قرص كوارتز صهري دائري شفاف ذو انتقال عالي للأشعة فوق البنفسجية

المواد الأساسية لقرص الكوارتز المنصهر هي السيليكا غير المتبلورة، والتي لا تمتلك تأثيرًا كهربائيًا. ومع ذلك، فإن خصائصه البصرية الممتازة (نفاذية ضوئية عالية، نطاق واسع لنقل الضوء)، ومعامل التمدد الحراري المنخفض للغاية، والاستقرار الكيميائي العالي والمقاومة للحرارة تجعله مستخدمًا على نطاق واسع في مجالات البصريات وأشباه الموصلات والاتصالات البصرية وغيرها.

 المرحلة الأساسية في عملية تصنيع قرص الكوارتز المنصهر الشفاف هي صهر مواد رمل الكوارتز عند درجات حرارة عالية لتشكيل جسم زجاجي متجانس، يلي ذلك التشكيل الساخن والمعالجة الباردة.

المرحلة الأولى: إعداد المواد الخام والصهر

هذه هي أساس العملية بأكملها، وتحدد درجة نقاء المادة وخصائصها الأساسية.

1. اختيار ومعالجة المواد الخام لصفيحة الزجاج الكوارتز

• المواد الخام: تُستخدم رمال كوارتز طبيعية عالية النقاء أو مسحوق سيليكون صناعي. بالنسبة للتطبيقات البصرية، يُشترط نقاء عالٍ جدًا، ويجب أن يكون إجمالي محتوى الشوائب المعدنية أقل من بضع أجزاء في المليون (ppm).
• المعالجة: يجب تنقية المواد الخام من خلال أساليب فيزيائية وكيميائية مثل الطفو والفصل المغناطيسي والغسيل الحمضي لإزالة الشوائب مثل الأيونات المعدنية والغبار.

2. الذوبان

• الهدف: تحويل رمل الكوارتز البلوري (SiO 2 ) إلى زجاج كوارتز منصهر غير متبلور.
• الأساليب: هناك نوعان رئيسيان
• طريقة الصهر الكهربائي :

في فرن كهربائي محمي بالفراغ أو غاز خامل (مثل الأرجون)، يتم توفير درجة حرارة تتجاوز 2000 °مئوية بواسطة قوس كهربائي يولده قطب أو مدفأة من الجرافيت.

يمكن لهذه الطريقة إنتاج زجاج كوارتز منصهر ذو محتوى منخفض جدًا من الهيدروكسيل (OH ⁻) المحتوى، وهو مناسب للتطبيقات في نطاق الأشعة فوق البنفسجية

• طريقة انصهار اللهب:

يتم رش مسحوق رمل الكوارتز على الهدف من خلال لهب الهيدروجين-الأكسجين أو لهب الأكسجين-الهيدروجين، ثم يترسب طبقة تلو الأخرى بواسطة التغليف.

الكوارتز المنصهر المنتج بهذه الطريقة يحتوي عادةً على محتوى نسبي مرتفع من OH، وهو مناسب لنطاق الأشعة تحت الحمراء، ويمكن استخدامه في تصنيع قوالب كبيرة الحجم.

3. التشكيل والتنضيج

• الهدف: تشكيل زجاج الكوارتز المنصهر إلى الشكل الأولي المطلوب (مثل كتلة، قضيب، لوحة) وإزالة الإجهادات الداخلية.
• العملية: يتم حقن سائل زجاج الكوارتز المنصهر في القالب أو تشكيل "قالب" ذي شكل معين من خلال التحكم بعملية التبريد. بعد ذلك، يُرسل القالب إلى فرن التنضيج ويمر ببطء عبر مدى حراري دقيق التحكم (مثلاً، من أكثر من 1100 °°م إلى أقل من 800 °ج). يمكن لهذه العملية تقليل الإجهاد الحراري الداخلي وتوحيد درجته إلى أقصى حد، مما يمنع التشقق أو التشوه أثناء المعالجة اللاحقة أو الاستخدام.

مزايا قرص الكوارتز:

• خصائص بصرية استثنائية:

• نفاذية عالية: يتمتع قرص الكوارتز بنفاذية عالية جدًا عبر نطاق طيفي واسع، من الأشعة فوق البنفسجية العميقة (UV) إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).
• انبعاث ضوئي منخفض: يتمتع قرص الكوارتز بانبعاث ضوئي خلفي منخفض بطبيعته، وهو أمر بالغ الأهمية في القياسات البصرية الحساسة.

• استقرار حراري متميز:

• معامل تمدد حراري منخفض للغاية: مقاوم بشدة للصدمات الحرارية والتشوهات الناتجة عن التغيرات السريعة في درجة الحرارة.
• نقطة انصهار مرتفعة: يمكن لقرص الكوارتز تحمل درجات حرارة تشغيل عالية جدًا. يمكن للوحة الكوارتز أن تتحمل درجة حرارة 1100 درجة مئوية لفترة طويلة، بينما تصل درجة الحرارة العاملة القصوى المؤقتة إلى 1200 درجة مئوية.

• نقاء كيميائي ممتاز ومقاومة عالية:

• الخاملة: مقاومة للغاية للتآكل الناتج عن معظم الأحماض والملحات والمعادن. بالإضافة إلى حمض الهيدروفلوريك، لا يتفاعل زجاج الكوارتز تقريبًا مع باقي الأحماض المستخدمة في المعالجة الكيميائية، ومقاومته للأحماض تفوق مقاومة السيراميك 30 مرة، ومقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ 150 مرة.

• أداء عازل كهربائي ممتاز :

قيمة مقاومة قرص الكوارتز تعادل 10,000 ضعف تلك الخاصة بالزجاج العادي. وهو مادة عازلة كهربائية ممتازة ويحافظ على خصائصه الكهربائية الجيدة حتى في درجات الحرارة العالية. ‌

• نقاء عالي: يمكن إنتاج أقراص الكوارتز بمستويات منخفضة جدًا من الشوائب، مما يمنع التلوث في العمليات الحساسة.
• عازلية كهربائية متفوقة: يتمتع قرص الكوارتز بقوة عزل كهربائي عالية وخسائر عازلة منخفضة.
• عتبة تحمل عالية ضد أشعة الليزر: يمكن لقرص الكوارتز تحمل أشعة ليزر عالية الطاقة دون أن يتضرر، ما يجعله مثاليًا للتطبيقات الليزرية.

مجالات التطبيق الرئيسية:

• البصريات والفوتوتونيات:

• العدسات، النوافذ، والمنشورات: تُستخدم في معدات التصوير بالأشعة فوق البنفسجية، وأنظمة الليزر عالية القدرة، والتلسكوبات، والأدوات الطيفية.
• الألياف البصرية: المادة الأساسية للألياف البصرية عالية النقاء المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية ونقل البيانات.

• تصنيع أشباه الموصلات:

• حوامل الرقائق وأنابيب المعالجة: تُستخدم كأحواض انصهار، وأنابيب انتشار، وقوارب نقل الرقائق في العمليات ذات درجات الحرارة العالية لتنمية بلورات السيليكون وتصنيع الشرائح بسبب نقاوتها واستقرارها الحراري.

• الإضاءة:

• مصابيح التنبيه عالية الشدة (HID): تُستخدم كمادة غلاف لمصابيح الزئبق، وهاليد المعادن، ومصابيح القوس الزينوني لأنها قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية والإشعاع فوق البنفسجي.

• معدات المختبر

• خلايا القياس والأوعية المخبرية: تُستخدم في التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والمرئية وفي التطبيقات التي تتطلب خواص كيميائية خاملة ومقاومة للصدمات الحرارية.

البيانات الفنية لقرص الكوارتز الشفاف