Неразрушающая диагностика драгоценных камней-минералов методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОТДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР УНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи УДК 5^09,3

{Л-

Твердов Валерий Викторович

Неразрушающая диагностика драгоценных камней-минералов методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния.

01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

ииа070136

Москва 2007 г

003070136

Работа выполнена в Научно-технологическом центре Уникального приборостроения Российской Академии наук

Научные руководители д ф -м н БОРИТКО С В

к ф -м н ОТЛИВАНЧИК Е А

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Сидоров Николай Васильевич кандидат технических наук Мазур Михаил Михайлович

Ведущая организация Институт спектроскопии РАН

Защита состоится 30 мая 2007 г в 16 час на заседании диссертационного совета Д 002 135 01 Научно-технологического центра уникального приборостроения Российской Академии наук по адресу Москва, ул Бутлерова д 15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ уникального приборостроения РАН или получить электронную версию, сделав запрос по адресу у^е@ро$1 ги

Автореферат разослан.^ апреля 2007 г

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью просим присылать по адресу 117342, Москва, ул Бутлерова д 15, Диссертационный совет НТЦ УП РАН

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002 135 01 к ф-м н

/ Отливанчик Е А /

Общая характеристика работы.

Человек всегда интересовался драгоценными камнями Вначале его привлекали только красота камня, его блеск и окраска Позже стали использовать некоторые физические свойства камня - твердость, способность раскалываться на тонкие острые пластинки В более поздние времена их стали ценить за редкость и долговечность В результате были сформулированы три основные положения, позволяющие считать природные камни-минералы драгоценными красота, износостойкость и уникальность

Ни у кого не вызывает сомнений, что основными определяющими свойствами ювелирных камей-минералов является прозрачность и цвет Прозрачностью в значительной степени определяется применение и стоимость минерала Собственная окраска минерала - идиохроматическая -связана с присутствием в нем элементов-хромофоров, входящих в формульный состав в виде примесей В то же время изменения окраски в основном зависят от включений - аллохроматическая окраска Следует отметить, что в ювелирной практике издавна использовали всевозможные имитации (в случае бриллиантов прозрачные бесцветные минералы -циркон, корунд, топаз, берилл, горный хрусталь, а также различные стекла с сильной дисперсией)

Конец XIX века был ознаменован открытием синтеза драгоценных камней группы корунда С 1902 года французский химик М А Вернель начал поставлять на рынок синтетические рубины, а чуть позже - сапфиры и шпинель В настоящее время потребности электронной промышленности, космической техники и т п настолько стимулировали поиск новых материалов со специальными оптическими и физическими свойствами, что искусство и наука выращивания кристаллов достигли высот, позволяющих получать в лаборатории большинство из важнейших драгоценных ювелирных камней, свойства которых ничем не отличаются от природных, а качество подчас гораздо выше

Таким образом, задача достоверной диагностики (т е определения)

драгоценного камня (особенно в сложном ювелирном изделии) стоит довольно остро и ее значимость, по мере дальнейшего развития новейших технологий синтеза новых материалов, будет только возрастать Это и определяет важность и актуальность тематики данной диссертационной работы

Целью диссертации является решение следующих задач

- выбор физических основ, которые могли бы стать основой методики неразрушающей диагностики драгоценных камней-минералов в сложных ювелирных изделиях,

отработка аппаратурного оформления, выбранной методики диагностики и разработка соответствующего программного обеспечения,

- создание малогабаритного (мобильного) аппаратурно-программного комплекса для диагностики драгоценных камней-минералов,

- проведение натурных исследований на реальных образцах алмазов и их имитаторах для оценки работоспособности созданной методики диагностики,

- оформление основы для создания пополняемой базы данных драгоценных ювелирных камней и их имитаторов

Научная новизна и научно-практическая ценность полученных в работе результатов определяется тем, что в ходе выполнения работы реально создан малогабаритный мобильный диагностический комплекс, позволяющий достоверно и однозначно определять драгоценные камни в сложных ювелирных изделиях и заложена основа создания пополняемой базы данных и методики для автоматического распознавания драгоценных камней в сложных ювелирных изделиях

Основные защищаемые положения. На защиту выносится методика приборной диагностики драгоценных камней-минералов в сложных ювелирных изделиях и ее аппаратурное оформление, а именно

-41 использование акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния обеспечивает возможность достоверной и однозначной диагностики драгоценных ювелирных камней,

2 разработанное устройство управления позволяет создать малогабаритный мобильный акустооптический спектрометр комбинационного рассеяния, являющийся приборной основой созданной методики,

3 результаты проведенных натурных измерений алмазов и их имитаторов подтверждают применимость созданной методики диагностики для определения драгоценных камней и их имитаторов в сложных ювелирных изделиях,

4 обобщение полученных экспериментальных спектров и известных литературных данных составляет основу для создания пополняемой базы данных для диагностики ювелирных камней разработанной методикой

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается информативностью и адекватным использованием экспериментальных методик акустооптической спектроскопии применительно к изучению свойств кристаллов, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также интерпретацией данных, полученных независимыми методами, с единых позиций, использования современных представлений науки

Апробация работоспособности созданной диагностической установки прошла в фондах государственного «Геологического музея» им В И Вернадского (г Москва)

Основные результаты диссертации опубликованы в пяти печатных работах, список которых приводится в конце автореферата, а так же представлялись на

- 6-ой Международной выставке «LIC RUSSIA 2004», 27-30 января 2004 г , Москва, «Сокольники»,

- VI-м Международном Форуме «Высокие технологии XXI века», 18-22

апреля 2005 г, Москва, «ЭКСПОЦЕНТР»,

- Международной специализированной выставке оптической, лазерной и оптоэлектронной аппаратуры «ФОТОНИКА-2006», 3-6 июля 2006 г , Москва, ЗАО «Экспоцентр» на Красной Пресне,

- XII-ой Московской промышленной выставке «Москва и регионы России Кооперация и сотрудничество», 30 августа - 2 сентября 2006 г, Москва, ВВЦ, павильон № 57,

и отмечены Серебряной медалью лауреата конкурса «Лучшая отечественная продукция 2006 года» в номинации «Перспективные и инновационные разработки»

Личный вклад автора состоит в

• постановке задачи по проектированию устройства управления,

• исследовании требований, предъявляемых к акустооптическому спектрометру для осуществления диагностики драгоценных ювелирных камней,

• разработке функциональной схемы устройства управления акустооптическим спектрометром,

• проектировании, сборке и тестировании печатной платы устройства управления, на основе которой и создан малогабаритный мобильный акустооптический спектрометр комбинационного рассеяния,

• разработке программного обеспечения, осуществляющего функционирование платы и прибора в целом,

• проведении измерений реальных спектров, доказавших работоспособность комплекса и правильность выбранной методики

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка работ автора и списка использованной литературы, включает 97 страниц текста, в том числе 32 рисунка и фотографии и две таблицы

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении выделен круг нерешенных проблем диагностики ювелирных камней, ставятся задачи и цели работы, обосновывается ее актуальность и практическая значимость, формулируются положения, выносимые на защиту и раскрывается содержание диссертации по главам

Первая глава фактически посвящена обзору литературы В ней рассмотрены основные методики диагностики камней-минералов используемые в геммологи и ювелирной промышленности, отмечены их достоинства и недостатки Кратко рассмотрено аппаратурное оформление этих методик, такое как микроскоп (карманная лупа), рефрактометры, рефлектометры, использование рентгеновских лучей и спектроскопа

В частности, в параграфе 1 7 рассмотрено явление комбинационного рассеяния света Если облучать какое-либо вещество с помощью источника света, который испускает одну интенсивную спектральную линию, то при этом в спектре рассеянного света обнаруживаются не только спектральная линия источника света (релеевская линия), но и другие линии, имеющие смещенные частоты по сравнению с возбуждающей (линии комбинационного рассеяния) Подобные смещенные линии впервые были обнаружены в 1928 году индийским физиком Раманом Следовательно, наличие спектра комбинационного рассеяния присуще всем без исключения веществам в кристаллическом или аморфном состоянии Причем число и спектральное положение линий, их ширина, интенсивность тесно связаны как с вещественным составом, так и с атомной структурой рассеивающего объекта Именно эта связь и является основой для использования явления комбинационного рассеяния в диагностике Не случайно спектр комбинационного рассеяния называют «отпечатком пальца» минерала

На возможность использования спектроскопии комбинационного рассеяния для неразрушающей диагностики камней-минералов по характерному набору фундаментальных колебательных частот впервые указал Курт Нассау в 1981 году Однако, выпускаемые в настоящее время

установки для изменил комбинационного рассеяния света довольно громоздки, требуют юстировки, тестирования и настройки перед началом измерений (т к содержит монохроматоры на дифракционных решетках), что существенно ограничивает возможность их массового использования в диагностических целях

Следует отметить, что ограничениями метода комбинационного рассеяния для диагностики могут быть

- слишком сильный фон люминесценции, который затрудняет или даже делает невозможным наблюдение спектров комбинационного рассеяния,

- скрытокристаллический или аморфный характер кристаллической структуры камня-минерала, что в ряде случаев приводит к регистрации маловыразительного спектра,

- густая окраска исследуемого образца (из-за сильного поглощения как возбуждающего, так и рассеянного света отклик в таких объектах оказываются на один - два порядка ниже, чем в светлоокрашенных)

Но указанные ограничения носят непринципиальный характер В то же время метод комбинационного рассеяния не накладывает практически никаких ограничений на размер исследуемого камня (минимальный размер объекта соответствует диаметру сфокусированного лазерного луча, т е около 0,1 мм), на его форму и характер поверхности Кроме того, с одинаковым успехом могут изучаться как свободные, так и закрепленные в ювелирном изделии камни

Вышеизложенное и определило выбор метода спектроскопии комбинационного рассеяния, в качестве физической основы создаваемого аппаратурно-программного мобильного диагностического комплекса для определения ювелирных камней

Во второй главе Подробно описан рамановский акустооптический спектрометр комбинационного рассеяния, разработка устройства управления и диагностический комплекс, созданный на его основе

Для использования в задачах рамановской спектроскопии спектрометр

должен иметь высокую чувствительность, достаточно высокое спектральное разрешение и высокий спектральный контраст Спектрометр на основе акустооптических фильтров позволяет обеспечить чувствительность за счет высокой светосилы и регистрации в режиме счета фотонов Спектральное разрешение таких фильтров достаточно для многих приложений, связанных с анализом состава твердых тел Однако спектральный контраст не высок, прежде всего из-за наличия медленно спадающих крыльев и функции их пропускания Очевидный подход к этой проблеме заключается в использовании дополнительного режекционного фильтра, подавляющего отраженное от образца лазерное излучение

Другой подход, использованный в разработанном в НТЦ УП РАН приборе, заключается в двойной монохроматизации излучения путем использования двух последовательно расположенных акустооптических фильтров, настроенных на одну и ту же длину волны Такой подход, обеспечивает высокий контраст и не требует применения режекционных фильтров, а потому позволяет использовать спектрометр с разными лазерами Кроме того, двойная монохроматизация позволяет дополнительно повысить спектральное разрешение в 1,5 раза

Рис 1 Функциональная схема акустооптического спектрометра комбинационного рассеяния

Спектрометр для измерения комбинационного рассеяния (Рис 1) состоит из излучающей части - зеленого лазера (к=532 нм), приемной части, включающей оптический блок и устройство управления, а так же волоконно-оптического зонда, необходимого для освещения исследуемого объекта и приема рассеянного излучения Спектрометр управляется от любого персонального компьютера, на котором установлена управляющая программа и который соединяется с устройством управления через стандартный последовательный порт или USB порт

Анализ функциональной схемы спектрометра однозначно показывает, что обеспечение согласованной работы всех блоков и компонентов является наиболее важной задачей Решение этой задачи обеспечивает устройство управления Устройство управления собрано на базе малогабаритного одноплатного микрокомпьютера В его состав входят также дополнительные платы устройство управления и устройство питания Первое из них выполняет функцию управления работой спектрометра, второе - выработки питающих напряжений и обеспечения мощности для работы ВЧ усилителя

Устройство управления и обработки сигналов спектрометра было разработано с применением новейших технологий микропроцессорной техники Использован микроконтроллер данных ADuC 831 (ANALOG DEVICES) Устройство управления является ключевым и выполняет следующие функции

• обеспечивает связь с компьютером пользователя,

• обеспечивает синхронную работу всех составных частей прибора,

• формирует программные коды для цифрового прецизионного синтезатора частоты,

• управляет акустической волной в акустооптическом монохроматоре, включая и выключая усилитель мощности,

• принимает сигнал фотоприемного устройства, измеряет его и накапливает,

• выполняет контроль состояния акустооптического монохроматора

Рис. 3. Изготовленная плата устройства управления.

- допускает добавление, требуемых экспериментаторами дополнительных функций управления спектрометра, без переделки прибора.

Технические характеристики устройства управления приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Основные технические характеристики устройства управления:

Прецизионный 12-разрядный АЦП 8-канальный

Скорость выборок до 200KSPS

Контроллер канала ГЩП к внешней памяти данных

Два 12-разрядных ЦАП с вольтовым выходом

FLASH память программ 8 Кбайт

FLASH память данных 640 байт

Внутренняя память данных 256 байт

Пространство внешней памяти данных 16 Мбайт

Внешняя память программ 64 Кбайт

Номинальная тактовая частота 12 МГц

Три счетчика/таймера 16-разрядные

Программируемые линии в вода/вы вод а 32

Порг с высоким выходным током 1

Последовательный порт RS-323, US В

Диапазон звуковых частот при испояьзд ванин синтезатора ФС1 10-82 МГц (10 бит ЦАП)

Диапазон звуковых частот при использовании синтезатора ФС2 10-136 МГц (12 бит ЦАП)

Затухание вне полосы пропускания 36 Дб

Рис 3 Изготовленная плата устройства управления

- допускает добавление, требуемых экспериментаторами дополнительных функций управления спектрометра, без переделки прибора

Технические характеристики устройства управления приведены в Таблице 1

Таблица 1

Основные технические характеристики устройства управления:

Прецизионный 12-разрядный АЦП 8-канальный

Скорость выборок до 200К5Р8

Контроллер канала ПДП к внешней памяти данных

Два 12-разрядных ЦАП с вольтовым выходом

FLASH память программ 8 Кбайт

FLASH память данных 640 байт

Внутренняя память данных 256 байт

Пространство внешней памяти данных 16 Мбайт

Внешняя память программ 64 Кбайт

Номинальная тактовая частота 12 МГц

Три счетчика/таймера 16-разрядные

Программируемые линии ввода/вывода 32

Порт с высоким выходным током 1

Последовательный порт Ы8-323, ШВ

Диапазон звуковых частот при использовании синтезатора ФС1 10-82 МГц (10 бит ЦАП)

Диапазон звуковых частот при использовании синтезатора ФС2 10-136 МГц (12 бит ЦАП)

Затухание вне полосы пропускания 36 Дб

На Рис. 4 показана общая структурная схема разработанной научно-исследовательской установки для диагностики ювелирных (прозрачных и полупрозрачных) камней-минералов.

Рис. 4. Структурная схема созданной диагностической установки; I — волоконно-оптический зонд, 2 - блок питания лазера, 3 -лазерная головка, 4 - оптический блок, 5 - устройство управления, 6 - управляющий компьютер, 7 - образец.

Третья глава посвящена исследованию реальных драгоценных камней ряда алмаза, т.е. бриллиантов и его имитаторов таких как фианит, рутил, циркон, шеелит, корунд, шпинель, турмалин, берилл, горный хрусталь, ИАГ, ниобат лития, титанат стронция и т.д., методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния на базе установки, описанной и предыдущей главе.

В первом параграфе описано исследование собственно алмазов. Этот удивительный минерал известен людям уже около пяти тысяч лет, однако он до сих пор привлекает к себе пристальное внимание. Описывая алмаз, десятки раз употребляют слово «самый» - самый твердый, самый блестящий, самый износостойкий, самый дорогой, самый редкий и т.д.

Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии, гексооктаэдрическом виде симметрии. Алмаз состоит из углерода (96-99,8%). Кроме того, в количестве не более 0,2 - 0,3% в нем содержатся примеси азота, кислорода, алюминия, бора, кремния, марганца, меди, железа, никеля, титана и цинка.

Встречаются включения графита, оливина, пиропа, хромита и др Совершенно бесцветные алмазы довольно редки Обычно у них наблюдается какой-либо оттенок Окраска алмаза зависит от дефектно-примесных центров и включений Наиболее распространенная желтая окраска связана с атомами азота, изоморфно замещающими в структуре алмаза атомы углерода Голубой окрас, равномерно распределенный по всему кристаллу, обусловлен вхождением в структуру алмаза бора Молочно-белая окраска объясняется наличием мелкодисперстных включений граната, а серая и черная -включениями графита

Показатель преломления алмаза 2,417, дисперсия 0,063, что намного выше, чем у других минералов (этим объясняется «игра» бриллиантов) Кристаллы алмаза оптически изотропны, однако, из-за присутствия различных дефектов под микроскопом практически всегда обнаруживается двулучепреломление

Бриллиант (ограненный алмаз) состоит из атомов углерода прочно объединенных в кубическую решетку ковалентными связями Для такого кристалла характерно одно групповое колебание и, следовательно, в спектре комбинационного рассеяния должен присутствовать только один ярко выраженный пик, уширенный в меру теплового колебания (см Рис 5)

Второй параграф посвящен исследованию наиболее близкого имитатора алмаза ФИАНИТА, который был синтезирован в 1972 году в Физическом институте Академии наук СССР (ФИАН) Его показатель преломления приближается к алмазу 2,1 - 2,2, а твердость составляет 7,5 - 8 по шкале Мооса По химическому составу фианит представляет собой окись циркония и гафния в сочетании с добавками редкоземельных элементов - эрбия, кобальта, ванадия, хрома и железа Цены на этот материал колеблются около 10 долларов за карат Высокий показатель преломления фианитов, близкий к алмазу и большая дисперсия создают особую игру света при различных условиях освещения Обрабатывать фианит можно только в определенных направлениях кристалла

99980

89980

79980

69980

| 59980 с

i 49980 t 39980 29980 19980 9980 -20

350 600 850 1100 1350 1600 1850 2100 2350 Длина волны, tlcm.

Рис. 5. Спектр комбинационного рассеяния натурального алмаза ювелирного качества (виден характеристический пик на частоте 1332 см"1).

Он довольно сложен в обработке, легко растрескивается и крошится. Выход при огранке сырья обычно не превышает 10-15%,

Таким образом, рассматривая фианит в качестве объекта для спектроскопических исследований, следует констатировать, что в кристаллической решетке фианита присутствуют упорядочен но расположенные атомы разных элементов, что приводит к образованию нескольких частот групповых колебаний решетки и спектр комбинационного рассеяния значительно богаче, чем для алмаза (черная кривая на Рис. 6). Причем, так как в структуре фианита отсутствуют связанные атомы углерода, то в спектре нет пика на частоте 1330 см"1, характеризующего бриллиант.

Им»да>1йОТ1Г Мл

Рис. б. Спектры комбинационного рассеяния фианита (черная) и бриллианта (синяя) в ювелирных изделиях.

Ддя доказательства достоверности и однозначности результатов диагностики бриллиантов в ювелирных изделиях предлагаемым методом рамановской спектроскопии (спектроскопии комбинационного рассеяния) на том же графике приведен нормированный спектр комбинационного рассеяния для бриллианта (синяя кривая). Видно кардинальное различие структуры спектров для тестируемых образцов, что свидетельствует о возможности безошибочного определения использованного в конкретном ювелирном изделии драгоценного камня без извлечения последнего.

-16В последующих параграфах работы рассмотрены другие натуральные и искусственные имитаторы алмаза. Например, горный хрусталь. Горный хрусталь - это чистый кварц, бесцветный и прозрачный, как вода кристалл, встречающийся в речных отложениях в виде отполированной в природных условиях гальки. После полировки приобретает хороший блеск. Народы Тибета применяли хрустальные шары при лечении ран (проходящие через кварц ультрафиолетовые лучи солнца убивают бактерии).

Горный хрусталь (МН-62458)

6000 5000

3 «во

с £

■ 3000

ьс к с;

£ 2000 О

1000 о

100 300 500 700 МО 1100 1300 1500

Сдвиг частоты, 1/см.

Рис. 7. Спектр комбинационного рассеяния кристалла горного хрусталя (образец МН-62458). Кварц представляет собой кристаллы двуокиси кремния - 5Ю2, относящиеся к тригональной сиигонии, тригонально-трапецоэдрическому виду симметрии. Твердость кварца 7 по шкале Мооса, показатели преломления и0 = 1,544, пс = 1,553, двупреломление 0,009, дисперсия 0,013. На Рис. 7 показан спектр комбинационного рассеяния кристалла кварца. Виден четко выраженный одиночный характеристический пик (что

- И -

характерно для алмаза), но его частота составляет 466 см 1 , т е, существенно меньше чем у алмаза и, следовательно, диагностика камня в ювелирном изделии и в этом случае однозначна.

Приведенные на Рис. 8 спектры комбинационного рассеяиия двух разных кристаллов шеелиту демонстрируют другую возможность разработанной методики. Из графика видно, что независимо от камня (обработан он или нет, добыт из разных месторождений или из одного, но допустим в разное время) основные характеристические пики в спектрах совпадают. Это позволяет однозначно определять тип (класс) исследуемого камня-минерала.

Шеелит (МН-25827)

50000

45 ООО

40000

. 35000 х 03

-Ц эоооо

в г

5 2S000 и

С 20000

15000

юооо

5000

1оо зоо 5оо ?оо эоо 11оо 1зоо 1soo Сдвиг частоты, 1/см.

Рис. Спектр комбинационного рассеяния кристалла шеелита, (образец МИ-6245 8).

В качестве обобщения результатов проведенных экспериментальных исследований и обработки литературных данных составлена таблица основных диагностических свойств алмаза и его имитаций, которая является основой для создания пополняемой базы данных для определения

Таблица 2,

Диагностические свойства алмаза и его имитаций.

Название Химическая формула Показатель преломления Двулучспре-ломление Дисперсия Плотность Г/см3 Твердость Спектральные особенности (рамановский сдвиг, см1).

Алмаз С 2,417 аномальное 0,063 (0,044) 3,52 10 Один острый пик 1332.

Фианпт (zr, hf)02 2,10-2,20 нет 0,060 6-10 7,5-8 830,1373,1581,1647,1864,2003, 2072.

ИАГ y3ai5o12 1,834 нет 0,028-0,038 4,57-7,09 6,5-8,5 Интенсивная люминесценция в красной области спектра.

Рутил Tlo2 2,61-2,90 0,287 0,180-0,300 4,25 - 4,32 6-6,5 614, уширенные 236 и 445.

Титанат стронция SrTiOj 2,41 нет 0,10-0,20 5,13-5,15 5,5-6,5 Уширенпые 253,470 и 612.

Ниобат лития LiNb03 2,20-2,30 0,120 4,64 5,5 115,200,297,342,415,575 и 870.

Циркон Zr[Si04] 1,920 - 2,010 0,036 - 0,059 0,039 3,95-4,80 6,5-7,5 224,357,439,974 п 1008

Шеелит Ca(W04) 1,918-1,934 0,016 0,026 6,1 5 84,336 и 912.

Сфалерит ZnS 2,37 нет 0,156 4,09 3,5 Один пик на 360

Корунд А120З 1,757-1,776 0,008 - 0,009 0,018 3,99-4,05 9 378,418,431,645 и 750.

Шпинель MgAl204 1,728 аномальное 0,020 3,63 8 310,403, 660 и 765.

Турмалин Na(Mg,Fe)3 А1б*[ВОз]з [Si«0ls](0H)4 1,652-1,672 0,019-0,024 0,017 2,90-3,31 7-7,5 Дравит: 217,243,370,677,704 и 1040. Эльбаит: 226,377,710,1093,3462 и 3588.

Топаз A12[sI04]* *(F, OH)2 1,607 -1,637 0,010 0,014 3,50-3,57 8 239,267, 924 и 3652.

Берилл Be3Al2[Si60i8] 1,566-1,600 0,004 - 0,010 0,014 2,50-2,90 7,5-8 324,396, 686 и 1069.

Горный хрусталь si02 1,544-1,553 0,009 0,013 2,65 7 128,207 и 466.

драгоценных камней в ювелирных изделиях (Таблица 2)

В заключении сформулированы основные результаты, полученные при выполнении данной диссертационной работы, а именно

Проведенный анализ литературных данных показал, что из всех существующих методик идентификации драгоценных камней-минералов, в том числе в сложных ювелирных изделиях, однозначную и достоверную диагностику наиболее доступным образом обеспечивает метод акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния

Использование принципа двойной монохроматизации и разработанной платы управления позволило создать акустооптический спектрометр, послуживший основой малогабаритного мобильного аппаратурно-программного комплекса для неразрушающей диагностики драгоценных камней-минералов

На созданной установке проведены натурные измерения драгоценных камней алмаза, (бриллианта - ограненного алмаза), и его натуральных (корунд, шпинель, турмалин, топаз, берилл, горный хрусталь) и искусственных (фианит, ИАГ, таусонит, ниобат лития и т д) имитаторов Анализ полученных результатов подтвердил жизнеспособность созданной методики неразрушающей диагностики драгоценных камней-минералов и ее приборного оформления

Создана Таблица диагностических свойств алмазов и его имитаций, которая является основой пополняемой базы данных для определения и идентификации прозрачных и полупрозрачных камней-минералов, в том числе драгоценных и полудрагоценных самоцветов возможно в сложных ювелирных изделиях

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях.

1 Боритко С В , Константинов А Ю , Кутуза И Б , Отливанчик Е А, Твердов В В Исследование примесного состава активных элементов твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния «Электромагнитные волны и электронные системы», 2005, т 10, № 8, стр 48-50

2 Боритко С В , Константинов А Ю , Отливанчик Е А , Пожар В Э , Суворов В А, Твердов В В, Портативный рамановский акустооптический спектрометр для контроля окружающей среды Журнал «Техника и технология», 2005 г, № 5(11) стр 27-34

3 Боритко С В , Отливанчик Е А , Твердов В В , Возможность достоверной диагностики ювелирных камней методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния, «Техника и технология», 2006 г ,№ 3(15), с 9-14

4 Боритко С В , Отливанчик Е А, Отливанчик А Е, Твердов В В «Исследование распределения активаторной примеси в активных элементах твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния» «Радиотехника и электроника» 2006, т 51, №11, с 1405-1408

5 Боритко С В , Отливанчик Е А , Твердов В В , Отливанчик А Е , О возможности использования Рамановской спектроскопии для диагностики ювелирных камней (на примере корундов), «Успехи современной радиоэлектроники», 2006 г , № 10, с 31-35

Уел печ л 2 Тираж 80экз Заказ 167 Отпечатано 26 04 2007 вНТЦУПРАН 117342, г Москва, ул Бутлерова, д 15

Введеше.- 4

Глава 1. Обзор аналитических методов определения природных, - 9 синтетических камней и их имитаций.

1.1. Микроскоп (карманная лупа).-101.2. Использование рефрактометра.-111.3. Рефлектометры.-15

1.4. Измерение дисперсии.-171.5. Использование рентгеновских лучей.-191.6. Использование спектроскопа.-211.7. Анализ спеюров поглощения и рассеяния.-24

Глава 2. Научно-исследовательская установка для диагностики - 31 -прозрачных и полупрозрачных камней-минералов, созданная на основе акустооптического спектрометра комбинационного рассеяния.

2.1. Описание спектрометра и принцип его работы.- 32

2.1.1. Постановка задачи по проектированию устройства управления. - 34

2.1.2. Требования, предъявляемые к акустооптическому - 35 -спектрометру.

2.1.3. Выбор архитектуры устройства управления.- 37

2.1.4. Функциональная схема устройства управления -39-акустооптического спектрометра.

2.1.5. Операции, выполняемые акустооптическим спектрометром.- 43

2.1.6. Прецизионный цифровой синтезатор частоты.- 44

2.1.7 Эллиптический фильтр нижних частот.- 45

2.1.8. Интерфейсные характеристики акустооптического -48спектрометра.

2.2. Приемная часть рамановского акустооптического спектрометра. - 50

-32.3. Перестроечная характеристика. - 54

2.4. Программное обеспечение. - 56

2.4.1. Функции, выполняемые программой. - 56

2.5. У-образный волоконно-оптический зонд. - 62

2.6. Держатель (предметный столик) для фиксации образцов. - 62

Глава 3. Диагностика прозрачных ювелирных камней методом - 68 акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния на примере алмазов и его имитаторов.

3.1. Исследование бриллиантов (ограненных алмазов). - 69

3.2. Исследование основного имитатора алмаза - фианита.- 72

3.3. Натуральные (природные) имитаторы бриллиантов.- 76

3.3.1. Корунды (рубин и сапфир) .- 76

3.3.2. Берилл.- 78

3.3.3. Шпинель.- 79

3.3.4. Циркон.- 80

3.3.5. Топаз.- 81

3.3.6. Горный хрусталь.- 82

3.4. Синтетические кристаллы - имитаторы бриллиантов.- 84

3.4.1. Иттрий-алюминиевый гранат.- 84

3.4.2. Титанат стронция (таусонит).- 85

3.4.3. Ниобат лития.- 86

3.4.4. Синтетический рутил.- 86

3.4.5. Синтетическая шпинель, шеелит.- 88

3.4.6. Таблица диагностических свойств алмаза и его имитаций.- 89

В последние годы все большее внимание исследователей привлекают акустооптические методы управления оптическим излучением. -Достоинством этих методов являются высокие эффективность и быстродействие, широкие функциональные возможности. Кроме того, технические средства их реализации достаточно просты. В процессе акусгооптического взаимодействия можно, во-первых, менять любой параметр светового излучения (амплитуду, частоту, фазу, поляризацию, направление распространения) и таким образом осуществлять управление световыми пучками как во времени, так и в пространстве [1]. Во-вторых, акусгооптическое взаимодействие позволяет исследовать различные параметры как оптических изображений, так и распределение интенсивности излучения по спектру.

Изучение различных аспектов акустоопгики интенсивно ведутся как в нашей стране, так и за рубежом; Здесь можно выделить два основных направления. Первое - это детальное исследование физики явления дифракции света на акустических волнах, второе - создание акустооптических устройств, отличающихся назначением и принципом действия. С уверенностью можно сказать, что акустооптика к настоящему времени уже оформилась как самостоятельное научное направление, о чем свидетельствует большое количество публикаций по акусгооптике, представленных в виде статей в многочисленных российских и зарубежных периодических изданиях [2 - 7]. В частности детально исследованы особенности акусгооптического взаимодействия в полупроводниках [8], дифракция на поверхностных акустических волнах [9], вопросы визуализации акустических полей [10, 11], акусгооптического взаимодействия при большой интенсивности света [12, 13]. Пристальное внимание было уделено и техническим вопросам, таким как технология изготовления акустооптических ячеек, широкополосному согласованию с источниками электрического сигнала [7,14] и т.п.

С другой стороны мы живем в такое время, когда потребности электронной промышленности, космической техники и т.п. настолько стимулировали поиск новых веществ со специальными оптическими и физическими свойствами, что искусство и наука выращивания кристаллов достигли высот, позволяющих получать в лаборатории большинство из важнейших драгоценных камней-минералов. Кроме того, были созданы такие кристаллы, не известные в природе, которые благодаря своей твердости и эффективности находят применение в ювелирной промышленности. В качестве примера можно указать твердые и оптически чистые вещества, называемые для удобства редкоземельными гранатами, поскольку они имеют такую же структуру, как и природные гранаты (но не содержат окиси кремния).

Как имитация алмаза, огромную популярность завоевала кубическая окись циркония (фианит), которая успешно изготовляется и продается под различными торговыми названиями. Более полувека ювелиры были обеспокоены наличием в обращении синтетических рубинов и сапфиров, полученных очень эффективным методом Вернейля; теперь такие «самоцветы» научились диагностировать по характерным особенностям их внутренней структуры. Однако рубины научились изготавливать в условиях, очень близких к природным, поэтому их стало труднее определять.

Другой аспект касается частной торговли драгоценными камнями-минералами и заключается в законности продажи самоцветов, цвет которых улучшен окрашиванием или облучением. Одним из примеров может служить появление голубых бериллов, имеющих такой густой цвет, что их можно назвать аквамаринами. Но, как оказалось, эти камни-минералы быстро выцветают на солнце, что делает неоправданной их высокую стоимость.

Приведенные выше примеры указывают на важность достоверной диагностики драгоценных камней-минералов. Данная диссертационная работа посвящена созданию и аппаратурной реализации методики неразрушающей диагностики прозрачных и полупрозрачных камней-минералов, основанной на достижениях акустооптической спектроскопии, что и определяет актуальность выбранной тематики.

Основные задачи, поставленные в диссертационной работе заключались в:

- выборе физических основ, которые могли бы стать основой методики неразрушающей диагностики драгоценных камней-минералов в сложных ювелирных изделиях;

- отработке аппаратурного оформления, выбранной методики диагностики и разработке соответствующего программного обеспечения;

- создании малогабаритного (мобильного) аппаратурно-программного комплекса для диагностики драгоценных камней-минералов;

- проведении натурных исследований на реальных образцах алмазов и их имитаторах для оценки работоспособности созданной методики диагностики.

Целью данной диссертационной работы являлось решение указанных выше задач.

Новизна и научно-практическая ценность полученных в работе результатов определяется тем, что в ходе выполнения работы реально создан малогабаритный мобильный диагностический комплекс, позволяющий достоверно и однозначно определять драгоценные камни в сложных ювелирных изделиях и заложена основа создания базы данных для автоматического распознавания драгоценных самоцветов.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносится методика приборной диагностики драгоценных камней-минералов в сложных ювелирных изделиях, а именно:

-71) использование акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния обеспечивает возможность достоверной и однозначной диагностики драгоценных ювелирных камней;

2) разработанная плата управления позволяет создать малогабаритный мобильный акустооптический спектрометр комбинационного рассеяния, являющийся приборной основой созданной методики;

3) результаты проведенных натурных измерений подтверждают применимость, созданной методики для диагностики бриллиантов (ограненных алмазов) и их имитаторов в сложных ювелирных изделиях;

4) обобщение, полученных экспериментальных спектров и известных литературных данных составляет основу для создания пополняемой базы данных для диагностики ювелирных камней разработанной методикой.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка работ автора и списка использованной литературы и включает в себя 97 страниц текста в том числе 32 рисунка и фотографии, 2 таблицы.

-91-Заключение.

Сформулируем основные выводы диссертационной работы.

Проведенный анализ литературных данных показал, что из всех существующих методик идентификации драгоценных камней-минералов, в том числе в сложных ювелирных изделиях, однозначную и достоверную диагностику наиболее доступным образом обеспечивает метод акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния.

Использование принципа двойной монохроматизации и разработанной платы управления позволило создать акустооптический спектрометр, послуживший основой малогабаритного мобильного аппаратурно-программного комплекса для неразрушающей диагностики драгоценных камней-минералов.

На созданной установке проведены натурные измерения драгоценных камней: алмаза, (бриллианта - ограненного алмаза), и его натуральных (корунд, шпинель, турмалин, топаз, берилл, горный хрусталь) и искусственных (фианит, ИАГ, таусонит, ниобат лития и т.д.) имитаторов. Анализ полученных результатов подтвердил жизнеспособность созданной методики неразрушающей диагностики драгоценных камней-минералов и ее приборного оформления.

Создана Таблица диагностических свойств алмазов и его имитаций, которая является основой пополняемой базы данных для определения и идентификации прозрачных и полупрозрачных камней-минералов, в том числе драгоценных и полудрагоценных самоцветов возможно в сложных ювелирных изделиях.

Список публикаций автора.

1. Бориггко C.B., Константинов А.Ю., Кутуза И.Б., Отливанчик Е.А., Твердов В.В. Исследование примесного состава активных элементов твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния. «Электромагнитные волны и электронные системы», 2005, т. 10, № 8, стр. 48-50.

2. Боритко C.B., Константинов А.Ю., Отливанчик Е.А., Пожар В.Э., Суворов В.А., Твердов В.В., Портативный рамановский акустооптический спектрометр для контроля окружающей среды. Журнал «Техника и технологии», 2005 г., № 5(11) стр. 27-34.

3. Боритко C.B., Отливанчик Е.А., Твердов В.В., Возможность достоверной диагностики ювелирных камней методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния, «Техника и технология», 2006 г., №3(15),. с. 9-14.

4. Боритко C.B., Отливанчик Е.А., Отливанчик А.Е., Твердов В.В. «Исследование распределения активаторной примеси в активных элементах твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния». «Радиотехника и электроника». 2006, т. 51, № 11, с. 1405-1408.

5. Боритко C.B., Отливанчик Е.А., Твердов В.В., Отливанчик А.Е., О возможности использования Рамановской спектроскопии для диагностики ювелирных камней (на примере корундов), «Успехи современной радиоэлектроники», 2006 г., № 10, с. 31-35.

6. Отливанчик Е.А., Твердое В.В., Вгоуализация результатов научного эксперимента с применением проекционной техники, «Естественные и технические науки», № 4,2005, с. 205-214.

7. Габдрахманов М.Н., Твердов В.В., Исследование средств отображения информации, «Естественные и технические науки» 2005 г. № 4,, стр. 133136.

8. Л.И. Брусиловский, Е.А. Отливанчик, М.А. Отливанчик, В.В. Равдин, Д.М. Сагателян, С.А. Самойлова, В.В. Скляров, В.В. Твердов. Применение пакета файлового обмена КЕ1ШГГ для взаимодействия традиционных систем автоматизации на базе разнородной вычислительной техники, М, 1987 г., Компьютерная оптика вып. 2, стр. 3-6.

9. М.А. Отливанчик, С.А. Самойлова, В.В. Твердое., Опыт реализации и использования протокола Кегтй для связи персонального компьютера и мини-ЭВМ, 1987 г., Компьютерная оптика вып. 3, стр. 2-4.

Участие в конференциях:

NEC Международная конференция International distribution meeting Athens 2005 October 06,2005. "Lens calculator for NEC's range of projectors" V. Tverdov.

1. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. -М.: Радио и связь, 1985,280 с.

2. Кулаков С.В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. Л.: Наука, 1978.

3. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. -М.: Наука, 1970.

4. Дамон Р., Мэлони В., Мак-Магон Д. Взаимодействие света со звуком: Явление и его применение. В кн. Физическая акустика/ под ред. У.Мэзона и Р.Терстона. Пер. с англ. Т. 7. - М.: Мир, 1974.

5. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучем в пространстве. М.: Сов. Радио, 1977.

6. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов: Пер. с франц./ под ред. В.В.Леманова. М.: Наука, 1982.

7. Магдич Л.Н., Молчанов В .Я. Акустооптические устройства и их применение. -М.: Сов. Радио, 1978.

8. Гуляев Ю.В., Проклов В.В., Шкердин Г.Н. Дифракция света на звуке в твердых телах. УФН, 1978, т. 124, № 1, с. 61-111.

9. Яковкин И.Б., Петров Д.В. Дифракция света на поверхностных акустических волнах. Новосибирск: Наука, 1979.

10. Korpel A. Acousto-optics. Applied Solid State Science, 1972, v. 3, ch. 2, p. 71-180.

11. Ахмед M., Уэйд Г. Брэговская акустоскопия. ТИИЭР, 1979, т. 67, № 4, с. 170-190.

12. Залесский В.В. Анализ и синтез пьезоэлектрических преобразователей. Изд-во Ростовского ун-та. 1971.

13. У.А. Дир, У.А. Хауи, Дж. Заусман. Породообразующие минералы. -М: Мир, 1966.

14. Б. Андерсон. Определение драгоценных камней-М.: Мир, 1983,456 с.

15. В.С.Балицкий. Геммология в СССР и за рубежом. Тезисы I Всес. Геммол. Совещ. Черноголовка, 1985, с. 3-4.

16. Р.Т. Лиддикоат. Handbook of Gern Identification. G.I.A, 10* ed., 1975.

17. Э.С. Дана. Описательная минералогия. Л.-M.: ОНТИ, 1937.

18. Г. Смит. Драгоценные камни. М.: мир, 1980,586 с.

19. E.D. Bruton. Diamonds. Philadelphia, Chilton Book Co., 1970,395 p.

20. R. Webster. Gems. Their sources, descriptions and identification. London, 1975,932 p.

21. Е.Д. Хинкли, K.B. Нилл, Ф.А. Блум. Инфракрасная спектроскопия с использованием перестраиваемых лазеров. В кн.: Лазерная спектроскопия атомов и молекул. Под ред. Г. Вальтера. М.: Мир, 1979, с. 155-235.

22. Ю.А. Курицин. Инфракрасная спектроскопия с инжекционными лазерами. В кн.: Лазерная аналитическая спектроскопия. Под ред. Летохова B.C. М.: Наука, 1986, с. 120-173.

23. Н.Б. Решетник. Метод неразрушающей диагностики самоцветов (лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния света). М.: МГП «Геоинформмарк», 1991,90 с.

24. K. Nassau. Raman spectroscopy as a gemston test. J. Gemmol, 1982. vol. XVII, N5, p. 306-320.

25. B.B. Буканов, Н.Б. Решетник. Применение рамановской спектроскопии для неразрушающей диагностики самоцветов. Тезисы И Всесоюзной геммологического совещания. Черноголовка, 1989.

26. Р.Ю.Орлов, Е.В.Гусева. Спектроскопия комбинационного рассеяния света (рамановская спектроскопия). Применение в минералогии и материаловедении. Изв. АН СССР, Сер. геол., 1989, № 4, с. 84-95.

27. М.М.Мазур, В.Н.Шорин. Акустооптический рамановский спектрометр. M.: Акустооптические, акустические и рентгено-спектральные методы и средства измерений в науке и технике, 2005, №48(140), с. 15 26.

28. Акустооптический спектрометр рамановского рассеяния РАОС (серийный номер 2). Техническое описание и руководство по эксплуатации.

29. Применение спектров комбинационного рассеяния. Под ред.

30. А. Андерсона, перевод с англ. Ю.П.Агуреева, под ред. К.И.Петрова. М. Мир. 1977,586 с.

31. Синтез минералов и методы их исследования. Геология месторождений пьезооптического и камнесамоцветного сырья Текст. / Редкол.:Б.А.Дороговин и др. Александров, 2000. - 406 е.: ил. - (Труды/ Всероссийский НИИ синтеза минерального сырья; Т. 16).

32. Элуэлл Д. Искусственные драгоценные камни. М.: Мир, 1986. 160 с.

33. С. Л. Марпл-младший, Цифровой спектральный анализ и его приложения. Москва: Мир, 1990.

34. Архипенко Д.К. «Изучение структурных особенностей минералов методом рамановской спектроскопии» (98-05-65204). ОИГГиМ СО РАН.