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《中国建材》:中国建材总院重要科技成果展示-透深紫外光学玻璃
    作者: 时间:2017-05-23 打印
     
 

来源:《中国建材》106页  作者:张洋  发表时间:2017年第5期

  透深紫外光学玻璃是中国建材总院“十二五”期间重要科技成果之一。该玻璃在185nm ~ 200nm 范围内的远紫外区仍具有较高的光谱透过率,在飞行器发射、火灾监测、高压线路巡查、紫外杀菌等领域有着广泛应用。经过多年攻关,研发团队在玻璃成分设计、有害杂质控制、玻璃熔制成型工艺等方面取得突破,成功开发出透深紫外光学玻璃产品,成果获中国建材集团2017 年度科技进步三等奖。

  成果简介

  紫外线是自然界中普遍存在的一种电磁波,在紫外杀菌、紫外验伪、紫外照明等方面有着重要作用,同时强紫外线对人体皮肤、眼睛等均会产生一定的危害,特别是深紫外线。太阳光谱中波长小于290nm 的紫外线会被大气层中的臭氧层强烈吸收,起到保护人类的作用,这部分紫外线光谱区域被称为“日盲区”。若在大气层内探测到了“日盲区”紫外信号,可以断定是由人类活动如导弹、火箭等人造飞行器的发射产生。因此,对深紫外线的探测具有重要意义,特别是185nm ~ 200nm 范围的深紫外区信号。传统光学元件对深紫外光具有较强的吸收作用,无法作为高效紫外探测器的窗口材料。国际上比较常用的透紫外玻璃在200nm 处的透过率在40% 以下,185nm处的透过率更低。尽管石英玻璃在深紫外区具有较好的光谱透过率,但由于热膨胀系数上的差异,无法满足光电倍增管等探测器件的封装要求。

  中国建材总院自2010 年开始进行透深紫外光学玻璃的研制工作,取得一系列重要成果和技术突破,成功研制在185nm 波长处透过率大于50% 的光学玻璃。

  成果一:透深紫外玻璃成分设计

  物质对紫外线的吸收与其组成元素的原子核结构有着直接关联,不同的物质对紫外线吸收的截止波长不同。研发团队全面系统地研究了碱金属氧化物、网络形成体含量对玻璃结构及透紫外性能的影响关系,设计开发了满足透深紫外线要求的含有低原子序数碱金属氧化物的硼硅酸盐玻璃体系。该玻璃体系除了具有较高的深紫外线透过率之外,其化学稳定性达C 级,热膨胀系数在(50±5)×10-7/℃附近,抗弯强度大于40MPa,能够满足窗口材料与可伐合金、蓝宝石等材料的封结要求。

  成果二:透深紫外玻璃有害杂质含量控制技术

  透紫外玻璃中的有害杂质主要来源于过渡金属氧化物,由于其具有比较丰富的能带结构,对深紫外线具有极强的吸收作用。比如生活中常见的窗玻璃中少量铁元素的残留,便会使玻璃呈现淡绿色,其在400nm以下波长紫外线的吸收率为100%。

  研发团队系统研究了多种过渡金属氧化物引入玻璃后对光谱透过率的影响关系,最终得出透深紫外玻璃中的有害杂质总量必须控制在ppm 量级( 即百万分之一量级)。玻璃中有害杂质来源渠道很多,通过对原材料、熔制环境、熔制器具等方面进行全面控制,实现了玻璃中有害杂质总量控制在ppm 量级的目标,满足了玻璃在185nm 深紫外区透过率高于50% 的要求。

  成果三:透深紫外玻璃无澄清剂熔制成型技术

  玻璃熔制过程中经常使用的As2O3、Sb2O3 等澄清剂,均为变价金属氧化物,对紫外线具有极强的吸收作用,因此,必须开发基于无澄清剂条件下的玻璃熔制成型工艺技术。玻璃的熔制是一个非常复杂的过程,涉及一系列物理、化学反应。研发团队从玻璃配合料的分解条件出发,系统研究了配合料引入形式及配比、熔制温度及搅拌制度等对玻璃中气泡、条纹、结石等内部缺陷的影响,并开发了透深紫外玻璃熔制专用设备,实现了透深紫外玻璃的工程化制备,其气泡及结石尺寸小于0.5mm2/cm2,条纹度II 级。

  展望

  透深紫外玻璃拓展了传统光学玻璃在光谱透过率上的极限,在深紫外和真空紫外光谱范围内具有较高的透过率,可以广泛应用于高效紫外探测器的窗口材料,在导弹紫外告警、紫外巡天、高压线路安全检查等军民领域具有广泛的应用。