> Техника, страница 67 > Оптическое стекло

Оптическое стекло

Оптическое стекло, стекло, идущее на изготовление линз, призм, пластинок и тому подобных деталей оптич. приборов, обладает особо высокими качествами в смысле отсутствия оптич. неоднородностей (свилей, потоков), минимального количества пузырей и камней и отсутствия значительных по величине внутренних натяжений. Такое стекло должно обладать вполне определенными оптич. свойствами, мало меняющимися для различных кусков одного и того же сорта; кроме того для изготовления оптич. инструментов является необходимым иметь целый набор стекол, по возможности сильно отличающихся по своим оптич. константам, так как это облегчает устранение различных недостатков изображений, даваемых оптич. системами.

Оптич. свойства характеризуются показателями преломления стекла для нескольких спектральных линий, лежащих в различных частях спектра. В качестве таких линий обычно берутся следующие: в красной части спектра линия С (6 563 А) водорода, также A (7 6S5) калия и Ь (7 065) гелия; в желтой части линия D (5 893) натрия или близкая к ней—d (5 876) гелия; в зеленой—е (5 461) ртути; в голубой F (4 861) водорода и в синей—G (4 341) водорода, а также д (4 359) и h (4 047)—ртути. Для характеристики преломляющей способности стекла пользуются показателем преломления для желтой линии натрия (или для линии d гелия), а для характеристики рассеивающей способности— средней дисперсией пр-п_с или ч а-стными дисперсия ми п^-пс, Пр—v„ и т. д., а также относительными ча-

n_T-n_r n.-n_D

стными дисперсиями ----, —

и т. д. Во многих случаях вместо средней дисперсии пользуются коэф-том дисперсии п_п-1

»=- —, введенным Лббе. Для нахожде-

ⁿF~ⁿc

имя показателя преломления для различных длин волн А при помощи показателей дл я небольшого числа линий можно воспользоваться одной из следующих ф-л:

п=а + ; (Cauchy)

п ~ Се^х + Ь;.-»’· + d; (Wright)

η=n₀ + ал^-1 -f ЬА^-3’⁵; (Conrady, Smith)

η=n₀ + _(Л J^· (Hartmann)

Первая формула дает возможность определять V с точностью до 1—3-10^-4. Вторая формула при 6=0,008535 (А выражается в /г), то есть также при двух постоянных дает несколько более точный результат—около 1-10^-1. Для более точных расчетов чаще пользуются последней ф-лой, которая при четырех постоянных позволяет вычислять п с точностью до ЫО^-6. В этой формуле а меняется от 0,5 до 1,5; положив а=1,2 или 1, получим формулу несколько менее точную. Дальнейшее упрощение формулы получается, если положить А₀= -1,73 V4-243,3.

В прежнее время О. с. разделялись на два обширных класса: стекла, не содержащие винца,—к роныи стекла с ббльшим или

ISO

Кроны

Оч тмевЛые upon“. яжелые кроны. _т о, JfiO- барит кроны·./. ,*

барит flt i кие ι. ^._s

! верит ι флинты

Тяжел барит.,

флинти - д Тяжелые флинты

-^по.’ Флинты

L

о io ^ d si·

_v L •° _ш i _ -Легкие флинты

I Фосфатные

О О бос

. Флюоритовые I кроны

; ₀ Ьоросиликагг“-кроны

>лег“.,6срит и иинксвые)

1,40----

•Стекла иэестоал в СССР о·Нем рыв из стекз да Шотта характера} область еушеетш, ОС

фигура 1.

меньшим содержанием свинца—ф л и н т ы. У этих стекол дисперсия тесно связана с показателем преломления, и все ойи довольно хорошо удовлетворяют следующей линейной зависимости между n_D и n_F — n_c:

n_F — п_с— 0,07812те_л — 0,10962.

В настоящее время имеется большое количество стекол, значительно отступающих от этой зависимости, и поэтому прежняя классификация является недостаточной. На фигуре1 представлена классификация О. с., предложенная Морейем и несколько видоизмененная з-дом Шотта в Иене. Прибавка свинца сильно повышает показатель преломления и дисперсию (следовательно понижает i>); в противоположном направлении действуют кремнезем, борная к-та и, в особенности, фтор. Прибавка бария (ташке кальция) значительно увеличивает показатель при сравнительно “малом изменении дисперсии; это обстоятельство дает возможность получать стекла, сильно выступающие из ряда прежних стекол, что является особенно важным при изготовлении светосильных фотография. объективов. Для более полного устранения хроматизма, то есть для уничтожения так называемым вторичного спектра, необходимо иметь флинты с менее растянутой, чем обычно, синей частью спектра или же кроны с более растянутой тойлсечастьюспектра. Первое достигается заменой свинца сурьмою, также введением борной к-ты;второе—увеличением количества щелочей, введением фосфора, фтора а также титана. Химический состав О. с. и оптические константы—см. Спр.Т.Э.,т.Ш, стр. 156 и 170. Количество потребляемого О. с. сравнительно очеиь невелико. Довоенная мировая продукция не превышала ро-видимому всего 20—30 ж в год. Во время войны 1914—18 гг. производство О.с. сильно возросло, так что в 1918 году в одной Америке было изготовлено ок. 240 т, а в Англии ок. 107 тонн В настоящее время продукция опять сильно уменьшилась, так что например в Америке в 1927·—28 г. было изготовлено на единственном заводе О. с., принадлежащем Бюро стандартов, всего 12 ж. В настоящее время О. с. изготовляется в Германии на 1 з-де, в Англии—на 3, во Франции—на 2, в Америке—на 1 и в СССР—на 2.

Производство О. с. Отличительной особенностью производства О. с. является механич. перемешивание стекла во время варки, введенное П. Гинандом (Р. L.Gui-nand, 1748—1824), к-рый начал изготовлять О. с. в Швейцарии в 1784 г. (или несколько ранее), затем работал на заводе под Мюнхеном (1805—13), где его учеником,а затем и приемником был Фраунгофер. С 1827 г. О. с. стало изготовляться во Франции (Н. Guinand, G. Bontemps и др.), а с 1848 г. и в Англии на заводе ор. Ченс (G. Bontemps). К 1879 г. относится начало совместных работ Аббе и Шотта над изготовлением новых сортов О. с., а в 1884 г. был основан известный иенский стекольный з-д Шотта и К°. Вопросом об изготовлении О. с. занимался Фарадей (1824—30), вперые получивший борные флинты, а также Гаркур (1834—71; с 1862 г. совместно со Стоксом). Большое количество работ по О. с. было произведено во время войны 1914—18 гг., особенно в Америке.

Сырые материалы для производства О. стекла должны быть весьма чистыми. Основную массу О. с. составляет кремнезем. Он вводится в шихту в виде природного песка достаточно мелкого и однородного по величине зерен (часов-ярский, люберецкий, фонтенебло). Содержание в нем окиси железа не должно превышать 0,02%. Остальные компоненты О. с. вводятся в виде химически чистых препаратов: К₂С0₃. КНС0₃, KN0₃. Na,C0₃, NaHCOj, СаС0₃, BaCO_s. Ba(N0₃)₃, MgO, ZnO, Pb,0₄, PbO, II_aB0₃. Na₂B₄0₇, Sb₃0₃, A1₃0₃, AS₃0₃ и K₂SiF, (во флюоритовых стеклах). Вредными примесями являются окислы железа, хрома, меди, кобальта, никеля, марганца, как сильно окрашивающие О. с., а также сернистые и сернокислые соединения. Шихта для каждого горшка составляется отдельно с по-

правкою на влажность материалов. Отвешивание шихты производится с большой точностью и материалы предварительно отсеиваются.Перемешивание шихты производится в деревянных ларях (2x1x1 м) перелопачиванием 6—8 раз или в специальных смесительных барабанах, выложенных деревом. Для ускорения плавки к шихте прибавля-•ется бой стекла того же состава (кусками размером 3—5 см) в количестве 25—50% от веса получаемого стекла. Горшки для плавки О. с. изготовляются из огнеупорной глины (латнинская, часов-ярская, кассельская) и шамота; каждый горшок служит только для одной варки. Высокое качество горшков является непременным условием для успеха производства О. с. Вместимость горшка 200—400 л. Они имеют почти цилиндрическую форму и отношение диаметра к глубине β 1 (фигура 2). Раньше горшки применялись исключительно закрытые, современная техника пользуется преимущественно от-крытьши.Высушен-ные в течение 4— 12 мес. горшки перед варкой обжигаются в специальных печах (каленнцах), с перевернутым пламенем (на дровах, угле или газе) до температуры 900—1 000’ в течение 4—7 суток при постепенном подъеме t°. Для беспрерывной работы одной стекловарной печи на один горшок калениц требуется 6—7. Из калени-цы горшок в горячем состоянии переводится в стекловаренную печь с ί°~ 1000°, где

• окончательно обжигается до t° 1 450—1 500°. Печи для плавки О. с. применяются регенеративные, одногоршковые (редко двухгор-шковые), отапливаемые газом или нефтью (капельники или форсунки). Печь должна давать равномерное распределение темп-ры в рабочем пространстве, допускать точную и легкую регулировку (±10°) в пределах 900—1 500°. Рабочее пространство имеет двери или легкоразборную стенку для быстрого вывоза горшка по окончании варки. Точное соблюдение (°-ных режимов в отдельные периоды варки О. с. является совершенно необходимым. Для измерения /’ применяют регистрирующие пирометры с термоэлементами из Pt—PtRh и оптические типа Фери.

Весь процесс плавки О. с. может быть разделен на три периода (фигура 3): 1) провар шихты, 2) очистка стекла и 3) мешка стекла, иногда перекрывающие друг друга (способ Морея). Первые два периода мало чем отличаются от варки обыкновенного стекла в горшках. К концу второго периода заканчи-. ваются процессы диссоциации углекислых

• солей шихты, выделения из стекла газов и, вследствие диффузии и конвекции, вся мас-

• са стекла приобретает некоторую однородность, однако далеко недостаточную для оп-тич. целей. Вследствие селективного испарения компонентов стекла и беспрерывного растворения стенок и дна горшка состав

• стекла беспрерывно меняется и увеличивает-ся окраска стекла оки железа и хрома, извлекаемыми из горшка. Выбор макси

мальной температуры, наиболее благоприятной для варки О. с., является компромиссом двух требований: облегчение очистки О. с. требует повышения Г, а уменьшение растворимости горшка—ее понижения. Она варьирует от 1 500 до 1 200° в зависимости от химич. состава О. с. и качества стеклоплавильных горшков. В третий период, характерный для варки О. с., стараются достигнуть более совершенного выравнивания хн-

Часьi

мнческого состава О. с. по всей его массе путем механического перемешивания.

Способ перемешивания, предложенный Гинандом, считается до настоящего времени наиболее совершенным. Он заключается в равномерном движении по кругу вдоль стенок горшка шамотовой мешалки, надетой на железный крюк с квадратным сечением. Шамотовая мешалка имеет длину почти равную глубине горшка, диаметр внизу 7,5 см, а вверху 10 сантиметров (фигура 4). Мешаль-ные машины дают возможность менять равномерно скорость вращения от 25 до 3 об/м. и радиус мешки от 0 до радиуса горшка. Равномерное движение мешалки вдоль стенок горшка создает в стекле смерч, поднимающийся от центра дна и вращающийся одновременно с мешй. Достигнув поверхности, поток стекла (смерч), частично раз-

Фигура 4.

мешиваясь. направляется к стенкам и спу-скается вниз вдоль них. Т. о. смерч питается стеклом, проходящим около стенок и дна горшка и несколько отличается по показателю преломления от общей массы. Неоднородность в химич. составе смерча и общей массы стекла уменьшается по мере перемешивания и особенно когда t° снижается и прекращается сильное улетучивание с поверхности и растворение горшка, но достигнуть полной однородности не удается. Одновременно со снижением <° уменьшают I скорость вращения мешалки, а некоторые

6

Т. Э. m. XV.

з-ды и радиус мешки. Наиннзшая (° мешки зависит от химии, состава стекла и лежит в пределах 1 100—900°. По окончании мешки мешалка извлекается из стекла, и горшок со стеклом вывозят из печи для охлаждения. Вынимание мешалки и большие градиенты t° в стекле при его охлаждении вызывают конвекцию и ухудшают однородность стекла. Охлаждение г о р ш к о в со стеклом производится либо в подогретых предварительно каленицах либо в кожухах. Сначала стеклу дают охладиться довольно быстро, а затем уменьшают скорость охлаждения, засыпая кожух песком. В правильно охлажденном горшке стекло оказывается расколотым на несколько глыб, которые разбивают специальными молотками на куски весом 3 000—200 г, выбирая участки без свилей и пузырей. Придание стеклу формы (м о л и р о в а и и е) плиток производят путем расплавления его в шамотовых формах. выложенных асбестом, или путем разогревания стекла в канальных печах и прессовки его в металлич. формах. В обоих случаях для охлаждения его служат или муфели или канальные печи. По охлаждении плитки прополнровываются с двух противоположных узких сторон вручную на небольших станках (0 шайбы s 60 см) или на автоматах (0 шайбы=2 λι). В последнем случае плитки набираются в обойму и заливаются гипсом. Прополированные плитки поступают на просмотр, где бракуются по свилям, пузырям и дымкам. Отсюда годное стекло поступает на окончательный отжиг, а бракованное на изготовление боя. Отжиг производится в электрич. печах сопротивления, а ташке в муфельных иечах, отапливаемых газом, углем и т. д. Темп-pa, до которой приходится нагревать стекло, зависит от сорта и колеблется в пределах 400—600°. Охлаждение кусков стекла ходовых размеров продолжается в малых печах 4—5 дней, в больших, вмещающих несколько т,—до 6 недель. Большие диски, идущие на изготовление линз и зеркал для астрономии. телескопов особо больших размеров, отжигаются в течение нескольких месяцев.

Браковка стекла. В виду тех высоких требований, которые предъявляются к оптич. стеклу, % брака получается весьма значительным: хорошим выходом считается выход в 20%. Наибольший % брака падает на свили, которые обнаруживаются либо просто глазом либо по способу теневой точечной проекции, заключающемуся в том, что кусок стекла помещается по пути лучей, исходящих из источника света малых размеров (01—2 миллиметров), а за стеклом ставят большой экран, на к-ром свили проектируются в виде б. или м. резких теней. Остаточные внутренние натяжения обнаруживаются при помощи поляризованного света (смотрите Двойное лучепреломление и Деформация), в О. с. они не должны превосходить величины, соответствующей двойному лучепреломлению Λη=2·10^_β. Светопоглошение О.с. не должно превосходить 2% на сантиметров и лишь для особо трудно изготовляемых стекол допускается 4%. Показатель преломления не должен отличаться от типового более, чем на 1 -н 2 · 10^_3, а средняя дисперсия на 2 -г- 4· 10~⁴.

Гигроскопичность и х и м и ч е-ская устойчивость О.с. определяются по способу Милиуса. О. с. делится на 5· гидролитич. классов по щелочности выветривания А_г, измеряемой количеством иод-эозина (в мг/м-), выделяемого из влажного эфирного раствора (0,5 г/л) на свежеотло-манной поверхности стекла после 7-дневного воздействия насыщенного влагой (18°) воздуха.

Класс		h 2	ft*
А,.	0-5	5-10	10—20	20—40	>40

Кроме того характеристикой химич. устойчивости служит естественная щелочность _4,„ определяемая тем же методом, но сразу по разламывании плитки. О. с. испытывается также на способность приобретать иризн-рующие пятна под действием слабых к-т (0,5%-ной уксусной к-ты).

Лит.: /К у к о в с к п и Г. Ю., Производство оп— тцч. стекла, ч. I, II. 1918; Ш у л ь ц Г., Стекло, пер. с нем., М.—Л., 1926; Wright F. Е., The Manufacture of Optical Glass a. of Optical Systems, Wsh., 1924; HOvestadt H., Jenaer Glas u. seine Yer-wendung in Wissenschaft u. Technik, Jena, 1900; Peddle C. J., Defects in Glass, L., 1927; Zschimmer

E., Die Glasindustrie in Jena, Jena, 1922; Henri-v a и x J., Le verre et le cristal, Encyclopedic chi-mique, publifie par M. FrOmy, t. 5, Г. 1883; Eckert

F., Ober die physikalischen Eigenschaften d. GISser,

«Jahrb. d. Radioaktivitat u. Elektronik», Lpz., 1924, B. 20. H. 2—3; W e i d e r t F„ Optisches Glas, «Die Umschau“. Frankfurt a/M., 1921, 37; Μ о rey G. W., The Classification a. Nomenclature of Optical Glass, «Journal of the Optical Society of America», Ithaca, 1920, V. 4, p. 205; Rohr M., Die Entwicklungsjahre d. Kunst, Optisches Glas zu schmelzen, «Die Naturwis-senschaften», B., 1924, B. 12, p. 781; A d a m s L. H. and Williamson E. D., The. Annealing of Glass, «Journ. of the Franklin Inst.», Philadelphia. 1920. v. 190, p. 597 η 835; Mvlius F., «Silikat-Ztp», Coburg, 1913, p. 2, 25. 45 u 237; SmitliT. a.Anier-s ο n J., Optical Glass, Dictionary of Applied Physics, L., 1923, v. 4. И. Гребенщиков и А. Лебедев.