一种用于外部气相沉积法的活动喷灯的制作方法

本发明涉及一种用于外部气相沉积法(ovd)的活动喷灯，用于沉积制备合成石英玻璃圆柱体。

背景技术：

1、外部气相沉积法(ovd)制作石英玻璃圆柱体是一种重要的的方法，可获得高纯合成二氧化硅石英玻璃产品，由于其杰出的材料特性，普遍应用于光纤、光学玻璃以及半导体行业。ovd的工艺流程为沉积喷灯将二氧化硅纳米气流沉积在目标靶棒上，形成多孔二氧化硅粉棒预制体，然后将多孔二氧化硅粉棒预制体在真空或者氦气中烧结成无孔纯二氧化硅石英玻璃圆柱体。

2、ovd法沉积机理是热泳，指的是由于温度梯度对颗粒产生的效应，它会造成颗粒从一个高温区移动至低温区，由此可见，温度梯度是影响沉积的主要因素，颗粒温度较高，靶材温度较低，可提高收集率和沉积效率。喷灯通常采用环形喷口结构，从内向外分别设置原料气体喷口惰性气体喷口和燃料气体喷口，这些气体以一定的速率从喷口喷出后混合燃烧发生反应生成二氧化硅颗粒沉积到旋转靶棒上，现有的喷灯为固定结构的喷灯，受制作精度影响，喷灯料管喷口和其它气管喷口的圆度与同心度存在一定的误差，沉积较长时间料管口容易积灰，从而结晶导致粉棒产品瑕疵，造成过多报废；多个喷灯的一致重复性不佳，在一个把棒上采用多灯沉积，粉棒直径分布不均，造成光纤光学参数报废。此外，为了保证沉积的质量和效率要求喷灯各种气体的喷射尽量不受外界干扰，保持稳定的喷射状态，然而，随着喷射火焰不断燃烧，腔内温度升高，烟炱预制件外径不断增大，因空气对流热量向上运动，加之喷灯与烟炱预制件的相对往复移动，沉积腔内进风和抽风气流的影响，会在喷灯喷射反应区产生各种湍流，干扰原料气体和燃料气体喷射和燃烧反应，引起沉积反应不匀，沉积粉棒密度差异化加剧，导致沉积质量的下降。

3、美国专利us2018022147公开一种喷灯，为获得更高的烟尘收集率和沉积速率，通过第二烟管在第一烟管内移动，调节孔隙的有效直径实现沉积后期烟尘的第二喷洒尺寸大于已喷洒尺寸，提升沉积的收集率和沉积速率，但是在喷灯如此小的空间，实施料管的精确移动，同时保证精准密封，实现的技术难度大，并会降低设备的可靠和稳定性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种用于外部气相沉积法的活动喷灯，它结构设置合理，能有效减少喷灯喷口粉尘堵塞结晶现象，提高喷灯使用寿命和沉积质量。

2、本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

3、包括有喷灯体，喷灯体上设置喷灯喷口，所述的喷灯喷口沿径向从内向外包括有原料气体喷口和燃料气体喷口，所述的喷灯中部设置原料气体喷口，其特征在于所述的喷灯中部设置的原料气体喷口为活动原料气体喷口，所述的活动原料气体喷口后端与旋转支承机构相联，旋转支承机构驱动活动原料气体喷口缓慢旋转。

4、按上述方案，所述的原料气体喷口包括中心孔原料气体喷口和围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，所述的原料气体喷口与原料气源相连通。

5、按上述方案，所述的1～3层环形原料气体喷口通过转换(切换)阀同时与惰性气源相连通。

6、按上述方案，所述的燃料气体喷口为环形燃料气体喷口，设置在原料气体喷口的外周，所述的环形燃料气体喷口包括氢气喷口和氧气喷口，氢气喷口和氧气喷口分别设置1～2层，所述的燃料气体喷口与燃料气源相连通。

7、按上述方案，在原料气体喷口与燃料气体喷口之间设置有环形惰性气体喷口，所述的环形惰性气体喷口与惰性气源相连通。

8、按上述方案，所述的活动原料气体喷口呈圆轴状，通过旋转支承机构的联接支承与喷头体内孔形成有环形孔隙，所述的环形孔隙构成环形惰性气体喷口。

9、按上述方案，所述的活动原料气体喷口的旋转速度为0～5r/m(转/分)，优选1～2r/m。

10、按上述方案，所述的喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口，所述的气环喷口与温度可调气源相连通。

11、按上述方案，所述的气环喷口设置在燃料气体喷口的外周，气环喷口由环形孔隙或紧密间隔的环形小孔构成，气环喷口设置1～2层，气环喷口喷出气体形成筒状气帘，将燃烧原料反应气体笼罩在筒状气帘内。

12、按上述方案，所述的喷灯由金属或合金制成。

13、按上述方案，所述气环喷口喷出的气体温度范围25～500℃，气体的流速为0.3～40m/s，最佳的为1.0～20m/s，该流速能将二氧化硅的反应区保护约束在稳定气流的气体环中，使得从喷灯口出来生成的二氧化硅颗粒至沉积于粉棒上，都处于稳定气流的气体场中。

14、按上述方案，所述气环喷口喷出的气体既可以是从尾气排放中回收处理的热气，也可以是加热过滤的洁净空气或者惰性气体(如氮气)，还可以是氢氧气或者烷烃氧气的燃烧气。

15、按上述方案，伴随靶棒沉积直径的逐渐增大，在先开启中心孔原料气体喷口的基础上逐层开启围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，逐步加大原料气体的喷射量，同时开启第2层燃料气体喷口，逐步加大燃料气体喷射量，形成同轴射流火焰，以达到最佳的收集率和沉积速率。

16、按上述方案，同轴射流火焰轴心速度衰减公式为

17、

18、其中

19、

20、qi为第i组射流的质量流量kg/s，pi为第i组射流的动量通量kg·m/s2，a＝0.076，b＝0.147，um是中心射流速度，u0是中心射流初始速度，d0相应直径，ρ为气体密度，x为离料管口的距离。

21、优选的，到达离沉积靶面30mm处的中心射流速度um在15～90m/s。

22、更优选的，到达离沉积靶面30mm处的中心射流速度um在25～80m/s。

23、更优选的，到达离沉积靶面30mm处的中心射流速度um在35～70m/s。

24、本发明的有益效果在于：1、设置活动原料气体喷口，使整体多层料管结构相对喷灯进行旋转，减少料管与惰性气体喷口或者燃料气体喷口的间隙偏心影响，抵消由于喷灯料管喷口和其它气管喷口的圆度与同心度存在误差所产生的的偏射现象，利用旋转极大地减少粉尘在喷口局部形成粉尘堆积，从而减少结晶，尤其大粉棒沉积后期出现的粉尘堵塞结晶现象，有效减少了喷灯的维修量，提高了喷灯的使用寿命。2、采用多层环形原料气体喷口即多层料管结构，伴随着沉积粉棒直径的增大，逐层向料管中通入原料气体，使得喷出料与粉棒的形成直径相匹配，采用多层进料可使喷灯燃烧过程sio2颗粒浓度变高，撞击到粉棒表面的sio2更均匀，能实现大尺寸石英玻璃粉棒的最佳收集率和沉积速率。3、环形孔隙构成环形惰性气体喷口可对圆轴状活动原料气体喷口的旋转起到一定的浮托作用，减少摩擦并使喷口运转更为平稳。4、在喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口，且气环喷口与温度可调气源相连通，气环喷口喷出气体形成筒状加温气帘，利用稳定气流的气帘取代喷灯前的罩子，可将沉积区域气体约束在气体环内，为二氧化硅的反应区提供稳定的气流场，使其少受温度或气流的影响，可避免烟囱效应以及其它气流对反应沉积区的扰动，保证整个沉积过程一致性。同时，通入气环的气体温度可随着沉积过程逐渐变化，使得沉积区域上下热场温度分布均匀，从而有效提高沉积质量。5、本发明结构设置合理，可调性好，喷灯可为金属喷灯，机械强度高，耐磨性好，且制作精度高，一致性好，便于生产维护。