Неразрушающая диагностика драгоценных камней-минералов методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Твердов, Валерий Викторович

• Твердов, Валерий Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Твердов, Валерий Викторович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Неразрушающая диагностика драгоценных камней-минералов методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния»

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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Твердов, Валерий Викторович

-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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Твердов, Валерий Викторович, 2007 год

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.