Изобретение относится к физико-химическим методам обработки прозрачных бесцветных и цветных драгоценных камней, полученных в том числе и искусственным путем.
Известны различные способы улучшения качества драгоценных камней как исходного сырья, так и ограненных кристаллов путем проваривания в различного рода маслах, прокаливания в разного рода температурах режимах закалки и отпуска, подкрашивания красителями, облучения рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым светом, радиацией с разной степенью интенсивности.
Недостатком указанных методов улучшения качества, т. е. изменения цветности и дефектности кристаллов, являются процессы возврата кристаллов по их дефектности и цветности в исходное состояние со временем. Тем самым имеет место рекуперация (recuperatio)-обратное возращение вводимой в кристалл энергии.
Известны также способы улучшения качества драгоценных камней путем "залечивания" дефектов и изменения цветности посредством распыления на кристалл в вакууме сплавов висмут-свинец.
Такой способ введения энергии в кристалл в форме легирующих примесей на молекулярном уровне улучшает свойства кристалла, но обладает малой воспроизводимостью в силу неоднородности состава молекулярного пучка сплава, легирующего кристалл.
Поэтому вводимая энергия аггравируется (aggravatio-отягощение) в кристалле лишь частично в форме заданного молекулярного состава вводимой примеси, а остальная часть энергии рекуперирует.
Цель изобретения повышение качества кристаллов (управления цветностью, блеском и дефектностью) прозрачных или цветных драгоценных камней, в том числе полученных искусственным путем.
В сравнении с прототипом предлагаемый способ позволяет осуществлять легирование кристаллов драгоценных камней из водных растворов солей с помощью лазерного излучения.
Этим достигается однородность обработки драгоценных камней ионной или молекулярной примесями легирующих веществ, залечивающих дефекты, изменяющих окраску и блеск кристалла.
Аггравируемая кристаллом драгоценных камней энергия введения легирующих примесей их водных растворов посредством лазерного излучения рекуперируется кристаллом.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".
На чертеже приведена схема устройства, реализующего указанный метод. В качестве источника излучения использовался оптический квантовый генератор (ОКГ) на рубине с энергией близкой 1 Дж. Рубиновый стержень 1, переднее, заднее зеркала 2, 3, пассивный затвор 4, маска 5, плоскопараллельная стеклянная пластина 7, поворотная призма 8 и фокусирующая линза 9, колориметр и световой визир 11, 12 служат для подбора и регулировки режима излучения лазера и направления светового пучка ОКГ на предметный столик 10, где располагается стеклянная емкость с водным раствором солей заданного состава и концентрации, в котором находятся кристаллы драгоценных камней.
Используемый пассивный затвор из фталоцианина ванадия-4 позволяет помимо режима свободной генерации с длительностью импульса порядка 0,001 с реализовать режим с модуляцией добротности резонатора при сокращении длительности импульса до 10 с. Частота следования импульсов обычно не превышала 5 за одну минуту. Фокусировка излучения ОКГ, осуществляемая линзой 9, позволяла изменять диаметр светового луча в плоскости мишени от 1.5 до 90 мм. Тем самым достигалась возможность облучения, например, бриллиантов от крупного "меле" (масса 0,08-0,17 карата) до плоскопараллельных пластин искусственных драгоценных камней диаметром до 90 мм.
Таким образом, образцы драгоценных камней подвергались облучению через слой жидкости, в растворе которой находился "бульон"-растворы легирующих примесей.
Блеск (отражательная способность) фиксировались на "Блескометре" и сравнивались для бриллиантов (57 граней) с бриллиантами 0.5-1.0 карата для цветности D-исключительно белый плюс и дефектности IF-бездефектный, принимаемых за 100%
Осуществлялась визуальная оценка при рассеянном дневном освещении цветности и дефектности ограненных кристаллов по следующей шкале для бриллиантов:
D-исключительно белый плюс, E-исключительно белый, F-редкий белый плюс, H-белый, I-J-белый с незначительным нацветом, K-M-белый с нацветом, M-цветные камни.
Для цветных камней (М) на спектрофотометре фиксировались линии спектра соглашения, которые сравнивались по [3] с линиями сектора поглощения цветных драгоценных камней.
Дефектность визуально имела следующие степени градации:
IF-бездефектный, VVS-очень и очень незначительные внутренние дефекты, VS-очень незначительные внутренние дефекты, SI-незначительные внутренние дефекты, I-пикирование.
Концентрации водных растворов легирующих примесей в пересчете на исходную соль (мас.) как показали предварительные опыты должны находиться в пределах: 0.0001-0.002 мас. Снижение или повышение концентрации каждого из легирующих компонентов солей выше указанных пределов приводит к неконтролируемому изменению цветности и дефектности облучаемых кристаллов. Легирующие примеси вводятся в форме растворимых солей нитратов или сульфатов, но не хлоридов или фосфатов, боратов, которые оказываются источниками легирования кристаллов. Подбор легирующих компонентов как красителей осуществлялся в соответствии с накопленным рецептурным опытом в этой области.
Пример 1. В водный раствор, содержащий нитраты висмута и свинца в концентрациях, соответственно 0.001 и 0.0002 мас. каждого из легирующих компонентов, помещались бриллианты (57 граней) одной и той же цветности и дефектности: K-M, I, но различной массы: 0.4; 0.5; 0.8; 1.0; 2.0 карата соответственно. При осуществлении единичного "отстрела" каждого из ограненных камней ОКГ с размером фокусируемого пятна равного размеру бриллианта произошло уменьшение цветности и дефектности всех бриллиантов до значений I-J,SI cоответственно. При повторной операции отстрела в том же растворе или при его обновлении но в тех же концентрациях легирующих элементов, никаких изменений цветности и дефектности не произошло. При троекратном повторении той же процедуры цветность и дефектность камней стала равной соответственно H, VS. Дальнейшее увеличение численности процедуры облучения не приводило к сколько-нибудь значительному уменьшению цветности и дефектности всех используемых в эксперименте номиналов масс бриллиантов за исключением массы бриллианта в 0.4 карата. Последний после пятикратного облучения уменьшил свою цветность и дефектность до показателей G, VVS. Дальнейшее увеличение числа облучений не приводило к сколько-нибудь существенному изменению дефектности и цветности бриллианта этой массы.
Пример 2. Состав и раствор для легирования оставался тем же, что и в примере 1. В качестве объектов для легирования использовались неограненные алмазы различной массы, приблизительно подобранные по номиналам, близким примеру 1: 0.43; 0.62; 0.95; 1.22; 1.90. Цвет и дефектность хуже, чем M, I. После четырехкратного облучения ОКГ все алмазы приобрели цвет и дефектность не хуже, чем K-M, VS. Дальнейшее увеличение числа облучений или замена легирующего раствора на новый состав той же концентрации не приводило к изменению качества алмазов указанных номиналов масс. Число облучений в этом случае не превышало 10.
Пример 3. Плоскопараллельная пластина галлиево-гадолиниевого граната (искусственно выращенного камня) толщиной 5 мм и диаметром 75 мм облучалась импульсами ОКГ в легирующем растворе состава и концентрации, приводимом в примере 1. После 13 кратного облучения пластины наблюдалось увеличение блеска пластины почти в 1.5 раза, что в от блеска составляет 94-95 по "Блескометру". Определение показателя преломления пластины позволило установить увеличение показателя преломления такого материала (гагагата) до 2.10-2.25 в разных участках пластины в отличие от галлиево-гадолиниевого граната, для которого эта величина близка 2.02-2.05.
Дальнейшее увеличение численности облучений ОКГ не приводило к изменению уже приобретенного пластиной блеска.
Пример 4. Пластина "гагагата", полученного в примере 3, но диаметром 25 мм и толщиной 8 мм, облучалась ОКГ в растворе, содержащем азотнокислые соли трехвалентных хрома и неодима в концентрациях каждого 0.001 и 0.002 мас. соответственно. После 10-кратного облучения пластина окрашивалась в изумрудно-зеленый цвет с возникновением в спектре поглощения широких линий 630-580 нм, 550-520 нм, что напоминает сходство с полосами поглощения природных изумрудов и зеленого циркона. При дальнейшем облучении до 13 импульсов интенсивность окраски изменялась в сторону ее ослабления. С 20 импульсов изменение окраски прекращалась. При использовании галлиево-гадолиниевого граната в тех же условиях, что и "гагагата" также, имело место аналогичная форма окрашивания в зеленый цвет. Однако блеск таких кристаллов был более тусклым и не превышал 75 по "Блескометру". Изменение концентрации красителя выше или ниже пределов 0.001-002 мас. приводит к получению "неблагородного" окрашивания образцов.
Пример 5. Ограненные бриллиантовой огранкой бесцветные фианиты диаметрами 3, 5, 7, 9 мм облучались ОКГ в водном растворе двувалентного сульфата никеля и трехвалентного нитрата неодима, взятых в концентрациях 0.001 и 0.002 мас. соответственно. После 10-кратного облучения все образцы фианитов были окрашены в пурпурный цвет (цветовой тон 570-540 нм) различной степени интенсивности (альфа-фианиты). Однородность интенсивности окраски, оцениваемая визуально, имела место только при частоте облучения в пределах 10-13 импульсов. За пределами этого интервала окраска становилась неоднородной ("неблагородной").
Повышение частоты импульсов ОКГ свыше 25 раз обычно приводило к раскалыванию пластины. Для алмазов эта величина лежала в переделах 15-20 облучений в зависимости от их массы.
Предлагаемый способ улучшения качества драгоценных камней по сравнению с прототипом по существу позволяет управлять качеством, изменяя цветность, дефектность, блеск драгоценных камней или усиливая блеск, цвет искусственно выращен.