Иттрий алюминиевый гранат. Имитации алмаза синтетическими минералами. Спецификация лазерных стержней Er:YAG

Синтетический иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ)

кристаллические соединения общей ф-лы R 3 III M 2 III (X III O 4) 3 , где R ni -Y или другие РЗЭ, М III , X III -Fe, Al, Ga, подобные по структуре прир. гранатам R II 3 M III 2 (SiO 4) 3 (кубич. кристаллич. решетка, пространств, группа Ia3d). Структура гранатов синтетических каркасная, построена из тетраэдров ХО 4 и октаэдров МО 6 , в полостях к-рых расположены полиэдры RO 8 . Гранаты синтетические обладают высокими твердостью и прочностью (см. табл.). Химически стойки, не раств. в воде. Для гранатов синтетических характерен изоморфизм атомов R, М и X, вследствие чего существуют многочисл. разновидности этих соединений. Ниже приводятся св-ва наиб. важных гранатов синтетических.

Иттрий-железный гранат Y 3 Fe 2 (FeO 4) 3 - красно-бурые кристаллы; 10 14 Ом*см; точка Кюри 556 К; оптически прозрачен в области 1,1-1,5 мкм. Образуется при сплавлении оксидов Y и Fe. Монокристаллы выращивают из р-ра Y 2 O 3 (10,0% по массе) и Fe 2 O 3 (20,4%) в расплавленной смеси РbО (36,8%), PbF 2 (27,1%) и В 2 О 3 (5,5%) при снижении т-ры от 1300 до 930°С со скоростью 0,3-0,5 град/ч; используют также метод Вернейля. Материал магнитных запоминающих устройств, магнитных сердечников в микроволновой и телевизионной аппаратуре.

Иттрий-алюминиевый гранат – ИАГ- Y 3 Al 2 (A1O 4) 3 бесцв. кристаллы; оптически прозрачен в области 0,24-6,00 мкм. Не взаимод. с к-тами. Выше 500°Г раств. в расплавленной смеси PbO-PbF 2 -В 2 О 3 . Образуется при сплавлении оксидов Y и А1 выше 1500 С. наиб. распространенные методы выращивания монокристаллов: вытягивание из расплавленной стехиометрич. смеси оксидов при 2000 °С со скоростью 0,5-1 мм/ч с использованием ориентированной затравки (диаметр кристаллов до 60 мм, длина до 300 мм); горизонтально направленная кристаллизация из расплава в молибденовой лодочке со скоростью до 8 мм/ч; вертикально направленная кристаллизация. Иттрий-алюминиевый гранат, не содержащий изоморфных примесей,-ювелирный поделочный камень (имитатор бриллиантов), легированный Nd - материал для лазеров с длиной волны генерируемого излучения 1,064 и 1,320 мкм; для генерации излучения с длинами волн 1645 и 2060 нм этот гранат легируют Ег, Yb, Но, Тт (изоморфно замещающими Y и А1 в кристаллич. решетке). Физики из Екатеринбурга получили нанопорошок из иттрий-алюминиевого граната методом лазерного испарения

На основе этого ИАГ- нанопорошка с размером частиц порядка 10 нанометров была изготовлена оптическая керамика с высоким коэффициентом пропускания инфракрасного света.

СВОЙСТВА ГРАНАТОВ

* Легирован Nd III и Сr Ш

Гадолиний-галлиевый гранат Gd 3 Ga 2 (GaO 4) 3 -« Г Г Г» -бесцв. кристаллы. Слабо взаимод. с сильными к-тами. Образуется из оксидов Gd и Ga выше 1400 °С. Монокристаллы выращивают методом Чохральского в иридиевых тиглях со скоростью вытягивания 3-6 мм/ч; диаметр нелегированных кристаллов до 100 мм, длина до 300 мм. Материал подложек для наращивания эпитаксиальных пленок железных гранатов (см. Ферриты), используемых в магнитных запоминающих устройствах;легированный Nd III и др. - РЗЭ-лазерный материал. Ювелирный поделочный камень

Гадолиний-скандий-галлиевый гранат – «Г С Г Г» - Gd 3 Sc 2 (GaO 4) 3 , легированный Nd III (3,5*10 20 атомов в 1 см 3) и Сr III (2*10 20 атомов),-кристаллы изумрудно-зеленого цвета. Получают сплавлением оксидов Gd, Sc и Ga. Монокристаллы выращивают по методу Чохральского из расплавленной смеси оксидов Gd, Sc и Ga выше 1500°С со скоростью вытягивания 2-4 мм/ч в атмосфере N 2 (98%) и О 2 (2%). Перспективный лазерный материал.

jQuery(document).ready(function(){ jQuery(".js-message-slider").slider({ headerEl: "p.js-message"", contentEl: "div.b-contain", mode: "multiple", partsEl: "div.js-message-block", openClass: "minus", closeClass: "plus" }); }) Лазерные кристаллы на базе иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er)

Поставщик: ООО «Инженерный Центр Новых Технологий» Ключевые слова: монокристаллы, лазерные кристаллы

Компания ООО «Инженерный Центр Новых Технологий» более 10 лет успешно занимается выращиванием монокристаллов на базе иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er) и производством активных элементов на базе данного кристалла.

В настоящее время ИАГ:Er является самым распространенным кристаллом, на базе которого возможно реализовать генерацию в трехмикронной области спектра в твердотельных лазерах.

Лазеры на базе кристаллов ИАГ:Er нашли широкое применение в медицине. Прежде всего это связано с тем, что коэффициент поглощения света в воде на длине волны 2,94 мкм достигает экстремально высоких значений (k=1,2x10,sup>4 см -1).

«ИЦНТ» предлагает кристаллы ИАГ:Er различной геометрии (диаметром от 3 мм до 8 мм и длиной до 120 мм).

ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВЫЙ ГРАНАТ (ИАГ) (TR)3Al 2 3. Получен в начале 60-х годов, с 1969 г. используется как ювелирный камень. Синонимы (коммерч. изд.): геллинэр, гранатит, даймоник, даймонэр, циролит и др. Возможны окрашивающие примеси: Tb, Dy, Но, Ег, Tu, Yb, Lu, Cr. Куб.с. Структура аналогична природному гранату (островная). Прозрачный. Бесцветный, зеленый, желтый, сиреневый, розовый и др. В УФ-лучах инертен, белый, розовый, сиреневый, желтый. Бл. стеклянный. Изотропный, n=1,832-1,873. Дисперсия 0,028. Тв. 8,5. Пл. 4,57-5,69 г/см3. Методы получения: зонная плавка, Чохральского и др. Широко используется в ювелирном деле. Диагностируют по оптическим свойствам. Cr-содержащая разновидность -красная под фильтром Челси. Бесцветный имитирует бриллиант, отличается включениями, меньшей тв., более высокой пл. Природного аналога нет.

Среди ювелирных камней особое место занимают синтетические камни , не имеющие природных аналогов. В течение долгого времени в нашей стране интенсивно развивались технологии выращивания подобных кристаллов, поскольку они находят широкое применение в научных и технических целях, например в лазерной технике, где особенно важны чистота и бездефектность кристаллов. Именно эти свойства в сочетании с возможностью получать кристаллы различных цветов привлекли внимание ювелиров. В настоящее время синтетические камни, не имеющие природных аналогов, широко применяются в ювелирном деле, либо самостоятельно, либо в качестве имитаций более дорогих природных ювелирных камней.

На сегодняшний день наиболее популярными синтетическими камнями , не имеющими природных аналогов, являются

• фианиты,
• иттрий-алюминиевые гранаты (ИАГ),
• зеленые и синие кварцы,
• стекла,
• к числу менее распространенных относятся гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ) и ниобат лития.

Иттрий-алюминиевые гранаты и некоторые другие разновидности синтетических гранатов появились в начале 60-х годов и завоевали широкое признание на ювелирном как ограночный материал. Наибольшее распространение среди синтетических гранатов получили иттрий-алюминиевые (ИАГ) и гадолиний-галлиевые (ГГГ). Кристаллы ИАГ и особенно ГГГ находят широкое применение в науке и технике и именно это стимулировало развитие работ по их синтезу и выращиванию. Применению синтетических гранатов как ювелирных камней способствовало разработка экономически выгодных методов их выращивания - методы направленной кристаллизации и зонной плавки.

Иттрий-алюминиевый гранат является единственным из синтетических гранатов, который до сих пор используется в ювелирных изделиях в качестве имитаций ювелирных камней. Беспримесные ИАГ бесцветны, введение примесей позволяет получать различные окраски, например, примесь хрома - зеленый цвет, кобальта - синий, марганца - красный, титана - желтый. Бесцветный ИАГ применяется в качестве имитации алмаза, а зеленый настолько похож на демантоид, что визуально отличить его практически невозможно.

Гадолиний-галлиевый гранат представляет собой прозрачный материал со слабым коричневым оттенком и очень сильный блеском, одно время имел некоторый успех в качестве имитации алмаза. Диагностические свойства ГГГ приведены в таблице. Следует отметить его невысокую твердость, которая не позволила ему получить широкое распространение в качестве ювелирного материала.

Среди внутренних особенностей в синтетических гранатах часто наблюдаются зональность, газовые и твердые включения, блочность и трещиноватость. Диагностика ИАГ и других синтетических гранатов особых затруднений не вызывает.

В последнее время наиболее популярным из всех синтетических материалов, имитирующих алмаз, является фианит - стабилизированная кубическая окись циркония. Впервые кристаллы фианита были выращены в середине 60-х годов в нашей стране в Физическом институте им. П.И. Лебедева А.Н. СССР (ФИАН), в честь которого и были названы полученные кристаллы. Для выращивания кристаллов фианита в настоящее время применяется метод гарнисажной плавки. Обладая набором важных для использования в научных и технических целях свойств, фианиты, тем не менее, очень скоро после разработки метода их получения начали применяться в ювелирной промышленности. Этому способствовали прежде всего красота и поразительное внешнее сходство бесцветных ограненных фианитов с бриллиантами, а также способность их окрашиваться, при введении хромофорных примесей, в различные яркие цвета. Например, примесь европия придает фианитам розовый цвет, железа - желтоватый, кобальта - темно-лиловый, ванадия - зеленый, меди - желтый, а серий - ярко-красный. В последнее время в России разработана технология получения непрозрачных белых, розовых и черных разновидностей, которые выступают как имитации жемчуга, черного халцедона или черного алмаза. На сегодняшний день диагностика фианитов не представляет особых сложностей (к диагностическим свойствам относятся плотность, твердость, УФ-флюоресценция).

Фианиты наряду с синтетическими гранатами являются достойными соперниками природных ювелирных камней. При этом фианиты, характеризующиеся более высокими значениями показателя преломления и дисперсии, обладают более ярким блеском и игрой света, чем, например, иттрий-алюминиевые гранаты.

Следующим синтетическим кристаллом, не имеющим природных аналогов и применяемом в ювелирном деле является ниобат лития , также известный под торговым названием «линобат». Выращивают его методом Чохральского, вытягивают монокристаллы из расплава ниобата в платиновом тигле. Ниобат лития обладает двойным лучепреломлением, но по показателю преломления (см. таблицу) он близок к алмазу. Из-за своего «шелковистого» вида, обусловленного довольно высоким двупреломлением, и низкой твердости, линобат - одна из наименее ценных имитаций алмаза. Бесцветный с чистом виде, ниобат лития может бать окрашен в зеленый цвет примесью хрома, в желтый - примесью никеля, в синий - примесью кобальта и в красный - примесью двухвалентного железа. Вследствие высокого двупреломления ниобат лития может быть легко принят за циркон, однако по этому же признаку его легко отличить от алмаза или демантоида.

В качестве имитаций природных ювелирных камней издавна применялись различные искусственные стекла, и они до сих пор продолжают широко использоваться в ювелирном деле. Под встречающемся в литературе названием «стразы», также подразумеваются стекла. Следует отметить, что существуют также разнообразные природные стекла - молдавиты, обсидиан, лешательерит и др., ниже будут описаны только стекла, получаемые искусственным путем и не имеющие к природным никакого отношения. По цвету стекло может очень точно имитировать большинство ювелирных камней, тем более, что камни с низким показателем преломления обычно имеют стеклянный блеск. Хотя свойства стекол могут варьировать в широких пределах, к настоящему времени выявлены надежные диагностические признаки для определения имитаций из стекла. Наиболее важными являются: включения газовых пузырей (иногда достаточно крупных), аномальное двупреломление (наблюдается не всегда), раковистый излом (стекло является достаточно хрупким), показатели преломления и плотность (эти константы у стекол редко соответствуют константам имитируемых камней), также стекла часто содержат так называемые свили, напоминающие изогнутую зональность.

Среди синтетических камней , не имеющих природных аналогов следует также отметить синий, зеленый кварц и синий синтетический форстерит . Хотя кварц и форстерит встречаются в природе, но перечисленных цветовых разновидностей в сочетании с примесями и процессами, приводящими к возникновению такого цвета, в природе нет. Синтетический кварц выращивают гидротермальным методом. Для получения синего цвета в систему вводят примесь кобальта, а для получения зеленых и коричневых разновидностей - железо.

В целях эксперимента в небольших количествах был синтезирован форстерит, содержащий примесь кобальта. При введении даже незначительного количества данной примеси синтетический форстерит приобретает синюю окраску и сильный плеохроизм в красных тонах, что позволяет ему выступать в качестве имитации танзанита (популярного за рубежом синего цоизита).

В какой-то мере к категории описываемых ювелирных синетических камней можно отнести и камни, имеющие природные аналогами, но природные камни встречаются в виде мельчайших индивидов, поэтому они в ювелирном деле не применяются. Наиболее известным среди таких камней является муассанит , к числу менее известных относится цинкит. Оба имеют высокий показатель преломления. Муассанит с 1996 применяется в качестве имитации алмаза, а цинкит менее распространен поскольку обладает невысокой твердостью.

Изделия с синтетическими камнями, не имеющими природных аналогов, занимают устойчивое положение на рынке в секторе недорогих ювелирных изделий, доступных широкому кругу потребителей. Их свойства (такие как цвет, дисперсия, твердость) и высокие качественные показатели позволяют с успехом применять их в качестве имитаций, т.е. как альтернативу дорогим ювелирным камням. В некоторых случаях эти камни выглядят даже лучше, чем природные камни, например, бесцветный фианит по своей «игре» и блеску при вечернем освещении превосходит бриллиант. Поскольку технологии синтеза находятся в постоянном развитии, мы в праве ожидать появления новых ювелирных материалов и новых разновидностей уже существующих.

Таблица. Диагностические свойства некоторых синтетических камней, не имеющих природных аналогов.

	Химическая формула	Показатель преломления	Двупреломление	Дисперсия	Плотность г/см 3	УФ-флюоресценция	Твердость
Фианит			изотропный			ДВ: желто-зеленая или желтая
			изотропный			ДВ: яркая, в зависимости от примесей
			изотропный
Ниобат лития
Стекла			изотропный

Максим Викторов

Ксения Розенберг

Геммологический Центр МГУ

Химическая формула ИАГ: : . Этот лазер работает па четырехуровневой схеме. Первый уровень, называемый основным, соответствует min возможному значению энергии, которую могут иметь ионы.

Число ионов, имеющих min энергию, составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана. В лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности (), а на преодоление потерь в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для возникновения генерации достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает этот вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень, и для создания инверсной населенности (), требуется перевести на метастабильный уровень 2 не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения больше половины. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, на рубине) мощность накачки расходуется непроизводительно и их КПД оказывается существенно ниже. Состояние среды, когда N3>N2, называется инверсией населенности энергетических уровней. Иттрий-алюминиевый гранат с примесью неодима является уникальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твёрдостью и удовлетворительными оптическими свойствами. Подходящ для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня (t = 0,23 мс) позволяет ИАГ быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности. ИАГ-лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем, с близким расположением лампы и кристалла или с многоэллипсным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего давления (500- 1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4- 6 атм). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры ИАГ -лазера оказываются следующими: в непрерывном многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; в импульсном лазере с большой скоростью повторения импульсов (50 Гц) средняя выходная мощность порядка 500 Вт; в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; в режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД составляет около 1-3%.

24. Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, типы полупроводниковых лазеров. Спектральные и генерационные характеристики.

Полупроводниковые лазеры (ППЛ) испускают излучение в диапазоне длин волн 0,32-32 мкм. В качестве активной среды применяют полупроводниковые кристаллы. В них используются оптические переходы с участием свободных носителей тока в кристаллах, т.е. с участием состояний в электронных зонах.

Полупроводниковые лазеры обладают следующими особенностями:

Очень малыми размерами излучающей области,

Весьма высоким КПД (50-60%),

Малыми мощностями.

В сравнении с твердотельными и газовыми полупроводниковые лазеры обладают:

Меньшей когерентностью,

Направленностью (1-6°) и

Монохроматичностью луча (примерно 5 нм).

По способу накачки лазеры полупроводниковые делятся на:

Инжекционные,

С накачкой пробоем в электрическом поле,

С накачкой пучком быстрых электронов,

С оптической накачкой

Работают полупроводниковые лазеры преимущественно в импульсном режиме и при низких температурах, что вызвано необходимостью обеспечить теплоотвод, а также и тем, что при понижении температуры генерация возникает при меньших плотностях тока. В качестве активной среды наиболее широко применяют арсенид галлия с p-n-переходом, генерирующим излучение с длиной волны равной 0,84 мкм, и сплав арсенида и фосфида галлия. Возбуждение p-n-перехода осуществляют путем инжекции электронов.

По своим качествам, структуре и принципам работы полупроводниковые лазеры отличаются от других лазеров. Энергетические уровни, относящиеся к лазерному переходу, определяются всей кристаллической решеткой. Эти состояния не являются дискретными, а слиты в энергетические зоны, представляющие собой
группы энергетических состояний, расположенные очень тесно. Для лазера представляют интерес две энергетические зоны: валентная и проводимости.

Валентная зона является наиболее высоким состоянием, заполненным электронами. Зона проводимости лежит выше и отделена областью энергии, называемой запрещенной зоной, в которой нет никаких электронных состояний. При поглощении энергии электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне остаются дырки. Аналогично электрон может перейти из зоны проводимости и рекомбинировать с дыркой в валентной зоне. При рекомбинации разность энергии испускается в виде излучения. Электроны инжектируются со стороны n-типа и рекомбинируют в области перехода. В результате этого возникает ток. Такие лазеры называются инжекционными. При прохождении тока должно создаваться достаточное количество дырок и электронов, так чтобы излучение, генерируемое при их рекомбинации, превышало потери, которые связаны с дифракционным выходом света из активной области, пропусканием света на границе перехода и поглощением света свободными носителями в области перехода. Поэтому существует пороговое значение плотности тока, необходимое для работы лазера.

Полупроводниковые лазеры не обладают малой расходимостью пучка, так как их излучение испускается через апертуру, ограниченную малой шириной перехода. Дифракция на узкой полосе перехода приводит к выходу излучения в более широком угле, чем для лазеров других типов. Поэтому излучение, например, лазера на арсениде галлия имеет вид луча эллиптического сечения с углом рассеяния на уровне 0.5, равным нескольким градусам в направлении, параллельном переходу, и большими размерами в направлении, перпендикулярном переходу.

В последние годы иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) вызывает неослабный интерес исследователей во всем мире, так как является.одним из самых перспективных материалов для квантовой электроники и других разделов современной техники. Физико-механические свойства ИАГ позволяют использовать его и как сырье для ювелирной промышленности.

Гранат можно выращивать различными методами . В СССР производство ИАГ для ювелирной промышленности основано на использовании метода горизонтальной направленной кристаллизации . В качестве исходных компонентов для синтеза ИАГ по реакции

3Y 2 O 3 + 5Al 2 O 3 → 2Y 3 Al 5 O 12

применяют окись иттрия марки «ХЧ» и корундовую керамику. Сплавление шихты и кристаллизация происходят в вакууме в аппаратах «Сапфир-1м» или СГВК. Вакуумная технология, особенно удобная для выращивания бесцветных кристаллов, позволяет также получать кристаллы ИАГ розового, сиреневого и зеленого цветов, окрашенные окислами эрбия, неодима, хрома и ванадия. При этом из-за интенсивного испарения окрашивающих добавок в шихту вводится количество хромофора, в два-три раза превышающее его содержание в кристалле.

Используемая технология обладает рядом существенных недостатков. При кристаллизации в вакууме через разогретую камеру в течение всего процесса прокачивается небольшое, но конечное количество воздуха. Кислород воздуха окисляет вольфрамовый нагреватель и теплозащитные молибденовые экраны, что значительно сокращает срок их использования. Кроме этого, окисная пленка снижает отражательную способность экранов и приводит к увеличению энергозатрат. В результате химических реакций между окислами ванадия и молибдена с одной стороны и кристаллизуемым материалом с другой растущий кристалл покрываетс металлическим налетом. Нерационально и использование в качестве компонента шихты довольно дорогой (30 - 35 руб. за 1 кг) корундовой керамики, сильно загрязненной окислами железа, в то время как в ювелирной промышленности существует проблема использования возвратных отходов корунда ограночного производства, цена на которые составляет 5 руб. за 1 кг.

Во ВНИИювелирпроме создана технология перекристаллизации этих отходов , но их применение для выращивания ИАГ значительно эффективнее.

Использование возвратных отходов в качестве компонентов гранатовой шихты основано на том, что отходы корунда представляют собой монокристаллическую окись алюминия с добавками Сг 2 О 3 и V 2 O 3 . Окислы хрома и ванадия, окрашивающие кристаллы корунда, играют роль хромофоров и в гранате, изоморфно входя в его структуру. Возвратные отходы корунда, выращенные методом Вернейля, выгодно отличаются от корундовой керамики низкой концентрацией «вредных» примесей. Так, содержание Fе 2 O 3 в корундовой керамике достигает 0,5%. Высокое содержание окисла железа, взаимодействующего с молибденом, приводит к протечкам контейнеров в процессе кристаллизации. Концентрация железа в возвратных отходах не превышает 0,05% .

Во ВНИИювелирпроме разработана технология выращивания ИАГ в газовой среде с использованием возвратных отходов корунда. По этой технологии высушенная окись иттрия, возвратные отходы и, если необходимо, добавки хромофорных окислов в стехиометрическом соотношении загружаются в специальный контейнер для сплавления. При этом для получения однородного слитка шихту загружают слоями: на дно контейнера - возвратные отходы корунда, затем слой порошка V 2 О 3 , возвратные отходы и т. д. Как при сплавлении, так и при кристаллизации, вакуумирование аппарата производится с помощью форвакуумного насоса до 10 ~2 торр. После этого в аппарат запускают аргоно-водородную смесь (95% Аг осч и 5% H 2 техн), создающую давление 0,5 атм. Простые расчеты показывают, что более высокая степень вакуумирования не имеет смысла. Так, уже при вакуумировании до 10 -3 торр количество кислорода, вносимое с аргоном, будет на порядок выше оставшегося в аппарате количества кислорода.

Таким образом, с момента запуска в холодный аппарат газовой смеси в камере постоянно поддерживается избыточное давление, т. е. проблема «натекания» перестает существовать.

Следует отметить, что процесс выращивания ИАГ разрабатывался с учетом конкретных условий существующего производства, так что переход с «вакуумной» технологии на «газовую», связанную с использованием водорода, может быть осуществлен в тех же условиях (противопожарная категория помещения) с соблюдением всех требований техники безопасности.

Созданная технология дает очевидные преимущества по сравнению с существующей технологией:

1. На два-три часа сокращается время подготовки аппарата к работе.

2. В четыре-пять раз увеличивается срок службы нагревательного элемента и теплозащитных экранов - самых дефицитных деталей кристаллизационной камеры.

3. Отсутствие пленки окислов на теплозащитных экранах увеличивает их отражательную способность. Это позволяет вести процесс кристаллизации при более низком напряжении на нагревателе.

4. Существенное преимущество технологии, основанной на использовании возвратных отходов корунда, - возможность получения кристаллов различных цветов, в том числе изумрудно-зеленого, причем процент выхода годного сырья значительно больше, чем при выращивании в вакууме.

Кроме изумрудно-зеленых кристаллов, разработанная технология позволяет получать ИАГ и других цветов желто-зеленой гаммы, представляющих интерес для ювелирной промышленности. В табл. 1. приведены соответствующие составы шихты.

Таблица 1

Оптимальный состав шихты и цвет выращенных кристаллов ИАГ

№ п п	Состав шихты				Цвет
	Y 2 O 3 , вес.%	Al 2 O 3 (вид отходов), вес.%	Цветообразующая добавка
			Вещество	Вес.%
1	57,1	Корунд с V 2 О 3 и Сг 2 О 3 42,9	-	-	Бледно-зеленовато-желтый, близкий к хризолиту
2	57,1	Корунд с Сг 2 О 3 42,9	-	-	Желтый, близкий к цитрину
3	57,1	Корунд с V 2 О 3 и Сг 2 О 3 42,9	V 2 O 5	0,40	Зеленый, близкий к изумруду
4	57,1	То же	V 2 O 3	0,30	То же
5	57,1	Корунд с Сг 2 О 3 42,9	V 2 O 5	0,40	То же
6	57,1	То же	Cr 2 O 3	0,30	Темно-зеленый

Как следует из данных табл. 1, кристаллы ИАГ хризолитового и цитринового цветов получаются без добавки окислов - хромофоров, а за счет окрашивающих веществ, содержащихся в возвратных отходах корунда (Сг 2 O 3 - 0,3-0,7 вес.% и V 2 O 3 - 0,2-0,З вес-.%) .

Указанное в табл. 1 содержание цветообразующих добавок рассчитано в процентах от суммарного количества окиси иттрия и возвратных отходов. Эти добавки являются сверхстехиометрическими, т. е. они не компенсированы дополнительным количеством V 2 O 3 . Такой состав шихты позволяет получить не только нужный цвет, но и улучшить качество кристалла (уменьшается растрескивание).

По данным табл. 1 видно, что для получения кристаллов изумрудного цвета в шихту можно добавлять как V 2 O 3 , так и Al 2 O 3 . Это объясняется тем, что пятивалентный ванадий легко восста-навливается до трехвалентного состояния в присутствии водорода. При введении Сг 2 О 3
(кристалл № 6) в свете лампы накаливания наблюдается красная флуоресценция, что приводит к очевидному различию этих кристаллов и изумрудов.

Близость остальных кристаллов по цвету к хризолиту, цитрину и изумруду подтверждается не только методом экспертной оценки, но и объективными расчетами цветовых характеристик сравнивае¬мых материалов. Цветовые координаты рассчитывались по стандартной методике на основании данных о спектрах пропускания ИАГ и природных минералов.

Сравнение спектров зеленого «изумрудного» граната и природного изумруда (кривые 1 и 4 на рис.1) свидетельствуют в целом об их подобии в значительном интервале длин волн. Достаточно большое сходство обнаруживают также цветовые особен¬ности хризолита и ИАГ цвета хризолита (кривые 2, 5).

Рассчитанные координаты в цветовом треугольнике (рис. 2) определяют цветовой тон и чистоту цвета. Как видно по данным рис, 2, координаты граната изумрудного цвета (точка 1) и природного изумруда (точка 4) довольно близки, причем цветовое сходство больше, чем в случае природного и синтетического изумруда (точка 8). Значительное сходство обнаруживается и при сравнении цветовых координат граната цвета хризолита (точка 2) и природного хризолита (точка 5). То же можно сказать о цитрине природном (точка 6) и «цитриновом» гранате (точка 3), цвета которых ближе между собой, чем цвета природного и синтетического (точка 7) цитрина.

В табл. 1 приведены количества хромофоров, добавляемых в шихту. Естественно, в процессе кристаллизации концентрация хромофоров меняется. Поэтому интересно было определить содержание Сг и V в монокристалле, цвет которого удовлетворял бы требованиям, предъявляемым к ювелирному сырью. С этой целью проводился спектральный эмиссионный анализ на Сг и V кристалла № 3, позволивший оценить распределение хромофоров по длине монокристалла. Ошибка при определении составляла 9 и 11% для Сг и V соответственно (рис. 3). Концентрация ванадия в шихте не превышала 0,5% (0,1% в возвратных отходах корунда }