Устройство для изготовления кварцевых штабиков заготовок волоконных световодов
1. Устройство для изготовления оболочечных полых кварцевых штабиков и сердцевинных сплошных кварцевых штабиков заготовок волоконных световодов, включающее СВЧ-плазмотрон, содержащий технологически связанные между собой круглый металлический волновод, расположенный коаксиально с керамическим стержнем из Al2 O3 марки ОСЧ, три прямоугольных волновода, расположеных паралелльно круглому металлическому волноводу при возбуждении непрерывной волны Н0
11 с вращением плоскости поляризации или перпендикулярно при возбуждении непрерывной волны E01, реактор с помещенным внутри штабиком, на торце которого возбуждается СВЧ плазма, систему подачи химических реагентов и систему вывода продуктов реакций, расположенных симметрично оси плазмотрона, плавный согласующий переход круглого волновода в волновод с диэлектрическим заполнением, герметизатор для обеспечения вакуума в реакторе, выполненном в виде трубы, секционный дозатор с держателем и отверстиями, расположенными по линии диметра круглого волновода для подачи реагентов, короткозамыкающий поршень для предотвращения утечки энергии СВЧ и повышения напряженности электрического поля в области СВЧ плазмы, оптический пирометр для контроля температуры плазмы на торце штабика. 1 н.з.п., 2 ил.
Полезная модель относится к устройству для изготовления методом плазмохимического осаждения оптических структур из кварцевого стекла на торец штабика с применением СВЧ-плазмотрона оболочечных полых кварцевых штабиков с отверстием в центре на основе чистого SiO2, в том числе легированного фтором, а также сердцевинных сплошных кварцевых штабиков, в том числе легированных азотом или германием, а также различными редкоземельными элементами (неодим, эрбий, иттербий и др.) и различными добавками к ним (германий, алюминий, натрий, калий, фосфор, фтор, азот и др.) в различных сочетаниях, включая изготовление силовых световодов, которые должны обладать высокой радиационной стойкостью к различным ионизирующим излучениям, высокой лучевой стойкостью, достаточной технологической гибкостью при увеличении диаметра сердцевины ((>1 мм), высокой числовой апертурой (NA>0,5), стабильно работать в условиях высоких температур и в агрессивных средах.
Кварцевые одномодовые, волоконные световоды, обладающие высокой радиационной стойкостью и минимальными изгибными потерями позволят разрабатывать различные виды специальной связи, специальные волоконно-оптические датчики и устройства, работающие в условиях сильных радиационных полей, температур и агрессивных сред. Кроме того, активные одномодовые световоды являются основными элементами волоконных лазеров и усилителей и специальных волоконных датчиков с распределенными параметрами.
Известен СВЧ плазмотрон, состоящий из резонатора с установленной в нем коаксиально диэлектрической разрядной камерой, поглотителя СВЧ мощности и волноводного тракта для подсоединения к СВЧ генератору(авт.св. СССР 
. 868845 за 1981 г., H05H 1/26, H05B 7/18).
Недостатком плазмотрона данной конструкции является неравномерность горения разряда по сечению диэлектрической камеры и незащищенность генератора СВЧ от отраженной волны.
Известен СВЧ плазмотрон состоящий из сочлененных между собой прямоугольного и круглого волноводов, диэлектрической разрядной камеры (US 4101411 по классу 204-298 за 1978 г.),.
Недостатком такой конструкции является отсутствие защиты СВЧ генератора от отраженной волны и неравномерное горение разряда по сечению разрядной камеры.
Известна конструкция, включающая СВЧ-плазмотрон, содержащий источник СВЧ-энергии, волноводно-коаксиальный преобразователь, средства снабжения плазмообразующим газом, средства согласования волноводных сопротивлений тракта, отличающийся тем, что дополнительно имеет элемент согласования широкополосного перехода прямоугольного волновода в коаксиальный (RU 86745 UI, кл. G01N 21/62 (2006.01), 10.09.2009).
Данный плазмохимический реактор позволяет увеличить производительность процесса и снизить количество некондиционного порошка, однако в таком типе реактора происходит налипание целевого продукта на стенки реактора, что в значительной мере снижает его возможности, в частности в таком реакторе невозможно получение сложных композиционных материалов.
Перечисленные выше известные устройства не приспособлены для изготовления в плазме СВЧ-разряда пониженного давления кварцевых заготовок волоконных световодов и кварцевых штабиков методом аксиального осаждения из газовой фазы различных по составу оптических структур на торец опорного кварцевого штабика по способу, изложенному в патентах US 2004/0031288 A1; US 6988380, C03B 37/014 2004-02-19).
Наиболее близким устройством к предлагаемой полезной модели по существенным признакам является устройство, содержащее коаксиально с кварцевой трубой круглый металлический волновод, систему возбуждения импульсной волны E01 и непрерывной волны Н011, систему подачи химических реагентов и систему вывода продуктов реакций, в котором круглый волновод плавно переходит в волновод с частичным диэлектрическим заполнением и содержит согласователь для уменьшения отраженной СВЧ-энергии, герметизатор для обеспечения вакуума в СВЧ-плазменно-каталитическом реакторе и возбуждения СВЧ-плазмы на торце кварцевого стержня, дозаторы равномерной подачи реагентов, установленные с возможностью вращения и перемещения относительно СВЧ-плазмы, систему вывода продуктов реакции, расположенную симметрично оси плазмотрона. (RU 2315802, кл. H05H 1/46, 27.01.2008).
Однако, данная конструкция не может быть использована для изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является изготовление оболочечных полых кварцевых штабиков с отверстием в центре на основе чистого SiO2, в том числе легированных фтором, а также сердцевинных сплошных кварцевых штабиков, в том числе легированных фтором, в плазме СВЧ-разряда пониженного давления методом плазмохимического осаждения различных оптических структур на торец штабика.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство для изготовления оболочечных полых кварцевых штабиков и сердцевинных сплошных кварцевых штабиков заготовок волоконных световодов, включающее СВЧ-плазмотрон, содержащий технологически связанные между собой круглый металлический волновод, расположенный коаксиально с керамическим стержнем из Al2 O3 марки ОСЧ, три прямоугольных волновода, расположеных паралелльно круглому металлическому волноводу при возбуждении непрерывной волны Н011 с вращением плоскости поляризации или перпендикулярно при возбуждении непрерывной волны E01, реактор с помещенным внутри штабиком, на торце которого возбуждается СВЧ плазма, систему подачи химических реагентов и систему вывода продуктов реакций, расположенных симметрично оси плазмотрона, плавный согласующий переход круглого волновода в волновод с диэлектрическим заполнением, герметизатор для обеспечения вакуума в реакторе, выполненном в виде трубы, секционный дозатор с держателем и отверстиями, расположенными по линии диаметра круглого волновода, для подачи реагентов, короткозамыкающий поршень для предотвращения утечки энергии СВЧ и повышения напряженности электрического поля в области СВЧ плазмы, оптический пирометр для контроля температуры плазмы на торце штабика.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на рис.1-2.
На рис.1 показан продольный разрез СВЧ-плазмотрона, на рис.2 - схема метода плазмохимического осаждения оптических структур на торец штабика, где 3 - круглый волновод, 5 - выращиваемый штабик, 6 - СВЧ-плазма,10 - подача реагентов, 16 - вакуумная камера,17 - торец штабика, справа показано распределение электрических полей волн Е01 и Н011 с вращением плоскости поляризации.
Предлагаемая полезная модель (рис.1) содержит возбудитель волны E01 - волновод 1, возбудитель суммарной волны Н 011 с вращением плоскости поляризации волновод - 2, круглый волновод - 3, согласующий конусный элемент - 3а, герметизатор - 4, опорный кварцевый штабик (подложка) - 5, СВЧ плазму - 6, реактор из Al2O3 марки ОСЧ - 7, секционный вращающийся дозатор подачи химических реагентов - 8, волновод - 9, ввод газа - 10, вывод газа - 11, привод - 12, короткозамыкающий поршень - 13, керамический стержень - 14, выходные отверстия дозатора - 15. Работа полезной модели осуществляется следующим образом (рис.1). В круглом волноводе 3 диаметром 120 мм от непрерывного СВЧ генератора через окно 1 на частоте 2,45 ГГц возбуждается волна Е01 для чего широкая стенка прямоугольного волновода сечением 90×45 выполнена перпендикулярной оси круглого волновода, для возбуждения от непрерывного СВЧ генератора на той же частоте через окна 2 в круглом волноводе двух взаимоортогональных волн Н11 и, в конечном счете, суммарной волны Н° 11 с вращением плоскости поляризации широкие стенки прямоугольных волноводов выполнены параллельно оси круглого волновода. СВЧ энергия через кварцевый конусный согласователь волн 3а, герметизатор 4 и кварцевый штабик 5 вводится в плавно сужаемый диэлектрический волновод 9 (волновод с диэлектрическим заполнителем - кварцевым штабиком диаметром 60 мм), что существенно повышает удельную плотность СВЧ мощности на торце штабика 5. Для создания СВЧ плазмы 6 на торце штабика 5 в реакторе 7, выполненным из керамики Al 2O3 марки ОСЧ, создается разрежение через выводы 11, зажигается и формируется СВЧ плазма пониженного давления (1-25 торр). Затем через секционный вращающийся дозатор 8, (рис.1, вид А) установленный на стержне 14,изготовленном из Аl2 O3 марки ОСЧ через отверстия 15 подаются узконаправленной вращающейся зоной с помощью привода 12 в СВЧ плазму 6 химические реагенты и рабочий газ 10 для равномерного осаждения на торце штабика оптической структуры из кварцевого стекла. Короткозамыкающий поршень 13 выполняет роль отражающего элемента для возврата обратно в плазму прошедшей через плазму и дозатор СВЧ мощности.
Конструкция предлагаемой полезной модели обеспечивает изготовление качественных оболочечных полых кварцевых штабиков с отверстием в центре на основе чистого SiO2, а также сердцевинных сплошных кварцевых штабиков путем:
- равномерного по площади торца штабика распределения плотности потока СВЧ мощности необходимой величины (не менее 180 Вт/см2);
- равномерного поступления исходных химических реагентов в зону СВЧ плазмы секционным дозатором, перемещаемым и вращающимся относительно торца штабика со скоростью, достаточной для обеспечения дегазации осаждаемого кварцевого стекла, в том числе и легированного различными добавками, от атомарного и молекулярного хлора (Cl2 , Cl), при этом скорость вращения секционного дозатора относительно штабика может составлять 0,5-2,5 об/сек, скорость перемещения дозатора для сохранения постоянным растояния от дозатора до торца штабика равна скорости роста штабика;
- равномерного отвода продуктов реакций из зоны осаждения кварцевого стекла;
- обеспечения герметичности вакуумной части СВЧ плазмотрона в условиях нагрева штабика до температуры 1200°C.
Выполнение реактора из особо чистого Al2O3 , позволяет при изготовлении кварцевых заготовок одномодовых и многомодовых волоконных световодов обходиться без дорогостоящих оптически чистых кварцевых труб, производимых за пределами России.
Выполнение секционного дозатора вращающимся с определенной скоростью и поддержание на поверхности штабика оптимальной температуры обеспечивает качественную дегазацию осаждаемых слоев кварцевого стекла, в том числе легированного, от осаждаемого вместе с ним молекулярного и атомарного хлора (Cl2, Cl), что позволяет выращивать кварцевые штабики без пузырей и трешиноватостей. В течение всего процесса выращивания штабика расстояние между дозатором и торцом выращиваемого штабика поддерживается постоянным за счет того, что скорость перемещения дозатора равняется скорости роста штабика по высоте.
Предлагаемая полезная модель предусматривает использование двухплечевой энергоподпитки плазмы СВЧ энергией (волны Е01 и Н011 с вращением плоскости поляризации), что позволяет поддерживать как СВЧ плазмохимический процесс эффективного гетерогенного осаждения оптической структуры из кварцевого стекла на поверхность торца штабика, так и поддерживать постоянной оптимальную рабочую температуру на поверхности торца штабика, которая контролируется датчиком температуры через специальное окно.
Расположение прямоугольных 1, 2 и круглого 3 металлических волноводов обеспечивает возбуждение волн Е01 в непрерывном режиме работы СВЧ генератора и более эффективный нагрев стержня - держателя, изготовленного из особо чистого Al2O3 до температуры >1200°C, что позволяет более качественно формировать стенки отверстия (дырки) в центре кварцевого штабика и обеспечить качественную дегазацию хлора.
По окончании процесса плазмохимического осаждения оптической структуры из кварцевого стекла на торец штабика из реактора вынимают полученный продукт в виде оболочечного полого кварцевого штабика с отверстием в центре на основе чистого SiO2, в том числе легированного фтором, или сердцевинного сплошного кварцевого штабика, в том числе легированного азотом или германием, а также различными редкоземельными элементами (неодим, эрбий, иттербий и др.) и различными добавками к ним (германий, алюминий, натрий, калий, фосфор, фтор, азот и др.) в различных сочетаниях
1. Устройство для изготовления оболочечных полых кварцевых штабиков и сердцевинных сплошных кварцевых штабиков заготовок волоконных световодов, включающее СВЧ-плазмотрон, содержащий технологически связанные между собой круглый металлический волновод, расположенный коаксиально с керамическим стержнем из Al2 O3 марки ОСЧ, три прямоугольных волновода, расположенных паралелльно круглому металлическому волноводу при возбуждении непрерывной волны Н011 с вращением плоскости поляризации или перпендикулярно при возбуждении непрерывной волны Е01, реактор с помещенным внутри штабиком, на торце которого возбуждается СВЧ-плазма, систему подачи химических реагентов и систему вывода продуктов реакций, расположенных симметрично оси плазмотрона, плавный согласующий переход круглого волновода в волновод с диэлектрическим заполнением, герметизатор для обеспечения вакуума в реакторе, выполненном в виде трубы, секционный дозатор с держателем и отверстиями, расположенными по линии диметра круглого волновода для подачи реагентов, короткозамыкающий поршень для предотвращения утечки энергии СВЧ и повышения напряженности электрического поля в области СВЧ-плазмы, оптический пирометр для контроля температуры плазмы на торце штабика.
2. Устройство по п.1, в котором секционный дозатор выполнен с возможностью вращения и перемещения относительно торца штабика, помещенного в реактор.
3. Устройство по п.1, в котором применены прямоугольные волноводы с размерами стенок 90×45.
4. Устройство по п.1, в котором реактор в виде трубы изготовлен из керамики Al2O3 марки ОСЧ.
5. Устройство по п.1, в котором секционный дозатор с держателем выполнен из керамики Al2O 3 марки ОСЧ.
