Сравнение и применение кварцевых материалов 

Оптическое кварцевое стекло и кварцевые материалы для обработки кварцевых трубок, хотя и состоят в основном из диоксида кремния (SiO₂), имеют значительные различия в чистоте материала, процессах подготовки, требованиях к характеристикам и областях применения. Ниже приводится подробный анализ основных различий:

I. Чистота материала

1. Оптическое кварцевое стекло:
Исключительно высокая чистота: обычно требует содержания SiO₂ более 99,99% и может достигать 99,999% (класс 5N и выше).
Строгий контроль примесей: чрезвычайно низкий уровень ионов переходных металлов (например, Fe, Cu, Cr) и гидроксильных групп (—OH) (например, <1 ppm) для предотвращения поглощения или рассеивания ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света.
Оптическая однородность: не должно содержать внутренних пузырьков, полос или скоплений примесей, чтобы обеспечить неискаженную передачу света.

2. Кварцевый материал для обработки кварцевых трубок:
Относительно низкая чистота: содержание SiO₂ обычно колеблется от 99,9% до 99,99% (класс 3N–4N), допускаются незначительные примеси.
Более высокая допустимая концентрация примесей: более низкие требования к содержанию гидроксила (до 100–200 ppm в определенных процессах), за исключением случаев, когда материал предназначен для специальных высокотемпературных или ультрафиолетовых применений.
Основное внимание уделяется механическим и термическим свойствам: оптическая однородность не является ключевым требованием; большее внимание уделяется термостойкости и обрабатываемости.

II. Процессы подготовки

1. Оптическое кварцевое стекло:
Методы осаждения из паровой фазы: обычно используется химическое осаждение из паровой фазы (CVD) или плазменное химическое осаждение из паровой фазы (PCVD) с использованием тетрахлорида кремния (SiCl₄) или кремнийорганических соединений в качестве прекурсоров. Они окисляются при высоких температурах с образованием высокочистых отложений SiO₂, создавая прозрачные стеклянные тела.
Электрическая печь или вакуумная плавка: используется для снижения содержания гидроксила и повышения пропускания ультрафиолета.
Прецизионный отжиг: устраняет внутренние напряжения для обеспечения оптической однородности.

2. Кварцевые материалы для обработки кварцевых трубок:

Метод плавления кварца: природный кварцевый песок или высокочистый кремнеземный песок плавится в дуговой печи или резистивной печи (при температуре около 2000 °C), а затем выдувается или вытягивается в трубки.
Метод непрерывного плавления: непрерывное плавление и вытягивание трубок, обеспечивающее высокую эффективность и пригодность для массового производства.
Относительно простой процесс: не требует точного контроля оптических свойств, необходимого для оптического стекла.

III. Требования к характеристикам

1. Оптическое кварцевое стекло:
Чрезвычайно широкий диапазон пропускания: высокая пропускаемость (>90%) в спектре от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК) излучения (например, от 170 нм до 2500 нм).
Низкая неоднородность показателя преломления: Δn < 10⁻⁶, что сводит к минимуму аберрации.
Низкая двулучепреломляемость: чрезвычайно низкая напряженная двулучепреломляемость (например, <5 нм/см).
Устойчивость к излучению: некоторые марки должны выдерживать воздействие высокоэнергетического излучения (например, для космических или ядерных применений).

2. Кварцевый материал для обработки кварцевых трубок:

Стабильность при высоких температурах: высокая температура размягчения (около 1730 °C), чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (5,5×10⁻⁷/°C).
Устойчивость к тепловым ударам: выдерживает быстрое охлаждение и нагрев (например, повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения в процессах производства полупроводников).
Химическая инертность: устойчивость к кислотам (кроме фтористоводородной кислоты) и коррозии при высоких температурах.
Механическая прочность: достаточна для удовлетворения требований обработки, таких как изгиб и герметизация для применения в трубах.

IV. Области применения

1. Оптическое кварцевое стекло:
Прецизионные оптические компоненты: линзы, призмы, оконные пластины (для литографических машин, телескопов, лазеров).
Ультрафиолетовые/инфракрасные оптические системы: спектрометры, космические камеры, передача высокоэнергетического лазера.
Подложки для фотомасок: для литографии полупроводников.

2. Кварцевые материалы для обработки кварцевых трубок:
Полупроводниковые процессы: диффузионные трубки, окислительные трубки, лодочки, вкладыши реакционных камер.
Светотехника: корпуса галогенных и ультрафиолетовых ламп.
Химическое оборудование: коррозионно-стойкие трубопроводы, смотровые люки.
Преформы для оптического волокна: вспомогательный материал для оболочки.

V. Различия в стоимости
Оптическое кварцевое стекло: из-за высокой чистоты и сложного процесса производства его стоимость, как правило, в несколько раз превышает стоимость стандартных кварцевых трубок.
Обработанный кварцевый трубчатый материал: массовое производство приводит к относительно более низким затратам.

Сводная сравнительная таблица

Рекомендации по выбору

В случаях, когда требуется передача или манипулирование светом (особенно ультрафиолетовым/инфракрасным) и существуют строгие ограничения в отношении аберрации и рассеяния, необходимо выбирать оптическое кварцевое стекло.
Для применений, связанных с высокотемпературными сосудами, трубками для полупроводниковых процессов или механической защитой, где оптические характеристики не являются критическими, обработанные кварцевые трубки обеспечивают превосходную экономическую эффективность.
В практических применениях эти два материала не могут быть заменены произвольно; выбор должен основываться на конкретных требованиях (оптические характеристики, тепловые свойства, стоимость).