(57)【要約】【課題】紫外線吸収性及び可視光透過性に優れかつ、耐失透性及び耐熱性に優れた石英ガラス及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＯＨ基含有量が２０ｐｐｍ以下、Ｈ２分子の含有量が１×１０１７個／ｃｍ３以下、Ｃｌ含有量が１０ｐｐｍ以下及び金属不純物含有量の総和が１ｐｐｍ以下に制御した合成石英ガラスは、紫外線吸収性及び可視光透過性に優れかつ、耐失透性及び耐熱性に優れている。この石英ガラスは、スート合成法においてスート体をＮＨ３含有雰囲気で処理後、透明ガラス化することで製造できる。【選択図】  選択図なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＨ基含有量が２０ｐｐｍ以下、Ｈ２分子の含有量が１×１０１７個／ｃｍ３以下、Ｃｌ含有量が１０ｐｐｍ以下及び金属不純物含有量の総和が１ｐｐｍ以下であり、厚さ１０ｍｍあたりの透過率が、１８０ｎｍ以下の波長領域で５％以下かつ、２２０ｎｍ以上の波長領域で８０％以上である紫外線吸収合成石英ガラス。
【請求項２】
ガラス形成原料を、酸水素火炎中で火炎加水分解し、生成したシリカ微粒子をターゲット上に堆積させ多孔質シリカ体（スート体）を形成し、得られたスート体を、第１の熱処理としてＮＨ３ガス含有雰囲気で熱処理した後、第２の熱処理をして透明石英ガラスを得ることを特徴とする、請求項１記載の紫外線吸収合成石英ガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線吸収性及び可視光透過性に優れ、かつ耐失透性及び耐熱性にも優れた、照明用ランプ、高輝度放電ランプ、レーザー励起ランプ等のバルブ材としての使用に適した合成石英ガラス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成石英ガラスは、赤外から真空紫外までの広い波長範囲において透明であるばかりでなく、熱的及び化学的安定性に優れていることから、各種照明ランプ等の光源用窓材等として広く使用されている。
【０００３】
しかし、その高い光透過性のため光源から発生した紫外線が直接人体に悪影響を及ぼすばかりでなく、紫外線により空気中の酸素から人体に有害なオゾンが発生したり、レーザー素子が紫外線によりダメージを受け、レーザー発信効率が低下したり、光源の窓材を支持する樹脂が紫外線によりダメージを受け劣化する等の問題があった。
【０００４】
この問題を解決する方法として、石英ガラス中に遷移金属元素を含有させて、紫外線を吸収する石英ガラスが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−６９６７１号公報（第２頁第１欄５行〜６行）
【０００６】
【特許文献２】特開平８−２６７６４号公報（第２頁第１欄２行〜４行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように金属元素をドープする方法では、金属をドープする余分な工程が必要となるため生産効率が低下する。また、金属元素による吸収、散乱のため、紫外線領域だけでなく、可視光領域の透過率も低下する。また、金属元素を均一にドープするのが困難であるばかりでなく、ドープした金属元素と石英ガラスが反応して石英ガラスが結晶化し透明性が低下（失透）する等の問題がある。また、高温にさらされることで、ドープした金属元素が拡散あるいは飛散して、紫外線吸収効率が低下するばかりでなく、金属元素により周辺機器が汚染される等の問題の他、高温使用時にバルブが熱変形する等、耐熱性にも問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するため合成石英ガラスの諸物性と、光透過特性、耐失透性及び耐熱性との関係について鋭意検討を行った結果、合成石英ガラスに金属元素をドープすることなく効率的に紫外線を吸収し、かつ耐失透性及び耐熱性にも優れた、紫外線吸収合成石英ガラスを提供できることを見出した。
【０００９】
すなわち本発明は、ＯＨ基含有量が２０ｐｐｍ以下、Ｈ２分子の含有量が１×１０１７個／ｃｍ３以下、Ｃｌ含有量が１０ｐｐｍ以下及び金属不純物含有量の総和が１ｐｐｍ以下であり、厚さ１０ｍｍあたりの透過率が、１８０ｎｍ以下の波長領域で５％以下かつ、２２０ｎｍ以上の波長領域で８０％以上である紫外線吸収合成石英ガラスである。
【００１０】
また、ガラス形成原料を、酸水素火炎中で火炎加水分解し、生成したシリカ微粒子をターゲット上に堆積させ多孔質シリカ体（スート体）を形成し、得られたスート体を、第１の熱処理としてＮＨ３ガス含有雰囲気で熱処理した後、第２の熱処理をして透明石英ガラスを得る工程から成ることを特徴とする、紫外線吸収石英ガラスの製造方法である。
【００１１】
以下本発明を詳細に説明する。
【００１２】
石英ガラス中に含有される、ＯＨ基、Ｈ２、Ｃｌ及び金属不純物は熱的に不安定であり、例えばランプの窓材等、高温にさらされる条件で使用した場合、これらは容易に石英ガラス内を拡散する。その際、石英ガラスの骨格構造と反応して、石英ガラスの結晶化を促進し、可視光の透過性が低下する。また、石英の骨格構造が不安定となる事で耐熱性も低下する。従って、これらの含有量は出来るだけ少なくする必要がある。すなわち、ＯＨ基濃度が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下、Ｈ２分子の含有量が１×１０１７個／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６個／ｃｍ３以下、Ｃｌ含有量が１０ｐｐｍ以下及び金属不純物含有量の総和が１ｐｐｍ以下であることが重要である。ＳｉＯ２以外の成分をドープさせることなく、紫外線を効率よく吸収する石英ガラスを得るには、紫外線を吸収する構造を持つＳｉ元素とＯ元素だけからなる石英ガラスを製造する必要があるが、スート体をＮＨ３ガス雰囲気で熱処理した後透明ガラス化する製造方法で上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
本発明の紫外線吸収石英ガラスの製造方法について説明する。スート法では、例えば、多重管構造の石英ガラス製バーナーの中心から、ＳｉＣｌ４などの原料を供給し、その外側の管からＨ２およびＯ２を供給して原料を火炎加水分解してシリカ微粒子を得る。このシリカ微粒子をターゲット上に堆積させシリカ微粒子堆積体（スート体）を得る。このスート体は多量のＯＨ基を含有するため、第１の熱処理として、還元性ガス含有雰囲気で処理を行い、ＯＨ基濃度を適切な範囲まで低減させる必要がある。
【００１４】
第１の熱処理に使用する還元性ガスは、ＮＨ３を使用する。ＮＨ３以外の還元性ガスとして、例えばＣｌ２ガス等を使用しても、ＯＨ基濃度の低減は可能であるが、紫外線吸収効果が不充分であるばかりでなく、使用したガスの一部が石英ガラス内に残留して耐失透性及び耐熱性に悪影響を及ぼす。第１の熱処理を行う際の、ＮＨ３ガス濃度、処理温度及び処理時間等の条件は特に限定されるものではなく、所望のＯＨ基濃度が得られる条件であればよい。
【００１５】
工業的生産性を考慮すれば、例えば、１〜２０ｖｏｌ％（体積％）ＮＨ３雰囲気（残部はＨｅ等の不活性ガス）、温度１０００〜１３００℃で１〜１０時間処理すればよい。
【００１６】
このようにして得られた第１の熱処理を行ったスート体を、ガラス化温度以上の温度で第２の熱処理を行って、透明な石英ガラスを得る。第２の熱処理の雰囲気、温度、時間等の条件も特に制限されるものではなく、透明な石英ガラスが得られる条件で行えばよい。例えば、不活性ガス雰囲気下、温度１３５０〜１５００℃で１〜１０時間処理を行えばよい。不活性ガスとしては、例えば、１００ｖｏｌ％又は希釈したヘリウム等を用いればよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の製造方法によれば、金属元素等の不純物を含有せず、耐失透性及び耐熱性に優れた、紫外線吸収合成石英ガラスを提供することができる。
【実施例】
【００１８】
実施例１
原料にＳｉＣｌ４を使用して、スート法により合成石英ガラスインゴットを製造した。石英ガラス製バーナーの中心管から原料を供給し、バーナーの外管からＨ２およびＯ２を供給してスート体を合成した。このスート体を１ｖｏｌ％（残部Ｈｅ）ＮＨ３ガス雰囲気、１２００℃で５時間熱処理を行った。その後、１００％Ｈｅガス雰囲気で１５００℃、５時間熱処理して透明な合成石英ガラスインゴットを得た。このインゴットから厚さ１０ｍｍのテストピースを切り出し、実施例１の評価用試料とした。
【００１９】
実施例２
実施例２の試料は、１０ｖｏｌ％ＮＨ３ガス雰囲気、１０００℃で５時間熱処理を行い、実施例１に記載の方法で透明ガラス化して製造した。
【００２０】
実施例３
実施例３の試料は、１ｖｏｌ％ＮＨ３ガス雰囲気、１３００℃で３時間熱処理い、実施例１に記載の方法で透明ガラス化して製造した。表１に各試料の製造条件を示す。
【００２１】
【表１】
2005170706.tif 000002
各試料の含有成分の定量方法は以下の通りである。
【００２２】
ＯＨ基含有量はＩＲ測定法で求めた約２．７μｍの吸光度から、Ｇ．Ｈｅｔｈｅｒｉｎｇｔｏｎ  ａｎｄ  Ｋ．Ｈ．Ｊａｃｋ，  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｇｌａｓｓｅｓ，３（１９６２）１２９−１３３に記載の方法により定量した。
【００２３】
Ｈ２分子含有量は、ラマン分光測定法で求めたＨ２分子に対応する約４１５０ｃｍ−１のピークと、石英ガラスの基本振動に対応する約８００ｃｍ−１のピークの面積強度比から、Ｖ．Ｓ．Ｋｈｏｔｉｍｃｈｅｎｋｏ，  Ｇ．Ｍ．Ｓｏｃｈｉｖｋｉｎ，  Ｉ．Ｉ．Ｎｏｖａｋ  ａｎｄ  Ｋ．Ｎ．Ｋｕｓｅｎｋｏ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，４６（６）（１９８７）６３２−６３５に記載の方法により定量した。
【００２４】
Ｃｌ含有量は検量線法により蛍光Ｘ線測定法で定量した。金属不純物含有量はＩＣＰ質量分析法で求めた。
【００２５】
耐失透性及び耐熱性は、大気中、１２００℃で２４時間熱処理を行い、目視により失透の有無及び変形の有無を観察して評価した。
【００２６】
表２に各試料の評価結果の一覧を示す。
【００２７】
表２に示すように、本発明の範囲の合成石英ガラスである実施例の試料は、紫外線吸収石英ガラスとして優れた性能を持つ合成石英ガラスである。
【００２８】
【表２】
2005170706.tif 000003
比較例１
第１の熱処理を２０％ＣＯガス雰囲気で行った以外は、実施例１と同等な条件で合成した石英ガラスインゴットからテストピースを切り出し、比較例１の試料とした。比較例１の試料は、１８０ｎｍの透過率が８０％と高く紫外線の吸収が不充分であった。また、ＯＨ基濃度が６０ｐｐｍと高く、耐熱性に劣っていた。
【００２９】
比較例２
実施例１と同等の条件で石英ガラスインゴットを合成後、１００％Ｈ２、５００℃で５時間処理してＨ２を含浸して比較例２の試料とした。比較例２の試料はＨ２分子を３×１０１７個／ｃｍ３含有しており、１８０ｎｍの透過率が８％で、紫外線吸収効果が不充分であると共に、耐失透性及び耐熱性に劣っていた。
【００３０】
比較例３
第１の熱処理を１０％Ｃｌ２ガス雰囲気で行った以外は、実施例１と同等な条件で合成し比較例３の試料とした。この試料はＣｌを６０ｐｐｍ含有していた。比較例３の試料は、１８０ｎｍの透過率が３５％と紫外線吸収性が悪く、また耐失透性及び耐熱性も劣っていた。
【００３１】
比較例４
ＳｉＣｌ４にＴｉの塩化物を混合した原料を用いて石英インゴットを合成した以外は、実施例１と同等の条件で合成して比較例４の試料とした。この試料にはＴｉが２０ｐｐｍ含有されており、２２０ｎｍの透過率が６５％と低く、可視域の透過性、耐失透性及び耐熱性に劣っていた。