2.3. Разработка функциональной и структурной схем процесса вытяжки оптических волокон.
В настоящей работе приводятся результаты исследования динамики процесса нагрева фторидных заготовок, используемых в процессе вытяжки оптических фторидных волокон. Фторидное оптическое волокно – относительно новый вид ИК-материалов, позволяющих существенно снизить оптические потери в волокнах, используемых в волоконно-оптических линиях связи.
Несмотря на очевидные преимущества фторидных оптических волокон над кварцевыми, они не нашли широкого применения из-за трудностей, связанных с их получением. Эти трудности связаны прежде всего с резкой температурной зависимостью вязкости. Эта зависимость является одной из причин образования центров кристаллизации в световодах из ФС, поскольку даже незначительные перегревы расплава ведут к сильному снижению вязкости и увеличению вероятности образования центров кристаллизации и скорости их роста. Для многих ФС кристаллизация начинает проявляться в процессе нагрева уже при температурах, близких к температуре стеклования. Кроме того, проблемой, связанной с получением и эксплуатацией стекол из фторидов тяжелых металлов, является их взаимодействие жидкой и газообразной атмосферной водой, в связи с ее влиянием на химическую стабильность (водная коррозия), механическую прочность и оптические свойства. Взаимодействие стекол из фторидов тяжелых металлов с атмосферной водой особенно ощутимо и отличается высокой скоростью при температурах выше температуры стеклообразования, при этом во время вытяжки волокна происходит связывание воды на его поверхности, что сопровождается образованием поверхностных дефектов, являющихся следствием роста кристаллической фазы. Вода химически реагирует с поверхностью стекла с образованием оксидных частиц, которые служат центрами кристаллизации.
Температура размягчения кварцевой заготовки составляет 18500С, в то время как температура размягчения фторидной заготовки в зависимости от химического состава составляет 260–4500С, поэтому основное отличие установки вытяжки кварцевых волокон от установки получения фторидных волокон заключается в конструкции узла размягчения оптических заготовок. Кроме того, в силу описанных выше особенностей ФС очевидна необходимость контроля температуры в зоне формирования луковицы. На рис.2.12 представлен узел печи нагрева заготовок. Оптическая заготовка 1 с помощью механизма подачи подается в кварцевую трубу 5, с наружной стороны которой находится кварцевое кольцо, на котором намотано 10 витков нихромового провода диаметром 0,5 мм (4). На нихромовое сопротивление подается напряжение 30-40 В. Конструкция печи позволяет создать узкую кольцевую зону высотой 5-6 мм. В верхней части кварцевой трубы находится фторопластовая вставка 2, которая устраняет влияние окружающей среды. Во фторопластовую вставку подается инертная среда – азот 3. В данной конструкции под нагревательным элементом 4 предусмотрена еще одна фторопластовая вставка 6, в которой находятся термопары 7 и 8, контролирующие температуру в зоне нагрева.
Для построения системы управления процессом вытяжки фторидных волокон очень важно исследовать главное звено установки вытяжки – печь нагрева заготовок как объект управления. Температуру в зоне нагрева заготовок можно регулировать с помощью двух управляющих воздействий: изменением силы тока, текущего по нихромовой проволоке, и изменением расхода газа, подаваемого в кварцевую трубу. Были исследованы оба канала управления.
Принципиальная и электрическиская схемы представлены на рис. 2.13., 2.14. Функциональная схема обеспечивает измерения температуры в зоне формирования луковицы 1.1. и автоматическое изменение температуры по двум каналам управление: 1)подача газа (автоматическое включение ШД, который открывает вентиль); 2) изменения силы тока в обмотки печи; 1.2. Проводится постоянное измерение и регистрация диаметра волокна по средствам датчика 2.1. и регистрирующего устройства 2.2., затем проводится автоматическое изменение скорости движения вытягивающего электродвигателя с помощью 2.3. Кроме того в схеме предусматривается измерение скорости выпуска оптического волокна (3.1.) и автоматическое управление движением двигателя 3.2.
Рис.2.12.
Печь нагрева заготовок.