Granat pe bază de ytriu scandiu și aluminiu. Imitație de diamant cu minerale sintetice

Unul dintre cele mai utilizate lasere cu stare solidă astăzi este un laser în care matricea este ytriu- granat de aluminiu iar activatorul sunt ionii. Denumirea acceptată pentru acest laser este

Laserul are un prag de excitație relativ scăzut și o conductivitate termică ridicată, ceea ce face posibilă generarea laserului la o rată mare de repetiție a impulsurilor, precum și laserul într-un mod continuu. Eficiența laserului este relativ mare; ajunge la câteva procente.

Principalele tranziții ale ionului de neodim în granat sunt prezentate în Fig. 1.16. Au loc tranziții între anumite particule atomice, care sunt descrise în figură ca „benzi de energie”. Fiecare „bandă” (fiecărui termen) corespunde unui grup de niveluri de energie relativ înguste rezultate din divizarea unui termen dat în câmpul electric al rețelei cristaline de granat (divizare Stark).

În timpul procesului de pompare, ionii de neodim trec din starea fundamentală corespunzătoare termenului în trei grupe de stări: A, B, C. Grupa A corespunde termenilor; grupa B - termeni și grupa B - termen. Aceste trei grupuri de stări. corespund la trei benzi din spectrul de absorbție al neodimului din granat,

prezentată în fig. 1.17, a (benzile A-, B- și, respectiv, C). Structura fină a benzilor de absorbție, clar vizibilă în figură, reflectă efectul divizării Stark a termenilor.

Termenul este „nivelul” superior de lucru. Ionii de neodim sunt iluminați, trecând de la acest „nivel” la niveluri corespunzătoare termice. Ponderea principală a energiei (60%) este afișată în tranziții; se obișnuiește să se ia în considerare nivelurile corespunzătoare termenului din Fig. este prezentat spectrul de luminescență al neodimului în granat pentru tranziții.Spectrul conține 7 linii; cele mai intense linii sunt 1,0615 și 1,0642 µm. În tabel 1.1 prezintă lungimile de undă pentru 18 linii de luminiscență, ținând cont de diferite tranziții 114]; datele au fost obținute la o temperatură de 300 K. Într-o vedere simplificată a laserului, poate fi utilizată o schemă de lucru pe patru niveluri; „nivel” principal - termen 4/9/2, „nivel” de lucru inferior - termen „nivel” de lucru superior - termen „nivel” de excitație - termeni și Rețineți că tranzițiile sunt interzise în aproximarea dipolului (interzise optic), deoarece cu astfel de tranziții numărul cuantic orbital al ionului de neodim se schimbă la 3; prin urmare, stările corespunzătoare termenilor - sunt metastabile.

ÎN anul trecut Granatul de ytriu aluminiu (YAG) prezintă un interes constant pentru cercetătorii din întreaga lume, deoarece este unul dintre cele mai promițătoare materiale pentru electronica cuantică și alte domenii ale tehnologiei moderne. Proprietățile fizice și mecanice ale YAG fac posibilă utilizarea lui ca materie primă pentru industria de bijuterii.

Rodia poate fi cultivată folosind o varietate de metode. În URSS, producția de YAG pentru industria de bijuterii se bazează pe utilizarea metodei de cristalizare direcțională orizontală. Ca componente de pornire pentru sinteza YAG în funcție de reacție

3Y 2 O 3 + 5Al 2 O 3 → 2Y 3 Al 5 O 12

Se utilizează oxid de ytriu de calitate „chimic pur” și ceramică de corindon. Fuziunea sarcinii și cristalizarea au loc în vid în aparatele Sapphire-1m sau SGVK. Tehnologia de vid, care este deosebit de convenabilă pentru creșterea cristalelor incolore, face posibilă și obținerea de cristale YAG de culori roz, liliac și verde, colorate cu oxizi de erbiu, neodim, crom și vanadiu. În acest caz, datorită evaporării intense a aditivilor coloranți, în sarcină se introduce o cantitate de cromofor care este de două până la trei ori mai mare decât conținutul său din cristal.

Tehnologia utilizată are o serie de dezavantaje semnificative. Când se cristalizează în vid, o cantitate mică, dar finită, de aer este pompată printr-o cameră încălzită pe tot parcursul procesului. Oxigenul aerului oxidează încălzitorul de tungsten și ecranele de molibden de protecție împotriva căldurii, ceea ce reduce semnificativ durata de viață a acestora. În plus, filmul de oxid se reduce reflectivitate ecrane și duce la creșterea costurilor energetice. Ca urmare a reacțiilor chimice dintre oxizii de vanadiu și molibden, pe de o parte, și materialul de cristalizare, pe de altă parte, cristalul în creștere este acoperit cu un înveliș metalic. De asemenea, este irațional să se folosească ceramică de corindon destul de scumpă (30 - 35 de ruble la 1 kg), puternic contaminată cu oxizi de fier, ca componentă de încărcare, în timp ce în industria de bijuterii există o problemă de utilizare a deșeurilor de corindon reciclat din producția de tăiere, din care prețul este de 5 ruble. pentru 1 kg.

VNIIyuvelirprom a creat o tehnologie pentru recristalizarea acestor deșeuri, dar utilizarea lor pentru creșterea YAG este mult mai eficientă.

Utilizarea deșeurilor returnabile ca componente ale încărcăturii de granat se bazează pe faptul că deșeurile de corindon sunt oxid de aluminiu monocristalin cu adaosuri de Cr 2 O 3 și V 2 O 3 . Oxizii de crom si vanadiu, care coloreaza cristalele de corindon, joaca si ei rolul de cromofori in granat, intrand izomorf in structura acestuia. Returul deșeurilor de corindon cultivat prin metoda Verneuil se compară favorabil cu ceramica de corindon în concentrația sa scăzută de impurități „dăunătoare”. Astfel, conținutul de Fe 2 O 3 în ceramica de corindon ajunge la 0,5%. Conținutul ridicat de oxid de fier care interacționează cu molibdenul duce la scurgerea recipientelor în timpul cristalizării. Concentrația de fier în deșeurile returnabile nu depășește 0,05%.

VNIIyuvelirprom a dezvoltat o tehnologie pentru cultivarea YAG într-un mediu gazos, folosind deșeuri de corindon reciclate. Conform acestei tehnologii, oxidul de ytriu uscat, deșeurile returnate și, dacă este necesar, aditivi de oxizi cromofori în raport stoichiometric sunt încărcate într-un recipient special pentru fuziune. În acest caz, pentru a obține un lingot omogen, încărcătura se încarcă în straturi: în partea de jos a recipientului - returnarea deșeurilor de corindon, apoi un strat de pulbere de V 2 O 3, deșeuri de returnare etc. Atât în ​​timpul fuziunii, cât și în timpul cristalizării, aparatul este evacuat folosind o pompă de prevacuum până la 10 ~2 torr. După aceasta, un amestec de argon-hidrogen (95% Ar de puritate ridicată și 5% H2 tehnic) este lansat în aparat, creând o presiune de 0,5 atm. Calculele simple arată că un grad mai mare de vid nu are sens. Astfel, deja cu evacuare la 10 -3 Torr, cantitatea de oxigen introdusă cu argon va fi cu un ordin de mărime mai mare decât cantitatea de oxigen rămasă în aparat.

Astfel, din momentul în care amestecul de gaz este lansat în aparatul rece, presiunea în exces este menținută constant în cameră, adică problema „scurgerii” încetează să mai existe.

Trebuie remarcat faptul că procesul de creștere a YAG a fost dezvoltat ținând cont de condițiile specifice ale producției existente, astfel încât trecerea de la tehnologia „vid” la tehnologia „gaz” asociată cu utilizarea hidrogenului poate fi efectuată în aceleași condiții. (categoria de foc a încăperii) cu respectarea tuturor cerințelor tehnice de securitate.

Tehnologia creată oferă avantaje evidente în comparație cu tehnologia existentă:

1. Timpul necesar pregătirii dispozitivului pentru funcționare este redus cu două până la trei ore.

2. Durata de viață a elementului de încălzire și a ecranelor de protecție împotriva căldurii - cele mai rare părți ale camerei de cristalizare - crește de patru până la cinci ori.

3. Absența unei pelicule de oxid pe scuturile termice crește reflectivitatea acestora. Acest lucru permite ca procesul de cristalizare să fie efectuat la o tensiune mai mică pe încălzitor.

4. Un avantaj semnificativ al tehnologiei bazate pe utilizarea deșeurilor de corindon reciclat este capacitatea de a obține cristale de diferite culori, inclusiv verde smarald, iar procentul de randament al materiilor prime utilizabile este mult mai mare decât atunci când este cultivat în vid.

Pe lângă cristalele verde-smarald, tehnologia dezvoltată face posibilă obținerea YAG și a altor culori galben-verde care prezintă interes pentru industria de bijuterii. În tabel 1. Sunt date compozițiile corespunzătoare ale taxei.

tabelul 1

Compoziția optimă a încărcăturii și culorii cristalelor YAG crescute

După cum rezultă din datele din tabel. 1, cristalele YAG de culori de crisolit și citrin se obțin fără adăugarea de oxizi - cromofori, dar datorită substanțelor colorante conținute în deșeurile de retur de corindon (Cr 2 O 3 - 0,3-0,7% în greutate și V 2 O 3 - 0,2-0,3% în greutate.

Indicat în tabel. 1 conținutul de aditivi care formează culoarea se calculează ca procent din cantitatea totală de oxid de ytriu și deșeuri returnabile. Acești aditivi sunt superstoichiometrici, adică nu sunt compensați de cantitatea suplimentară de V 2 O 3. Această compoziție a încărcăturii face posibilă obținerea nu numai a culorii dorite, ci și îmbunătățirea calității cristalului (crăparea este redusă).

Conform tabelului. 1 arată că pentru a obține cristale de culoarea smaraldului, atât V 2 O 3 cât și Al 2 O 3 pot fi adăugate la încărcătură. Acest lucru se explică prin faptul că vanadiul pentavalent este ușor redus la starea trivalentă în prezența hidrogenului. Odată cu introducerea Cr 2 O 3
(cristalul nr. 6) se observă fluorescență roșie sub lumină incandescentă, ceea ce duce la o diferență evidentă între aceste cristale și smaralde.

Asemănarea cristalelor rămase în culoare cu peridot, citrin și smarald este confirmată nu numai de metoda de evaluare a experților, ci și de calcule obiective ale caracteristicilor de culoare ale materialelor comparate. Coordonatele de culoare au fost calculate folosind metode standard bazate pe date privind spectrele de transmisie ale YAG și mineralele naturale.

O comparație a spectrelor de granat verde „smarald” și smarald natural (curbele 1 și 4 din Fig. 1) indică, în general, asemănarea lor pe o gamă semnificativă de lungimi de undă. Caracteristicile de culoare ale crizolitului și culoarea YAG a crizolitului sunt, de asemenea, destul de asemănătoare (curbele 2, 5).

Coordonatele calculate în triunghiul de culoare (Fig. 2) determină tonul și puritatea culorii. După cum se poate observa din datele din Fig. 2, coordonatele granatului de culoare smarald (punctul 1) și smaraldului natural (punctul 4) sunt destul de apropiate, iar asemănarea culorii este mai mare decât în ​​cazul smaraldului natural și sintetic ( punctul 8). Asemănări semnificative sunt, de asemenea, relevate atunci când se compară coordonatele de culoare ale granatelor de culoare peridot (punctul 2) și ale peridotului natural (punctul 5). Același lucru se poate spune despre citrinul natural (punctul 6) și granatul „citrin” (punctul 3), ale căror culori sunt mai apropiate una de cealaltă decât culorile citrinului natural și sintetic (punctul 7).

În tabel Tabelul 1 prezintă cantitățile de cromofori adăugate la amestec. Desigur, în timpul cristalizării se modifică concentrația cromoforilor. Prin urmare, a fost interesant să se determine conținutul de Cr și V într-un singur cristal, a cărui culoare ar satisface cerințele pentru materiile prime pentru bijuterii. În acest scop, a fost efectuată o analiză de emisie spectrală pentru Cr și V a cristalului nr. 3, care a făcut posibilă estimarea distribuției cromoforilor pe lungimea monocristalului. Eroarea de determinare a fost de 9 și 11% pentru Cr și, respectiv, V (Fig. 3). Concentrația de vanadiu din încărcătură nu a depășit 0,5% (0,1% în deșeurile de retur de corindon)