Typy křemenného skla: elektricky tavené, plamenově tavené a syntetický křemen – nečistoty a hydroxyl

Tavený křemen se podle způsobu tavení dělí na elektricky tavené, plamenově tavené a syntetické typy; hydroxyl sahá od několika ppm po více než tisíc ppm a stupně nečistot a bublin se liší. Článek vysvětluje sílu OH absorpce při 2,73, 1,38 a 0,94 μm, počítá rozdíly propustnosti a dává volbu podle vlnové délky snímání.

«Tavený křemen» není jeden materiál. Totéž sklo oxidu křemičitého tavené z přírodního krystalového prášku elektricky, tavené v kyslíkovodíkovém plameni nebo parně syntetizované z tetrachloridu křemíku se může lišit o řády v nečistotách, bublinách a hydroxylu. LED enkoderů leží většinou na 850–940 nm – ovlivňuje je hydroxyl? Vyplatí se proto připlatit za syntetický křemen? Odpověď vyžaduje spočítat absorpční pásy hydroxylu.

Obrázek 1 – Propustnostní spektra 10 mm křemene při hydroxylu od 1 ppm do 1300 ppm: vlevo blízká IR (pásy 0,94 a 1,38 μm); vpravo pás 2,73 μm; fialové čáry značí vlnové délky LED (schematicky; absorpční koeficienty s nejistotou faktoru 2–3)

Odkud typy pocházejí

Běžné je třídění Typy I–IV; názvy výrobců nejsou jednotné. Níže podle způsobu tavení (Obrázek 2): elektricky tavený křemen z přírodního krystalového prášku elektrickým ohřevem – hydroxyl velmi nízký, ale zůstávají kovové nečistoty přírodní suroviny a bubliny a šlíry jsou obvykle početnější; plamenové tavení také z přírodního prášku v kyslíkovodíkovém plameni, hydroxyl stoupá na stovky ppm; syntetický křemen se ukládá hydrolýzou tetrachloridu křemíku v kyslíkovodíkovém plameni – kovové nečistoty pod asi 1 ppm, málo bublin a šlír, ale hydroxyl může přesáhnout tisíc ppm; nízko-hydroxylové syntetické stupně s plazmatem nebo bezvodým plamenem spojují vysokou čistotu s nízkým hydroxylem.

Obrázek 2 – Srovnání původu a vlastností čtyř typů křemene: hodnoty jsou běžné řády velikosti; závazné je označení dodavatele

Absorpční pásy hydroxylu: poloha a síla

Protažení Si–OH má základní absorpci při 2,73 μm a první a druhý overton blízko 1,38 μm a 0,94 μm; kombinační pásy také při 2,21 μm a 1,24 μm. Absorpční koeficient škáluje přibližně lineárně s obsahem hydroxylu:

α(λ) = k(λ) · c_OH

kde c_OH je hmotnostní obsah hydroxylu (ppm) a k absorpční koeficient na jednotku obsahu. Příkladové hodnoty k (cm⁻¹/ppm, přirozený logaritmus): 2,73 μm 2,3×10⁻², 1,38 μm 3×10⁻⁴, 0,94 μm 5×10⁻⁶. Hodnota při 2,73 μm vychází z běžného molárního absorpčního koeficientu asi 77,5 L/(mol·cm) a je i základem stanovení hydroxylu: c_OH ≈ 100 × A / d, A je dekadická absorbance po odečtení baseline, d tloušťka (cm). Koeficienty při 1,38 a 0,94 μm se v literatuře liší podle ppm základu (hmotnostní nebo molární) a v příkladu nesou nejistotu faktoru 2–3; používat jen pro řád velikosti.

Pro tloušťku 10 mm včetně odrazu na dvou plochách (index lomu asi 1,45, Fresnelova propustnost asi 93,4 %) je propustnost ve středu pásu při třech typických hladinách hydroxylu:

Typ (hydroxyl)	2,73 μm	1,38 μm	0,94 μm
Elektricky tavený (5 ppm)	83 %	93 %	93 %
Plamenově tavený (250 ppm)	0,3 %	87 %	93 %
Syntetický (1000 ppm)	< 0,1 %	69 %	93 %

Hydroxyl pro 10% absorpci (tloušťka 10 mm): asi 4,6 ppm při 2,73 μm, asi 350 ppm při 1,38 μm, asi 2×10⁴ ppm při 0,94 μm – daleko nad jakýmkoli praktickým křemenem (Obrázek 3). Proto LED na 850 nm a 940 nm hydroxyl neovlivňuje; volba typu se liší jen v odrazových ztrátách. Několik ppm se už projeví v pásu 2,73 μm; infračervená práce do 3,5 μm potřebuje nízký hydroxyl.

Obrázek 3 – Vlevo: obsah hydroxylu proti podílu absorpce ve středu pásu (10 mm); vpravo: propustnost tří typů křemene ve třech středech pásů

Ultrafialové záření, bubliny a další rozdíly

Ultrafialové. Syntetický křemen může mít hlubokou UV absorpční hranu blízko 160–170 nm; tavení z přírodního prášku leží blízko 180–200 nm a často ukazují pás nečistot kolem 245 nm, s velkým rozptylem šarží. Expozice a UV vytvrzení při 365 nm a 405 nm stačí pro všechny typy; pro čištění nebo expozici pod 254 nm je výhodnější syntetický křemen.

Bubliny a šlíry. Elektricky tavený křemen má více mikrobublin; při chromování mohou způsobit pinholy a místní rozptyl a ovlivnit kvalitu čar na kódových kotoučích; syntetický křemen má nejméně bublin a šlír, lepší optickou homogenitu a vyšší cenu.

Chování za vysoké teploty. Typy s vyšším hydroxylem mají o něco nižší viskozitu a o něco horší vysokoteplotní stabilitu – řídit se daty výrobce; CTE všech těchto typů je blízko asi 0,5×10⁻⁶/K bez zřetelného rozdílu.

Volba podle vlnové délky

Pracovní podmínka	Preference
LED 850, 880, 940 nm; viditelné snímání	Hydroxyl nerelevantní; volit podle bublin, homogenity a nákladů
Expozice 365, 405 nm a UV vytvrzení	Libovolný typ
Čištění a expozice pod 254 nm	Syntetický křemen
Zdroje 1,31–1,55 μm, delší dráha	Nízký hydroxyl; vyhnout se pásu 1,38 μm
Infračervená 2–3,5 μm	Nízký hydroxyl (IR stupeň)

Technické poznámky

Nejprve se zeptat na vlnovou délku snímání: LED 850–940 nm hydroxyl neovlivňuje – nepřiplácet jen za hydroxyl.
Má-li dráha vlnové délky blízko 1,38 μm nebo 2,73 μm, použít nízko-hydroxylový typ a požadovat od dodavatele obsah hydroxylu.
Specifikovat rozsah hydroxylu, stupeň bublin a stupeň šlír; tyto tři rozhodují o výkonu víc než slovo «křemen».
Pro hluboké UV čištění nebo expozici volit syntetický a ověřit propustnost pod 254 nm.
U elektricky taveného křemene kontrolovat bubliny a nečistoty a vzorkovat míru pinholů na polotovarech před sériovým chromováním.
Hydroxyl stanovovat infračervenou spektroskopií: tloušťka 10 mm nebo více, aby byly měřitelné i nízko-hydroxylové vzorky.

Shrnutí

Hydroxyl v taveném křemeni sahá od několika ppm po více než tisíc ppm: několik ppm se už projeví v základním pásu 2,73 μm, při 1,38 μm je třeba stovek ppm, při 0,94 μm je prakticky neviditelný. Kódové kotouče se snímáním LED proto nemusí volit syntetický křemen kvůli hydroxylu; volit podle bublin, nečistot a UV potřeby. Infračervené a hluboké UV aplikace jsou místem, kde hydroxyl patří do nákupní specifikace.

Překlad čínského originálu (0570). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com