実験用ガラスが破損しないようにするために
実験用のガラスをアニーリングする際、許容される誤差はごくわずかです。数分の1度程度の誤差しか許されません。これは、何年も使える装置と、化学反応が起きるとすぐに破損してしまう装置との違いです。
実際には、ガラスを成形する過程で内部に応力が生じます。この応力を適切な冷却処理で解消しなければ、ガラスは「緊張した状態」のままになります。そして、緊張した状態のガラスは危険です。
なぜ0.1℃が重要なのか
高精度な赤外線センサーを使用する理由は、温度を正確に把握できるからです。もし2℃でも誤差があれば、ガラスの表面に温度差が生じます。つまり、ガラスの一部が膨張し、別の部分は膨張しないということです。薄壁のフラスコでは、これがすぐに亀裂の原因となります。
0.1℃という精度を保つことで、ガラス全体が同時にアニーリングの温度に達します。赤外線は材料の奥深くまで届き、通常の抵抗加熱では発生する「冷たい箇所」をなくしてくれます。
機器と加熱方法
これを実現するために、短波長の石英ランプと高速応答型PIDコントローラーを組み合わせます。短波長の赤外線は、高い熱密度を持っているため、チャンバー全体を加熱する必要なく、素早く温度を上げることができます。
しかし、出力密度には注意が必要です。小さな空間に多くのワット数を投入すると、局所的に過度に熱くなります。したがって、ワット数とチューブの長さをバランスさせて、均一な温度を保つ必要があります。ランプの出力を過剰にすると、フィラメントが焼けたり、ガラスが歪んだりします。どちらも望ましい結果ではありません。
問題点
このようなシステムは、単純に接続すれば動作するわけではありません。0.1℃という精度を保つためには、電源装置が非常に信頼性が高くなければなりません。電圧にわずかな変動があっても、それが温度の変動として表れてしまいます。
また、熱電対は、ガラスが赤外線に当たる正確な位置に設置されていなければなりません。もし配置がずれていると、フィードバックループが遅れ、システムは目標温度を超えてしまいます。そうなると、また最初からやり直しになってしまいます。