четверг, 28 января 2016 г.

9. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 9

До этой части я больше обращал внимание на изготовление заготовок, из которых затем вытягивалось волокно. Теперь хочу остановиться на процессах вытяжки оптического волокна. Причем буду рассуждать с позиции наблюдателя, но кое в чем разбирающегося.


Не правда ли, довольно страшно выглядит эта башня в два-три этажа и более с максимальной точностью исполняющая тонкие процессы? На ней применяются самые совершенные контрольно-измерительные приборы. Точность в работе всех элементов вытяжной машины очень высока.
 
Вытяжная башня.

По моему опыту к работе на вытяжке лучше привлекать женщин, но только в том случае, если всё отлажено. Интересно, что женщин трудно даже заставить отклоняться от инструкций.
У нас на подобном участке работали в основном именно женщины, потому что здесь была важна не только исполнительность, но и точная повторяемость действий, а мужчины ведь могут каждый день работать по разному. Это свойство мужчин хорошо использовать для поиска и экспериментов, а вот при повторяющихся изо дня в день одинаковых операциях с большими объемами продукции не очень правильно проводить спонтанные эксперименты. (Мне можно  ).
 

Однако бывают и непредвиденные ситуации, и для таких случаев лучше держать в паре мужчину и женщину. Обычно привлекались по два оператора на каждую башню. И идеально на четыре башни нужно было три пары из женщин и одна пара - мужчина с женщиной. Тогда при непредвиденных ситуациях мужчина всегда мог осознанно вмешаться или мог поддержать какой-то проводимый эксперимент на башне - ведь мы периодически пробовали разные первичные покрытия.

Замечу, что мужчина-экспериментатор для собственной безопасности еще до продвижения своих идей должен пройти консервативный женский фильтр, и на этом этапе "выяснения отношений" для него могут открыться невидимые до этого ошибки в эксперименте.


И пора, наконец, объяснить принцип работы на вытяжке волокна. С виду это совершенно просто сделать.
Зажимаем в кулачке заготовку, запускаем шпиндель, проверяем центровку заготовки. Разогреваем печку, опускаем в нее конец стеклянного стержня, нагреваем и тянем размягченное стекло в нить, постепенно опуская заготовку в зону нагрева. Волокно по ходу вытяжки покрываем защитным лаком. Сушим лак. Наматываем на катушку. Также по ходу проверяем на прочность. В процессе работы замечаем, что волокно может рваться по разным причинам и безмерно огорчаемся обрывам.
При этом годным считается волокно только определенной длины, то есть короткие куски менее 1 км не нужны [примечание - у разного волокна разная технологическая длина].

Теперь для более хорошего понимания сложности требований к вытяжке волокна обратимся к свойствам света. Послушаем "длиннющие" 2 минуты речи молодого профессора по этой теме:


Итак, после основополагающего видео урока мы знаем, как будет себя вести отдельный луч в стеклянном волокне, в стеклянной палочке или в стеклянной трубке.

Путь отдельного луча в трубке или стержне

Для наглядности можно посмотреть еще на картинки ниже.




Теперь становится немного понятно, по какому принципу надо пойманные лучи стараться не выпускать из стеклянной клетки. Однако клетка должна быть абсолютно надежной, и любая погрешность в ней будет использована светом для своего спасения из рабства.

Перечислю эти предательские погрешности.
1. Инородные включения.
2. Чрезмерные неровности диаметра.
3. Царапины.
4. Излишнее давление.
5. Неравномерное давление извне.

Исходя из вышесказанного делаю очевидный вывод:
В идеале волокно должно быть одного диаметра по всей длине, без инородных включений, покрытое равномерным защитным слоем совершенно чистого лака, который дружелюбно обжимает волокно.  Даже пылинки портят все дело.

Кстати, у нас были прецеденты, когда в цехе вдруг по разным причинам становилось пыльно, и тогда вытягиваемое волокно шло в брак. Умельцы из бракованного волокна делали светильники для себя и друзей. См. ниже подобный предмет домашнего интерьера:

светильник из волокна
Светильник из волокна

Продолжаю про вытяжку качественного волокна.

Лак для покрытия отверждается в ультрафиолетовом свете. И надо подбирать параметры печки так, чтобы волокно сушилось, но не пережигалось. Сырое покрытие тоже не нужно.

Надо также учитывать, что лак в партиях должен быть максимально одинаковым по свойствам, но так бывает только в идеале, а не на производстве. Поэтому оператору частенько приходилось экспериментировать с ультрафиолетовой сушильной печкой - выбирать режим сушки.

К тому же лак может иметь невидимые неоднородности в виде мелких уплотнений - это влияет на свойства волокна и долговечность. Исходный лак ведь подвержен температурному и другому природному воздействию при перевозке от поставщиков. Поэтому лак иногда требует фильтрации перед непосредственным употреблением.

Отдельная песня про фильеру - это такая штучка конусного вида с дырочкой, находящаяся в сосуде с лаком, и через нее протягивается "голое" волокно. Фильера может быть разной конструкции. Представьте, что нить волокна надо покрывать лаком так, чтобы световод был точно посередине лаковой оболочки, а ни разу не сбоку.

То, что я называю лаком - это компаунд, полимер. Любопытным советую также поискать информацию про фотополимеризуемые кремнийорганические композиции.

Теперь про печь, где разогревается "луковица" (кончик заготовки).

Конструкция печи может быть разной, но процесс разогрева кончика заготовки лучше проводить не в атмосферном воздухе, где могут присутствовать пылинки. К тому же на горячее волокно могут оседать испарения с поверхности разогретой "луковицы" - оксид и карбид кремния в виде налета. Пылинки и налет снижают прочность волокна и могут влиять на другие характеристики. Поэтому в печь постоянно подается инертный газ, например, аргон.

Схема подачи аргона может быть тоже разной. Главное не допускать завихрений потоков аргона в печи, потому что это вызывает разброс диаметра волокна, то есть опять будет брак. Тоненькое и расплавленное волокно должно обдуваться равномерно. А еще при вихрях вокруг разогретой "луковицы" на нее может попадать графитовая пыль (если нагреватель графитовый), а это точно брак. Напоминаю еще раз схему вытяжки.


Еще одна засада - равномерность подачи заготовки в печь разогрева и совмещение скорости вытяжки, вернее скорости намотки на конечный барабан. Рывков не должно быть ни разу после выхода на рабочий режим. При этом идет постоянная нагрузка на уже вытянутое и покрытое защитным лаком волокно со стороны валиков.

Автоматика должна быть высокой надежности и качества.
Ниже на картинке механизм намотки и проверки прочности волокна на ходу.

намотка

Прочность оптоволокна проверяется простой механической нагрузкой. При дефекте волокно просто рвется в слабом месте. Также волокно при вытяжке проверяется на изменение диаметра и результат может автоматически записываться.

Про то, как подбираются покрытия для оптоволокна умолчу. Но могу заметить, что это могут быть полиамиды и фторопласты (это эластомеры — синтетические материалы с эластическими свойствами). Причем эластомеры способны кристаллизоваться при определенных температурах, а это ведет к изменениям свойств волокна и в итоге к потерям света, к разрушению целостности кабеля.
Кристаллизацию эластомера можно легко представить на примере засахаривании мёда:

Мед


Ученые говорят, что кристаллизация полиамида идет по такой формуле:
Образующаяся связь показана точками. Я не проверял это, просто поверил.

Рассмотрим влияние покрытия на световедущие свойства волокна.
Картинка ниже, для примера, показывает игру лучей на неровной поверхности. Блестящего, зеркального отражения при такой поверхности не будет.


Еще одна картинка ниже демонстрирует, как влияет внешняя сила (external force)
на движение луча внутри световода - лучик убегает прочь из волокна. Причиной возникновения этой злой силы может стать пылинка, царапина, уплотнение лака или просто механическое давление.


Таким образом мы уже знакомимся с термином "потери" или "затухание" для волокна. Оно измеряется в децибелах, так же, как и простой звук. Об этом параметре мы еще поговорим позже.

Ну вот в принципе и всё про вытяжку, если не влезать в подробные научные и конструктивные исследования. На этом участке производства, как видите, тоже есть простор для экспериментов.


Расскажу еще, что хитрые, нерадивые операторы вытяжки для искусственного улучшения результата своей работы могли недосушить волокно в УФ печи. При таком непрочном покрытии получалось ослабленное стягивающее давление лака на поверхность волокна, и при промежуточном замере, перед передачей волокна на следующий этап производства, потери света (затухание)  уменьшались. 
И это засчитывалось в плюс вытяжке и, соответственно,операторам вытяжки.

Затем на следующем этапе волокно покрывалось, например, полиамидом, и результат мог значительно ухудшиться. Тогда вина ложилась на операторов кабельного участка, то есть брак записывался на следующий этап.

Единственным риском для операторов вытяжки было то, что волокно со слабым первичным лаковым покрытием могло чрезмерно рваться на последующем этапе даже при низком усилии растяжения, то есть прямо при последующем нанесении полиамида.

Вот такие хитрые игры разума случались при оплате не за конечный продукт, а за работу отдельных участков.

В следующих частях продолжу знакомить с другими чудесами в области волоконной оптики.

Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.

Мои рассказы можно читать злесь - http://www.proza.ru/avtor/samsebe