СПОСОБ ХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ТРУБ ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
METHOD FOR CHEMICAL ETCHING OF TUBES MADE FROM QUARTZ GLASS

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии химического травления труб из кварцевого стекла, используемых для производства волоконных световодов (ВС) модифицированным методом химического парофазного осаждения (MCVD).
В настоящее время наиболее распространенным методом химического травления с целью очистки поверхности опорных кварцевых труб является обработка стекла в атмосфере фторсодержащих газов при температуре более 700°С. Способ травления стеклянных поверхностей и особенности производства оптических волноводов описан в патенте США №4415404, опубликованном 15.11.1983 по индексу МПК С03В 37/018.
Недостаток этого метода заключается в том, что в нем удаляются только легколетучие фториды примесных элементов, в то время как труднолетучие фториды кальция, алюминия, железа и др. не газифицируются.
2
3
2
3
Обработка кварцевых труб в водном растворе особо чистой фтористоводородной кислоты обеспечивает более эффективную очистку их поверхности, содержащей повышенное количество примесей в слое толщиной 10-15 мкм (Леко В.К., Комарова Л.А. Исследование распределения примесей в поверхностных слоях труб из кварцевого стекла. Оптико-механическая промышленность, 1974, №6, с.33-35). Это характерно для примесей, которые являются основными компонентами пыли в производственных помещениях: СаО, AlO, FeO. Благодаря повышенной скорости химического травления микрообластей, содержащих примеси и переводу их в растворенное состояние, этот способ очистки обеспечивает более высокую степень очистки поверхностного слоя кварцевых труб по сравнению с методом высокотемпературного газофазного травления фторсодержащими реагентами.
Необходимость использования особо чистой фтористоводородной кислоты создает проблемы, связанные с обеспечением мер по предотвращению ее загрязнения.
Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и принятому за прототип предлагаемого изобретения является способ обработки кварцевых труб в растворе фтористоводородной кислоты без особых требований к ее чистоте с последующей их промывкой дистиллированной водой (Sommer R.G., Deluca R.D., Burke G.E. New glass system for low-loss optical waveguides. Elecron. lett., 1976, v.12, №16, p.408-409).
Недостаток такого метода химического травления труб заключается в том, что одновременно с примесями в кислоте растворяется кварцевое стекло. Стенка трубы становится тоньше, а величина изменения толщины стенки по окружности (окружная разнотолщинность) остается прежней. Использование опорных труб с повышенной величиной окружной разнотолщинности в MCVD процессе изготовления заготовок приводит к их искривлению в начальной зоне нагрева. Такой дефект опорной трубы существенно нарушает осесимметричное расположение сердцевины в ВС и, как следствие, приводит к искажению радиального профиля показателя преломления сердцевины и повышенным оптическим потерям при стыковке ВС.
Задача настоящего изобретения состоит в повышении качества опорных кварцевых труб посредством снижения величины их окружной разнотолщинности в процессе химического травления.
Предлагаемый способ химического травления труб из кварцевого стекла включает обработку в растворе фтористоводородной кислоты и последующую промывку в дистиллированной воде. В отличие от прототипа трубу располагают горизонтально с ориентировкой толстой стенки к низу реактора, в который заливают кислоту до уровня, равного, предпочтительно, 1/2 диаметра трубы, и равномерно сливают.
Время контакта трубы с кислотой в процессе ее слива равно отношению величины окружной разнотолщинности к удвоенной скорости травления кварцевого стекла, так как химический процесс происходит на внутренней и наружной поверхности трубы.
Специфика процесса одностадийного процесса вытягивания кварцевых труб предопределяет изменение толщины стенки по ее окружности, причем ее азимутальное распределение на длине 1 м практически не изменяется. Поэтому при горизонтальном расположении трубы, обращенной толстой стенкой к низу реактора, в процессе слива фтористоводородной кислоты величина стравленного слоя будет больше для нижней части трубы, что и приводит к снижению окружной разнотолщинности.
Высота уровня заливки, равная 1/2 диаметра трубы, является оптимальной. Ее увеличение до 2/3 и более приводит к повышению степени травления парами HF верхней части трубы, где исходная толщина стенки меньше. Поэтому такая ситуация снижает эффективность выравнивания толщины стенки методом травления. Снижение уровня заливки менее 1/2 диаметра трубы также снижает эффект избирательного травления, так как скорость газофазного травления ниже, чем жидкофазного. Поэтому толщина стравленного слоя стекла на уровне 1/2 диаметра трубы меньше величины, необходимой для выравнивания окружной разнотолщинности.
На Фиг.1 представлено для примера 1 распределение толщины стенки по окружности кварцевой, трубы до и после травления при заливке кислоты до уровня, равного 1/2 диаметра трубки (кривые 1 и 2 соответственно), где по горизонтали - порядковый номер измерения; по вертикали - толщина стенки кварцевой трубы в миллиметрах.
На Фиг.2 представлено для примера 2 распределение толщины стенки по окружности кварцевой трубы до и после травления при заливке кислотой полностью всей трубы (кривые 3 и 4 соответственно), где по горизонтали - порядковый номер измерения; по вертикали - толщина стенки кварцевой трубы в миллиметрах.
На Фиг.3 представлено для примера 3 распределение толщины стенки по окружности кварцевой трубы до и после травления при заливке кислоты до уровня, равного 2/3 диаметра трубы (кривые 5 и 6 соответственно), где по горизонтали - порядковый номер измерения; по вертикали - толщина стенки кварцевой трубы в миллиметрах.
Пример 1. Процесс травления проводили в герметично закрывающемся реакторе с размером 60×40×1100 мм, изготовленном из полимерных материалов. Реактор состыкован с фторопластовыми магистралями для заливки и слива концентрированного (40%) раствора фтористоводородной кислоты и дистиллированной воды. Слив кислоты регулировался дроссельным клапаном. Скорость травления кварцевого стекла в кислоте при комнатной температуре составляла ориентировочно 50 мкм в час. Травление трубы происходило одновременно с наружной и внутренней поверхности. Поэтому уменьшение толщины ее стенки происходит со скоростью 100 мкм в час.
Эксперимент проводили с использованием кварцевой трубы длиной 1000 мм, с наружным диаметром 21-21,3 мм и толщиной стенки 1,9-2,03 мм. Средний размер толщины стенки в начале и конце трубы отличался не более чем на 0,02 мм, в то время как изменение толщины стенки по окружности составляло 0,13 мм. Толщину стенки трубы измеряли с помощью часового индикатора с ценой деления 2 мкм в 10 точках, равномерно распределенных по окружности на расстоянии 25-30 мм от торца трубы.
С ориентацией толстой стенки к низу реактора трубу горизонтально устанавливали в реакторе и заливали кислоту в течение 2 мин до уровня, равного 1/2 диаметра трубы. Затем кислоту равномерно сливали в течение 78 мин, что соответствует отношению величины окружной разнотолщинности трубы (0,130 мм) к удвоенной скорости травления кварцевого стекла в концентрированной кислоте (100 мкм/час).
При таких условиях травления толщина нижней части трубы уменьшилась на величину, равную 0,13 мм, а тонкая стенка трубы практически не изменилась (Фиг.1). Окружная разнотолщинность снизилась со 130 до 10 мкм.
Контрольный пример 2. Способ травления в данном случае отличался тем, что при заливке уровень кислоты соответствует верхней части трубы, а время ее контакта с трубой в процессе слива также определяется окружной разнотолщинностью и равно 78 мин.
При таких условиях травления толщина нижней части трубы уменьшилась на величину, равную 0,13 мм, однако в отличие от примера 1 тонкая стенка подвергается травлению, а окружная разнотолщинность снижается до 60 мкм (Фиг.2).
Контрольный пример 3. Способ травления в данном случае отличался тем, что кислота заливается до уровня 2/3 диаметра трубы, а время ее контакта с трубой в процессе слива также определяется окружной разнотолщинностью и равно 78 мин.
При таких условиях травления толщина нижней части трубы уменьшилась на величину, равную 0,13 мм, однако в отличие от примера 1 тонкая стенка подвергается травлению, а окружная разнотолщинность снижается до 40 мкм (Фиг.3).
Таким образом, наилучший результат по снижению разнотолщинности трубы способом травления достигается при заливке кислоты до уровня, равного 0,5 ее диаметра.
Изложенные сведения подтверждают очевидную целесообразность промышленного применения способа химического травления кварцевых труб, используемых в технологии изготовления волоконных световодов MCVD методом.