石英管内のヒドロキシル基

石英ガラスに溶解した水酸基はヒドロキシルとして知られています。水酸基は石英ガラスの主な不純物であり、その含有量に影響を与える主な要因は原材料、プロセス、製造方法です。石英ガラスの水酸基含有量が変化すると、ガラスの性能も変化します。水酸基含有量が増加すると、粘度、密度、屈折率が低下し、赤外線吸収率と膨張係数が増加します。

石英ガラスは、水酸基の挙動から、酸化雰囲気で製造された石英ガラスと還元雰囲気で溶融された石英ガラスの2種類に分けられます。前者では水酸基が加熱によって除去されにくく、後者では水酸基が除去されやすいです。

酸化雰囲気で製造される石英ガラスには以下のものが含まれます。

1. 合成石英ガラス四塩化ケイ素は水素酸素炎で熱分解され、水酸基含有量は約 1000～2000 ppm になります。
2. ガス精製石英ガラス: 水酸素炎で溶解した石英粉末。水酸基含有量は100～200 ppm。
3. プラズマ石英ガラス: プラズマ炎で溶解した石英粉末。水酸基含有量は 20 ～ 30 ppm。
4. フューズドクォーツ: 空気雰囲気中で溶融した石英粉末。水酸基含有量は300～500ppm。

このタイプの石英ガラスのヒドロキシル基は熱処理で除去するのが難しく、結晶化温度（摂氏約 1350 度）を超えると目に見えて脱ヒドロキシル化します。

水素雰囲気では、ヒドロキシル含有量は 100 ～ 200 ppm です。900 度以上に加熱すると、ほとんどのヒドロキシルを除去できます。ヘリウムまたは真空状態では、ヒドロキシル含有量は非常に低くなります (5 ppm 未満)。

水素雰囲気中で溶融した石英ガラス中の水酸基は、以下の要因に関係しています。

1. 原材料特性に関する事項

a. 溶解水、b. 結晶水、c. 間隙水、b. 表面吸着水、e. 気液介在物、

2. 原材料の不純物含有量と種類に関する事項

a. アルカリ金属酸化物; b. アルカリ土類金属酸化物; c. 希土類酸化物;

3. 融解条件に関する

温度; 時間; 雰囲気;

4. 脱水酸化条件に関連する

環境、真空レベル、時間、温度、

酸化雰囲気で製造された石英ガラスを水素雰囲気で再溶融しても、2.73ミクロンのヒドロキシル吸収ピークに変化は見られず、これは、溶融温度が2種類のガラス間の脱ヒドロキシル化性能の差の原因ではないことを示しています。

酸化雰囲気で溶解した粉末石英ガラス（粒径0.2〜0.05mm）は、水素雰囲気で再溶解した後、2.73ミクロンのヒドロキシルピークに大きな変化が見られ、ヒドロキシルの除去が容易になり、その性能は水素雰囲気で溶解した石英ガラスと同等です。これは、粒子サイズが脱ヒドロキシル化の違いの重要な要因であることを示しています。

低ヒドロキシル石英ガラス粉末 水素雰囲気で再溶融すると、水酸基が 3 ppm から 100 ppm に増加し、水素雰囲気が石英ガラス中の水酸基含有量を増加させる可能性があることを示しています。水素雰囲気で再溶融された低水酸基石英ガラスブロックは、水酸基含有量にほとんど変化が見られず (3 ppm)、水素と石英ガラスの相互作用が表面から始まることを示しています (溶融時間は約 30 分)。

GEの式: C = 910/T * LOG10(Ta/Tb) mm-1

• C: 水酸基含有量 (C、ppm)
• T: 厚さ(mm)
• Ta: 2600ナノメートル波長における透過率
• Tb: 2730ナノメートル波長における透過率

中国国家標準式：C = 96.5/d * LG10(Ia/I) mm-1

• C: ヒドロキシル含有量 (ppm)
• d: 厚さ（cm）
• Ia: 2730 nmのベースラインからゼロラインまでの距離（mm）
• I: 2730 nm吸収ピークからゼロラインまでの距離（mm）

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