低くするように、前記スクリーンガスに前記プラズマフレームの近くで水平な放射状の流れパターンを持たせるように、配置される、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３７】
前記コイルは高周波発生器によって動力を与えられる、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの化学物質注入ノズルは、
前記プラズマトーチの中心線に配置される第１の化学物質注入ノズルと、
前記プラズマトーチの前記中心線の前方に配置される第２の化学物質注入ノズルと、
を含む、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項３９】
前記プラズマトーチに対しての前記基板の移動の間、前記第２の化学物質注入ノズルを前方の化学物質注入ノズルとして与えるために、前記プラズマトーチは前記基板に対して軸方向に回転する、請求項３８に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項４０】
前記中間の石英ガラスチューブは、その周囲を囲んで形成されたへこみ区域を前記内側の石英ガラスチューブの上方に有する、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの化学物質注入ノズルは、水平面から下方に傾斜させられた、請求項２９に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２００５年１２月２９日に提出された、米国仮特許出願第６０／７５４，２８１号の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、純粋な合成シリカチューブ、ドープされた合成シリカチューブ、光ファイバー応用のためのロッド、そして紫外線透過光学構成要素を作製するための方法に関する。より詳細には、プラズマプロセスを介した、低いヒドロキシル含有のシリカを蒸着させることによってそのようなチューブや光学構成要素を作製するためのプロセスに関係する。
【０００３】
課題
先行技術は、シリカガラススターターチューブを加工するための、そして光ファイバープレフォームを作製するための、様々なアプローチを教示する。スターターチューブは、シリカを加熱し開口部を介して押し出すことにより形成することができる。スターターチューブと光ファイバープレフォームの両方は、例えば改良された化学気相蒸着法（ＭＣＶＤ：ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、気相軸付け法（ＶＡＤ：ｖａｐｏｒ  ａｘｉａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）、外部蒸着法（ＯＶＤ：ｏｕｔｓｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような幾つかの技法のうちの１つを用いて、ドープされた、またはドープされていないシリカを目標物の上に蒸着させることで作製することができる。これらの方法の各々は、典型的にはチューブ又は固体のロッドの形に成形されていて、ガラス、セラミック、又は他の幾つかの材料のうちの１つから形成される、回転する目標物を用意することから始まる。ある場合において、そのロッド又はチューブはプレフォームにとって切り離せない部分となるのであるが、別の場合において、そのロッドは除去されるであろう。例えばガスバーナー又はプラズマ源のような熱源は、回転する目標物の真下に置かれる。その熱源は、ガラス形成反応がガラス粒子を形成するために要求されるエネルギーを与えるであろう。そのプロセスの性質にもよるが、これら蒸着されたガラス粒子においては、ＶＡＤ又はＯＶＤプロセスのように、次の処理、乾燥、そして焼結ステップのための用意が整っている。ＭＣＶＤプロセスにおいては、これら粒子は、同一の熱源によって、ガラス質の石英の中へと融合されるであろう。一般的に、ＯＶＤとＶＡＤプロセスにおいて見られる火炎加水分解化学反応にとっては、０．０５ｍｍと０．２ｍｍとの間の粒子サイズが理想的である。これらのプロセスは、２つのステップ、すなわち、火炎加水分解によるすす粒子の形成と、それからの、分離した加熱炉におけるすす粒子の硬化処理とを伴う。これらのプロセスにとっては、すす粒子の直径が僅かにより大きいことが好ましい。何故なら、それにより蒸着速度が改善されるからである。
【０００４】
目標物が水平に搭載されるときは、均一な蒸着を保証するために、熱源は目標物の長さ方向に沿って進む。目標物がチューブの場合、ガラス形成粒子と材料を、チューブの内側表面上に蒸着するか（その場合において、外径は一定のままである）、又はチューブの外側に蒸着（その場合において、外径は大きくなる）してよい。目標物が垂直に搭載されるときは、目標物はその垂直軸の周りを回転するのであり、そして半径方向と軸方向の両方に成長する。これにより、蒸着が続くにつれてその直径と長さが増加するような、実質的にシリンダー状の生産物がもたらされる。
【０００５】
Ｄｒｏｕａｒｔ等に対する米国特許第５，５２２，００７号（非特許文献１）は、高いヒドロキシルイオン濃度を有する光ファイバープレフォームを作り上げるために、プラズマ蒸着を用いることを教示する。この参照文献においては、誘導コイルを有するプラズマトーチの一方の端へと取り入れる前に、プラズマ発生ガスを水のタンクを介して通すことによって、意図的にヒドロキシルイオンをプラズマ発生ガス中に取り込む。これによって、プロセスガス流の中にある量の水が取り入れられる。プラズマトーチは、ヒドロキシルイオンと混合された溶融シリカ粒子を、回転する基板プレフォームへと発射する。これにより、平均ヒドロキシルイオン濃度が５０−１００ｐｐｍの範囲内にあるような、目標物プレフォームの上に蒸着されたプレフォームがもたらされる。加えるならば、Ｄｒｏｕａｒｔの場合における好ましい原料物質とは、シリカ粒子である。
【０００６】
Ｈｅｉｔｍａｎｎに対する米国特許第５，６０９，６６６号（非特許文献２）は、石英ガラスチューブを形成するために、多孔性酸化物セラミックから形成されたチューブ状の基板を用いることを教示する。メタン、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）、そして酸素の混合物を用いて動作するバーナーは、ガラスすすを基板上に蒸着させるため、チューブ状の基板に沿って前後へと動かされる。同時に、塩素又は塩化チオニルを含む乾燥ガス混合物が、他のガスと一緒に、チューブ状の基板の内部を、後者の軸に沿って通される。パージガスは、蒸着されたガラスすすからヒドロキシルイオンを除去する。蒸着され、パージされたガラスすす体は、チューブ状の基板から取り除かれ、それから、低いヒドロキシル濃度を有するチューブ又はロッドを形成するために、更に乾燥され、焼結される。
【０００７】
ＡｕｄｓｌｅｙとＢａｙｌｉｓｓは、非特許文献３において、四塩化ケイ素の酸化反応を誘導するために、４つの異なるプラズマトーチデザインを用いることを報告している。６７  ｇ／ｍｉｎの流速において完全な酸化へと到達できたということを、彼らは発見している。とは言うものの、ＡｕｄｓｌｅｙとＢａｙｌｉｓｓは、ガラスの水分含量を調査してはいないし、また環境的影響から隔離するためのスクリーンガスを供給するために、外部のチューブを備えたわけでもない。更には、化学物質は、注入ノズルを有しないトーチの底から注入された。
【０００８】
特開平４−２３１３３６（特許文献１）において、瀬戸等は、シリカ作製時において、プラズマトーチが火炎加水分解を誘導できるということを主張している。プラズマフレーム（ｐｌａｓｍａ  ｆｌａｍｅ）が乾燥した火炎であることは周知である。瀬戸等は、プラズマフレーム中に水素又は水素含有化合物を取り入れることを記載してはいない。更には、彼らの提案するプロセスにおいて火炎加水分解が起こるというのは疑わしいと、信じられている。
【０００９】
米国特許第４，１６２，９０８号（非特許文献４）において、Ｒａｕ等は、合成石英ガラス、特に、フッ素を含みヒドロキシルイオンを含まない合成石英ガラスを作製するために、誘導結合プラズマバーナーを用いる方法を開示している。プラズマトーチは、３つの同軸石英ガラスチューブを有し、中心のチューブは反応化学物質を供給するために用いられ、そして酸素ガスが、中間の及び外側のリングへと、酸素プラズマを形成するために供給される。Ｒａｕ等は、環境からの影響を隔離するための如何なるスクリーンガスをも用いていないのであり、そして彼らは化学物質供給チューブ又はノズルの如何なる詳細をも開示していない。更に加えると、化学物質の蒸着速度を改善するために、化学物質供給場所の操作を最適化することについての如何なる検討もされていない。
【００１０】
米国特許第４，４０２，７２０号（非特許文献５）において、枝広等は、窒素をドープしたシリカガラスを作製するためにプラズマトーチを用いることを開示している。枝広等は、反応ゾーンに入る前の反応化学物質を分離するよう、彼らのノズルを設計することに、多大な努力を費やしている。彼らは、環境からの影響を隔離するための如何なる方策をも用いていない。
【００１１】
米国特許第６，２５３，５８０号（非特許文献６）、及び６，５３６，２４０号（非特許文献７）において、Ｇｏｕｓｋｏｖ等は、そのプラズマトーチの中心軸から外側に突き出ている、２つの対立したプラズマスタビライザーバーを有するプラズマトーチを用いることを、開示している。これらスタビライザーバーはＵ字型のトラフであって、それらの向きに対応する直線方向においての環境隔離を与えるためのものであるが、しかしながら３６０°方向ではない。
【００１２】
従って、低い不純物レベル（例えばヒドロキシルイオン）での連続プロセスにおける光ファイバーの製造のための、チューブ、プレフォーム、又はその両方を形成するプラズマトーチが必要である。加えて言えば、十分な乾燥と焼結とを必要とする、すす蒸着を伴うプロセスは、高い費用がかかり時間も浪費するのであって、それ故に、より迅速でより安価な、すすの蒸着及び硬化方法が必要とされている。
【背景技術】
【００１３】
【特許文献１】特開平４−２３１３３６
【非特許文献１】米国特許第５，５２２，００７号
【非特許文献２】米国特許第５，６０９，６６６号
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｖｏｌ．  １９  ｐｐ  ３３−３８  （１９６９）
【非特許文献４】米国特許第４，１６２，９０８号
【非特許文献５】米国特許第４，４０２，７２０号
【非特許文献６】米国特許第６，２５３，５８０号
【非特許文献７】米国特許第６，５３６，２４０号
【非特許文献８】Ｊｏｕｒｎａｌ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．  ３２，  Ｐａｇｅ  ８２１  （１９６１）
【非特許文献９】Ｐｌａｓｍａ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｖｏｌ．  ２２，  Ｐａｇｅ  ３５１  （２００２）
【発明の開示】
【００１４】
解決手段
合成シリカを作製するための、改善された本プラズマトーチは、プラズマトーチをよりコンパクトでより固定したものとするためにリングディスクによってスタビライザーバーを代替することを伴うのであり、改善された本プラズマトーチによって上述の問題は解決され、かつ技術的進歩が達成される。加えてそれは、一般のスタイライザーバーの直線方向に限った受動的な保護よりもより完全な、３６０°での環境隔離を与えるためのアクティブなカーテンとして、例えば窒素のようなスクリーンガスを用いる。蒸着結果の改善のために、１以上のリングディスクを用いてもよい。
【００１５】
本プラズマトーチは更に、化学物質注入ノズルを中心から外れて配置することを伴う。この配列によって、蒸着されたガラスの質の低下を伴わない、両方向における蒸着が提供される。
【００１６】
本プラズマトーチは更に、適切な注入ノズルを入念に加工、検査、そして選択することによって、注入された化学物質に対する層流を保持する。加えて、プラズマトーチにおける中間の石英チューブは、へこんで形成された区域を有している。この設計は、より大きなＲＦ発生器を用いることを必要とせずに、プラズマジェットのエンタルピーを増加させる。こうして、蒸着速度と効率とが更に改善される。
【００１７】
併せて、プラズマガスをメークアップとその流動とに渡ってよりよく制御するために、本プラズマトーチは追加的プラズマガス吸入口を備える。更には、本プラズマトーチはまた、下向きに傾斜させることが可能な化学物質注入ノズルを備える。
【００１８】
概要
本プラズマトーチは、１ステッププロセスにおいて良質の溶融シリカ生産物を生産するのであり、その一方で、非常に低い気泡カウント、７０％よりも優れた蒸着効率、そして平均９ｇ／ｍｉｎの蒸着速度を同時に達成する。更には、本プラズマトーチは、蒸着されたガラスに対して１ｐｐｍ未満の水分含量を保持する。これら全ての修正をもって要約すれば、蒸着速度、効率、そして生産物の質が、より大きなＲＦ発生器を用いずに著しく向上する。本プラズマトーチは、アクティブな環境隔離を与えるために、外側の石英チュービングからの窒素スクリーンガスを用いるのであり、それは、よりコンパクトでありながらも完全な保護（３６０度をカバー）を与えるためにリングディスクを用いて、先行技術のスタビライザーバーに取って代わる。加えて、本プラズマトーチは、両方向においての蒸着を可能とするための、補正され、そして切り替えられる、化学物質注入ノズル位置を備える。更には、本プラズマトーチは、注入された化学物質に対する層流を保持する。それはまた、中間の石英チューブ上に、へこんで形成された区域を有している。それはより多くのプラズマガス吸入口を用い、かつ下向きに傾斜した化学物質注入ノズルを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図面の詳細な説明
図１は、本発明に従う典型的な装置２０を用いて合成ガラスを作製するための、改善された本プラズマトーチの実施形態を示す。その装置は、フード２２を含むのであり、化学反応からのガス副産物を除去するために適当な排出を行うのであり、そしてまた、シーリングによって最終生成物に不純物が取り入れられることを防ぐような、プラズマトーチからのＲＦ隔離保護を与える。フード２２の内部には、例えばＬｉｔｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｌａｂから入手できるような旋盤２４がある。旋盤２４は、ヘッドストック２５とテールストック２６とを備える。ヘッドストック２５とテールストック２６とには、対立して回転するスピンドルチャック２８のペアが備えられているのであり、それらは、実質的にシリンダー状の外壁を有する、引き伸ばされた目標物３０の端を支える。スピンドルチャック２８は、矢印Ａ１が指示する通りに目標物３０を回転させる。旋盤２４に、移動できるように搭載された、移動可能な台車３２は、頭が２つある矢印Ａ２が指示する通り、目標物に沿ったどちらの方向にでも進むようにと配置されている。
【００２０】
４０として一般的に示される、本誘導プラズマトーチは、台車３２によって支持されている。台車３２は従って、目標物３０の長さ方向に沿って誘導プラズマトーチ４０を動かす。この結果として、チューブ状部材３４（スターターチューブかもしれないし、又は光ファイバープレフォームかもしれない）を形成するように、目標物３０上へ材料が蒸着される。スピンドルチャック２８は目標物３０を回転させ、その材料が、目標物の周りの誘導プラズマトーチ４０によって、ほとんど完全なシリンダー状の外壁を有するチューブ状部材３４を形成するようにと、均一に蒸着されることを保証する。
【００２１】
好ましい実施形態においては、台車３２の上に配置された誘導プラズマトーチ４０は、目標物３０の長さの相当部分に沿って、両方向に動く。これにより、誘導プラズマトーチ４０が目標物３０のこの部分に沿って進み、材料を蒸着させることが可能となる。
【００２２】
誘導プラズマトーチ４０を目標物の長さ方向に沿って動かす代わりに、誘導プラズマトーチ４０を静止させたままで目標物３０を動かしてもよい。これは、旋盤におけるヘッドストック２５とテールストック２６とを用いて、目標物における全ての関連部分が誘導プラズマトーチ４０の真上に来るようにと、目標物を往復させるやり方で動かすことにより、実現可能である。
【００２３】
別の代案として、複数のプラズマ源を目標物の長さ方向に沿って間隔を離して置いてよい。これにより、旋盤２４のヘッドストック２５又はテールストック２６の一方、又はプラズマ源が取り付けられる台車３２の移動を減らすことが（２つのうちどちらが動くように構成されているかに依存して）可能である。非常に大きな数のプラズマ源が全て目標物の長さ方向に沿って与えられるような、極端な場合においては、台車３２又は旋盤２４のヘッドストック２５とテールストック２６のいずれにおいても、全く移動する必要がない。好ましい実施形態において、プラズマトーチ４０は、第１のガス線４２を通じてトーチに取り入れられる、乾燥したプラズマガスと、第２のガス線４４を通じてトーチに取り入れられる、ソースガスと、を有する誘導プラズマトーチである。
【００２４】
プラズマガスは実質的に、ある適切な所定の割合で、窒素と酸素とを含む。空気はプラズマガスとして役に立つ。そのような場合において空気は、第１のガス線４２に入る前に、まず第１の乾燥機４６を通過して水分を取り除かれる。これにより、プラズマガスにおけるヒドロキシル濃度が約１ｐｐｍかそれ未満の低さであることが保証される。
【００２５】
ソースガスは少なくとも、ＳｉＣｌ4のような主ソース化学物質（追加的ドーパントを有しているか、または有していない）と、例えば酸素や窒素のような、少なくとも１つのキャリアガスとを含む。キャリアガスは、水分を除去するために第２の乾燥器４８へと入る。これにより、ソースガスにおけるヒドロキシル濃度もまた、約０．５ｐｐｍと非常に低いことを保証される。キャリアガスが乾燥された後、それらはバブラー５０へと向かうのであるが、又はそれに代わって、バブラー５０ではなくバブラーのグループを、ソース化学物質を取り出すために用いることもできる。ソース化学物質で満ちたキャリアガスを含むガス流は、それから第２のガス線４４に向かう。選択的に、ガス流が誘導プラズマトーチへと到着する前に、開放バルブ５１によって、ガス流の中へドーパントガスを取り入れてよい。
【００２６】
好ましい実施形態において、ソース化学物質はＳｉＣｌ4である。この化学物質は、プラズマ中でのその反応性で選ばれる。特に、ＳｉＣｌ4は、目標物３０に蒸着されるＳｉＯ2を形成するためのＳｉソースとして役に立つ。屈折率を低くするためのドーパントは、典型的には、ＳｉＦ4、ＣＦ4、又はＳＦ6の形でのフッ素ドーパントガスである。フッ素ドーパントによって石英の屈折率が修正され、そして光ファイバープレフォームの設計に対してある程度の自由度が加わる。屈折率を大きくするためのドーパントとしては、蒸気の形でのＧｅＣｌ4、ＰＯＣｌ3、ＡｌＣｌ3、そしてＴｉＣｌ4が典型的である。
【００２７】
図２は、２つのリングディスクと３つの石英チューブとを備える、本誘導プラズマトーチ４０の１つの実施形態を説明する。誘導プラズマトーチ４０は、回転する目標物３０の下方に配置される。誘導プラズマトーチ４０は、石英から形成された、実質的にチューブ状のトーチハウジング４１を含む。好ましくは、ハウジング４１は全径１００ｍｍ、そして高さ３１０ｍｍを有する。しかしながら、８０−１２０ｍｍの直径範囲と、１８０−４００ｍｍの間の高さであっても、使用可能である。
【００２８】
この実施形態において、中間の石英ガラスチューブ５４は、外側の石英ガラスチューブ５２よりも僅かに丈が高いのであり、かつ、お互いに向かい合った２つの切抜き開口部又はウインドウ５７を有する。非特許文献６、及び非特許文献７において教示されるのと同じ化学物質注入位置を得るために、ウインドウ５７の下端は、Ｖ＝０に定められる（図７）。１つの形態において、ウインドウ５７は、高さ１６ｍｍ、そして幅１８ｍｍの寸法を有する。本誘導プラズマトーチ４０はまた、内側の石英ガラスチューブ５８を備える。
【００２９】
中間の石英ガラスチューブ５４は、好ましくは、内側の石英ガラスチューブ５８と外側の石英ガラスチューブ５２の両方と比較した場合に最も丈が高い。外側の石英ガラスチューブ５２は、好ましくは内側の石英ガラスチューブ５８よりも丈が高い。内側の石英ガラスチューブ５８は外径がおよそ６０ｍｍ、そして長さがおよそ１５０ｍｍであり、中間の石英ガラスチューブ５４は外径がおよそ７０ｍｍ、そして長さがおよそ２７０ｍｍであり、外側の石英ガラスチューブ５２は外径がおよそ８５ｍｍ、そして長さがおよそ２００ｍｍであるというのが、石英ガラスチューブの典型的な寸法である。
【００３０】
加えて、本誘導プラズマトーチ４０はまた、底部石英ガラスリングディスク６６と、上部石英ガラスリングディスク７０とを備える。底部石英ガラスリングディスク６６は、外側表面において外側の石英ガラスチューブ５２に実質的に垂直なコイル６４の上方にある、外側の石英ガラスチューブ５２の頂上部に実質的に垂直に溶接されている。上部石英ガラスリングディスク７０は、中間の石英ガラスチューブ５４の頂上部に実質的に垂直に溶接されている。石英ガラスリングの寸法は、以下の通りであってよい。すなわち、底部石英ガラスリングディスク６６は、外径およそ１５０ｍｍであり、内径がおよそ８５ｍｍであってよく、加えて、上部石英ガラスリングディスク７０は、外径およそ１１０ｍｍであり、内径がおよそ７０ｍｍであってよい。
【００３１】
底部石英ガラスリングディスク６６と上部石英ガラスリングディスク７０とは、スクリーンガスの流れパターンを定める（以下で説明される）。それらによって、スクリーンガスは、本誘導プラズマトーチ４０の頂上部で水平な放射状の外側への流れを有することを強制される。これにより、プラズマガスに対する圧力のより低い領域が生み出されるのであり、それは、中間の石英ガラスチューブ５４から外側への、プラズマの流れを引き起こす。この流れにより、プラズマフレーム７４の幅は増大するであろう。より広い火炎によって、回転する目標物３０の外側面上の、蒸着ゾーンの幅は増大するであろう。結果として、そのプロセスにおいての蒸着速度と効率とが向上する。更には、スクリーンガスの流速を調節することにより、プラズマフレーム７４の安定性を維持できる。
【００３２】
加えて、底部石英ガラスリングディスク６６と上部石英ガラスリングディスク７０とは、中間の石英ガラスチューブ５４と外側の石英ガラスチューブ５２からしっかりと（先行技術において見られるような、一端のみを石英チュービングに取り付けたスタビライザーバーと比較して）支持されている。この新規な設計により本誘導プラズマトーチ４０の剛性が向上し、修理、交換コストが減少する。
【００３３】
化学物質７２を注入するための、一対の化学物質注入ポート６８が、底部石英ガラスリングディスク６６と上部石英ガラスリングディスク７０との間に垂直に配置されているのであり、そしてそれらは外側の石英ガラスチューブ５２と中間の石英ガラスチューブ５４との間に水平に配置されていて、中間の石英ガラスチューブ５４の切り抜きウインドウ５７へと向けられている。これら化学物質注入ポート６８を通じて、化学物質７２（例えばＳｉＣｌ4）は、回転する目標物３０上で蒸着され硬化処理されるシリカすす粒子を生成するために、プラズマフレーム７４へと取り入れられる。
【００３４】
ソース化学物質７２を誘導プラズマトーチ４０へと運ぶために、一対の化学物質注入ポート６８は第２のガス線４４に接続されている。化学物質注入ポート６８は典型的に、５ｍｍの直径を有する石英チュービングを含む（約３−１０ｍｍのチュービング直径を、本誘導プラズマトーチ４０と共に用いることができるのではあるが）。この実施形態において、一対の化学物質注入ポート６８は、ハウジング４１に対して同一の高さで配置されており、そして、一対の化学物質注入ポート６８の各々は、お互いから正反対に交差するように置かれている。しかしながら、ちょうど２つのそのような化学物質注入ポート６８ではなく、３か、更にはそれ以上の、対称的に配列された化学物質注入ポート６８を与えてもよい。
【００３５】
プラズマガス吸入口７６は、プラズマガスを運ぶ第１のガス線４２を、誘導プラズマトーチ４０へと接続する。プラズマガス吸入口７６は、実質的に同一の高さでハウジング４１に入り、ハウジング４１のベースに隣接している。これらプラズマガス吸入口７６は典型的に、５ｍｍの直径を有するステンレス鋼チュービングを含む（ある範囲内の直径であれば今回の目的のためには十分なのではあるが）。好ましくは、誘導プラズマトーチ４０はまた、冷却材吸入口７８と排出口８０とを備える。使用中、例えば水のような冷却材が、吸入口７８を通過し、ハウジング４１の外壁内側を循環し、そして排出口８０を通って出る。冷却材吸入口と排出口とは、ステンレス鋼から形成され、そして５ｍｍの直径を有する。プラズマガス吸入口と注入ポートと同様に、冷却材吸入口７８と排出口８０の直径もまた、誘導プラズマトーチ４０についての所望の熱力学的性質に適合するようにと変えることができる。
【００３６】
好ましくは、プラズマガス吸入口７６、冷却材吸入口７８、そして冷却材排出口８０は全て、ステンレス鋼チャンバー８２内で形成される。チャンバー８２は、一辺１００ｍｍ、そして高さがおよそ４０ｍｍの、ステンレス鋼四角ブロックである。チャンバー８２は支持スタンド５６の上に搭載され、支持スタンド５６は順繰りに、回転する目標物３０に沿って動かすために、台車３２の上に搭載される。好ましくは、プラズマガス吸入口７６を接線方向に通って、プラズマガスが内側の石英ガラスチューブ５８と中間の石英ガラスチューブ５４との間に取り入れられる。
【００３７】
１ｐｐｍ未満のヒドロキシル含有である、例えば窒素のようなスクリーンガスは、スクリーンガスポート８４を通じて、中間の石英ガラスチューブ５４と外側の石英ガラスチューブ５２との間に取り入れられる。乾燥したスクリーンガスは中間の石英ガラスチューブ５４と外側の石英ガラスチューブ５２との間を流れるのであり、窒素カーテンを発生させる。窒素カーテンは周辺環境からの水分拡散を防ぎ、それによって蒸着される石英ガラス層中のヒドロキシル含有を減少させる。アクティブな流れの窒素カーテンを用いることで、本誘導プラズマトーチ４０は、環境的影響を隔離し、ヒドロキシル含有を減少させることにおいて、先行技術において見られる受動的なスタビライザーバーを用いるよりも更に効果的なものとなる。
【００３８】
誘導プラズマトーチ４０は更に、そのハウジング４１の上部の周りに備えられている、銅誘導コイル６４を有する。コイル６４は、およそ９５ｍｍの直径を有し、各々がおよそ６ｍｍの間隔で離されている複数の巻き線６２を含む。ハウジング４１とコイルとの間の隔たりは２−１０ｍｍの間であってよい。最上部の巻き線６２’で指示されている通りのコイル６４における最上部は、底部石英ガラスリングディスク６６からおよそ２ｍｍの固定距離で離されている。誘導コイル６４は、外側の石英ガラスチューブ５２の外側に配置される。
【００３９】
コイル６４には高周波発生器（示されていない）が電気的に接続されており、５．２８＋／−０．１３  ＭＨｚの周波数での、最高６０ｋＷまでの可変出力で、コイル６４に電力を供給する。好ましい実施形態において、その発生器は、ドイツのＦｒｉｔｚ  Ｈｕｅｔｔｉｎｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ＧｍｂＨから入手可能なモデル番号ＩＧ  ６０／５０００である。この発生器は、５０Ｈｚ、三相、４８０Ｖの電力供給で駆動され、誘導プラズマトーチ４０を活動させる。
【００４０】
上述の通り、本プラズマトーチ４０はガラス工芸旋盤２４上に配置された、移動可能な台車３２の上に搭載される。蒸着プロセスの間、移動可能な台車３２は、回転する目標物３０に沿って前後に動く。誘導プラズマトーチ４０のサポート装備の重量によっては、移動可能な台車３２を静止させたままにしておき、回転する目標物３０を動かすという操作が好ましい。目標物のロッド又はチューブは、右から左へと、そしてそれからその元の位置へと戻るようにと、又は前後動作が指示されるのに従って、動かされるであろう。
【００４１】
図３は、中心から外れた１以上の化学物質注入ノズル、正面化学物質注入ノズル１２２と背面化学物質注入ノズル１２４を有する本誘導プラズマトーチの別の実施形態１２０を説明する。先行技術のプラズマトーチは典型的に、お互いに真っ向から対立して配置された化学物質注入ポートを備える。本実施形態においては、背面化学物質ノズル１２４は、誘導プラズマトーチ１２０の中心線と一列に並んでおり、そして正面化学物質ノズル１２２は、回転する目標物３０と同じ方向に、背面化学物質トーチ１２４より大体８ｍｍ前に、前方へ動かされる。図３において示されるように、この配列を用いて、そして「前方方向」に操作されることで、蒸着速度の上昇と目標物の直径のより良い制御とが達成される。これにより、回転する目標物３０において、より均一な直径が与えられる。
【００４２】
好ましくは、２つのノズル間での８ｍｍの補正により、蒸着結果が改善される。加えて、この補正距離は、回転する目標物３０のサイズ、誘導プラズマトーチ１２０の直径、使われている発電機、プラズマガスの流速、そして用いられる原料物質と、それらの供給速度も含む、幾つかの要因に依存してよい。好ましくは、その補正は６ｍｍから１２ｍｍの間の範囲内にすることが可能である。
【００４３】
この実施形態において、化学物質注入ノズル１２２と１２４の相対的な位置は、それらが蒸着方向に対して同一であるように切り替え可能である。例えば図４においては、回転する目標物３０の逆への動きに対して、正面化学物質注入ノズル１２２と背面化学物質注入ノズルとの切り替えられた配列が示されている。図３と４を見れば分かるように、ノズルの位置１と２は、回転する目標物３０又は誘導プラズマトーチ１２０のどちらかが進むのに依存して切り替えられる。図４を参照すれば、背面化学物質注入ノズル１２４が正面化学物質注入ノズル１２２よりもおよそ８ｍｍ前方にある一方で、正面化学物質注入ノズル１２２は、誘導プラズマトーチ１２０の中心線とぴったり合う。
【００４４】
誘導プラズマトーチ１２０の前に立っている人から見た通りの前方方向においては、図３において示されるように、蒸着は右端から左端へとなされる。正面化学物質注入ノズル１２２は、誘導プラズマトーチ１２０中心線の前方にあり、そして背面化学物質注入ノズル１２４は、誘導プラズマトーチ１２０中心線とぴったり合っている。
誘導プラズマトーチ１２０の後ろに立っている人から見た通りの逆方向においては、図４において示されるように、蒸着は右側であり、左側へと移動するであろう。
この実施形態において、背面化学物質注入ノズル１２４と正面化学物質注入ノズル１２２とは、一方からもう一方へと、通過の始まる間際に非常に迅速に切り替えられる。
位置１は、前方への動きに対するものであり、位置２は逆の動きに対するものである。
【００４５】
化学物質注入ノズル１２２と１２４の位置を切り替えるために、開口ウインドウ５７の幅はおよそ２０ｍｍへと変更されるのであり、そしてウインドウ５７は、もはやお互いに真っ向から対立した位置にはない。代わって、お互いからは補正値が存在する。ウインドウを過剰に拡大し過ぎれば、プラズマガスの過度の流出を引き起こすかもしれない。
【００４６】
加えて、化学物質注入ノズル１２２と１２４の位置の切り替えはまた、あらかじめ決められて固定された位置にある２つの追加的ノズルを用いることで達成可能である。更には、所望のノズルに化学物質を供給するための異なったバルブや電子制御でもまた、同様の機能を果たすことが可能である。
【００４７】
蒸着プロセスの間は、多くの場合、化学物質注入ノズル６８、１２２、そして１２４の先端において作り上げるということが行われている。このように作り上げれば、蒸着速度とガラスの質を大幅に低減させる可能性がある。検査をすると、このように作り上げたものは、化学物質注入ノズル６８、１２２、そして１２４の流路において形成された髭（ｂａｒｂｓ）としてとらえられる。
【００４８】
反応化学物質の流速が増したとき、対応して初めは蒸着速度の増大が起こるものの、しかしながら動作中にそれは横ばいになって、それから下がり始める、ということが観察されている。このことは、注入された化学物質の効率的な蒸着に対する層流の重要性を示している。化学物質注入ノズル６８、１２２、１２４についての一連の試験実験の後、化学物質注入ノズル６８、１２２、１２４の開口部又は断面積（ＣＳＡ：ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ  ａｒｅａ）と、ノズルの形状と、そして化学物質注入ノズル６８、１２２、１２４に対する層流を保持するための化学物質の流速と、に対する最適な条件が見出された。これらの最適な条件は、化学物質注入ノズル６８、１２２、１２４の先端においてできるすす粒子を最小化するのであり、そしてまた、ガラスに気泡が捕らえられる可能性がより低くなるような、粒子サイズの低下をもたらす。
【００４９】
好ましくは、理想的な粒子サイズは、現在のプロセスに対しては０．０２ｍｍから０．０５ｍｍの間である。蒸着されるすす粒子の直径が非常に大きくなれば、それらを硬化させることは非常に難しくなる。すす粒子が大きければまた、ガラス中には大変頻繁に、気泡が捕らえられる。化学物質注入ノズル６８、１２２、１２４に対して層流が固定レベルで保持される場合には、粒子サイズは均一に低下し、ガラスの質は改善された。更には、化学物質注入ノズル６８、１２２、１２４の先端におけるすす粒子の生成可能性も最小化されたのであり、メンテナンスの必要性と頻度が下がった。
【００５０】
図５は、本発明における本誘導プラズマトーチについての別の実施形態１５０を説明する。誘導プラズマトーチ１５０は、へこんだ区域１５２を有する中間の石英ガラスチューブ１５４を備える。中間の石英ガラスチューブ１５４について底面部から頂上部まで均一な直径を用いる代わりに、へこんだ区域１５２が、内側の石英ガラスチューブ５８の頂上部のすぐ上に製作される。このへこんだ区域１５２は、その直径全部のうちの約３０％まで、直径を徐々に減らすのであり、それから通常の直径までカーブして戻る。一例としては、内側の石英ガラスチューブ５８の頂上部のおよそ３ｍｍ上において、そのへこんだ区域１５２が始まる。へこんだ区域における垂直方向での全体の長さは、およそ３０ｍｍであって、そしてそのへこみにおける最小の直径はおよそ５０ｍｍである。１つの実施形態において、内側の石英ガラスチューブ５８は外径がおよそ６０ｍｍ、そして長さがおよそ１５０ｍｍであり、中間の石英ガラスチューブ１５４は外径がおよそ７０ｍｍ、そして長さがおよそ２５５ｍｍであり、外側の石英ガラスチューブ５２は外径がおよそ８５ｍｍ、そして長さがおよそ２００ｍｍである。誘導プラズマトーチ１５０の効率が向上し、そしてプラズマジェットの平均エンタルピーが改善されるというのが、本誘導プラズマトーチ１５０における利点である。
【００５１】
誘導プラズマトーチ１５０に連結する全体エネルギーＷは、放射損失Ｗr、石英チューブによる吸収Ｗt、そしてプラズマジェットへ移転されるＷjへと分散されることが知られている。この全体エネルギーに対する数式は次の通りである。
Ｗ  ＝  Ｗr  ＋  Ｗt  ＋  Ｗj      （１）
【００５２】
Ｒｅｅｄによる研究からわかるように（非特許文献８）、そしてまたＧｕｔｓｏｌ等によって報告されているように（非特許文献９）、本誘導プラズマトーチ１５０において用いられる旋回流パターンは非常にユニークな特徴を有する。強力な流れの回転の結果として、再循環ゾーンが形成される。そのゾーンの軸上での逆流の結果として、プラズマの「テール」が形成されるのであり、それは誘導領域（本実施形態においては、コイルの下方である）の上流を拡張する。冷却ガス領域中でのこのゾーンの長さは、チューブ直径より何倍も大きい可能性があり、それ故に、プラズマガス吸入口７６の付近まで届く可能性がある。
【００５３】
図６を参照すれば、本発明の１つの実施例に従って追加的ガス吸入口の配列を描く、本プラズマトーチの別の実施形態２００の平面図が説明されている。この実施形態において、４つの分離したプラズマガス吸入口７６が、チャンバー８２について接線方向に向けられている。上述の通り、これらプラズマガス吸入口７６は、プラズマガスを運ぶ第１のガス線を誘導プラズマトーチ４０に接続する。これらプラズマガス吸入口７６は同じ寸法であってよく、そして上述の通り、同じ材料から作られていてよい。これらプラズマガス吸入口７６の数と向きとによって、プラズマガスの循環又は旋回パターンが生み出されるのであり、プラズマフレーム７４が改善される。プラズマガスについて所望の流れパターンを達成するために、如何なる数のプラズマガス吸入口７６を用いてもよい。
【００５４】
図７へと向き直れば、左側にある先行技術の誘導プラズマトーチからの流れパターンが、右側にある本誘導プラズマトーチ１５０と比較されている。ＲＦコイルによって誘導された表面薄層（ＳＬ：Ｓｋｉｎ  Ｌａｙｅｒ）、プラズマ再循環ゾーン（ＲＺ：Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  Ｚｏｎｅ）、そしてプラズマガスの流れに対する流線（ＳＭ：ＳｔｒｅａｍＬｉｎｅｓ）が示されている。図７から、先行技術のプラズマトーチに対するプラズマテールはプラズマガス吸入口７６に向かって伸びたことが分かる。本誘導プラズマトーチ１５０に関しては、プラズマ再循環ゾーンはへこんだ区域１５２のすぐ上で終わっており、プラズマガス吸入口７６へは伸びなかったことが分かる。これは、へこんだ区域１５２における直径によって、流線がチューブの中心に向かって動くことを強制され、そしてプラズマテールが更に上流へと動くことを制限されたことによるものである。こうして、誘導プラズマトーチ１５０上でプラズマ再循環ゾーンは短く（小さく）なった。プラズマ再循環ゾーンが小さくなったので、Ｖ＝０に対する位置もまた低くなった。
【００５５】
プラズマ再循環ゾーンがより小さくなるとき、石英チューブに向かう損失と同様に、放射に向かうエネルギー損失が小さくなるであろうことは明らかである。式（１）から、全体の連結されるエネルギーＷが同一であって、しかしながら放射損失Ｗrと石英チューブによって吸収されるエネルギーＷtとが小さくなるときには、プラズマジェットはより多くのエネルギーＷjを利用できるであろうことが分かる。言い換えれば、Ｗjが増加してより大きくなるであろう。従って、公式  □＝Ｗj／Ｗ  で表される効率もまた向上するであろう。同様に、全体の流速が同じであれば、プラズマジェットの平均エンタルピー  Ｈj＝Ｗj／Ｑ  もまた増加する（Ｑはプラズマガスの全体質量流（ｔｏｔａｌ  ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ）である）。
【００５６】
図６と図７とを参照すれば、追加的プラズマガス吸入口７６と共にへこんだ区域１５２を用いてよい。例えば、４つのプラズマガス吸入口７６を用いる場合、計画された全体の流速を保持しつつ、各々個別のプラズマガス吸入口７６に対しての流速を低下させることが可能である。これにより、プラズマフレーム又はジェット７４の回転対称性１２６（図３と図４で示されている通り）が改善される。またこれにより、プラズマフレーム又はジェット７４の安定化も改善されるであろう。
【００５７】
この実施形態においては、４つのプラズマガス吸入口７６が用いられている。この実施形態において、対立する２つのプラズマガス吸入口７６は主プラズマガスを供給してよく、そして他の２つのプラズマガス吸入口７６は補助として用いられるかもしれない。１つは酸素を供給し、もう１つは窒素を供給するであろう。これにより、乱流を生成することなく、全体のガス流速を上昇させることが可能である。そのプロセス中に酸素と窒素との割合を変更し、しかしながら全体の流れを同一に保持するということもまた可能となる。
【００５８】
これら４つのプラズマガス吸入口７６が同一平面上にある必要はなく、そして結果として、その４つのプラズマガス吸入口７６についての位置と平面とを制御することにより、異なった種類の流れパターンを発生することが可能である。加えて、各々のプラズマガス吸入口７６に対しての個々のガス流を調節することにより、異なった種類の流れパターンを発生することが可能である。追加的プラズマガス吸入口７６を、フッ素含有ガス（例えば、ＳｉＦ4、ＣＦ4、又はＳＦ6）のような気相原料物質を供給するために用いてよい。反応ゾーンに入る前に事前の混合が起こることを望まないならば、それらを、原料物質の蒸気相成分を供給するために用いることもまた可能である。
【００５９】
図５を参照すれば、底部石英ガラスリングディスク６６の上に配置された化学物質注入ポート６８が示されている。しかしながら、それらは外側の石英ガラスチューブ５２の上部に垂直になってはおらず、その代わりに、誘導プラズマトーチ１５０の中心に向かう平面からおよそ１５度下方に向けられている（そこはＶ＝０である）。化学物質注入ポート６８を下方に向ける、その角度勾配は、誘導プラズマトーチ１５０の直径、へこんだ区域１５２の寸法、プラズマガスの流速、連結されたプラズマエネルギー、そして化学反応原料物質に依存する。
【００６０】
上記、そして図７において指示されている通り、Ｖ＝０の位置は本誘導プラズマトーチ１５０において低くなったので、Ｖ＝０においての温度はより高い。これは、再循環ゾーンの縮小に起因するもう１つの恩恵である。この種の配列によって本プラズマトーチ１５０のユニークな温度プロファイルを更に生かすことが可能であり、そして結果として化学変換速度の改善と粒子サイズの更なる均一化がもたらされる。
【００６１】
図５の誘導プラズマトーチ１５０に関しては、図２において示されているような、外側の石英ガラスチューブ５２上方への中間の石英ガラスチューブ５４の拡張は、しなくてもよい。中間の石英ガラスチューブ５４の短縮によって、化学物質注入のためのウインドウ５７をなくすこともできる。この実施形態においては、中間の石英チューブガラス５４を短縮した後は、上部と底部のリングが非常に接近する。所望の空気カーテンを形成するには底部石英ガラスリングディスク６６で十分であるので、上部石英ガラスリングディスク７０を取り除くことも可能である。
【００６２】
図５の誘導プラズマトーチ１５０中で、底部石英ガラスリングディスク６６は、水平放射状外向きの流れ方向をもつスクリーンガスを形成できるであろう。これは、底部石英ガラスリングディスク６６単独で、必要とされる環境シールドを与えることができるからである。この実施形態に対しては、上部石英ガラスリングディスク７０を取り除くことで、装備品製造コストが削減され、デザインが単純化され、かつ誘導プラズマトーチ１５０はよりコンパクトなものとなるであろう。
【００６３】
これら修正をすれば、発電機からの電力を上げる必要なしに、プラズマフレーム７４のエンタルピーが増加する。これにより、より大きな電力供給装置を用いることなしに生産性が向上する。更にはプロセスの効率もまた、およそ１０％上昇したのであり、その上そのプロセスによって、蒸着されたガラス中での気泡形成も大幅に低減された。
【００６４】
本誘導プラズマトーチ４０、１２０、１５０、そして２００を水平モードで動作させて、プレフォーム、チューブ、ロッド、又は３つ全てを作製するためにシリカの蒸着を行ってよい。加えて、本誘導プラズマトーチ４０、１２０、１５０、そして２００を、シリカガラスを蒸着させるために垂直モードのやり方で用いてよく、それによりガラスにブランクやインゴットを作製することが可能となるであろう。
【００６５】
誘導プラズマトーチ４０、１２０、そして１５０において教示される特徴の全てを用いることで、蒸着速度と効率（物質の活用）とが著しく改善可能であるということがわかった。以下の表１は、先行技術の誘導プラズマトーチと誘導プラズマトーチ１５０との比較を示す。
表１
2009522199.tif 000003
【００６６】
製品例によって、これらの改良の、真の利点が示されるであろう。最初の外径が２０ｍｍである、１メートルの長さのガラス目標物上へ、その最終的な外径を７０ｍｍへと成長させるためにとガラスを蒸着させるのに、先行技術の誘導プラズマトーチデザインを用いれば２７時間と少々かかる。しかしながらここにおいて教示される誘導プラズマトーチの結果としては、そのプロセスにかかるのは１７時間未満であろう。すなわち処理時間が１０時間削減される。言い換えれば、同じ製造時間ピリオドに対して、約４０％の処理量増加が可能である。この結果、労働コストもまた著しく削減される。この新しい誘導プラズマトーチは、たった６０％の装備をもって、先行技術と同じ量の製品の製造を可能とするであろう、ということを考えれば、これら著しい節約が大局的に把握される。言い換えれば、これは資本投資における４０％の節約となる。原料物質の使用量ということから考えれば、本設計における他の利点が示される。本発明の誘導プラズマトーチは、材料コストの４０％の削減をもたらす。
【００６７】
合成シリカを作製するための、新規なプラズマトーチが説明されてきた。当然ながら、本明細書内で説明された特定の実施形態は例示の目的のためのものであって、本発明を制限するために構成されるべきではない。更に当業者ならば、この発明概念から逸脱することなく、説明された個別の実施形態の、極めて多くの活用、修正を直ちに成すことができるということが明白である。例えば、説明されているコイルやそのコイルの所要電力であるが、別の材料で作製して異なった電力設定において動作させることは可能である。列挙されている石英チューブの寸法も、所望の応用のためにと大きく又は小さくできることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態に従って、蒸着装置と共に用いられる本プラズマトーチの実施形態を説明する。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態に従って、２つのリングディスクを描く、本プラズマトーチの１つの実施形態の断面側のビューを説明する。
【図３】図３は、本発明の１つの実施例に従って、前方に配置されたノズルを描く、本プラズマトーチの別の実施形態の平面図を説明する。
【図４】図４は、本発明の１つの実施例に従って、後方に配置されたノズルを描く、本プラズマトーチの別の実施形態の平面図を説明する。
【図５】図５は、本発明の１つの実施形態に従って、中間石英チューブのへこんだ領域を描く、本プラズマトーチの別の実施形態の断面側のビューを説明する。
【図６】図６は、本発明の１つの実施例に従って、追加的ガス吸入口の配列を描く、本プラズマトーチの別の実施形態の平面図を説明する。
【図７】図７は、先行技術のプラズマトーチと本発明の１つの実施形態に従う本プラズマトーチの１つの実施形態との間での流れパターンの比較を、断面図で説明する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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