專利名稱：用于uv輻射源的石英玻璃元件和生產(chǎn)方法以及這種石英玻璃元件的適用性分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于UV輻射源的石英玻璃元件。
另外，本發(fā)明涉及生產(chǎn)用于UV輻射源的石英玻璃元件的方法，包括熔化含SiO2的顆粒。
此外，本發(fā)明涉及用于分析供UV輻射源使用的石英玻璃元件的適用性的分析方法。
UV輻射源例如用于固化、改性、涂覆和清潔表面、用于對(duì)氣體、液體、表面和包裝殺毒。用于UV測(cè)量技術(shù)、工業(yè)光化學(xué)、印刷油墨、漆、粘合劑和填充化合物的干燥和固化、漆干燥和分析技術(shù)。
UV輻射源包括例如由管或球形式的外殼限定的放電空間。除了長(zhǎng)期來已知的低壓和中壓氣體放電燈外，正不斷使用UV受激準(zhǔn)分子燈。EP 0254111 A1中描述了這種UV受激準(zhǔn)分子燈。放電空間充滿惰性氣體或氣體混合物，并被產(chǎn)生平穩(wěn)放電的石英玻璃管包圍。高功率受激準(zhǔn)分子燈發(fā)射幾乎單色的非相干輻射。典型的工作波長(zhǎng)為172nm(Xe燈)、222nm(KrCl燈)、282nm(XeBr燈)和308nm(XeCl燈)。
為了獲得高的輻射強(qiáng)度，需要具有高的UV透明性的外殼。天然和合成原料的石英玻璃由于其UV透明性而原則上都適合這種目的。但是，特別強(qiáng)調(diào)UV燈使用過程中UV功率輸出的穩(wěn)定性，尤其對(duì)于UV測(cè)量和分析技術(shù)中的應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)外殼石英玻璃中UV輻射的高光子能在玻璃結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷(通常所說的“色心”)，其影響特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收和因此影響透射變化。玻璃結(jié)構(gòu)的這種缺陷還可能在石英玻璃外殼中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這甚至可導(dǎo)致包封管的破裂。尤其是172nm-Xe受激準(zhǔn)分子燈的高能光子造成缺陷產(chǎn)生方面的問題。
各種石英玻璃質(zhì)量在耐輻射性方面不同。通常，合成產(chǎn)生的熔凝石英表現(xiàn)出比天然原料的石英玻璃高的耐高能UV輻射性。合成的熔凝石英用于作為UV燈和蓋板包封材料的成熟應(yīng)用。但是，高純度的合成熔凝石英的生產(chǎn)復(fù)雜，熔凝石英因此昂貴。
到目前為止，利用輻射試驗(yàn)測(cè)定石英玻璃的耐UV輻射性。為此，制備取自石英玻璃的樣品，并暴露到具有相應(yīng)工作波長(zhǎng)的UV輻射下。這里，測(cè)定耐輻射性需要的輻射期可能持續(xù)幾個(gè)月，取決于具體的輻射條件(能量密度，波長(zhǎng)等)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供由高度透明但相對(duì)便宜的石英玻璃制成的用于UV輻射源的特征在于高耐輻射性的石英玻璃元件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供生產(chǎn)這種石英玻璃元件的廉價(jià)方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種分析方法，利用這種方法能以簡(jiǎn)單、可靠和廉價(jià)的方式確定供高能UV輻射使用的任何石英玻璃的適用性。
至于石英玻璃元件，根據(jù)本發(fā)明達(dá)到該目的，其中石英玻璃由合成產(chǎn)生的石英晶體熔化而成，并具有小于5×1017個(gè)分子/cm3的SiH基含量。
石英玻璃的耐輻射性被外在和內(nèi)在缺陷削弱。
內(nèi)在缺陷包括雜質(zhì)。它們經(jīng)由原料和經(jīng)由制造方法例如通過坩堝和爐材料被引入到石英玻璃中。
內(nèi)在缺陷為在制造過程中通過熱影響產(chǎn)生的石英玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺陷。許多這些結(jié)構(gòu)缺陷在UV和深UV光譜范圍內(nèi)用作光學(xué)吸收或顏色中心，或它們形成“前體缺陷”，由于用短波UV輻射的照射而可能由“前體缺陷”出現(xiàn)其它結(jié)構(gòu)缺陷。在下文中更詳細(xì)說明的缺陷或前體缺陷在短波UV光譜范圍內(nèi)顯示出吸收帶，必須尤其被注意·存在非橋接氧原子的氧過量缺陷(通常所說的NBOH中心)；在約265nm的波長(zhǎng)下具有較寬的吸收帶，·只有三個(gè)(而不是四個(gè))氧原子結(jié)合到硅原子上的缺陷，被命名為E’中心；在215nm附近具有吸收帶，·存在硅-硅鍵被命名為氧-不足中心的缺陷，在163nm下產(chǎn)生吸收帶。
由于內(nèi)在和外在缺陷的形成和集中依賴于原料和制造方法兩者，因此按照這些標(biāo)準(zhǔn)將不同的石英玻璃質(zhì)量分級(jí)是有意義的。
合適的分級(jí)存在于“R.Brückner，Silicon Dioxide；Encyclopedia ofApplied Physics，Vol.18(1997)，pp.101-131”中。根據(jù)所用的原料和制造方法，因此必須區(qū)分幾種石英玻璃類型·石英玻璃類型I為電熔石英晶體的石英玻璃。通常，所述石英玻璃具有小于5wt ppm的OH含量和10-100wt ppm的雜質(zhì)含量。
·符合類型II的石英玻璃通過在氧氫氣體(H2/O2)中熔融石英晶體形成。由于制造方法的原因，所述石英玻璃具有在100和300wt ppm之間的提高OH含量。
·合成石英玻璃通過火焰水解、等離子維持的氧化或溶膠-凝膠方法產(chǎn)生(類型III、IV和VII)。根據(jù)制造方法和玻璃化前的處理種類，所述石英玻璃類型具有小于0.1ppm到約1000wt ppm寬范圍內(nèi)的OH含量和非常低的雜質(zhì)含量。
·石英玻璃類型Va是指在含氫氣氛下在坩堝中由偉晶巖石英(與其它礦物結(jié)合的石英)在電熔過程中熔化的石英玻璃。得到的石英玻璃一般具有100wt ppm的OH含量，通常包含不超過幾百wt ppm的雜質(zhì)。但是，通過在高溫下除氣(在1080℃下10小時(shí))可將OH含量降低到＜1ppm至15ppm的范圍，產(chǎn)生石英玻璃類型Vb。
·本發(fā)明感興趣的另一石英玻璃類型為通過在等離子火焰中熔化石英晶體形成。由于制造方法的原因，所述石英玻璃比II型石英玻璃具有低得多的OH含量，并在下文中被命名為類型VIII石英玻璃。
類型III和IIIa的石英玻璃是合成產(chǎn)生的石英玻璃，盡管其通常能很好地適用于UV應(yīng)用，但昂貴，因此不是本發(fā)明的主題。類型V的石英玻璃通常用于燈光學(xué)領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。所述石英玻璃由天然偉晶巖石英以幾噸的大數(shù)量熔融而成。相反，類型I和II的石英玻璃是少量產(chǎn)生，并用于半導(dǎo)體工業(yè)，例如化學(xué)工業(yè)以及燈。
根據(jù)本發(fā)明，提出一種石英玻璃元件，其中石英玻璃由合成產(chǎn)生的石英晶體制成。在所用石英晶體被指定為合成產(chǎn)生的石英晶體(下文中也稱為“生長(zhǎng)晶體”)的情況下，這是對(duì)上述石英玻璃類型I、II和VIII的改進(jìn)。與天然石英相比，石英生長(zhǎng)晶體為高純度原料。這種合成石英晶體通常在所說的“水熱法”中產(chǎn)生，下文中將進(jìn)一步更詳細(xì)地說明這種方法。由石英生長(zhǎng)晶體熔化得到的石英玻璃比合成石英玻璃便宜得多。
本發(fā)明的石英玻璃元件的石英玻璃具有盡可能低的SiH基含量也是重要的。盡管石英玻璃中的SiH基在相關(guān)UV波長(zhǎng)范圍內(nèi)不吸收，但鍵較弱，當(dāng)用短波UV光照射時(shí)，它們可容易地?cái)嚅_(在所說的“單光子法”中，形成吸收的E’中心，E’中心在215nm的波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)增加的吸收，而且在鄰近UV波長(zhǎng)范圍內(nèi)被不利地觀察到。因此，它們對(duì)石英玻璃元件的耐輻射性有負(fù)面影響。如果石英玻璃具有高的氫含量，則在石英玻璃中存在越來越多的SiH基。本文使用的原料即合成石英晶體可由于制造過程而包含少量氫；額外的氫在這里可通過制造方法被引入到石英玻璃中，這在下文中參考本發(fā)明的方法進(jìn)一步更詳細(xì)地討論。
在這一點(diǎn)上，石英玻璃中SiH基的含量盡可能小。理想地，SiH基的含量小于5×1016個(gè)分子/cm3，這大致相當(dāng)于利用下文進(jìn)一步指示的測(cè)量方法的現(xiàn)有檢測(cè)極限。
當(dāng)石英玻璃具有至少25wt ppm、優(yōu)選至少100wt ppm的羥基含量時(shí)，證實(shí)是有利的。
眾所周知，一定量的羥基對(duì)石英玻璃的耐輻射性具有有利的影響。
已證實(shí)，當(dāng)通過用燃燒器火焰熔化合成石英晶體來產(chǎn)生石英玻璃時(shí)尤其有利。
這是對(duì)上述按照Brückner的石英玻璃類型II的改進(jìn)。由于使用燃燒器火焰和附帶能與氧反應(yīng)形成水的含氫燃料，OH以增強(qiáng)的程度被引入到按這種方式熔化的石英玻璃中。為了減少已在其中存在的SiH基，借助退火處理來使用這些基團(tuán)，這將在下文中結(jié)合本發(fā)明的方法進(jìn)一步更詳細(xì)地描述。
本發(fā)明的石英玻璃元件以例如盤、管或球形式存在。本發(fā)明的石英玻璃元件的一種實(shí)施方案被證實(shí)是尤其有用的，其中所述元件被形成為壁厚度在0.4mm和8mm之間范圍內(nèi)的外殼。
較薄的壁厚度實(shí)現(xiàn)短的擴(kuò)散路徑，這有利于利用退火處理從石英玻璃中消除SiH基，這將在下文中結(jié)合本發(fā)明的方法進(jìn)一步更詳細(xì)地說明。
至于方法，從具有上述特征的方法開始，根據(jù)本發(fā)明達(dá)到上述目的，其中合成產(chǎn)生的石英晶體被熔化得到預(yù)備產(chǎn)品，預(yù)備產(chǎn)品由含有羥基數(shù)量大于SiH基數(shù)量的石英玻璃組成，并且為了消除SiH基，在至少850℃的溫度下對(duì)預(yù)備產(chǎn)品進(jìn)行退火處理，由此得到石英玻璃元件。
根據(jù)本發(fā)明，首先通過使用合成產(chǎn)生的石英晶體形式的原料制備要實(shí)際制造的石英玻璃元件的預(yù)備產(chǎn)品。
合成石英晶體為純度高于天然石英純度的原料，所述原料可利用“水熱法”來生產(chǎn)。與通過火焰水解或等離子方法制造的石英玻璃相比，由合成石英晶體熔化得到的石英玻璃便宜。
通常，預(yù)備產(chǎn)品已經(jīng)適當(dāng)表現(xiàn)出石英玻璃元件的形狀和尺寸。必需的是預(yù)備產(chǎn)品由包含SiH基數(shù)量小于羥基數(shù)量的石英玻璃組成，這將在下文中更詳細(xì)地說明。
為了消除SiH基，對(duì)預(yù)備產(chǎn)品進(jìn)行退火處理。SiH基牢固地結(jié)合到玻璃網(wǎng)絡(luò)上，不會(huì)擴(kuò)散或只擴(kuò)散很小的程度。因此只有通過反應(yīng)從預(yù)備產(chǎn)品的石英玻璃中除去它們。合適的反應(yīng)參與者為羥基(OH)，其在高溫下與SiH基反應(yīng)，形成氫，氫從預(yù)備產(chǎn)品的石英玻璃中擴(kuò)散出。在這種反應(yīng)中，按照下面的反應(yīng)方程式由一個(gè)SiH基和一個(gè)SiOH基形成一個(gè)氫分子。
(1)退火處理有效性的基本前提因此在于預(yù)備產(chǎn)品的石英玻璃中羥基的數(shù)目至少與SiH基數(shù)目一樣大。在合成石英晶體的熔化中，這種條件的觀察尤其受到影響。石英玻璃中羥基的含量通常以單位“wt ppm”指示。利用因子7.8×1016cm3/wt ppm進(jìn)行由這種濃度單位到石英玻璃中羥基數(shù)目/cm3的轉(zhuǎn)換。
在熔化過程后的退火處理中，通過使SiH基與過量存在的OH基部分反應(yīng)從石英玻璃中盡可能多地除去它們，以便形成能擴(kuò)散出石英玻璃的反應(yīng)產(chǎn)物。一方面，不能期望石英玻璃中存在的羥基在短時(shí)間內(nèi)一對(duì)一地與SiH基反應(yīng)，因而羥基的明顯過量有助于SiH基的快速和大量消除，另一方面，當(dāng)還是在OH基與SiH基反應(yīng)后，在石英玻璃中包含殘余羥基時(shí)，對(duì)于石英玻璃的耐輻射性有利。
因此，優(yōu)選熔化由包含羥基數(shù)量為SiH基數(shù)量至少兩倍的石英玻璃組成的預(yù)備產(chǎn)品。
已證實(shí)，當(dāng)退火處理在900℃和1200℃之間范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行時(shí)尤其有用。
在低于900℃的溫度下，只有少量的SiH基和羥基轉(zhuǎn)化，在高于1200℃的溫度下，可能發(fā)生析晶過程。此外，在高的溫度下，上述反應(yīng)(1)的化學(xué)平衡向左側(cè)移動(dòng)，從而H2的形成被減緩，SiH基的除去因此需要更長(zhǎng)時(shí)間。
如果退火處理包括在真空中的處理，SiH基的消除將尤其有效。
真空能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物從預(yù)備產(chǎn)品表面的快速排放，從而防止了重新反應(yīng)和加速了SiH基從石英玻璃的消除。在退火處理過程中至少臨時(shí)應(yīng)用真空。作為補(bǔ)充或選擇，已證實(shí)當(dāng)退火處理包括在含氧氣氛中的處理時(shí)是有利的。
石英玻璃中存在的缺氧缺陷可通過退火氣氛中存在的氧來飽和。
優(yōu)選地，石英玻璃的羥基含量被設(shè)定為至少25wt ppm，優(yōu)選至少100wt ppm。
參考本發(fā)明石英玻璃元件的描述，上面已經(jīng)提到，一定量的羥基對(duì)石英玻璃的耐輻射性具有有利的影響。因此，在退火處理和與SiH基反應(yīng)后，在成品石英玻璃元件中還應(yīng)存在指明的最小羥基含量。
優(yōu)選地，將石英玻璃元件形成為UV輻射源的外殼，壁厚度在0.4mm和8mm之間，退火溫度持續(xù)4小時(shí)-80小時(shí)，取決于壁厚度。
退火處理中預(yù)備產(chǎn)品的壁厚度越大，完全或大量消除SiH基的擴(kuò)散過程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。因此，出于經(jīng)濟(jì)原因，應(yīng)優(yōu)選薄的預(yù)備產(chǎn)品壁厚度。外殼為例如管、球或屏蔽UV輻射源的元件如盤。
對(duì)于分析方法，根據(jù)本發(fā)明達(dá)到上述目的，其中將石英玻璃元件暴露于激發(fā)輻射，并在350-430nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)探測(cè)到由于激發(fā)輻射產(chǎn)生的石英玻璃的熒光輻射。
令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，石英玻璃表現(xiàn)出小的耐UV輻射性，因?yàn)閁V激發(fā)輻射在350-430nm的可見藍(lán)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有可觀測(cè)到的熒光(例如在390nm波長(zhǎng)下)?；谶@種發(fā)現(xiàn)，其已用不同的石英玻璃等級(jí)檢查和證實(shí)，本發(fā)明提供一種分析方法，利用這種方法，可對(duì)高能UV輻射應(yīng)用容易和可靠地確定所討論石英玻璃的適用性。
當(dāng)激發(fā)輻射具有大約248nm的波長(zhǎng)并且在基本垂直于激發(fā)輻射主傳播方向的方向上測(cè)定石英玻璃元件的熒光輻射時(shí)，證實(shí)是有利的。
因此，熒光輻射的測(cè)量很難受激發(fā)輻射影響。
現(xiàn)在將參照實(shí)施方案和附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中

圖1顯示了各種石英玻璃等級(jí)和作為比較的經(jīng)過不同處理的樣品的UV透射光譜，和圖2顯示了各種石英玻璃等級(jí)和作為比較的經(jīng)過不同處理的樣品的熒光光譜。
石英玻璃生長(zhǎng)晶體的制備按照通常所說的“水熱法”生產(chǎn)符合類型II和VIII的生產(chǎn)石英玻璃等級(jí)用生長(zhǎng)晶體(見圖2)。在垂直定向的高壓釜中，產(chǎn)生120bar的壓力和在350℃(上部)和400℃(下部)之間的溫度梯度。在下部，破碎的石英片溶解在弱堿性溶液中。在高壓釜上部，以取向形式被切割的石英板排列成晶種。由于從底部到頂部的溫度梯度，溶解在下部中的石英在石英板上凝結(jié)形成合成的石英生長(zhǎng)晶體。與天然石英晶體相比，這種生長(zhǎng)晶體特征在于較高的純度。
在生長(zhǎng)晶體上測(cè)得以下典型的雜質(zhì)含量(括號(hào)中給出的數(shù)據(jù)單位為wt ppb)Li(550)、Na(30)、K(＜20)、Mg(＜20)、Ca(＜30)、Fe(100)、Cu(＜50)、Ti(＜10)和Al(8230)。
樣品制備和表征由不同的石英玻璃等級(jí)生產(chǎn)石英玻璃樣品。通過使用生長(zhǎng)晶體每次生產(chǎn)類型II和類型VIII(見圖1)的石英玻璃，類型II的石英玻璃中的生長(zhǎng)晶體通過使用燃料氣火焰(氧氫火焰)熔化，類型VIII的石英玻璃使用無氫的等離子火焰。類型IIIa的石英玻璃為合成產(chǎn)生的石英玻璃，其按照通常所說的煙炱法通過火焰水解SiCl4得到。類型Vc的石英玻璃為由合成產(chǎn)生的石英玻璃晶粒熔化得到的石英玻璃，其具有小于25wt ppm的羥基含量。
在熱預(yù)處理前和后，通過測(cè)量它們?cè)?50-240nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的UV透射率和它們的SiH和羥基含量來表征石英玻璃樣品，熱預(yù)處理將在下文中進(jìn)一步描述。
按照D.M.Dodd等(“Optical Determinations of OH in FusedSilica”，(1966)，3911頁)的方法，從IR吸收的測(cè)量中能明顯看到羥基含量(OH含量)。
利用拉曼光譜測(cè)定SiH基的含量，基于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，如Shelby“Reaction of hydrogen with hydroxyl-freevitreous silica”(J.Appl.Phys.，Vol，51，No.5(1980年5月)，2589-2593頁)中所述。
熱預(yù)處理在UV輻射前，熱預(yù)處理每對(duì)樣品的每一個(gè)樣品，UV輻射在下文中進(jìn)一步更詳細(xì)地描述。為此，在真空(10-2mbar)中和1050℃的溫度下對(duì)樣品退火40小時(shí)時(shí)間。
表1中列出了退火處理前和后(和UV輻射前)的羥基和SiH基的含量表1
ΔT＝退火處理3欄和4欄之間OH含量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換因子7.8×1016[個(gè)數(shù)/cm3]UV輻射試驗(yàn)對(duì)于UV輻射試驗(yàn)，從每種材料切割壁厚度在1和2mm之間的兩個(gè)盤狀樣品，并任選地拋光，然后用氙受激準(zhǔn)分子燈(HeraeusNoblelight，Hanau的受激準(zhǔn)分子燈172/330Z)輻射。這種受激準(zhǔn)分子燈發(fā)射最大發(fā)射波長(zhǎng)為大約172nm的固有輻射(發(fā)射帶的半帶寬為約15nm)。為了輻射，將樣品直接放在燈外殼管上。估計(jì)樣品區(qū)域中的輻射強(qiáng)度為約160mW/cm2。對(duì)于石英玻璃類型II、IIIa和VIII，輻射時(shí)間為950小時(shí)，對(duì)于石英玻璃類型Vc為1590小時(shí)。
熒光測(cè)量另外，當(dāng)用波長(zhǎng)為248nm、脈沖寬度為20ns和能量密度為200mJ/cm2的受激準(zhǔn)分子激光器輻射時(shí)，在所有樣品上測(cè)定熒光光譜。
在垂直于激發(fā)輻射主傳播方向的方向上測(cè)定熒光輻射，圖2所示的光譜通過從激發(fā)輻射打開后10μs開始積分50μs時(shí)間段得到。
結(jié)果圖1顯示了在150nm和240nm之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的UV輻射前和后的各種石英玻璃樣品(退火的和未退火的)的透射光譜。在圖中用拉曼數(shù)指示石英玻璃樣品II、IIIa、Vc和VIII的“Brückner類型”，其生產(chǎn)已在上文申較詳細(xì)地說明。
在圖1中，右欄中的每個(gè)圖顯示被輻射樣品的透射光譜，左側(cè)中的每個(gè)圖為未輻射樣品的那些。在圖中，每次繪制兩個(gè)測(cè)量曲線，其中測(cè)量點(diǎn)被圖示為圓的那個(gè)顯示熱預(yù)處理樣品中的透射曲線，被圖示為斷線的另一個(gè)表示未經(jīng)熱預(yù)處理的樣品。
從光譜基本上得知，所有未輻射的樣品具有從平均到良好的UV透射率，但吸收帶在150nm和160nm之間的范圍內(nèi)出現(xiàn)。除了合成產(chǎn)生的石英玻璃(IIIa)，所有樣品都在約163nm下顯示出吸收帶，其一般為缺氧中心。所述吸收帶在未經(jīng)熱處理的類型II石英玻璃中較弱。
由于樣品的熱處理，透射率變化尤其是163-nm帶在各種情況下都被減小。在由生長(zhǎng)晶體制成的類型II和VIII的石英玻璃中，這種效果非常明顯。熱預(yù)處理過的類型II的石英玻璃的透射率接近理論上預(yù)計(jì)的最大值，尤其還達(dá)到大約150nm的低波長(zhǎng)。
圖1右側(cè)的圖顯示了用172-nm UV輻射照射后的透射光譜。利用UV受激準(zhǔn)分子燈的照射導(dǎo)致所有樣品透射率的降低(右欄)，在石英玻璃類型II和VII中尤其明顯，在石英玻璃類型IIIa中難以觀察到。
類型IIIa的石英玻璃基本耐這種輻射，在退火等級(jí)和未退火等級(jí)中都沒有顯示出任何透射率差異。
在未退火的石英玻璃類型II、VC和VII(實(shí)線)中，在163nm處的吸收通過照射得到增強(qiáng)，由于E’中心產(chǎn)生的吸收帶形成在215nm處。照射持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，分別在163nm和215nm處的吸收帶越強(qiáng)。此外，在石英玻璃類型Vc中照射持續(xù)時(shí)間約1000小時(shí)后和在類型VIII中約1500小時(shí)后，在樣品中發(fā)現(xiàn)細(xì)裂紋。
盡管退火處理也在石英玻璃類型Vc和VIII中實(shí)現(xiàn)了提高的透射率尤其是提高的耐UV輻射性，但石英玻璃VIII的耐輻射性比類型II的石英玻璃的低得多。這可能歸因于類型VIII的石英玻璃是通過無水等離子熔化生長(zhǎng)晶體得到的并因此在退火處理前已顯示出低羥基含量的事實(shí)。如表1所示，退火處理前羥基的數(shù)量低于SiH基的數(shù)量，因而在這種石英玻璃中，退火處理的影響在消除SiH基方面被降低。
盡管在類型Vc的石英玻璃中，退火處理前預(yù)備產(chǎn)品的羥基數(shù)目稍微高于SiH基的數(shù)目，但這對(duì)于完全消除是不夠的，如退火處理后仍然可測(cè)量的含量1.0×1017所表明。盡管這種石英玻璃的耐輻射性因此稍微好于類型VIII的石英玻璃的耐輻射性，仍比退火處理后的類型II的耐輻射性差很多。
透射率和耐輻射性的提高在石英玻璃類型II中尤其顯著。盡管類型II的未退火石英玻璃樣品類似石英玻璃等級(jí)Vc和VIII被UV照射而退化，但退火的石英玻璃樣品II仍耐UV輻射并在163nm和215nm處沒有顯示出吸收帶。在2000小時(shí)的照射期后，這種石英玻璃也沒有顯示出任何裂紋形成。
這可由類型II的石英玻璃的內(nèi)在和外在缺陷數(shù)量少的事實(shí)來解釋。一方面，它由相對(duì)純的原料制成，即由石英生長(zhǎng)晶體制成，因而它幾乎不包含任何雜質(zhì)。另一方面，通過火焰熔化產(chǎn)生石英玻璃導(dǎo)致較高的羥基含量(與等離子熔化相比)，這在隨后的退火處理中又允許通過生產(chǎn)過程引入的SiH基減少到低于檢測(cè)極限的值。
檢查耐輻射性圖2顯示了用172nm UV受激準(zhǔn)分子輻射照射前和后在300nm和700nm之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)石英玻璃類型II、IIIa、Vc和VIII的熒光光譜。為此，繪制相對(duì)單位的熒光“PL”對(duì)300nm和700nm之間范圍內(nèi)波長(zhǎng)的曲線。
可看出，除了類型IIIa的石英玻璃，所有樣品在熱處理前都在約390nm(實(shí)線)的波長(zhǎng)下顯示出藍(lán)色熒光帶。石英玻璃類型Vc和VIII的熱處理幾乎不改變這種藍(lán)色熒光(測(cè)量點(diǎn)為圓形式的線)。
相反，火焰熔化的類型II的石英玻璃中的熒光帶被熱處理消除。而是熒光帶出現(xiàn)在綠色波長(zhǎng)范圍內(nèi)(大約在510nm波長(zhǎng)處)。石英玻璃類型II中熒光光譜的這種變化是SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著變化的象征，并與這種石英玻璃的耐UV輻射性的上述提高有關(guān)。
類型IIIa的石英玻璃在綠色范圍內(nèi)顯示出弱的熒光帶，基本與所述石英玻璃的熱預(yù)處理無關(guān)。
由此結(jié)果可得出結(jié)論，即在390nm處顯示出藍(lán)色熒光帶的石英玻璃樣品當(dāng)用波長(zhǎng)為172nm的UV受激準(zhǔn)分子輻射照射時(shí)形成缺氧中心和E’缺陷中心，該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射率因此大大降低(在第一個(gè)100小時(shí)內(nèi))。相反，當(dāng)通過退火消除藍(lán)色熒光帶時(shí)，可使石英玻璃對(duì)172nm輻射有耐輻射性，不會(huì)再觀察到氧缺陷或E’缺陷中心的形成。當(dāng)不能觀察到藍(lán)色熒光(如同類型IIIa)時(shí)，相應(yīng)的石英玻璃材料耐UV輻射，與熱預(yù)處理無關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種用于UV輻射源的石英玻璃元件，特征在于石英玻璃由合成產(chǎn)生的石英晶體熔化而成，并具有小于5×1017個(gè)分子/cm3的SiH基含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的石英玻璃元件，特征在于石英玻璃具有至少25wt ppm、優(yōu)選至少100wt ppm的羥基含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的石英玻璃元件，特征在于石英玻璃具有小于5×1016個(gè)分子/cm3的SiH基含量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)的石英玻璃元件，特征在于石英玻璃通過用燃燒器火焰熔化合成石英晶體來產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)的石英玻璃元件，特征在于其被形成為壁厚度在0.4mm和8mm之間范圍內(nèi)的外殼。
6.一種生產(chǎn)用于UV輻射源的石英玻璃元件的方法，包括熔化含SiO2的晶粒，特征在于合成產(chǎn)生的石英晶體被熔化得到預(yù)備產(chǎn)品，該預(yù)備產(chǎn)品由含有羥基數(shù)量大于SiH基數(shù)量的石英玻璃組成，并且為了消除SiH基，在至少850℃的溫度下對(duì)預(yù)備產(chǎn)品進(jìn)行退火處理，由此得到石英玻璃元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，特征在于熔化由包含羥基數(shù)量為SiH基數(shù)量至少兩倍的石英玻璃組成的預(yù)備產(chǎn)品。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，特征在于在900℃和1200℃之間范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行退火處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任意一項(xiàng)的方法，特征在于退火處理包括在真空下的處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任意一項(xiàng)的方法，特征在于退火處理包括在含氧氣氛下的處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求6-10中任意一項(xiàng)的方法，特征在于設(shè)定石英玻璃的羥基含量為至少25wt ppm，優(yōu)選至少100wt ppm。
12.根據(jù)權(quán)利要求6-11中任意一項(xiàng)的方法，特征在于石英玻璃元件被形成為壁厚度在0.4mm和8mm之間范圍內(nèi)的UV輻射源用外殼，并且退火處理依據(jù)壁厚度持續(xù)4小時(shí)和80小時(shí)之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求6-12中任意一項(xiàng)的方法，特征在于由于退火處理，在石英玻璃中設(shè)定小于5×1017個(gè)分子/cm3的SiH基含量，優(yōu)選小于5×1016個(gè)分子/cm3的SiH基含量。
14.一種用于分析供UV輻射源使用的石英玻璃元件的適用性的分析方法，將石英玻璃元件暴露到激發(fā)輻射，并在350nm-430nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)探測(cè)到由于激發(fā)輻射產(chǎn)生的石英玻璃的熒光輻射。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，特征在于激發(fā)輻射具有大約248nm的波長(zhǎng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的方法，特征在于在基本垂直于激發(fā)輻射主傳播方向的方向上測(cè)定石英玻璃元件的熒光輻射。
全文摘要
一種生產(chǎn)用于UV輻射源的石英玻璃元件的常規(guī)方法，包括熔化含SiO
文檔編號(hào)C03C4/00GK1968903SQ200580019852
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月15日
發(fā)明者A·施雷伯, B·庫哈恩, F·－J·施林, E·阿諾德, H·－D·維茲克 申請(qǐng)人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司