Tipi di vetro di quarzo: fusione elettrica, fiamma e quarzo sintetico – impurezze e ossidrile

La silice fusa si classifica per via di fusione in tipi a fusione elettrica, a fiamma e sintetici; l’ossidrile va da pochi ppm a oltre mille ppm e i gradi di impurezze e bolle differiscono. L’articolo spiega l’intensità di assorbimento OH a 2,73, 1,38 e 0,94 μm, calcola le differenze di trasmissione e dà un criterio di scelta per lunghezza d’onda di lettura.

La «silice fusa» non è un solo materiale. Lo stesso vetro di silice fuso da polvere di cristallo naturale elettricamente, fuso in fiamma ossidrica o sintetizzato in vapore da tetracloruro di silicio può differire di ordini di grandezza in impurezze, bolle e ossidrile. I LED degli encoder stanno per lo più a 850–940 nm: l’ossidrile li influenza? Vale la pena pagare di più il quarzo sintetico per questo? La risposta richiede di calcolare le bande di assorbimento dell’ossidrile.

Da dove vengono i tipi

Una classificazione comune è Tipi I–IV; i nomi dei produttori non sono uniformi. Qui si divide per via di fusione (Figura 2): quarzo a fusione elettrica da polvere di cristallo naturale riscaldata elettricamente – ossidrile molto basso, ma restano le impurezze metalliche della materia naturale e bolle e strie sono di solito più numerose; fusione a fiamma, sempre da polvere naturale in fiamma ossidrica, con ossidrile fino a centinaia di ppm; quarzo sintetico depositato per idrolisi di tetracloruro di silicio in fiamma ossidrica – impurezze metalliche sotto circa 1 ppm, poche bolle e strie, ma ossidrile fino a oltre mille ppm; i gradi sintetici a basso ossidrile che passano a plasma o fiamme anidre uniscono alta purezza e basso ossidrile.

Bande di assorbimento dell’ossidrile: posizione e intensità

Lo stiramento Si–OH ha assorbimento fondamentale a 2,73 μm e prima e seconda armonica vicino a 1,38 μm e 0,94 μm; bande di combinazione anche a 2,21 μm e 1,24 μm. Il coefficiente di assorbimento scala circa linearmente con il contenuto di ossidrile:

α(λ) = k(λ) · c_OH

dove c_OH è il contenuto in massa di ossidrile (ppm) e k il coefficiente per unità di contenuto. Valori di esempio di k (cm⁻¹/ppm, logaritmo naturale): 2,73 μm 2,3×10⁻², 1,38 μm 3×10⁻⁴, 0,94 μm 5×10⁻⁶. Il valore a 2,73 μm deriva dall’assorbività molare comune di circa 77,5 L/(mol·cm) ed è anche il metodo di saggio: c_OH ≈ 100 × A / d, con A l’assorbanza in log comune dopo sottrazione della baseline e d lo spessore (cm). I coefficienti a 1,38 e 0,94 μm differiscono tra riferimenti per base ppm (massa o molare) e portano nel esempio un’incertezza di fattore 2–3; usarli solo per l’ordine di grandezza.

Per 10 mm di spessore con riflessione a due facce (indice di rifrazione circa 1,45, trasmissione di Fresnel circa 93,4%), la trasmittanza al centro banda a tre livelli tipici di ossidrile è:

Ossidrile per 10% di assorbimento (10 mm di spessore): circa 4,6 ppm a 2,73 μm, circa 350 ppm a 1,38 μm, circa 2×10⁴ ppm a 0,94 μm – ben oltre qualsiasi quarzo pratico (Figura 3). Quindi i LED a 850 nm e 940 nm non sono influenzati dall’ossidrile; la scelta tra tipi differisce solo nella perdita di riflessione. Pochi ppm già si vedono nella banda a 2,73 μm; l’infrarosso entro 3,5 μm richiede basso ossidrile.

Ultravioletto, bolle e altre differenze

Ultravioletto. Il quarzo sintetico può avere bordo di assorbimento UV profondo vicino a 160–170 nm; le fusioni da polvere naturale stanno vicino a 180–200 nm e spesso mostrano una banda di impurezze intorno a 245 nm, con grande dispersione di lotto. Esposizione e cura UV a 365 nm e 405 nm vanno bene per tutti i tipi; per pulizia o esposizione sotto 254 nm è favorito il quarzo sintetico.

Bolle e strie. Il quarzo a fusione elettrica ha più microbolle; nella cromatura possono dare pinholes e scattering locale e influenzare la qualità delle linee sui dischi encoder; il quarzo sintetico ha le minor bolle e strie, migliore omogeneità ottica e prezzo più alto.

Comportamento ad alta temperatura. I tipi a ossidrile più alto hanno viscosità un po’ più bassa e stabilità ad alta temperatura un po’ peggiore – attenersi ai dati del produttore; il CTE di tutti questi tipi è vicino a circa 0,5×10⁻⁶/K senza differenza chiara.

Scelta per lunghezza d’onda

Note di ingegneria

• Chiedere prima la lunghezza d’onda di lettura: i LED 850–940 nm non sono influenzati dall’ossidrile – non pagare di più solo per l’ossidrile.
• Se il percorso ha lunghezze d’onda vicino a 1,38 μm o 2,73 μm, usare un tipo a basso ossidrile e richiedere al fornitore il contenuto di ossidrile.
• Specificare intervallo di ossidrile, grado di bolle e grado di strie; quei tre decidono le prestazioni più della parola «quarzo».
• Per pulizia o esposizione UV profonda scegliere sintetico e verificare la trasmittanza sotto 254 nm.
• Per quarzo a fusione elettrica controllare bolle e impurezze e campionare il tasso di pinholes sui grezzi prima della cromatura di volume.
• Saggiare l’ossidrile per spettroscopia infrarossa: spessore 10 mm o più così i campioni a basso ossidrile sono misurabili.

Sintesi

L’ossidrile nella silice fusa va da pochi ppm a oltre mille ppm: pochi ppm già si vedono nel fondamentale a 2,73 μm, a 1,38 μm servono centinaia di ppm, a 0,94 μm è praticamente invisibile. I dischi encoder a lettura LED non devono quindi scegliere il quarzo sintetico per l’ossidrile; scegliere per bolle, impurezze e bisogno UV. Infrarosso e UV profondo sono dove l’ossidrile va nella specifica di acquisto.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0570). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com

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