{"id":11144,"date":"2026-03-30T02:00:28","date_gmt":"2026-03-29T18:00:28","guid":{"rendered":"https:\/\/toquartz.com\/?p=11144"},"modified":"2026-02-25T10:00:18","modified_gmt":"2026-02-25T02:00:18","slug":"fused-silica-vs-quartz-capillary-tube","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/toquartz.com\/fr\/fused-silica-vs-quartz-capillary-tube\/","title":{"rendered":"Tube capillaire en silice fondue ou en quartz : Puret\u00e9, optique et chaleur"},"content":{"rendered":"

La plupart des laboratoires et des \u00e9quipes d'approvisionnement consid\u00e8rent ces deux mat\u00e9riaux comme interchangeables, ce qui entra\u00eene des erreurs d'analyse, des d\u00e9faillances pr\u00e9matur\u00e9es des tubes et un gaspillage de ressources.<\/p>\n

Les tubes capillaires en quartz et les tubes capillaires en silice fondue partagent la m\u00eame formule chimique (SiO\u2082), mais divergent fondamentalement en ce qui concerne l'origine des mati\u00e8res premi\u00e8res, la puret\u00e9, la transmission optique, le plafond thermique et la chimie de surface. Cet article r\u00e9sout chaque distinction technique \u00e0 l'aide de donn\u00e9es quantifi\u00e9es afin que le choix du mat\u00e9riau devienne une d\u00e9cision d'ing\u00e9nierie d\u00e9fendable plut\u00f4t qu'une supposition.<\/p>\n

L'\u00e9cart de performance entre ces deux mat\u00e9riaux n'est pas marginal. En ce qui concerne la transmission des UV, la r\u00e9sistance \u00e0 la d\u00e9vitrification et la r\u00e9activit\u00e9 de surface, les diff\u00e9rences sont mesurables, d\u00e9terminantes pour l'application et, dans plusieurs contextes \u00e0 fort enjeu, irr\u00e9versibles si le mauvais mat\u00e9riau est sp\u00e9cifi\u00e9. Les sections ci-dessous abordent chaque dimension de performance dans l'ordre, en partant de la composition pour aboutir \u00e0 un cadre de s\u00e9lection consolid\u00e9.<\/p>\n

\n

\"Tube<\/p>\n

Les tubes capillaires en quartz et les tubes capillaires en silice fondue sont fabriqu\u00e9s \u00e0 partir de mati\u00e8res premi\u00e8res diff\u00e9rentes.<\/h2>\n

L'origine de la mati\u00e8re premi\u00e8re est la variable la plus importante qui s\u00e9pare ces deux types de tubes, et sa compr\u00e9hension permet d'\u00e9viter toute erreur de sp\u00e9cification en aval.<\/p>\n

Le quartz cristallin naturel et la silice fondue synth\u00e9tique produisent tous deux un verre amorphe SiO\u2082 apr\u00e8s fusion, mais les profils d'impuret\u00e9s qu'ils transportent dans ce verre sont cat\u00e9goriquement diff\u00e9rents. Par cons\u00e9quent, des g\u00e9om\u00e9tries de tubes identiques produites \u00e0 partir de ces deux mati\u00e8res premi\u00e8res offrent des performances optiques, thermiques et chimiques sensiblement diff\u00e9rentes - une distinction qu'aucun traitement post-fabrication ne peut totalement effacer.<\/p>\n

Comment le cristal de quartz naturel devient un tube capillaire<\/h3>\n

Le quartz naturel se pr\u00e9sente sous la forme de dioxyde de silicium cristallin (\u03b1-SiO\u2082) extrait de veines de pegmatite et de gisements hydrothermaux dans le monde entier. La transformation du min\u00e9ral en tube capillaire implique le concassage, la lixiviation acide, la s\u00e9paration \u00e9lectrostatique et le raffinage par zone<\/strong> - une s\u00e9quence destin\u00e9e \u00e0 r\u00e9duire, mais jamais \u00e0 \u00e9liminer totalement, les contaminants m\u00e9talliques enferm\u00e9s dans le r\u00e9seau cristallin au niveau atomique.<\/p>\n

Le min\u00e9ral est fondu \u00e0 des temp\u00e9ratures sup\u00e9rieures \u00e0 1700 \u00b0C et \u00e9tir\u00e9 en g\u00e9om\u00e9tries capillaires \u00e0 l'aide de mandrins en graphite ou en tungst\u00e8ne. Les vitesses d'\u00e9tirage typiques sont comprises entre 0,5 et 5 m\/min en fonction du diam\u00e8tre int\u00e9rieur de la cible.<\/strong>Le verre obtenu conserve la signature des impuret\u00e9s de sa source g\u00e9ologique. Le verre obtenu conserve la signature des impuret\u00e9s de sa source g\u00e9ologique : des concentrations d'aluminium de 10 \u00e0 50 ppm, de fer de 0,5 \u00e0 5 ppm et de titane de 1 \u00e0 10 ppm sont courantes dans les mati\u00e8res premi\u00e8res de quartz naturel de qualit\u00e9 commerciale.<\/p>\n

Ces m\u00e9taux traces ne sont pas \u00e9limin\u00e9s apr\u00e8s la vitrification.<\/strong> Elles sont chimiquement li\u00e9es au r\u00e9seau de silice, ce qui signifie qu'un tube capillaire en quartz conserve son profil d'impuret\u00e9s depuis sa fabrication jusqu'\u00e0 sa fin de vie. Cet h\u00e9ritage g\u00e9ologique est la variable fondamentale qui s\u00e9pare le quartz de son homologue synth\u00e9tique.<\/p>\n

La voie de synth\u00e8se de la silice fondue et son importance<\/h3>\n

La silice fondue n'est pas extraite, elle est fabriqu\u00e9e chimiquement. Les deux principales voies de synth\u00e8se sont l'hydrolyse \u00e0 la flamme du t\u00e9trachlorure de silicium (SiCl\u2084) et le d\u00e9p\u00f4t chimique en phase vapeur (CVD).<\/strong>qui commencent tous deux par des pr\u00e9curseurs de qualit\u00e9 semi-conducteur qui ont \u00e9t\u00e9 purifi\u00e9s pour atteindre des niveaux d'impuret\u00e9s m\u00e9talliques inf\u00e9rieurs \u00e0 0,1 ppm. Ce point de d\u00e9part est de trois \u00e0 quatre ordres de grandeur plus propre que la mati\u00e8re premi\u00e8re de quartz naturel.<\/p>\n

Dans la voie de l'hydrolyse \u00e0 la flamme, la vapeur de SiCl\u2084 r\u00e9agit avec une flamme d'oxyhydrog\u00e8ne pour produire de la suie de SiO\u2082, qui est ensuite consolid\u00e9e en verre clair. La teneur en OH du mat\u00e9riau obtenu est directement contr\u00f4l\u00e9e par le rapport hydrog\u00e8ne\/oxyg\u00e8ne dans la flamme<\/strong>Le processus de fabrication du quartz naturel est tr\u00e8s rapide, ce qui permet d'obtenir un verre \u00e0 haute teneur en oxyg\u00e8ne (>800 ppm, processus \"humide\") ou \u00e0 faible teneur en oxyg\u00e8ne (<10 ppm, processus "sec"), en fonction des exigences de l'application. Cette possibilit\u00e9 de r\u00e9glage n'a pas d'\u00e9quivalent dans le traitement du quartz naturel.<\/p>\n

L'origine synth\u00e9tique de la silice fondue signifie que sa puret\u00e9 est une sp\u00e9cification technique et non une loterie g\u00e9ologique.<\/strong> L'uniformit\u00e9 des impuret\u00e9s m\u00e9talliques, de la teneur en OH et de l'indice de r\u00e9fraction d'un lot \u00e0 l'autre peut \u00eatre atteinte \u00e0 un niveau que le quartz naturel ne peut \u00e9galer, et c'est cette uniformit\u00e9 qui fait de la silice fondue le mat\u00e9riau de choix lorsque la reproductibilit\u00e9 analytique n'est pas n\u00e9gociable.<\/p>\n

Pourquoi l'industrie utilise encore les deux termes de mani\u00e8re interchangeable<\/h3>\n

La confusion de nomenclature entre \"quartz\" et \"silice fondue\" a une origine historique tra\u00e7able. La norme ISO\/DIS 10629 et ses pr\u00e9d\u00e9cesseurs regroupent tous les verres amorphes SiO\u2082 en grandes cat\u00e9gories<\/strong> sans exiger des fournisseurs commerciaux qu'ils fassent la distinction entre les mati\u00e8res premi\u00e8res naturelles et synth\u00e9tiques au niveau de l'\u00e9tiquetage des produits. En cons\u00e9quence, les conventions commerciales des ann\u00e9es 1970 et 1980 ont fait du \"quartz\" un descripteur g\u00e9n\u00e9rique pour tout tube transparent de SiO\u2082, quelle que soit l'origine de la mati\u00e8re premi\u00e8re.<\/p>\n

Plusieurs grands fabricants appellent encore les tubes en silice synth\u00e9tique fondue \"tubes en verre de quartz\" dans leurs catalogues commerciaux, en particulier sur les march\u00e9s o\u00f9 le \"quartz\" est per\u00e7u comme un produit haut de gamme<\/strong>. Dans la pratique, le seul moyen fiable de d\u00e9terminer si un tube est d'origine naturelle ou synth\u00e9tique est de demander un certificat d'analyse sp\u00e9cifiant la teneur en OH (ppm), le dosage des impuret\u00e9s m\u00e9talliques (ppm par ICP-MS<\/a>1<\/a><\/sup>) et la voie de synth\u00e8se des mati\u00e8res premi\u00e8res. En l'absence de cette documentation, l'expression \"tube capillaire en quartz\" figurant sur l'\u00e9tiquette d'un produit est ambigu\u00eb et doit \u00eatre consid\u00e9r\u00e9e comme n\u00e9cessitant une v\u00e9rification.<\/p>\n

\n

Niveaux de puret\u00e9 s\u00e9parant les tubes capillaires en quartz de la silice fondue<\/h2>\n

La puret\u00e9 n'est pas seulement une mesure de la qualit\u00e9 - c'est la variable qui r\u00e9git chaque diff\u00e9rence de performance discut\u00e9e dans cet article, depuis les longueurs d'onde de coupure optique jusqu'aux temp\u00e9ratures d'apparition de la d\u00e9vitrification.<\/p>\n

La concentration d'impuret\u00e9s m\u00e9talliques dans un tube capillaire en quartz et la teneur en OH dans un tube en silice fondue ne sont pas des caract\u00e9ristiques ind\u00e9pendantes du produit. Elles sont les cons\u00e9quences chimiques directes de l'origine de la mati\u00e8re premi\u00e8re et se propagent \u00e0 travers tous les param\u00e8tres de performance en aval d'une mani\u00e8re physiquement pr\u00e9visible. L'\u00e9tablissement quantitatif de ces chiffres est donc une condition pr\u00e9alable \u00e0 toute s\u00e9lection de mat\u00e9riaux bas\u00e9e sur une application.<\/p>\n

Profils d'impuret\u00e9s m\u00e9talliques inh\u00e9rents aux tubes capillaires en quartz<\/h3>\n

Naturel de qualit\u00e9 commerciale tubes capillaires en quartz<\/a> contiennent g\u00e9n\u00e9ralement des concentrations d'aluminium comprises entre 10 et 60 ppm<\/strong>Les impuret\u00e9s m\u00e9talliques se situent entre 0,3 et 8 ppm pour le fer, entre 1 et 12 ppm pour le titane et entre 5 et 30 ppm pour le potassium. Les qualit\u00e9s de haute puret\u00e9 produites \u00e0 partir de quartz lascas br\u00e9silien ou norv\u00e9gien r\u00e9duisent ces chiffres d'environ un ordre de grandeur, mais n'atteignent pas les niveaux d'impuret\u00e9 m\u00e9tallique inf\u00e9rieurs \u00e0 0,1 ppm que l'on peut obtenir avec les mati\u00e8res premi\u00e8res synth\u00e9tiques.<\/p>\n

Ces impuret\u00e9s ne sont pas uniform\u00e9ment r\u00e9parties dans la matrice du verre. Le fer et le titane ont tendance \u00e0 se regrouper aux joints de grains pendant les premiers stades de la vitrification.<\/strong>cr\u00e9ant des centres d'absorption localis\u00e9s qui produisent une att\u00e9nuation sp\u00e9cifique \u00e0 la longueur d'onde dans la gamme des UV. L'aluminium, qui remplace isomorphiquement le silicium dans le r\u00e9seau de silice, modifie la connectivit\u00e9 du r\u00e9seau d'une mani\u00e8re qui augmente subtilement le point de ramollissement effectif tout en augmentant la susceptibilit\u00e9 aux centres de coloration induits par le rayonnement - un ph\u00e9nom\u00e8ne observ\u00e9 dans les composants des lignes de faisceaux synchrotron apr\u00e8s une exposition prolong\u00e9e \u00e0 un flux UV \u00e9lev\u00e9.<\/p>\n

La cons\u00e9quence pratique pour les applications analytiques est que les tubes capillaires en quartz naturel pr\u00e9sentent une variabilit\u00e9 d'un lot \u00e0 l'autre<\/strong> dans la transmission UV qui est directement tra\u00e7able \u00e0 la variabilit\u00e9 de la source g\u00e9ologique. Deux tubes \u00e9tiquet\u00e9s de la m\u00eame mani\u00e8re par le m\u00eame fournisseur peuvent diff\u00e9rer de 5-15% dans l'absorbance \u00e0 200 nm s'ils proviennent de lots miniers diff\u00e9rents - un \u00e9cart qui introduit une erreur syst\u00e9matique dans les mesures spectrophotom\u00e9triques quantitatives.<\/p>\n

La concentration en OH comme variable d\u00e9terminante dans la silice fondue<\/h3>\n

La teneur en hydroxyles de la silice fondue n'est pas un contaminant au sens conventionnel du terme - c'est un contaminant. variable structurelle qui est d\u00e9lib\u00e9r\u00e9ment modifi\u00e9e au cours de la synth\u00e8se<\/strong>. La silice fondue \u00e0 haute teneur en OH, produite par hydrolyse \u00e0 la flamme avec une flamme riche en eau, contient g\u00e9n\u00e9ralement entre 800 et 1 200 ppm d'OH. Les qualit\u00e9s \u00e0 faible teneur en OH produites par CVD plasma ou fusion \u00e9lectrique de SiCl\u2084 contiennent moins de 10 ppm, et les qualit\u00e9s \u00e0 tr\u00e8s faible teneur en OH utilis\u00e9es dans les optiques \u00e0 UV profond peuvent contenir moins de 1 ppm.<\/p>\n

Le groupe OH absorbe le rayonnement infrarouge \u00e0 2,73 \u03bcm et 3,5 \u03bcm avec des coefficients d'extinction d'environ 50 et 5 L-mol-\u00b9-cm-\u00b9 respectivement<\/strong>La silice fondue \u00e0 haute teneur en oxyg\u00e8ne ne convient donc pas aux applications de transmission laser dans l'infrarouge proche, m\u00eame si sa transparence dans l'UV est excellente. \u00c0 l'inverse, la silice fondue \u00e0 faible teneur en OH transmet dans la gamme 2-4 \u03bcm avec moins de 1 dB\/m d'att\u00e9nuation et constitue donc le mat\u00e9riau standard pour les fibres de distribution des lasers Er:YAG et les tubes de lumi\u00e8re FTIR.<\/p>\n

Le verre de quartz naturel n'offre pas cette possibilit\u00e9 d'accord.<\/strong> Sa teneur en OH est un artefact r\u00e9siduel des conditions d'extraction et de purification, se situant g\u00e9n\u00e9ralement entre 150 et 400 ppm dans les qualit\u00e9s commerciales - une plage qui n'est optimis\u00e9e ni pour les applications UV ni pour les applications IR, la pla\u00e7ant dans une zone interm\u00e9diaire qui est moins performante que la silice fondue synth\u00e9tique \u00e0 haute teneur en OH et \u00e0 faible teneur en OH dans leurs fen\u00eatres spectrales cibles respectives.<\/p>\n

Seuils de puret\u00e9 exig\u00e9s par les semi-conducteurs et l'instrumentation analytique<\/h3>\n

La norme SEMI F47 sp\u00e9cifie que les composants en quartz utilis\u00e9s dans les fours de diffusion et les r\u00e9acteurs CVD doivent contenir moins de 20 ppm d'impuret\u00e9s m\u00e9talliques totales, avec moins de 1 ppm de fer et moins de 5 ppm d'aluminium. Les tubes capillaires en quartz naturel de haute puret\u00e9 peuvent atteindre ces seuils<\/strong>La silice fondue synth\u00e9tique est un mat\u00e9riau qui provient de sources g\u00e9ologiques s\u00e9lectionn\u00e9es et dont l'analyse par ICP-MS est certifi\u00e9e. La silice fondue synth\u00e9tique atteint r\u00e9guli\u00e8rement des niveaux d'impuret\u00e9s m\u00e9talliques totales inf\u00e9rieurs \u00e0 0,5 ppm et r\u00e9pond \u00e0 la norme SEMI F47 avec une marge substantielle.<\/p>\n

Dans les instruments d'\u00e9lectrophor\u00e8se capillaire, les fabricants d'instruments, notamment Agilent, Beckman Coulter et Waters, sp\u00e9cifient des tol\u00e9rances chimiques pour la surface de la paroi interne qui ne peuvent \u00eatre atteintes qu'avec de la silice synth\u00e9tique fondue. Le flux \u00e9lectroosmotique (EOF) dans un capillaire CE est r\u00e9gi par la densit\u00e9 de silanol de surface<\/strong>qui, dans les tubes de quartz naturels, est modul\u00e9e de mani\u00e8re impr\u00e9visible par l'aluminium de subsurface - un ph\u00e9nom\u00e8ne document\u00e9 dans la litt\u00e9rature scientifique \u00e9valu\u00e9e par les pairs sous le nom de \"suppression EOF induite par l'aluminium\" \u00e0 des concentrations aussi faibles que 20 ppm d'aluminium en vrac.<\/p>\n

Le seuil de puret\u00e9 pour les optiques laser est encore plus strict.<\/strong> Les composants optiques pour l'UV profond fonctionnant \u00e0 193 nm n\u00e9cessitent de la silice fondue contenant moins de 0,05 ppm de fer et moins de 0,01 ppm de titane afin d'emp\u00eacher la croissance de l'absorption induite par le rayonnement (RIA) pendant l'exposition \u00e0 l'ArF laser excimer<\/a>2<\/a><\/sup> exposition. Aucune source de quartz naturel actuellement certifi\u00e9e pour cette sp\u00e9cification n'existe dans le commerce.<\/p>\n

Comparaison de la puret\u00e9 des mat\u00e9riaux<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Param\u00e8tres<\/th>\nQuartz naturel (standard)<\/th>\nQuartz naturel (haute puret\u00e9)<\/th>\nSilice fondue synth\u00e9tique<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Impuret\u00e9s m\u00e9talliques totales (ppm)<\/td>\n50-200<\/td>\n5-25<\/td>\n< 0.5<\/td>\n<\/tr>\n
Aluminium (ppm)<\/td>\n10-60<\/td>\n2-8<\/td>\n< 0.1<\/td>\n<\/tr>\n
Fer (ppm)<\/td>\n0.3-8<\/td>\n0.1-1<\/td>\n< 0.05<\/td>\n<\/tr>\n
Titane (ppm)<\/td>\n1-12<\/td>\n0.2-2<\/td>\n< 0.01<\/td>\n<\/tr>\n
Teneur en OH (ppm)<\/td>\n150-400<\/td>\n150-400<\/td>\n1-1 200 (r\u00e9glable)<\/td>\n<\/tr>\n
Coh\u00e9rence des mati\u00e8res premi\u00e8res<\/td>\nVariation du lot g\u00e9ologique<\/td>\nVariation du lot g\u00e9ologique<\/td>\nSp\u00e9cifications techniques<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n
\n

\"Tube<\/p>\n

Transmission spectrale des tubes capillaires en quartz mesur\u00e9e par rapport \u00e0 la silice fondue<\/h2>\n

La performance optique est le point o\u00f9 l'\u00e9cart de puret\u00e9 entre ces deux mat\u00e9riaux devient directement mesurable en laboratoire, et o\u00f9 un tube mal sp\u00e9cifi\u00e9 produit des r\u00e9sultats analytiques quantifiables et d\u00e9grad\u00e9s.<\/p>\n

Le spectre de transmission d'un tube capillaire \u00e0 base de silice est un indicateur direct de sa teneur en impuret\u00e9s et en OH. Les contaminants m\u00e9talliques cr\u00e9ent des bandes d'absorption discr\u00e8tes dans l'UV, tandis que les groupes OH cr\u00e9ent des caract\u00e9ristiques d'absorption dans l'infrarouge - et la position de ces caract\u00e9ristiques par rapport \u00e0 la longueur d'onde de travail d'une application d\u00e9termine si le tube est adapt\u00e9 \u00e0 l'usage pr\u00e9vu ou cat\u00e9goriquement inadapt\u00e9.<\/p>\n

Transmission UV dans les tubes capillaires en quartz et o\u00f9 la silice fondue tire son \u00e9pingle du jeu<\/h3>\n

Un tube capillaire commercial standard en quartz avec une \u00e9paisseur de paroi de 1 mm transmet environ 50-70% de rayonnement incident \u00e0 250 nm.<\/strong>La courbe de transmission est plus \u00e9troite que celle de l'absorption, diminuant jusqu'\u00e0 pr\u00e8s de z\u00e9ro en dessous de 160 nm en raison du bord d'absorption intrins\u00e8que du r\u00e9seau SiO\u2082. Cependant, la courbe de transmission n'est pas lisse - les impuret\u00e9s de fer produisent une large bande d'absorption centr\u00e9e sur 220 nm avec une caract\u00e9ristique secondaire \u00e0 380 nm, tandis que Ti\u00b3\u207a contribue \u00e0 l'absorption en dessous de 300 nm. Ces caract\u00e9ristiques se manifestent par une absorbance de base \u00e9lev\u00e9e dans les applications spectrophotom\u00e9triques et par des rapports signal\/bruit r\u00e9duits dans les syst\u00e8mes CE \u00e0 d\u00e9tection UV.<\/p>\n

La silice synth\u00e9tique fondue contenant moins de 0,05 ppm de fer transmet plus de 90% \u00e0 200 nm.<\/strong> (longueur de trajet de 1 mm), par rapport \u00e0 40-60% pour un \u00e9chantillon typique de quartz naturel \u00e0 la m\u00eame longueur d'onde. La cons\u00e9quence pratique est une am\u00e9lioration de la limite de d\u00e9tection d'environ 0,3-0,5 unit\u00e9 d'absorbance dans la d\u00e9tection UV sur colonne lors du passage du quartz naturel \u00e0 des tubes capillaires en silice fondue synth\u00e9tique de haute puret\u00e9.<\/p>\n

La longueur d'onde de coupure - d\u00e9finie comme la longueur d'onde \u00e0 laquelle la transmission tombe en dessous de 10% - est d'environ 160 nm pour la silice fondue synth\u00e9tique de haute puret\u00e9.<\/strong> et 170-180 nm pour le quartz naturel commercial, ce qui repr\u00e9sente un d\u00e9savantage de 10-20 nm qui \u00e9limine totalement le quartz naturel des applications UV profond et VUV.<\/p>\n

Absorption infrarouge dans le quartz et att\u00e9nuation due \u00e0 l'OH dans la silice fondue<\/h3>\n

Dans les r\u00e9gions spectrales de l'infrarouge proche et de l'infrarouge moyen, l'absorbeur dominant passe des impuret\u00e9s m\u00e9talliques aux groupes hydroxyles, et la comparaison entre le quartz et la silice fondue s'inverse de mani\u00e8re contre-intuitive. Les tubes capillaires en quartz naturel, dont la teneur en OH est comprise entre 150 et 400 ppm, pr\u00e9sentent une absorption IR mod\u00e9r\u00e9e \u00e0 2,73 \u03bcm.<\/strong> - suffisamment important pour limiter l'utilit\u00e9 de la transmission laser IR, mais suffisamment mod\u00e9r\u00e9 pour que les applications \u00e0 court trajet soient parfois r\u00e9alisables.<\/p>\n

La silice fondue synth\u00e9tique \u00e0 forte teneur en OH (>800 ppm OH) absorbe encore plus fortement \u00e0 2,73 \u03bcm, avec des coefficients d'absorption environ 3 \u00e0 4 fois plus \u00e9lev\u00e9s que le quartz naturel. \u00c0 l'inverse, la silice fondue \u00e0 faible teneur en OH (<10 ppm OH) pr\u00e9sente une absorption inf\u00e9rieure \u00e0 0,001 cm-\u00b9 \u00e0 2,73 \u03bcm.<\/strong>Ce mat\u00e9riau est donc essentiellement transparent dans cette bande et constitue le seul mat\u00e9riau viable pour l'acheminement des lasers Er:YAG (2,94 \u03bcm) et CO (5,4 \u03bcm) \u00e0 travers les guides d'ondes capillaires.<\/p>\n

La r\u00e8gle de s\u00e9lection pratique pour les applications IR n'est donc pas simplement \"silice fondue plut\u00f4t que quartz\", mais sp\u00e9cifiquement \"silice fondue \u00e0 faible teneur en OH plut\u00f4t que tout le reste\".<\/strong> Le quartz naturel occupe une plage d'OH interm\u00e9diaire qui est trop absorbante pour les travaux de pr\u00e9cision dans l'IR, mais qui ne pr\u00e9sente pas l'avantage dans l'UV de la silice fondue synth\u00e9tique \u00e0 haute teneur en OH, ce qui le place dans un no man's land spectral pour les applications photoniques.<\/p>\n

Transmission UV sous vide : les tubes capillaires en quartz atteignent leurs limites<\/h3>\n

En dessous de 200 nm, la hi\u00e9rarchie de transmission entre le quartz naturel et la silice synth\u00e9tique fondue devient absolue plut\u00f4t que graduelle. Les tubes capillaires en quartz naturel pr\u00e9sentent une coupure de transmission pratique \u00e0 environ 170 nm<\/strong>Les centres d'impuret\u00e9s Fe\u00b3\u207a, Al\u00b3\u207a et Ti\u2074\u207a accumulent une absorption proportionnelle \u00e0 la dose sous irradiation VUV prolong\u00e9e, par un processus connu sous le nom de solarisation.<\/p>\n

La silice fondue synth\u00e9tique produite par d\u00e9p\u00f4t chimique en phase vapeur avec des impuret\u00e9s m\u00e9talliques inf\u00e9rieures \u00e0 0,01 ppm transmet de mani\u00e8re mesurable jusqu'\u00e0 157 nm - la longueur d'onde de fonctionnement des lasers excim\u00e8res F\u2082 utilis\u00e9s dans la lithographie des semi-conducteurs au n\u0153ud de 90 nm. \u00c0 193 nm (laser excimer ArF), la silice fondue synth\u00e9tique de haute puret\u00e9 permet d'obtenir une transmission initiale sup\u00e9rieure \u00e0 99,5% par cm<\/strong>Le quartz naturel \u00e0 la m\u00eame longueur d'onde transmet g\u00e9n\u00e9ralement 85-92% et se d\u00e9grade de 3-8% suppl\u00e9mentaires par 10\u2078 d'impulsions laser en raison de la formation de centres de couleur induite par le rayonnement.<\/p>\n

Les composants optiques des lignes de faisceaux du synchrotron, les objectifs de microscopie \u00e0 UV profond et les syst\u00e8mes de projection de lithographie par immersion \u00e0 193 nm utilisent tous de la silice fondue synth\u00e9tique.<\/strong> avec des donn\u00e9es certifi\u00e9es de duret\u00e9 de radiation - une cat\u00e9gorie de sp\u00e9cification qu'aucune source de quartz naturel ne satisfait commercialement. Pour toute application fonctionnant en dessous de 200 nm, les tubes capillaires en quartz naturel sont cat\u00e9goriquement exclus pour des raisons de transmission et de stabilit\u00e9 du rayonnement.<\/p>\n

R\u00e9sum\u00e9 de la transmission spectrale par r\u00e9gion de longueur d'onde<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
R\u00e9gion spectrale<\/th>\nGamme de longueurs d'onde<\/th>\nTube capillaire en quartz naturel<\/th>\nSilice fondue synth\u00e9tique (high-OH)<\/th>\nSilice fondue synth\u00e9tique (\u00e0 faible teneur en OH)<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
UV sous vide (VUV)<\/td>\n150-200 nm<\/td>\nFaible (seuil de coupure ~170 nm)<\/td>\nExcellent (coupure ~155 nm)<\/td>\nExcellent (coupure ~155 nm)<\/td>\n<\/tr>\n
UV profond<\/td>\n200-250 nm<\/td>\nMod\u00e9r\u00e9 (50-70%)<\/td>\nExcellent (>90%)<\/td>\nExcellent (>90%)<\/td>\n<\/tr>\n
Proche UV \/ Visible<\/td>\n250-800 nm<\/td>\nBon (>85%)<\/td>\nExcellent (>92%)<\/td>\nExcellent (>92%)<\/td>\n<\/tr>\n
Proche de l'IR<\/td>\n800-2 500 nm<\/td>\nBon<\/td>\nBon<\/td>\nExcellent<\/td>\n<\/tr>\n
IR moyen (bande de 2,7 \u03bcm)<\/td>\n2 500-3 500 nm<\/td>\nAbsorption mod\u00e9r\u00e9e<\/td>\nAbsorption \u00e9lev\u00e9e<\/td>\nTr\u00e8s faible absorption<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n
\n

Performance thermique des tubes capillaires en quartz par rapport \u00e0 la silice fondue<\/h2>\n

Parmi toutes les dimensions de performance, le comportement thermique g\u00e9n\u00e8re les erreurs de sp\u00e9cification les plus cons\u00e9quentes, car les d\u00e9faillances dans les environnements \u00e0 haute temp\u00e9rature sont souvent soudaines, irr\u00e9versibles et contaminantes pour les \u00e9quipements de traitement environnants.<\/p>\n

La teneur en impuret\u00e9s ne se contente pas de d\u00e9grader la clart\u00e9 optique ; elle abaisse directement la temp\u00e9rature \u00e0 laquelle le r\u00e9seau de verre commence \u00e0 se r\u00e9organiser, \u00e0 se d\u00e9vitrifier ou \u00e0 c\u00e9der m\u00e9caniquement. L'\u00e9cart de performance thermique entre le quartz et la silice fondue est donc une cons\u00e9quence thermodynamique directe des diff\u00e9rences de puret\u00e9 \u00e9tablies dans la section pr\u00e9c\u00e9dente.<\/p>\n

Points de ramollissement et temp\u00e9rature d'utilisation continue dans les tubes capillaires en quartz<\/h3>\n

Le point de recuit du verre de quartz naturel commercial est d'environ 1 120 \u00b0C.<\/strong>Le point de ramollissement (temp\u00e9rature \u00e0 laquelle la viscosit\u00e9 atteint 10\u2077-\u2076 Pa-s) est d'environ 1 665 \u00b0C pour le quartz naturel et de 1 683 \u00b0C pour la silice synth\u00e9tique fondue. Le point de ramollissement (la temp\u00e9rature \u00e0 laquelle la viscosit\u00e9 atteint 10\u2077-\u2076 Pa-s) est d'environ 1 665 \u00b0C pour le quartz naturel et 1 683 \u00b0C pour la silice synth\u00e9tique fondue.<\/p>\n

La temp\u00e9rature maximale d'utilisation continue des tubes capillaires en quartz naturel est de 1 050 \u00e0 1 100 \u00b0C.<\/strong> dans des atmosph\u00e8res oxydantes et \u00e0 environ 950-1 000 \u00b0C lorsque le risque de d\u00e9vitrification doit \u00eatre contr\u00f4l\u00e9. La silice synth\u00e9tique fondue peut \u00eatre utilis\u00e9e en continu \u00e0 1 100-1 150 \u00b0C dans les m\u00eames conditions atmosph\u00e9riques. Dans les applications de fours \u00e0 diffusion \u00e0 1 050 \u00b0C, un tube de four en quartz naturel survit g\u00e9n\u00e9ralement \u00e0 150-250 cycles thermiques avant que la distorsion dimensionnelle ne devienne mesurable, tandis qu'un tube en silice synth\u00e9tique fondue soumis \u00e0 des conditions identiques ne pr\u00e9sente pas de fluage mesurable apr\u00e8s 500 cycles.<\/p>\n

Les d\u00e9passements \u00e0 court terme du plafond d'utilisation continue sont autoris\u00e9s mais comportent un risque structurel cumulatif.<\/strong> \u00c0 1 150 \u00b0C, le verre de quartz naturel rampe environ 3 fois plus vite que la silice synth\u00e9tique fondue de g\u00e9om\u00e9trie comparable - une diff\u00e9rence qui devient significative dans les tubes capillaires \u00e0 paroi mince o\u00f9 l'effondrement de la paroi ou le d\u00e9veloppement de l'ovalisation peut compromettre les caract\u00e9ristiques de l'\u00e9coulement ou la longueur du chemin optique.<\/p>\n

Coefficient de dilatation thermique et exigences dimensionnelles de pr\u00e9cision<\/h3>\n

Le verre de quartz naturel et la silice synth\u00e9tique fondue pr\u00e9sentent tous deux des coefficients de dilatation thermique (CTE) extr\u00eamement faibles, et c'est l'un des rares param\u00e8tres pour lesquels les deux mat\u00e9riaux semblent nominalement \u00e9quivalents. Le CDT du verre de quartz naturel est de 0,54-0,58 \u00d7 10-\u2076\/\u00b0C.<\/strong>tandis que la silice fondue synth\u00e9tique de haute puret\u00e9 mesure 0,52-0,55 \u00d7 10-\u2076\/\u00b0C - une diff\u00e9rence d'environ 0,03-0,05 \u00d7 10-\u2076\/\u00b0C.<\/p>\n

\u00c0 l'\u00e9chelle d'un tube capillaire standard (par exemple, 350 \u03bcm de diam\u00e8tre ext\u00e9rieur, 250 \u03bcm d'\u00e9paisseur de paroi), cette diff\u00e9rence de CET produit un \u00e9cart dimensionnel d'environ 0,002 \u03bcm par degr\u00e9 Celsius par millim\u00e8tre de longueur de tube. Sur un capillaire de 300 mm soumis \u00e0 une variation de temp\u00e9rature de 200 \u00b0C<\/strong>La diff\u00e9rence de longueur cumul\u00e9e entre le quartz et la silice fondue est d'environ 1,2 \u03bcm - n\u00e9gligeable pour la plupart des applications industrielles, mais potentiellement significative dans les g\u00e9om\u00e9tries de canaux microfluidiques o\u00f9 les dimensions critiques sont sp\u00e9cifi\u00e9es avec des tol\u00e9rances de \u00b10,5 \u03bcm.<\/p>\n

La cons\u00e9quence la plus importante, d'un point de vue op\u00e9rationnel, de cette diff\u00e9rence de CET concerne les assemblages coll\u00e9s.<\/strong> Lorsqu'un tube capillaire en quartz est coll\u00e9 \u00e0 des bagues en m\u00e9tal ou en c\u00e9ramique \u00e0 l'aide d'une fritte de verre ou d'un adh\u00e9sif, l'inad\u00e9quation du CET entre le tube et la fixation g\u00e9n\u00e8re une contrainte interfaciale pendant le cycle thermique. La s\u00e9lection du mauvais mat\u00e9riau de tube par rapport \u00e0 l'ECU de la fixation est une cause document\u00e9e de d\u00e9faillance de l'\u00e9tanch\u00e9it\u00e9 des bagues dans les instruments d'analyse \u00e0 haute temp\u00e9rature.<\/p>\n

Risque de d\u00e9vitrification dans les tubes capillaires en quartz sous cyclage thermique<\/h3>\n

La d\u00e9vitrification - la nucl\u00e9ation et la croissance de cristobalite cristalline dans un verre de silice amorphe - est l'un des principaux m\u00e9canismes de d\u00e9faillance limitant la dur\u00e9e de vie des tubes capillaires utilis\u00e9s dans des applications cycliques \u00e0 haute temp\u00e9rature. Dans les tubes capillaires en quartz naturel, les impuret\u00e9s m\u00e9talliques (en particulier le fer et l'aluminium) servent de sites de nucl\u00e9ation h\u00e9t\u00e9rog\u00e8nes pour la cristobalite<\/strong>r\u00e9duisant la temp\u00e9rature d'apparition de la d\u00e9vitrification \u00e0 environ 1 050-1 100 \u00b0C dans les mat\u00e9riaux de qualit\u00e9 commerciale.<\/p>\n

La silice fondue synth\u00e9tique de haute puret\u00e9, exempte de sites de nucl\u00e9ation efficaces, r\u00e9siste \u00e0 la d\u00e9vitrification jusqu'\u00e0 environ 1 200-1 250 \u00b0C dans des conditions atmosph\u00e9riques et de temps-temp\u00e9rature \u00e9quivalentes. En pratique, un tube capillaire en quartz naturel soumis \u00e0 des cycles entre la temp\u00e9rature ambiante et 1 100 \u00b0C d\u00e9veloppera une d\u00e9vitrification visible en surface.<\/strong> (sous forme de d\u00e9p\u00f4ts cristallins blancs et opaques) dans les 20 \u00e0 50 cycles thermiques, alors qu'un tube synth\u00e9tique en silice fondue soumis \u00e0 des conditions identiques ne pr\u00e9sente g\u00e9n\u00e9ralement aucune d\u00e9vitrification pendant plus de 200 cycles.<\/p>\n

Une fois la cristobalite nucl\u00e9\u00e9e, elle se propage rapidement et de mani\u00e8re irr\u00e9versible.<\/strong> Le d\u00e9calage de volume entre la cristobalite et le verre g\u00e9n\u00e8re une contrainte de traction dans la matrice amorphe environnante pendant le refroidissement, ce qui acc\u00e9l\u00e8re l'apparition de fissures \u00e0 la limite de la zone d\u00e9vitrifi\u00e9e. Dans les g\u00e9om\u00e9tries de tubes capillaires o\u00f9 l'\u00e9paisseur de la paroi est de 0,1 \u00e0 0,5 mm, une zone de d\u00e9vitrification couvrant 5% de la surface de la paroi interne est suffisante pour r\u00e9duire la pression d'\u00e9clatement de 30 \u00e0 40%.<\/p>\n

Comparaison des propri\u00e9t\u00e9s thermiques<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Param\u00e8tre thermique<\/th>\nTube capillaire en quartz naturel<\/th>\nTube capillaire en silice fondue synth\u00e9tique<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Point de recuit (\u00b0C)<\/td>\n~1,120<\/td>\n~1,140<\/td>\n<\/tr>\n
Point de ramollissement (\u00b0C)<\/td>\n~1,665<\/td>\n~1,683<\/td>\n<\/tr>\n
Temp\u00e9rature maximale d'utilisation continue (\u00b0C)<\/td>\n1,050-1,100<\/td>\n1,100-1,150<\/td>\n<\/tr>\n
CTE (\u00d7 10-\u2076\/\u00b0C)<\/td>\n0.54-0.58<\/td>\n0.52-0.55<\/td>\n<\/tr>\n
D\u00e9but de la d\u00e9vitrification (\u00b0C)<\/td>\n1,050-1,100<\/td>\n1,200-1,250<\/td>\n<\/tr>\n
Cycles thermiques de d\u00e9vitrification<\/td>\n20-50 (\u00e0 1 100 \u00b0C)<\/td>\n>200 (\u00e0 1 100 \u00b0C)<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n
\n

\"Tube<\/p>\n

Int\u00e9grit\u00e9 m\u00e9canique et propri\u00e9t\u00e9s de surface des tubes capillaires en quartz<\/h2>\n

Au-del\u00e0 des performances optiques et thermiques, les caract\u00e9ristiques m\u00e9caniques et de surface de ces tubes ont une incidence directe sur la fiabilit\u00e9 des syst\u00e8mes, la reproductibilit\u00e9 des r\u00e9sultats d'analyse et l'utilisation pratique des tubes dans des instruments sensibles.<\/p>\n

Le quartz naturel et la silice synth\u00e9tique fondue sont tous deux des mat\u00e9riaux fragiles, mais leur comportement \u00e0 la rupture et la chimie de leur surface pr\u00e9sentent des diff\u00e9rences importantes pour l'\u00e9lectrophor\u00e8se capillaire, la fabrication microfluidique et les syst\u00e8mes chromatographiques \u00e0 haute pression.<\/p>\n