Спосіб синтезу алмазів і пристрій для його здійснення

Використання: в області технології одержання синтетичних алмазів. Суть винаходу: нарощують початковий кристал малих розмірів шляхом стиснення графіту, навколишнього початковий кристал, імпульсом тиску, створюваним лазерним випромінюванням, в області дозародишевого стану фазового діаграми при тиску 40 ГПа і температурі 300 К. Затравочний кристал розташовують в центрі однієї або декількох граней заготовки у вигляді куба, покритого шаром з волоністого композиту з орієнтацією волокон уздовж граней куба і мають в центрі кожної грані сприймає лазерне випромінювання конічний виступ з того ж композиту, з орієнтацією його осі в центр куба. Пристрій для синтезу алмазів включає камеру синтезу, у вигляді сфери з шістьма розподіленими по поверхні патрубками з вбудованими в них оптичними лінзами для фокусування лазерного випромінювання, з'єднаними за допомогою світловодів з лазером, що має пульт управління. У камері розташований тримач заготовки. 2 с. п. ф-ли, 2 мул.

Винахід відноситься до області технології мінеральної сировини, зокрема, до технології одержання синтетичних алмазів.

Відомий динамічний спосіб синтезу алмазів, заснований на перетворенні графіту в алмаз під дією високих тисків і температур [1] При цьому, високий тиск і температура створюються за допомогою ударника, що переміщається з надвисокою швидкістю. При зіткненні з ударником в графіті виникає ударна хвиля і при розвиваються при цьому надвисоких тиску і температурі відбувається миттєвий перехід графіту в алмаз. При цьому утворюється тільки полікристалічна структура алмазу з розмірами монокристалів від 0,1 до 1,5 мм. Найбільш близькими до пропонованого способу і пристрою є спосіб і пристрій отримання алмазу і різновидів нітриду бору зі структурою алмазу [2] Відповідно до способу в камері проводиться вибух, під дією якого графіт перетворюється на алмаз полікристалічної структури. Пристрій містить камеру синтезу з розташованим в ній власником заготовки. Аналоги не дозволяють отримати великі кристали алмазу в кілька сотень каратів. Пропоновані спосіб і пристрій спрямовані на усунення зазначеного недоліку. Таким чином, завданням винаходу є отримання кристалів алмазу порядку сотень каратів. Зазначена задача вирішується тим, що в способі синтезу алмазів, що включає вплив на заготовку з графіту імпульсу високого тиску, вплив здійснюють імпульсом лазерного випромінювання в області дозародишевого стану фазового діаграми при тиску 40 ГПа і температурі 300 К і використовують заготовку у вигляді куба з затравочним кристалом в центрі однієї або декількох граней, покритих шаром з волокнистого композиту з орієнтацією волокон уздовж граней куба і мають в центрі кожної грані сприймає лазерне випромінювання конічний виступ з того ж композиту з орієнтацією його осі в центр куба. Зазначена задача вирішується також тим, що в пристрої для синтезу алмазів, що включає камеру синтезу з розташованим в ній власником заготовки, камера виконана у вигляді сфери з шістьма розподіленими по поверхні патрубками, з вбудованими в них оптичними лінзами для фокусування лазерного випромінювання, з'єднаними за допомогою світловодів з лазером, що має пульт управління. Робоча точка режиму на фазовій діаграмі перетворення вуглецю в координатах тиск-температура (див. Алмаз. Фізичнаенциклопедія, том 1, 1988, с. 60-62) вибирається в області дозародишевого стану при тиску 40 ГПа і температурі 300 К і в цьому режимі проводиться нарощування затравочного кристала шляхом стиснення заготовки графіту. При цьому високий тиск утворюється за рахунок впливу на заготовку імпульсів лазерного випромінювання. Тиск 40 ГПа вибирається в зв'язку з тим, що при температурі 300 К і тиску понад 65 ГПа починається утворення алмазних зародків. Для усунення початкового перегріву заготовки передній фронт лазерного імпульсу передбачається пологим (до 1-2 мкс), що забезпечує плавне нарощування потужності. Вибір високого тиску обумовлений необхідністю збільшення швидкості перетворення графіту в алмаз і завершення переходу графіту в алмаз за час дії імпульсу тиску. Вибір порівняно низькою (стандартної) температури, крім зручності, обумовлений також тим, що при знятті тиску при цій температурі не має місця графітизація алмазу. Пропоновані спосіб і пристрій об'єднані загальним винахідницьким задумом. Для реалізації зазначеного способу в пристрої синтезу алмазів передбачається ряд конструктивних особливостей в порівнянні з аналогами. В даному винаході заготівля графіту (мішень) являє собою куб з затравочним кристалом, розташованим в центрі однієї з граней куба. Більший обсяг куба, охопленого тиском з усіх боків, відповідає більшому розміру кристала алмаза. При збільшенні розмірів заготовки (куба) збільшується необхідна потужність лазера. Можлива установка затравочних кристалів в центрі кожної грані і в центрі куба, але при цьому має місце спотворення кристалічної решітки в деяких напрямках. Грані куба покриваються шаром волокнистого композиту з орієнтацією волокон уздовж граней, завдяки чому створюється майже рівномірний розподіл тиску на поверхні грані. Завдяки наявності вказаного шару знижується температура, що передається від утворюється плазми до графіту. Кожна грань в центрі має конічний виступ з композиту з орієнтацією осі конуса в центр куба. Кожен виступ покритий слідами важкого металу. На виступ падає тривалий імпульс лазерного випромінювання. Завдяки кумулятивного ефекту і вказаною покриттю, має місце збільшення ступеня стиснення речовини конуса і збільшення тиску ударних хвиль на грань заготовки. При цьому, внаслідок збільшення тиску для отримання його необхідної величини, можливо зменшити необхідну потужність і енергію випромінювання лазера (див. Нижче). Наведемо обгрунтування працездатності запропонованого способу і пристрою. Відомо, що при впливі лазерного випромінювання на конденсовану середу з щільністю потоку в 1014 Вт / см2 виникає ударна хвиля з тиском на фронті 10 Мбар (див. Лазерна плазма. Фізичнаенциклопедія, том 2, 1990, с. 553). Завдяки кумулятивного ефекту на конічних виступах і покриття їх слідами важких металів, тиск збільшується, приблизно, в 20 разів (див. Бонч-Осмоловський А.Г. Мончинський В.А. Стиснення і нагрів лазерної плазми на осі конусної мішені. Препринт Р-91 -85. ОІЯД, Дубна, 1985) і становить 200 Мбар 2 1013 Па 2 104 ГПа. Для отримання необхідного тиску в 50 ГПа необхідна щільність потоку 1014/2 104 50 25 1010 Вт / см2. Щільність потоку пов'язана з потужністю випромінювання за формулою q P / 2, де l довжина хвилі лазера (див. Басов Н.Г. та ін. Фізика лазерного термоядерного синтезу, М. Знання, 1988, с. 41). Звідси, для l 0,69 мкм (лазер на рубін) Р 25 1010 10,69 10-8 11,9 104 Вт. Щільність алмазу дорівнює в середньому r 3500 кг / м3 3,5 г / см3. Алмаз в 100 каратів має обсяг v 5,72 см3 і розмір куба a 1,78 см, а в 500 каратів v 28,6 см і а 3,04 см. При перетворенні графіту в алмаз розмір межі графітового куба зменшується в 2-3 рази (в залежності від пресування графіту). Звідси, розмір межі графітового куба повинен бути для 100 каратів ao 1,78 3 5,34 см, а для 500 каратів ao 9,12 см. Швидкість нарощування затравочного кристала при високому тиску дорівнює vk 10 см / с (див. Синтез алмазів імпульсом тиску. Препринт N 60. ФІАН, Москва, 1992, с. 7 ). При цьому необхідна тривалість імпульсу лазерного випромінювання (час утворення алмазу з графіту) дорівнює для 100 каратів ao 1,78 3 5,34 м \ с, а для 500 каратів ao 9,12 м \ с. Необхідна енергія одного променя лазера для 100 каратів NP 11,9 104 5,34 10-6 0,635 Дж, для шести променів No 0,635 6 3,8 Дж, а для 500 каратів N 1,03 Дж і No 6,5 Дж. Зазначені енергії можуть бути отримані від лазерів середньої потужності, наприклад, від лазера на рубіні. Винахід пояснюється фіг. 1,2. На фіг. 1 наведено структурну схему пристрою синтезу алмазів. На фіг. 2 показано перетин заготовки (мішені). Розглянемо приклад конкретного виконання. Пристрій синтезу алмазів складається з наступних частин (див. Фіг. 1): 1. Камера синтезу. 2. Заготівля (мішень). 3. Лазерний пристрій. 4. Світоводи. 5. Пульт управління. Камера синтезу являє собою металевий сферичний корпус з власником заготовки, що мають невеликий піддон в центрі камери для розміщення в ньому заготовки, і з шістьма розподіленими по сфері патрубками, в які вбудовані оптичні лінзи для фокусування лазерного випромінювання на конічні виступи заготовки. Зазначені патрубки повертаються на невеликий кут для направлення лазерного променя вздовж осі "конічний виступ-центр заготовки". Попередня юстирування патрубків проводиться за допомогою світлових променів. Радіус камери синтезу близько 30 см. Заготівля (мішень) включає (див. Фіг. 2) тіло з графіту 1, початковий кристал 2 і шар з волокнистого композиту 3 з волокнами 4 і конічними виступами 5. Тіло заготовки має кубічну будову і заповнюється обпресувати чистим графітом. У центрі однієї з граней куба розташовується початковий кристал алмазу з розміром грані 2-10 мкм (типу карбонадо). Грані куба покриваються шаром волокнистого композиту, наприклад, поліамідоуглепластіка з двома взаємно перпендикулярними шарами волокон, орієнтованих уздовж граней. При цьому сам композит утворює корпус для розміщення графіту, а волокна створюють майже рівномірний розподіл тиску ударної хвилі на межі. У центрі кожної грані розташовується конічний виступ з того ж композиту з орієнтуванням осі конуса на центр куба. Завдяки зазначеному розміщення і орієнтуванні конусів, створюється правильна форма кристала алмаза. Для збільшення тиску при падінні лазерного променя конус покривається слідами важких металів. Лазерний пристрій має забезпечити необхідну енергію (шість променів по 1-2 Дж кожен) і меншу генерується хвилю. З укороченням довжини хвилі підвищується ефективність передачі енергії плазмової короні. Зазначеним вимогам задовольняють різні типи твердотільних лазерів, в тому числі, лазер на рубін з оптичним накачуванням. Цей тип лазера надійний в роботі і забезпечує резерв по величині необхідної енергії. Довжина хвилі 0,69 мкм, що віддається енергія сотні Дж при тривалості імпульсу до 1 мс. Можуть бути застосовані промислові зразки лазерів ГОР-100, ГОР-300 або ДОС-301 зі збільшенням тривалості імпульсу до 10 мкс. У лазерному пристрої передбачений перехідник на шість каналів і затягування переднього фронту імпульсу. Світоводи, призначені для передачі лазерного випромінювання від лазера до мішені, в кількості 6 штук виконуються зі спеціального скла. Для узгодження світловода з лазером на кінці світловода включають скляну кулю, який перетворює розбіжний світловий потік лазера в потік, що пропускається апертурою світловода. Для концентрації лазерного випромінювання на конічному виступі використовується фокусуються лінза, встановлена ​​в патрубку камери синтезу. Для управління лазерним пристроєм передбачається пульт управління. Пропоноване пристрій синтезу алмазів працює наступним чином. Зібрана заготовка (мішень) встановлюється в піддоні камери синтезу. Потім, відповідно до спеціальної інструкції перевіряється юстирування патрубків (фокусирующих лінз). При цьому використовуються світлові промені, створювані світловипромінюючих діодів, включеними в початок світловодів. Далі включається лазер, спрацьовує блок накачування. Отримане розходиться лазерне випромінювання за допомогою скляних кульок вводиться в кожен світловод і поширюється по ньому. Потім випромінювання концентрується за допомогою котра фокусує лінзи до розмірів конічного виступу. При падінні лазерного променя на конічний виступ його енергія поглинається композитом. При цьому відбувається випаровування речовини, освіта плазми і розліт цієї плазми. При випаровуванні речовини і розльоті плазми утворюється реактивна сила, спрямована в бік заготовки. Створювана цією силою ударна хвиля стискає шар композиту і графітову заготовку. Стиснення супроводжується колективним рухом атомів і перетворенням кристалічної решітки графіту в кристалічну решітку алмаза. Техніко-економічна ефективність визначається різницею вартості великих і дрібних алмазів. Вартість дрібних синтетичних алмазів за цінами Алмазного Синдикату становить 1,5-2 дол. За 1 карат. Звідси, маса таких алмазів в 100 каратів коштує 200 дол. А в 500 каратів 1000 дол. Для визначення вартості великих алмазів З запропонована наступна формула (див. Васильєв Л.А. Білих З.П. Алмази і їх властивості. М. "Надра ", 1983): де m маса алмазу, К вартість кристалів того ж якості в 1 карат. Звідси, алмаз в 100 каратів варто 10,2 тис. Дол. 500 каратів 251 тис. Дол. Таким чином, виходить виграш у вартості відповідно 10 тис. І 250 тис. Дол.

формула винаходу

1. Спосіб синтезу алмазів, що включає вплив на заготовку з графіту імпульсу високого тиску, що відрізняється тим, що вплив здійснюють імпульсом лазерного випромінювання в області дозародишевого стану фазового діаграми при тиску 40 ГПа і температурі 300 К і використовують заготовку у вигляді куба з затравочним кристалом в центрі однієї або декількох граней, покритих шаром з волокнистого композиту, з орієнтацією волокон уздовж граней куба і мають в центрі кожної грані сприймає лазерне випромінювання конічний виступ з тог ж композиту з орієнтацією його осі в центр куба. 2. Пристрій для синтезу алмазів, що включає камеру синтезу з розташованим в ній власником заготовки, що відрізняється тим, що камера виконана у вигляді сфери з шістьма розподіленими по поверхні патрубками з вбудованими в них оптичними лінзами для фокусування лазерного випромінювання, з'єднаними за допомогою світловодів з лазером, мають пульт управління.

МАЛЮНКИ

, малюнок 2